转基因动物的应用前景

课程论文规范

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6．表序、图序均以阿拉伯数字连续编号。

7．参考文献不少于10篇，采用顺序编码制，文中参考文献[数字]上标。

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青岛农业大学

动物基因工程课程论文

题目：转基因动物的应用前景

姓名：宋增财

学院：动物科技学院

专业：兽医

班级：2010-02

学号：20106576

任课教师：闵令江

二Ｏ一一年十月二十日

转基因动物的应用前景

兽医宋增财

指导老师闵令江

摘要：转基因动物不仅可以用来研究基因功能，还可以按照人的意愿改良动物的遗传品质，为人类探讨疾病发病机理，寻求有效治疗途径，提供筛选和鉴定药物的理想模型；改良家畜生长特性，提高饲料利用率和产量，为人体提供异体移植器官和生产珍贵药物蛋白。转基因生物研究蕴含着巨大的经济价值，具有非常广阔的应用前景，在国际上成为生物工程的投资热点之一。本文较为全面的综述了各种转基因动物技术方法和动物转基因技术的应用，并对其发展前景作了展望。

关键词：转基因动物基因方法应用前景

Transgenic Animal Applications prospects

Veterinary zengcai Song

Tutor Lingjiang Min

Abstract：Transgenic animal can be used not only to study the gene function, can also to improve the quality of the animal and provide the ideal model of drug identification, to discuss the human disease pathogenesis and research for the effective ways for treatment, to improve the livestock growth characteristics and improve the feed efficiency, to provide the human transplant allogeneic organs and drug protein. Genetically modified animal research contains enormous economic value and has broad prospect of application. It’s a biological engineering investment hotspot. The article more comprehensive overview of transgenic animal technology methods, and the prospects for their development prospects.

Key words: transgenic animals；genetic ；methods；applications；prospects

专家预言，21世纪是生命科学的世纪，生物技术产业已成为企业家和科学家开发的热点。尽管对转基因动物的实际应用还有许多关键性的技术性问题需要解决，但转基因动物在生物基础研究、医学农业、环境保护等领域已显示了广阔的应用前景。目前利用转基因技术获得的主要是粮食作物，其中转基因植物及产品已进入商品化生产阶段。转基因动物的研究尚处于实验室研究阶段，获得转基因动物技术难度较大。但它是一种通过对基因的操作，在RNA、蛋白质、形态学或生理学等水平直接观察基因在活体内的活动情况，并观察其表达产物所引起的表型效应的四维实验体系，其应用已广泛渗透于分子生物学、发育生物学、免疫学、制药及畜牧育种等各个研究领域中，既具有深远的理论价值，又有重大的应用价值。据统计，全球已有以转基因动物技术为核心的公司43家，并将成为21世纪生物技术领域的支柱产业。1998年全球动物生物技术产品总销售额估计为6.2亿美元，预计到2010年仅在农业领域总销售额将达到110亿美元，其中75亿美元来自转基因动物品种。而利用转基因动物制作生物反应器生产药品物和功能蛋白的销售市场预计可达500亿美元。毫无疑问，转基因动物正在改变着生物医药、农业生产、环境保护、生物材料，甚至是整个生命科学研究与发展面貌。利用转基因动物技术，既可加快家畜品种的改良速度，提高肉、奶、蛋的产量和品质，又可生产珍贵的药物蛋白，为大量患者造福。可以说转基因动物技术对于人们千百年来追求的丰衣足食，延年益寿两大目标都会做出具大的贡献[1234567]。

1关于转基因动物

1.1□什么是转基因动物

□□转基因动物（transgenic animal）定义1：通过基因转移技术获得的整合有外源基因的动物个体。定义2：基因组中整合的外源基因能够表达的一类动物。

1.2□转基因动物的制作方法

□□在转基因动物研究的近20年时间里，研究者们先后探索的转基因方法有十几种，但迄今为止，较为成熟的方法并不多。要想高效率地获得转基因动物，如何转运目的基因是一个重要环节，从已有报道材料来看，有关转基因方法归纳起来大体有以下几种：

□□1、原核徽注射法外源基因徽注射法（Microinjection）的创始人是Jaenish （1974），当Palmiter利用此法获得快速生长的“超级小鼠”后，这一转基因方法被广泛使用，其主要步骤包括：公母畜交配（或通过人工授精）获得原核期受精卵，将上源DNA通过徽注射导入原核中（一般是雄原核，然后将徽注射后的受精卵移入受体输卵管中继续发育。

□□2、反转录病毒载体法反转录病毒（Retroviruses）作为转基因载体是目前

应用较成功的一种基因转移方法，主要是利用反转录病毒的LTRs（长末端重复序列）区域具有转录启动子活性这一特点，将外源基因连接到LTR下部进行重组后，再使之包装成为高滴度病毒颗粒，去直接感染受精卵或徽注入囊胚腔中，携带外源基因的反转录病毒DNA可以整合到宿主染色体上。

□□3、胚胎干细胞介导的基因转移胚胎干细胞（ES细胞，Embryo stem cell）是指囊胚期的内细胞团中尚未进行分化的细胞，这种细胞具有类似癌细胞无限繁殖和高度分化的潜能，将目的基因转移入ES细胞重新导入囊胚或经筛选后对转入外源基因的ES细胞进行克隆，可培育转基因个体。目前，胚胎干细胞介导法在小鼠上应用比较成熟，在大动物上应用较晚。Piedrahita等（1988）从猪胚胎中获得了干细胞克隆系，Sitce和Strelchenko等获得牛的胚胎干细胞。尽管建立大家畜ES细胞系仍很困难，ES细胞介导法转基因仍是一条极具魅力的技术路线，随着一些相关关键技术的成熟，ES细胞介导法转基因仍是一条极具魅力的技术路线，随着一些相关关键技术的成熟，ES细胞介导法将会在转基因动物的研究中起到更加重要的作用。

□□4、精子载体法这是一种直接用精子作为外源DNA载体的基因转移方法。精子直接与外源DNA混合培养，外源基因可以进入精子头部，受精后能发育成转基因动物，但其整合率低（鸡为6.0%），表达率高达50%。许多因素影响DNA与精子结合。较长的DNA片段7kb比较短的DNA片段（150——750dp）更容易被精子所摄取。对精子和附睾精子的清洗可提高精子与DNA的结合率。目前已采用阳离子脂质体介导法，该脂质体借静电作用吸附于细胞表面，通过与细胞膜融合，细胞内吞而将结合的基因导入细胞，并获得表达。

□□5、YAC介导的基因转移酵母人工染色体（Yeast Artificial Chromosome，简称YAC）能克隆百万对碱基的大片段DNA。其技术途径有二：一是ES细胞转染YAC后体外筛选，阳性ES细胞囊胚腔注射；二是YAC的原核徽注射。此法具有以下优点：（1）保证大片段DNA的完整性；（2）保证较长外源片段在转基因动物研究中的整合率提高；（3）因保证了目的基因上下游的侧翼序列的完整性，因而可以消除或减弱基因整合后的位置效应，因此，YAC介导法制备转基因动物具有广阔的应用前景。

□□6、胞质内精子徽注射介导的转基因鉴于精子载体法存在较大争论，Anthony 等（1999）尝试一种新方法：预先将小鼠精子进行破膜处理，与编码绿色荧光蛋

白GFP或B－半乳糖苷酶报道分子的外源DNA短时间（1min）共孵育，然后徽注射入减数分裂II期的卵母细胞质中，取得64%——94%转基因表达胚胎，并揭示精子与外源DNA在注射前已结合。将转GFP的胚胎移植，20%的后代表现为基因整合，此项研究揭示，精子膜经冷冻干燥或解冻处理后，外源DNA可穿过外膜，吸附于内膜。因此外源DNA能通过精子的徽注射有效转入卵母细胞，经膜处理的携外源DNA精子的徽注射是一种有效的转基因手段。

□□7、PGC技术脊椎动物的原始生殖细胞（PGC）介导的转基因技术在原理和方法上与ES细胞技术相似，此技术也称生殖细胞转染发，就只将外源基因DNA导入生殖细胞就可以实现基因转移的方法。

□□除上述几种常用的转基因方法外，人们为了适应于一些特殊需要也探索一些其他的方法，如畸胎瘤细胞介导法、受体介导法、电激法、染色体片段显徽注射法、高效徽弹法等，但均因不太成熟不能广泛使用。综上所述，虽然目前使用的制备转基因动物的方法也不少，但总体看来，仍不是十分理想，效率较低[7]。其中原核注射法是最常用和获得转基因动物最我的经典方法，反转录病毒载体法在禽类基因转移上应用较多，效果较好。受体介导法，畸胎瘤细胞介导法在基因治疗上有重要价值；经膜处理精子胞浆徽注射法结合了原核徽注射和精子载体法各自的长处；ES细胞介导法是和基因定位整合相结合的方法，可以克服外源基因随机整合所带来的一些弊端，而且可在体外条件下对外源基因的表达进行筛选。

2□动物转基因技术的研究进展

□□转基因动物的研究稍晚于转基因植物，但发展很快。转基因动物的发展开始于1971发表的利用精子将外援DNA转入兔卵母细胞，之后陆续发展出注射、病毒转染、电脉冲法、胚胎干细胞发等一系列技术，大大丰富了转基因技术的手段，为转基因动物研究起到了极大的推动作用。

3□转基因动物的应用及前景

□□转基因动物是指利用现代生物技术手段，稳定改变动物的遗传特性，从而达到改变动物在生长、抗病等方面表现，或者使动物能够生产原本不能生产的珍稀药用蛋白的目的。目前，转基因动物成为农业和医学研究和开发的重要领域，并逐渐发展成为很有商业前景的高新技术产业。目前转基因动物的应用主要有以下几个方面：

3．1□转基因动物用于基因功能的基础生物学研究

□□研究真核细胞的基因转录和表达调控及个体发育的分子调控规律已有若干进展。目前，已生产出基因敲出的转基因小鼠800余种，这些小鼠的主要用途就是研究基因的主要功能。在小鼠中进行基因定位整合研究，主要依赖小鼠胚胎干细胞，而在其他动物中一直未得到稳定的干细胞系，尚未实现基因定位整合。体细胞克隆技术的出现使得我们不必再依赖胚胎干细胞来进行基因定位整合实验。英国的McCreath等报道，对胎儿成纤维细胞进行基因定位整合实验，成功的将标记基因和抗胰蛋白酶基因定向的整合到绵羊的原胶原蛋白基因座上，并用该细胞克隆得到了两只绵羊。这一研究结果标志着现在已有一种比制作基因定位整合小数更为直接的方法来实现基因定位整合，用同源重组的方法准确的改变某一内源基因，尤其是把基因定位整合方法同Cre系统等位点特异性基因重组方法以及常规遗转学方法结合使用时，不仅可以研究基因的功能，还可以用来研究某个代谢通路甚至一个生物学问题。总而言之，在未来的时间内，转基因动物的研究不会局限于生产某一种对农业或医学有重大经济价值的动物品系或品种，越来越多的研究将针对生物学本身[8]。

3.2□转基因动物在医学领域的应用

□□1.建立诊断及治疗人类疾病的动物模型转基因动物在人类遗传疾病的研究中具有重要的应用价值，被认为是生物技术的又一重大突破。现代医学研究证明，人类的大多数疾病都与遗传有关。通过转基因技术来制作各种研究人类疾病的动物模型，为诊断和开展治疗类似的疾病积累宝贵的资料。适当的动物模型对研究基因突变而引起遗传疾病的发病机制是十分有效的。过去，制造这种动物模型的途径只能靠自然突变或人工诱变的方法。但是，如上文所述，自然突变的机会极少，而人工诱变的方法也不容易定向地控制其突变的位点和方式。而用转基因动物的方法产生人类遗传疾病模型则成为人类遗传疾病研究的一个极为有效的途径。例如贫血病转基因小鼠的建立为研究分析贫血病的发病机制、药物治疗效果提供了重要的动物模型。再如表达人类原癌基因的转基因兔也已经被广泛应用于人类肿瘤发生机制、寻找预防和治疗措施。而糖尿病和心血管疾病转基因猪模型也有报道。目前，已经建立了动脉粥样硬化、贫血症、痴呆症、自身免疫病、淋巴系统病、真皮炎及前列腺癌等多种疾病的转基因动物，为这类疾病的研究提供

了方便。此外，转基因动物还可用于某些病毒性疾病的机理研究。

□□2.利用转基因动物作为人体器官移植研究器官移植已成为治疗人类器官疾病的重要途径，但该技术存在很大制约因素——器官来源的缺乏，人体移植器官短缺成为一个世界性难题。虽然很多国家采取了大量措施，甚至制订了相关法律议案，希望激励更多器官供给者的出现。这些举措虽使器官供给有所增加，但世界范围内的可供器官仍存在巨大缺口。异种器官移植提供了一条可行的解决方法。异种器官移植是用手术的方法将某种动物的器官或组织移植到另一动物的某一部位。1905年，法国的研究人员等将兔肾植入肾功能衰竭儿童体内，进行了世界第一例异种移植手术，手术很成功，但16天后由于排异反应，儿童死于肺部感染。之后，世界各地的研究人员逐步加入到异种移植器官研究之中。由于猪的大部分器官在大小、结构和功能等生理指标上与人类相似，且妊娠周期短，产仔多，容易饲养，供应量大，费用低廉，被认为是最理想的异种器官源。目前猪器官用作供体源最大的障碍是人体内对猪器官天然的超急排斥反应。转基因技术在异种器官移植中的应用主要是针对异种超急排斥反应的有关主要因素，对供者的基因进行干扰，从而在器官移植后降低或消除超急排斥反应。目前已经获得能够有效抑制排斥反应的转基因猪。转基因猪器官移植给人类有望在二三十年内成为现实，到那时转基因动物就可以成为人类丰富的“器官供应库”.[9.10]

□□3.利用转基因动物作为生物反应器利用转基因动物作为生物反应器，生产在人体内原本稀少的功能蛋白是转基因动物应用的又一重要领域。目前许多珍贵的药用功能蛋白虽然可以在植物、细菌和酵母等生物中进行规模生产，但是，在人体内许多蛋白质的生物活性是经后加工才能获得，植物、细菌和酵母不具备这种后加工能力。虽然动物细胞培养体系可以实现活性加工过程，但产量较低，成本很高。而转基因动物生物反应器是利用转基因活体动物的特定组织或器官，进行规模化生产稀有药用蛋白的技术。主要过程为首先将外源基因转入动物，获得转基因动物，然后再从动物的蛋清、乳汁、血液、精液或尿液等中获得目的蛋白。转基因动物分泌的蛋白经过动物体内系统环境的后加工，酷如人体天然蛋白的结构，也有完全相似的生物活性，而且产量高，这是其它表达系统所无法比拟的。因此转基因动物生物反应器生产的稀有功能蛋白是当前极具发展前景的蛋白药物生产方式。2006年6月2日，全球著名的生物制药企业——美国GTC

Biotherapeutics公司研制成功的，在转基因山羊乳汁中生产的重组蛋白——人抗凝血酶Ⅲ（商品名：ATryn ），成为世界上第一个获准上市的转基因动物生产的基因工程药物。该蛋白药物具有抑制血液中凝血酶活性，在预防和治疗急慢性血栓血塞形成上效果显著，据估计该药全球潜在市场每年高达1.5亿美元。其它如荷兰Pharming公司研制的人C1抑制剂（治疗血管神经性水肿的药物）、人乳铁蛋白（抗病毒、增强免疫机能等）、纤维蛋白原（抗栓药）；法国Bioprotein Technologies 公司研制的人类轮状病毒疫苗、美国PharmAthene公司研制的人丁酰胆碱酯酶等重组蛋白药物也已经完成或进入临床Ⅲ期试验，特别是治疗性抗体药物，发展潜力更大。还有10多种重组蛋白药物处于临床研究，另有上千种重组蛋白处于研发阶段。

□□4.转基因懂生产人类营养医疗用品（或保健品）营养医用品或称营养保健品是食品或食品组成分，并有医疗和保健的功能，包括预防和治疗疾病。据DeFelice 和美国商业信息研究所估计，美国再21世纪初的营养医疗用品市场越500亿美元，而欧洲将超过这个数字，目前全球营养医用品市场的平均增长率超过187%，其中营养医用蛋白的发展潜力最大，已经成为营养医用品的支柱。而转基因技术同样也成为这些产品的动物工厂。

3.3□转基因在动物生产中的应用

□□1.利用转基因改良动物品种及其生产性能传统的改良育种只能在同种或亲缘关系很近的物种之间进行，且以自然突变作为选种的前提，而自然界自然突变的发生机率相当低。转基因技术则可以克服上述问题，创造新突变或打破物种间基因交流限制，加快动物改良进程。目前已经成功地应用在提高动物个体的生长速度、改良家畜的生产品质和增强抗逆、抵御疾病的能力等方面。例如，1998年，美国农业部的研究人员成功获得了促生长转基因猪（胰岛素样生长因子）。该促生长基因的导入，显著改变了猪的产肉性能，猪肉脂肪含量减少10%，瘦肉含量增加6%～8%，显著提高了猪的经济性能。再如，2008年，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所等单位，通过克隆和基因重组技术，成功制备了转基因猪，该转基因猪与普通猪相比，在肌肉和脂肪中不饱和脂肪酸的含量显著提高。不饱和脂肪酸为人类健康有益脂肪酸，能使胆固醇酯化，降低血中胆固醇和甘油三酯。降低血液粘稠度，改善血液微循环。提高脑细胞的活性，增强记忆力和思维能力。此外，

转基因技术在羊毛产量的提高、牛奶营养成分的改善以及动物抗病性的提高等方面，转基因技术也有很好的表现。

□□2.动物抗病育种在对各种动物的抗病基因转移研究中，以对鸡的抗病效果较为显著。通过克隆特定病毒基因组中的某些编码序列，修饰后转入畜禽基因组，如果转基因在宿主基因组中能够表达，那么畜禽对该种病毒的感染就会具有一定的抵抗能力，或者能够减轻该种病毒侵染时为机体带来的危害。1989年美国农业部以禽白血病病毒（ALV）为载体获得了抗ALV的新品系鸡。将MX1基因转移到鸡细胞中，使鸡获得了对禽流感的抗性；将马立克氏病病毒（MDV）mRNA互补的一段寡聚核苷酸转移至鸡体内也获得阳性鸡。将克隆的小鼠Mx基因的有义链和反义链插入处于复制感受态的禽逆转录病毒载体中，并以之转染鸡胚胎成纤维细胞(CEF)。结果表明，只有经插入有义链的逆转录病毒载体转染的CEF才能产生Mx 蛋白，同时表明经插入有义链逆转录病毒载体转染的CEF对人流感病毒、禽流感病毒的感染具有抵抗作用，而对包被的RNA病毒、疱疹性口炎病毒（VSV）无抵抗作用。因此，利用转基因技术提高动物的抗病性也具有广阔的应用前景。

4□现状及展望

□□自1982年琅尔米特等首先通过转基因动物技术获得“巨鼠”以来，转基因动物的研究发展迅速。随着遗传学、基因工程、胚胎工程等多学科的发展和相互渗透，目前以显微注射技术为主要技术手段的转基因技术已渐趋成熟，胚胎移植技术也有了明显的提高，同时在深入研究动物乳腺组织结构和攻能的特点以及乳汁分泌的调节等方面积累了相当的经验，越来越多的科学家已开始转向转基因动物的研究。

□□在我国，施履吉院士早在20世纪80年代初就提出乳腺生物反应器构想，并获得了表达乙肝病毒表面抗原的转基因兔，为通过转基因动物的途径获得珍贵药物打下了基础。目前，我国已获得了转基因鼠、转基因鱼以及转基因猪、转基因羊、转基因鸡等具有快速生长能力或抗病能力的家言、家禽种系。20世纪90年代，国家“863”高技术计划将转基因动物一乳腺生物反应器的研究列入重大项目，并与地方政府密切配合，积极支持我国的科学家进行转基因羊的研究开发。上海医学遗传研究所与复旦大学遗传所合作，于1996年10月在上海奉新动物实验场成功研制出5头有目的基因整合的转基因羊，其中1头母羊已于1997年9月产下

小羊羔，进入泌乳朗，乳汁中有活性的人凝血因子Ⅸ表达，这种凝血因于是治疗

血友病的珍贵药物。

□□迄今通过乳房生物反应器生产的蛋白质能达到商品化所需浓度的为数不多，

这说明这类研究依然处于起步阶段。为使各种蛋白质均能在乳腺系统中高效表

达，人们采取了不同的方式来生产转基因动物。但在许多情况下，方法的改进只能

部分奏效。从长远角度来看，要使这项研究再上一个新台阶，可能要靠对乳腺系

统基因表达调控的分子机制的深入了解。

□□利用转基因动物生产蛋白质、造药，是不同于传统生产方式的全新模式，具

有明显的优势，不需要大量投资，建厂、雇佣人员等，培育出的转基因猪和牛可

源源不断提供人类所需要的产品以及移植用器官。无论是实际应用和市场潜力，

前途无限。预计在不久的将来，人们将会借助转基因动物提供的器官，代替人类

病变或损伤的器官，借助转基因动物提供的模型，进行研究，探讨人类疾病与遗

传疾病。

致谢

感谢闵令江老师在这一学期对我的教育，使我对基因工程有了深入地了解，

对我做出这篇论文有很大帮助。

参考文献：

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