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HUNGKUANG. 基因轉殖技術在藥物之研發. 邱駿紘 助理教授 弘光科技大學 生物科技系 ( 所 ). HUNGKUANG. 何謂基因轉殖技術. 定義：為經由人為的方式將重組 DNA 引入 體內而改變之動物。. 基因轉殖意味著某一重組的 DNA 片段藉由 (1) 導入體細胞 (2) 穩定的嵌入宿主動物之生殖細 胞內，並可傳遞至接續的每一 世代中。. HUNGKUANG. 基因解碼. DNA 的組成：由核苷酸 (nucleotide) 所形成的高分子 (polymer) 長鏈。
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HUNGKUANG 基因轉殖技術在藥物之研發 邱駿紘 助理教授 弘光科技大學 生物科技系(所)
HUNGKUANG 何謂基因轉殖技術 定義：為經由人為的方式將重組 DNA引入 體內而改變之動物。 基因轉殖意味著某一重組的 DNA片段藉由 (1) 導入體細胞 (2) 穩定的嵌入宿主動物之生殖細 胞內，並可傳遞至接續的每一 世代中。
HUNGKUANG 基因解碼 • DNA的組成：由核苷酸(nucleotide)所形成的高分子(polymer)長鏈。 • 核苷酸含有三種成分：五碳糖、磷酸根和鹼基(base) • 四種鹼基分別為：腺嘌呤(adenine, A)、鳥糞嘌呤(guanine, G)、胞嘧啶(cytosine, C)以及胸腺嘧啶(thymine, T)
HUNGKUANG 基因解碼 • DNA的結構 • 兩股DNA長鏈形成雙股螺旋。其骨架由五碳糖和磷酸根連接而成，兩股DNA長鏈間，A與T，G與C藉由氫鍵(hydrogen bond)互相配對。
HUNGKUANG 基因解碼 • DNA複製： • 雙股DNA分開成為單股DNA，DNA聚合酶(DNA polymerase)根據此單股DNA模板(template)，各自合成其互補(complementary)的單股DNA，而成為兩組雙股DNA。
HUNGKUANG 基因解碼 • 基因密碼： • DNA的鹼基排列順序記錄著基因的密碼檔案，每三個鹼基對應一種胺基酸(amino acid)，不同的胺基酸序列，決定了蛋白質的三度空間結構，進而決定了蛋白質的功能。
HUNGKUANG 基因解碼 • 人類基因體計劃(Human Genome Project)： • 目的：於西元1990年正式展開，預計在十五年內，以30億美元的研究經費完成人類46條染色體(chromosome) DNA的鹼基排序工作，以解開各種基因的遺傳密碼。 • 參與者：由英、美、德、法、中、日等六國科學家所組成的國際研究團隊及美國一家私人公司－瑟雷拉基因科技公司(Celera Genomics Corporation)。 • 進展：2000年6月23日完成人類基因體圖譜(human genome mapping)的草圖。2003年4月14日提前完成人類基因體定序。
HUNGKUANG 人類基因體計畫 The sequence of the human genome
HUNGKUANG 人類基因體計畫
HUNGKUANG 人類基因體計畫 (Human Genome Project, HGP) 1985年美國能源部（DOE）健康總署和環境部門提出 1987年啟動 1988年9月美國國家衛生院（NIH）建立專門機構 1988年Celera公司加入基因定序研究 2001年2月宣布人類基因輿圖完成 →完成人類DNA中30億個鹼基的排序 →辨識出人類DNA中30,000個基因 →生物技術進入人類基因圖譜後世代(Post-genomic era)
HUNGKUANG 人類基因序列能給我們什麼訊息 人類基因體包含約三十一億六千四百七十萬個（3,164,700,00）核甘酸鹼基（A, C, T, G） 一般的基因平均含有三千個鹼基，但其大小變異很大，最大的人類基因是 dystrophin，含有二百四十萬個鹼基 基因總數估計在 30,000 至 35,000 之間 所有的人類中，幾乎是所有的（99.9%）的核甘酸鹼基是完全相同的 在已發現的基因中，超過的 50% 基因其功能仍是未知
世間種種皆蛋白質啟 DNA 轉錄 RNA 轉譯 蛋白質 執行 生老病死 喜怒哀樂 生技醫藥產業新產品研發策略 新藥、檢驗試劑、疾病預防 HUNGKUANG
HUNGKUANG 生技產業及其相關產業 醫療衛生產業 生技藥品 基因疫苗 基因治療 組織工程 電子產業 資訊產業 生物晶片 基因晶片 Nanotech 生物資訊 蛋白質資訊 醫療網路 生技產業 Robotics 醫用儀器 實驗用儀器 醫療器材 化學藥品 生醫材料 生物性肥料 生物性農藥 光電產業 精密機械及 環保產業 化工產業及 中草藥 健康食品 基因轉植動/植物 水產養殖 食品產業 及農業
HUNGKUANG 基因轉殖動物 動物之染色體DNA被外源DNA或人為方式所 改造。 如與正常動物交配，所生產之下一代有1/2 的 機會也會遺傳到改變之染色體而成為基轉 動物。
HUNGKUANG 基因轉殖動物的應用 改善動物的體質，減少抗生素的使用 增加動物產品的品質 製造高品質低成本的醫藥用蛋白 提供異體移植之器官來源 建立疾病動物模式，提供醫藥研究 工業用途
改善動物的體質，減少抗生素的使用 HUNGKUANG 增加牛奶中溶菌酶(lysozyme)產量 溶菌酶 • 乳中抑菌酵素 • 提升動物健康，減少抗生素使用 • 耐熱性高，延長乳品存放時間 • 降低開發中國家孩童腹瀉情形
HUNGKUANG 增加動物產品的品質 全世界第一隻基轉乳牛 • 生產人乳成分中的乳鐵素（lactoferrin） • 可和鐵結合，抑制需鐵細菌生長，提升嬰兒免疫力，。 • 可添加至嬰兒配方奶粉中，嬰兒不會有缺鐵性貧血，或提供給一些免疫機能較差的病患使用。
HUNGKUANG 增加動物產品的品質 提高羊毛產量
HUNGKUANG 製造高品質低成本的醫藥用蛋白 生產富含TPA之羊奶 TPA—組織漿質催化素（tissue plasminogen activator） 可溶解血拴的藥物—血拴溶解劑，中風救命藥，在心臟病發60-90分鐘使用最佳。 目前市面上藥物多為細菌發酵生產，每克藥物生產所需成本高達數千美元。 每公升羊乳可產生3克藥物， 一頭羊可生產一千公升的羊乳。
HUNGKUANG 增加動物產品的品質 基轉蛋雞 • 蛋雞飼養成本較其他農場動物低。 • 一隻雞年產約300顆蛋。 • 雞蛋蛋白之萃取純化技術，亦有一般之水準。
HUNGKUANG 提供異體移植之器官來源 豬作為異體移植之優點 可在無病菌之環境中飼養 一胎可以生很多隻 短時間內可長到適當大小 道德爭議性較靈長類小 已常規用於心臟移植 其他應用 a. 豬胚可分泌多巴胺用於治療巴金森氏症。 b. 胰島細胞用於治療胰島素缺乏之糖尿病。
HUNGKUANG 建立疾病動物模式，提供醫藥研究 • 目前已被成功建立之基轉疾病小鼠模式 • 各種癌症、糖尿病、心臟病、愛滋病、肝炎。 • 各種神經退化性疾病，像巴金森氏症、老年癡呆症、小腦萎縮症等。 • 利用這些基轉動物模式，可以研究疾病成因，篩選可能的治療途徑的。
HUNGKUANG 工業用途 • 基因轉殖山羊生產蜘蛛絲。 • 作為繩索、防彈衣、手術縫線及人工韌帶之材料來源。
HUNGKUANG 製藥產業與生物科技 藥品使用的目的在於治療、減輕或預防人類的疾病。其作用方式包括藉著影響、調節生理機能、消滅、或抵禦外來病菌的侵害…等，來維護人體的健康狀態。下圖為製藥工業的上、中、下游 。 我國工業局對生化科技提出的定義為：「利用生物程式、生物細胞或其代謝物質來研發、製造產品及改進人類生活素質之科學技術。」也就是利用生物本體或其產物，來生產對人類醫學、農業、經濟等方面有用的生物或物質。
將人類基因轉化入細菌 從細菌中產生藥用性的異源蛋白 HUNGKUANG 藥物學之新領域 在細菌中產生的藥物 Heterologous proteins produced From Yeast for Pharmaceutical use.
HUNGKUANG 藥物產品(Pharmaceuticals): 遺傳工程微生物的產品(products of genetically engineered microbes) • 胰島素(insulin) – 處理糖尿病 • 生長激素(growth hormone) – 治療矮小病(dwarfism), 傷口治癒 (wound healing), 骨質疏鬆(osteoporosis)及畜產生長(livestock growth)等 • 組織纖維蛋白溶酶原活化子(tissue plasminogen activator, TPA) – 溶解血塊 • 凝血因子(blood clotting factor) – 處理血友病人(hemophiliacs)流血 不止症狀 • 血細胞生長素(erythropoietin) – 治療貧血症(anemia) • 細胞因子(cytokines) – 扞擾素(interfererons, IFN),白細胞介素(inter- leukins, IL),及其他具抗癌(anticancer)及免疫調節(immune modula- tors)等用途的細胞因子
HUNGKUANG 藥物產品(Pharmaceuticals): 遺傳工程微生物的產品(products of genetically engineered microbes) • 疫苗抗原(vaccine antigens) – 防止細菌(bacteria),真菌(fungi), 病毒 (viruses)的感染, 如:重組B性肝炎疫苗(recombinant Hepatitis B vaccine) • 單株抗體(monoclonal antibodies, mAb) – 臨床檢測(diagnostic applica- tions), 癌症(cancer)及血痊(blood clot)等的治療 化療藥劑(chemotherapeutic agents): 抗生素-為細菌(Bacillus, Streptomyces, etc.), 真菌(Aspergillus, Cephalo- Sporium and Penicillium, etc.)的二次代謝產物 b-內酰抗生素(b-lactams) – penicillin(青霉素), ampicillin (氨卡青霉 素), cephalosporins(頭孢菌素)
HUNGKUANG 化療藥劑(chemotherapeutic agents): 抗生素- 胺基糖苷抗生素(Aminoglycosides) – 鏈霉素(streptomycin), 卡那霉素 (kanamycin), 正大霉素(gentamicin) 大環內脂抗生素(Macrolides) –紅霉素(erythromyci), 螺旋霉素(spira- mycin) 四環素(Tetracyclines) – 金霉素(chlortetracycline), 土霉素(oxytetra- cycline)
Interferon （IFN） 干擾素 Human atrial natriuretic peptide (HANP) 心鈉素 Somatostatin（SRIH） 促生長素抑制素 Human salivary amylase 人類澱粉酵素 Interleukin 1b 白細胞介素1b，淋巴細胞激活因子 Granulocyte macrophage stimulating factors 粒細胞巨噬細胞刺激因子 Human tissue plasminogen activator 纖溶酵素活化子 Human a-1 antitrysin 人類 a-1抗胰蛋白酵素 Procine prophospholipase A2 豬前磷脂酵素 Phaseolin 菜豆異類黃酮（抗毒）靈 HUNGKUANG 遺傳工程酵母菌株中產生的藥物 (1)
Epstein-Barr envelope glycoprotein EB病毒外膜糖蛋白 Human insulin-like growth factor I 人類胰島素類生長因子 Hirudin 水蛭素 Fibroblast growth factors， FGF 纖維細胞生長因子 Echistatin 抑血小板凝集素 Procrine urokinase 尿激酵素 Human secretory leukocyte protease inhibitor 白細胞蛋白酵素抑制劑 HIV1 protease 愛滋病毒蛋白酵素 Human serum albumin 人類血清蛋白 Human urinary plasminogen activator 人類尿纖溶酵素原活化子 HUNGKUANG 遺傳工程酵母菌株中產生的藥物 (2) YM062003
HUNGKUANG 基因選殖及重組DNA技術操作的一般流程 ․專一性 DNA 內切酵素（Restriction Enzymes） ․DNA 片段連接酵素（T4 DNA Ligase） ․DNA 片段轉接質/載體 （DNA fragment carrier- Plasmids/Vectors) ․將選殖基因轉化入微生物中（Transformation of cloned gene into Microorganisms） ․選殖基因的表現（Gene Expression）
內切酵素處理 Endonuclease restriction enzyme 細菌宿主 連接酵素處理 DNA ligase 將重組 DNA 轉化入細菌細胞中表現 Transformation of recombinant DNA HUNGKUANG 將外來基因導入細菌體的流程 Paul Berg: Joined genes from the E. coli with DNA from Simian Virus 40 (SV40)
