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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 )

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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。

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• 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)

基因解碼

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• 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。

基因解碼

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• DNA 複製：–雙股 DNA 分開成為單股 DNA ， D

NA 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 。

基因解碼

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• 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。

基因解碼

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• 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。

基因解碼

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HUNGKUANGThe sequence of the human genome

人類基因體計畫

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人類基因體計畫

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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 er

a)

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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

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世間種種皆蛋白質啟DNA

RNA

蛋白質

轉錄

轉譯

生老病死  喜怒哀樂執行

新藥、檢驗試劑、疾病預防生技醫藥產業新產品研發策略

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生技產業及其相關產業

生技藥品基因疫苗基因治療組織工程 生物資訊

蛋白質資訊 醫療網路

化學藥品 生醫材料生物性肥料生物性農藥中草藥

健康食品基因轉植動 / 植物水產養殖

Robotics醫用儀器 實驗用儀器 醫療器材

生物晶片 基因晶片Nanotech

資訊產

業

環保產業

化工產業及

食品產業及農業

光電產業

精密機械

及

電子產

業

醫療衛生產業

生技產業

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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。

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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

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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

改善動物的體質，減少抗生素的使用

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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。

增加動物產品的品質

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提高羊毛產量 增加動物產品的品質

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生產富含 TPA 之羊奶 TPA— 組織漿質催化素（ tissu

e 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。

製造高品質低成本的醫藥用蛋白

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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。

增加動物產品的品質

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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。

提供異體移植之器官來源

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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。

建立疾病動物模式，提供醫藥研究

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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。

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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。

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在細菌中產生的藥物Heterologous proteins produced

From Yeast for Pharmaceutical use.

藥物學之新領域

從細菌中產生藥用性的異源蛋白

將人類基因轉化入細菌

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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

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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

內內內內內 -lactams) – penicillin(青霉素 ), ampicillin (氨卡青霉 素 ), cephalosporins(頭孢菌素 )

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化療藥劑 (chemotherapeutic agents):

抗生素 -

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)

胺基糖苷抗生素 (Aminoglycosides) – 鏈霉素 (streptomycin), 卡那霉素 (kanamycin), 正大霉素 (gentamicin)

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遺傳工程酵母菌株中產生的藥物   (1)

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 1 白細胞介素 1 ，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 -1 antitrysin 人類 -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

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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

YM062003

遺傳工程酵母菌株中產生的藥物   (2)

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

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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 ）

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Paul Berg: Joined genes from the E. coli with DNA from Simian Virus 40 (SV40)

將外來基因導入細菌體的流程

內切酵素處理Endonuclease restriction enzyme

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

細菌宿主