(共23张PPT)
第2节 动物细胞工程
三 动物体细胞核移植技术和克隆动物
第2章 细胞工程
《基于核心素养的高中生物教学实践研究》系列活动
2017年,中国的科学家将这一幕变成了现实,他们利用体细胞核移植技术成功克隆出两只猕猴“中中”和“华华”(如下图)。
“(悟空)拔一把毫毛,丢在口中嚼碎,望空喷去,叫一声‘变!’,即变作三二百个小猴,周围攒簇(cù)。”这是《西游记》中的一段描述,展示了中华先贤的想象力。毫毛来自体细胞,我们能用体细胞“变”出猴来吗?
1.动物细胞核移植技术
动物细胞核移植技术是将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中,使这个重新组合的细胞发育成新胚胎,继而发育成动物个体的技术。
一、动物体细胞核移植技术
2. 哺乳动物核移植分类
① 胚胎细胞核移植
动物胚胎细胞分化程度____,表现全能性________
② 体细胞核移植
动物体细胞分化程度____,表现全能性_________
3. 非人灵长类动物体细胞核移植的困难原因
①____细胞的______在___________中___________其_______________,这导致了___________;②对非人灵长类动物_____进行操作的技术尚不完善。
低
高
供体
细胞核
去核卵母细胞
不能完全恢复
分化前的功能状态
胚胎发育率低
胚胎
相对容易
十分困难
二、体细胞核移植的过程
“核”其实是纺锤体—染色体复合物,“去核”是去除该复合物。
重构胚是指人工重新构建的胚胎,具有发育成完整个体的能力。
相关信息
目前动物细胞核移植技术中普遍使用的去核方法是显微操作法,也有人采用梯度离心、紫外线短时间照射和化学物质处理等方法。这些方法时在没有穿透卵母细胞透明带的情况下去核或使其中的DNA变性。
早期胚胎培养
动物细胞培养
胚胎移植
动物细胞融合
重构胚
早期胚胎
通过电融合法使两细胞融合,供体核进入卵母细胞
用物理或化学方法激活重构胚,使其完成细胞分裂和发育过程
将胚胎移入受体(代孕)母牛体内
采集牛卵巢中的卵母细胞,在体外培养到MⅡ期
去核的卵母细胞
供体细胞培养
将供体细胞注入去核的卵母细胞
通过显微操作去核
高产奶牛(供体)
从供体身体的某一部位(如耳)上取体细胞
生出与供体奶牛遗传物质基本相同的犊牛
动物细胞核移植
1.该过程中应用到的技术
______________
______________
______________
______________
______________
动物细胞核移植
动物细胞培养
动物细胞融合
早期胚胎培养
胚胎移植
二、体细胞核移植的过程
2.采集的卵母细胞应培养至
______________________
3.选择MⅡ期卵母细胞的原因
①_________________________
_________________________
②_________________________
4.卵母细胞去核的方法
_________________
5.“去核”去的是什么?
__________________________
MⅡ期(减数分裂Ⅱ中期)
含有促进细胞核表现全能性的物质和营养条件
细胞体积大,易于操作
显微操作(去核)法
去除的为纺锤体-染色体复合物
*去核时,由于MⅡ期卵母细胞核的位置靠近第一极体,用微型吸管一般一并吸出第一极体
二、体细胞核移植的过程
6.去核的原因
__________________________
__________________________
7.供体细胞注入卵母细胞的优点
_________________________
8.诱导融合的方法
9.融合的结果
__________________________
10.重构胚概念
__________________________
使核移植得到的胚胎或动物核内遗传物质全部来自有重要利用价值的动物
对卵母细胞损伤较小
*直接将供体细胞注入去核卵母细胞的透明带内
电融合法
供体核进入卵母细胞,形成重构胚
人工重新构建的胚胎,具有发育成完整个体的能力
二、体细胞核移植的过程
11.激活重构胚的方法
①物理方法
_______________________
②化学方法
_______________________
12.以上方法处理重构胚的目的
_________________________
_________________________
13.该技术证明
__________________________
__________________________
电刺激
Ca2+载体、乙醇和蛋白酶合成抑制剂
激活重构胚,使其完成细胞分裂和发育过程
证明了动物已分化的体细胞的细胞核具有全能性
二、体细胞核移植的过程
结合图2-18及前面所学知识,思考并讨论以下问题。
1.在将体细胞的核移植到卵母细胞之前,为什么必须先对卵母细胞进行去核操作?
2.你认为用上述体细胞核移植技术培育的克隆动物,是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗?为什么?
3.体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比,有什么相似或不同之处?请你预测它们应用前景的差异。
4.用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞,想一想,这是为什么?
有关体细胞核移植的问题
思考·讨论
为了使核移植的胚胎或动物的核遗传物质全部来自有重要利用价值的动物提供的体细胞。
2.你认为用上述体细胞核移植技术培育的克隆动物,是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗?为什么?
克隆动物绝大部分DNA来自体细胞供体(核供体)动物的细胞核,但其细胞核外的DNA,即线粒体中的DNA同时来自核供体细胞和受体卵母细胞。所以,用教材中所述的方法克隆动物不是对核供体动物进行完全相同的复制。
此外,即便动物的遗传基础完全相同,但由于动物的发育及一些行为、习性的形成与所处环境有很大关系,克隆动物所生活的环境与核供体动物生活的环境不会完全相同,所以从这一角度看,克隆动物也不是对核供体动物进行100%的复制。
1.在将体细胞的核移植到卵母细胞之前,为什么必须先对卵母细胞进行去核操作?
思考·讨论
利用体细胞核移植技术和诱导iPS细胞都能生成干细胞,但它们的过程是完全不同的。通过体细胞核移植技术可以生成带有核供体细胞遗传物质的胚胎干细胞;诱导iPS细胞需要在细胞中表达几个关键基因,将细胞逆转到类似胚胎干细胞的状态。体细胞核移植技术对核供体细胞有较高要求,一般情况下体细胞的分化程度越高,它重编程为干细胞的成功率就越低;可诱导成为iPS细胞的细胞来源相对广一些,研究表明成纤维细胞、B淋巴细胞、脂肪干细胞等都可以诱导成为iPS细胞。体细胞核移植技术涉及来集卵母细胞、去核、融合等复杂的操作;诱导iPS细胞的技术流程相对简单,可能更适合用于生产实践。目前科学家还在研究由这两种技术生成的干细胞在基因表达、DNA甲基化等方面的差异,这些研究成果也将直接影响它们今后的应用。
3.体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比,有什么相似或不同之处?请你预测它们应用前景的差异。
思考·讨论
4.用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞,想一想,这是为什么?
培养的动物细胞一般当传代至10~50代左右时,部分细胞核型可能会发生变化,其细胞遗传物质可能会发生突变,而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。因此,在体细胞核移植中,为了保证供体细胞正常的遗传基础,通常采用传代10代以内的细胞。
思考·讨论
应 用 前 景 畜牧生产
保护濒危动物
医药卫生
治疗人类疾病
科研
加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育。
有望增加濒危物种的存活数量
转基因克隆动物可以作为生物反应器,生产珍贵的医用蛋白。
①转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体;
②以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞,经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官,将它们移植给患者时可以避免免疫排斥反应。
①研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程
②克隆一批遗传背景相同的动物,通过它们之间的对比来分析致病基因
③克隆特定疾病模型的动物,还能为研究该疾病机制和开发相应的药物提供帮助。
三、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
1.体细胞核移植的应用前景
2. 体细胞核移植技术存在的问题
(1)成功率仍然非常低。
(2)理论研究较为滞后,需要与发育生物学、细胞生物学和分子遗传学等学科更深层次的理论研究相结合。
(3)绝大多数克隆动物还存在健康问题。许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷,如体型过大,异常肥胖,发育困难,脏器缺陷,免疫失调等。
三、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
概述
过程
动物细胞核移植
结果
生殖方式
原理
分类
动物细胞核移植
动物细胞培养
动物细胞融合
胚胎移植
早期胚胎培养
前景和问题
畜牧生产、保护濒危物种、医药卫生、治疗人类疾病、科研
成功率低、环节有待改进、健康问题
课堂构建
1.假设世界上最后一头野驴刚死亡,以下使它“复生”的方案中可行的是( )
A.将野驴的基因导入家驴的受精卵中,培育出新个体
B.将野驴的体细胞取出,利用组织培养培育出新个体
C.将野驴的体细胞两两融合,再经组织培养培育出新个体
D.将野驴的体细胞核移植到家驴的去核卵母细胞中,经孕育培育出新个体
一、概念检测
D
练习与应用
一、概念检测
2.2017年,某国批准了首例使用细胞核移植技术培育“三亲婴儿”的申请。其培育过程可选用如下技术路线。据图分析下列叙述错误的是 ( )
A.该技术涉及动物细胞培养、细胞核移植等操作
B.该技术可避免母亲的线粒体遗传病基因传递给后代
C.卵母细胞捐献者携带的红绿色盲基因能够遗传给“三亲婴儿"
D.“三亲婴儿”同时拥有自己父亲、母亲及卵母细胞捐献者的部分基因
C
练习与应用
1.下列属于克隆技术的是 ( )A.将番茄体细胞的原生质体与马铃薯体细胞的原生质体融合在一起B.体外培养基底层干细胞来培植皮肤用于植皮手术C.将小鼠的骨髓瘤细胞与B淋巴细胞结合成杂交瘤细胞D.将人工授精的受精卵体外培养形成胚胎
B
课堂演练
2.研究人员将猴胚胎细胞(a)中的细胞核取出,移入一雌猴的去核卵母细胞(b)中,得到重组细胞(c),经培养获得胚胎并移入另一雌猴(d)体内进一步发育,获得克隆猴(e)。下列叙述正确的是( )A.e细胞内的全部基因都来自a,b不提供基因B.c经一系列增殖和分化形成e的过程中,细胞核起控制作用C.d为胚胎发育提供遗传物质和其他适宜条件D.e的形成过程中没经过受精作用,其体细胞中无同源染色体
B
3.(不定项)下图为某哺乳动物生殖过程示意图。下列相关叙述正确的是 ( )
A.动物个体①②的产生分别属于有性生殖和无性生殖B.动物个体②的产生表明,高度分化的动物细胞核也具有发育成完整个体的潜在能力C. 按照动物个体②的产生方式,后代的性别比例仍为1∶1,但对于动物的进化则是不利的D.图中a、b、c三种细胞的产生方式,仅c为有丝分裂
课堂演练
ABD
课堂演练
4.(不定项)下列关于高产奶牛克隆过程的叙述,错误的是( )
A.供体牛体细胞在进行体外培养时,会发生细胞贴壁和接触抑制的现象B.培养至MⅠ期的卵母细胞的细胞质中含有能促进细胞核全能性表达的物质C.通过电融合法促进供体细胞与去核受体细胞融合,供体核进入卵母细胞D.胚胎移植时,应将重组细胞直接移入代孕母牛的子宫
BD
5.科学家利用动物细胞培养和核移植技术获得克隆动物的流程如下图所示。请回答下列问题。
(1)从供体身上取下的器官或组织进行细胞培养时,首先要用 , 处理一段时间使细胞分散开来,需要这样做的原因是 。 (2)细胞培养过程中需要定期更换培养液,目的是 ; 用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞,原因是 。
课堂演练
胰蛋白酶或胶原蛋白酶
成块的组织中细胞与细胞靠在一起,彼此限制了生长和繁殖
清除代谢物,防止代谢物积累对细胞自身造成危害
细胞传至10~50代时,部分细胞的细胞核型可能会发生变化,传代10代以内的细胞一般能保持正常的核型
(3)采集的卵母细胞在体外培养到 时,通过显微操作除去细胞核,选择在这一时期操作的原因是 。 (4)过程①表示激活重构胚,使其完成细胞分裂和发育,具体方法有 (答出两种),②代表的过程是 。 (5)利用动物体细胞核移植技术,我国科学家成功获得了克隆猴——“中中”和“华华”,请举例谈谈该技术在生产实践或科学研究中的应用前景。 (至少举出两例)。
加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育;有望增加濒危动物的存活数量;转基因克隆动物可作为生物反应器生产医用蛋白;转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以用于异种移植
课堂演练
减数分裂Ⅱ中期(或MⅡ期)
这一时期卵母细胞核的位置靠近第一极体,用微型吸管可一并吸出细胞核与第一极体
电刺激、Ca2+载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等 胚胎移植