动物细胞培养(山东省德州市武城县)

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名称 动物细胞培养(山东省德州市武城县)
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资源类型 教案
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科目 生物学
更新时间 2008-03-22 11:19:00

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第二章细胞工程
§1动物细胞培养(细胞工程中最基础的技术)
一、动物细胞培养的基本条件
动物细胞培养的关键是为动物细胞的生活提供良好的环境条件,其具体条件可分为以下几类:
1.严格无菌
离体培养的细胞没有对微生物和有毒物质的防御能力,所以其培养环境中一旦有细菌、真菌和病毒等微生物的污染,培养的细胞就会死亡,必须严格无菌。
原因是细胞培养的培养其中含有丰富的营养物质,各种微生物容易生长,并在与组织细胞的竞争中优势,其代谢产物会造成组织细胞中毒可死亡。
2.适宜的温度
(1)原因:人体和动物体内环境的温度是相对稳定的,所以细胞培养的温度必须严格控制在很窄的变化范围内,否则细胞的正常代谢就会受到影响。培养的细胞对低温的耐受能力比对高温的耐受能力大。
(2)机理
温度对细胞培养的影响是通过影响细胞内酶的活性而实现的。人体细胞内大多数酶的最适温度是37℃左右,所以细胞培养的环境温度偏离了最适温度,酶的活性降低,从而影响细胞的代谢。由于高温能使酶分子结构发生变化,造成酶活性不可逆转的丧失,所以高温对细胞培养的影响较大。
3.充足的氧气和适宜的酸碱度
由于细胞培养过程中要进行细胞呼吸,所以细胞培养的环境中要有充足的氧气。细胞呼吸产生的二氧化碳排到培养基中,会影响培养的pH。大多数细胞培养的适宜pH为7.2~7.4。
4.必需的营养物质和生长因子
人和动物的体细胞生活在液体的内环境中,内环境中的营养物质如氨基酸、葡萄糖、无机盐、维生素、核苷酸等,满足了细胞的生长、代谢等各种生命活动的需要。所以要在培养基中培养离体的动物细胞,培养基中各种物质的成分与含量要与内环境的成分相似。由于不同动物的内环境成分有所不同,所以要根据不同来源的动物细胞配制不同的液体培养基。
5.适宜的渗透压
二、动物细胞培养的过程
(1)具体过程
动物胚胎或幼龄动物的器官、组织 单个细胞
细胞悬浮液    培养瓶    贴壁生长    接触抑制      细胞悬浮液    分瓶培养
(2)细胞株、细胞系:
①细胞株:原代培养的细胞一般传至10代左右,细胞的分裂就会出现停滞,大部分细胞衰老死亡。但是极少数的细胞能够度过“危机”而继续传下去,这些存活的细胞一般能传到40~50代,这种传代细胞叫做细胞株。细胞株的细胞的遗传物质没有发生改变。
②细胞系:当细胞传至50代以后又出现“危机”,不能再传下去。但是有部分细胞的遗传物质发生了改造,并且带有癌变的特点,从而有可能在培养的条件下无限制地传代下去,这种传代细胞称为细胞系。
三、细胞培养的意义
1.获得细胞产物:如酶、生长因子、疫苗、单克隆抗体等。
2.有毒物质和药物的检测:如将待测物质加入培养液后,根据变异细胞占全部培养细胞的比例来判断该物质的毒性。
3.获得细胞,如:人工皮肤
4.基础研究
注意:不是获得动物个体(全能性受限性)
§2植物组织培养
一、植物细胞的全能性
1.概念:
一个植物体的全部体细胞,都是从受精卵经过有丝分裂产生,具有发育为完整个体所必需的全套遗传物质。所以,从理论上讲,植物体的每一个活细胞都具有形成完整植物体的遗传潜能。植物细胞的这种特性叫做全能性。
2.条件:
①离体状态:
原因是植物体内的细胞分化成不同的组织和器官,并没有表现出全能性,这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。
但它们的遗传潜力并没有丧失,全部遗传信息仍然保留在DNA序列当中。
②一定的营养条件、激素
③其他外界条件
二、植物组织培养技术
过程: 具根、芽等器官的幼苗(不定芽方式)
离体的植物器官、组织或细胞(外植体)    愈伤组织      植物体
胚芽、胚根、胚轴(胚状体方式)
影响再分化的因素:
①遗传特征 ②取材位置 ③培养基的成分和物理性质 ④植物激素(决定因素):细胞分裂素/生长素,比值低时诱导根的分化;比值高时诱导芽的分化;比值处于中间水平时,愈伤组织生长而不分化。
三、植物组织培养的应用
1.植物快速繁殖 2.培育无病毒植株
3.生产植物产品 4.制造人工种子
(1)优点:
①解决了有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。
②种子可以工业化生产,提高农业的自动化程度。
③人工胚乳中除含有胚状体发育所需的营养物质外,还可以添加各种附加成分,如固氮细菌、防病虫农药、除草剂和植物激素类似物等,有利于幼苗茁壮成长,提高作物产量。
④用人工种子播种可以节约粮食。例如,一个12L的发酵罐在20d内生产的胡萝卜胚状体,可以制成1000万粒人工种子,满足几千公顷农田的种植需要,与天然种子相比,大大节约了粮食。
⑤育种周期短,便于贮藏和运输
(2)缺点:
受科技水平的限制,对人工种子的研究尚未完全过关,还存在着抗菌性差,萌发率低等不足。
四、植物组织培养和动物细胞培养的比较
植物组织培养 动物组织培养
原理 细胞全能性 细胞的增殖
培养基的物理性质 固体培养基 液体培养基
培养基的成分 水、矿质元素、维生素、蔗糖、氨基酸、琼脂等 葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清等
结果 新的植株或组织 细胞系或细胞株
目的 ①植株快速繁殖  ②脱毒植株的培育 ③人工种子④生产药物、杀虫剂等 ⑤转基因植物的培育 ①蛋白质生物制品的生产 ②皮肤移植材料的培育③检测有毒物质 ④生理、病理、药理学研究
取材 植物幼嫩的部位或花药等 动物胚胎或生出不久的幼龄动物的器官或组织
其他条件 均为无菌操作,需要适宜的温度、pH、O2等条件
§3细胞融合技术
一、诱导细胞融合的方法及优缺点
(生物法)病毒诱导 (化学法)聚乙二醇诱导 (物理法)电场诱导
优点 融合率较高,对各种动物细胞均适宜 使用方便,诱导细胞融合的频率比较高 融合频率高,对细胞的毒性小,重复性强,方便简单,容易操作。
缺点 制备过程比较繁琐,会对细胞的生命活动产生干扰 有一定的毒性,对有些细胞不适用
二、(植物)细胞融合与作物育种
1.原理:细胞膜流动性、全能性
2.过程: A B
↓ 酶解法去壁 ↓
A 质生质体 B
诱导   ↓  融合
融合的原生质体
↓ 再生壁
(A细胞、B细胞、AA细胞、BB细胞、AB细胞)
↓ 筛选
AB杂种细胞
↓ 组织培养
杂种植株

鉴定
①去壁 ②诱导融合 ③再生壁 ④筛选 ⑤组织培养 ⑥鉴定
3.意义:避免受精过程,在亲缘关系较远的物种间实现基因转移,创造出自然界没有的新物种。
三、(动物)细胞融合与单克隆抗体
1.传统抗体
(1)获取方法:某种抗原反复注射到动物体内,然后从动物血清中分离出所需的抗体。
(2)缺点:产量低、特异性差,浓度低,反应不够灵敏。
2.单克隆抗体
在外来抗原物质的刺激下,B淋巴细胞会产生针对该抗原物质的抗体。
一个B淋巴细胞只能针对一种抗原决定簇产生一种特异性的抗体,源自一个B淋巴细胞的克隆所产生的抗体,只会特异性地作用于一种抗原决定簇,我们将这种抗体称为单克隆抗体。
3.制备单克隆抗体需解决两个问题。
①体内淋巴细胞类型多,如何能找到所需的淋巴细胞。
②即使能够找到,这些B淋巴细胞不能在体外大量扩增以产生足够抗体,因为在体外培养的过程中,B淋巴细胞会很快死亡。
4.原理:细胞膜的流动性
5.方法:
注射特定抗原的免疫小鼠
 ↓
效应B淋巴细胞 骨髓瘤细胞
↓ 融合
BB细胞、瘤瘤细胞、B瘤细胞
 ↓筛选
杂交瘤细胞
 ↓筛选
能产生所需抗体的杂交瘤细胞
注射到小鼠腹腔内  体外培养
↓ ↓
腹水 培养液
 ↓ 提取
单克隆抗体
5.优点:理化性质单一,特异性强
四、生物育种技术比较
技术 原理 优点 缺点
诱变育种 基因突变 提高生物变异的频率,可大幅度改良某些性状,缩短育种进程 盲目性大,需大量处理供试材料
杂交育种 基因重组 使位于不同个体的优良性状集中于一个个体 周期长,难以克服远缘杂交的障碍
单倍体育种 染色体数目变异 获得个体均为纯种,明显缩短育种年限 技术复杂,须与杂交育种配合
多倍体育种 染色体数目变异 器官大,提高产量和营养成分 适用于植物,动物方面难以开展
基因工程 基因重组 打破物种界限,定向地改造生物遗传性状
细胞工程育种 细胞生物学和分子生物学原理 克服远缘杂交不亲和的障碍;扩大了用于杂交的亲本组合范围;定向改变生物遗传性状 不能按人们的需要表现出亲代的优良性状
§4干细胞工程
一、干细胞
1.概念:人体在生长发育的过程中,会保留一部分未参与分化或未完全分化的原始细胞,一旦生理需要,它们可以按照一定的途径通过分裂、分化产生机体所需的细胞,这种具有自我更新和分化发育潜能的原始细胞称为干细胞。
2.分类:
全能干细胞:具有形成机体的任何组织或器官直到形成完整个体潜能。如:受精卵、胚胎干细胞
多能干细胞:具有分化成多种细胞的潜能,但不能发育成完整的个体。如:骨髓造血干细胞
专能干细胞:只能分化成某一种类型的细胞。如:神经干细胞
二、干细胞工程
1.定义:
在体外对干细胞进行操作,包括体外增殖、定向、诱导、横向分化,基因修饰和组织形成等,最终将干细胞培养成人们所需要的各种细胞组织甚至器官。
2.造血干细胞的来源:
(1)骨髓 (2)动员后的外周血 (3)脐带血
三、胚胎干细胞移植 
1.胚胎干细胞的来源:早期胚胎(受精卵→囊胚)
2.操作过程:早期胚胎    胚胎干细胞 遗传操作(如基因修饰等)
各种功能性细胞(如神经细胞)
        胚胎干细胞库   移植给患者
干细胞(如神经干细胞)
3.应用:
胚胎干细胞移植技术①有可能为部分细胞坏死的病人进行细胞移植,使病人恢复丧失的功能。②将来,人们甚至可以利用胚胎干细胞诱导分化出细胞和器官,像更换机器零件一样更换人体坏死或功能不佳的组织器官。
★胚胎干细胞真正用于器官克隆和移植,还需要许多技术上的突破(详见课本43页相关链接)
§5克隆技术
一、何为克隆
克隆指从一个共同的祖先,通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特征相同的分子、细胞或个体。
二、动物克隆的一般过程
白脸母羊 黑脸母羊
↓ ↓
乳腺细胞 卵细胞
 去核
去核卵细胞
(核移植)
↓ 电融合法
杂交卵细胞
↓ 电刺激
 分裂发育

 早期胚胎
↓移植 (胚胎移植)
“黑脸”代孕母羊子宫
↓妊娠(148天)
多莉
讨论:①何种生殖方式?
无性繁殖,因其无精卵结合成受精卵的发育,所以无传统意义上的“父母”。
②“多莉”羊的性状如何?
绝大部分由细胞核控制,与提供细胞核的动物(即白脸母羊)一致,而极少数性状由细胞质基因控制,与提供去核卵细胞的动物(即黑脸母羊)一致,因为去核卵细胞线粒体DNA中也会有一定量的细胞质基因,第三只“黑面母羊”只是代孕母羊,性状与其无关。
③为何用“卵细胞”而不用体细胞
原因:①体积大、易操作 ②含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件。而两个普通体细胞一个去核,一个供核,融合发育成一个新动物个体,暂时尚没有报道。
三、克隆技术应用前景
首先,利用克隆技术可以快速培育具有优良品质的家畜,并且可以保持家畜的优良性状不会丢失。
而传统的有性繁殖方式培育良种家畜,不但花费时间长,而且优良性状难以在后代中得到长期保持。
其次,克隆技术在制造基因工程药物方面的设想和应用有着十分诱人的前景,如:生物反应器的研究。
第三,克隆技术是保护动物遗传资源和生物多样性的有效手段之一,为保护和拯救濒危动物开辟了一条新途径。
四、克隆技术存在的问题
1.克隆技术的成功率很低
2.克隆动物的夭折率较高,不少体细胞克隆动物患有先天性疾病或出现生理缺陷。
定向诱导
冷冻保存
体外培养增殖
分离
发育成
脱分化
再分化
胰蛋白酶
脱离
加培养液
制成
剪碎
胰蛋白酶
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