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2.2动物细胞工程2.2.1动物细胞培养和核移植技术情境导入课程目标有“克隆羊之父”之称的英国科学家韦尔穆特因培育出克隆羊“多莉”而闻名遐迩。你能说出培育克隆羊“多莉”的技术名称吗?该技术属于动物细胞工程,动物细胞工程的技术基础是什么?1.简述动物细胞培养的过程。2.简述动物细胞培养的条件及应用。3.简述通过动物体细胞核移植技术克隆动物的过程和应用前景。4.列表比较动物细胞培养和植物组织培养。5.尝试对某种动物的克隆过程进行设计。一二一、动物细胞培养1.概念:从动物机体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后,放在适宜的培养基中,让这些细胞生长和增殖。2.过程:取动物组织块(动物胚胎或幼龄动物的器官或组织)→剪碎组织→用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞→稀释制成细胞悬液→放入培养瓶中进行原代培养→贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶处理分散成单个细胞→分瓶继续传代培养。3.相关概念(1)原代培养:通常将动物组织消化后的初次培养称为原代培养。(2)传代培养:把原代培养增殖的细胞重新用胰蛋白酶等处理,然后分瓶继续培养,让细胞继续增殖。这样的培养过程称为传代培养。一二自主思考胃蛋白酶能用于对动物组织块的处理吗?为什么?提示:不能,因为培养动物细胞的pH不适合胃蛋白酶发挥作用。一二4.特点(1)细胞贴壁:悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁。(2)接触抑制:细胞数目不断增多,当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞就会停止分裂增殖,这种现象称为细胞的接触抑制。一二5.条件(1)无菌、无毒的环境:培养液和所用培养用具进行无菌处理。通常还要在细胞培养液中添加一定量的抗生素,以防培养过程中的污染。此外,应定期更换培养液,以便清除代谢产物,防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。(2)营养:合成培养基成分有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。通常需加入血清、血浆等天然成分。(3)温度和pH:哺乳动物多以36.5±0.5℃为宜;多数细胞生存的适宜pH为7.2~7.4。(4)气体环境:O2是细胞代谢所必需的,CO2的主要作用是维持培养液的pH。6.动物细胞培养技术的应用:许多有重要价值的生物制品,如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等,都可以借助动物细胞的大规模培养来生产。一二二、动物体细胞核移植技术和克隆动物1.动物核移植:将动物的一个细胞的细胞核,移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育成一个新的胚胎,这个新的胚胎最终发育为动物个体。2.体细胞核移植的大致过程一二3.体细胞核移植技术的应用前景(1)加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育;(2)保护濒危物种,增加这些动物的存活数量;(3)生产珍贵的医用蛋白;(4)作为异种移植的供体;(5)用于组织器官的移植等。4.体细胞核移植技术存在的问题体细胞核移植技术的成功率非常低。而且绝大多数克隆动物存在着健康问题,许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷等。自主思考用体细胞核移植的方法生产的克隆动物,是对体细胞供体动物进行100%的复制吗?为什么?提示:不是。因为克隆动物绝大部分DNA来自供体细胞核,但其核外还有少量的DNA,即线粒体中的DNA来自MⅡ期的卵母细胞。探究一探究二易错点排查动物细胞培养●问题导引●对大面积烧伤的病人,最好进行自体皮肤移植手术,为了获得大量的自体皮肤细胞必须进行细胞培养。思考:(1)从病人身上能大量取材用于皮肤细胞的培养吗?为什么?(2)列举皮肤细胞培养液中的成分。(3)简述动物细胞培养的大致过程。提示:(1)不能,因为病人的健康皮肤有限,为了避免对病人的二次伤害,只能从病人身上获取少量的材料。(2)皮肤细胞培养液的成分包括糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素、血清(或血浆)等。(3)动物细胞培养的大致过程是:取材→剪碎→用胰蛋白酶处理→制成细胞悬液→原代培养→传代培养。探究一探究二易错点排查●名师精讲●1.动物细胞培养的过程取动物组织块单个细胞细胞悬液原代培养传代培养细胞群体特别提醒(1)动物细胞培养的原理是细胞增殖,其结果是得到克隆细胞,即细胞株或细胞系,而不是得到动物。(2)由于动物细胞间一般存在接触抑制现象,并且单个细胞与外界的物质交换更迅速,因此,细胞培养时要用胰蛋白酶将细胞分散开来。探究一探究二易错点排查2.动物细胞培养的条件条件控制无菌、无毒的环境对培养液和所有培养用具进行无菌处理;在细胞培养液中添加抗生素;定期更换培养液营养糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等,通常需加入血清、血浆等天然成分温度和pH哺乳动物细胞培养温度多以36.5±0.5℃为宜,多数细胞生存的适宜pH为7.2~7.4气体环境O2是细胞代谢所必需的,CO2的主要作用是维持培养液的pH。通常采用培养皿或松盖培养瓶,将其置于含95%空气加5%CO2的混合气体的培养箱中进行培养探究一探究二易错点排查3.动物细胞培养和植物组织培养的比较动物细胞培养植物组织培养原理细胞的增殖植物细胞的全能性材料胚胎或幼龄动物组织离体植物器官或组织、细胞培养基状态液体固体组成成分葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清等矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素、有机添加物等过程原代培养,传代培养更换培养基,细胞增殖分化生长特点贴壁生长、接触抑制,细胞增殖不分化脱分化成愈伤组织、再分化成胚状体,细胞增殖分化代谢异养需氧前期异养需氧,后期自养需氧探究一探究二易错点排查动物细胞培养植物组织培养接种前处理用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使组织分散成单个细胞消毒培养条件恒温、无菌、无需光照常温、无菌、后期需光照条件培养目的(1)生产蛋白质生物制品(2)获取大量细胞(3)检测有毒物质(1)快速繁育无病毒植株(2)生产药物、食品添加剂、香料、杀虫剂等探究一探究二易错点排查【例题1】一般来说,动物细胞体外培养需要满足的条件包括()①无毒的环境②无菌的环境③合成培养基需加血清④温度与动物体温相近⑤需要O2,不需要CO2⑥需要CO2A.①②③④⑤⑥B.①②③④C.①③④⑤⑥D.①②③④⑥解析:动物细胞体外培养要求环境无菌、无毒,培养液中需添加一定量的抗生素,合成培养基中需加血清、血浆等一些天然成分,温度与动物的体温相近,pH多数为7.2~7.4。O2是细胞代谢所必需的,CO2可维持培养液的pH。答案:D探究一探究二易错点排查动物体细胞核移植技术和克隆动物●问题导引●克隆属于无性繁殖,以植物的完整体细胞为材料已经实现了植物的克隆。思考:(1)以植物的体细胞为材料进行植物克隆的技术叫什么名字?(2)能否直接以完整的体细胞为材料对动物进行克隆?简述以动物体细胞为材料克隆动物的大致过程。提示:(1)植物组织培养。(2)不能。以动物体细胞为材料克隆动物的大致过程是:获取动物体细胞→获取减数第二次分裂中期的次级卵母细胞→去除次级卵母细胞的细胞核→将动物体细胞注入无核的次级卵母细胞→将重组细胞培养成重组胚胎→胚胎移植→胚胎在代孕母畜子宫内完成发育。探究一探究二易错点排查●名师精讲●1.动物核移植技术的概念动物核移植是将动物的一个细胞的细胞核,移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育成一个新的胚胎,这个新的胚胎最终发育为动物个体。用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。2.动物核移植的原理细胞核的全能性。3.动物核移植的类型胚胎细胞核移植和体细胞核移植。探究一探究二易错点排查4.体细胞核移植的过程探究一探究二易错点排查特别提醒①选择卵母细胞作为体细胞核移植受体的理由是:卵母细胞能使体细胞核的全能性得以表达;卵母细胞富含营养物质,能满足早期胚胎发育时对营养的需求;卵母细胞体积大,易操作。②体细胞核移植得到的动物叫克隆动物,细胞核遗传物质来自体细胞核的供体,而细胞质遗传物质来自卵母细胞的供体和体细胞的供体。③克隆动物的产生过程不遵循孟德尔遗传基本定律。④克隆动物的性别和体细胞供体动物相同。探究一探究二易错点排查【例题2】下列有关克隆的叙述,错误的是()A.动物难以克隆的根本原因是基因组中的基因不完整B.可以加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育C.“多莉”绵羊的性状与供核绵羊不完全相同D.克隆动物的核心技术手段是核移植,属于无性生殖解析:动物难以克隆的原因是,动物细胞的全能性会随着动物细胞分化程度的提高而逐渐受到限制,分化潜能逐渐变弱,因而用体细胞克隆的动物实际是通过核移植来实现的。其全能性受到限制的根本原因是基因组中某些基因的表达受限制,而不是基因的不完整。“多莉”是通过核移植技术获得的,其绝大多数性状与供核绵羊相同,但部分性状是由细胞质中的基因决定的,并且基因的表达还要受到环境的影响,因而C项正确。核移植过程中没有经过两性生殖细胞的两两结合,因而属于无性生殖。答案:A探究一探究二易错点排查典型方法对克隆动物进行正确的生殖和遗传属性分析是解答此类题目的关键。克隆动物属于无性繁殖,遗传过程不遵循遗传基本定律,但其遗传性状由体细胞的供体动物和卵母细胞的供体动物共同决定,同时会受到环境的影响。探究一探究二易错点排查变式训练一只羊的卵细胞核被另一只羊的体细胞核置换后,这个卵细胞经过多次分裂,再置于第三只羊的子宫内发育,结果产下一只羊羔。这种克隆技术具有多种用途,但不能()A.选择繁殖某一性别的家畜B.繁殖家畜中的优秀个体C.用于保存物种D.改变动物的核基因型解析:动物的各种性状是由遗传物质DNA控制的,DNA主要存在于细胞核中。目前的克隆技术是通过核移植来实现的。通过该技术能够提供供体细胞核的整套遗传物质,因而能保持亲本的优良性状,保持性别不变,亦能够用于保存物种,但不能改变动物的核基因型。答案:D判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。1.动物细胞培养和动物细胞核移植都属于动物细胞工程。()提示:√2.进行动物细胞传代培养时用胰蛋白酶分散细胞,说明细胞间的物质主要是蛋白质。()提示:√3.繁殖新个体是动物细胞培养的主要目标。()提示:×动物细胞培养的主要目标是增加细胞数量,而非繁殖新个体。4.在动物细胞传代培养中,胰蛋白酶和胃蛋白酶都可用于分散细胞。()提示:×胃蛋白酶不能用于分散细胞。5.进行动物细胞培养时,处于分散状态的细胞悬浮在培养液中分裂增殖。()提示:×进行动物细胞培养时,动物细胞贴壁分裂增殖。探究一探究二易错点排查探究一探究二易错点排查6.进行动物细胞培养时,培养液中常需添加血清、血浆等一些天然成分。()提示:√7.动物体细胞核移植技术的成功验证了动物体细胞的全能性。()提示:×动物体细胞核移植技术的成功验证了动物体细胞核的全能性。8.因为克隆动物来自无性繁殖,因此克隆动物的遗传性状完全等同于体细胞核的供体动物。()提示:×克隆动物的大部分性状和体细胞核的供体动物相同,少部分性状和卵母细胞的供体动物相同。9.通过体细胞核移植技术繁殖动物,子代的性别比例为雌∶雄=1∶1。()提示:×体细胞核移植技术属于无性繁殖,子代性别与供核动物相同。12341.用动、植物成体的体细胞进行离体培养,下列叙述正确的是()A.都需用CO2培养箱B.都需用液体培养基C.都要在无菌条件下进行D.都可体现细胞的全能性解析:动、植物成体的体细胞进行离体培养都要在无菌条件下进行。动物成体的体细胞离体培养用液体培养基,不能发育成一个完整的个体,不能体现细胞的全能性;植物成体的体细胞离体培养不一定用液体培养基,可以发育成一个完整的个体,能体现细胞的全能性。答案:C12342.动物细胞培养中胰蛋白酶所起的作用是()A.消化细胞膜使细胞易于融合B.分解培养基的蛋白质供给细胞营养C.使组织分散成单个细胞D.用于细胞内物质的分解解析:动物细胞培养中,胰蛋白酶所起的作用是分解细胞之间的蛋白质,使组织分散成单个细胞。在使用胰蛋白酶时应注意控制时间,防止细胞被分解。答案:C12343.下列不属于动物细胞工程应用的是()A.大规模生产干扰素,用于抵抗由病毒引起的感染B.为大面积烧伤的病人提供移植的皮肤细胞C.大规模生产香料、生物碱等D.检测有毒物质,判断某种物质的毒性解析:动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞融合、生产单克隆抗体、动物细胞核移植等,其