资源简介

2.2.3动物体细胞核移植技术和克隆动物的学案
【学习目标】
1.阐明动物细胞培养的条件和过程。
2.举例说明干细胞在生物医学工程中的应用。
3.说出动物细胞融合的方法。
4.简述单克隆抗体的制备和应用。
5.描述动物体细胞核移植的过程及存在的问题。
【学习重难点】
重点:
1.动物细胞培养的条件和过程。
2.单克隆抗体的制备和应用。
3.动物体细胞核移植的过程。
难点:
1.单克隆抗体的制备和应用。
2.动物体细胞核移植的过程。
【预习新知】
体细胞核移植的过程
1.采集牛卵巢中的卵母细胞，在体外培养到_____期→通过________去核→去核的卵母细胞；
高产奶牛（供体）→从供体身体某一部位上取_____细胞→供体细胞培养→将供体细胞注入去核的卵母细胞→通过_____法使两细胞融合，供体核进入卵母细胞→_____→用物理或化学方法_____重构胚，使其完成细胞分裂和发育过程→早期胚胎→将胚胎移入_____（代孕）母牛体内→生出与供体奶牛遗传物质__________的犊牛。
相关要点：1.采集的卵母细胞应培养至_____期（_____分裂_____期）。
2.选择_____期卵母细胞的原因：卵母细胞体积_____，易操作，含有促使细胞核_________的物质和营养条件。
3.卵母细胞去核：方法为__________（去核）法。通常是__________去除_____________。也可以采用__________、_____短时间照射和__________处理等方法在没有穿透卵母细胞透明带的情况下去核或使其中的DNA_____。
4.将供体细胞整个注入去核卵母细胞中的原因：保证_____不被破坏，操作也更方便。
5.诱导细胞融合的方法：__________法，形成__________。
6.激活重构胚的方法：物理（__________）或化学（__________、_____和______________等）方法。
7.克隆动物的培养并非全在体外，还需在_______________内孕育。
体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
(1)应用前景
a.畜牧生产:加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育。
b.医药卫生领域:通过建立转基因体细胞系,再利用体细胞核移植技术培育的转基
因克隆动物可以作为生物反应器,生产许多珍贵的医用蛋白;在治疗人类疾病时转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以用于 　异种移植 ;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发生 免疫排斥 反应。
c.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;克隆一批遗传背景相同的动物,可以通过它们之间的对比分析致病基因;克隆特定疾病模型的动物,还能为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。
d.保护濒危物种:该技术有望增加濒危物种的存活数量。
(2)存在问题:
体细胞核移植技术的成功率仍然非常低,各个技术环节也有待进一步改进,核移植的理论研究也较为滞后。绝大多数克隆动物存在 　健康问题 ,许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷。
【易错提示】
关于动物克隆技术的易错提醒
(1)为了确保核移植形成的克隆动物的核遗传物质全部来自具有优良性状的动物提供的细胞核，在供体细胞的细胞核移植到受体细胞内之前，必须将受体细胞的核遗传物质去掉。
(2)细胞融合的原理是细胞膜具有一定的流动性，而克隆动物的形成则利用了动物细胞核的全能性。
(3)涉及的生物技术：动物细胞培养技术、核移植技术等。其中，核移植是核心技术。
【深化探究】
如图表示通过核移植等技术获得某种克隆哺乳动物(二倍体)的流程。
(1)图中A表示正常细胞核,染色体数为2n,则其性染色体的组成可为_________。过程①表示去除细胞核,该过程一般要在卵母细胞培养至适当时期再进行,去核时常采用______________的方法。②代表的过程是____________________。
提示：(1)流程图中没有说明该哺乳动物的供体是雄性还是雌性,故性染色体组成有XX或XY两种可能。①过程表示去核过程,通常做法是将培养至MⅡ期的卵母细胞利用显微操作法去除细胞核。重组细胞在体外培养至囊胚或桑葚胚时,需通过②胚胎移植转入代孕母体内继续发育。
(2)经过多次传代后,供体细胞中__________的稳定性会降低。因此,选材时必须关注传代次数。
提示：(2)传代培养的细胞一般传至10代后就不易培养下去了,在传到10～50代左右时,细胞增殖就会逐渐缓慢,以至于完全停止,这时部分细胞的核型(遗传物质)会发生变化。故选择细胞时一般选用10代以内的细胞,以保证正常的二倍体核型(遗传物质)。
(3)若获得的克隆动物与供体动物性状不完全相同,从遗传物质的角度分析其原因是________________________________________________。
提示：动物性状的表现是细胞核基因和细胞质基因共同作用的结果,克隆动物的细胞核基因全部来自供体,而细胞质基因则来自卵母细胞,所以克隆动物与供体动物的性状会有所差异。
(4)与克隆羊“多莉(利)”培育成功一样,其他克隆动物的成功获得也证明了______
_____________________________________________________
提示：克隆动物的成功培育说明了动物高度分化的体细胞的细胞核仍具有全能性。
(5)过程①中去除细胞核时将卵母细胞培养至什么时期,为什么 (科学思维)
提示:从卵巢里排出来的卵细胞实际上是初级卵母细胞,处于减数分裂Ⅰ的中期。核移植中,所用到的卵母细胞是MⅡ期的。
(6)体细胞核移植技术能否说明动物细胞的全能性 (科学思维:批判性思维)
提示:不能,因为目前的克隆技术并不能利用单独的分化的体细胞培养出个体,必须将体细胞核移植到去核的卵母细胞中,由卵母细胞提供胚胎发育时所需的营养物质等,所以不能说明动物细胞的全能性。
【巩固训练】
1.中科院动物所和福州大熊猫研究中心合作，通过将大熊猫的细胞核植入去核后的兔子卵母细胞中，在世界上最早克隆出一批大熊猫早期胚胎，这表明我国的大熊猫人工繁殖研究再次走在世界前列。下列有关叙述中错误的是( )
A.卵母细胞去核的方法是显微注射法，还可以用紫外光短时间照射等方法
B.兔子卵母细胞质中有使大熊猫细胞核表达全能性的物质
C.重组胚胎需要用物理或化学方法激活，使之完成细胞分裂和发育进程
D.在大熊猫早期胚胎的形成过程中，囊胚期开始出现细胞的分化
2.中国科学院动物研究所进行了大熊猫的异种克隆，他们将大熊猫的体细胞核放入兔子的去核卵母细胞之中，并使其成功发育成囊胚，标志着异种核质相容的问题得到解决，异种克隆大熊猫迈过了第一道“坎”，然后至关重要的是选择一种合适的“代孕母体”。下图是该研究的理论流程图，相关叙述正确的是( )
A.步骤甲中需要获取兔子的处于MI中期的卵母细胞
B.重组细胞发育成早期胚胎所需营养主要来源于营养液
C.重组胚胎培养过程中为了避免杂菌污染，通常需要在培养液中加入抗生素
D.步骤乙表示胚胎移植，移植的早期胚胎应培养至囊胚或原肠胚
3.如图为体细胞克隆猴“中中”和“华华”的培育流程，为建立人类疾病的动物模型、研究疾病机理带来光明前景。下列叙述正确的是( )
A.过程①将成纤维细胞注射到去核的卵母细胞中，体现细胞膜的选择透过性
B.过程②在培养基中加入的动物血清含有激发成纤维细胞核全能性表达的物质
C.过程③进行同期发情处理，可降低代孕母猴对“中中”“华华”的免疫排斥反应
D.与模型小鼠相比，模型猴更适合于研究人类疾病的发病机理、研发诊治药物
4.在核移植获得的重构胚中，初级合子基因激活基因(minorZGA)不能正常表达，导致重构胚难以发育。研究者发现，提前去除供体细胞核中的黏连蛋白可以显著提高重构胚发育为囊胚的成功率。下列分析正确的是( )
A.minorZGA只存在于重构胚中且只在重构胚中表达
B.只将供体细胞核注入到去核卵母细胞中能克服重构胚难以发育的情况
C.黏连蛋白可能是导致重构胚中minorZGA不能被激活的关键物质
D.若要提高雌性动物的产出率，可以切取原肠胚的外胚层细胞进行性别鉴定
5.应用体细胞核移植，我国科学家已经成功克隆了高产荷斯坦奶牛，其技术过程是：将一个供体细胞的细胞核移入一个去核的卵母细胞中，并使该重组细胞发育为新胚胎，进而发育成动物个体。下列相关叙述，正确的是( )
A.供体细胞是二倍体，且应处于分裂间期
B.克隆得到的高产荷斯坦奶牛与供体动物完全相同
C.供体细胞必须处于分裂期，从而使重组细胞快速分裂
D.采集得的卵母细胞，须体外培养到减数分裂Ⅰ中期，才进行去核
6.下图是利用体细胞核移植技术获得克隆奶牛的流程图。
下列叙述错误的是( )
A.过程①通过显微操作去除细胞核
B.过程②和过程④所使用的培养基成分相同
C.过程③可用电刺激使供体细胞和去核卵母细胞融合
D.过程⑤操作前需要对代孕母牛进行发情处理
7.科学家培育克隆羊时，使用了3种细胞核的供体细胞，分别将这些细胞核移入去核卵母细胞的细胞质中，形成重组细胞，发育成重构胚，这些重构胚的发育情况如下，据此分析正确的是( )
细胞核供体细胞类型 妊娠数/受体母羊数
乳腺上皮细胞 1/13
胚胎成纤维细胞 4/10
早期胚胎细胞 14/27
A.细胞核移植主要在同种动物、同种组织的细胞之间进行
B.重组细胞的发育与去核卵细胞的细胞质无关
C.早期胚胎细胞作为细胞核的供体细胞时妊娠成功率最高
D.培养动物细胞的培养液中含维生素、动物激素等多种能源物质
8.2017年11月～12月，我国科学家在世界上率先利用去甲基化酶（KD4D）的mRNA，经过体细胞克隆技术克隆出了猕猴“中中”和“华华”，该成果标志着中国率先开启了以体细胞克隆猴为动物模型的时代。下图是体细胞克隆猴的技术流程，请据图回答问题：
（1）获得克隆猴的体细胞核移植技术难度明显高于胚胎细胞核移植，原因是___，恢复其全能性较难。
（2）图中步骤①是克隆猴的技术难点之一，需要将卵母细胞培养到___后进行去核操作，而后将供体细胞注入，用物理或化学方法激活___，使其完成细胞分裂和发育进程。一般利用未受精的去核卵母细胞作为受体细胞，而不用精子，其原因是___（答出2点）。
（3）体细胞克隆猴的另外一个技术难点是猴的体细胞克隆胚胎发育差。科学家发现，胚胎发育障碍与克隆胚胎基因组上大量组蛋白的甲基化密切相关。由此推测，图中KDM4DmRNA翻译产生的酶的作用是___。
（4）图中克隆猴的核遗传物质来自___。体细胞克隆可以得到大量遗传背景相似或相同的实验动物，这样的实验动物用于医学研究的好处是___。
参考答案
1.答案：A
解析：A、卵母细胞去核的方法有显微直接去除、紫外光短时间照射、化学物质处理等方法，A错误；
B、兔子卵母细胞质中有使大熊猫细胞核表达全能性的物质，故可用去核后的兔子卵母细胞作为受体细胞，B正确；
C、去核的卵母细胞与供体细胞通过电刺激后融合，供体核进入受体卵母细胞，构建成重组胚胎，融合后的重组胚胎，需要用物理或化学的方法进行激活，使其完成细胞分裂和发育进程，C正确；
D、胚胎发育过程中早期胚胎具有全能性，还没分化，囊胚期开始出现细胞分化，D正确。
故选A。
2.答案：C
解析：处于MII期的卵细胞才具备受精能力，所以步骤甲中需要获取兔子处于MII期的卵细胞，A错误；重构细胞发育成早期胚胎所需营养主要来源于兔子的去核卵细胞，B错误；重构胚培养过程中通常需要在培养液中加入抗生素，避免杂菌污染，C正确；步骤乙表示胚胎移植，移植的早期胚胎应培养至桑葚胚或囊胚，D错误。
3.答案：D
解析：A、过程①将成纤维细胞注射到去核的卵母细胞中，未体现细胞膜的选择透过性，A错误；B、在培养细胞时需在培养基中加入一定量的动物血清的作用是模拟内环境和补充未知的缺少的营养物质，激发成纤维细胞核的全能性的是卵细胞的细胞质中的物质，B错误；C、过程③进行同步发情处理，是为了为胚胎移入受体提供相同的生理环境，C错误；D、猴子与人类的亲缘关系比小鼠近，与模型小鼠相比，模型猴更适合于研究人类疾病的发病机理、研发诊治药物，D正确。故选D。
4.答案：C
解析：A、minorZGA在重构胚和供体细胞中都存在，A错误；
B、不仅需将供体细胞核注入去核卵细胞，也需提前去除供体细胞核中的黏连蛋白，B错误；
C、由题意可知，黏连蛋白可能是导致重构胚中minorZGA不能被激活的关键物质，C正确；
D、外胚层细胞形成表皮和神经组织，不能进行性别鉴定，若要对早期胚胎进行性别鉴定，可以取滋养层细胞进行DNA分析，D错误。
故选C。
5.答案：A
解析：A、供体细胞是二倍体，且应处于分裂间期（该时期含有核膜），是为了保护细胞核，防止遗传物质的丢失，A正确；
B、克隆得到的荷斯坦奶牛的细胞核来自供体，而细胞质来自其他动物细胞（即受体细胞），因此有一部分不相同，B错误；
C、供体细胞如果处于分裂期，则细胞核膜已经解体，容易造成遗传物质丢失，C错误；
D、采集得到的卵母细胞应培养到减数分裂Ⅱ中期，D错误。
故选A。
6.答案：B
解析：本题主要考查细胞工程和胚胎工程相关技术的操作。去除牛卵母细胞中的细胞核可以用显微操作技术，A正确；过程②是培养动物细胞的过程，过程④是早期胚胎培养，二者在培养液成分上有区别，B错误；供体细胞植入受体卵母细胞后，通常用电刺激使供体细胞和去核卵母细胞融合，C正确；过程⑤是将早期胚胎移植入代孕母牛的子宫内，操作前需要对代孕母牛进行同期发情处理，D正确。
7.答案：C
解析：细胞核移植主要在同种动物的体细胞与去核卵母细胞之间进行，不是同种组织，A错误；去核卵母细胞的细胞质能促进重组细胞发育，让细胞核表达出全能性，B错误；早期胚胎细胞分化程度低，作为细胞核的供体细胞妊娠成功率最高，C正确；培养动物细胞的培养液中需含维生素激素等物质，但维生素和激素不是能源物质，D错误。
8.答案：（1）体细胞分化程度高
（2）MⅡ中期（或减数第二次分裂中期）；重构细胞；卵母细胞中含有的细胞质成分更能促进细胞核全能性的表达；卵母细胞体积大，易操作
（3）催化组蛋白的去甲基化
（4）猕猴胚胎成纤维细胞；有利于解决动物遗传背景差异大造成的实验可重复性差的问题；可使实验组和对照组的比较更具有说服力等（合理即可）
解析：（1）题图过程涉及的主要技术有动物细胞核移植技术(或体细胞核移植技术)、早期胚胎培养技术、胚胎移植技术等。据题图可知,克隆猴的遗传物质主要来自猕猴胚胎成纤维细胞的细胞核。
（2）题图中步骤①需要将卵母细胞培养到MⅡ期后进行去核操作,而后用物理或化学方法激活受体细胞,使其完成分裂和发育。
（3）体细胞克隆猴的另外一个技术难点是猴的体细胞克隆胚胎发育差。科学家发现,胚胎发育障碍与克隆胚胎基因组上大量组蛋白的甲基化密切相关。由此推测,题图中KDM4d mRNA翻译产生的酶的作用是催化组蛋白的去甲基化,以利于体细胞克隆胚胎正常发育。

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