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第2节 动物细胞工程
第3课时　动物体细胞核移植技术与克隆动物
【学习目标】
1.阐明动物细胞核移植技术的概念和原理。(生命观念)
2.以文字和图示表述体细胞核移植的过程。(科学思维)
3.说明体细胞核移植的应用及能对生殖性克隆人等社会议题进行理性判断。(社会责任)
【自主预习】
一、动物细胞核移植技术
1.概念: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。
2.分类
种类 难易程度 原因
胚胎细胞 核移植 　较容易　 胚胎细胞分化程度　低　,表现全能性相对容易
体细胞 核移植 较难 体细胞分化程度　高　,表现全能性十分困难
3.体细胞核移植的过程
(1)过程A为采集　卵母　细胞,该细胞在体外需要培养到　MⅡ　期。
(2)过程B为　显微操作去核　,过程C为将供体细胞注入　去核的卵母　细胞。
(3)过程D为选取供体(高产奶牛)的　体细胞　,进行培养。
(4)过程E为通过　电融合法　使两细胞融合,形成重构胚。
(5)过程F为用　物理或化学　方法激活重构胚,使其完成细胞分裂和发育进程。
(6)产生的犊牛G与　供体奶牛　遗传物质基本相同。
二、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
1.主要应用
(1)在畜牧生产中,可以加速家畜遗传改良进程、促进　优良畜群繁育　。
(2)在医药卫生领域,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;转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以用于异种移植等。
(3)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;分析致病基因;克隆特定疾病模型的动物,可帮助研究该疾病的致病机制和开发相应的药物。
(4)在保护濒危物种方面,该技术有望增加　濒危物种的存活数量　。
2.存在问题
(1)　成功率　非常低。
(2)绝大多数克隆动物存在健康问题,表现出　遗传和生理缺陷　。
【合作探究】
任务　动物体细胞核移植
活动1　探究动物体细胞核移植的过程
1.动物体细胞核移植时选用卵母细胞作受体细胞的原因是什么
提示　去核的卵母细胞是最合适的细胞,原因是卵母细胞体积大,易操作,而且细胞质中含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件。
2.在将体细胞的细胞核移植到受体卵母细胞之前,为什么必须先去掉受体卵母细胞的核
提示　为使核移植的胚胎或动物的遗传物质几乎全部来自有重要利用价值的动物提供的体细胞。
3.从卵巢中获得的卵子是否可以直接作为核的受体 若不可以,需要如何处理 为什么要这样处理
提示　从卵巢中获得的卵子不可以直接作为核的受体。需将卵子培养到MⅡ期。MⅡ期的卵母细胞的细胞质中合成了与分裂、分化有关的物质,这些物质能刺激融合后的重组细胞进行分裂、分化,形成重构胚。
4.为什么动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植
提示　因为胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,而动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难。
5.通过体细胞核移植方法生产的克隆动物对体细胞供体动物进行了100%复制吗 为什么
提示　不是。因为克隆动物中,绝大部分DNA来自供体细胞核,但其核外还有少量的DNA,如线粒体中的DNA,其主要来自受体卵母细胞;其次生物的性状还受环境的影响。
例1　(2022·黄冈期中)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除去的是卵母细胞中的纺锤体—染色体复合物
B.过程②需要对供体细胞进行离体培养
C.过程③可用电刺激技术处理
D.过程⑤要求代孕母牛具有较多的优良性状
【答案】　D
【解析】　过程①可用显微操作去核法除去卵母细胞中的纺锤体—染色体复合物,从而确保卵母细胞为重组细胞提供的只是细胞质的部分,A正确;过程⑤是胚胎移植,代孕母牛具有健康的体质和正常的繁殖能力即可,并不要求代孕母牛具有较多的优良性状,因为该个体的性状并不影响子代的性状,D错误。
易错辨析
1.受体细胞为处于MⅡ期的次级卵母细胞,此时在透明带内包含着第一极体,在去核的同时连同第一极体一并去掉。
2.动物体细胞核移植技术(克隆)从生殖方式的角度看属于无性生殖,需要动物细胞培养和胚胎工程技术的支持。该技术形成的重组细胞发育成一个新个体,体现了动物细胞核的全能性而非动物细胞的全能性。
3.克隆动物的遗传特点
克隆动物的亲本有三个,即体细胞核供体、卵母细胞细胞质供体和代孕母体。
(1)克隆动物的细胞核基因来自体细胞核供体,因此,克隆动物的性状与体细胞核供体基本相同。
(2)克隆动物的细胞质基因来自卵母细胞,因此,克隆动物的性状与卵母细胞供体部分相同。
(3)代孕母体没有为克隆动物提供遗传物质,因此,克隆动物的性状与代孕母体没有直接关系。
对点练1　(2022·内江月考)科学家利用核移植技术克隆出了多种动物。下列关于动物细胞核移植技术的叙述,正确的是(　　)。
A.胚胎细胞核移植的难度明显大于成熟体细胞的核移植
B.在核移植过程中,可通过显微操作去除卵母细胞中的“核”
C.核移植时,提供细胞核和去核卵母细胞的动物都应为雌性
D.通过核移植方法培育的克隆动物遗传物质全部来自供体细胞核
【答案】　B
【解析】　由于动物胚胎细胞分化程度低,表现全能性相对容易,而动物体细胞分化程度高,表现全能性十分困难,因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植,A错误;核移植时,提供细胞核的动物性别不限,C错误;通过核移植方法培育的克隆动物,其细胞核的遗传物质全部来自供体细胞核,但细胞质中的遗传物质主要来自去核卵母细胞,D错误。
活动2　了解动物体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
　　下图为我国科学家培育克隆猴“中中”和“华华”的流程图。请回答相关问题:
1.“中中”和“华华”的产生是有性生殖还是无性生殖
提示　“中中”和“华华”是动物体细胞核移植的产物,它们的产生属于无性生殖。
2.核移植技术能否选择生殖细胞的细胞核
提示　不能。生殖细胞与正常体细胞相比,遗传物质是减半的。
3.动物体细胞核移植技术在畜牧业生产上有哪些应用
提示　加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育。
4.动物细胞核移植在医学上有哪些应用 优点分别是什么
提示　①可培育转基因克隆动物作为生物反应器,优点是可以生产珍贵的、用转基因微生物生产不了的医用蛋白;②转基因克隆动物的细胞、组织或器官可用于异种移植,优点是供体充足;③以患者自身的细胞核为供体培育的人核移植胚胎干细胞,经诱导分化成相应的细胞、组织或器官,可将它们移植给患者,优点是避免发生免疫排斥反应。
5.体细胞核移植存在哪些问题
提示　体细胞核移植成功率非常低,绝大多数克隆动物存在健康问题。
例2　下列叙述中,不属于动物体细胞核移植技术应用前景的是(　　)。
A.加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育
B.可以用于检测有毒物质,判断某种物质的毒性
C.以患者为供体培育人核移植胚胎干细胞,诱导其分化形成相应的组织、器官,可以避免发生免疫排斥反应
D.用克隆动物作疾病模型,便于更好地追踪疾病发展过程
【答案】　B
【解析】　利用体细胞核移植技术,可以加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育,A不符合题意;检测有毒物质、判断某种物质的毒性属于动物细胞培养技术的应用,不是动物体细胞核移植技术的应用,B符合题意;以患者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不符合题意;利用克隆动物作疾病模型,有利于人们追踪疾病的发展过程和治疗疾病,D不符合题意。
易错辨析　　克隆概念的深入理解
克隆具体地说,是指从一个共同的祖先,通过无性繁殖的方法产生出来的遗传特性相同的DNA分子、细胞或个体。如果克隆当动词用,就表示整个无性繁殖的过程。在生物学中克隆有以下3个不同层次的含义。
(1)分子水平:如DNA复制。
(2)细胞水平:如动物细胞培养。
(3)个体水平:如克隆动物。
对点练2　下图表示核移植与克隆动物的相关图解,下列叙述错误的是(　　)。
A.图示过程说明高度分化的动物细胞核仍具有全能性
B.用于核移植的供体细胞一般选自优良个体
C.采集的卵母细胞培养到的②时期表示减数分裂Ⅱ后期
D.选用去核卵母细胞的主要原因是其细胞质有利于体细胞核全能性的表达
【答案】　C
【解析】　克隆动物的成功说明动物体细胞核具有全能性,A正确;用于核移植的供体细胞一般选自优良个体,B正确;采集的卵母细胞通常培养到减数分裂Ⅱ中期,C错误;去核卵母细胞的细胞质中含有利于细胞核全能性表达的物质,D正确。
素能提升　运用核移植技术的基本原理,对有关议题进行科学分析和判断,提升科学思维和探究能力
　　科学家培育克隆羊时,使用了3种细胞核供体细胞,分别将这些细胞核移入去核卵母细胞中,形成重组细胞,发育成重构胚,这些重构胚的发育情况如表所示。
细胞核供体细胞的类型 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
根据以上材料,分析并回答下列问题:
(1)据此实验结果,你能得出的结论是 。
(2)培育克隆羊时,获得重构胚所用到的生物技术有 　。
(3)目前核移植技术中普遍使用的去核方法是　　　　　　　。
(4)克隆动物的成功培育为阿尔茨海默病、孤独症等脑疾病以及免疫缺陷、肿瘤等疾病的机理研究、干预、诊治带来前所未有的光明前景。与以往用普通猴子做实验相比,克隆猴作为实验动物模型的优势有哪些 。
【答案】　(1)动物体细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植(或早期胚胎细胞作为核移植的供体细胞,妊娠成功率最高)　(2)动物细胞培养技术、动物体细胞核移植技术　(3)显微操作去核法　(4)体细胞克隆猴遗传背景相同,可避免个体间差异对实验的干扰,大大减少实验动物的使用数量;体细胞克隆猴制备时间缩短,基因编辑等可在体外培养的细胞中进行
【解析】　(1)由表中数据可知,动物体细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植;早期胚胎细胞作为核移植的供体细胞,妊娠成功率最高。(2)克隆羊培育过程中,获得重构胚用到了动物细胞培养技术和动物体细胞核移植技术。(3)目前核移植技术中普遍使用的去核方法是显微操作去核法,即在显微镜下进行去除纺锤体—染色体复合物的操作。(4)与用普通猴子做实验相比,克隆猴作为实验动物模型的优势是体细胞克隆猴遗传背景相同,可避免个体间差异对实验的干扰,大大减少实验动物的使用数量;体细胞克隆猴制备时间缩短,基因编辑等可在体外培养的细胞中进行。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
1.动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。 (√) 2.体细胞核移植过程中采用MⅡ期卵母细胞作为受体细胞。 (√) 3.选择卵母细胞作为核移植的受体细胞的主要原因是该细胞大,显微操作方便。 (×) 4.动物体细胞核移植技术中普遍使用的去核方法是梯度离心法。 (×) 5.经细胞核移植培育出的新个体只有一个亲本的遗传性状。 (×) 6.克隆特定疾病模型的动物可用于疾病的研究和药物开发。 (√) 7.克隆动物技术成功率很高。 (×) 8.克隆动物的性状与供体动物完全相同。 (×)
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