資源簡介

2.2.3動物體細胞核移植技術和克隆動物的學案
【學習目標】
1.闡明動物細胞培養的條件和過程。
2.舉例說明干細胞在生物醫學工程中的應用。
3.說出動物細胞融合的方法。
4.簡述單克隆抗體的制備和應用。
5.描述動物體細胞核移植的過程及存在的問題。
【學習重難點】
重點:
1.動物細胞培養的條件和過程。
2.單克隆抗體的制備和應用。
3.動物體細胞核移植的過程。
難點:
1.單克隆抗體的制備和應用。
2.動物體細胞核移植的過程。
【預習新知】
體細胞核移植的過程
1.采集牛卵巢中的卵母細胞，在體外培養到_____期→通過________去核→去核的卵母細胞；
高產奶牛（供體）→從供體身體某一部位上取_____細胞→供體細胞培養→將供體細胞注入去核的卵母細胞→通過_____法使兩細胞融合，供體核進入卵母細胞→_____→用物理或化學方法_____重構胚，使其完成細胞分裂和發育過程→早期胚胎→將胚胎移入_____（代孕）母牛體內→生出與供體奶牛遺傳物質__________的犢牛。
相關要點：1.采集的卵母細胞應培養至_____期（_____分裂_____期）。
2.選擇_____期卵母細胞的原因：卵母細胞體積_____，易操作，含有促使細胞核_________的物質和營養條件。
3.卵母細胞去核：方法為__________（去核）法。通常是__________去除_____________。也可以采用__________、_____短時間照射和__________處理等方法在沒有穿透卵母細胞透明帶的情況下去核或使其中的DNA_____。
4.將供體細胞整個注入去核卵母細胞中的原因：保證_____不被破壞，操作也更方便。
5.誘導細胞融合的方法：__________法，形成__________。
6.激活重構胚的方法：物理（__________）或化學（__________、_____和______________等）方法。
7.克隆動物的培養并非全在體外，還需在_______________內孕育。
體細胞核移植技術的應用前景及存在的問題
(1)應用前景
a.畜牧生產:加速家畜遺傳改良進程,促進優良畜群繁育。
b.醫藥衛生領域:通過建立轉基因體細胞系,再利用體細胞核移植技術培育的轉基
因克隆動物可以作為生物反應器,生產許多珍貴的醫用蛋白;在治療人類疾病時轉基因克隆動物的細胞、組織或器官可以用于 　異種移植 ;以患者作為供體培育的人核移植胚胎干細胞 ,經過誘導分化能形成相應的細胞、組織或器官，將它們移植給患者時可以避免發生 免疫排斥 反應。
c.研究克隆動物可使人類更深入地了解 胚胎發育及 衰老過程;克隆一批遺傳背景相同的動物,可以通過它們之間的對比分析致病基因;克隆特定疾病模型的動物,還能為研究該疾病的致病機制和開發相應的藥物提供幫助。
d.保護瀕危物種:該技術有望增加瀕危物種的存活數量。
(2)存在問題:
體細胞核移植技術的成功率仍然非常低,各個技術環節也有待進一步改進,核移植的理論研究也較為滯后。絕大多數克隆動物存在 　健康問題 ,許多克隆動物表現出遺傳和生理缺陷。
【易錯提示】
關于動物克隆技術的易錯提醒
(1)為了確保核移植形成的克隆動物的核遺傳物質全部來自具有優良性狀的動物提供的細胞核，在供體細胞的細胞核移植到受體細胞內之前，必須將受體細胞的核遺傳物質去掉。
(2)細胞融合的原理是細胞膜具有一定的流動性，而克隆動物的形成則利用了動物細胞核的全能性。
(3)涉及的生物技術：動物細胞培養技術、核移植技術等。其中，核移植是核心技術。
【深化探究】
如圖表示通過核移植等技術獲得某種克隆哺乳動物(二倍體)的流程。
(1)圖中A表示正常細胞核,染色體數為2n,則其性染色體的組成可為_________。過程①表示去除細胞核,該過程一般要在卵母細胞培養至適當時期再進行,去核時常采用______________的方法。②代表的過程是____________________。
提示：(1)流程圖中沒有說明該哺乳動物的供體是雄性還是雌性,故性染色體組成有XX或XY兩種可能。①過程表示去核過程,通常做法是將培養至MⅡ期的卵母細胞利用顯微操作法去除細胞核。重組細胞在體外培養至囊胚或桑葚胚時,需通過②胚胎移植轉入代孕母體內繼續發育。
(2)經過多次傳代后,供體細胞中__________的穩定性會降低。因此,選材時必須關注傳代次數。
提示：(2)傳代培養的細胞一般傳至10代后就不易培養下去了,在傳到10～50代左右時,細胞增殖就會逐漸緩慢,以至于完全停止,這時部分細胞的核型(遺傳物質)會發生變化。故選擇細胞時一般選用10代以內的細胞,以保證正常的二倍體核型(遺傳物質)。
(3)若獲得的克隆動物與供體動物性狀不完全相同,從遺傳物質的角度分析其原因是________________________________________________。
提示：動物性狀的表現是細胞核基因和細胞質基因共同作用的結果,克隆動物的細胞核基因全部來自供體,而細胞質基因則來自卵母細胞,所以克隆動物與供體動物的性狀會有所差異。
(4)與克隆羊“多莉(利)”培育成功一樣,其他克隆動物的成功獲得也證明了______
_____________________________________________________
提示：克隆動物的成功培育說明了動物高度分化的體細胞的細胞核仍具有全能性。
(5)過程①中去除細胞核時將卵母細胞培養至什么時期,為什么 (科學思維)
提示:從卵巢里排出來的卵細胞實際上是初級卵母細胞,處于減數分裂Ⅰ的中期。核移植中,所用到的卵母細胞是MⅡ期的。
(6)體細胞核移植技術能否說明動物細胞的全能性 (科學思維:批判性思維)
提示:不能,因為目前的克隆技術并不能利用單獨的分化的體細胞培養出個體,必須將體細胞核移植到去核的卵母細胞中,由卵母細胞提供胚胎發育時所需的營養物質等,所以不能說明動物細胞的全能性。
【鞏固訓練】
1.中科院動物所和福州大熊貓研究中心合作，通過將大熊貓的細胞核植入去核后的兔子卵母細胞中，在世界上最早克隆出一批大熊貓早期胚胎，這表明我國的大熊貓人工繁殖研究再次走在世界前列。下列有關敘述中錯誤的是( )
A.卵母細胞去核的方法是顯微注射法，還可以用紫外光短時間照射等方法
B.兔子卵母細胞質中有使大熊貓細胞核表達全能性的物質
C.重組胚胎需要用物理或化學方法激活，使之完成細胞分裂和發育進程
D.在大熊貓早期胚胎的形成過程中，囊胚期開始出現細胞的分化
2.中國科學院動物研究所進行了大熊貓的異種克隆，他們將大熊貓的體細胞核放入兔子的去核卵母細胞之中，并使其成功發育成囊胚，標志著異種核質相容的問題得到解決，異種克隆大熊貓邁過了第一道“坎”，然后至關重要的是選擇一種合適的“代孕母體”。下圖是該研究的理論流程圖，相關敘述正確的是( )
A.步驟甲中需要獲取兔子的處于MI中期的卵母細胞
B.重組細胞發育成早期胚胎所需營養主要來源于營養液
C.重組胚胎培養過程中為了避免雜菌污染，通常需要在培養液中加入抗生素
D.步驟乙表示胚胎移植，移植的早期胚胎應培養至囊胚或原腸胚
3.如圖為體細胞克隆猴“中中”和“華華”的培育流程，為建立人類疾病的動物模型、研究疾病機理帶來光明前景。下列敘述正確的是( )
A.過程①將成纖維細胞注射到去核的卵母細胞中，體現細胞膜的選擇透過性
B.過程②在培養基中加入的動物血清含有激發成纖維細胞核全能性表達的物質
C.過程③進行同期發情處理，可降低代孕母猴對“中中”“華華”的免疫排斥反應
D.與模型小鼠相比，模型猴更適合于研究人類疾病的發病機理、研發診治藥物
4.在核移植獲得的重構胚中，初級合子基因激活基因(minorZGA)不能正常表達，導致重構胚難以發育。研究者發現，提前去除供體細胞核中的黏連蛋白可以顯著提高重構胚發育為囊胚的成功率。下列分析正確的是( )
A.minorZGA只存在于重構胚中且只在重構胚中表達
B.只將供體細胞核注入到去核卵母細胞中能克服重構胚難以發育的情況
C.黏連蛋白可能是導致重構胚中minorZGA不能被激活的關鍵物質
D.若要提高雌性動物的產出率，可以切取原腸胚的外胚層細胞進行性別鑒定
5.應用體細胞核移植，我國科學家已經成功克隆了高產荷斯坦奶牛，其技術過程是：將一個供體細胞的細胞核移入一個去核的卵母細胞中，并使該重組細胞發育為新胚胎，進而發育成動物個體。下列相關敘述，正確的是( )
A.供體細胞是二倍體，且應處于分裂間期
B.克隆得到的高產荷斯坦奶牛與供體動物完全相同
C.供體細胞必須處于分裂期，從而使重組細胞快速分裂
D.采集得的卵母細胞，須體外培養到減數分裂Ⅰ中期，才進行去核
6.下圖是利用體細胞核移植技術獲得克隆奶牛的流程圖。
下列敘述錯誤的是( )
A.過程①通過顯微操作去除細胞核
B.過程②和過程④所使用的培養基成分相同
C.過程③可用電刺激使供體細胞和去核卵母細胞融合
D.過程⑤操作前需要對代孕母牛進行發情處理
7.科學家培育克隆羊時，使用了3種細胞核的供體細胞，分別將這些細胞核移入去核卵母細胞的細胞質中，形成重組細胞，發育成重構胚，這些重構胚的發育情況如下，據此分析正確的是( )
細胞核供體細胞類型 妊娠數/受體母羊數
乳腺上皮細胞 1/13
胚胎成纖維細胞 4/10
早期胚胎細胞 14/27
A.細胞核移植主要在同種動物、同種組織的細胞之間進行
B.重組細胞的發育與去核卵細胞的細胞質無關
C.早期胚胎細胞作為細胞核的供體細胞時妊娠成功率最高
D.培養動物細胞的培養液中含維生素、動物激素等多種能源物質
8.2017年11月～12月，我國科學家在世界上率先利用去甲基化酶（KD4D）的mRNA，經過體細胞克隆技術克隆出了獼猴“中中”和“華華”，該成果標志著中國率先開啟了以體細胞克隆猴為動物模型的時代。下圖是體細胞克隆猴的技術流程，請據圖回答問題：
（1）獲得克隆猴的體細胞核移植技術難度明顯高于胚胎細胞核移植，原因是___，恢復其全能性較難。
（2）圖中步驟①是克隆猴的技術難點之一，需要將卵母細胞培養到___后進行去核操作，而后將供體細胞注入，用物理或化學方法激活___，使其完成細胞分裂和發育進程。一般利用未受精的去核卵母細胞作為受體細胞，而不用精子，其原因是___（答出2點）。
（3）體細胞克隆猴的另外一個技術難點是猴的體細胞克隆胚胎發育差。科學家發現，胚胎發育障礙與克隆胚胎基因組上大量組蛋白的甲基化密切相關。由此推測，圖中KDM4DmRNA翻譯產生的酶的作用是___。
（4）圖中克隆猴的核遺傳物質來自___。體細胞克隆可以得到大量遺傳背景相似或相同的實驗動物，這樣的實驗動物用于醫學研究的好處是___。
參考答案
1.答案：A
解析：A、卵母細胞去核的方法有顯微直接去除、紫外光短時間照射、化學物質處理等方法，A錯誤；
B、兔子卵母細胞質中有使大熊貓細胞核表達全能性的物質，故可用去核后的兔子卵母細胞作為受體細胞，B正確；
C、去核的卵母細胞與供體細胞通過電刺激后融合，供體核進入受體卵母細胞，構建成重組胚胎，融合后的重組胚胎，需要用物理或化學的方法進行激活，使其完成細胞分裂和發育進程，C正確；
D、胚胎發育過程中早期胚胎具有全能性，還沒分化，囊胚期開始出現細胞分化，D正確。
故選A。
2.答案：C
解析：處于MII期的卵細胞才具備受精能力，所以步驟甲中需要獲取兔子處于MII期的卵細胞，A錯誤；重構細胞發育成早期胚胎所需營養主要來源于兔子的去核卵細胞，B錯誤；重構胚培養過程中通常需要在培養液中加入抗生素，避免雜菌污染，C正確；步驟乙表示胚胎移植，移植的早期胚胎應培養至桑葚胚或囊胚，D錯誤。
3.答案：D
解析：A、過程①將成纖維細胞注射到去核的卵母細胞中，未體現細胞膜的選擇透過性，A錯誤；B、在培養細胞時需在培養基中加入一定量的動物血清的作用是模擬內環境和補充未知的缺少的營養物質，激發成纖維細胞核的全能性的是卵細胞的細胞質中的物質，B錯誤；C、過程③進行同步發情處理，是為了為胚胎移入受體提供相同的生理環境，C錯誤；D、猴子與人類的親緣關系比小鼠近，與模型小鼠相比，模型猴更適合于研究人類疾病的發病機理、研發診治藥物，D正確。故選D。
4.答案：C
解析：A、minorZGA在重構胚和供體細胞中都存在，A錯誤；
B、不僅需將供體細胞核注入去核卵細胞，也需提前去除供體細胞核中的黏連蛋白，B錯誤；
C、由題意可知，黏連蛋白可能是導致重構胚中minorZGA不能被激活的關鍵物質，C正確；
D、外胚層細胞形成表皮和神經組織，不能進行性別鑒定，若要對早期胚胎進行性別鑒定，可以取滋養層細胞進行DNA分析，D錯誤。
故選C。
5.答案：A
解析：A、供體細胞是二倍體，且應處于分裂間期（該時期含有核膜），是為了保護細胞核，防止遺傳物質的丟失，A正確；
B、克隆得到的荷斯坦奶牛的細胞核來自供體，而細胞質來自其他動物細胞（即受體細胞），因此有一部分不相同，B錯誤；
C、供體細胞如果處于分裂期，則細胞核膜已經解體，容易造成遺傳物質丟失，C錯誤；
D、采集得到的卵母細胞應培養到減數分裂Ⅱ中期，D錯誤。
故選A。
6.答案：B
解析：本題主要考查細胞工程和胚胎工程相關技術的操作。去除牛卵母細胞中的細胞核可以用顯微操作技術，A正確；過程②是培養動物細胞的過程，過程④是早期胚胎培養，二者在培養液成分上有區別，B錯誤；供體細胞植入受體卵母細胞后，通常用電刺激使供體細胞和去核卵母細胞融合，C正確；過程⑤是將早期胚胎移植入代孕母牛的子宮內，操作前需要對代孕母牛進行同期發情處理，D正確。
7.答案：C
解析：細胞核移植主要在同種動物的體細胞與去核卵母細胞之間進行，不是同種組織，A錯誤；去核卵母細胞的細胞質能促進重組細胞發育，讓細胞核表達出全能性，B錯誤；早期胚胎細胞分化程度低，作為細胞核的供體細胞妊娠成功率最高，C正確；培養動物細胞的培養液中需含維生素激素等物質，但維生素和激素不是能源物質，D錯誤。
8.答案：（1）體細胞分化程度高
（2）MⅡ中期（或減數第二次分裂中期）；重構細胞；卵母細胞中含有的細胞質成分更能促進細胞核全能性的表達；卵母細胞體積大，易操作
（3）催化組蛋白的去甲基化
（4）獼猴胚胎成纖維細胞；有利于解決動物遺傳背景差異大造成的實驗可重復性差的問題；可使實驗組和對照組的比較更具有說服力等（合理即可）
解析：（1）題圖過程涉及的主要技術有動物細胞核移植技術(或體細胞核移植技術)、早期胚胎培養技術、胚胎移植技術等。據題圖可知,克隆猴的遺傳物質主要來自獼猴胚胎成纖維細胞的細胞核。
（2）題圖中步驟①需要將卵母細胞培養到MⅡ期后進行去核操作,而后用物理或化學方法激活受體細胞,使其完成分裂和發育。
（3）體細胞克隆猴的另外一個技術難點是猴的體細胞克隆胚胎發育差。科學家發現,胚胎發育障礙與克隆胚胎基因組上大量組蛋白的甲基化密切相關。由此推測,題圖中KDM4d mRNA翻譯產生的酶的作用是催化組蛋白的去甲基化,以利于體細胞克隆胚胎正常發育。

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