2.2.3 动物细胞工程——动物体细胞核移植技术和克隆动物-【省心备课】2024-2025学年高二生物同步教学精优课件（人教版2019选择性必修3）

第2节 动物细胞工程 ——动物体细胞核移植技术和克隆动物 贺老师 第2章 细胞工程 1 中国古代的奇思妙想 “（悟空）拔一把毫毛，丢在口中嚼碎，望空喷去，叫一声‘变！’，即变作三二百个小猴，周围攒簇（cù）。”这是《西游记》中的一段描述，展示了中华先贤的想象力。 问题探讨 克隆猴：“中中”和“华华” 2、毫毛来自体细胞，我们能用体细胞“变”出一群猴吗？ 1、为什么以前我们觉得这是奇思妙想？动物通常如何繁殖？ 动物通常通过精卵结合形成受精卵发育成新个体（有性生殖） 2 思考：1.克隆猴的过程中最大的困难是什么？ 最大的困难是如何才能激发动物细胞表达其全能性。 2.植物细胞具有全能性，所以可以直接利用其体细胞培育出克隆植物。 可以直接利用动物细胞培育出克隆动物吗？ 不能。因为动物细胞的全能性受到限制，不能经培养直接发育成完整个体，所以动物通过体细胞核移植技术得到克隆动物。 问题探讨 体细胞 3 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.原理： 动物细胞核的全能性 3.生殖方式： 无性生殖 动物细胞核移植技术 卵母细胞 动物体细胞 去核 取核 移入 重组细胞 新胚胎 克隆动物 发育 发育 用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。 体细胞或者胚胎细胞的细胞核 →保持优良性状 因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植 胚胎细胞： 指胚胎发育过程中自然存在的细胞，如受精卵、卵裂球、囊胚期的内细胞团（ICM）或滋养层细胞。这些细胞在胚胎内按特定时空顺序分化，形成不同组织和器官。 胚胎干细胞（ES细胞）： 从早期胚胎（如囊胚的内细胞团）中分离，并通过体外培养建立的永生化细胞系。需特定条件（如白血病抑制因子LIF）维持其未分化状态。 胚胎细胞，胚胎干细胞，存在形式，体内自然存在的瞬时细胞，体外培养的永生化细胞系，核心特性，分化中，潜能受限，未分化，多能性维持 4 4.种类： 胚胎细胞核移植： 体细胞核移植： 细胞分化程度低，表现全能性容易 细胞分化程度高，表现全能性十分困难 动物细胞核移植技术 动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植 在体细胞核移植中，非人灵长类动物体细胞核移植非常困难： ①供体的细胞核在去核卵母细胞中不能完全恢复其分化前的功能状态，这导致了胚胎发育率低。 具有许多与人类相似的生物学特征的灵长类动物 ②对非人灵长类动物胚胎进行操作的技术尚不完善。 我国科学家经过多年努力，攻克了这些障碍，终于成功获得了世界上首例体细胞克隆猴。 5 动物细胞核移植技术 [思考]为何不称为“克隆技术”而是“核移植技术”？ 克隆技术：是一个很广的概念，凡指新形成的事、物与亲本一致的现象均可称为“克隆”。 在生物学上，克隆是无性繁殖，具体地说，是指一个共同的祖先，通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特性相同的分子、细胞或个体。 一般指DNA分子扩增，还包括单克隆抗体技术。 由一个细胞分裂所形成的细胞群体。 指基因型完全相同的个体或群体。 分子水平： 细胞水平： 个体水平： 思考：下列克隆分别用什么技术？ 动物克隆—— 动物细胞克隆—— 植物克隆—— DNA克隆—— 动物细胞培养技术 动物体细胞核移植技术 植物组织培养技术 PCR技术 克隆包含分子、细胞、个体3个层次，即分子克隆、细胞克隆、个体克隆。 6 动物细胞核移植的过程 1997年，美国的一个奶牛场有一头名叫卢辛达的奶牛，年产奶量为30.8t，创造了世界奶牛产奶量最高新纪录。目前世界各国高产奶牛场奶牛，年平均产奶量一般为十几吨，而我国奶牛产奶量年平均水平仅为3～4t。 思考：能否依据“多莉羊”的培育过程，进行优质奶牛的快速繁育？ 无性生殖 →保持优良性状 传统的杂交育种存在费时、费力、成功率低的弊端, 要得到一个优良品种往往要耗费几十年时间, 且对于牛这样 的单胎动物还会遇到很大的困难。 7 动物细胞核移植的过程 收集牛卵巢，采集卵母细胞(研究人员正在使用设备从牛的卵巢采集卵母细胞)，在体外培养到MⅡ期（减Ⅱ中期） (1)为什么选择卵母细胞作为核移植受体细胞？ ①卵母细胞体积大，易操作 ②含有促使细胞核表达全能性的物质和营养 条件【如促成熟因子（MPF）其水平高低 可影响供体染色体的状态和复制】 ③卵黄多，营养物质丰富。 (2)为何要培养到MⅡ期？ 正常排出的卵细胞即处于MⅡ期，此时卵母细胞已发育成熟，细胞质中具有激活重构胚以及早期胚胎发育的必需因子。 1 卵母细胞的选择 （此时的细胞核核膜核仁消失，为纺锤体-染色体复合物） MⅡ期的次级卵母细胞 初级卵母细胞的停滞：有利于动物细胞核全能性表现处于MⅡ期的卵母细胞中含有的激活重构胚的因子是动物细胞核全能性表现的物质基础 ，故将体细胞的细胞质换成处于MⅡ期的卵母细胞的细胞质有利于动物细胞核全能性表现 在女性胚胎期，卵原细胞通过有丝分裂增殖后，进入减数第一次分裂并停滞在前期I（Prophase I），形成初级卵母细胞。这一停滞状态可维持数十年，直至排卵前被激素信号激活。 LH峰触发排卵： 月经周期中，优势卵泡成熟后，黄体生成素（LH）峰促使初级卵母细胞恢复减数分裂，完成减数第一次分裂，形成1个次级卵母细胞和1个第一极体。 MⅡ期的停滞与排卵： 次级卵母细胞随即进入减数第二次分裂，但会停滞在中期II（MⅡ期）。此时，卵子已具备受精能力，但分裂过程尚未完成。排卵时，处于MⅡ期的次级卵母细胞与周围结构（放射冠、透明带等）一同排出。 8 高产奶牛(供体) 从供体高产奶牛身体的某一部位(如耳)上取体细胞，进行细胞培养 供体：提供细胞核的个体； 有重要利用价值的动物的体细胞。 （3）培养过程中，一般选用传代10代以内的细胞，为什么？ 因为当传代至10-50代左右时，部分细胞核型可能会发生变化，而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型，保证了供体细胞正常的遗传基础。 动物细胞核移植的过程 2 供体细胞的选择和培养 9 动物细胞核移植的过程 3 卵母细胞去核 ★方法： 显微操作去核法 也有人采用梯度离心、紫外线短时间照射和化学物质处理等方法。 优点： 使DNA变性失活，达到去核的目的。没有刺破透明带或卵母细胞质膜，对卵母细胞伤害小。 （1）卵母细胞去核的原因是什么？ 保证克隆动物的遗传物质尽可能来自于有重要利用价值的动物。 实际是去除纺锤体-染色体复合物 （2）“核”的实质是什么？ MⅡ期的次级卵母细胞 去核时，由于MⅡ期卵母细胞核的位置靠近第一极体，用微型吸管一般一并吸出第一极体 10 动物细胞核移植的过程 4 供体细胞核移植到去核卵母细胞 （1）将整个供体细胞注入卵母细胞中 有何优点？ 优点：①保证供体细胞的细胞核 不被破坏，操作方便。 ②传递线粒体DNA： （2）如何使两个细胞发生融合？ 通过电融合法使两细胞融合，供体核进入卵母细胞，形成重构胚。 电融合法 实质是直接将供体细胞注入去核卵母细胞的透明带内 将整个供体细胞注入卵母细胞 11 动物细胞核移植的过程 4 重构胚的激活 （2）激活重构胚目的是？ 目的：使其完成细胞分裂和发育过程。 重构胚： 是指人工重新构建的胚胎，具有发育成完成个体的能力。 （1）如何激活重构胚？ 用物理或化学方法(如电刺激、Ca2+载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等)激活重构胚胎 通过电融合法使两细胞融合，供体核进入卵母细胞，形成重构胚。 早期胚胎 如电刺激、Ca2+ 载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等 12 动物细胞核移植的过程 (代孕)母牛体内 生出与供体奶牛遗传物质基本相同的犊牛 克隆动物 早期胚胎 （1）动物体细胞核移植技术证明了？（原理） 该技术证明了： 已分化的动物体细胞的细胞核具有全能性。 （2）从遗传物质的角度分析，克隆动物是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗？ ② 生物性状还受环境因素的影响。 ① 克隆动物遗传物质来源 核遗传物质: 全部来自 。 供体动物的细胞核 质遗传物质: 一部分来自 细胞， 另一部分来自 。 供体 受体卵母细胞 ③ 克隆动物在个体发育过程中有可能发生基因突变、染色体变异等可遗传变异。 5 胚胎移植 无性生殖 表现型 = 基因型 + 环境 新生牛的性别、基因与谁基本相同？繁殖方式是什么？ 13 采集卵母细胞，在体外培养到MⅡ期 从供体高产奶牛身上取体细胞 显微操作 去核 对体细胞 进行培养 去核的卵母细胞 供体细胞 电融合法 将供体细胞注入去核的卵母细胞 重构胚 用物理或化学方法激活 早期胚胎 将胚胎移入受体（代孕）母牛体内 生出与供体奶牛遗传物质基本相同的犊牛 早期胚胎培养 动物细胞培养 胚胎移植 动物细胞融合 动物细胞核移植技术 动物细胞核移植的过程 14 6.供体细胞注入卵母细胞的优点 __________________ 7.诱导融合的方法____________________ 8.融合的结果______________________________ 9.重构胚概念_________________________________________ 动物细胞核移植的过程 1.采集的卵母细胞应培养至_____________________ 2.选择MⅡ期卵母细胞的原因 ①____________________________________ ②_________________________ ③_________________________ 3.卵母细胞去核的方法_________________ 4.“去核”去的是什么？________________________ 5.去核的原因________________________________________________________ MⅡ期（减数分裂Ⅱ中期） 卵母细胞内卵黄多，营养物质丰富 细胞体积大，易于操作 显微操作（去核）法 纺锤体-染色体复合物 含有促进细胞核表现全能性的物质 使核移植得到的胚胎或动物核内遗传物质全部来自有重要利用价值的动物 对供体细胞损伤较小 电融合法 供体核进入卵母细胞，形成重构胚 人工重新构建的胚胎，具有发育成完整个体的能力 15 体细胞核移植技术的应用前景 （1）在畜牧生产中： 加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育 2018年，中国西北农林科技大学成功克隆荷斯坦奶牛“妞妞”，其核供体为年产奶量超10吨的精英母牛。后续批量克隆的奶牛群体乳蛋白含量提升12%，繁殖效率提高30%。 16 转基因体细胞 体细胞核移植技术的应用前景 （2）在医药卫生领域： ①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； 乳腺生物反应器 如果科学家获得了一个药用蛋白基因，如何生产大量药用蛋白？ 17 体细胞核移植技术的应用前景 （2）在医药卫生领域： ②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。 ③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。 (治疗性克隆) 首先用高分子化学材料——聚羟基乙酸制成所需人体器官的形状，然后植入人的细胞（这只展出的老鼠身上植入的是它自己的细胞），缝合在裸鼠背上。经过细胞快速生长，人造模子会自己降解消失，器官与老鼠成为一体，最后可移植到人体上。这种全身无毛的老鼠叫裸鼠，没有免疫力，这样才不会对那只“人耳”产生排异反应。这项技术能应用于人体组织、器官的再造。这项科研技术成熟后，人身上缺少或损坏的组织器官都可以修补上。 18 病人 取核 去核卵母细胞 重构胚胎 各种细胞组织或器官 诱导 取出 体细胞 核移植 移植 成纤维细胞 取出 转入相关因子 各种细胞组织或器官 iPS细胞 取出 胚胎干细胞 诱导 移植 治疗性克隆 iPS细胞治疗 细胞发生转化 体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比，有什么相似或不同之处？请你预测它们应用前景的差异。 通过体细胞核移植技术可以生成带有核供体细胞遗传物质的胚胎干细胞；诱导iPS细胞需要在细胞中表达几个关键基因，将细胞逆转到类似胚胎干细胞的状态。 19 体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比，有什么相似或不同之处？请你预测它们应用前景的差异。 体细胞核移植技术 诱导iPS细胞 过程 细胞的来源 操作难度 都能生成干细胞，但它们的过程是完全不同的 对核供体细胞有较高要求，一般情况下体细胞的分化程度越高，它重编为干细胞的成功率就越低 可诱导成为iPS细胞的细胞来源相对广些，研究表明成纤维细胞、B淋巴细胞、脂肪干细胞等都可以诱导成为iPS细胞 涉及采集卵母细胞、去核、融合等复杂的操作 技术流程相对简单，可能更适合用于生产实践 目前科学家还在研究由这两种技术生成的干细胞在基因表达、DNA甲基化等方面的差异，这些研究成果也将直接影响它们今后的应用。 20 （1）过程：利用体细胞核移植技术和诱导iPS细胞都能生成干细胞，但它们的过程是完全不同的。 （2）细胞的来源： 体细胞核移植技术对核供体细胞有较高要求，一般情况下体细胞的分化程度越高，它重编为干细胞的成功率就越低； 可诱导成为iPS细胞的细胞来源相对广些，研究表明成纤维细胞、B淋巴细胞、脂肪干细胞等都可以诱导成为iPS细胞。 目前科学家还在研究由这两种技术生成的干细胞在基因表达、DNA甲基化等方面的差异，这些研究成果也将直接影响它们今后的应用。 体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比，有什么相似或不同之处？请你预测它们应用前景的差异。 （3）操作难度： 体细胞核移植技术涉及采集卵母细胞、去核、融合等复杂的操作； 诱导iPS细胞的技术流程相对简单，可能更适合用于生产实践。 21 体细胞核移植技术的应用前景 ①研究克隆动物可以使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程； ②克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因； ③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。 （3）在科研领域： 22 北方白犀牛是全球最濒危的哺乳动物之一，截至2024年，仅剩两只雌性个体（纳金和法图），且均为不孕老龄，物种已处于功能性灭绝边缘。为挽救这一物种，科学家尝试通过体细胞核移植技术（克隆）结合基因编辑进行干预。 该技术有望增加濒危物种的存活数量。 白鳍豚 金丝猴 体细胞核移植技术的应用前景 （4）在保护濒危物种方面 北方白犀牛 23 相关资料： 培育克隆羊多莉时，共获得了277个融合的细胞，早期发育成功的胚胎却只有29个，移植后成功怀孕的母羊仅有1只，成功率只有0.36%。 培育体细胞克隆猴时，用了127个卵母细胞，获得109个核移植胚胎，移植给21只代孕母猴，只有6只成功怀孕，最后只诞生了2 只健康的小猴，成功率为1.57%。 多莉在2003年2月15日，因肺部感染而死亡，寿命只有7岁，而普通羊的平均寿命是12岁。 体细胞核移植技术存在的问题 24 韦尔穆特与克隆羊多莉 克隆羊多莉真身标本 （1）成功率低： 克隆胚胎移植成功率非常低，各个技术环节有待进一步改进。 需要与发育生物学、细胞生物学和分子遗传学等学科更深层次的理论研究相结合； 许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷，如体型过大、异常肥胖、发育困难、脏器缺陷、免疫缺陷等。 （3）理论研究较为滞后： （2）健康问题： “多莉”存活不足7年，远低于平均寿命 体细胞核移植技术存在的问题 绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷，如体型过大、异常肥胖、发育困难、脏器缺陷和免疫失调等。 易出现早衰（多利羊猜想）。 25 一. 概念检测 1.假设世界上最后一头野驴刚死亡，以下使它"复生"的方案中可行的是（ ） A.将野驴的基因导入家驴的受精卵中，培育出新个体 B.将野驴的体细胞取出，利用组织培养培育出新个体 C.将野驴的体细胞两两融合，再经组织培养培育出新个体 D.将野驴的体细胞核移植到家驴的去核卵母细胞中, 经孕育培 育出新个体 D 26 C A.该技术涉及动物细胞培养、细胞 核移植等操作 B.该技术可避免母亲的线粒体遗传 病基因传递给后代 C.卵母细胞捐献者携带的红绿色盲 基因能够遗传给"三亲婴儿" D."三亲婴儿"同时拥有自己父亲、 母亲及卵母细胞捐献者的部分基因 2. 2017年，某国批准了首例使用细胞核移植技术培育“三亲婴儿”的申请。其培育过程可选用如下技术路线。据图分析下列叙述错误的是（ ） 27 28 29 Lavf58.29.100 孙悟空拔毛 jasmine $$