2.2.3动物体细胞核移植技术和克隆动物教学设计-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第2章　细胞工程 第2节　动物细胞工程 三 动物体细胞核移植技术和克隆动物 教学分析 · 教学目标 1.通过分析动物体细胞核移植技术的概念和生物学原理，探讨哺乳动物体细胞核移植的技术挑战及其难度大于胚胎细胞核移植的原因。（科学探究、生命观念） 2.建构体细胞核移植技术的基本流程图，阐释体细胞核移植技术流程。（生命观念、科学思维） 3.通过案例分析，探讨体细胞核移植技术的应用前景和现阶段的技术瓶颈，理解其在社会发展中的潜在价值。（科学思维、社会责任） · 教学重难点 重点:理解体细胞核移植技术的操作步骤，并构建相应流程图。 难点: 理解体细胞核移植技术的操作步骤，并构建相应流程图。 教学方法 1.讲授法：结合PPT图文信息和教材讲解动物细胞核移植的概念、原理、过程等基础知识。 2.直观演示法：利用图片、文字资料等多媒体手段，展示动物细胞核移植的过程。 3.讨论法：组织学生围绕动物细胞核移植的流程操作细节及原因等问题等进行讨论。 4.调查法：引导学生通过文献检索、案例分析等方式，探究克隆动物的经济价值、应用现状及推广的限制因素。 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体、白板、学案、PPT等。 课前任务：请查阅相关书籍、专利文献等搜集信息： 1.我国科学家已成功地克隆了牛、羊和猪等多种哺乳动物，这些研究成果目前已经转化为生产力了吗？ 2.哪些成果已经在生产实践中得以应用，其经济价值如何？哪些成果还没有在生产实践中得到推广，其限制因素是什么？ 教学设计 导入新课 教师通过PPT展示动画片《西游记》中孙悟空拔毫毛变小猴的相关图片和科学家培育的克隆猴的相关资料和图片。 图文资料1.“（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。”这是《西游记》中的一段描述，展示了中华先贤的想象力。 讨论：毫毛来自体细胞。在现实中，如何能用体细胞“变”出一个个体呢？ 图文资料2.展示“中中”和“华华”照片，配以文字介绍：2017年我国科学家将《西游记》中的文学想象桥段变为了现实——成功培育世界上首例体细胞克隆猴“中中”和“华华”，它们的诞生轰动了全世界。 讨论：你知道它们是如何培育出来的吗？在这之前，科学家培育了胚胎细胞克隆猴，你知道两者有什么不同吗？ (设计意图：结合学生熟知的经典文学名著《西游记》片段和我国生物学家尖端科研成果对比展示导入,引出本节课要学习的问题，既能激发学生的学习兴趣,又能引导学生深入主题，效果较好。) 【过渡】其实，自1996年首个体细胞克隆动物多莉羊（Dolly）诞生以来，人类已经成功克隆了马、牛和猪等大型家畜，但为什么体细胞克隆猴的诞生能轰动世界呢？ 任务一：动物细胞核移植技术概念 PPT投影展示克隆猴“中中”和“华华”操作流程示意图和问题，引导同学们自主学习教材第52页第二、三自然段内容，结合流程图思考问题。 提出问题： 1.克隆猴用到了什么技术？ 2.为什么用供体猴的一个细胞核移植就可以培育出与它几乎一模一样的克隆猴？ 3.胚胎细胞克隆猴与体细胞克隆猴有什么不同？ 为什么体细胞克隆猴的诞生能够轰动世界？ 学生分为小组互相讨论并回答问题。 学生独立思考后，组织进行小组交流并展示，教师予以点评补充。 问题1：借助克隆猴的过程简图提出并总结动物核移植技术概念：将一个动物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胚胎，进而发育成动物个体的技术。该技术培育的动物又称为克隆动物。 问题2：因为动物的体细胞是由受精卵经过有丝分裂和分化形成的，因此，动物的体细胞核具有和受精卵一样的，能控制该物种生长发育和繁殖的全部遗传物质，因此具有发育的全能性，这是动物体细胞核移植技术的生物学原理。 问题3：胚胎细胞克隆猴选取的供体细胞核来自早期胚胎细胞，细胞分化程度低，全能性相对容易表达，而动物体细胞分化程度高，全能性表现十分困难，因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。 非人灵长类动物的体细胞核移植一直未能取得有效突破，其原因有二，一是供体细胞的细胞核不能在去核的卵母细胞中完全恢复分化前的功能状态，二是对非人灵长类动物胚胎进行操作的技术尚不完善。 我国科学家历时五年研究攻关，成功克隆出了世界首例体细胞克隆猴。因该技术对于构建非人灵长类动物模型、研究人类疾病等方面意义非凡，使得该研究在国际权威学术期刊《细胞》上以封面文章在线发表。《细胞》出版社首席执行官、《细胞》期刊主编Emilie Marcus评价“该成果是一项令人兴奋的重要工作，这是全世界科学家花了二十年时间才达到的技术里程碑，它有潜力引发动物研究的革命并帮助研发治疗人类疾病的新方法。” （设计意图：通过结合克隆猴“中中”和“华华”培养流程示意图，引导同学们带着问题阅读整合教材基础知识，同时借助于我国创造了非人灵长类动物体细胞核移植的世界先例，树立同学们的科技自信。） 【过渡】PPT展示“中中”和“华华”的克隆流程图，提问：为什么非人灵长类动物的体细胞核移植技术难度如此之大，科研工作者又是如何突破重重困难的？带着问题进入任务二研讨。 任务二、体细胞核移植的技术操作流程 请结合上述克隆猴“中中”和“华华”的克隆流程图，阅读教材第52~53页“体细胞核移植的过程”及图2-18相关内容，思考回答下列问题。 1.克隆动物的过程用到哪些技术手段？ 2.科学研究发现，自然状态下，动物的卵母细胞通常要在输卵管内发育到MⅡ期时才具备与精子受精能力，请据此推测，在将体细胞的核移植到卵母细胞之前，为什么必须先将卵母细胞培养到MⅡ期再进行去核操作？ 3.为什么要对发育到M Ⅱ期的卵母细胞进行去核操作？ 4.你认为用上述体细胞核移植技术培育的克隆动物，是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗？为什么？ 5.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。 6.研究人员实验发现，将组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA注入重构胚，同时用组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA处理，会有效提高重构的发育率和妊娠率。请结合所学知识推测，这两种物质发挥作用的机制是什么？除了这一操作外，在重构胚的形成激活过程常用的手段还有哪些？ 7.用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞，想一想，这是为什么？ 学生独立思考完成后教师组织进行小组交流，交流完成后小组展示，不同小组间相互补充，最后教师进行点评和补充。 问题1：克隆动物的过程中需要综合运用动物体细胞核移植、动物细胞培养、显微注射和胚胎移植等相关技术手段。 问题2：根据“自然状态下，卵母细胞需要在输卵管内发育到M Ⅱ期时才具备受精能力”这一信息推测：可能在卵母细胞发育到M Ⅱ期时，其细胞内激活重构胚使其完成细胞分裂和发育的物质的含量和活性最高，因此在此时进行核移植最有利于重构胚的发育。 问题3：为使核移植的胚胎或动物的核遗传物质全部来供体细胞，在供体细胞的细胞核移至受体细胞之前，必须将受体细胞的遗传物质去掉或将其破坏。 问题4：克隆动物绝大部分DNA来自体细胞供体（核供体）动物的细胞核，但其细胞核外的DNA，即线粒体中的DNA同时来自核供体细胞和受体卵母细胞。所以，用教材中所述的方法克隆动物不是对核供体动物进行完全相同的复制。 此外，即便动物的遗传基础完全相同，但由于动物的发育及一些行为、习性的形成与所处环境有很大关系，克隆动物所生活的环境与核供体动物生活的环境不会完全相同，所以从这一角度看，克隆动物也不是对核供体动物进行100%的复制。 问题5：都能生成干细胞，但过程完全不同。（1）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。（2）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，它重编程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一些，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。（3）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。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。 问题6：这两种物质都是通过改变组蛋白的表观遗传修饰来调控基因表达。组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA可以表达组蛋白去甲基化酶，该酶能降低组蛋白的甲基化水平；组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA可以抑制组蛋白脱乙酰酶的作用，提高组蛋白的乙酰化水平。组蛋白的甲基化水平的降低和乙酰化水平的提高可有效提高重构胚的发育率和妊娠率。 除了上述处理方式外，科研工作者还常用电融合法诱导供体细胞与去核卵母细胞融合形成重构胚。用物理或化学方法（电刺激、Ca2+载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等）激活重构胚，使其完成细胞分裂和发育进程。 问题7：培养的动物细胞一般当传代至10～50代左右时，部分细胞核型可能会发生变化，其细胞遗传物质可能会发生突变，而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。因此，在体细胞核移植中，为了保证供体细胞正常的遗传基础，通常采用传代10代以内的细胞。 （设计意图：通过精心设计问题，引导同学们将教材基础知识、给定的资料信息和教材流程图解信息进行整合，在落实必备知识的同时进一步提升学生信息获取加工能力。） 评价设计：结合【拓展应用】问题回答情况，进行评价，参考标准如下表。 评价标准 成员1 成员2 成员3 成员4 成员5 A等8-10分：逻辑思路清晰，科学准确，能提出多条论据有效支持观点且没有任何科学性错误。 B等4-8分：逻辑思路清晰，能提出论据有效支持观点且没有任何科学性错误。 C等0-4分：能有基本思路，能提出论据有效支持观点。 【过渡】教师口述引导：体细胞核移植技术发展到今天，已经在多种动物身上试验成功，科学家们也尝试在多种不同领域推广应用，但在具体实践过程中也发现了一些问题。那么截止到现在，体细胞核移植技术都在哪些领域展开研究和应用，出现了哪些问题？ 任务三、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 引导同学们请结合教材第54页“体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题”部分内容，完成下表。 应用领域 举例 存在的问题 畜牧生产 1._____________低，_______ __________有待于改进； 2.________研究滞后。 3.绝大多数克隆动物存在________问题，表现出_____ ________________。 医药卫生 科学研究 保护濒危物种 学生完成表格内容后，小组内交流核对问题答案。 教师理结合课件展示体细胞核移植技术在畜牧业、医药卫生等领域的相关资料和图片。 1.应用前景 （1）医药卫生方面 ①建立转基因体细胞系，再利用此技术培育的转基因克隆动物可作为生物反应器生产珍贵的医用蛋白。 ②治疗人类疾病时，转基因克隆动物的细胞、组织或器官，可作为异种移植的供体。 ③患者的核移植胚胎干细胞经过诱导分化，能形成相应的细胞、组织或器官可用于移植以避免免疫排斥反应。 ④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； ⑤克隆一批遗传背景相同的动物，可通过对比来分析致病基因； ⑥克隆特定疾病模型的动物，能为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。 （2）畜牧生产：加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育 （3）科研 ①使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程 ②分析致病基因 ③研究致病机制，开发药物 （4）保护濒危动物：有望增加濒危物种的存活数量 在探讨体细胞核移植过程中存在的问题时，教师要引导学生辩证地看待技术的应用，发展学生的思维。 2.存在的问题： （1）该技术的成功率非常低，各个技术环节有待进一步改进。 （2）相对于技术研究，核移植的理论研究较为滞后，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。 （3）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。 评价设计： 结合【拓展应用】问题回答情况，进行评价。 评价反馈 结合当堂训练完成情况给予评价 课堂小结 教师用PPT展示学案背景材料及问题： 【材料】2003年，世界上第一只用体细胞克隆的哺乳动物——多莉，因患有严重的肺部疾病被实施了安乐死。它只活了7岁，而普通绵羊的平均寿命在12岁左右。多莉的死亡引发了关于克隆动物是否会发生早衰的争论。一些研究者认为，克隆动物的端粒比较短，基因表达不正常，早衰是一种必然现象。另一些研究者则认为，克隆动物的遗传物质是正常的，目前发现的早衰迹象是在克隆过程中的一些技术问题造成的；或者克隆动物在发育过程中出现了变异，早衰只是偶然现象。 【问题】你支持哪种观点？请你搜集资料，寻找支持你观点的研究证据。 利用该问题情境引导学生总结本节课相关知识，构建知识体系。 布置作业 完成课后练习（30分钟）。 教学反思 本节课的教学设计以学生探究为中心，注重学生的自主学习与合作探究。在课堂上教师采用了克隆猴的大问题情境，通过精心设计问题引导展开教学。在整个教学过程中，充分发挥学生学习的主动性，鼓励他们大胆去探究、主动地获取知识，打造高效课堂。反思整堂课，主要在以下几方面做得较好：(1)注重科学思维方式的训练，通过问题设计，引导学生运用课本相关素材、已有知识和搜集课外资料解决现实生活情境中的实际问题。(2)课堂上通过学生探究讨论激发了学生的学习热情。(3)通过学生资料整理、素材分析等多种策略，更加直观地帮助学生梳理相关知识形成体系。 本堂课也有一些不足之处：部分探究问题涉及较深的遗传调控机制，对学生而言理解门槛较高。后续可通过提供背景资料、分层引导等方式帮助学生逐步建立认知。 板书设计 第2节　动物体细胞核移植技术和克隆动物 备课资源 动物体细胞核移植为什么用发育到M Ⅱ期的卵母细胞作为受体细胞？ 动物体细胞核移植（SCNT）是一种将体细胞核移植到去核卵母细胞中的技术，用于克隆动物或研究细胞重编程机制。在SCNT过程中，受体细胞的选择至关重要，而发育到M Ⅱ期（第二次减数分裂中期）的卵母细胞是最常用的受体细胞。究其原因主要有以下几方面： 1.卵母细胞具有重编程体细胞核的能力 M Ⅱ期卵母细胞含有丰富的重编程因子，这些因子能够将已分化的体细胞核“重置”为具有全能性的状态。体细胞核在分化过程中会发生表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰等），这些修饰限制了细胞的分化潜能。卵母细胞中的重编程因子（如Oct4、Sox2、Nanog等）可以逆转这些修饰，使体细胞核重新获得发育为完整个体的能力。 M Ⅱ期卵母细胞处于减数分裂的中期，此时细胞质中的重编程因子活性最高。相比之下，其他细胞（如受精卵或早期胚胎细胞）虽然也具有一定的重编程能力，但其效率远低于M Ⅱ期卵母细胞。 2. M Ⅱ期卵母细胞具有支持胚胎发育的细胞质环境 卵母细胞的细胞质中含有大量支持胚胎早期发育所需的物质，包括mRNA、蛋白质、能量代谢物质（如ATP）以及细胞器（如线粒体）。这些物质在受精后或核移植后能够迅速启动胚胎的发育程序。 M Ⅱ期卵母细胞的细胞质环境特别适合胚胎发育，因为此时卵母细胞已经完成了第一次减数分裂，并积累了足够的营养物质和发育所需的因子。此外，M Ⅱ期卵母细胞的细胞质能够激活移植的体细胞核，启动其基因表达程序，从而支持胚胎的后续发育。 3. M Ⅱ期卵母细胞的细胞周期与体细胞核的兼容性 在SCNT中，受体细胞的细胞周期状态与供体细胞核的兼容性是一个关键因素。M Ⅱ期卵母细胞处于减数分裂的中期，此时细胞周期停滞，细胞质中含有高水平的成熟促进因子（MPF）。MPF能够诱导移植的体细胞核进入M期，从而促进核膜破裂和染色体凝集，这是重编程过程的重要步骤。 如果受体细胞处于其他细胞周期阶段（如G1期或S期），移植的体细胞核可能无法与受体细胞的细胞周期同步，导致重编程失败或胚胎发育异常。M Ⅱ期卵母细胞的细胞周期状态使其成为最适合的受体细胞。 4. M Ⅱ期卵母细胞易于去核操作 在SCNT过程中，受体细胞的核需要被移除，以便为移植的体细胞核腾出空间。M Ⅱ期卵母细胞的核（即中期板）位于细胞质的一侧，且核膜已经破裂，染色体排列在纺锤体上。这种结构使得去核操作相对容易，可以通过显微操作技术（如吸出法）精确移除染色体，而不会对细胞质造成严重损伤。 相比之下，其他细胞（如受精卵或早期胚胎细胞）的核结构较为复杂，去核操作难度较大，且容易损伤细胞质，影响后续胚胎发育。 5. M Ⅱ期卵母细胞的可用性和成熟度 M Ⅱ期卵母细胞是卵母细胞发育的最终成熟阶段，在体内或体外成熟后即可用于核移植。这种细胞在哺乳动物中相对容易获取，尤其是在体外受精（IVF）技术中，M Ⅱ期卵母细胞是常用的材料。 此外，M Ⅱ期卵母细胞的成熟度使其能够迅速响应受精或核移植信号，启动胚胎发育程序。未成熟的卵母细胞（如GV期卵母细胞）虽然也可以用于核移植，但其重编程效率和胚胎发育能力较低。 6. M Ⅱ期卵母细胞的遗传稳定性 M Ⅱ期卵母细胞已经完成了第一次减数分裂，并排除了第一极体，其染色体数目为单倍体（1n）。在核移植过程中，移植的体细胞核（二倍体，2n）与卵母细胞的单倍体染色体组合，可以恢复正常的二倍体状态，从而保证胚胎的遗传稳定性。 如果使用其他细胞（如受精卵或早期胚胎细胞）作为受体细胞，可能会导致染色体数目异常，影响胚胎的正常发育。 7. M Ⅱ期卵母细胞在克隆技术中的成功应用 自1996年多莉羊诞生以来，M Ⅱ期卵母细胞作为受体细胞在克隆技术中得到了广泛应用。大量研究表明，使用M Ⅱ期卵母细胞作为受体细胞能够显著提高克隆胚胎的发育率和存活率。虽然克隆效率仍然较低，但M Ⅱ期卵母细胞是目前最可靠的受体细胞类型。 8.与其他受体细胞的比较 受精卵：受精卵虽然也具有重编程能力，但其细胞质环境已经启动了胚胎发育程序，可能无法有效重编程体细胞核。 早期胚胎细胞：早期胚胎细胞的细胞质重编程能力较弱，且去核操作难度较大。 未成熟卵母细胞（GV期）：GV期卵母细胞的重编程因子活性较低，且需要额外的成熟培养步骤，效率较低。 相比之下，M Ⅱ期卵母细胞在重编程能力、细胞周期兼容性、操作便利性等方面具有明显优势。 总之，M Ⅱ期卵母细胞作为动物体细胞核移植的受体细胞，具有重编程能力强、细胞质环境适宜、细胞周期兼容、操作便利等多方面的优势。这些特性使其成为SCNT技术中最常用的受体细胞类型。尽管克隆技术的效率仍有待提高，但M Ⅱ期卵母细胞的应用为动物克隆、干细胞研究和生物医学领域提供了重要的技术支持。未来，随着对卵母细胞重编程机制的深入研究，SCNT技术的效率和应用范围有望进一步扩大。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$