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

动物细胞工程 2.2.3 动物体细胞核移植技术和克隆动物 1 1、理解动物细胞核移植技术和克隆动物的概念。 2、掌握动物细胞核移植技术的分类。 3、简述体细胞核移植技术的过程。 4、体细胞核移植技术的应用前景和存在的问题。 一、学习目标 二、重、难点 用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。 中国古代的奇思妙想 《西游记》中的孙悟空神通广大，他“拔一把毫毛望空喷去即变作三二百个小猴”， 2017年，中国的科学家将这一幕变成了现实，克隆出两只猕猴“中中”和“华华”。 克隆猴的诞生与传统繁殖方式有什么不同？技术？ 无雌雄配子结合，遗传信息来自于体细胞细胞核 动物体细胞核移植技术 无性生殖 问题探讨 毫毛来自体细胞，我们能用体细胞“变”出一群猴吗？ 3 一、动物体细胞核移植技术 请同学们自主阅读教材P52，思考讨论下列问题： 1.动物细胞核移植技术的概念？ 2.动物细胞核移植技术的原理？生殖方式？ 3.哺乳动物核移植的类型及特点。 4.为什么非人灵长类动物体细胞核移植非常困难？ 4 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。 卵母细胞 动物细胞 取核 去核 移入 重组细胞 发育 新胚胎 发育 克隆动物 用核移植的方法得到的动物称为克隆动物 2.原理： 动物细胞核的全能性 3.种类： 胚胎细胞核移植： 体细胞核移植： 细胞分化程度 ， 表现全能性 ； 细胞分化程度 ， 表现全能性 。 低 相对容易 高 十分困难 这说明什么？ 整个细胞随分化程度的提高，分化潜能逐渐减弱，全能性受到限制。 一、动物细胞核移植技术 思考1：非人灵长类动物的体细胞核移植非常难，存在什么困难？ 原因：①供体细胞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； 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。 思考2：为什么要进行克隆猴的研究？ 研发新药时，进行药物的筛选。 克隆鼠、兔等不能吗？ 鼠和兔等哺乳动物与人类的亲缘关系比较远，用它们筛选出来的药物对人类的效果不好甚至没有作用。 ①自然界的猴繁殖慢，②自然界的猴基因型不同，会干扰实验结果。③有时用转基因猴进行药物筛选效果更好 6 [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。 7 例．下列有关核移植的说法，错误的是(　 　) A．通过核移植得到的细胞称为重构胚 B．哺乳动物体细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植 C．核移植得到克隆动物的过程属于无性生殖 D．动物体细胞表现全能性的难易程度与其分化程度无关 D 一、动物体细胞核移植技术 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？ 9 1、选择卵母细胞作为核移植受体细胞的原因？采集的卵母细胞应培养至什么时期？ 2、卵母细胞去核的方法？“去核”去的是什么？ 3、注入去核的卵母细胞的是整个供体细胞还是供体细胞的细胞核？为什么？ 4、诱导融合的方法？融合的结果？ 5、什么是重构胚？激活重构胚的方法？用这些方法处理重构胚的目的？ 6、该过程用到了哪些动物细胞工程的技术手段？ （以体细胞克隆牛为例） 一、体细胞核移植的过程 请同学们自主阅读教材P53，思考讨论下列问题： （1）找出图中的供体细胞和受体细胞？ 供体 受体 选择10代以内 当传代至10-50代左右时，部分细胞核型可能会老化或DNA损伤，存在失去分裂能力或癌变风险，而10代以内的细胞一般保持正常的二倍体核型，保证了供体细胞正常的遗传基础。 供体细胞和受体提供了什么？有什么要求？ 供体一般选用传代10代以内的细胞，为什么？ 供体：_______________________________； 受体：____________________。 提供一个细胞的细胞核的动物 去核的卵母细胞 一、体细胞核移植的过程 一、体细胞核移植的过程 （2）为何选用MⅡ期卵母细胞？ 在体外培养到MⅡ期 次级卵母细胞 卵母细胞体积大，易操作 ②含有激发和促使细胞核全能性表达的物质和营养条件。 ③卵黄多，营养物质丰富。 去核注意： 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 正常排出的卵子即处于MⅡ期 实际上是去除纺锤体-染色体复合物 “去核”去的是什么？ （3）卵母细胞为什么要“去核”？ 保证克隆动物的核基因全部来自供体细胞。 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。 12 补充：核移植技术中普遍使用的去核方法 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。 还有人采用梯度离心、紫外光短时间照射、化学物质处理等方法。这些方法时在没有穿透卵母细胞透明带的情况下去核或使其中的DNA变性。 一、体细胞核移植的过程 目的：使DNA变性失活，达到去核的目的。没有刺破卵母细胞膜，对卵母细胞伤害小。 13 指人工重新构建的胚胎，具有发育成完成个体的能力。 （4）注入“去核卵母细胞”的是“整个供体细胞”还是“供体细胞的细胞核”？为什么？ 原因：①对卵母细胞损伤较小； ②保证供体细胞的细胞核不被破坏，操作方便。 直接将供体细胞注入去核卵母细胞的透明带内 √ 一、体细胞核移植的过程 （5）诱导融合的方法？ 融合的结果？ 电融合法 供体核进入卵细胞，形成重构胚 （6）什么是重构胚？ 激活重构胚的方法？ 激活重构胚的目的？ 物理或化学方法 使其完成细胞分裂和发育进程 （如电刺激、Ca2＋载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等） 一、体细胞核移植的过程 （7）为了早期胚胎移植能成功，对受体（代孕）动物有何要求？ 移植到同种、生理状态相同的其他雌性动物子宫中。 （8）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。 生出与供体奶牛遗传物质基本相同的小牛 （9）从遗传物质的角度来分析，克隆动物是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗？ 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。 ②性状是基因与环境共同作用的结果，克隆动物所处的环境与核供体生活的环境不会完全相同。 ①克隆动物细胞核的遗传物质来自供体动物细胞核，但细胞质中的遗传物质同时来自供体细胞和受体卵母细胞； 一、动物体细胞核移植技术：构建流程图 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 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 细胞核移植 动物细胞培养 细胞融合 体细胞核移植用到的技术 早期胚胎培养 胚胎移植 激活重构胚使其完成 细胞分裂和发育过程 16 思考与讨论：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 思考：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。 18 例．科学家利用小鼠的成纤维细胞成功培育了克隆鼠，培育过程如图所示。下列叙述错误的是(　 　) A．细胞A为培育到MⅡ期的卵母细胞 B．克隆鼠的遗传物质主要来自小鼠的成纤维细胞 C．利用胚胎干细胞作为核供体更难培育克隆鼠 D．在培养瓶中培养成纤维细胞时会出现细胞贴壁和接触抑制现象 C 例．培育克隆蛙的基本过程如图所示。下列叙述不正确的是(　　) A．①过程可以用紫外线破坏细胞核 B．若把皮肤细胞换成胚胎细胞则可以提高成功率 C．体细胞核移植技术的基础是动物细胞培养 D．该过程可说明生物体性状的遗传只由细胞核控制 D 例. 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（ ） 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 例．科学家通过转基因技术获得了含有人生长激素基因的奶牛，如果要加速转基因奶牛的繁育，可以对此转基因奶牛进行克隆(如图所示)。请结合图示回答下列相关问题。 (1)在进行细胞培养之前，要对取自转基因奶牛的组织细胞进行分散处理，形成单个细胞，这个过程中需要利用_______________________酶处理。 (2)在进行原代培养时，细胞增殖的方式是______________。 (3)将进行培养的供体细胞注入去核的卵母细胞中，去除卵母细胞的细胞核的目的是_______________________________________________________________。 (4)上述过程中涉及的动物细胞工程技术有____________________________。转基因奶牛克隆成功，说明了动物______________________具有全能性。 胰蛋白(或胶原蛋白) 有丝分裂 使克隆出的动物个体的遗传物质几乎全部来自供体细胞 动物细胞核移植、动物细胞培养 体细胞的细胞核 1.应用前景 体细胞核移植在畜牧业、医药卫生以及其他领域有着广泛的应用前景。 加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育 二、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 (1)畜牧业： 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。 23 （2）医药卫生领域 A. 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。 乳腺生物反应器 换成核移植过程相关细胞 二、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 B. 在治疗人类疾病时，转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体； C. 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，将它们一直给患者时可以避免免疫排斥反应。 （2）医药卫生领域 二、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 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。 25 二、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 （3）科学研究领域 A. 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 B. 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 C.克隆特定疾病模型的动物，为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助 （4）保护濒危物种：有望增加濒危物种的存活数量 中华眼镜蛇 大型东乌桑巴拉叶片角变色龙 黑草黄弄蝶 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。 二、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 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: 28 例.根据体细胞核移植技术的特点进行推断，体细胞核移植技术可以用来( ) ①有效提高濒危动物的遗传多样性 ②提高某些良种家畜自然繁殖率 ③解决人体器官移植供体来源短缺的问题 ④为科学研究提供实验动物 ⑤ 构建转基因克隆动物，作为生物反应器，大规模生产珍贵医用蛋白 A.①②③④⑤ B.①②③④ C.②③④⑤ D.③④⑤ D 例．体细胞核移植技术在畜牧业、医药卫生以及其他领域有着广泛的应用前景。下列关于体细胞核移植技术的应用前景及存在问题的叙述，错误的是(　 　) A．可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老的过程 B．以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞诱导形成的组织、器官等，可避免免疫排斥反应 C．复活已灭绝的但仍保持完整细胞的动物 D．有研究者指出，绝大多数克隆动物存在健康问题，如体形过大、脏器缺陷、免疫失调等 C 理论基础 动物体细胞核的全能性 胚胎细胞核移植 原理： 类型： 体细胞核移植 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 化学方法激活重构胚，使其完成 细胞分裂和发育 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 动物体细胞核移植技术和克隆动物 理论基础 应用前景 畜牧业 保护濒危物种 医药卫生 本节小结 $$