生物选修3《现代生物科技专题》3.3 胚胎工程的应用及前景学案

胚胎工程的应用及前景

一、胚胎移植

1.含义:

(1)对象:雌性动物体内的早期胚胎,或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎。

(2)供体:提供胚胎的个体。

(3)受体:接受胚胎的同种、生理状态相同的其他雌性动物体。

2.地位:胚胎工程其他技术的最后一道“工序”。

3.胚胎移植的生理学基础:

4.胚胎移植的程序和方法:

5.胚胎移植的实质:早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。

二、胚胎分割

1.概念:

2.所需工具及仪器设备:分割针或分割刀片、实体显微镜和显微操作仪等。

3.操作程序:

(1)选择胚胎:选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚,将其移入盛有操作液的培养皿中。

(2)分割胚胎:用分割针或分割刀片将胚胎切开,吸出其中的半个胚胎,注入预先准备好的空透明带中,或直接将裸半胚移植入受体。

4.囊胚分割要求:内细胞团均等分割,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。

5.存在问题:胚胎分割的份数越多,操作的难度越大,移植的成功率也越低。

三、胚胎干细胞(简称ES或EK细胞)

1.来源:由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。

2.特点:

(1)形态:体积小、细胞核大、核仁明显。

(2)功能:具有发育的全能性。

(3)体外培养条件下,可以增殖而不发生分化。

3.培养过程:

4.主要用途:

(1)治疗人类的某些顽症。

(2)培育出人造组织器官,用于器官移植。

(3)揭示细胞分化和细胞凋亡的机理。

【易错辨析】

1.在胚胎移植中,对供体母畜要进行超数排卵处理,对供、受体要进行同期发情处理。 (√)

2.转基因动物的培育不需要通过胚胎移植技术。 (×)

【分析】转基因动物的培育需要通过受精卵经早期胚胎培养、胚胎移植得到。

3.胚胎移植是胚胎工程中最后一道程序,移植的胚胎一般在原肠胚之前,也可直接移植受精卵。              (×)

【分析】胚胎移植是胚胎工程中最后一道程序,移植的胚胎必须在原肠胚之前,不能直接移植受精卵。

4.胚胎移植两次检查的目的:一是对收集胚胎的质量检查;二是移植后对受体母牛是否妊娠的检查。              (√)

5.胚胎的产生过程一般是有性生殖,但胚胎分割是无性生殖。 (√)

6.对于同一种生物来说,四分胚胎比二分胚胎成活率高。 (×)

【分析】胚胎分割的份数越多,操作的难度会越大,移植的成功率也越低,因此对于同一种生物来说,二分胚胎比四分胚胎成活率高。

7.试管动物的性别和性状由父本、母本决定,而克隆动物的性别和性状与核供体相同。 (√)

8.诱导胚胎干细胞分化成器官的培养基中需要加入饲养层细胞。  (×)

【分析】胚胎干细胞在饲养层细胞上能够维持不分化的状态,所以在诱导胚胎干细胞分化成器官的培养基中,不能加入饲养层细胞。

9.小鼠胚胎干细胞可来自对囊胚内细胞团的分离培养。 (√)

10.胚胎干细胞在体外培养条件下具有增殖而不发生分化的特点。 (√)

一、胚胎移植

1.胚胎移植的过程示意图:

(1)对供体牛要进行超数排卵处理;对供、受体牛要进行同期发情处理。

(2)排卵是指卵子从卵泡中排出,冲卵是指把供体母牛子宫内的早期胚胎冲洗出来。

(3)动物的早期胚胎一般发育到桑椹胚或囊胚阶段才能进行移植。

(4)若要获得多个遗传物质完全相同的新个体,可对检查合格的胚胎用胚胎分割技术处理,该过程属于无性繁殖或克隆。

2.移植胚胎的来源及生殖方式:

(1)核移植无性生殖

(2)体外受精有性生殖

(3)体内受精→冲卵→移植→有性生殖

(4)基因工程→转入目的基因的受精卵胚胎移植→转基因动物→有性生殖

3.胚胎移植成功与否的两个条件:

(1)同种动物之间进行胚胎移植易于成功。这里的“同种”是指“同物种”。

(2)供、受体生理状态要相同。

①应对供体和受体母畜进行同期发情处理,使供体的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件。这是胚胎移植成功与否的关键。

②移入受体子宫内的胚胎的位置应该与其在供体内的位置相同或相似。

4.胚胎移植的意义:

(1)可充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。

(2)大大缩短了供体本身的繁殖周期。

(3)加速育种工作和品种改良。

(4)保存优良品种资源和濒危物种。

(5)节省大量购买种畜的费用。

【易错提醒】

两次“冲卵”的含义不同

(1)超数排卵时的“冲卵”指从输卵管中冲出卵子。

(2)在胚胎移植时,收集胚胎也叫“冲卵”,是从子宫中冲出胚胎,而不是冲出卵子。

　【选修对接必修】　对接必修3:胚胎移植与免疫排斥

一般情况下,在同一物种内,受体母畜的生殖道(如子宫和输卵管)对于具有外来抗原物质的胚胎和胎膜组织没有排斥作用(或排斥作用很弱),受体对外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应,为胚胎的存活提供了可能。

【素养案例】

　为了加快优良种牛的繁殖速度,科学家采用了以下两种方法,请根据图示信息回答下列问题:

(1)试管牛的培育属于__________(“有性生殖”或“无性生殖”);试管牛和克隆牛的培育过程中均用到的工程技术有早期胚胎培养、__________等;克隆牛的培育依据的原理是__________。 

(2)促使B牛多排卵的激素一般是__________。 

(3)在受精的过程中,卵子受精的标志是__________。 

(4)可以通过胚胎分割技术加速繁育速度,进行胚胎分割时,应选择发育到__________时期的胚胎进行操作。通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有相同遗传性状的根本原因是__________。 

　【解题关键】方法Ⅰ是通过采集卵母细胞和精子,进行体外受精和早期胚胎培养,获得早期胚胎后经过胚胎移植获得试管牛的过程。方法Ⅱ是通过核移植技术构建重构卵,经过诱导刺激使其分裂分化形成早期胚胎,然后经过胚胎移植获得克隆动物的过程。

【解析】(1)试管牛的培育经过了受精过程,因此属于有性生殖,试管牛和克隆牛的培育过程中均用到了动物细胞培养(早期胚胎培养)、胚胎移植技术。克隆牛的培育利用了核移植技术,依据的原理是动物细胞核具有全能性。

(2)一般用促性腺激素处理供体母牛,促进其超数排卵。

(3)受精的标志是在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。

(4)可以通过胚胎分割技术加速繁育速度,进行胚胎分割时,应选择发育到桑椹胚或囊胚时期的胚胎进行操作。胚胎分割技术属于无性生殖,通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有相同的遗传性状,因为胚胎分割产生的个体来自同一个受精卵,具有相同的遗传物质。

答案:(1)有性生殖　胚胎移植　动物细胞核具有全能性

(2)促性腺激素

(3)在透明带和卵细胞膜间有两个极体

(4)桑椹胚或囊胚　具有相同的遗传物质

　【误区警示】本题考查了试管动物和克隆动物的知识点,要求学生掌握试管动物产生的过程以及用到的生物技术,理解克隆动物产生的过程和原理,即理解核移植的原理和操作过程。

(1)胚胎移植是胚胎工程中的最后一道“工序”,移植的胚胎必须在桑椹胚或囊胚时期,但不能直接移植受精卵。

(2)两次处理:①用激素对供体(雌性个体)和受体进行同期发情处理;②用促性腺激素对供体(雌性个体)进行超数排卵处理。

(3)胚胎分割时要将内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。

(4)胚胎分割应选取桑椹胚或囊胚时期的胚胎,属于无性生殖(克隆)。

【跟踪小练】

1.牛胚胎移植实验的主要流程如下,下列相关叙述正确的是 (　　)

①供体超数排卵→②配种→③胚胎收集→④______→⑤胚胎移植→子代小牛 

A.①过程需要注射有关激素,目的是获得更多的卵原细胞并完成减数分裂

B.③过程以哺乳动物早期胚胎与子宫建立的组织上的联系为前提

C.④过程是“对胚胎进行质量检查”,可移植的胚胎应发育到囊胚或原肠胚阶段

D.⑤过程成功率的高低主要取决于供、受体生理状况的一致性

【解析】选D。胚胎能否移植成功,与供体和受体的生理状况有关,供、受体生理状况一致时,生殖器官的生理变化是相同的,胚胎移植的成功率更高,故D项正确。①过程注射促性腺激素,使其排出更多的卵子,故A项错误。B项,哺乳动物的早期胚胎形成后,在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系,而是处于游离状态,这就为胚胎的收集提供了可能,故B项错误。C项,冲卵后,对胚胎进行质量检查,这时的胚胎应发育到桑椹胚或囊胚阶段,故C项错误。

2.(2020·全国Ⅲ卷)W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某研究小组拟仿照制备乳腺生物反应器的研究思路,制备一种膀胱生物反应器来获得W,基本过程如图所示。

回答下列问题:

(1)步骤①中需要使用的工具酶有__________________ 。步骤②和③所代表的操作分别是________ 和__________ 。步骤④称为______________ 。 

(2)与乳腺生物反应器相比,用膀胱生物反应器生产W的优势在于不受转基因动物的__________________________________(答出2点即可)的限制。 

(3)一般来说,在同一动物个体中,乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞的细胞核中染色体DNA所含的遗传信息______ (填“相同”或“不同”),原因是__。 

(4)从上述流程可知,制备生物反应器涉及胚胎工程,胚胎工程中所用到的主要技术有______________________________ (答出2点即可)。 

【解析】本题考查了基因工程、细胞工程和胚胎工程的相关内容。(1)基因工程用的工具酶有限制酶和DNA连接酶。通过图示可知,步骤②和③所代表的操作分别是显微注射、早期胚胎培养,步骤④称为胚胎移植。(2)膀胱生物反应器既不受动物性别的限制,也不受是否处于生殖期的限制。(3)同一个体的不同细胞的细胞核中,遗传物质是相同的,因为这两种上皮细胞都是受精卵经过有丝分裂形成的,遗传物质不发生改变。

(4)通过图示可知,此流程主要涉及的技术有转基因技术、体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植。

答案:(1)限制酶、DNA连接酶　显微注射　早期胚胎培养　胚胎移植　(2)性别、生殖期(合理即可)

(3)相同　这两种上皮细胞都是由受精卵经过有丝分裂形成的,遗传物质不发生改变

(4)早期胚胎培养、胚胎移植(或体外受精)

二、胚胎分割

1.材料:发育良好,形态正常的桑椹胚或囊胚。

2.胚胎分割的基础:

3.胚胎均分数目:

用分割针或分割刀片将胚胎切成2、4、8等份数,而不是2、3、4、5、6等份数,这与细胞有丝分裂产生的子细胞数目,以及操作难易程度有关。

4.胚胎的选择:发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。

5.胚胎分割的过程:

6.胚胎分割的意义:加快繁殖速度,提高了胚胎的利用率。

【易错提醒】

胚胎分割的注意事项及繁殖方式

(1)两个注意:

①分割要均等。分割囊胚的内细胞团时,一定要均等,若分割不均,会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强,少的部分发育受阻或发育不良,甚至不能发育。

②分割份数不能过多。分割的份数越多,技术难度会越大,移植后的恢复和发育的难度越大,移植成功率降低。

(2)繁殖方式:同一胚胎经分割移植形成的后代具有相同的遗传物质,该过程中没有减数分裂、有性生殖细胞的形成、有性生殖细胞的结合,属于无性繁殖或克隆。

【素养案例】

　如图是转基因猕猴培育过程示意图,请据图回答:

(1)过程①用到的工具酶中能识别特定核苷酸序列的是__________。过程②中常用__________法将目的基因导入受精卵。 

(2)在体外培养受精卵时,除了给予一定量的O2以维持细胞呼吸外,还需要提供CO2气体以维持______________________。 

(3)图中过程⑦称为__________________,受体对移入子宫的外来胚胎不会发生______________,这为胚胎在受体内的存活提供了可能。 

(4)若要同时获得多只与此转基因猕猴相同的小猴,可对早期胚胎进行__________,操作时选择发育到桑椹胚或囊胚期的胚胎。若选用囊胚期的胚胎,操作过程需要特别注意的问题是____________________________。 

　　　　　　【解题关键】据图分析,①表示基因表达载体的构建,②表示将目的基因导入受精卵,③表示卵母细胞的采集,④表示精子的采集和获能,⑤表示体外受精,⑥表示早期胚胎培养,⑦表示胚胎移植。

【解析】(1)过程①用到的工具酶有限制性核酸内切酶与DNA连接酶,其中限制性核酸内切酶能识别特定核苷酸序列。过程②是将构建的基因表达载体导入受精卵中,常用显微注射法。(2)在动物细胞培养时,提供CO2气体的目的是维持培养液的pH。(3)过程⑦为胚胎移植。受体对移入子宫的外来胚胎不会发生免疫排斥反应,这为胚胎在受体内的存活提供了可能。(4)对早期胚胎进行胚胎分割,可同时获得多只与此转基因猕猴相同的小猴。若选用囊胚期的胚胎进行胚胎分割,操作过程需要特别注意将内细胞团进行均等分割。

答案:(1)限制性核酸内切酶　显微注射　(2)培养液的pH　(3)胚胎移植 　免疫排斥反应　(4)胚胎分割　将内细胞团均等分割

　【误区警示】(1)胚胎移植的实质是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移,移植后的胚胎能在受体子宫中存活的生理基础是受体子宫对外来胚胎不发生免疫排斥反应。

(2)胚胎移植成功的条件:同种动物之间供、受体生理状态要相同,实验中受体和供体同时注射促性腺激素进行同期发情处理。

(3)胚胎分割时要将内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。内细胞团一般到囊胚阶段才出现,它是发育为胚胎本身的基础细胞,其他细胞为滋养层细胞,只为胚胎和胎儿发育提供营养。若分割时不能将内细胞团均等分割,会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强,少的部分发育受阻或发育不良,甚至不能发育等问题。

【跟踪小练】

1.动物细胞培养是动物细胞工程的基础,如图所示,a、b、c表示现代生物工程技术,①②③表示其结果。下列说法正确的是              (　　)

A.若a是核移植技术,①反映了动物细胞也具有全能性

B.若c是胚胎分割技术,③中个体的基因型和表现型一定相同

C.①②③中作为受体的动物品种是珍稀的或存量少的雌性动物

D.若b是体外受精技术,则②为良种家畜快速大量繁殖提供了可能

【解析】选D。若a是体细胞核移植技术,则①反映了动物体细胞的细胞核具有全能性,A错误;胚胎分割技术所得个体的基因型完全相同,但表现型不一定相同,因为表现型还受环境的影响,B错误;①②③中作为供体的动物品种是珍稀的或存量少的雌性动物,而受体只要健康和具有良好的繁殖能力即可,不需要是珍稀或存量少的雌性动物,C错误;若b是体外受精技术,则②为试管动物,这为良种家畜快速大量繁殖提供了可能,D正确。

2.器官移植中供体器官的严重缺乏一直是困扰需要器官移植患者的问题。中山大学眼科中心主任葛坚领导的研究小组培育出了猴鼠嵌合体——“猴鼠”,期待成果可用于人体角膜等器官的移植。根据科研过程示意图回答有关问题:

(1)图中①培养过程中为了防止杂菌污染要加入一定量的__________;而由于人们对细胞所需的营养物质还没有完全弄清楚,所以还要加入________________。 

(2)囊胚已出现细胞分化,应将猴子的皮肤干细胞注射到小鼠囊胚的______________部位,才能伴随其发育成某种组织。 

(3)实验中③和④要同时注射激素,在操作上称为__________。而将囊胚移入代孕母鼠体内属于__________技术,此技术对代孕受体的要求是____________________。 

(4)在畜牧生产中采用这种技术的优势主要是____________________,若想进一步提高胚胎的利用率,可采用__________技术。 

【解析】(1)图中①为动物细胞培养过程,在该过程中,为了防止杂菌污染要加入一定量的抗生素;而由于人们对细胞所需的营养物质还没有完全弄清楚,所以还要加入血清(或血浆)。(2)内细胞团将来发育成各种组织、器官。(3)实验中③和④要同时注射激素,在操作上称为同期发情处理。(4)在畜牧生产中采用这种技术的优势主要是充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力,若想进一步提高胚胎的利用率,可采用胚胎分割技术。

答案:(1)抗生素　血清(或血浆)　(2)内细胞团

(3)同期发情处理　胚胎移植　同种、健康的生理状态相同的其他雌性动物

(4)充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力　胚胎分割

 三、胚胎干细胞(简称ES或EK细胞)

1.胚胎干细胞是由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。

4.干细胞的种类:

5.胚胎发育过程中不同干细胞发育分化过程:受精卵→全能干细胞→多能干细胞→专能干细胞。

【易错提醒】

辨别滋养层细胞与饲养层细胞

(1)滋养层细胞:囊胚时期沿透明带内壁扩展和排列的、个体较小的细胞,滋养层细胞最终发育成胎膜和胎盘。

(2)饲养层细胞:一般为输卵管上皮细胞,在干细胞培养时,可作为提供干细胞分裂、增殖的营养细胞。

　【选修对接必修】　对接必修1:胚胎干细胞的来源与特点

(1)来源:由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞,简称ES或EK细胞。

(2)特点:①核仁明显,有利于核糖体的形成,有利于ES细胞的快速增殖。

②细胞分化程度低,细胞全能性大。

【素养案例】

　2019年8月,中国科学家在国际权威学术期刊在线发表了最新研究成果,该研究首次构建了小鼠早期胚胎着床后发育时期高分辨率时空转录组图谱。这项工作将极大推动早期胚胎发育和干细胞再生医学相关领域的发展。请分析回答下列问题:

(1)小鼠早期胚胎发育过程中,卵裂期是在____________内进行的。桑椹胚前每个细胞都具有____________的潜能,属于全能细胞。 

(2)再生医学中的干细胞是动物和人体内仍保留着__________能力的细胞。胚胎干细胞是从__________中分离出来的,在形态上的特点是____________(请答出三点)。 

(3)利用人类患者的体细胞进行核移植,然后诱导得到胚胎干细胞,再定向培育出组织器官,用于器官移植,可解决__________(请答出两点)问题。 

　　　　　　【解题关键】掌握早期胚胎发育的过程,理解干细胞的来源和特点。

【解析】(1)小鼠早期胚胎发育过程中,卵裂期是在透明带内进行的。桑椹胚前每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能,属于全能细胞。

(2)干细胞再生体现了干细胞具有分裂和分化能力。胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的,在形态上的特点是体积小、细胞核大、核仁明显。

(3)利用人类患者的体细胞进行核移植,然后诱导得到胚胎干细胞,再定向培育出组织器官,用于器官移植,可解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题。

答案:(1)透明带　发育成完整胚胎　(2)分裂和分化　早期胚胎或原始性腺 　体积小、细胞核大、核仁明显 　(3)供体器官不足和器官移植后免疫排斥

　【误区警示】(1)早期胚胎发育过程中,从受精卵到原肠胚依次经历了卵裂期、桑椹胚期、囊胚期,囊胚期透明带破裂,胚胎从中伸展出来,称为孵化。

(2)胚胎干细胞来源于内细胞团。胚胎干细胞在饲养层细胞上,或在添加抑制因子的培养液中,能够维持(只增殖)不分化的状态。

【跟踪小练】

1.下列关于ES细胞的叙述,不正确的是 (　　)

A.ES细胞在形态上,表现为体积小,细胞核大,核仁明显

B.ES细胞在体外培养的条件下,可以增殖而不发生分化

C.ES细胞在功能上,具有发育的全能性

D.ES细胞是由原肠胚或原始性腺中分离出来的一类细胞

【解析】选D。ES细胞即胚胎干细胞,在形态上表现为体积小,细胞核大,核仁明显,A正确;胚胎干细胞在体外培养的条件下,可以增殖而不发生分化,B正确;ES细胞在功能上,具有发育的全能性,C正确;ES细胞是由早期胚胎(原肠胚之前)或原始性腺中分离出来的一类细胞,D错误。

2.(2021·重庆高二检测)科研人员利用胚胎干细胞(ES细胞)对干扰素基因缺失小鼠进行基因治疗。其主要技术流程如图,请回答下列问题:

(1)图中卵母细胞应在体外培养到______________________期,步骤①应先对卵母细胞进行________处理。 

(2)由图可知,步骤②要分离出ES细胞,需将重组胚胎培养到________期。 

(3)步骤③选择ES细胞作为受体细胞而不是上皮细胞,是因为ES细胞__________,该过程需要先利用________技术扩增干扰素基因,其前提是要有一段已知干扰素基因的核苷酸序列以便合成________。 

(4)步骤④应在培养液中加入________________。为检测干扰素基因是否在小鼠体内成功表达,可以采用________技术。 

【解析】(1)过程①获得重组胚胎之前需要通过核移植技术获得重组细胞,接受细胞核的去核卵母细胞应该处于MⅡ中期。

(2)ES细胞可以从囊胚的内细胞团中分离出来。

(3)步骤③选择ES细胞作为受体细胞,是因为ES细胞在功能上具有发育的全能性;将目的基因导入受体细胞前,需要构建含有目的基因(干扰素基因)的表达载体。PCR技术可在体外大量扩增目的基因。其前提是要有一段已知干扰素基因的核苷酸序列以便合成引物。

(4)步骤④应在培养液中加入分化诱导因子。为检测目的基因的表达情况,可采用抗原—抗体杂交技术,若有杂交带出现,表明目的基因已成功表达。

答案:(1)MⅡ中(减数第二次分裂中)　去核

(2)囊胚

(3)在功能上具有发育的全能性　PCR　引物

(4)分化诱导因子　抗原—抗体杂交