高中生物人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》2.2.1 动物细胞培养和核移植技术学案

这是一份高中生物人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》2.2.1 动物细胞培养和核移植技术学案，共12页。


1．简述动物的细胞培养及条件。(重点)
2．举例论证动物细胞培养技术的应用及意义。
3．简述动物核移植的过程及意义。(重、难点)
(一)动物细胞工程
1．常用的技术手段：动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等。
2．基础：动物细胞培养技术。
(二)动物细胞培养
1．概念：从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。
2．过程
取动物组织块

分散组织细胞：剪碎，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理一
段时间

制成细胞悬液

原代培养：具有贴壁生长和接触抑制的特点

传代培养eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\a\vs4\al(①先用胰蛋白酶等处理贴满瓶壁的细胞，,再分瓶继续培养,②10～50代左右时，细胞增殖缓慢，甚至停止,③部分细胞核型发生变化，少部分细胞获,得不死性，能无限增殖)))
3．相关概念
(1)细胞贴壁：细胞悬液中分散的细胞贴附在瓶壁上。
(2)细胞的接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞停止分裂增殖的现象。
(3)原代培养：指动物组织消化后的初次培养。
(4)传代培养：贴满瓶壁的细胞，出现接触抑制后，需要重新用胰蛋白酶等处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖的培养过程。
4．培养条件
eq \a\vs4\al(1无菌、无,毒的环境)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(对培养液和所有培养用具进行无菌处理,在细胞培养液中添加一定量的抗生素,定期更换培养液，以便清除代谢产物))
(2)营养eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(无机物：无机盐、微量元素等,有机物：糖、氨基酸、促生长因子、血清、血浆等))
(3)温度和pHeq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(温度：36.5±0.5 ℃,pH：7.2～7.4))
(4)气体环境eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(O2：维持细胞代谢,CO2：维持培养液的pH))
5．应用
连线表示动物细胞培养的应用及实例
①生产生物制品 a．筛选抗癌药物
②用于基因工程b．干扰素、单克隆抗体
③检测有毒物质 c．培养受体细胞
eq \a\vs4\al(④用于生理、病理、,药理等研究)d．判断物质毒性
提示：①—b ②—c ③—d ④—a
eq \a\vs4\al([合作探讨])
探讨eq \a\vs4\al(1)：为什么切取动物组织块进行细胞培养时，常选择胚胎或幼龄动物的器官或组织？
提示：因为这些细胞增殖能力强，分化程度低，更容易培养。
探讨eq \a\vs4\al(2)：在进行动物细胞培养过程中，为什么需用胰蛋白酶处理动物组织？
提示：因组织中细胞间基质成分为蛋白质，利用胰蛋白酶可以分解细胞间的蛋白质。
探讨eq \a\vs4\al(3)：探究动物细胞培养时，为什么要在培养基中加入血清、血浆等天然成分？
提示：因血清和血浆中含有多种维持细胞正常代谢和生长的物质，如蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等。因此细胞培养时，为保证细胞能顺利生长和繁殖，一般需添加血清、血浆等天然成分。
探讨eq \a\vs4\al(4)：动物细胞培养需要控制的气体环境是怎么样的？各自起什么作用？
提示：95%的空气和5%的CO2混合气体；O2维持细胞代谢，CO2维持培养液的pH。
eq \a\vs4\al([思维升华])
1．动物细胞培养的操作流程
2．过程解读
(1)动物细胞培养需要满足的条件
①充足的营养供给——微量元素、无机盐、糖类、氨基酸、促生长因子、血清等。
②适宜的温度：哺乳动物多以36.5±0.5 ℃为宜。
③适宜的pH：多数细胞生存的适宜pH为7.2～7.4。
④气体环境eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(O2：有氧呼吸、细胞代谢,CO2：维持培养液的pH))
eq \a\vs4\al(⑤无菌、无,毒的环境)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(培养液和培养用具杀菌消毒,培养过程加抗生素杀菌,定期更换培养液，以便清除代谢产物))
(2)原理：细胞增殖。
(3)要把动物细胞分散成单个细胞培养的原因
分散成单个细胞后容易培养，细胞所需的营养容易供应，其代谢废物容易排出。而用大块组织培养时，内部细胞的营养供应和代谢废物的排出都较困难，因此，这些细胞在体外长时间的生存和生长就较困难。同时，分散成单个细胞培养，可使得在细胞水平操作的其他技术得以实现。
(4)选取幼龄动物的组织、器官作为材料的原因
动物细胞培养时，一般选取幼龄动物的组织、器官，其细胞的分化程度较低，增殖能力强，有丝分裂旺盛，容易培养。
(5)原代培养和传代培养的辨析
(6)细胞贴壁(贴壁生长)和接触抑制
①细胞贴壁：培养液中分散的动物细胞，置于适宜的条件下，能够分裂，这些细胞贴附在培养瓶壁上，称为细胞贴壁，或贴壁生长。
②接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖的现象。
(7)胰蛋白酶在培养过程中的作用及与原代培养和传代培养的联系
原代培养和传代培养一般均需对细胞进行胰蛋白酶细胞分散处理，区分两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象。
①第一次：用胰蛋白酶对剪碎的动物组织进行处理，使其分散成单个细胞后进行培养，即为原代培养。
②第二次：细胞培养过程中出现接触抑制，用胰蛋白酶使其从瓶壁上脱离下来，然后，将其分散到多个培养瓶中继续培养，即为传代培养。
1．一般来说，动物细胞体外培养需要满足以下条件( )
【导学号：72240023】
①无毒的环境 ②无菌的环境 ③合成培养基需加血浆 ④温度与动物体温相近 ⑤需要O2，不需要CO2
⑥CO2调节培养液pH
A．①②③④⑤⑥ B．①②③④
C．①③④⑤⑥D．①②③④⑥
【解析】 动物细胞体外培养要求环境无菌、无毒，培养液中添加一定量的抗生素，合成培养基中需加血清、血浆等一些天然成分，适宜的温度、pH分别为36.5±0.5 ℃、7.2～7.4。O2是细胞代谢所必需的，CO2可维持培养液的pH。
【答案】 D
2．某研究小组进行药物试验时，以动物肝细胞为材料，测定药物对体外培养细胞的毒性。供培养的细胞有甲、乙两种，甲细胞为肝肿瘤细胞，乙细胞为正常肝细胞。请回答下列有关动物细胞培养的问题。
(1)将数量相等的甲细胞和乙细胞分别置于培养瓶中培养，培养液及其他培养条件均相同。一段时间后，观察到甲细胞数量比乙细胞数量________。
(2)在动物细胞培养时，通常在合成培养基中加入适量血清，其原因是____________________________________________________________________
________。细胞培养应在含5%CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是__________________________________________________________________。
(3)在两种细胞生长过程中，当乙细胞铺满瓶壁时，其生长________。药物试验需要大量细胞，两种细胞频繁传代，甲细胞比乙细胞可以传代的次数更________。若用动物的肝脏组织块制备肝细胞悬液，需要_______________处理。
(4)为了防止细胞培养过程中细菌的污染，可向培养液中加入适量的______。
【解析】 癌细胞具有无限增殖的特点，故相同培养条件下，肝肿瘤细胞数量多于正常肝细胞数量。动物细胞培养需提供无菌环境，如向培养液中加入适量的抗生素可防止细菌的污染；需提供一定的营养，如向培养基中加入适量血清，以便补充合成培养基中缺乏的物质；需提供一定的气体环境，如向恒温培养箱中加入5%的CO2，目的是维持培养液的pH。
【答案】 (1)多 (2)血清可以补充合成培养基中缺乏的物质 维持培养液的pH (3)停止 多 胰蛋白酶
(4)抗生素
1．概念
(1)供体：动物的一个细胞的细胞核。
(2)受体：去掉细胞核的卵母细胞。
(3)结果：形成重组胚胎，最终发育成动物个体。
2．种类：胚胎细胞核移植和体细胞核移植。
3．体细胞核移植的过程
4．体细胞核移植技术的应用前景
(1)畜牧生产中：加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。
(2)保护濒危物种方面：增加动物的存活数量。
(3)医药卫生领域：转基因克隆动物作为生物反应器，生产医用蛋白。
(4)治疗人类疾病：转基因克隆动物细胞、组织和器官作为异种移植的供体等。
5．存在问题
(1)体细胞核移植技术的成功率非常低。
(2)克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷等。
(3)克隆动物食品的安全性问题存在争议。
eq \a\vs4\al([合作探讨])
探讨eq \a\vs4\al(1)：为什么核移植技术获得的动物与供核动物性状不完全相同？
提示：(1)克隆动物绝大部分DNA来自于供体细胞核，但其核外线粒体中的DNA是来自于受体卵母细胞。
(2)性状是基因与环境共同作用的结果。供核动物生活的环境与克隆动物所生活的环境不会完全相同，其性状也不可能和供核动物完全相同。
(3)在个体发育过程中有可能发生基因突变，产生供核动物没有的性状。
探讨eq \a\vs4\al(2)：结合动物细胞核移植的过程，分析为什么体细胞核移植较胚胎细胞核移植更困难。
提示：由于动物胚胎细胞分化程度低，恢复其全能性相对容易；而动物体细胞分化程度高，恢复其全能性十分困难。因此动物体细胞核移植的难度就明显高于胚胎细胞核移植。
eq \a\vs4\al([思维升华])
1．动物体细胞核移植技术的原理：动物细胞核的全能性。
2．动物体细胞核移植技术的过程
3．体细胞核移植技术的条件及原因
(1)卵母细胞的选择时期及原因
选择处于减数第二次分裂中期的次级卵母细胞作为受体细胞，其原因是：
①卵母细胞细胞质内存在激发细胞核全能性表达的物质；
②卵母细胞体积大，便于操作；
③卵母细胞内卵黄多，营养物质丰富。
(2)供体细胞：取供体动物的体细胞培养，一般选用传代10代以内的细胞，因为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。
(3)动物体细胞不能经培养直接发育成完整个体的原因是动物体细胞的全能性受到限制。用体细胞核移植技术能够得到克隆动物，说明动物体细胞的细胞核具有全能性。
(4)该过程用到的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、早期胚胎培养和胚胎移植。
4．核移植产生的克隆动物与提供细胞核的亲本不同的原因
(1)克隆动物细胞质基因来源于另一个亲本。所以与植物组织培养不同(只来自于一个亲本)，克隆动物的遗传物质来自2个亲本。
(2)在发育过程中可能发生基因突变、染色体变异导致性状改变。
(3)外界环境条件的影响引起不可遗传的变异。
1．下列对哺乳动物体细胞核移植技术的描述不正确的是( )
A．该技术的难度明显高于胚胎细胞核移植
B．通常采用减数第二次分裂期卵母细胞作为受体细胞
C．可通过显微操作法除去卵母细胞核
D．克隆动物是对提供体细胞核的动物进行了完全复制
【解析】 克隆动物的性状与核供体生物的性状基本相同，但不是完全相同。
【答案】 D
2．“治疗性克隆”是将人胚胎干细胞(简称ES细胞)造福人类的一种非常重要的途径。应用人胚胎干细胞进行
“治疗性克隆”研究的技术途径包括以下几个步骤：首先取病人的体细胞核，移植到去核的成熟受体卵母细胞中；在早期胚胎形成后，从中分离获得ES细胞；对ES细胞进行基因修饰和定向分化研究，将定向分化后的细胞移植给病人。进行核移植的目的并不是用于克隆人，而是希望通过对ES细胞进行分离培养、定向分化等处理后，进一步获得再造的人体组织或器官。请根据材料回答下列问题。
(1)人类“治疗性克隆”属于动物细胞工程的________________技术。
(2)科学家为何要将患者的体细胞核植入去核的卵母细胞中，而不直接用体细胞进行细胞培养？__________________________________________________
_______________________________________________________________。
(3)相同的胚胎干细胞，“克隆”的结果各种各样，如有的是胰岛细胞，有的是血细胞，有的是心肌细胞，究其本质原因是基因____________的结果。
(4)克隆的器官在给自身移植方面的主要优点是______________________。
【解析】 (1)依据“治疗性克隆”的步骤分析，可知此技术属于动物细胞工程的细胞核移植技术。
(2)动物体细胞全能性随着分化程度的提高而受到限制，而卵母细胞的细胞质中含有促使其全能性表达的物质。
(3)“治疗性克隆”可利用基因选择性表达这一特点分化出各种组织或器官。
(4)自身移植的最大优点是没有免疫排斥反应。
【答案】 (1)动物细胞核移植
(2)体细胞核在体细胞中不能表达全能性，而卵母细胞的细胞质可以为其提供表达全能性的环境
(3)选择性表达
(4)没有免疫排斥反应
1．下列关于动物细胞培养的叙述，不正确的是( )
A．传代培养时需要用胰蛋白酶处理贴壁生长的细胞
B．细胞的癌变发生于原代培养向传代培养的过渡过程中
C．癌细胞在培养瓶中不会出现接触抑制现象
D．动物细胞培养一般需要使用CO2培养箱
【解析】 由原代培养换瓶进行传代培养时，需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理贴壁生长的细胞，A项正确；细胞的癌变一般发生于50代后的细胞培养过程中，B项错误；癌细胞膜上糖蛋白减少，细胞黏着性降低，失去了接触抑制，容易分散和转移，C项正确；动物细胞培养的场所是CO2培养箱，培养箱内含有95%的空气和5%的CO2的混合气体，为动物细胞提供适宜的气体环境，D项正确。
【答案】 B
2．关于动物细胞培养和植物组织培养的叙述，正确的是( )
A．动物细胞培养和植物组织培养所用培养基成分不同，但能源物质相同，都是葡萄糖
B．植物组织培养无需添加抗生素，动物细胞培养过程中必须添加抗生素
C．通过烟草叶片离体培养能产生新个体，可获得单倍体烟草植株
D．动物细胞培养可用于检测有毒物质，茎尖培养可获得植物脱毒苗
【解析】 动物细胞培养和植物组织培养的培养基中的能源物质不同，前者是葡萄糖，后者是蔗糖，A项错误；两种培养方式都需要无菌条件，培养基中都需要加入抗生素防止微生物生长，B项错误；烟草的叶片细胞是体细胞而非生殖细胞，经离体组织培养得到的不会是单倍体植株，C项错误；动物细胞培养技术的应用之一是用于检测有毒物质以判断某种物质的毒性，新生的茎尖细胞极少受到病毒感染，经组织培养可以得到脱毒苗，D项正确。
【答案】 D
3．从母羊甲的体细胞中取出细胞核，移植入母羊乙的去核卵母细胞中，融合后的细胞经卵裂形成早期胚胎，再植入另一只母羊丙的子宫内，下列有关说法正确的是( )
A．生出小羊的性状与甲羊完全相同
B．一般来说生出小羊的核基因型与甲羊完全相同
C．生出小羊的遗传物质由甲、乙双亲共同决定，所以该过程为有性生殖
D．生出小羊的性状由甲、乙、丙3个亲本的基因型与环境共同决定
【解析】 核移植获得克隆动物的生殖方式是无性生殖，遗传物质中甲羊的和乙羊的都有，因此认为生出的小羊性状完全同甲羊是不正确的，应是主要性状与甲羊相同，核基因型一般与甲羊完全相同，因此B项正确。
【答案】 B
4．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殖速度，可以对此转基因奶牛进行克隆(如下图所示)。
(1)在进行细胞培养之前，要对取自转基因奶牛的组织进行分离，形成单个细胞，这一过程中需要利用________酶处理，不能用纤维素酶与果胶酶的原因是________________。
(2)转基因奶牛的克隆成功，说明动物细胞的________具有全能性。
(3)将进行细胞培养的供体细胞核注入去核的卵母细胞中，去掉卵母细胞核的目的是____________________________________________________________
_______________________________________________________________。
(4)重组细胞在培养液中培养成的重组胚胎移入受体母牛体内会生出与供体奶牛遗传性状相同的犊牛，但也有可能出现性状上的某些差异，原因可能是____
_______________________________________________________________。
(5)体细胞核移植技术得到的克隆牛从生殖方式上看属于________(填“有性生殖”或“无性生殖”)。
【解析】 (1)对动物组织进行分离，用胰蛋白酶处理，才能形成单个细胞。因为酶具有专一性，所以不能用纤维素酶和果胶酶将动物细胞分散开。
(2)克隆动物的成功证明了动物细胞的细胞核具有全能性。
(3)去掉卵母细胞核后，重组细胞的遗传物质主要来自供体细胞核，其性状主要由供体细胞核决定。
(4)重组细胞发育而来的犊牛与供体奶牛不完全相同，因为重组细胞的遗传物质主要来自供体细胞核，少量来自卵母细胞的细胞质，性状还受环境的影响。
(5)体细胞核移植没有经过两性生殖细胞的结合，所以从生殖方式上看属于无性生殖。
【答案】 (1)胰蛋白 酶具有专一性
(2)细胞核
(3)使犊牛的性状主要由供体细胞核决定
(4)①生物的性状受细胞核和细胞质共同控制；②生物的性状还受环境因素的影响
(5)无性生殖
课堂小结：
动 物 细 胞 培 养
原代培养
传代培养
可有两种表述：a.细胞悬液第一次在瓶中培养，没有分瓶培养之前的细胞培养；b.第1代细胞的培养与传10代以内的细胞培养统称为原代培养。两种表述没有本质区别。
同样有两种表述：a.细胞悬液培养一段时间后，分瓶再进行的细胞培养；b.传10代以后的细胞培养，统称为传代培养。
动 物 体 细 胞 核 移 植 技 术 和 克 隆 动 物
网络构建
核心回扣
1.动物细胞工程的常用技术有动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等，其中动物细胞培养是基础。
2．原代培养和传代培养均需用胰蛋白酶对细胞进行分散处理。
3．动物细胞要分散成单个细胞培养，培养液中通常要添加血清。
4．动物体细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植，因为动物体细胞分化程度高，恢复其全能性十分困难。
5．动物细胞培养中的两个显著特点是贴壁生长、接触抑制。