选修三同步导学221 动物细胞培养和核移植技术理解+掌握+应用.docx
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选修三同步导学221动物细胞培养和核移植技术理解+掌握+应用
2.2
动物细胞工程
2．2.1 动物细胞培养和核移植技术
1．动物细胞培养的原理是细胞增殖。
2．细胞在培养过程中会出现细胞贴壁（生长）和细胞接触抑制现象。
3．动物细胞的培养分为原代培养和传代培养。
4．动物细胞培养的条件包括：
无菌、无毒的环境，适宜的营养、温度和pH及气体环境。
5．动物细胞核移植的原理是动物细胞核的全能性。
6．哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植。
7．在动物细胞培养中CO2的作用是维持培养液的pH。
动物细胞培养
[自读教材·夯基础]
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
配制细胞悬液
原代培养：
具有贴壁生长和接触抑制的特点
传代培养
3．条件
（1）
（2）营养
（3）
（4）
4．应用
（1）生产生物制品：
如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。
（2）应用于基因工程：
动物细胞是基因工程技术中常用的受体细胞，离不开动物细胞培养。
（3）检测有毒物质，判断某种物质的毒性。
（4）用于生理、病理、药理等方面的研究，如筛选抗癌药物等。
1．根据动物细胞培养的过程，思考下列问题：
（1）为什么幼龄动物组织比老龄动物组织更易培养？
培养前为什么要将动物组织分散成单个细胞？
（2）动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶作用的对象有何不同？
（3）如何区分原代培养和传代培养？
如何界定细胞株和细胞系？
提示：
（1）幼龄动物组织代谢旺盛；分散后能与培养液充分接触，更易进行物质交换。
（2）第一次是将组织分散成单个细胞，第二次是将贴满瓶壁的细胞分散成单个细胞。
（3）①原代培养：
大约1～10代；传代培养：
10代以后。
②细胞株：
10～50代细胞；细胞系：
50代以后的细胞。
2．为什么进行动物细胞培养时，通常要添加血清？
提示：
血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等物质，而且还含有多种未知的促生长因子，能促进细胞的生长、增殖和贴附。
[跟随名师·解疑难]
1．动物细胞培养过程分析
（1）过程：
（2）贴壁生长现象及接触抑制现象：
①贴壁生长：
动物细胞在液体培养基中悬浮生长一段时间之后，大部分细胞会贴附在培养瓶壁上生长。
②接触抑制：
细胞进行有丝分裂，数目增加到表面相互接触时，停止分裂增殖，出现接触抑制现象。
（3）原代培养和传代培养：
①原代培养：
动物组织消化后的初次培养。
②传代培养：
原代培养过程中，贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，然后分瓶培养，让细胞继续增殖。
（4）细胞株和细胞系：
①细胞株：
传代培养的细胞能传到10～50代，这样的传代细胞称为细胞株。
②细胞系：
传代培养的细胞在传到50代后，有部分细胞的遗传物质发生了改变，获得不死性，这种具有癌变特点的细胞称为细胞系。
2．动物细胞培养与植物组织培养的比较
比较项目
植物组织培养
动物细胞培养
生物学原理
细胞全能性
细胞增殖
培养基性质
固体
液体
培养基成分
蔗糖、氨基酸、水、矿物质、生长素、细胞分裂素、琼脂等
葡萄糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、水、血清、血浆等
培养结果
新的植株或组织
细胞株或细胞系
应用
1快速繁殖
②培育无病毒植株
③细胞产物的工厂化生产
④制作人工种子
①生产病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等
②检测有毒物质
③生理、病理、药理研究
培养条件
无菌、适宜的温度和pH
取材
植物器官、组织或细胞
动物早期胚胎、幼龄动物器官或组织
培养对象
植物器官、组织或细胞
分散的单个细胞
过程
脱分化、再分化
原代培养、传代培养
细胞分裂、
生长、分化
特点
1分裂：
形成愈伤组织
②分化：
形成根、芽
①只分裂不分化
②贴壁生长
③接触抑制
[特别提醒]
（1）植物组织培养的结果是新的植株或组织，而动物细胞培养的目的是为了获得细胞或细胞产物，不是获取完整个体，其过程不能体现细胞全能性。
（2）动物细胞培养用的是液体培养基，特别添加一定量的动物血清或血浆，可以为细胞提供营养物质和生长因子。
动物体细胞核移植技术和克隆动物
[自读教材·夯基础]
1．原理
动物细胞核具有全能性。
2．过程
3．应用
（1）加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。
（2）增加濒危动物数量，保护濒危物种。
（3）生产医用蛋白。
（4）作为异种移植的供体。
（5）用于组织器官的移植。
4．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，表现出生理缺陷、遗传缺陷等。
（3）克隆动物食品的安全性问题存在争议。
1．在体细胞的细胞核移植到受体卵母细胞之前，为什么必须先去掉受体卵母细胞的细胞核？
提示：
为使核移植的胚胎或动物的细胞核内的遗传物质全部来自有重要利用价值的动物提供的体细胞。
2．通过体细胞核移植方法生产的克隆动物是对体细胞供体动物进行了100%复制吗？
为什么？
提示：
不是。
绝大部分DNA来自于供体细胞核，但其核外还有少量的DNA，即线粒体中的DNA是来自于受体卵母细胞；其次生物的性状还受环境的影响。
3．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。
[跟随名师·解疑难]
1．核移植过程分析
（1）为了确保核移植形成的克隆动物的遗传物质全部来自于有优良性状的动物提供的体细胞，在供体细胞的细胞核移植到受体细胞内之前，必须将受体细胞的遗传物质去掉或将其破坏掉。
（2）细胞融合的原理是细胞膜具有一定的流动性。
而克隆动物的形成则利用了动物细胞核的全能性。
（3）细胞融合后构建重组胚胎，并移植到代孕母体内获得克隆动物，需要胚胎工程技术的支持。
2．克隆动物的遗传特点
（1）克隆动物的性状与细胞核供体生物的性状基本相同，但不完全相同，因为：
①克隆动物的细胞质遗传物质来自于受体卵母细胞的细胞质。
②生物的性状不仅与遗传物质有关，还受环境的影响。
（2）核移植过程中细胞核只来自于一个个体，因此核遗传物质与供体的相同，属于无性繁殖，不会改变生物体的基因型。
[特别提醒]
（1）核移植技术的供体细胞不能选择生殖细胞的细胞核，因为生殖细胞与正常体细胞相比，遗传物质是减半的。
（2）哺乳动物细胞核移植可分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植。
胚胎细胞核移植较易成功，体细胞核移植较难成功。
动物细胞培养
[例1] 如图是动物细胞培养的基本过程示意图。
请据图回答：
（1）容器A中放置的是动物器官或组织，它一般取自
________________________________________________________________________。
（2）容器A中的动物器官或组织首先要进行的处理是________________，然后用胰蛋白酶处理，这是为了使细胞分散开来，这样做的目的是_____________________________________。
（3）培养首先在B瓶中进行，瓶中的培养基成分有____________________等。
在此瓶中培养一段时间后，有许多细胞衰老死亡，这时的培养称为________。
（4）为了把B瓶中的细胞分装到C瓶中，用__________处理，然后配制成______________再分装。
[思路点拨]
[精讲精析]
（1）动物细胞培养一般取材于动物胚胎或幼龄动物的器官或组织，因为这部分细胞的分裂能力强。
（2）在进行培养时应尽量使细胞分散，便于与培养液充分接触，进行物质交换；使其分散需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理。
（3）动物细胞培养过程中应尽量使培养基成分与体内的环境基本相同，所以需要添加糖、氨基酸、无机盐、动物血清等。
培养的过程分为原代培养和传代培养两个大阶段，分瓶之前的培养称为原代培养。
（4）当细胞数目较多时，需要用胰蛋白酶处理，使细胞分散，从玻璃瓶壁上脱离下来，配制成细胞悬液继续培养。
[答案]
（1）胚胎或幼龄动物的器官或组织
（2）剪碎 使细胞与培养液充分接触
（3）糖、氨基酸、无机盐和动物血清 原代培养
（4）胰蛋白酶 细胞悬液
规律方法
（1）胰蛋白酶或胶原蛋白酶的作用：
整个培养过程中两次使用胰蛋白酶或胶原蛋白酶，第一次使用的目的是使组织细胞分散开，第二次使用的目的是使细胞从瓶壁上脱离下来，便于分装后继续培养。
（2）细胞株与细胞系的判断：
从内在原因看是遗传物质是否发生改变，从外在表现看是是否具有无限增殖能力。
细胞系细胞遗传物质发生了改变，具有无限增殖能力。
在动物细胞培养过程中，出现遗传物质改变的细胞是（ ）
A．细胞系 B．细胞株
C．原代细胞D．传代细胞
解析：
细胞培养时细胞在传至10～50代左右时，增殖会逐渐缓慢，这时部分细胞的细胞核型可能会发生变化，这时的细胞为细胞系。
答案：
A
克隆与动物细胞核移植技术
[例2] 下图是利用现代生物工程技术治疗遗传性糖尿病的过程图解。
请据图回答下列问题：
（1）图中①所示的结构名称是________。
（2）图中③④所示的生物技术名称分别是________、________。
（3）过程③通常用去核的卵母细胞作为受体细胞的原因除了它体积大、易操作、营养物质丰富外，还因为它______________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）过程④通常用②作为受体细胞的原因是____________________________________
________________________________________________________________________。
（5）图示方法与一般的异体核移植相比最大的优点是______________________，该种基因治疗所属类型为________。
[思路点拨]
[精讲精析]
（1）①是从供体（患者）体细胞分离出的细胞核。
（2）③表示核移植技术，④表示转基因技术。
（3）核移植的受体细胞一般是卵母细胞，原因是它体积大、易操作，含有供胚胎发育的营养物质，它还含有促进细胞核全能性表达的物质。
（4）早期胚胎中的细胞分化程度低，全能性高，可诱导分化成各种组织器官。
（5）图示培育出的细胞（胰岛B细胞）核遗传物质来自患者本人，所以移植后不发生免疫排斥反应；图中所示基因治疗是体外转基因，故所属类型为体外基因治疗。
[答案]
（1）细胞核
（2）核移植技术 转基因技术（或基因工程、DNA重组技术、基因拼接技术）
（3）含有促进细胞核全能性表达的物质
（4）这些细胞分化程度极低，具有全能性，可以定向地诱导分化为各类细胞
（5）没有免疫排斥反应 体外基因治疗
易错提醒
（1）细胞核移植技术中，注入去核卵母细胞中的也可以是整个细胞。
（2）该技术形成重组细胞发育成一个新个体，体现了细胞核的全能性而非动物细胞的全能性。
（3）克隆属于无性繁殖，产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。
[随堂基础巩固]
1．关于动物细胞培养的叙述，错误的是（ ）
A．用于培养的细胞大都取自胚胎或幼龄动物的器官或组织
B．将所取的组织先用胰蛋白酶等处理使其分散成单个细胞
C．在培养瓶中要定期用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上脱离，制成悬浮液
D．动物细胞培养只能传50代左右，所培养的细胞都会衰老死亡
解析：
动物细胞培养传至50代左右，若细胞的遗传物质发生改变，并且带有癌变的特点，就能在适宜培养条件下无限制地传代下去。
答案：
D
2．下列属于动物细胞培养与植物组织培养主要区别的是（ ）
A．培养基成分不同
B．动物细胞培养不需要在无菌条件下进行
C．动物细胞可以传代培养，而植物细胞不能
D．动物细胞能够大量培养，而植物细胞只能培养成植株
解析：
动物细胞培养与植物组织培养有许多相似之处，也有许多不同点，其主要不同点是它们的培养基的成分不同。
动物细胞培养的培养液中通常含有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，另外还有动物血清等。
植物组织培养所用的培养基包含植物生长和发育的全部营养成分，如矿质元素、有机营养成分、植物激素，但没有动物血清。
答案：
A
3．进行哺乳动物克隆，细胞核供体细胞不能是（ ）
A．乳腺细胞B．卵细胞
C．胃腺细胞D．胚胎细胞
解析：
卵细胞是由减数分裂形成的，其染色体数目是体细胞的一半，不能用作哺乳动物克隆时的细胞核供体细胞。
答案：
B
4．用于核移植的供核细胞和受体细胞一般选用（ ）
A．受精卵和减数第二次分裂时期的卵母细胞
B．传代10代以内的细胞和减数第一次分裂时期的卵母细胞
C．传代10～50代以内的细胞和减数第二次分裂时期的卵母细胞
D．传代10代以内的细胞和减数第二次分裂时期的卵母细胞
解析：
原代培养是指动物组织消化后的初次培养，原代培养次数一般是10代以内，原代培养的细胞都是正常的二倍体核型。
传代培养指培养次数超过10代的细胞培养，此时有些细胞的核型可能会发生突变，因此在核移植时一般不用传代培养的细胞。
答案：
D
5．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，甲细胞比乙细胞传代的次数更________。
若用动物的肝脏组织块制备肝细胞悬液，需用________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________。
（5）已知癌基因X过量表达与肝肿瘤的发生密切相关，要试验一种抗肿瘤药物Y对甲细胞生长的影响，可将甲细胞分为A、B两组，A组细胞培养液中加入________，B组细胞培养液中加入无菌生理盐水，经培养后，从A、B两组收集等量细胞，通过分别检测X基因在A、B两组细胞中的________或________合成水平的差异，确定Y的药效。
解析：
（1）甲细胞为肝肿瘤细胞，乙细胞为正常肝细胞。
肿瘤细胞为无限增殖的细胞，细胞周期短。
在相同条件下，培养相同的时间，甲细胞的数量多于乙细胞。
（2）动物细胞培养液中必须加入动物血清，血清中含有清蛋白、生长因子、促进细胞贴壁的因子、激素等合成培养基中缺乏的物质。
大多数细胞培养液所需pH为7.2～7.4，而多数培养液靠碳酸氢钠（NaHCO3）与CO2体系进行缓冲，所以CO2的作用是调节培养液pH。
（3）甲为肿瘤细胞能无限增殖，传代的次数要比乙细胞多，乙细胞（正常肝细胞）在培养瓶中贴壁生长，当铺满瓶壁时，生长停止。
为得到更多的肝细胞，需要定期地用胰蛋白酶使细胞脱离瓶壁，进行传代培养。
（4）培养液中加入抗生素来抑制和杀灭微生物，抗生素对动物细胞没有影响。
（5）设计一组加入抗癌药物的实验组，一组不加药物的对照组，通过检测药物影响X基因的表达过程，即转录形成mRNA、翻译形成蛋白质的量来检验药效。
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pH （3）停止 多 胰蛋白酶 （4）抗生素 （5）Y mRNA 蛋白质
[课时跟踪训练]
（满分50分 时间25分钟）
一、选择题（每小题2分，共20分）
1．在动物细胞培养过程中，使用胰蛋白酶的目的是（ ）
A．使动物组织分散为单个细胞
B．去掉细胞壁，使其成为原生质体
C．去掉细胞膜，暴露出原生质体便于细胞融合
D．促进蛋白质水解为多肽
解析：
在进行动物细胞培养前，先用胰蛋白酶使组织块中的细胞相互分散开，以增加与培养液的接触面积，便于培养。
答案：
A
2．一般来说，动物细胞体外培养需要满足以下条件（ ）
①无毒的环境 ②无菌的环境 ③培养液中需加血浆 ④温度与动物体温相近 ⑤需要O2，不需要CO2
⑥加CO2维持培养液的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，在细胞培养液中要添加血清、血浆等一些天然成分，培养温度一般与动物体温相近。
动物细胞培养还需要O2和CO2，O2是细胞代谢所必需的，CO2可维持培养液的pH。
答案：
D
3．下列有关动物细胞培养的叙述，正确的是（ ）
A．动物细胞培养的目的就是获得大量的分泌蛋白
B．对动物组织块和分散的细胞进行培养，效果是基本相同的
C．细胞遗传物质的改变发生于原代培养过程中
D．培养高度分化的动物体细胞一般不能发育成幼体
解析：
获得大量的分泌蛋白仅仅是动物细胞培养应用的一个方面。
分散的动物细胞比组织块更容易培养。
细胞遗传物质的改变发生在传代培养中。
答案：
D
4．动物细胞培养过程的顺序是（ ）
①原代培养 ②传代培养 ③胰蛋白酶处理组织，形成单个细胞，制成细胞悬液
A．①②③B．①③②
C．②①③D．③①②
解析：
动物细胞培养是用动物胚胎或幼龄动物器官通过胰蛋白酶处理制成细胞悬液，再通过原代培养和传代培养得到细胞株。
答案：
D
5．在进行动物细胞培养时，通常选用的培养材料是（ ）
A．衰老退化的动物组织细胞
B．成熟动物个体的体细胞
C．动物的受精卵
D．动物胚胎或幼龄动物个体的细胞
解析：
培养的动物细胞大部分取自动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织。
答案：
D
6．一只羊的卵细胞核被另一只羊的体细胞核置换后，这个卵细胞经过多次分裂，再植入第三只羊的子宫内发育，结果产下一只羊羔。
这种克隆技术具有多种用途，但是不能（ ）
A．有选择地繁殖某一性别的家畜
B．繁殖家畜中的优秀个体
C．用于保存物种
D．改变动物的基因型
解析：
该题考查动物体细胞核移植的用途。
由于核基因来自体细胞，所以不会改变动物的基因型。
答案：
D
7．如图为哺乳动物（羊）的生殖过程，下列叙述不正确的是（ ）
A．个体2为克隆动物，c为高度分化的体细胞
B．个体2的遗传性状与提供c细胞的羊不完全相同
C．产生动物个体1与动物个体2的生殖方式是不同的
D．e细胞为完成减数分裂的卵细胞
解析：
在核移植过程中，去核卵细胞一般选用处于减数第二次分裂中期的细胞，而不是完成减数分裂的卵细胞。
答案：
D
8．用动、植物成体的体细胞进行离体培养，下列叙述正确的是（ ）
A．都需用CO2培养箱
B．都需用液体培养基
C．都要在无菌条件下进行
D．都可体现细胞的全能性
解析：
动、植物成体的体细胞进行离体培养都要在无菌条件下进行。
动物成体的体细胞离体培养用液体培养基，不能体现细胞的全能性；植物成体的体细胞离体培养不一定用液体培养基，能体现细胞的全能性。
答案：
C
9．某研究小组对某种动物的肝肿瘤细胞（甲）和正常肝细胞（乙）进行培养，下列叙述正确的是（ ）
A．制备肝细胞悬浮液时先用剪刀剪碎肝组织，再用胃蛋白酶处理
B．肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸
C．为了防止培养过程中杂菌的污染，可向培养液中加入适量的干扰素
D．用血球计数板计数的方法，可推断乙细胞比甲细胞增殖周期长
解析：
制备肝细胞悬浮液时先用剪刀剪碎肝组织，再用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理。
肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2维持培养液pH。
为了防止培养过程中杂菌的污染，可向培养液中加入适量的抗生素。
答案：
D
10．生物技术的发展速度很快，已灭绝生物的“复生”将不再是神话。
如果世界上最后一只野驴刚死亡，以下提供的“复生”野驴个体的方法中能够成功的是（ ）
A．将野驴的体细胞取出，利用细胞培养技术，可培育成新个体
B．将野驴的体细胞两两融合，再经组织培养培育成新个体
C．取出野驴的体细胞核移植到母家驴的去核卵细胞中，经孕育培养成新个体
D．将野驴的一个基因导入家驴的受精卵中，培育成新个体
解析：
野驴的体细胞的全能性已经受到限制，不能经过培养形成新个体；将野驴的一个基因导入家驴的受精卵中，培育成的是带有野驴基因的家驴；野驴的体细胞核中具有发育成野驴的全部基因，因此通过核移植技术，可使野驴“复生”。
答案：
C
二、非选择题（共30分）
11．（10分）2007年日本研究人员依靠体细胞克隆技术进行反复“拷贝”，成功培育出第四代克隆猪。
这个研究小组培育的第一代克隆猪于2004年4月诞生，此后，他们又从长大的克隆猪唾液腺中提取细胞，将其细胞核植入未受精的卵子，依次培育出第二代和第三代克隆猪。
研究人员说，猪与人类身体构造相似，克隆猪可作为研究人类疾病的实验动物。
根据材料回答下列问题：
（1）克隆猪的培育利用了动物细胞核的________性。
（2）在细胞核植入受体卵母细胞之前，要用显微针去除卵母细胞的________，再将唾液腺细胞核注入其中。
在体细胞核移植技术中往往以卵母细胞作为受体，是因为
________________________________________________________________________。
核移植成功后，用物理或化学方法激活受体细胞，目的是______________________
________________________________________________________________________。
（3）上述体细胞核移植方法生产的第四代克隆猪，是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗？
________，理由是___________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）请举一例说明“克隆猪可作为研究人类疾病的实验动物”：
_____________________
___________________________________。
（5）在第四代克隆猪培育的过程中，要进行动物细胞的体外培养过程，培养时需要满足的条件有________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
动物细胞核移植技术的原理是动物细胞核的全能性，通过核移植产生的克隆
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