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胚胎工程

【本讲教育信息】

一.教学内容：

高考第一轮复习——胚胎工程

二.本讲重点：

精子和卵细胞形成过程的比较、受精作用胚胎发育胚胎移植与胚胎分割移植胚胎干细胞的研究与应用。

三.全面突破

知识点1生殖细胞的形成与受精作用

（一）精子和卵细胞发生的比较

场所

开始时间

细胞增殖方式

子细胞

数目

是否变形

重要区别

精子

睾丸曲细精管

初情期以后

先有丝分裂后减数分裂

4个

精细胞

变形

哺乳动物的卵泡形成（含有次级卵母细胞）和在卵巢内储备是在出生前完成的。

而精子形成则在初情期后

卵细胞

卵巢和输卵管

性别分化后

先有丝分裂后减数分裂

1个卵细胞和3个极体

不变形

说明：

①不同动物的精子形态和大小略有不同，与动物体型大小无关；②每个雌性哺乳动物的卵巢中含有大量的卵泡，能发育成熟排卵的卵泡数量较少，参与受精的卵子数更少。

（二）受精作用的场所、过程

在输卵管内：

说明：

①成熟的精子必须在雌性生殖道内，在卵泡液、输卵管分泌物等作用下才能获得受精能力；②卵子都要在输卵管中进一步成熟，到减数第二次分裂中期时，才具备受精能力；③受精和受精完成的标志不同，受精的标志是第二极体的形成，受精完成的标志是雌、雄原核融合成合子；④雌、雄原核不能理解成卵子、精子原来的核，应理解为在原来细胞核基础上形成的新核，原核膜已经破裂；⑤将从卵巢中取出的卵母细胞用于体外受精时，应在体外人工模拟的输卵管环境中进行培养，才能使其成熟，即达到受精前的成熟状态（MⅡ中期）。

【典型例题】

例1.关于哺乳动物减数分裂及受精作用的说法正确的是（）

A．经减数分裂形成成熟的精子和卵子后，才能完成受精作用形成受精卵

B．次级卵母细胞只有与精子结合以后，才能完成减数第二次分裂

C．精子在睾丸内成熟和获能后，才能与卵子结合

D．精子获能的本质就是使已经成熟的精子获得与卵子结合所需的足够的能量

答案：

B

解析：

成熟的精子必须获能后才能参与受精，获能的场所是雌性生殖道内，获能的实质是在雌性生殖道内发生相应的生理变化从而获得受精能力（而不是获得能量）。

知识点2胚胎发育与胚胎移植、胚胎分割移植

（一）胚胎发育

1、胚胎发育的场所：

输卵管、子宫

2、过程：

受精卵

桑椹胚

囊胚

原肠胚

胎儿

（1）受精卵是个体发育的起点，其发育场所是输卵管；

（2）桑椹胚的特点：

细胞数目在32个左右，细胞排列致密，形似桑椹，由具有发育全能性的细胞构成。

（3）囊胚的特点：

①细胞分化形成内细胞团和滋养层，内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层将来发育成胎膜和胎盘；②出现囊胚腔，即胚胎内部一个含有液体的囊腔；③发生孵化，即囊胚进一步扩大，导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来。

囊胚形成过程的集中变化可以归纳如下：

类型

纵坐标意义

胚胎所有细胞的体积

①核、质质量比值

②细胞表面积与体积之比

③有机物的种类

①每个细胞的体积

②有机物的总量

（二）胚胎移植：

（1）生理基础：

①供体和受体具有相同的生理环境；②早期胚胎处于游离状态，便于胚胎的收集；③受体对移入子宫的胚胎基本不发生免疫排斥反应；④供体胚胎与受体子宫建立正常的组织联系，且移入的胚胎遗传物质不会改变；

（2）胚胎移植的基本程序：

①供体与受体的选择与处理；②配种或人工受精；③对胚胎采集、检查或保存；④胚胎移植及移植后检查。

以良种牛的胚胎移植为例，图解如下：

（3）胚胎移植的意义：

①加速育种工作和品种改良；②大量节省购买种畜的费用；③一胎多产；④保存品种资源和濒危物种；⑤充分发挥优良个体的繁殖潜能。

（三）胚胎分割移植

（1）方法：

机械方法

（2）分割时期：

发育良好的桑椹胚或囊胚

（3）注意事项：

囊胚分割时，内细胞团要均等分割

（4）过程：

注意：

受精卵形成并发育成后代属于有性生殖，而胚胎分割移植属于无性生殖。

【典型例题】

例2.胚胎发育的早期有一段时间是在透明带中进行的，这一时期称为卵裂期。

其特点是（）

A．细胞进行有丝分裂，所有细胞均具有全能性

B．每个细胞体积有所减小，胚胎的总体积增加

C．胚胎有机物总量增加，细胞DNA总量不断减少

D．所有细胞的相对表面积减小，核物质（质量）与质物质比值增大

解析：

本题考查胚胎发育过程中卵裂期的特点，卵裂期的细胞分化程度很小，具有发育成完整个体的能力，所以具有很高的全能性。

卵裂期主要发生细胞的有丝分裂，每个细胞的体积减小，而此时整个胚胎的体积变化不大。

胚胎发育初期，所需营养物质来自卵细胞中储存的有机物，由于分裂、代谢等活动都消耗有机物，故有机物的总量减少；细胞分裂中DNA复制后平均分配，所以所有细胞的DNA总量增加。

细胞体积越小，细胞相对表面积越大，物质运输的效率越高。

答案：

A

例3.下列有关动物胚胎移植的叙述中，不正确的是（）

A．从受孕母畜体内取出的受精卵或胚胎均能移植

B．受体母畜必须处于与供体母畜同期发情状态

C．超数排卵技术要使用一定的激素

D．试管婴儿技术只有受精及早期胚胎发育过程在体外进行，形成个体仍然依靠子宫

解析：

胚胎移植实际上是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁育后代的过程，是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转换。

用雌激素等使供体与受体处于同期发情状态，用促性腺激素使供体超数排卵。

不同动物其胚胎移植的时间不同，牛、羊要培养到桑椹胚或囊胚阶段，小鼠、家兔在桑椹胚前，人胚胎可在4个细胞阶段移植。

几乎所有动物都不采用受精卵和原肠胚阶段的胚胎进行移植，因为不便操作或分化程度高，导致移植成功率很低。

试管婴儿并不是指在试管中形成的婴儿，而是指受精及早期胚胎发育在体外进行。

答案：

A

例4.人类寄希望于利用干细胞的分离和体外培养，在体外培育出组织或器官，并最终通过组织或器官移植实现对临床疾病的治疗。

你认为能否用肌细胞代替干细胞？

（）

A．不能，因为肌细胞与干细胞所含的遗传物质不同

B．不能，因为肌细胞是高度分化的细胞，没有分裂能力

C．能，因为肌细胞虽然是分化的细胞，但在一定条件下，也可脱分化，实现细胞的全能性

D．能，因为肌细胞与干细胞具有完全相同的遗传物质

解析：

同一生物体内不同种类的细胞所含的遗传物质相同，只是基因选择性表达导致分化为不同的组织。

动物细胞全能性表达比较困难，分裂能力强的干细胞在体外可以培育出组织或器官，但肌细胞已高度分化，几乎无分裂能力，故不能代替干细胞。

答案：

B

例5.胚胎移植的基本程序如图（以牛胚胎移植为例），请据图回答：

（1）对供体母牛、供体公牛的要求是。

（2）促进供体母牛超数排卵的方法是，冲卵中的“卵”是指。

（3）哺乳动物受精过程由下列中的机制阻止多精入卵受精（多选）。

A．精子获能具有差异性

B．精子穿越卵子透明带触及卵黄膜，导致透明带反应

C．精子触发卵黄膜表面微绒毛的抱合反应

D．精子入卵后，触发卵黄膜的封闭作用

（4）受精有关过程有：

①第一次卵裂开始，②释放第二极体，③顶体反应，④穿越透明带，⑤雌、雄原核的形成，⑥核膜消失，雌、雄原核融合。

其正确的顺序为______________（填序号），受精的标志是。

（5）若供体母牛具有许多优良性状，可利用体细胞克隆技术加速遗传改良进程，请回答下列有关问题：

①目前核移植技术中普遍使用的去核方法是。

②用于核移植的供体细胞一般选用代以内的细胞，原因是_________________。

解析：

（1）进行胚胎移植的供体公、母牛必须是具有优良遗传性状的同种牛。

（2）胚胎移植首先要对供、受体母牛进行选择，并用激素进行同期发情处理，注射促性腺激素促进供体母牛超数排卵。

配种或输精后第7天，用特制的冲卵装置，把供体母牛子宫内的胚胎冲洗出来。

（3）透明带反应是防止多个精子进入透明带引起多精入卵受精的第一道屏障；卵黄膜的封闭作用是防止多精入卵受精的第二道屏障。

（4）受精过程为：

①精卵相遇，发生顶体反应，精子穿过放射冠；②精子接触透明带；③精子穿过透明带，接触卵黄膜；④精子头膨胀，同时卵子完成第二次成熟分裂，释放第二极体；⑤雌、雄原核形成；⑥核膜消失，两个原核融合；⑦第一次卵裂即将开始。

（5）①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；②用于核移植的供体细胞一般都选用10代以内的细胞，10代以内的细胞一般能保证正常的二倍体核型，保证了供体细胞正常的遗传基础。

答案：

（1）具有优良遗传性状的同种牛

（2）注射促性腺激素胚胎（早期）

（3）B、D

（4）③④②⑤⑥①卵黄膜和透明带间出现两个极体

（5）①显微操作去核法

②1010代以内的细胞一般能保证正常的二倍体核型

知识点3：

胚胎干细胞

1、特性：

具有胚胎细胞的特性，体积较小，细胞核大，核仁明显。

2、功能：

①具有发育的全能性，可以分化为成年动物的任何一种组织细胞；②在体外培养条件下可以不断增殖而不发生分化，可以冷冻保存，也可以进行某些遗传改造。

3、应用：

①治疗人类某些顽症：

如人帕金森综合症、脑瘤、白血病等；②培育出人造组织或器官，用于器官移植（治疗性克隆；）③研究细胞体外分化的理想材料。

4、研究进展：

胚胎干细胞技术是一个发展空间极为广阔的研究领域，很多亟待解决的问题，都将成为当前乃至未来人们攻坚的热点，下面仅列举几个方面来进行说明。

（1）胚胎干细胞维持自我更新和定向分化的分子机理。

只有对胚胎干细胞的分子机理有深入的了解，才能建立高效的培养体系，并为细胞治疗提供理论基础。

随着细胞、分子生物学理论和技术的发展，胚胎干细胞的自我更新、定向分化中胞内信号和胞外调控因子的鉴别，将是热门的研究内容，有望在近期取得突破。

（2）如何使胚胎干细胞既能维持体外培养条件下的增殖，又不发生分化?

目前，在防止胚胎干细胞体外培养分化方面取得了一些研究进展，但效果仍不能令人满意，尚需对培养条件作进一步优化的研究工作。

（3）对胚胎干细胞诱导分化后，分化细胞的增殖仍是难以解决的问题。

如何得到组织工程所需种子细胞的数量，以及如何纯化分化后的细胞，也需做很多研究工作。

（4）如何诱导胚胎干细胞定向分化?

理论上讲，胚胎干细胞可以分化成各种组织细胞，可形成各种器官。

但是，目前对从胚胎干细胞向不同组织细胞“定向分化”的特定条件还不十分清楚，这限制了当前胚胎干细胞的临床应用。

【典型例题】

例6.下图为哺乳动物的胚胎干细胞及其分化的示意图。

请回答：

（1）胚胎干细胞是从动物胚胎发育至_________期的内细胞团或胎儿的_____中分离得到的一类细胞。

（2）图中分化程度最低的干细胞是______。

在体外培养条件下，培养液中加入___因子，可诱导该种干细胞向不同类型的组织细胞分化。

（3）在机体内，皮肤干细胞分化成皮肤细胞是机体细胞中基因___________的结果。

（4）某患者不能产生正常的白细胞，通过骨髓移植可以达到治疗的目的，骨髓移植治疗的实质是将上图的______________细胞移植到患者体内。

（5）若要克隆某种哺乳动物，从理论上分析，上述红细胞、白细胞、神经细胞中不能选用作为供体的细胞是成熟的___________，其原因是___________。

（6）若某药物可抑制肝肿瘤细胞DNA的复制，使用该药物可使肝肿瘤细胞停留在细胞周期的______________期。

（7）在制备单克隆抗体过程中的细胞融合阶段，用__________细胞与骨髓细胞融合，经多次筛选最终得到能分泌__________________的杂交瘤细胞。

解析：

（1）胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺细胞中分离出来的一类细胞，囊胚阶段细胞开始分化为内细胞团和滋养层细胞。

（2）图中分化程度最低的干细胞是胚胎干细胞，全能性最高，在体外培养条件下，该种干细胞可诱导分化形成不同类型的组织细胞，培养液中加入分化诱导因子。

（3）细胞分化是细胞中基因选择性表达的结果。

（4）骨髓是人体的造血器官，其内存在造血干细胞，骨髓移植治疗的实质是将上图的造血干细胞移植到患者体内。

（5）克隆某种哺乳动物需要供体提供细胞核，而成熟的红细胞没有细胞核，所以不能作为供体。

（6）细胞周期包括分裂间期和分裂期，分裂间期完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成。

（7）制备单克隆抗体过程中的细胞融合阶段，用B淋巴细胞与骨髓细胞融合，经多次筛选最终得到能分泌一种特异性抗体的杂交瘤细胞。

答案：

（1）囊胚原始性腺细胞

（2）胚胎干细胞分化诱导（3）选择性表达（4）造血干（5）红细胞细胞中无细胞核（6）间（7）B淋巴特异性抗体

四.本讲小结

五.下一讲导学

1、简述生态工程的概念？

2、生态工程的原理包括哪些？

3、生态工程包括哪些类型？

4、简述生态工程建设的目的、基本过程、设计方法

5、举例说出我国生态工程的实例。

【模拟试题】（答题时间：

40分钟）

1、在受精作用过程中，体现受精实质的是（）

A．同类生物的精卵互相识别

B．精子的头部进入卵细胞

C．卵细胞膜增厚并形成受精卵膜阻止其他精子进入

D．精原核与卵原核的融合

2、关于动物胚胎发育的过程，下列表述正确的是（）

A．受精卵→囊胚→桑椹胚→原肠胚→胚层分化

B．受精卵→囊胚→桑椹胚→器官分化→原肠胚

C．受精卵→桑椹胚→囊胚→原肠胚→胚层分化→组织器官形成

D．受精卵→原肠胚→囊胚→桑椹胚→组织器官形成

3、“试管婴儿”技术是通过将不孕夫妇的精子和卵子取出在试管中完成受精作用，并在试管中培养使其发育到如下图所示的时期，再将胚胎移入女性子宫内发育成胎儿。

它不仅使一部分不能生育的男女重新获得了生育的机会，也为人类优生开辟了新途径。

该技术依据的生物学原理是（）

A．有性生殖B．组织培养

C．克隆技术D．基因工程

4、试管婴儿、人工种子和克隆动物均属于生物工程的成果，下列叙述正确的是（）

A．三者都用到细胞工程的技术B．三者都是在体外环境中完成的

C．试管婴儿属于无性生殖范畴D．人工种子的胚状体是由受精卵发育而成的

5、供、受体母牛选择好后，要用激素进行同期发情处理的原因是（）

A．防止受体母牛发生免疫排斥反应

B．使受体与供体母牛的生理状态相同，保证移植的胚胎能继续正常发育

C．提高胚胎的活性

D．同期发情处理后，卵细胞和精子受精结合能力强

6、胚胎工程的核心技术是（）

A．胚胎分割与融合B．人工受精和胚胎移植

C．胚胎性别鉴定D．胚胎冷冻保存技术

7、通过激素促进良种母牛超数排卵的方法是（）

A．口服促性腺激素B．注射促性腺激素

C．口服或注射促性腺激素D．口服或注射雌激素

8、下列细胞中属于干细胞的是（）

A．皮肤的角质层细胞B．皮肤的生发层细胞

C．皮肤的汗腺细胞D．皮下脂肪细胞

9、中科院动物所和福州大熊猫研究中心合作，通过将大熊猫的细胞核植入去核后的兔子卵细胞中，在世界上最早克隆出一批大熊猫早期胚胎，这表明我国的大熊猫人工繁殖研究再次走在世界前列。

下列有关克隆大熊猫胚胎的叙述中，错误的是（）

A．在形成胚胎的过程中，依次经历了桑椹胚、囊胚、原肠胚等几个阶段

B．兔子卵细胞质的作用是激发大熊猫细胞核的全能性

C．克隆出的早期胚胎中，各细胞间具有相同的遗传信息

D．在形成早期胚胎的过程中，尚未出现细胞的分化

10、下面是以小鼠为对象进行的研究工作，请分析回答问题。

（1）进行小鼠胚胎工程操作时，首先在光控周期下（光照14h，黑暗10h）饲养成年雌鼠，并注射促性腺激素，目的是。

然后从雌鼠输卵管中取出卵子，在一定条件下培养成熟；并从雄鼠附睾中取出精子，在一定条件下培养一段时间，目的是。

再在37℃，5%CO2条件下，精卵共同作用4h，冲洗后继续培养。

定时在显微镜下观察胚胎的变化，第5天可以看到胚胎发生收缩，细胞间隙扩大，接着胚胎内部出现裂隙，这是胚胎_________期开始的标志。

（2）如果体外受精后，在精核与卵核融合之前，用微型吸管吸除雄核，再用细胞松弛素B处理（作用类似于用秋水仙素处理植物细胞），处理后的受精卵可发育成小鼠。

这种方法在动物新品种选育中的显著优点是。

（3）如果将小鼠甲的体细胞核移入小鼠乙的去核卵细胞中，由重组细胞发育成小鼠丙，则小鼠丙的基因来源于。

（4）如果将外源基因导入小鼠受精卵，则外源基因可能随机插入到小鼠受精卵的DNA中。

这种受精卵有的可发育成转基因小鼠，有的却死亡。

请分析因外源基因插入导致受精卵死亡的原因最可能是。

11、请回答下列与哺乳动物精子和卵子发生有关的问题：

（1）精细胞经变形后，高尔基体发育形成精子的顶体，顶体内含有的能协助精子穿过卵母细胞的放射冠和透明带。

（2）某动物排卵时，减数第一次分裂尚未完成，此时卵子处于卵母细胞阶段，当该细胞发育至减数第二次分裂期时，才具备受精能力。

若在卵黄膜和透明带之间看到两个极体，则表明过程已完成。

（3）动物的早期胚胎移植到同种且与供体相同的动物体内，使之继续发育为新个体的技术叫做胚胎移植。

为了获得更多的早期胚胎，常用激素对供体进行处理，其目的是获得更多的，经人工受精后可得到早期胚胎。

用某染料鉴定胚胎细胞是否为活细胞时，发现活胚胎细胞不能被染色，其原因是活细胞膜。

（4）若要通过胚胎移植获得遗传物质完全相同的两个新个体，可对发育到桑椹期或囊胚期阶段的早期胚胎进行处理，再植入到受体内。

若要对早期胚胎进行长期保存，应将其置于条件下。

12、白血病是由于造血干细胞增殖分化异常而引起的恶性增殖性疾病，它不仅影响骨髓及整个造血系统，还侵犯身体其他器官。

目前根治白血病的惟一方法是进行造血干细胞移植。

请回答下列问题：

（1）造血干细胞的来源有三种：

外周血、和。

（2）当前治疗白血病的首选方法是骨髓移植，但在没有亲缘关系的骨髓中，其配型相合率仅为1／400～1／10000，于是科学家利用细胞工程和胚胎工程的办法来解决因配型困难而导致骨髓源不足的问题，基本操作程序如下：

①图中哪一个阶段的细胞是胚胎干细胞？

胚胎干细胞在细胞形态、功能上有哪些特点？

②诱导胚胎干细胞可以得到造血干细胞，将这种方式得到的造血干细胞输回到患者体内，会不会发生免疫排斥反应?

为什么?

（3）请说出胚胎干细胞应用的其他例子。

【试题答案】

1.D2.C3.A4.A5.B

6.B7.B8.B9.D

10.答案：

（1）促进排卵（或超数排卵）使精子获能囊胚

（2）容易获得纯合子并缩短育种时间

（3）小鼠甲（体细胞）的核基因和小鼠乙（卵细胞）的细胞质基因

（4）外源基因的插入使受精卵内生命活动必需的某些基因不能正常表达

解析：

胚胎工程操作时进行超数排卵处理可以获得较多的卵子，附睾中的精子不能立即参与受精，须进行获能处理，胚胎发育过程中囊胚腔的出现是在囊胚期。

外源基因导入有可能会插入正常基因中间，破坏基因的结构从而影响其生命活动必需的某些基因的正常表达，导致胚胎死亡。

11、答案：

（1）顶体酶

（2）初级中受精

（3）生理状态促性腺卵母细胞对物质的吸收具有选择透过性

（4）胚胎分割冷冻（或液氮）

12、答案：

（1）骨髓脐带血

（2）①内细胞团。

形态特点：

细胞体积小、细胞核大、核仁明显；功能特点：

具有发育的全能性。

②不会发生免疫排斥反应。

因为通过题干技术路线得到的造血干细胞来源于患者体细胞核移植得到的重组细胞，与患者的遗传物质相同，所产生的细胞表面的组织相容性抗原也相同。

（3）①治疗由于细胞死亡或功能退化而引起的疾病。

②通过对胚胎干细胞的诱导分化研究，揭示细胞分化、凋亡的机理等。

解析：

（1）目前造血干细胞的来源有外周血、骨髓和脐带血。

（2）①胚胎干细胞有两处来源，即早期胚胎或从原始性腺细胞中分离得到。

此处应为囊胚期的内细胞团。

a形态特点：

细胞体积小、细胞核大和核仁明显；b．功能特点：

具有发育的全能性；c．体外培养可做到增殖而不分化。

②骨髓移植遇到的最大难题是如何避免发生免疫排斥反应，发生免疫排斥反应的原因是细胞表面的组织相容性抗原（HLA）不同，本题中综合运用体细胞核移植，早期胚胎培养，胚胎干细胞的分离、培养与定向诱导等技术。

由于通过本题中所示技术路线得到的造血干细胞来源于患者体细胞核移植所得到的重组细胞，故其细胞表面的组织相容性抗原与患者相同，不会发生免疫排斥反应，此法还可以解决捐献骨髓不足等问题。

（3）胚胎干细胞具有全能性，即经诱导可以分化成各种组织或器官，故其在基础生物学、畜牧学和医学上具有十分重要的应用价值。

除了本题中提到的通过诱导产生特定的组织、细胞或器官用于移植而解决免疫排斥等问题外，另有以下应用：

治疗因细胞坏死、退化或功能异常而引起的疾病，如青少年糖尿病、帕金森综合症等，向患者体内移入ES细胞经诱导而产生各种组织、细胞，可以使坏死或退化的部位得以修复并恢复正常功能。