高中生物专题2细胞工程2.1动物细胞培养和核移植技术课件新人教选修310251238

2.2动物细胞工程2.2.1动物细胞培养和核移植技术概念认知·自主学习一、动物细胞工程1.常用技术手段:_____________、_______________、_____________、_______________等。2.技术基础:_________________。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_________,然后,放在适宜的培养基中,让这些细胞___________。2.原理:_________。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动物细胞培养技术单个细胞生长和增殖细胞增殖3.动物细胞培养过程:(1)与植物细胞培养相比,动物细胞培养过程所用的培养基一般是_____培养基,并加入_________。(2)动物细胞培养过程中两次用到胰蛋白酶,第一次的作用是将剪碎的组织分散成_________。第二次是将贴壁细胞从瓶壁上_____下来,目的是避免动物细胞的_________现象。液体动物血清单个细胞分离接触抑制4.条件:(1)无菌、无毒的环境。①培养液和所有培养用具应进行_____处理。②通常还要在细胞培养液中添加一定量的_______,以防污染。③定期更换培养液,防止_____________的危害。(2)营养。①合成培养基成分:___、_______、促生长因子、无机盐、微量元素等。②合成培养基特点:加入_____、_____等天然成分。无菌抗生素细胞代谢产物糖氨基酸血清血浆(3)温度和pH:温度为____±0.5℃;pH为________。(4)气体环境:95%空气+5%CO2的混合气体。O2是_________所必需的,CO2的主要作用是维持培养液的___。三、动物体细胞核移植技术和克隆动物1.概念:(1)供体:动物的一个细胞的_______。(2)受体:去掉细胞核的_________。(3)结果:形成_________并发育成新的胚胎,最终发育成_________。2.种类:_______________和_____________。3.原理:动物细胞核具有_______、细胞膜具有一定的_______。36.57.2～7.4细胞代谢pH细胞核卵母细胞动物个体重组细胞胚胎细胞核移植体细胞核移植全能性流动性4.过程:5.应用:(1)畜牧生产方面:加速家畜_________进程,促进优良畜群繁育。(2)保护濒危物种方面:保护濒危物种,增加濒危动物的存活数量。(3)医药卫生领域。①转基因克隆动物作为___________,生产珍贵的_________。②转基因克隆动物的细胞、组织和器官可作为_________的供体。遗传改良生物反应器医用蛋白异种移植③人的核移植胚胎干细胞经诱导分化,形成相应的组织、器官后,可用于__________的移植。(4)了解胚胎发育及衰老过程。(5)用克隆动物做_________,使人们更好地追踪研究疾病的发展过程和治疗疾病。组织器官疾病模型【易错辨析】1.多数动物细胞培养过程中其培养液所需的适宜pH为6.8～7.0。 ()【分析】动物细胞培养过程中其培养液的适宜pH为7.2～7.4。2.培养动物细胞的第一代(即第一次细胞增殖)被称为原代培养。 ()【分析】动物组织被胰蛋白酶分解后的初次培养被称为原代培养,原代≠第一代。3.在25℃的实验条件下可顺利完成大鼠神经细胞的培养。 ()【分析】大鼠神经细胞为高度分化的体细胞,丧失了分裂能力。×××4.克隆植物和克隆动物都只具备一个亲本的遗传特性。 ()【分析】植物克隆即植物组织培养,只继承一个亲本的遗传特性;而用核移植技术得到的克隆动物,其核基因和质基因分别来自不同的亲本,所以并不是真正的“克隆”。5.动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。 ()6.选择MⅡ期的卵母细胞作为核移植的受体细胞的原因只是该细胞大,显微操作方便。 ()【分析】选择MⅡ期的卵母细胞作为受体,一方面是因为细胞大,易操作,且卵黄多、营养物质丰富,为发育提供充足的营养,另一方面此时具备受精能力,细胞质中含有能刺激细胞核全能性表达的物质。×√×7.肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2以刺激细胞呼吸。 ()【分析】细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2的目的是维持培养液的pH。8.用于核移植的供体细胞一般都选用10代以内的培养细胞。 ()×√能力形成·合作探究一、动物细胞培养1.过程解读:(1)选材:一般取自幼龄动物的器官或组织,因为这些组织或器官的生命力旺盛,分裂能力强。(2)酶处理。①用酶“两次”处理的目的: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,便于分散后继续培养。②使细胞分散开的原因:一是能保证细胞所需要的营养供应;二是能保证细胞内有害代谢产物的及时排出。2.相关概念的辨析:(1)细胞贴壁和接触抑制。①细胞贴壁:将细胞悬液放入培养瓶内,置于适宜环境中培养,悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁。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,这种现象称为细胞的接触抑制。(2)原代培养和传代培养: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,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,为传代培养。(3)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改变,并且具有癌变的特点,能无限地传代下去,这样的传代细胞称为细胞系。3.培养条件的分析:(1)添加血清、血浆的作用: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。细胞培养时,一般需添加10%～20%的血清或血浆。(2)气体环境:CO2调节培养液pH,O2维持细胞有氧呼吸。【易错提醒】(1)培养动物细胞时没有脱分化的过程,因为高度分化的动物细胞发育潜能变窄,失去了发育成完整个体的能力。(2)不是所有的细胞增殖过程中都存在接触抑制。例如,癌细胞增殖时不存在接触抑制,所以在培养瓶中可以形成多层细胞。(3)不能用胃蛋白酶处理:由于大多数动物细胞培养的适宜pH为7.2～7.4,而胃蛋白酶发挥作用的最适pH为2.0左右,因此不能用胃蛋白酶使细胞分散开。4.植物组织培养与动物细胞培养的比较:比较项目植物组织培养动物细胞培养理论基础植物细胞的全能性细胞增殖培养基类型(半)固体培养基液体培养基成分水、矿质元素、维生素、蔗糖、氨基酸、琼脂等葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、促生长因子、动物血清等取材植物幼嫩部位或花药等动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织培养对象离体的植物细胞、组织和器官分散的单个细胞主要过程脱分化、再分化原代培养、传代培养比较项目植物组织培养动物细胞培养细胞特点①脱分化:形成愈伤组织②再分化:形成胚状体①细胞贴壁②接触抑制结果新的组织或植株个体新的细胞应用①植株快速繁殖②脱毒植株的培育③人工种子④细胞产物的工厂化生产⑤单倍体育种和突变体利用⑥转基因植物的培育①蛋白质生物制品的生产②皮肤移植材料的培育③检测有毒物质④生理、病理、药理学研究相同点①两技术手段培养过程中都进行有丝分裂,都是无性繁殖,都可称为“克隆”,都不涉及减数分裂②均需无菌操作、无菌培养,需要适宜的温度、pH等条件【易错提醒】动、植物细胞培养的三点警示(1)植物组织培养和动物细胞培养都存在细胞培养过程:前者过程中既有细胞分裂又有细胞分化,而后者过程中细胞只分裂不分化。(2)植物组织培养获得新个体,体现了细胞的全能性;动物细胞培养只能得到大量细胞,没有体现细胞的全能性,故植物体细胞全能性>动物体细胞全能性。(3)植物组织培养的培养基中需要加入植物激素等调节物质,而动物细胞培养的培养基中需要加入血清、血浆等天然成分。

【选修对接必修】对接必修1:细胞的生命历程(1)多细胞生物从_______开始,要经过细胞的增殖和分化逐渐发育为成体。生物体内,也不断地有细胞衰老死亡,需要通过细胞增殖加以补充。细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础。动物细胞培养的原理是_________。(2)原癌基因和抑癌基因发生_________,细胞癌变。在适宜条件下,癌细胞能够_________,细胞一般能够分裂10～50代。(3)癌细胞的表面发生了变化。由于细胞膜上的_______等物质减少,使得癌细胞彼此之间的_______显著降低,容易在体内分散和转移。细胞系具有癌细胞的特点,不存在接触抑制,能够形成多层细胞。受精卵细胞增殖基因突变无限增殖糖蛋白黏着性【素养案例】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)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,其分裂增殖__________。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,需用__________消化处理。

(4)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等量无菌生理盐水,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。

【解题关键】解答本题时需明确实验目的,理解实验的单一变量、等量对比原则,掌握癌细胞的特点,动物细胞培养的过程、条件及应用,进而结合基因的表达过程答题。【解析】(1)肝肿瘤细胞比正常肝细胞的分裂能力强,细胞周期短,因此在其他条件相同时,相同时间内肝肿瘤细胞产生的子代细胞多。(2)细胞培养应在含有5%CO2的恒温培养箱中进行,CO2的作用是维持培养液的pH。(3)甲细胞为肿瘤细胞,已经不会发生接触抑制,而乙细胞为正常肝细胞,存在接触抑制,因此在这两种细胞生长过程中,当乙细胞铺满瓶壁时,其分裂增殖停止。甲细胞能无限增殖,因此其传代的次数比乙细胞多;胰蛋白酶能消化组织细胞间的蛋白质,使其分散成单个细胞。(4)该实验的目的是试验一种抗肿瘤药物Y对甲细胞生长的影响,因此自变量为是否加入Y,B组细胞培养液中加入无菌生理盐水,则A组细胞培养液中应加入等量Y;已知基因X表达与肝肿瘤的发生密切相关,而基因X的表达包括转录和翻译两个步骤,抗癌药物Y的作用可能是抑制基因X的转录过程,也可能是抑制其翻译过程;因此通过分别检测基因X在A、B两组细胞中的mRNA或相关蛋白质合成水平的差异,可以确定Y的药效。答案:(1)多(2)维持培养液的pH(3)停止多胰蛋白酶(4)Y

mRNA相关蛋白质

【误区警示】(1)对癌细胞的主要特征记忆不准确。(2)对生物探究实验的设计及实验评价掌握不全。【跟踪小练】1.如图所示是某动物细胞培养时,培养液中活细胞和死亡细胞密度统计结果,下列相关叙述错误的是 (

)A.实验中要控制胰蛋白酶溶液浓度和处理时间,以免损伤细胞B.培养液中应适当加入青霉素、链霉素,以避免杂菌污染C.曲线bc段变化的主要原因是培养液中营养物质不足及有害代谢产物积累等D.培养至第6d时,新产生的细胞数等于死细胞数【解题关键】(1)图示信息:ab段表示活细胞密度在增加;bc段表示活细胞密度减少,而死细胞密度在此时间段内增加。(2)关键信息:活细胞数不等于新产生的细胞数。【解析】选D。实验中要控制胰蛋白酶溶液浓度和处理时间,以免损伤细胞,A正确;培养液中应适当加入青霉素、链霉素等一定量的抗生素,以避免杂菌污染,B正确;曲线bc段表示活细胞密度减少,而此时间段内死细胞密度增加,产生这种变化的主要原因是培养液中营养物质不足及有害代谢产物积累等,C正确;培养至第6d时,活细胞数等于死细胞数,D错误。

【互动探究】(1)实验过程中,用胰蛋白酶溶液处理时间过长或过短,会出现什么结果?提示:处理时间过长,胰蛋白酶会破坏细胞膜,即损伤细胞。处理时间过短,组织细胞不能充分分散开。(2)曲线ab段变化的主要原因是什么?提示:营养物质相对充足,有害代谢产物较少。2.三维细胞培养技术是指将动物细胞与具有三维结构的支架材料共同培养,使细胞能够在三维立体空间生长、增殖和迁移的技术。其培养模式图如图所示,请回答下列问题:(1)三维培养胚胎干细胞时,首先应保证细菌处于__________的环境,在培养液中加入牛磺酸、丁酰环腺苷酸等物质可以诱导胚胎干细胞的基因__________,从而产生不同类型的组织细胞。

(2)常用__________将乳腺癌组织分散成单个细胞,其在培养瓶中进行悬液培养时会出现__________现象,经过多次传代后,少数供体细胞中__________的稳定性会降低而获得不死性。

(3)乳腺癌细胞在三维培养基中能够呈现类似于动物体内组织细胞的生长情况,有利于构建体内乳腺癌组织模型。与普通细胞悬液培养相比,利用三维细胞培养技术培养干细胞和癌细胞,其明显优点是_______________________。

【解析】(1)由题干分析可知,三维培养胚胎干细胞时,首先应保证细胞处于无菌、无毒的环境,在培养液中加入牛磺酸、丁酰环腺苷酸等物质可以诱导胚胎干细胞的基因选择性表达,从而产生不同类型的组织细胞。(2)根据动物细胞培养技术,常用胰蛋白酶将乳腺癌组织分散成单个细胞,其在培养瓶中进行悬液培养时会出现贴壁生长和接触抑制现象。经过多次传代后,少数供体细胞中的遗传物质的稳定性会降低,发生基因突变而获得不死性。(3)利用三维细胞培养技术培养干细胞和癌细胞,其明显优点是能更好地模拟体内环境,培养得到更加类似于体内生长的细胞和组织。答案:(1)无菌、无毒选择性表达(2)胰蛋白酶贴壁生长和接触抑制遗传物质(3)能够更好地模拟体内环境,培养得到更加类似于体内生长的细胞和组织

【补偿训练】如图表示动物细胞培养程序图,请据图回答下列问题。(1)过程②表示____________。(2)过程③和⑥用________处理组织块或贴壁细胞使其分散成单个细胞,这样做的目的是____________________________。(3)过程④和⑥都要把分散的细胞制成________。(4)过程⑤进行的细胞培养是________培养,细胞适于______生长增殖。(5)过程⑤和⑦都要放在______________________中培养。【解题关键】(1)熟练掌握动物细胞培养过程的相关技术操作,如取材、对细胞的处理方法、培养需要的环境条件等。(2)明确原代培养和传代培养的区别。【解析】(1)进行动物细胞培养时,首先要将组织块剪碎。(2)用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织或贴壁生长的细胞,使其分散成单个细胞。(3)用培养液将分散的细胞稀释制成细胞悬液,再将细胞悬液放入培养瓶内置于适宜环境中培养。(4)悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁。之后,细胞进行有丝分裂,数目不断增多。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,这种现象称为细胞的接触抑制。人们通常将动物组织分散成单个细胞后的初次培养称为原代培养。(5)进行细胞培养时,通常采用培养皿或松盖培养瓶,将其置于含95%空气加5%CO2的混合气体的培养箱中培养。答案:(1)剪碎动物组织(2)胰蛋白酶解除由于接触对细胞生长和增殖的抑制(3)细胞悬液(4)原代贴壁(5)含95%空气加5%CO2的混合气体的培养箱【互动探究】(1)上题过程⑦进行的细胞培养是什么培养?提示:传代培养。(2)若对上题过程⑦中的细胞继续进行培养,细胞会发生怎样的变化?提示:继续培养时,细胞传至10～50代左右时,部分细胞增殖会逐渐缓慢,以至于完全停止,少部分细胞会获得不死性将无限增殖。

二、动物体细胞核移植技术和克隆动物1.过程分析:(1)原理:动物细胞核的全能性,而不是动物细胞的全能性。因动物体细胞的全能性受到限制,不能经培养直接发育成完整个体。所以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。(2)类型:体细胞核移植和胚胎细胞核移植。(3)供体: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。(4)受体。①材料选择: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:a.卵母细胞细胞质内存在激发细胞核全能性表达的物质;b.卵母细胞体积大,便于操作;c.卵母细胞内卵黄多,营养物质丰富。②去核的原因:保证克隆动物的核基因全部来自供体细胞。(5)注入。①细胞核移植技术中虽然需要的是供体细胞核,但为了方便操作,实际注入去核卵母细胞中的不是供体细胞核,而是整个细胞,伴随着两细胞融合,体现出细胞膜具有一定的流动性的结构特点。②核移植时,一般先用电刺激使供体和受体细胞融合,再用物理或化学方法激活受体细胞,使其完成细胞分裂和发育进程。(6)涉及的生物技术:动物细胞培养技术、核移植技术、胚胎移植技术等。其中,核移植是核心技术。2.克隆动物:(1)性状与供体不完全相同的原因。①克隆动物的细胞质遗传物质来自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,还受环境影响。(2)基因型与供体相同:核移植过程中细胞核只来自供体,因此核遗传物质是对供体核遗传物质的100%复制,其基因型与供体相同。【易错提醒】动物核移植的两点警示(1)动物核移植技术可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植,因为胚胎干细胞的全能性比体细胞大,所以胚胎细胞核移植更容易实现。(2)克隆属于无性生殖,产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。对接必修2:基因的表达线粒体和叶绿体中的DNA,都能进行___________复制,并通过转录和翻译控制某些蛋白质的合成。线粒体和叶绿体中的基因称为细胞质基因。细胞质基因病变引起的遗传病只能通过_____遗传给后代。半自主自我母亲【素养案例】我国研究人员在世界上率先利用去甲基化酶(Kd4d)的mRNA,经体细胞核移植技术培育出第一批灵长类动物——食蟹猴,流程如图所示,①～⑥表示过程,该动物可作为研究癌症等人类疾病的动物模型。请分析回答:(1)进行过程①时,为了防止________________对细胞自身造成危害,应定期更换______________。

(2)据图分析,过程③是利用____________法,将成纤维细胞注入猴去核的MⅡ中期卵母细胞的________________之间。

(3)研究人员在确定去甲基化酶(Kd4d)的mRNA的作用时,做了两组实验,其中A组用正常培养液培养融合细胞,B组用正常培养液培养注入了Kd4d的mRNA的融合细胞,实验结果如图所示。分析实验数据可知,Kd4d的mRNA的作用是既能提高______________________________________,又能提高________________。

【解题关键】本题以体细胞核移植技术培育食蟹猴为背景,考查动物细胞核移植和对生物学实验的结果进行分析,要求识记动物细胞核移植的操作标准和注意事项;明确实验的目的,能科学全面分析实验结果。【解析】(1)图中①是培养成纤维细胞的过程,该过程采用的是动物细胞培养技术,在培养动物细胞时,要定期更换培养液,目的是防止细胞自身的代谢产物积累对细胞自身造成危害。(2)过程③是利用显微注射法将成纤维细胞注射到去核的MⅡ中期卵母细胞的卵细胞膜和透明带之间。(3)分析图中数据,将正常培养的A组与融合细胞中注入去甲基化酶(Kd4d)的mRNA的B组数据进行对照分析,后者的融合细胞发育成囊胚的成功率、囊胚中内细胞团的形成率都高于前者,说明Kd4d的mRNA的作用是既能提高融合细胞发育成囊胚的成功率,又能提高囊胚中内细胞团的形成率。答案:(1)细胞代谢产物的积累培养液(2)显微注射卵细胞膜与透明带(3)融合细胞发育成囊胚的成功率囊胚中内细胞团的形成率【跟踪小练】1.(2020·天津等级考)在克隆哺乳动物过程中,通常作为核移植受体细胞的是去核的 (

)A.卵原细胞B.初级卵母细胞C.次级卵母细胞D.卵细胞【解析】选C。在哺乳动物的受精过程中,获能的精子与处于减数第二次分裂中期的卵母细胞结合,形成受精卵。在克隆哺乳动物过程中,作为核移植受体的细胞是处于减数第二次分裂中期的卵母细胞,应为次级卵母细胞。2.(2021·蚌埠高二检测)非洲猪瘟是由非洲猪瘟病毒(ASFV)感染家猪和各种野猪引起的一种急性、出血性、烈性传染病,被称作养猪业的“头号杀手”。某科研小组将ASFV外壳蛋白基因导入猪细胞中,利用核移植技术培育转基因猪,从而得到自动产生ASFV抗体的个体。其流程图如图所示。(l)体外获得大量的ASFV外壳蛋白基因可采用PCR技术,其原理是:__________。

(2)图中体外采集的卵母细胞需培养至____________时期,将卵母细胞去核的目的是____________________________________________________________。

(3)从B猪体内取组织块剪碎后用____________处理制成单细胞悬液后通过基因改造、核移植技术获得重组细胞,再将重组细胞放入含5%CO2的培养箱中,其中CO2的主要作用是____________________________。培养重组细胞的培养液中,还需要添加__________________等天然成分。

(4)为了检测转基因的D猪是否产生相应抗体,应采用的检测方法是____________________。

【解析】(1)PCR的原理是体内DNA复制。(2)进行核移植时,需要将卵母细胞培养至MⅡ中期(减Ⅱ中期),由于要进行核移植,为保证重组细胞中的核基因只来自基因改造后的B猪的细胞核,所以需要去掉卵母细胞的细胞核。(3)将动物细胞分散成单细胞需要用胰蛋白酶;动物细胞培养过程中CO2的主要作用是维持培养液的pH;培养基中还需要添加动物血清、血浆等天然成分。(4)抗体的本质是蛋白质,所以为检测转基因的D猪是否产生相应抗体,可以采用抗原-抗体杂交。答案:(1)体内DNA复制(2)MⅡ中期(减Ⅱ中期)保证重组细胞中的核基因只来自基因改造后的B猪的细胞核(3)胰蛋白酶维持培养液的pH血清或血浆(4)抗原-抗体杂交3.糖尿病病因复杂、类型多、患者多,基于精准诊断的精准治疗有巨大