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高二生物集体备课-选三-《动物细胞工程》

[日期:2012-02-08]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:742[字体: ]

 一、教学目标
1.简述动物细胞培养的过程、条件及应用。
2.简述通过动物体细胞核移植技术克隆动物的过程和应用前景。
3.举例说出动物细胞融合与单克隆抗体的原理和应用。
二、教学重点和难点
1.教学重点
(1)动物细胞培养的过程及条件。
(2)用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。
(3)单克隆抗体的制备和应用。
2.教学难点
(1) 用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。
(2) 单克隆抗体的制备过程。
三、教学策略
有了第一节的基础,学生对本节内容易于理解。因此,本节教学采用讲授、自学、讨论等相结合的教学方法。具体建议如下。
在动物细胞培养的教学中,可把这部分内容归纳成三个问题:(1)为什么要进行动物细胞的培养?(2)什么是动物细胞的培养?(3)怎样进行动物细胞的培养?第三个问题是本节课的重点。关于动物细胞的培养过程,教师可参照教材中的动物细胞培养过程示意图进行讲解,讲解中要注意区分原代培养和传代培养这两个概念。对于动物细胞培养的条件,则要从学生已有的内环境的知识出发,启发学生自己动脑思考这个问题,以加深对培养条件的理解。
在动物体细胞核移植技术及克隆动物的教学中,可首先让学生列举所知道的克隆动物,调动学生已有的知识。随后可向学生提问:克隆动物的方法与植物组织培养一样吗?然后向学生说明目前动物体细胞克隆是通过核移植技术来实现的,以引入本节课的主题。关于核移植技术发展简史,可让学生在课堂上阅读,本节课的重点和难点是在动物体细胞核移植技术过程,教材中选用了一个非常好的素材──以诞生在我国的高产克隆奶牛为例,来说明体细胞核移植的过程。教师应充分利用和挖掘教材内容,带领学生一步步弄清动物体细胞核移植技术的过程。对于体细胞核移植技术的应用前景和存在的问题这部分内容,可结合本节教材“思考与探究”中的有关问题,以及“拓展视野”中的有关克隆羊多利的早衰问题等,让学生讨论。
在细胞融合和单克隆抗体的教学中,教师可先启发学生回顾植物体细胞杂交技术的过程,再通过动植物细胞异同点的对比,引导学生大胆推测出动物细胞融合与植物原生质体融合的原理及方法基本相同,以培养学生的知识迁移能力。随后通过教材上的用灭活病毒诱导动物细胞融合过程的示意图,重点讲解为什么灭活的病毒可用来做诱导物,并指出动物细胞的融合也需要把多个两种细胞放在一起,让它们随机融合后,再从中筛选杂交细胞。最后教师要讲明动物细胞融合技术的意义和应用,以便自然过渡到单克隆抗体上来。
关于单克隆抗体的教学,教师要利用好教材提供的材料,突出从问题入手的思路,先介绍医疗实践中仅靠细胞培养难以获得大量抗体,然后,一步一步启发学生讨论怎样解决这个问题。要把科学家在研制单克隆抗体过程中,通过大胆的想像,创造性地解决问题的过程作为本节教学的重点和亮点,使学生在获得单克隆抗体知识的同时,受到创新精神的教育。
四、答案和提示
2.2.1动物细胞培养和核移植技术
(一)思考与探究
1.幼龄与老龄动物的组织细胞比较,分化程度低的与分化程度高的组织细胞比较,哪一种更易于培养?思考一下,这是什么道理?
提示:细胞的衰老与动物机体的衰老有着密切的关系,细胞的增殖能力与供体的年龄有关,幼龄动物细胞增殖能力强,有丝分裂旺盛,老龄动物则相反。所以,一般来说幼年动物的组织细胞比老年动物的组织细胞易于培养。同样,组织细胞的分化程度越低,则增殖能力越强,所以更容易培养。
2.动物细胞培养要经过脱分化的过程吗?为什么?
提示:脱分化又称去分化,是指分化细胞失去特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程。植物的任何一部分,甚至单个细胞都具有长成完整植株的能力。但要发育成完整植株,必须先脱分化,脱分化的细胞具有发育成任何组织的能力,然后进行再分化,形成完整植株。植物细胞培养主要用于农林生产中的作物、苗木育种,快速繁育种苗、培育无病毒植株等,这就要求植物的组织或细胞先进行脱分化。动物细胞的培养有各种用途,一般而言,动物细胞培养不需经过脱分化过程。因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,所以,动物细胞也就没有类似植物组织或细胞培养时的脱分化过程了。要想使培养的动物细胞定向分化,通常采用定向诱导动物干细胞,使其分化成所需要的组织或器官。
3.1997年,美国威斯康星州的一个奶牛场有一头名叫卢辛达(Lucinda)的奶牛,年产奶量为30.8 t,创造了世界奶牛产奶量最高新纪录。目前世界各国高产奶牛场奶牛,年平均产奶量一般为十几吨,而我国奶牛产奶量年平均水平仅为3~4 t。
(1)能利用体细胞核移植技术克隆高产奶牛卢辛达吗?请说明理由。
提示:可以用体细胞核移植技术克隆高产奶牛卢辛达。卢辛达的产奶量很高,说明它有高产奶的遗传基础,利用卢辛达的体细胞克隆的奶牛其遗传物质基本上全部来自该奶牛,其克隆牛具有高产的遗传基础,如果精心培育和饲养,有可能在世界范围内推广,克隆牛再与高产的公牛自然繁殖,可得到很多高产的后代,从而加快奶牛改良进程。
但同时需注意,该克隆牛不能无限制地推广,其数量不宜过多,尤其是在小范围内不能无限的繁殖,以避免奶牛群出现近亲繁殖而引起种质衰退。
(2)如果将克隆高产奶牛卢辛达的任务交给你,你将如何对它进行克隆?
提示:首先从卢辛达耳朵(也可用别的组织、器官,耳朵在活体上容易取)上剪取一小块组织,在体外培养获得该组织(如软骨组织)的细胞。从屠宰场取废弃的牛卵巢,抽取卵母细胞体外培养成熟。用显微针去除卵母细胞的核,再将耳细胞注入卵母细胞,用电刺激方法使卵母细胞与体细胞融合,这时供体核就进入了受体卵母细胞,再用电刺激或化学物质激活注入了体细胞核的卵母细胞,使其完成减数分裂和发育过程。核移植胚胎在体外短时间培养后,挑选正常卵裂的胚胎植入经同期发情处理的受体母牛体内。
4.体细胞核移植技术在研究和应用上还存在什么问题?请你查阅资料,了解这方面的前沿动态。
提示:在研究方面,克隆动物基因组重新编程的机制尚不清楚,克隆技术效率低,克隆动物畸形率高、死亡率高、易出现早衰等问题。这些问题尚在研究中。
在应用上,生产克隆动物费用昂贵,距大规模应用还有一定距离。
(二)正文中讨论题
【讨论1】
多细胞动物和人体的细胞都生活在内环境中,根据你所学的内环境的知识,思考并讨论以下问题:
1.体外培养细胞时需要提供哪些物质?
提示:充足的营养供给、适宜的温度、适宜的pH和气体环境。
2.体外培养的细胞需要什么样的环境条件?
提示:无菌、无毒的环境。
【讨论2】
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核?
提示:为使核移植的胚胎或动物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,在供体细胞的细胞核移至受体细胞之前,必须将受体细胞的遗传物质去掉或将其破坏。
2.用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞,想一想,这是为什么?
提示:培养的动物细胞一般当传代至10~50代左右时,部分细胞核型可能会发生变化,其细胞遗传物质可能会发生突变,而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。因此,在体细胞核移植中,为了保证供体细胞正常的遗传基础,通常采用传代10代以内的细胞。
3.你认为用上述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%的复制吗?为什么?
提示:克隆动物绝大部分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。所以,用教材中所述的方法克隆的动物不是供核动物完全相同的复制。
此外,即便动物的遗传基础完全相同,但动物的一些行为、习性的形成与所处环境有很大关系,核供体动物生活的环境与克隆动物所生活的环境不会完全相同,其形成的行为、习性也不可能和核供体动物完全相同,从这一角度看,克隆动物不会是核供体动物100%的复制。
(三)寻根问底
胰蛋白酶真的不会把细胞消化掉吗?为什么?
提示:胰蛋白酶除了可以消化细胞间的蛋白外,长时间的作用也会消化细胞膜蛋白,对细胞有损伤作用,因此必须控制好胰蛋白酶的消化时间。
(四)旁栏思考题
1.进行动物细胞传代培养时用胰蛋白酶分散细胞,说明细胞间的物质主要是什么成分?用胃蛋白酶行吗?
提示:用胰蛋白酶分散细胞,说明细胞间的物质主要是蛋白质。胃蛋白酶作用的适宜pH约为2,当pH大于6时,胃蛋白酶就会失去活性。胰蛋白酶作用的适宜环境pH为7.2~8.4。多数动物细胞培养的适宜pH为7.2~7.4,胃蛋白酶在此环境中没有活性,而胰蛋白酶在此环境中活性较高,因此胰蛋白酶适宜用于细胞培养时的消化。
2.为什么对动物细胞进行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,其中蛋白质主要为白蛋白和球蛋白。氨基酸有多种,是细胞合成蛋白质的基本成分,其中有些氨基酸动物细胞本身不能合成(称为必需氨基酸),必须由培养液提供。血清激素有胰岛素、生长激素等及多种生长因子(如表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、类胰岛素生长因子等);血清还含有多种未知的促细胞生长因子、促贴附因子及其他活性物质,能促进细胞的生长、增殖和贴附。因此,细胞培养时,要保证细胞能够顺利生长和增殖,一般需添加10%~20%的血清。
2.2.2动物细胞融合与单克隆抗体
思考与探究
1.植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术有什么不同?
提示:植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术基本相同,不同的是植物体细胞融合前需去掉细胞壁,然后再融合;动物细胞融合是两个体细胞直接融合。
2.制备单克隆抗体时,为什么要选用B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合形成杂交瘤细胞?
提示:哺乳动物感染抗原后,其体内会形成相应的B淋巴细胞,B淋巴细胞能分泌相应的抗体凝聚或杀死这些抗原。动物在免疫反应的过程中,每一种B淋巴细胞能分泌一种特异性抗体,要想获得大量的特异性抗体,必须使能分泌该单一抗体的B淋巴细胞大量增殖。B淋巴细胞具有产生单一抗体的能力,但不能在体外增殖;骨髓瘤细胞是一种癌细胞,它能在体外培养条件下无限增殖,但不能产生抗体。因此,把一种B淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行细胞融合,产生杂交瘤细胞,它会兼有两个亲本细胞的特性──在体外培养条件下能不断增殖,同时能产生出某种特异性的抗体。
五、知识拓展
1.动物细胞培养技术是如何发展起来的?
1907年,哈里森(Harrison)在无菌条件下用淋巴液作培养基,培养蛙胚神经组织存活数周,并观察到神经细胞突起的生长过程,由此创建了盖片覆盖凹窝玻璃悬滴培养法,奠定了动物组织体外培养的基础。之后,又有人将悬滴培养法改良为双盖片培养,提高了传代效率并减少了污染。1923年,卡雷尔(Carrel)设计了卡氏瓶培养法,扩大了组织生存空间。 1951年, 厄尔 (Earle) 发明了体外培养动物细胞的人工合成培养基。1951年,波米拉(Pomerat)设计了灌流小室,使细胞生活在不断更新的培养液中,便于作显微摄影和细胞代谢的研究。1957年,格拉夫(Graff)用灌流技术进一步提高了细胞悬浮培养的效率。1957年,杜尔贝科(Dulbecco)等人采用胰蛋白酶消化处理和应用液体培养基的方法,获得了单层细胞培养。单层培养法的出现,对组织培养的发展起了很大的推动作用。此后单层培养成为组织培养普遍应用的技术。20世纪60年代后,动物细胞大规模培养技术开始起步,并逐步发展。20世纪80年代后,随着基因工程和其他细胞工程技术的发展,细胞培养技术已成为转基因技术、生物制药及其他许多技术的基础,在现代生物技术中发挥着重要的作用。
2.为什么动物细胞要分散成单个细胞培养?用酶消化的是什么物质?
细胞原代培养时可以分散成单个细胞培养,也可以用细胞群(团)、组织块培养,经传代培养后,最终都为细胞培养。
分散成单个细胞、细胞群(团)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。
用酶消化的是细胞间基质,细胞间基质主要成分有胶原蛋白、层粘连蛋白、纤粘连蛋白、弹性蛋白等成分。用蛋白酶可使其消化,从而使细胞相互分离。
3.动物细胞培养液是由哪些化学成分组成的?
糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。
4.体细胞核移植技术为什么要选择MII期的卵母细胞做受体细胞?
细胞核移植技术中能用作受体细胞的通常有MII期卵母细胞和受精卵(合子)。早期核移植技术中常用受精卵,后来基本上用MII期卵母细胞取代了受精卵,主要因为两者的细胞质环境不同。有人认为重组需要的因子存在于MII期卵母细胞的胞质中,而在原核形成时这些因子已被降解或用光,因此,原核扩张后受精卵去核可引起胞质中重组因子缺乏。成熟促进因子(MPF)是卵母细胞细胞质中重要的胞质影响因子,MPF的活性在卵母细胞减数分裂的MI期和MII期达到最高,受精或激活后,MPF迅速灭活,因此,MII期卵母细胞中MPF活性高,而受精卵中MPF活性低。MPF水平的高低可影响供体核染色质的状态和复制。MII期卵母细胞细胞核、细胞质已成熟,而MI卵母细胞细胞核、细胞质尚未成熟,其细胞质不能支持胚胎的全程发育,因此,尽管MI期卵母细胞MPF活性也高,但不能用作受体卵母细胞。
也有人认为用去核合子做受体时,可能由于合子去核时一些早期发育必需的因子随原核的去除而被去掉了,而使去核受精卵缺乏发育能力。
因此,目前广泛采用MII期卵母细胞做受体。
5.已成功的动物细胞融合实例还有哪些?
生物种类细胞来源成功年代
酵母菌—鸡原生质体—血红细胞1975年
人—胡萝卜腹水癌细胞—原生质体1976年
人—小鼠纤维肉瘤细胞—畸胎瘤细胞1978年

要知道更多的实例,需经常查阅更多科研报道。
6.为什么不用两个而要用多个细胞进行动物细胞间的融合?
就目前常用的细胞融合方法来看,不管是用物理的、化学的方法,还是生物的方法,其融合率都不可能是100%。仅用两个细胞融合,其效率太低,不一定能得到融合细胞。更重要的是,即使两个细胞已发生融合,但并不一定是研究者期望得到的细胞类型。目前动物细胞融合技术最有价值的应用就是单克隆抗体的制备。我们以制备单克隆抗体为例来说明这一问题。我们知道,体内产生的特异性抗体种类可多达百万种以上,但是每一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体,如果仅取一个脾细胞(含B淋巴细胞)和一个瘤细胞杂交,我们不能确定该脾细胞分泌的抗体是否正是我们所需要的;若用大量的脾细胞和瘤细胞进行融合,就可以从融合细胞中筛选出能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。
7.如何进行杂交瘤细胞的抗体检测及克隆化培养?
融合后的细胞经选择性培养基培养后,能存活的细胞就是杂交瘤细胞。但这些杂交瘤细胞并非都是能分泌所需抗体的细胞,通常用“有限稀释法”来选择。将杂交瘤细胞稀释,用多孔细胞培养板培养,使每孔细胞不超过一个,通过培养让其增殖。然后检测各孔上清液中细胞分泌的抗体(常用酶联免疫吸附试验法),那些上清液可与特定抗原结合的培养孔为阳性孔。阳性孔中的细胞还不能保证是来自单个细胞,挑选阳性孔的细胞继续进行有限稀释,一般需进行3~4次,直至确信每个孔中增殖的细胞为单克隆细胞。该过程即为杂交瘤细胞的克隆化培养。

前沿动态

1.对称融合与非对称融合
细胞融合在植物上可以克服有性杂交的不亲和性,打破物种之间的生殖隔离,是扩大遗传重组范围的一种有效手段,也称之为体细胞杂交,由此再生出来的植株是体细胞杂种。
进行细胞融合的方式有两种:一是将两个物种的细胞除去细胞壁后,将完整的原生质体融合在一起。在融合的细胞中含有两个细胞核和两种细胞质,这种融合方式叫做对称融合(symmetric fusion)。对称融合往往由于细胞核分裂不同步而产生染色体排斥丢失,同时也由于两个物种的全套基因组合在一起,好坏基因共处于一个杂种中,往往需要多次回交才能除去杂种中的不利基因,耗时长,效率低。为了较好的解决对称融合所带来的问题,产生了另外一种融合方式──非对称融合(asymmetric fusion)。非对称融合是指融合双方的亲本一方为完整的原生质体(包括细胞核和细胞质),而另一方只有部分染色体和细胞质,或者无染色体只有细胞质。这种融合方式可以较好的减少不利基因的重组,所得杂种只需要数次回交就可以达到改良作物的目的,耗时短,效率较高。除去染色体的方法可以用γ射线、χ射线、紫外线等物理方法,也可以用纺锤毒素等化学方法。
2.单倍体的诱导方法及应用价值
单倍体(haploid)是指具有配子染色体数目的个体。单倍体可以自发产生,也可以诱发产生。动物中(除蜜蜂、白蚁等外)的单倍体,由于生理上不正常,在胚胎发育时期就会死亡。植物上自发产生单倍体的植物很多,如番茄、棉花、咖啡、甜菜、大麦、小麦、油菜等,共有约10个科26个属36个种的植物可以自发产生单倍体。
除了自发产生单倍体外,人工诱导产生单倍体的方法有:
(1)种间和属间杂交。由于远缘杂交,虽然不能受精,但在远缘物种的花粉诱导下,卵细胞可以在未受精情况下发育成胚,这种情况在马铃薯、大麦、小麦、玉米中都可以发生;
(2)物理和化学诱变。花粉经射线照射或化学药品处理失去受精能力,但仍可以刺激卵细胞发育成胚;
(3)双生苗筛选。有些植物可以产生多胚种子,即2~3个胚共处于一个种皮中,这样的种子可以形成单倍体植株;
(4)花药或花粉培养。单倍体具有很好的应用价值:在植物育种上,单倍体经过加倍可以使后代迅速纯合,缩短育种年限;由于单倍体经加倍后,在理论上各基因位点应处于纯合状态,对后代进行选择时,选择到的个体代表着真实的变异,避免了杂交育种中杂交优势对选择个体的干扰,提高了选择效率;用单倍体作为转基因的受体,获得的转基因材料经加倍后基因即可纯合,避免了体细胞作为受体,会由于后代分离需要多代选择的麻烦。目前以油菜小孢子作为转基因受体已得到转基因植株。
3.体细胞核移植与线粒体DNA
目前出生的克隆动物,没有与核供体动物完全一样的,如在毛色花纹上就会有微细的差异。
对多利羊的研究发现,其核外的少量DNA,即线粒体中的DNA来自于受体卵母细胞,而不像其他DNA一样来自于供体核。
法国某研究中心最近指出,现有的核移植技术普遍重视细胞核中的DNA,而忽视细胞质中线粒体DNA的作用,因此无法真正克隆出一模一样的动物。该研究中心对实验鼠进行了12年的研究,发现细胞核DNA并非包含机体全部的遗传信息,其细胞质中线粒体DNA在机体某些遗传特征方面也起重要作用。细胞核含有成千上万的基因,细胞质线粒体DNA只含有不到50个遗传基因。该研究中心发现用目前普遍采用的体细胞核移植方法得到的克隆鼠的行为有时和体细胞核供体鼠完全不同,但若将线粒体DNA也移入去核卵母细胞,克隆鼠与其体细胞提供者的行为就基本一致了。这说明线粒体DNA对动物大脑的发育和行为都有直接影响。


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