高二生物集体备课-选三-《胚胎工程的应用及前景》

 一、教学目标
1.举例说出胚胎移植和胚胎分割。
2.认同胚胎移植在胚胎工程中的地位和作用。
3.关注胚胎工程的研究进展和应用价值。
二、教学难点与重点
1.教学重点
（1）胚胎移植的生理学基础、基本程序和应用。
（2）胚胎分割的应用意义。
（3）胚胎干细胞研究的意义。
2.教学难点
（1）胚胎移植的生理学基础。
（2）胚胎干细胞的概念和分离途径。
三、教学策略
关于“胚胎移植”的教学过程，建议教师选一篇有关的资料发给同学阅读，例如下面的一则报道。
中国首例体细胞克隆牛胚胎移植后代今晨降生
（中新网2003年10月8日电）据胶东在线报道，今天凌晨3时18分，中国首例体细胞克隆牛的胚胎移植后代克隆牛“蓓蓓”在山东莱阳农学院动物胚胎工程中心实验场呱呱坠地。克隆牛“蓓蓓”是采用最新的玻璃化超快速冷冻技术和超数排卵技术繁殖的新型克隆牛。
今天凌晨，记者和科研人员一起，焦急地等待“蓓蓓”的降生。3时18分，在科研人员的努力下，克隆牛“蓓蓓”终于来到了这个世界。母亲黑白花奶牛“梨花”舐犊情深，忽然发起牛威，不许众人靠近，并用舌头舔干“蓓蓓”湿湿的黑色毛皮。“蓓蓓”开始睁开眼睛，怯生生地看着四周关心它的人们。凌晨4时左右，在母亲的帮助和周围人们的鼓励下，“蓓蓓”终于颤悠悠地站了起来，并在母亲的帮助下开始行走。科研人员费了好大的劲才遏制住了母亲的牛劲，开始对刚降生的“蓓蓓”进行科学测量。经测量，“蓓蓓”体长66 cm，身高78 cm，胸围81 cm，心律188次/min，体温39 ℃，体重33 kg，各项生理指标正常。
克隆牛“蓓蓓”是我国成功繁殖的首例和第二例胎儿皮肤上皮细胞克隆牛“康康”和“双双”的后代。2001年，我国研究人员对“康康”和“双双”进行了超数排卵处理，于2003年1月2日，从“双双”体内采集到13枚符合国际胚胎移植标准的可用胚胎（这是国际上首次对体细胞克隆牛进行超数排卵处理试验并获得可用胚胎）。研究人员将这些标准胚胎经过玻璃化超快速冷冻处理后，移植到中国黑白花奶牛“梨花”的子宫内，结果获得妊娠。
采用超数排卵技术和玻璃化超快速冷冻技术的“蓓蓓”的降生证明，体细胞克隆牛“康康”和“双双”与正常繁殖母牛一样对外来激素具有较好的应答能力；体细胞克隆牛经超数排卵获得的胚胎移植后，具有正常的发育成胎儿的能力；“蓓蓓”的降生，证明了我国体细胞克隆技术已达到世界前列。采用超数排卵技术会给畜牧业带来巨大的变革，会促使良种克隆牛快速繁育得到实现，这一切将大大地带动畜牧业产业化的发展。
名词解释
玻璃化超快速冷冻技术：它是最简洁、最快速的胚胎冷冻保存技术，冷冻过程不超过1 min，不需要昂贵的程控冷冻仪器，是促进胚胎移植产业化的关键技术之一。该项目采用玻璃化冷冻体细胞克隆牛胚胎移植产犊，在世界上尚属首例。
超数排卵：也简称“超排”，是指将供体母牛经激素处理，使其发情，并能排出数量较多的发育成熟的卵子，经合理的人工授精方法，可以获得数量较多的可移植胚胎。
在学生阅读后，教师指导学生分组讨论：什么是胚胎移植？教师在学生得出胚胎移植概念的基础上，引导学生完善概念。然后让学生通过阅读教材了解胚胎移植的现状，总结胚胎移植的意义。有关“胚胎移植的生理学基础”的四点内容，教师要重点讲述，并指导学生分析“为什么胚胎移植要在动物发情排卵后一段时间内进行”，以使学生了解胚胎移植的原则，为学生理解胚胎移植基本程序奠定基础。有关“胚胎移植的基本程序”内容，建议阅读教材后，让学生进行概述，这时教师要注意指导学生理解每一步技术操作的作用。
关于“胚胎分割”的教学过程，建议学生自学后，讨论以下问题：
（1）什么是胚胎分割？ 它在畜牧生产上有何意义？
（2）囊胚期的内细胞团有何功能？对囊胚阶段的胚胎进行分割时要注意什么？为什么？
（3）如何进行牛胚胎的分割？
总而言之，教师在教学过程中要注重用自读、设问、讨论等多种形式来引发学生的学习兴趣，防止教师一言堂。具体方法可参见后面的《教学案例》。
关于“胚胎干细胞”的教学过程，建议让学生阅读教材和通过报刊、杂志、互联网等媒体搜集资料，撰写一篇关于胚胎干细胞应用价值的综述，其中要对胚胎干细胞的来源、功能及特点进行说明。写好的综述要在班里交流，并由学生和教师给以评价。
在学习本节时，如果有条件,可组织学生到家畜良种场参观，或请胚胎工程的专家进行专题讲座，以开阔视野，加深认识。
四、答案和提示
（一）思考与探究
1.右图是同学们到某良种场进行参观后，看到的胚胎移植繁育良种奶牛的技术流程示意图。请看图思考并讨论以下各题。
（1）用文字完成下面的流程图。
答：① 对供、受体母畜进行选择，并进行同期发情处理；③ 配种或人工授精；④ 收集胚胎；⑥ 胚胎移植；⑦ 对受体母畜进行是否妊娠的检查。
（2）应该怎样选择供体公、母牛和受体母牛？在②中，为什么要用促性腺激素处理供体母牛，在促性腺激素处理供体母牛前，为什么需要对供体和受体母牛进行同期发情处理？
答：供体公、母牛应该是具有人类所需的优良遗传性状的个体，而受体母牛必须具有正常的孕育、生殖后代的能力；需要用促性腺激素处理供体母牛是为了引起超数排卵，这样就可以获得较多的胚胎；在促性腺激素处理供体母牛前，对供体和受体母牛进行同期发情处理，才能使它们的生理条件达到同步或一致，使供体的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件。
（3）在右侧的流程图中，哪一步需要进行冲卵？冲卵是把母畜的卵子冲出来吗？
答：第④步需要进行冲卵，冲卵是指将供体母畜体内的受精卵冲出来，而不是把卵子冲出来。
（4）用胚胎移植繁育良种种畜具有哪些实用意义？
提示：胚胎移植可充分发挥雌性优秀个体的繁殖潜力。具体表现为：缩短了供体本身的繁殖周期，同时通过超数排卵处理和胚胎移植可获得比自然繁殖多十几倍到几十倍的后代。
可在短期大幅度增加优良个体母畜和公畜的后代数量，迅速扩大良种畜群，加速育种和品种改良工作。
经冷冻保存的胚胎可进行国内和国际交换，代替活畜的引种或进出口。
通过胚胎移植可以人为生产双胎或多胎。
可以通过保存胚胎来保存品种资源和濒危动物。
（二）正文中讨论题
1.在胚胎移植操作中，怎样才能使胚胎在移植前后所处的生理环境保持一致？例如，供、受体的发情时间要一致吗？供体胚胎移入受体子宫的位置，应与在供体内的位置相同或相似吗？
答：应对供体和受体母畜进行同期发情处理，使它们的生理条件达到同步或一致，这样才能使供体的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件，这是胚胎移植成功与否的关键。因此，必须做到供、受体母畜的发情时间一致。同时还要做到移入受体子宫胚胎的位置应该与其在供体内的位置相同或相似，移入胚胎一侧的受体子宫角对应的卵巢必须有黄体存在。
2.胚胎移植实质上是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。你认为这样的概括正确吗？
答：胚胎移植成功率的高低与供、受体生理环境条件一致性密切相关。只有供、受体生理环境高度一致，移入受体的胚胎才能被接受，并继续发育。所以我们可以把胚胎移植简单概括为早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。这样的概括是正确的。
（三）旁栏思考题
对囊胚阶段的胚胎进行分割时，为什么要将内细胞团均等分割？
提示：内细胞团一般到囊胚阶段才出现，它是发育为胚胎本身的基础细胞，其他细胞为滋养细胞，只为胚胎和胎儿发育提供营养。若分割时不能将内细胞团均等分割，会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强，少的部分发育受阻或发育不良，甚至不能发育等问题。
五、知识拓展
1.为什么哺乳动物发情排卵后，不管是否妊娠，在一段时间内，同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的？
因为哺乳动物发情排卵后，不管雌性动物妊娠与否，都会产生黄体，并维持一段时间，称为黄体期。在这段时间里，同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的，这就为供体胚胎移入受体子宫内继续发育提供了相同的生理环境。
2.胚胎移植的发展概况怎样？
胚胎移植技术的发展分为实验生物学、家畜试验和畜牧生产三个阶段。
实验生物学阶段的标志是，1890年英国的希普（W. Heape）成功地进行了家兔的胚胎移植。该实验证实了早期胚胎在生理条件一致的受体母兔体内正常发育的可能性。其后在多种实验动物上的成功，为研究者提供了在家畜方面进行试验的经验，首先在羊、猪、牛和马等主要家畜上取得成功，使胚胎移植进入了具有生产意义的畜牧生产领域。
20世纪60年代以来，对胚胎移植技术环节中的胚胎收集、保存和移植等研究取得了很大进展，为这项技术在畜牧生产中的实际应用奠定了基础。
20世纪70年代以后，胚胎移植进入了生产应用阶段。其中牛的胚胎移植技术发展最快，并逐步在奶牛的育种和生产中得到应用。一些国家陆续成立了牛胚胎生产和移植公司，国际国内的胚胎贸易和技术服务广泛开展。
近20年来，在牛的胚胎移植中，技术方法更为简捷、方便、实用。目前已达到一头供体牛平均每次收集到的胚胎经移植可产下2～4头犊牛。
20世纪60年代，我国获得家兔、绵羊、牛、马和山羊的胚胎移植成功。近10年来，牛、羊的胚胎移植在我国部分地区已进入生产应用阶段。
3.为什么说胚胎分割技术也是动物克隆的方法之一？
生物的无性繁殖方式统称为克隆。就胚胎分割技术本身而言，是将同一胚胎分割成几部分，借助胚胎移植技术产生遗传物质完全相同的后代，是一种无性繁殖的方式，因此，也属于动物克隆的一种方法。
4.为什么胚胎分割的份数越多，操作的难度会越大，移植的成功率也越低？
早期胚胎的体积很小，只有在显微镜下才能看到；再者，细胞数目是有限的。分割的份数越多，不但难以做到均等分割，每一份的细胞数会越少，而且作为囊胚期的胚胎内细胞团细胞所受的影响会更大。因此，分割的份数越多，技术的难度会越大，移植后的恢复和发育的难度会越大，移植成功率自然会降低。
5.胚胎收集的方法有几种？如何操作？
对配种或授精后的供体母畜，经过一段时间就要进行胚胎的收集。其具体操作方法是用配制好的冲卵液，借助特制的冲卵装置，把位于子宫或输卵管的胚胎冲洗出来，也称冲卵。之后，再进行胚胎质量检查。冲胚胎的时间一般在配种或授精后3～8天进行，这时的胚胎已发育到4～8个细胞以上。
冲卵的方法分为手术法和非手术法两种，胚胎移植技术应用的早期多采用手术法冲卵，目前对于牛、马等大家畜多采用非手术法，而小家畜或实验动物仍然使用手术法。手术法冲卵需按外科手术的要求，在腹部适当部位切口，并迅速找到输卵管和子宫，引出体外。一般用注射器吸取冲卵液，自输卵管的腹腔开口或子宫角注入冲卵液，而从对应的另一端（子宫角或输卵管）插入一条塑料管引出含有胚胎的冲卵液，两侧子宫角要分别冲洗。冲卵确切的部位要根据家畜的种类、配种的时间、胚胎生长的速度和胚胎所在的位置来确定。冲卵液的用量应依据子宫角的容量而定。冲卵操作要力求迅速、准确，防止对生殖器官的损伤和粘连。
对牛、马等大家畜可采用非手术法冲卵，一般是在配种后的第7天用特制的冲卵管进行冲卵。先将冲卵管导入子宫角的适当位置，借助冲卵管外层的气球，固定冲卵管的位置并封闭冲卵部位，防止冲卵液流入生殖道。冲洗时，先将冲卵液注入子宫角封闭部位，经冲洗后再导出，反复进行。
6.胚胎干细胞（ES细胞）的来源和主要特点是什么？
ES细胞来源于早期胚胎，是从早期胚胎细胞中分离出来的。它具有胚胎细胞的特性，体积较小，细胞核大，核仁明显；在功能上，具有发育的全能性，可分化为成年动物任何一种组织细胞。另一方面，在体外培养条件下，ES细胞可不断增殖而不发生分化，可进行冷冻保存，也可以进行某些遗传改造。
7.ES细胞的主要用途是什么？
ES细胞可用于研究哺乳动物个体发生和发育的规律，也是在体外条件下研究细胞分化的理想材料。ES细胞通过诱导分化可产生新的组织细胞，用于治疗人类的组织损伤和某些顽症。还可通过ES细胞的体外诱导分化，定向培育人造组织器官，用于器官移植，解决供体器官不足和移植后免疫排斥的问题。
8.ES细胞的研究历史是怎样的？
ES细胞的研究是从1958年史蒂文斯（Stevens）发现小鼠畸胎瘤细胞（embryonic carcinoma cell，EC）开始的。EC细胞因具有可以分化为生殖细胞和其他细胞的特性而引起人们的注意。研究人员开始寻求从正常小鼠胚胎中分离培养类似EC细胞的可能性。1987年，伊文思（Evans）和考夫曼（Kaufman）历时8年，从延迟着床的小鼠胚胎中分离得到了ES细胞，当时用两人名字的第一个字母命名为EK细胞。从此以后，小鼠ES细胞的分离技术逐渐成熟，成为研究小鼠胚胎发育不可缺少的技术环节。1988年，德奇曼（Doetschman）等建立了仓鼠的ES细胞系。1994年，惠勒（Wheeler）和罗伯特（Robert）的研究小组分别用胚胎和原始生殖细胞（primadial germ cell，PGC）培养获得了猪的ES细胞。1998年，美国威斯康星大学汤姆森（Thomson）等人利用不同的方法分别从人的体外受精囊胚和PGC中分离得到了人的全能ES细胞。人的ES细胞的分离成功引起了生物和医学界的密切关注，为在体外培养人类所需的组织细胞，取代病人体内坏死组织细胞，治疗各种疑难病症提供了新的途径。

前沿动态

1.显微受精（microfertilization）
显微受精是20世纪80年代后期发展起来的一种新型的体外受精技术。它是借助显微操作仪器，将精子或生精细胞直接注入卵母细胞的胞质内， 或卵黄间隙，即透明带下， 完成受精的过程。 这项技术对于研究哺乳动物卵子和精子相互作用机理以及受精的实质， 具有重要的理论意义； 同时， 对在畜牧生产中提高优良公畜精液的利用率，以及保护濒危物种，也具有重要的实用价值。 目前， 这项技术已被广泛应用到男性不育的治疗， 并取得了显著的效果。 至今， 全球已生下显微受精的试管婴儿数千名。 但目前这项技术还不够成熟，受精和发育率还比较低，整体效率不高，有许多问题正在深入研究之中，以促进该技术更普遍地用于动物生产和人类不孕症的治疗。
2.人ES细胞研究前沿进展
1999年底，在美国《Science》（《科学》杂志）公布的年度世界十大科学成果评选中，“干细胞研究的新发现”荣登十大科学成果之首，而举世瞩目的、耗资巨大的人类基因组计划只居第二位，足见干细胞研究的重要性。
ES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，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进行说明。
（1） ES细胞维持自我更新和定向分化的分子机理。
只有对ES细胞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，ES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，有望近期取得突破。
（2）如何做到ES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ES细胞体外培养分化方面取得了一些研究进展，但效果仍不令人满意，尚需对培养条件做进一步优化的研究工作。
（3）对ES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）如何诱导干细胞定向分化？
理论上讲，ES细胞可以分化成各种组织细胞，可形成各种器官。但是，目前从ES细胞向不同组织“细胞定向”的特定条件还不十分清楚，这限制了当前ES细胞的临床应用。