1、第第3434讲讲 动物细胞工程动物细胞工程 第第1010单元单元 2022 内 容 索 引 01 02 03 素养导读素养导读 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 核心考点核心考点 能力提升能力提升 素养导读素养导读 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 一、动物细胞的培养 1.动物细胞培养的条件 (1)营养 培养基类型 按成分分: 培养基 按物理状态分: 培养基 成分:培养基中应含有细胞所需要的各种营养 物质 天然成分: 等 合成 液体 血清 (2)无菌、无毒的环境:在体外培养细胞时,需要对培养液和所有培养用具 进行灭菌处理以及在 环境下进行操作。 (3)温度、pH和渗透压:哺乳动物细胞培养的
2、温度多以 为宜。 多数动物细胞生存的适宜pH为 。此外, 也是动物细胞 培养过程中需要考虑的一个重要环境参数。 (4)气体环境:动物细胞培养所需气体主要有O2和CO2。O2是细胞代谢所必 需的,CO2的主要作用是维持培养液的 。在进行细胞培养时,通常采 用培养皿或松盖培养瓶,并将它们置于含有 的混合 气体的CO2培养箱中进行培养。 无菌 36.50.5 7.27.4 渗透压 pH 95%空气和5%CO2 2.动物细胞培养的过程 新鲜的动物组织块 单个细胞 细胞悬液 机械 胰蛋白酶 胶原蛋白 原代 培养 有些细胞能够悬浮在 中生长 增殖 大多数细胞在培养瓶的瓶壁 ,具有 现象 悬浮培养的细胞直接
3、用 收集 贴壁细胞需要用 等处理,然 后再用 收集 传代培养 培养液 贴壁生长 接触抑制 离心法 胰蛋白酶 离心法 3.干细胞培养及其应用 (1)分类 胚胎干细胞:简称 ES 细胞,存在于 中,具有分化为成年动物体内的 任何一种类型的细胞,并进一步形成机体的 所有 甚至 的潜能 成体干细胞:包括骨髓中的 干细胞、 神经系统中的神经干细胞和睾丸中的 干细胞等。成体干细胞具有组织 , 只能分化成特定的细胞或组织,不具有发育 成完整个体的能力 早期胚胎 组织和器官 个体 造血 精原 特异性 (2)诱导多能干细胞(iPS细胞):科学家借助载体将特定基因导入细胞中,直 接将特定蛋白导入细胞中或者用小分子
4、化合物等诱导形成。 二、动物细胞融合技术与单克隆抗体 1.动物细胞融合技术 (1)概念:使 或 动物细胞结合形成 的技术。 (2)诱导融合的方法: 、电融合法和 诱导法 等。 (3)结果:融合后形成的杂交细胞,具有原来两个或多个细胞的遗传信息,可 表现出两个或多个亲本的特点。 (4)意义:突破了 的局限,使 成为可能。 两个 多个 一个细胞 PEG融合法 灭活病毒 有性杂交 远缘杂交 2.单克隆抗体的制备过程 骨髓瘤细胞 B淋巴细胞 杂交瘤细胞 克隆化 抗体 体外 腹腔 腹水 三、动物体细胞核移植技术和克隆动物 1.分类:包括 移植和 移植,其中 移 植较易成功。 2.过程(以克隆高产奶牛为例
5、) 胚胎细胞核 体细胞核 胚胎细胞核 供体细胞 去核卵母细胞 重构胚 克隆动物 概念检测 1.动物细胞培养是动物细胞工程的基础,基于对动物细胞培养的认识,判断 下列表述是否正确。 (1)在25 的实验条件下可顺利完成大鼠神经细胞的培养。( ) (2)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。( ) (3)动物细胞培养和植物组织培养过程中都要用到胰蛋白酶。( ) (4)动物细胞培养环境中需要O2,不需要CO2。( ) (5)动物细胞要经过脱分化形成愈伤组织。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) 2.基于对动物细胞融合技术与单克隆抗体的认识,判断下列表述是否正确。 (1)植
6、物原生质体融合与动物细胞融合的原理是相同的。( ) (2)体细胞杂交技术可用于克隆动物和制备单克隆抗体。( ) (3)小鼠骨髓瘤细胞的染色体数为40,B淋巴细胞的染色体数为46,融合后形 成的杂交瘤细胞DNA分子数为86。( ) (4)杂交瘤细胞进行体内培养,是为了获得能产生单克隆抗体的胚胎。 ( ) (5)B淋巴细胞和骨髓瘤细胞经细胞融合后有三种细胞类型(若仅考虑两两 融合的情况)。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) 3.基于对动物细胞核移植技术的认识,判断下列表述是否正确。 (1)动物细胞核移植的受体细胞必须是卵细胞。( ) (2)克隆动物的性状与供体动物完全相同。( )
7、 (3)与“多莉”羊等克隆哺乳动物相关的技术有胚胎移植、细胞培养和核移 植。( ) (4)“去核”是去除减数分裂期(M期)的卵母细胞中的纺锤体染色体复 合物。( ) (5)重构胚是指人工重新构建的胚胎,具有发育成完整个体的能力。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) 核心考点核心考点 能力提升能力提升 考点一考点一 动物细胞培养动物细胞培养 合作探究合作探究 探究1离体的动物细胞在适宜条件下培养可以进行生长和增殖 在治疗大面积烧伤时,通常采用的方法是取烧伤病人的健康皮肤进行自体 移植。但患者的自体健康皮肤非常有限,使用他人皮肤来源又不足,而且会 产生免疫排斥反应。通过动物细胞培养
8、技术,利用患者自体皮肤的单个细 胞能够培养出可供移植的皮肤。 (1)动物细胞培养要经过脱分化的过程吗?动物细胞培养的原理是什么? 提示 动物细胞培养不需要经过脱分化过程。动物细胞培养的原理是细 胞增殖,实质就是动物细胞通过有丝分裂增殖的过程。 (2)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?尝试分析说明原因。 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,一般来说幼龄动物的组织细胞比老龄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
9、力越强,所以更容易培养。 (3)为什么原代培养后必须进行传代培养? 提示 原代培养的细胞在生长、繁殖一定时间后,悬浮培养的细胞会因细 胞密度过大、有害代谢物积累和培养液中营养物质缺乏等因素而分裂受 阻;贴壁细胞在生长增殖时,除受上述因素的影响外,还会发生接触抑制现 象而停止分裂增殖。因此需要对细胞进行分瓶培养,让细胞继续增殖。 归纳总结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 植物细胞的全能性 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 糖类、氨基酸、无机盐、 维生素、水、血清等 培养结果 新的
10、植株或组织 大量新细胞或细胞产物 应用 快速繁殖; 培育脱毒植株; 细胞产物的工厂化生产 人造皮肤的构建; 动物分泌蛋白的规模 化生产 比较项目 植物组织培养 动物细胞培养 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、幼龄动物的 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 的特点 分裂:形成愈伤组织;分 化:形成根、芽 只分裂不分化; 贴壁生长; 接触抑制 探究2干细胞培养技术将在再生医学、药物安全等领域发挥重要作用 学术期刊自然发表重磅论文,介绍人造皮肤领域的新突破美国哈 佛医学
11、院耳鼻喉科助理教授卡尔 科勒,以及研究助理李智运(音译)等人报 告,他们在仔细优化类器官培养系统生长条件后,利用人类诱导多能干细胞, 培养出能生长毛发的皮肤类器官。 (1)胚胎干细胞和成体干细胞有什么不同? 提示 胚胎干细胞具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞,并进 一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能,而成体干细胞具有组织 特异性,只能分化成特定的细胞或组织,不具有发育成完整个体的能力。 (2)为什么科学家普遍认为iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞? 提示 iPS细胞的诱导过程无须破坏胚胎,避免了医学伦理问题;而且iPS细 胞可以来源于病人自身的体细胞,将它移植回病人体内后,可以
12、避免免疫排 斥反应。 归纳总结干细胞的类型 名称 胚胎干细胞 成体干细胞 特点 可分化为成年动物体内 的任何一种类型的细胞, 并形成机体的所有组织、 器官和个体的潜能 具有组织特异性,只能分化成特定的细 胞或组织,没有发育成完整个体的能力 来源 早期胚胎 成体组织或器官 举例 早期胚胎细胞 造血干细胞、神经干细胞、精原干细胞 应用 用于病人的器官移植等 造血干细胞用于治疗造血系统、免疫系 统功能障碍;神经干细胞用于治疗神经 组织损伤和神经系统退行疾病 考向突破考向突破 考向1 动物细胞培养流程分析 1.(2020海南华侨中学期末)实验小鼠皮肤细胞培养(非克隆培养)的基本过 程如图所示。下列叙述
13、错误的是( ) 实验小鼠皮肤组织皮肤细胞细胞培养 1细胞培养 2 A.甲过程需要对实验小鼠进行消毒 B.乙过程对皮肤组织可用胰蛋白酶处理 C.丙过程是原代培养 D.丁过程直接将丙过程得到的细胞分瓶培养 答案 D 解析 动物细胞培养需要无毒无菌的环境,甲过程是指从实验小鼠身上取 下皮肤组织,该过程需要对小鼠进行消毒处理,A项正确;乙过程表示将皮肤 组织分散成单个细胞制备成细胞悬液,可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶进行处 理,B项正确;丙过程表示原代培养,C项正确;丁过程表示传代培养,需要再 次用胰蛋白酶处理并离心收集,然后分瓶培养,D项错误。 名师点睛(1)选取幼龄动物的组织、器官作为动物细胞培养材料的
14、原因 动物细胞培养的原理是细胞增殖。动物细胞培养时,一般选取幼龄动物的 组织、器官,其细胞的分化程度较低,增殖能力强,有丝分裂旺盛,容易培养。 (2)将动物细胞分散成单个细胞培养的原因 分散成单个细胞后容易培养,细胞所需的营养容易供应,其代谢废物容易排 出。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。 (3)原代培养和传代培养的区别 原代培养:是细胞悬液第一次在瓶中培养,即在没有分瓶培养之前的细胞 培养。 传代培养:是在细胞悬液培养一段时间后,分瓶再进行的细胞培养。 考向2 干细胞的培养及应用 2.癌干细胞与成体干细胞有类似的自我更新现象,即一个细胞分裂为两个 细胞后,
15、其中一个子代细胞仍然保持与亲代细胞完全相同的未分化状态,而 另一个子代细胞则定向分化的现象。结合所学知识,下列相关叙述,正确的 是( ) A.细胞的自我更新过程中会出现同源染色体两两配对现象 B.正常干细胞和癌干细胞的细胞增殖机制不存在任何差异 C.造血干细胞增殖两次所产生的子细胞中50%是造血干细胞 D.定向分化的细胞和未分化的细胞内都有基因的表达 答案 D 解析 干细胞都是通过有丝分裂进行增殖的,而同源染色体两两配对现象 发生在减数分裂过程中,A项错误;正常干细胞不能无限增殖,而癌干细胞能 无限增殖,可见,两者增殖机制存在差异,B项错误;造血干细胞增殖一次,产 生的子细胞中50%是造血干细
16、胞,再增殖一次,产生的子细胞中只有25%是 造血干细胞,C项错误;无论是分化的细胞还是未分化的细胞,细胞内都应有 蛋白质的合成,而蛋白质是基因表达的产物,D项正确。 考点二考点二 动物细胞融合与单克隆抗体制备动物细胞融合与单克隆抗体制备 合作探究合作探究 探究1动物细胞融合技术能让不同种动物的体细胞进行杂交 运用植物体细胞杂交技术,可以跨越不同种植物之间生殖隔离的屏障,培育 出新的作物类型。不同种动物的体细胞进行杂交,也可以培育出具有原来 两个或多个细胞的遗传信息的杂交细胞。请探讨下列问题。 (1)动物细胞融合与植物原生质体融合所用的诱导方法有何不同? 提示 动物细胞融合可用灭活的病毒进行诱导
17、。 (2)灭活病毒诱导细胞融合的原理是什么? 提示 病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜上的糖蛋白发生作 用使细胞互相凝聚,细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布,细胞膜打 开,细胞发生融合。 (3)细胞融合技术与有性杂交相比有哪些优点? 提示 有性杂交有着十分严格的时空关系和种族界限。动物细胞融合则 不同,它通过人工的方法克服了存在于物种之间的遗传屏障,从而能够按照 人们的意愿,把不同物种的不同组织类型的细胞融合在一起。 探究2利用动物细胞融合技术制造的单克隆抗体 细胞融合技术突破了有性杂交的局限,使远缘杂交成为可能。目前,这一技 术已经成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和培育生物新品种等
18、的重要 手段,特别是利用动物细胞融合技术发展起来的杂交瘤技术,为制造单克隆 抗体开辟了新途径。下图是某科研人员提出的制备并检测单克隆抗体的 技术路线。 (1)为什么要利用特定的抗原对小鼠进行免疫? 提示 可以使小鼠体内分化出能产生特定抗体的B淋巴细胞。 (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 每一个B淋巴细胞只能分泌一种特异性抗体,但不能无限增殖;骨髓 瘤细胞可大量快速增殖,却不能产生抗体。若将两种细胞融合在一起,既能 产生一种特异性抗体又能快速增殖。 (3)在制备单克隆抗体的过程中,选择杂交瘤细胞的两步筛选的目的分别是 什么? 提示 第一步筛选
19、的目的是获得杂交瘤细胞,在特定的选择培养基上,未融 合的亲本细胞和融合的具有同种核的细胞都会死亡,只有融合的杂交瘤细 胞才能生长。 第二步筛选的目的是获得能产生所需单一抗体的杂交瘤细胞,对上述经选 择培养的杂交瘤细胞进行克隆化培养和抗体检测,经多次筛选,就可获得足 够数量的能分泌所需抗体的细胞。 (4)利用单克隆抗体制作的抗体药物偶联物中ADC的抗体和药物分别有 什么作用?ADC在临床应用上具有什么优势? 提示 利用抗体可以特异性识别肿瘤细胞,药物可以有效杀伤肿瘤细胞,诱 发细胞凋亡。ADC的特异性强,可以对肿瘤细胞进行选择性杀伤,避免对健 康细胞造成伤害。 考向突破考向突破 考向1 动物细胞
20、融合的原理和方法 1.(2020华东师大附中模考)(多选)下列关于动、植物细胞融合的叙述,正确 的是( ) A.都需要无菌操作 B.都可用灭活的病毒或PEG诱导融合 C.都体现了细胞膜的流动性 D.都可体现细胞的全能性 答案 AC 解析 动、植物细胞融合都需要无菌操作,A项正确;灭活的病毒只能诱导 动物细胞融合,B项错误;动、植物细胞融合都能体现细胞膜的流动性,C项 正确;诱导细胞融合不能体现细胞的全能性,D项错误。 归纳总结动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较 比较项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合 原理 细胞膜的流动性、细胞的全 能性 细胞膜的流动性 细胞融 合方法 用纤维素酶、果胶酶去除细
21、 胞壁后诱导原生质体融合 用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使 细胞分散后,诱导细胞融合 诱导手段 PEG融合法、电融合法 PEG融合法、电融合法和灭 活病毒诱导法 结果 形成杂种植株 形成杂交细胞,以生产细胞 产品 比较项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合 用途 克服远缘杂交不亲和的障碍,扩 展杂交亲本范围,培育新品种 制备单克隆抗体、疾病诊 断和病原体鉴定等 意义 突破有性杂交方法的局限,使远缘杂交成为可能 考向2 单克隆抗体的制备 2.(2020全国)为研制抗病毒A的单克隆抗体,某同学以小鼠甲为实验材料 设计了以下实验流程。 回答下列问题。 (1)上述实验前必须给小鼠甲注射病毒A,该处理的目的是 。
22、(2)写出以小鼠甲的脾脏为材料制备单细胞悬液的主要实验步 骤: 。 (3)为了得到能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞,需要进行筛选。 图中筛选1所采用的培养基属于 ,使用该培养基进行细 胞培养的结果是 。图中筛选2含多次 筛选,筛选所依据的基本原理是 。 (4)若要使能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞大量增殖,可采用的 方法有 (答出2点即可)。 答案 (1)诱导小鼠甲产生能够分泌抗病毒A抗体的B淋巴细胞 (2)取小鼠 甲脾脏剪碎,用胰蛋白酶处理使其分散成单个细胞,加入培养液制成单细胞 悬液 (3)选择培养基 只有杂交瘤细胞能够生存 抗原与抗体的反应具 有特异性 (4)将杂交瘤细胞注射
23、到小鼠腹腔内增殖;将杂交瘤细胞在体外 培养 解析 (1)若要制备抗病毒A的单克隆抗体,实验前必须给小鼠甲注射病毒A, 诱导小鼠甲产生能够分泌抗病毒A抗体的B淋巴细胞。(2)制备单细胞悬液 时,先将小鼠的脾脏剪碎,然后用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理一段时间,使 脾脏组织分散成单个细胞,最后,用培养液将分散的细胞稀释,制成单细胞 悬液。(3)由图示可得,经筛选1后获得了杂交瘤细胞,因此筛选1所采用的 培养基能够淘汰未融合的细胞以及同种细胞相互融合的细胞,保留杂交瘤 细胞。经筛选2后获得了能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞。经 筛选1后获得的杂交瘤细胞数量少,且包含多种,不同杂交瘤细胞产生的抗 体不
24、同,因此需要进行克隆化培养,并依据抗原与抗体的反应具有特异性的 原理,进行多次抗体检测,方可获得能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤 细胞。(4)要使能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞大量增殖,应将 杂交瘤细胞注射到小鼠腹腔内增殖,或者将杂交瘤细胞在培养液中进行体 外培养。 名师点睛制备单克隆抗体过程中的两次筛选 项目 第一次筛选 第二次筛选 筛选 原因 诱导融合后得到多种杂交细 胞,另外还有未融合的细胞 从小鼠体内提取的B淋巴细胞有很 多种,形成的杂交瘤细胞也有很多种 筛选 方法 用特定的选择性培养基筛选, 未融合的细胞和同种细胞融 合后形成的细胞都会死亡,只 有融合的杂交瘤细胞才能生 长
25、 用多孔培养皿培养,在每个孔只有一 个杂交瘤细胞的情况下开始克隆化 培养和抗体检测,经多次筛选得到能 产生特异性抗体的细胞群 筛选 目的 得到杂交瘤细胞 得到能分泌所需抗体的杂交瘤细胞 考点三考点三 动物体细胞核移植技术和克隆动物动物体细胞核移植技术和克隆动物 合作探究合作探究 探究利用动物体细胞核移植技术可以获得克隆动物 在畜牧生产中,利用体细胞核移植技术,可以加速家畜遗传改良进程、促进 优良畜群繁育。美国威斯康星州的一个奶牛场有一头名叫卢辛达的奶牛, 年产奶量为30.8 t,创造了世界奶牛产量最高纪录。科学家希望利用体细胞 核移植技术克隆卢辛达,加速优良品种奶牛的繁育,请结合图探讨下列问题
26、。 (1)动物核移植技术的理论基础(原理)是什么?克隆动物属于有性生殖还是 无性繁殖? 提示 动物细胞核的全能性。克隆动物属于无性繁殖。 (2)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。 (3)在克隆高产奶牛时,对供体细胞和受体细胞的选择有什么要求?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 克隆高产奶牛时,供体细胞必须是具有高产性状的奶牛的体细胞,受 体细胞是普通母牛的卵母细胞。体细胞核移
27、植技术为使核移植的胚胎或 克隆动物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,因此必须先去掉受体卵母细胞的细胞核。 考向突破考向突破 考向 动物体细胞核移植技术 (2020山东青岛一模)中国科学院动物研究所首席科学家、动物克隆与受 精生物学学科带头人陈大元,曾主持科研攻关项目“攀登”,进行大熊猫 的异种克隆。他们将大熊猫的体细胞核放入兔子的去核卵母细胞中,并使 其成功发育成囊胚,这标志着异种核质相容的问题得到了解决,异种克隆大 熊猫迈过了第一道“坎”;然后至关重要的是选择一种合适的“代孕母体”。 下图是该研究的理论流程图。下列说法正确的是( ) A.步骤甲、乙分别是指大熊猫体
28、细胞核移植、胚胎收集 B.诱导超数排卵所注射的激素只能作用于特定细胞 C.重组细胞发育成早期胚胎所需营养主要来源于营养液 D.步骤甲和步骤乙中的供体和受体需要同期发情处理 答案 B 解析 步骤甲、乙分别指的是核质融合、移植到代孕母体中,A项错误;诱 导超数排卵所注射的激素是促性腺激素,只能作用于性腺,B项正确;重组细 胞发育成早期胚胎所需营养主要来源于卵细胞,C项错误;步骤甲和步骤乙 中的供体和受体不需要同期发情处理,D项错误。 名师点睛动物细胞核移植技术中的三个注意点 (1)动物细胞核移植技术,体现了动物细胞核的全能性而非细胞的全能性。 (2)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。 (3)核移植技术获得的动物与供核动物性状不完全相同的原因:克隆动物 线粒体中的DNA来自去核卵母细胞;性状受环境的影响;在个体发育 过程中有可能发生基因突变。
