1、现代生物科技专题 选修三选修三 209 专题 1 基因工程 第 1 节 DNA 重组技术的基本工具 一、 限制性核酸内切酶“分子手术刀” 1.来源： 原核生物 （主要） 。 2.作用： 识别、 切割 DNA 片段 （切割磷酸二酯键） 。只能识别并切割 DNA， 不能切割 RNA。 3.特点： 专一性。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列， 并且在特定的切点上切割 DNA 分子。 4.结果： 产生黏性末端或平末端的 DNA。 温馨提示： 同一种限制酶切割产生相同的黏性末端， 但产生相同黏性末端不一定都是用同一种限制酶 切割。 二、 DNA 连接酶“分子缝合针” E.coli DNA 连接酶 (
2、 只能连接互补的黏性末端 ) 1.种类： T4 DNA 连接酶 ( 能连接黏性末端和平末端 ) 2.作用： 形成磷酸二酯键， 把相同黏性末端的两个 DNA 连接起来形成重组 DNA （重组质粒） 。 温馨提示： 通常要产生相同的黏性末端， 要用同一种限制酶对目的基因和质粒进行切割。 3.结果： 使目的基因与运载体连接形成重组 DNA （重组质粒） 。 温馨提示： 限制酶和 DNA 连接酶作用的部位都是磷酸二酯键， 只是一个切割， 一个连接。都不是作用于氢键 （解 旋酶或高温断裂） 。 DNA 聚合酶与 DNA 连接酶的异同点： DNA 聚合酶DNA 连接酶 不同点 需要模板， 形成磷酸二酯键，
3、 将单个核 苷酸连接到已有的核酸片段上 不需要模板， 形成磷酸二酯键， 将两个 DNA 片段连接起来 相同点均形成磷酸二酯键 三、 基因进入受体细胞的载体 （运载体）“分子运输车” 质粒： 存在于细菌、 酵母菌等拟核 DNA 或核 DNA 外的， 能够自主复制的小型环状 DNA 1.种类： 噬菌体的衍生物 动植物病毒 2.作用： 携带目的基因进入受体细胞， 使目的基因在受体细胞稳定存在并表达。 3.特点： (1)能够在受体细胞中复制并稳定地保存。 (2)有一至多个限制酶切割位点， 便于与目的基因相连。 (3)具有标记基因 （抗生素抗性基因、 荧光蛋白基因） ， 便于检测目的基因是否导入受体细胞
4、。 选修三 现代生物科技专题 210 高中生物核心知识一本通 第 2 节 基因工程的基本操作程序 一、 基因工程的基本操作步骤 1.目的基因的获取： (1)目的基因 : 能编码特定蛋白质的基因。 (2)获取目的基因的方法 : 从基因文库 （ gene library ） 中获取。 a. 基因文库： 将含有某种生物不同基因的 DNA 片段， 导入受体菌的群体中储存， 各个受体菌分别含有 这种生物的不同的基因， 称为基因文库。 基因组文库： 包含了某种生物的所有基因 （基因组基因） b. 基因文库类型 部分基因文库 （如： cDNA 文库） ： 包含了某种生物部分基因 PCR 技术扩增目的基因 P
5、CR: 多聚酶链式反应 （ polymerase chain reaction ） a. 前提条件： 已知部分目的基因的核苷酸序列， 可以合成引物。 b. 原理： 双链 DNA 的复制 （体外） c. 过程： 加热至 9095， DNA 解链冷却到 5560， 引物结合到互补 DNA 链加热至 7075， DNA 聚合酶 （ Taq 酶， 耐高温） 从引物起始进行互补链的合成 （高温解旋、 低温复性、 中温延伸） 。 化学合成法： 人工合成法 反转录法： 基因的 mRNA 反转录 cDNA （基因） （需要逆转录酶和 DNA 聚合酶） 2.基因表达载体的构建 ( 核心 )： (1)目的： 使目
6、的基因在受体细胞中稳定存在， 并且可以遗传给下一代； 同时使目的基因能够表达和发挥作 用。 (2)组成： 启动子目的基因终止子标记基因 （复制原点） 。 启动子： 一段特殊的 DNA 片段， 位于目的基因的首端， 是 RNA 聚合酶识别和结合的部位， 驱动基因 转录成 mRNA。 终止子： 一段特殊的 DNA 片段， 位于目的基因的尾端， 使 mRNA 的转录终止。 标记基因： 一般为抗生素抗性基因或荧光蛋白基因， 便于检测目的基因是否导入受体细胞。 3.将目的基因导入受体细胞 : (1)转化： 目的基因进入受体细胞内， 并且在受体细胞内稳定存在和表达的过程。 (2)常用的转化方法： 生物种类
7、植物细胞动物细胞微生物细胞 导入方法 农杆菌转化法 （最常用 ） 、 基因枪法 （常用于单子叶植物 ） 、 花粉管通道法 显微注射法 Ca2处理法 （感受态细胞法） 受体细胞受精卵或体细胞受精卵原核细胞 （细菌） 转化过程 将目的基因插入 Ti 质粒的 T-DNA 上 Ca2 处理导入农杆菌细胞 侵染植物细胞目的基因整合到 受体细胞的染色体 DNA 上 （使目 的基因可以稳定遗传） 植物组织 培养试管苗表达目的基因， 产生 相应性状 将含有目的基因的表达 载体提纯取受精卵 显微注射获得导入目 的基因的受体细胞早 期胚胎培养胚胎移植 获得新性状的动物 Ca2 处理细胞感受态 细胞重组的基因表达
8、载体与感受态细胞混合 感受态细胞吸收 DNA 分子完成转化目的基 因表达， 获得新性状 (3)受体细胞是否发生转化： 检测标记基因是否表达。 蛋白质的氨基酸序列 mRNA 碱基序列 DNA （基因） 的核苷酸 ( 碱基 ) 序列 DNA 合成仪合成 现代生物科技专题 选修三选修三 211 4.目的基因的检测与鉴定： 类型检测内容检测方法步骤结果 分子水平检测 导入 检测 目的基因是否 导入受体细胞 DNA 分子杂交 提取出转基因生物的 DNA， 解旋 成单链与用放射性同位素标记或 荧光分子标记目的基因探针混合 是否 成功 显示 杂交 带 转录 检测 目的基因是否 转录出 mRNA 分子杂交 （
9、 DNA 和 mRNA 分子杂交） 提取出转基因生物的 mRNA， 与 用放射性同位素标记或荧光分子 标记的目的基因探针混合 翻译 检测 目的基因是否 翻译出蛋白质 抗原抗体杂交 提取出转基因生物的蛋白质， 与 相应的抗体混合 个体水平鉴定 检测是否产生目的基因对应的性状 （如： 做抗虫、 抗病的接种实验， 以确定是否有抗性及 抗性的程度； 对基因工程产物与天然产品的功能进行活性比较， 以确定功能活性是否相 同等） 212 高中生物核心知识一本通 第 3 节 基因工程的应用 一、 植物基因工程硕果累累 植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆， 以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
10、1.抗虫转基因植物： (1)目的基因： Bt 毒蛋白基因、 蛋白酶抑制剂基因、 淀粉酶抑制剂基因、 植物凝集素基因等。 (2)实例： 抗虫棉、 转基因抗虫水稻等。 2.抗病转基因植物： (1)目的基因： 抗病毒基因 （病毒外壳蛋白基因、 病毒的复制酶基因等） 和抗真菌基因 （几丁质酶基因、 抗病 毒合成基因） 。 (2)实例： 抗病毒的转基因小麦、 抗病毒的转基因甜椒等。 3.其他抗逆转基因植物： (1)目的基因： 抗性基因 （调节细胞渗透压的基因、 抗冻蛋白基因、 抗除草剂基因等） 。 (2)实例： 抗盐碱地的烟草、 抗冻的烟草和番茄、 抗除草剂的大豆和玉米等。 4.转基因技术改良的植物：
11、(1)目的基因： 蛋白质编码基因、 控制番茄果实成熟的基因、 花青素代谢有关的基因等。 (2)实例： 富含赖氨酸的转基因玉米、 转基因延熟番茄、 转基因矮牵牛等。 二、 动物基因工程前景广阔 1.用于提高动物生长速度： (1)目的基因： 外源生长激素基因。 (2)实例： 转基因绵羊、 转基因鲤鱼等。 2.用于改善畜产品的品质： (1)目的基因： 肠乳糖酶基因等。 (2)实例： 乳糖分泌量大大减低的转基因奶牛等。 3.用转基因动物生产药物： (1)目的基因： 药用蛋白基因等。 (2)实例： 乳腺 （房） 生物反应器技术 （将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起， 采 用显微注射
12、技术导入哺乳动物受精卵中， 使之发育成转基因动物， 待转基因动物进入泌乳期时， 药用蛋白 基因表达产物进入乳汁中） 生产抗凝血酶、 血清白蛋白、 生长激素、 - 抗胰蛋白酶等。 4.用转基因动物做器官移植的供体： (1)方法： 抑制抗原决定基因的表达或除去抗原决定基因。 (2)实例： 转基因获得无免疫排斥反应的克隆猪器官。 三、 基因工程药物异军突起 1.来源： 利用基因工程培育的工程菌 * 生产。 2.成果： 细胞因子、 抗体、 疫苗、 激素等。 四、 基因治疗曙光初照 1.基因治疗的概念： 把正常基因导入病人体内， 使该基因的表达产物发挥功能， 从而达到治疗疾病的目 的。 2.种类： (1
13、)体外基因治疗： 患者体内获得某种细胞体外完成基因转移筛选成功转移的细胞扩增培养输入患 者体内。 (2)体内基因治疗： 直接向患者体内组织细胞中转移基因。 * 外源基因得到高效表达的菌类细胞株系称为工程菌。 现代生物科技专题 选修三选修三 213 3.实例： 将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细胞。 （体外基因治疗） 温馨提示： 基因治疗的载体通常是经过修饰的对人体 无害的病毒 （如修饰的腺病毒） 。 基因治疗过程示意图 正常基因整合到病毒（选 择对人体无害的病毒做运 载体）的核酸上 病毒侵染患者骨髓细胞 克隆的基因（正常等位基因） 病毒的核酸 病毒 1 2 病毒DNA插入骨髓 细胞染色体中 3
14、 将细胞再注射 入患者体内 4 骨髓 引自上海教材 214 高中生物核心知识一本通 第 4 节 蛋白质工程的崛起 一、 蛋白质工程崛起的缘由 1.基因工程实质： 将一种生物的基因转移到另外一种生物体内， 使后者产生它本不能产生的蛋白质， 进 而表现出新的性状。 2.基因工程的不足： 原则上只能生产自然界已存在的天然蛋白质 （符合特定物种生存的需要， 却不一定 完全符合人类生产和生活的需要） 。 二、 蛋白质工程的基本原理 1.蛋白质工程的目标： 根据人们对蛋白质功能的特定需求， 对蛋白质的结构进行分子设计。 2.基本途径： 从预期蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应
15、 的脱氧核苷酸序列 （基因） 。 基因 DNA mRNA 蛋白质 三维结构 氨基酸序列 多肽链 预期功能 生物功能 分子设计DNA合成 转录翻译折叠 蛋白质工程 3.蛋白质工程的概念： 指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础， 通过基因修饰或 基因合成， 对现有蛋白质进行改造， 或制造一种新的蛋白质， 以满足人类的生产和生活的需求。 温馨提示： 蛋白质工程是在基因工程的基础上， 延伸出来的第二代基因工程。 三、 蛋白质工程的进展和前景 1.进展： 改造胰岛素成为速效型药品。 2.前景： 探索蛋白质工程应用于微电子方面。 3.目前面临的困难： 蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构
16、， 而目前科学家对大多数蛋白质的高 级结构的了解还很不够。 现代生物科技专题 选修三选修三 215 专题 2 细胞工程 细胞工程： 是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法， 通过细胞水平或细胞器水平上的操 作， 按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合性科学技术。 植物细胞工程 根据操作的细胞类型不同， 分为 动物细胞工程 第 1 节 植物细胞工程 一、植物细胞工程的基本技术 植物组织培养 植物细胞工程的技术手段 理论基础 植物细胞的全能性 植物体细胞杂交 一、 理论基础： 细胞的全能性 1.概念： 生物体的细胞具有发育成完整个体的潜能， 这种特性叫作细胞的全能性。 2.
17、原因 （物质基础） ： 每一个体细胞都含有本物种发育成完整个体的全套遗传物质 （基因） 。 3.全能性的比较： (1)受精卵生殖细胞 （卵细胞、 精子） 体细胞。 (2)分化程度低的细胞分化程度高的细胞。 (3)植物细胞动物细胞。 4.全能性的实现条件： (1)离体 ( 必要条件 )。 (2)一定的营养物质 （水、 无机盐、 维生素、 氨基酸、 蔗糖） 和植物激素 （生长素、 细胞分裂素） 。 (3)适宜的条件 （无菌、 适宜的温度、 pH、 光照等） 。 5.体内细胞未表现全能性的原因： 基因选择性的表达， 表现出分化现象。 6.全能性的实例： 植物组织培养、 花药离体培养。 二、 植物组织
18、培养 1.理论基础： 植物细胞的全能性。 2.过程： 温馨提示： 植物组织培养的核心过程： 脱分化、 再分化。 基因选择性的表达， 表现出分化现象。 胡萝卜植株胡萝卜植株胡萝卜植株 胡萝卜 根的切片 从根的切片 分离的细胞 由单个细胞分裂 形成的细胞团 形成的细胞团 形成的细胞团 胚状体 试管植物 外植体： 离体的组织、 器官、 细胞 愈伤组织： 排列疏松、 高度液泡化、 无定形的薄壁细胞 胚状体： 与胚结构相似的组织 或丛芽 脱分化： 分化的细胞失去原来分化的状态 避光 需光再分化： 植物体 （试管苗） 分裂、 分化 216 高中生物核心知识一本通 外源植物激素 （生长素、 细胞分裂素不同配
19、比） 会影响脱分化 （能刺激愈伤组织的形成） 和再分化 （愈伤 组织的分化成不同的类型） ： 细胞分裂素相对高利于芽的分化； 生长素相对高利于根的分化； 比例适中促 进愈伤组织的生长。 通常情况下， 脱分化不需要光； 再分化时需要光， 有利于芽和叶的分化。 植物组织培养过程中， 外植体需要消毒 （先用酒精消毒 30s 后立即用无菌水清洗 23 次， 再用次氯酸钠 溶液处理 30min 后立即用无菌水清洗 23 次） ， 培养基和实验用具要严格灭菌， 接种外植体时要在酒精灯 火焰旁严格无菌操作。 外植体经过细胞分裂 （有丝分裂） 、 分化形成完整植株。 制备人工种子需将外植体培养到胚状体， 再在
20、外面包裹人工胚乳和人工种皮得到； 为了大量提取细胞 代谢产物 药物（人参皂甙、 紫杉醇、 紫草素）、 香料、 色素等 ， 需要培养到愈伤组织获得更多的细胞以便提取。 外植体一般选取根尖、 茎尖形成层部位， 这些部位细胞容易诱导脱分化形成愈伤组织。 植物组织培养是培育转基因植物、 植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。 三、 植物体细胞杂交 1.概念： 将不同种植物的体细胞， 在一定条件下融合成一个杂种细胞， 再把杂种细胞植物组织培养发育成新的植物体的技术。 2.理论基础： 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。 3.过程： 4.意义： (1)克服了远缘杂交不亲和性 （生殖隔离） 的障碍。 (
21、2)大大地扩展了亲本杂交组合的范围， 得到许多种间或属间杂种。 温馨提示： 去除细胞壁的方法是： 酶解法 （纤维素酶、 果胶酶） 。 诱导原生质体融合的方法： 物理法 （离心、 振动、 电激） 、 化学法 聚乙 二醇 （ PEG ） 。 杂种细胞形成的标志： 融合原生质体再生出细胞壁； 可通过质壁分 离与复原的方法检测细胞壁的形成； 细胞壁的形成与高尔基体有关。 两两融合的细胞有 3 种类型： AA 型、 BB 型、 AB 型； 需要的是 AB 型， 因此融合后需要进行筛选。 变异类型： 染色体变异 （数目变异） 形成的异源多倍体。通常情况下， 马铃薯细胞 酶解法去壁 番茄细胞 马铃薯原生质体
22、番茄原生质体 物化法诱导融合 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 杂种细胞 脱分化 再分化 愈伤组织 再生出小幼苗 杂种植株 植物细胞 A 纤维素酶、 果胶酶去除细胞壁 诱导融合 方法 物理法： 离心、 振动、 电激 化学法： 聚乙二醇 （ PEG ） 再生出细胞壁 脱分化 再分化 发育 植物细胞 B 原生质体 A 融合的原生质体 杂种细胞 愈伤组织 胚状体或丛芽 杂种植株 原生质体 B 植物细胞融合植物组织培养 现代生物科技专题 选修三选修三 217 杂种植株的染色体 （组） 数是两亲本染色体 （组） 数之和。 原生质体是指植物细胞去掉细胞壁的剩下的部分； 原生质层是细胞膜、 液泡膜以及它们之
23、间细胞的细 胞质。原生质滴是精子在变形的过程中， 细胞内的其他物质浓缩为球状的部分。 杂种植株细胞中的基因会相互干扰、 环境的不同等会影响基因的表达， 所以杂种植株并不都具备亲本 的所有优良性状。 二、植物细胞工程的实际应用 一、 植物繁殖的新途径 1.微型繁殖： (1)定义： 是指用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术， 也叫快速繁殖技术。 (2)特点： 由于是无性繁殖技术， 可以保持优良品种的遗传特性。 使用材料少， 培养周期短， 繁殖率高， 便于自动化管理， 有利于工业化生产， 高效快速地实现种苗的大 量繁殖。 (3)实例： 荷兰用植物组织培养兰花。 温馨提示： 微型繁殖属于植物组织培养
24、技术的范畴， 繁殖过程只涉及有丝分裂， 无减数分裂的过程。 通常情况下， 保留了与亲代相同的优良基因型和表现型。 2.作物脱毒： (1)植物病毒： 寄生在植物细胞内的病毒， 在无性繁殖的植物体内逐年积累， 会导致作物产量降低， 品质变 差。 (2)脱毒的方法： 取材： 分生区 （如茎尖、 根尖， 因为病毒极少， 甚至无病毒） 脱毒苗 (3)优点： 明显使农作物增产。 (4)实例： 马铃薯、 草莓等的脱毒。 3.人工种子： (1)定义： 以植物组织培养得到的胚状体、 不定芽、 顶芽和腋芽等为材料， 经过人工薄膜包装得到的种子。 (2)组成 : 胚状体 + 人工种皮 + 人工胚乳。 (3)优点：
25、无性繁殖， 易于保留优良性状； 不受气候、 季节和地域限制； 方便储存和运输； 解决了某些作物品种繁殖能力差、 结子困难或发芽率低等问题； 节约大量的粮食。 温馨提示： 人工种子一般植物组织培养到胚状体； 细胞代谢产物的提取一般培养到愈伤组织。 人工胚乳含胚状体发育所需的营养物质外， 还可以添加各种附加成分， 如固氮细菌、 防病虫农药、 植物 生长调节剂、 除草剂等， 以利于幼苗的茁壮成长， 提高作物产量。 人工种皮应具有透水、 透气的特点。 组织培养 胚状体 218 高中生物核心知识一本通 二、 作物新品种的培育 1.单倍体育种： (1)方法： 花药离体培养得到单倍体幼苗， 秋水仙素处理抑制
26、有丝分裂前期纺锤体的形成， 染色体加倍得到 稳定遗传 （纯合子） 的优良品种。 (2)步骤： 花药离体培养得到单倍体染色体数目加倍筛选所需性状个体。 (3)优点： 明显地缩短育种年限； 得到的是纯合子， 能稳定遗传。 (4)实例： 中花 11 号水稻等的培育。 2.突变体的利用： (1)突变体： 在植物组织培养过程中， 由于培养细胞一直处于不断地分生状态， 容易受培养条件和外界压力 （如射线、 化学物质等） 的影响而发生突变 （基因突变、 染色体变异） ， 这样发育成的个体称为突变体。 (2)利用： 突变体育种 （获得突变体后筛选出对人们有利的， 进而培育出新品种） 。 (3)实例： 抗病、
27、抗盐、 高产、 高蛋白等品种的选育。 温馨提示： 突变体育种的原理是突变； 诱变育种的原理是基因突变。突变 = 基因突变 + 染色体变异 三、 细胞产物的工厂化生产 1.细胞产物的种类： 糖类、 脂肪、 蛋白质、 香料、 色素、 药物、 生物碱等。 2.生产的技术方法： 外植体脱分化形成愈伤组织后再分离提取。 3.实例： 人参皂甙、 紫杉醇、 紫草素、 杀虫剂等的提取。 现代生物科技专题 选修三选修三 219 第 2 节 动物细胞工程 动物细胞工程的技术手段 一、动物细胞培养和核移植技术 一、 动物细胞培养 1.定义： 从动物机体中取出相关的组织， 将它分散成单个细胞， 然后放在适宜的培养基中
28、， 让这些细胞 生长和增殖。 2.动物细胞培养过程： (1)过程： 温馨提示： 细胞贴壁： 悬浮液中的细胞贴附于瓶壁才能生长增殖的现象。 接触抑制： 贴壁细胞生长到表面相互接触 （ 1 层细胞） ， 就会停止分裂增殖的现象。正常细胞存在接触抑 制现象， 但癌细胞无接触抑制现象， 可以形成多层细胞。 原代培养： 动物组织消化后的初次培养称为原代培养。 传代培养： 分瓶后的继续培养增殖过程称为传代培养。 一般使用的或冷冻保存的细胞是： 10 代以内的细胞， 以保持细胞正常核型， 无遗传物质的改变。 (2)原理： 细胞增殖。 (3)培养条件： 无菌、 无毒的环境。无菌： 添加适量的抗生素； 无毒：
29、定期更换培养液， 以便清除有害代谢产物。 动物细胞培养 （其他技术的基础） 核移植 动物细胞融合 生产单克隆抗体 剪碎组织 制成细胞悬液 取动物组织块 转入培养液中 进行原代培养 转入培养 液中进行 传代培养 用胰蛋白酶处理 分散成单个细胞 贴满瓶壁的细胞用贴满瓶壁的细胞用胰蛋白酶处理 分散成单个细胞，制成细胞悬液 放放 入入 二二 氧氧 化化 碳碳 培 养 箱 中 培 养 动物组织块 （胚胎或幼龄动物的组织） 制成细胞悬液 原代培养 传代培养 分瓶培养 10 代细胞 少数 少数遗传物质改变 50 代细胞 不死细胞 （无限增殖） （能分裂增殖） 剪碎、 胰蛋白酶 （或者胶原蛋白酶） 处理 贴壁
30、生长 （细胞贴壁） 胰蛋白酶处理 （接触抑制） 加培养液 220 高中生物核心知识一本通 营养： 与细胞外液的营养物质基本相同的合成培养基， 需要糖、 氨基酸、 促生长因子、 无机盐、 微量元 素， 血清、 血浆 （含细胞所需而人类还没有完全搞清楚的成分） 。 温度和 pH。 气体环境： 主要有 O2（细胞代谢所需） 、 CO2（维持培养液的 pH ） ； 通常将采用含 95% 空气加 5%CO2的 混合气体的培养箱培养。 3.动物细胞培养技术的应用： (1)生产生物制品： 病毒疫苗、 干扰素、 单克隆抗体。 (2)动物基因工程。 (3)检测有毒物质。原理： 有毒有害物质会使得染色体畸变， 根
31、据染色体畸变的比例可以判断物质的毒性。 (4)生理、 病理、 药理研究。 二、 动物体细胞核移植技术和克隆动物 1.定义： 将动物的一个细胞的细胞核， 移入去核卵母细胞中得到重组细胞， 使重组细胞发育成新的胚 胎， 最终发育成一个个体。核移植得到的动物称为克隆动物。 2.原理： 动物细胞核的全能性 （整个细胞随分化程度的提高， 分化潜能逐渐减弱， 全能性受到限制） 。 3.类型 胚胎细胞核移植 （分化程度低， 容易恢复全能性） 体细胞核移植 （分化程度高， 不易恢复全能性） 4.体细胞核移植的过程： （以克隆牛为例） 高产奶牛 （供体） 将胚胎移入受体 （代孕）母牛体内 生成与供体奶牛 遗传物
32、质基本相同的犊牛 胚胎移植 重组细胞 MII期 卵母细胞卵母细胞 去核的 卵母细胞 去核 从屠宰场收集牛卵巢，采集 卵母细胞，在体外培养到减 数第二次分裂中期 通过显微操作去除卵母细胞中的核， 由于MII期卵母细胞核的位置靠近第 一极体，用微型吸管一并吸出细胞 核核与第一极体 将供体细胞注入去核卵母细胞。 供体细胞培养 从供体高产奶牛身体 的某一部分（如耳） 上取体细胞 通过电刺激使两细胞融合，供体核 进入受体卵母细胞，构建进入受体卵母细胞，构建重组胚胎 用物理或化学方法（如电脉 冲、钙离子载体、乙醇、蛋 白酶合成抑制剂等）激活受 体细胞，使其完成细胞分裂 和发育进程 现代生物科技专题 选修三
33、选修三 221 温馨提示： 卵母细胞去核的原因： 保证克隆动物的遗传物质最大限度来自优良供体。 选用减数第二次分裂中期 （ MII 中） 的卵母细胞的原因： a. 细胞大， 易于操作， 卵黄多， 营养物质丰富， 可 为发育提供充足的营养物质； b. 此时具有受精能力， 含有促使细胞核全能性表达的物质。 供体： 为保证正常的二倍体核型， 通常选用 10 代以内的细胞。 核移植的克隆动物不是供体动物 100% 复制的原因： a. 克隆动物的细胞质遗传物质来自受体卵母细胞 的细胞质； b. 生物的性状不仅与遗传物质有关， 还受环境的影响。 核移植获得的动物称为克隆动物， 克隆是一种无性生殖方式。试管
34、动物的培育是一种有性生殖方式。 5.体细胞核移植的应用前景： (1)畜牧生产方面： 加速家畜遗传改良进程， 促进优良畜群繁育。 (2)保护濒危物种方面： 体细胞核移植可以增加动物的存活数量。 (3)医药卫生领域： 转基因克隆动物可以作为生物反应器， 生产珍贵的医用蛋白。 (4)作为异种器官移植的供体。 (5)治疗人类的疾病： 核移植胚胎干细胞经过诱导分化， 形成相应的组织、 器官用于组织器官的移植。 病人 核移植 胚胎干细胞 免疫匹配的移植 体细胞移植技术用于人类疾病的治疗 取体 细胞 去核的受体 卵母细胞 血细胞胰岛细胞 心肌细胞神经细胞 肝细胞 6.存在问题： (1)克隆动物存在健康问题、
35、 遗传缺陷、 生理缺陷。 (2)克隆动物食品安全性问题存有争议。 222 高中生物核心知识一本通 二、动物细胞融合与单克隆抗体 一、 动物细胞融合 （也称动物细胞杂交） 1.概念： 在一定条件下， 将两个或多个动物细胞融合成一个杂交 （种） 细胞的 过程。 2.诱导融合的方法： (1)物理法： 离心、 振动、 电激等。 (2)化学法： 聚乙二醇 （ PEG ） 。 (3)生物法： 灭活的病毒。 温馨提示： 动物细胞融合特有的诱导方法： 灭活的病毒 （生物法） 。 3.原理： 细胞膜的流动性 4.过程： 不同遗传物质的两个或多个细胞 物、 化、 生法 杂交细胞。 5.结果： 形成杂交细胞。 温馨
36、提示： 考虑两两融合情况， 融合细胞有3种类型 （ AA型、 BB型、 AB型） 。 6.意义 （用途） ： (1)克服远缘杂交的不亲和性。 (2)制备单克隆抗体。 二、 单克隆抗体 1.传统抗体的获得： (1)方法： 向动物体内反复注射某种抗原， 使机体发生体液免疫产生抗体， 再从动物血清中分离提取。 (2)缺点： 产量低、 纯度低、 特异性差。 2.单克隆抗体的制备 (1)制备基础： 每一种已免疫 B 淋巴细胞只能分泌一种特异性抗体。 骨髓瘤细胞能无限增殖。 (2)制备过程： * * 与人教版教材配图进行比较分析， 以便更好地理解。 不同DNA的 两个细胞 灭活的病毒 融合 有丝分裂 两个
37、完整的 杂交细胞 用抗原（）注射得到 免疫小鼠 骨髓瘤细胞的培养 脾脏获得已免疫的B细胞 浆细胞 杂交瘤细胞 浆细胞自身融合浆细胞自身融合浆细胞自身融合浆细胞自身融合 骨髓瘤 细胞 自身融合 骨髓瘤细胞 PEG诱导动物细胞融合形成杂种细胞 选择培养基（HAT）筛选杂交瘤细胞 未融合的、自身融合的细胞死亡；杂交瘤细胞存活 抗原抗原 克隆化培养及抗体的检测 体外、体内大量扩增从而提取大量的单克隆抗体 阳性克隆 现代生物科技专题 选修三选修三 223 将某种抗原注射到小鼠体内 诱导融合 单克隆抗体 杂交细胞 杂交瘤细胞 筛选出能分泌所需抗体的杂交瘤细胞 体外培养 从培养液中提取从腹水中提取 体内培养
38、 选择培养基筛选 克隆化培养基、 抗体检测 培养骨髓瘤细胞 从小鼠脾脏中分离出 B 淋巴细胞骨髓瘤细胞 温馨提示： 杂交瘤细胞： 既能无限增殖， 又能产生特异性抗体。 单克隆抗体制备过程中， 存在两次筛选： 第一次用选择培养基筛选出杂交瘤细胞； 第二次筛选出能分泌 所需抗体的杂交瘤细胞。 3.单克隆抗体的特点 （优点） ： 特异性强、 灵敏度高、 可以大量制备。 4.单抗的应用： (1)作为诊断试剂， 具有准确、 高效、 简易、 快速的优点。 （原理： 抗原抗体杂交） (2)用于治疗疾病和运载药物。 （如： 用单克隆抗体运载抗癌药物， 制成 “生物导弹” 靶向治疗肿瘤） 224 高中生物核心知
39、识一本通 专题 3 胚胎工程 胚胎工程指对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术， 如体外受精、 胚胎移植、 胚胎分割、 胚胎干细胞培养等技术。经过处理后获得的胚胎， 还需要移植到雌性动物体内生产后代， 以 满足人类的各种需求。 第节 体内受精和早期胚胎发育 一、 精子和卵子的发生 1.精子的发生： (1)场所： 睾丸的曲细精管。 (2)时间： 初情期到生殖机能衰退。 (3)过程： 第一阶段： 精原细胞有丝分裂增加细胞数目， 部分精原细胞发生染色体复制和其他物质的合成， 形成 初级精母细胞。 第二阶段： 初级精母细胞经过减数第一次分裂 （ MI ） 和减数第二次分裂 （ MII ）
40、形成精细胞。 第三阶段： 精子细胞变形形成精子。 细胞核精子头的主要部分 高尔基体头部的顶体 中心体精子的尾 线粒体线粒体鞘 （尾的基部） 其他物质原生质滴 （球状， 最后脱落） (4)特点： 不同物种精子形态相似， 分为： 头、 颈、 尾三 大部分； 大小略有不同， 与动物体型大小无关。 2.卵子的发生： (1)场所： 卵巢。 (2)时间： 胚胎的性别分化后。 (3)过程： 有丝分裂 精原细胞 第一阶段第二阶段第三阶段 精原细胞初级精母细胞 次级精母细胞 精细胞 精子 染色体复制 变形 变形 变形 变形 MI MII MII 精细胞 头部 顶体 中心体 细胞核细胞核 颈 线粒体鞘线粒体鞘 尾
41、 现代生物科技专题 选修三选修三 225 卵原细胞（2n=4） 卵原细胞 初级卵母细胞 卵泡 卵泡 卵子 排卵 卵子 卵丘细胞 输卵管输卵管 黄体 退化黄体 生长形成透明带 MI（发生在排卵前或后） 被卵泡细胞包 围，形成卵泡 有丝分裂 染染 色 体 复 制 MII（发生在受精过程中）（发生在受精过程中） 次级卵母细胞次级卵母细胞 第一极体第一极体 合子 极体 卵泡 初级卵母细胞 卵泡细胞 透明带透明带 卵细胞膜卵细胞膜 初级卵母细胞初级卵母细胞 温馨提示： 判断卵子受精的标志是： 在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。 精子和卵子在发生上的重要区别是： 卵泡的形成和在卵巢内的储备是在出
42、生前 （胎儿时期） 完成的。 排卵是卵子从卵泡中排出； 一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。 刚排出的卵不是成熟的卵子， 最多是次级卵母细胞， 需要在输卵管中发育到 MII 中期才能受精。 多数哺乳动物的第一极体不进行减数第二次分裂形成两个第二极体。 226 高中生物核心知识一本通 精子、 卵子发生比较： 项目精子的发生卵子的发生 区别 场所 睾丸曲细精管卵巢 （ MI ） 、 输卵管 （ MII ） 时间 初情期后 MI： 卵泡形成时期 MII： 精卵细胞结合过程中完成 特点 MI、 MII 连续； 需要变形； 细胞质均等分配 MI、 MII 不连续； 不需要变形； 细胞质不均等分配 结果 形成
43、 4 个精子形成 1 个卵子和 3 个极体 相同点 原始生殖细胞的增殖方式为有丝分裂； 产生成熟的生殖细胞为减数分裂； 减数分裂均经一次 染色体复制和两次分裂， 子细胞的染色体数目均减半 二、 受精 1.概念： 受精是精子与卵细胞结合形成受精卵的过程。 2.场所： 输卵管。 3.过程： (1)受精前的准备阶段。 精子的获能： 精子在雌性生殖道内进行相应的生理变化而获得受精的能力。 卵子的准备： 刚排出的卵子未成熟 （初级卵母细胞或次级卵母细胞） ， 在输卵管中发育到 MII 中期才具 备受精能力。 (2)受精阶段。 穿越放射冠和透明带： 顶体反应使顶体内的顶体酶释放出来并溶解放射冠内的卵丘细胞
44、之间的物质， 形成精子穿越放射冠的通路； 透明带反应是防止多精子入卵的第一道屏障。 进入卵细胞膜： 当精子与卵细胞膜接触时， 立即被微绒毛抱合， 随后， 精子外膜和卵细胞膜相互融合， 精子入卵。精子入卵后， 发生的卵细胞膜反应是防止多精子入卵的第二道屏障。 原核形成： 精子入卵后， 尾部脱离， 原有核膜破裂， 随后形成新的核膜， 最后形成雄原核； 被激活的卵子 完成减数第二次分裂， 排出第二极体后， 形成雌原核。 配子结合： 雌雄原核融合形成合子 （受精卵） 。 三、 胚胎发育 1.概念： 由受精卵发育成幼体的过程。 2.场所： 早期： 输卵管； 后期： 子宫。 3.过程：受精卵： 胚胎发育的
45、起点 桑椹胚： 具有全能性， 可用于胚胎分割 卵裂 分裂、 分化 分裂、 分化 分裂、 分化 孵化： 胚胎从透明带中破裂出来 在透明带内进行有丝分裂 囊胚 原肠胚 幼体 细胞数目增加， 总体积几乎不变 具有全能性， 可用于胚胎分割 （注意将内细胞团均等分割） 分化为 滋养层细胞 内细胞团： 属于胚胎干细胞， 将来发育成各种组织 囊胚腔 滋养层细胞： 发育成胎膜、 胎盘 原肠腔 内细胞团 表层细胞发育成外胚层 下方细胞发育成内胚层 现代生物科技专题 选修三选修三 227 温馨提示： 桑椹胚以前的细胞均未分化， 都具有全能性； 桑椹胚以后细胞开始分化， 到囊胚期时， 部分细胞已经分 化为滋养层，
46、进一步分化为胎膜、 胎盘。 哺乳动物胚胎发育早期的营养物质来自卵黄， 当滋养层分化为胎膜胎盘时营养物质来自母体。 两栖类、 鸟类等胚胎发育所需营养物质都来自卵黄。 228 高中生物核心知识一本通 第 2 节 体外受精和早期胚胎培养 一、 试管动物技术 1.概念： 指通过人工操作使精子和卵子在体外条件下成熟和受精， 并通过培养发育为早期胚胎后， 再经 胚胎移植产生后代的技术。 2.技术手段： 体外受精、 早期胚胎培养、 胚胎移植。 3.意义： 实现优良种畜的快速繁殖。 温馨提示： 试管动物是有性生殖技术； 克隆动物是无性生殖技术。 二、 体外受精 体外受精包括卵母细胞的采集、 精子的获取和受精等
47、主要步骤。 1.卵母细胞的采集和培养： 分类举例采集方法采集后的操作 实验动物 小鼠、 兔、 猪、 羊等 用促性腺激素处理， 使其排出更多的卵子 （超数排卵） ， 从输卵管中冲取卵子 直接与获能的精子在体外受精 大型动物牛等 从屠宰母畜的卵巢中采集卵母细胞， 也可 以采用超声波探测仪等直接从活体动物的 卵巢中吸取卵母细胞 采集后的卵母细胞需要在体外经 人工培养成熟后， 才能与获能的 精子受精 2.精子的采集和获能： (1)精子的采集方法： 假阴道法、 手握法、 电刺激法等。 (2)精子的获能方法： 获能方法适用动物操作方法 培养法啮齿动物、 家兔及猪等动物 将取自附睾的精子放入人工配制的获能液
48、中培养获能 化学诱导法 牛、 羊等家畜 将精子放在一定浓度的肝素或钙离子载体 A23187 溶液 中， 用化学药物诱导精子获能 3.受精： 获能的精子和培养成熟的卵子， 在获能液或专用的受精溶液中结合成为受精卵的过程。 卵巢 卵母细胞 期 卵母细胞 期卵母细胞 体外受精 受精卵培养 哺乳动物体外受精过程示意图 新鲜或解冻的精液 精子离心处理 精子获能处理 获能精子 卵母细胞 培养 现代生物科技专题 选修三选修三 229 三、 胚胎的早期培养 1.发育培养液成分： (1)两盐： 无机盐、 有机盐 (2)两素： 维生素、 激素 (3)两酸： 氨基酸、 核苷酸 (4)动物血清。 2.培养的注意事项：
49、 检测受精状况和受精卵的发育能力。 3.胚胎的去向： 当胚胎发育到适宜的阶段时， 可将其取出向受体移植， 或冷冻保存。 230 高中生物核心知识一本通 第 3 节 胚胎工程的应用及前景 一、 胚胎移植 1.概念： 将雌性动物体内的早期胚胎， 或者通过体外受精及其他方式 （如转基因、 核移植等） 得到的胚 胎， 移植到同种的、 生理状态相同的其他雌性动物的体内， 使之继续发育为新个体的技术。 2.实质： 早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。 3.地位： 是胚胎工程其他技术的最后一道 “工序” 。 4.意义： (1)充分发挥雌性优良个体的繁殖潜能。 (2)大大缩短了供体本身的繁殖周期， 增加供体一生繁殖后代的数量。 5.胚胎移植的生理学基础： (1)哺乳动物发情排卵后， 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， 为供体胚胎 移入受体提供了相同的生理环境。 (2)早期胚胎处于游
