第第頁第2節(jié)動物細(xì)胞工程三動物體細(xì)胞核移植技術(shù)和克隆動物教學(xué)分析教學(xué)分析教學(xué)目標(biāo)1.闡明利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的原理。2.概述利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的過程。3.認(rèn)同體細(xì)胞核移植技術(shù)的應(yīng)用前景,客觀分析該技術(shù)存在的問題。評價目標(biāo)1.生命觀念:運(yùn)用生命觀念闡述利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的原理。2.科學(xué)思維:構(gòu)建利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的模型,提高學(xué)生的綜合分析能力。3.社會責(zé)任:通過體細(xì)胞克隆猴實例,讓學(xué)生認(rèn)識到我國的科技創(chuàng)新實力,增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。教學(xué)重難點(diǎn)概述利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的過程。教學(xué)方法1.采取多媒體輔助教學(xué),用動畫的方式展示利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的過程,變抽象為直觀。2.采用直觀教學(xué)法、講述法、啟示法、討論法等教學(xué)方法。課時安排1課時教學(xué)準(zhǔn)備多媒體,白板,學(xué)案,PPT等。教學(xué)教學(xué)設(shè)計導(dǎo)入新課“(悟空)拔一把毫毛,丟在口中嚼碎,望空噴去,叫一聲:‘變!’即變作三二百個小猴,周圍攢簇?！边@是《西游記》中的一段描述,展示了中華先賢的想象力。毫毛來自體細(xì)胞,我們能用體細(xì)胞“變”出猴來嗎?2017年,我國科學(xué)家通過動物體細(xì)胞核移植技術(shù)首次培育出了體細(xì)胞克隆猴。講授新課一、動物體細(xì)胞核移植技術(shù)和克隆動物【師】請同學(xué)們結(jié)合克隆猴“中中”“華華”的培育過程圖,說明有幾只猴參與了克隆猴“中中”“華華”的培育。“中中”“華華”的細(xì)胞核的遺傳物質(zhì)來自哪只母猴?【生】3只。A母猴?！編煛渴裁词莿游锛?xì)胞核移植技術(shù)?原理是什么?【生】動物細(xì)胞核移植技術(shù)的概念:將動物一個細(xì)胞的細(xì)胞核移入去核的卵母細(xì)胞中,使這個重新組合的細(xì)胞發(fā)育成新胚胎,繼而發(fā)育成動物個體的技術(shù)。用動物細(xì)胞核移植技術(shù)得到的動物稱為克隆動物。原理:動物細(xì)胞核的全能性?！編煛縿游锛?xì)胞核移植技術(shù)的主要類型有哪些?【生】胚胎細(xì)胞核移植和動物體細(xì)胞核移植?！編煛糠侨遂`長類動物體細(xì)胞核移植非常困難的原因有哪些?【生】非人靈長類動物體細(xì)胞核移植非常困難的原因:(1)供體細(xì)胞的細(xì)胞核在去核卵母細(xì)胞中不能完全恢復(fù)其分化前的功能狀態(tài),這導(dǎo)致了胚胎發(fā)育率低;(2)對非人靈長類動物胚胎進(jìn)行操作的技術(shù)尚不完善?！編煛慨a(chǎn)生克隆動物的過程屬于何種繁殖方式?能說明動物細(xì)胞具有全能性嗎?【生】產(chǎn)生克隆動物的過程屬于無性繁殖。不能說明動物細(xì)胞具有全能性。二、體細(xì)胞核移植的過程【師】結(jié)合教材中克隆高產(chǎn)奶牛部分的內(nèi)容,敘述高產(chǎn)奶牛培育過程。【生】敘述高產(chǎn)奶牛培育過程。【師】在高產(chǎn)奶牛培育過程和克隆猴“中中”“華華”培育過程中,為什么要選擇MⅡ期的卵母細(xì)胞?如何去除卵母細(xì)胞的細(xì)胞核?【生】選擇MⅡ期卵母細(xì)胞的原因是卵母細(xì)胞體積大,易操作,含有促使細(xì)胞核表達(dá)全能性的物質(zhì)和營養(yǎng)條件。卵母細(xì)胞去核的方法為顯微操作(去核)法?！編煛吭诟弋a(chǎn)奶牛培育過程和克隆猴“中中”“華華”培育過程中,實際操作中將供體細(xì)胞整個注入去核的卵母細(xì)胞中的原因是什么?如何誘導(dǎo)細(xì)胞融合?激活重構(gòu)胚的方法有哪些?【生】將供體細(xì)胞整個注入去核的卵母細(xì)胞中的原因:保證供體細(xì)胞核不被破壞,操作也更方便。誘導(dǎo)細(xì)胞融合的方法:電融合法。激活重構(gòu)胚的方法:物理(電刺激)或化學(xué)(Ca2+載體、乙醇和蛋白酶合成抑制劑等)方法。【師】用體細(xì)胞核移植技術(shù)培育的克隆動物,是對供體動物進(jìn)行了100%的復(fù)制嗎?為什么?【生】克隆動物的絕大部分DNA來自供體動物的細(xì)胞核,但其細(xì)胞核外的DNA即線粒體中的DNA同時來自供體細(xì)胞和受體卵母細(xì)胞,所以,用教材中所述的方法克隆動物不是對供體動物進(jìn)行完全相同的復(fù)制。此外,即使動物的遺傳物質(zhì)完全相同,但由于動物的發(fā)育及一些行為、習(xí)性的形成與所處環(huán)境有很大關(guān)系,克隆動物所生活的環(huán)境與核供體動物生活的環(huán)境不會完全相同,所以從這一角度看,克隆動物也不是對供體動物進(jìn)行100%的復(fù)制。【師】體細(xì)胞核移植技術(shù)與誘導(dǎo)iPS細(xì)胞相比,有什么相似或不同之處?請預(yù)測它們應(yīng)用前景的差異。【生】利用體細(xì)胞核移植技術(shù)和誘導(dǎo)iPS細(xì)胞都能生成干細(xì)胞,但它們的過程是完全不同的。通過體細(xì)胞核移植技術(shù)可以生成帶有供體動物細(xì)胞遺傳物質(zhì)的胚胎干細(xì)胞;誘導(dǎo)iPS細(xì)胞需要在細(xì)胞中表達(dá)幾個關(guān)鍵基因,將細(xì)胞逆轉(zhuǎn)到類似胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)。體細(xì)胞核移植技術(shù)對供體細(xì)胞有較高要求,一般情況下,體細(xì)胞的分化程度越高,它重編程為干細(xì)胞的成功率就越低;可誘導(dǎo)成為iPS細(xì)胞的細(xì)胞來源相對更廣,研究表明,成纖維細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞等都可以誘導(dǎo)成為iPS細(xì)胞。體細(xì)胞核移植技術(shù)涉及采集卵母細(xì)胞、去核、融合等復(fù)雜的操作;誘導(dǎo)iPS細(xì)胞的技術(shù)流程相對簡單,可能更適用于生產(chǎn)實踐。目前科學(xué)家還在研究由這兩種技術(shù)生成的干細(xì)胞在基因表達(dá)、DNA甲基化等方面的差異,這些研究成果也將直接影響它們今后的應(yīng)用。三、體細(xì)胞核移植技術(shù)的應(yīng)用前景及存在的問題【師】請同學(xué)們閱讀教材后回答:體細(xì)胞核移植技術(shù)的應(yīng)用前景有哪些?【生】(1)畜牧生產(chǎn):加速家畜遺傳改良進(jìn)程,促進(jìn)優(yōu)良畜群繁育。(2)醫(yī)藥衛(wèi)生:利用體細(xì)胞核移植技術(shù)培育的轉(zhuǎn)基因克隆動物可以作為生物反應(yīng)器,生產(chǎn)許多珍貴的醫(yī)用蛋白。(3)治療人類疾病:①轉(zhuǎn)基因克隆動物的細(xì)胞、組織或器官可以用于異種移植;②以患者作為供體培育的人核移植胚胎干細(xì)胞,經(jīng)過誘導(dǎo)分化能形成相應(yīng)的細(xì)胞、組織或器官,將它們移植給患者時可以避免發(fā)生免疫排斥反應(yīng)。(4)科研:①研究克隆動物可使人類更深入地了解胚胎發(fā)育及衰老過程;②克隆一批遺傳背景相同的動物,可以通過它們之間的對比來分析致病基因;③克隆特定疾病模型的動物,還能為研究該疾病的致病機(jī)制和開發(fā)相應(yīng)的藥物提供幫助。(5)保護(hù)瀕危物種:有望增加瀕危物種的存活數(shù)量?！編煛空埻瑢W(xué)們閱讀教材,回答體細(xì)胞核移植技術(shù)目前存在的問題有哪些?！旧看嬖诘膯栴}:(1)該技術(shù)的成功率非常低,各個技術(shù)環(huán)節(jié)有待進(jìn)一步改進(jìn)。(2)相對于技術(shù)研究,核移植的理論研究較為滯后,需要與發(fā)育生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科更深層次的理論研究相結(jié)合。(3)絕大多數(shù)克隆動物存在健康問題,許多克隆動物表現(xiàn)出遺傳和生理缺陷,如體型過大、異常肥胖、發(fā)育困難、臟器缺陷和免疫失調(diào)等。評價反饋評價反饋學(xué)生能夠闡述利用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的原理和過程,認(rèn)同體細(xì)胞核移植技術(shù)的應(yīng)用前景。課堂小結(jié)課堂小結(jié)布置作業(yè)布置作業(yè)完成學(xué)案中的核心素養(yǎng)專練。教學(xué)反思教學(xué)反思在學(xué)習(xí)動物體細(xì)胞核移植技術(shù)時,可以選擇克隆羊“多莉”或者我國科學(xué)家培育的體細(xì)胞克隆猴的培育過程作為情境。選擇學(xué)生熟悉的實例,一方面能拉近與學(xué)生的距離,另一方面學(xué)生可能會熟悉某些技術(shù)環(huán)節(jié),這樣能在一定程度上降低學(xué)習(xí)的難度。板書設(shè)計板書設(shè)計三動物體細(xì)胞核移植技術(shù)和克隆動物一、動物細(xì)胞核移植1.概念2.種類二、體細(xì)胞核移植的過程三、體細(xì)胞核移植技術(shù)的應(yīng)用前景及存在的問題備課資源備課資源一、動物細(xì)胞核移植1.為什么選擇MⅡ期卵母細(xì)胞作為受體細(xì)胞?動物細(xì)胞核移植技術(shù)中能用作受體細(xì)胞的通常有MⅡ期卵母細(xì)胞和受精卵。早期核移植技術(shù)中常用受精卵,后來基本上用MⅡ期卵母細(xì)胞取代了受精卵,主要是因為兩者的細(xì)胞質(zhì)環(huán)境不同。有人認(rèn)為,激活重構(gòu)胚需要的因子存在于MⅡ期卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中,而在受精卵中原核形成時這些因子已被降解或用光,因此它的細(xì)胞質(zhì)中缺乏這些因子。也有人認(rèn)為,可能對受精卵進(jìn)行去核操作使一些早期發(fā)育必需的因子隨原核一起被去除了,導(dǎo)致去核受精卵缺乏誘導(dǎo)發(fā)育的能力。促成熟因子(MPF)是卵母細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中一種重要的蛋白因子,MPF水平的高低可影響供體核染色質(zhì)的狀態(tài)和復(fù)制。MPF的活性在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的MⅠ期和MⅡ期達(dá)到最高,受精后,MPF迅速滅活。MⅡ期卵母細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)已成熟,而MⅠ期卵母細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)尚未成熟,其細(xì)胞質(zhì)不能支持胚胎的全程發(fā)育,因此盡管MⅠ期卵母細(xì)胞中MPF活性也高,但它不能用作受體細(xì)胞。2.在進(jìn)行動物細(xì)胞核移植操作時,注入卵母細(xì)胞的是供體細(xì)胞還是其細(xì)胞核?最初,在進(jìn)行動物細(xì)胞核移植操作時,是用玻璃微型吸管將供體細(xì)胞的細(xì)胞核吸出,再注入去核卵母細(xì)胞內(nèi),這也是“核移植”這一名詞的含義。后來,研究者通過實驗不斷摸索發(fā)展出了另外一種方法,即直接將供體細(xì)胞注入去核卵母細(xì)胞的透明帶內(nèi),然后用病毒介導(dǎo)或電融合法等方式使兩個細(xì)胞融合,因為這種方法操作簡便,對卵母細(xì)胞損傷較小,所以后來較為常用。既然注入的是整個供體細(xì)胞,那么供體細(xì)胞線粒體中的遺傳物質(zhì)是否能表達(dá)出相應(yīng)性狀?理論上推測,供體和受體兩種來源的線粒體有三種可能的命運(yùn):供體來源的線粒體被降解,只剩下受體來源的線粒體;兩種來源的線粒體同時存在,核移植個體的線粒體呈異質(zhì)性;受體來源的線粒體被選擇性降解,供體來源的線粒體占主導(dǎo)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn),線粒體呈異質(zhì)性的情況主要存在于核移植個體胚胎發(fā)育早期,大部分核移植個體后代中主要留存的是受體來源的線粒體,如多莉羊的線粒體中的DNA主要來自受體卵母細(xì)胞,它只保留了少部分供體來源的線粒體。3.核移植技術(shù)的發(fā)展簡史早在1938年就有人提出核移植技術(shù),但將它作為研究細(xì)胞分化的一種方法,且僅用于兩棲動物。早期的實驗結(jié)果顯示,受精卵最初幾次分裂產(chǎn)生的細(xì)胞具有全能性;當(dāng)胚胎進(jìn)一步分化時,細(xì)胞喪失了全能性,這時如果去掉胚胎的部分細(xì)胞,胚胎就不能發(fā)育為一個完整的個體。1952年,美國學(xué)者布里格斯(R.Briggs)和金(J.King)將豹紋蛙囊胚細(xì)胞的核移植到去核卵中,得到了能夠發(fā)育的胚胎。他們改進(jìn)了核移植技術(shù)后,在正常分裂的卵中有80%可以發(fā)育成幼蛙。這些研究結(jié)果表明,細(xì)胞的全能性雖然隨著細(xì)胞分化程度的提高而逐漸受到限制,但細(xì)胞核仍含有保持該物種遺傳特性的全部基因,即高度分化細(xì)胞的細(xì)胞核仍具有全能性。20世紀(jì)70年代,我國科學(xué)家運(yùn)用核移植技術(shù),將鯉魚囊胚細(xì)胞的細(xì)胞核移植到已去核的鯽魚未受精卵中,培養(yǎng)出了鯉鯽移核魚,這樣的魚兼有鯽魚和鯉魚的特點(diǎn),并且具有正常的生殖能力。經(jīng)有關(guān)部門鑒定,鯉鯽移核魚的肌肉蛋白質(zhì)含量比鯉魚高3.78%,脂肪含量比鯉魚低5.58%,生長速率比鯉魚快22%。20世紀(jì)80年代,哺乳動物的核移植研究有了很大的進(jìn)展。1981年,瑞士學(xué)者伊爾曼斯(K.Illmensee)和霍普(P.Hoppe)將小鼠胚胎細(xì)胞的細(xì)胞核注入去核的受精卵中,獲得了胚胎細(xì)胞核移植的小鼠。之后,人們用體內(nèi)或體外成熟的卵母細(xì)胞代替了受精卵作為受體細(xì)胞,得到了多種胚胎細(xì)胞核移植的動物,如綿羊、牛、小鼠、兔等。但體細(xì)胞核移植技術(shù)一直未能成功,直到1996年英國學(xué)者韋爾穆特(I.Wilmut)等用成年綿羊乳腺細(xì)胞得到體細(xì)胞核移植后代綿羊多莉,體細(xì)胞核移植技術(shù)獲得了突破性的進(jìn)展。多莉的誕生說明成年動物的體細(xì)胞核移植技術(shù)獲得了成功。在以后的幾年中,多種體細(xì)胞克隆動物,如小鼠、牛、山羊,以及多種轉(zhuǎn)基因克隆動物也相繼問世。經(jīng)過我國科學(xué)家多年的努力,2017年體細(xì)胞克隆猴“中中”和“華華”誕生。二、歷年高考薈萃1.M基因編碼的M蛋白在動物A的肝細(xì)胞中特異性表達(dá)。現(xiàn)設(shè)計實驗,將外源DNA片段F插入M基因的特定位置,再通過核移植、胚胎培養(yǎng)和胚胎移植等技術(shù)獲得M基因失活的轉(zhuǎn)基因克隆動物A,流程如圖所示?；卮鹣铝袉栴}。(1)在無菌、無毒等適宜環(huán)境中進(jìn)行動物A成纖維細(xì)胞的原代和傳代培養(yǎng)時,需要定期更換培養(yǎng)液,目的是。

(2)與胚胎細(xì)胞核移植技術(shù)相比,體細(xì)胞核移植技術(shù)的成功率更低,原因是。從早期胚胎中分離獲得的胚胎干細(xì)胞,在形態(tài)上表現(xiàn)為(答出兩點(diǎn)即可),功能上具有。

(3)鑒定轉(zhuǎn)基因動物:以免疫小鼠的淋巴細(xì)胞與骨髓瘤細(xì)胞進(jìn)行融合,篩選融合雜種細(xì)胞,制備M蛋白的單克隆抗體。簡要寫出利用此抗體確定克隆動物A中M基因是否失活的實驗思路:

。2.在克隆哺乳動物過程中,通常作為核移植受體細(xì)胞的是去核的()A.卵原細(xì)胞 B.初級卵母細(xì)胞C.次級卵母細(xì)胞 D.卵細(xì)胞3.利用基因編輯技術(shù)將病毒外殼蛋白基因?qū)肱＜?xì)胞中,然后通過核移植技術(shù)培育基因編輯牛,可用于生產(chǎn)基因工程疫苗。下圖為基因編輯牛培育流程,請回答下列問題。(1)采集2號牛的組織塊,用處理獲得分散的成纖維細(xì)胞,置于37℃的CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng),其中CO2的作用是。

(2)產(chǎn)出的基因編輯牛的性染色體來自號牛。

4.2017年,中國科學(xué)家率先成功地應(yīng)用體細(xì)胞對非人靈長類動物進(jìn)行克隆,獲得兩只克隆猴——“中中”和“華華”?；卮鹣铝袉栴}。(1)“中中”和“華華”的獲得涉及核移植過程,核移植是指。通過核移植方法獲得的克隆猴,與供體相比,克隆猴體細(xì)胞的染色體數(shù)目(填“減半”“加倍”或“不變”)。

(2)哺乳動物的核移植可以分為胚胎細(xì)胞核移植和體細(xì)胞核移植,胚胎細(xì)胞核移植獲得克隆動物的難度(填“大于”或“小于”)體細(xì)胞核移植,其原因是。

(3)在哺乳動物核移植的過程中,若分別以雌性個體和雄性個體的體細(xì)胞作為供體,通常,所得到的兩個克隆動物體細(xì)胞的常染色體數(shù)目(填“相同”或“不同”),性染色體組合(填“相同”或“不同”)。

5.2017年,某國批準(zhǔn)了首例使用細(xì)胞核移植技術(shù)培育“三親嬰兒”的申請。三親嬰兒的培育過程可選用如下技術(shù)路線。據(jù)圖分析,下列敘述錯誤的是()A.該技術(shù)可避免母親的線粒體遺傳病基因傳遞給后代B.捐獻(xiàn)者攜帶的紅綠色盲基因不能遺傳給三親嬰兒C.三親嬰兒的染色體全部來自母親提供的細(xì)胞核D.三親嬰兒的培育涉及動物細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞核移植等操作參考答案參考答案1.(1)清除代謝物,防止細(xì)胞代謝物積累對細(xì)胞自身造成危害(2)動物胚胎細(xì)胞分化程度低,表現(xiàn)其全能性相對容易,動物體細(xì)胞分化程度高,表現(xiàn)其全能性十分困難細(xì)胞體積小,細(xì)胞核大,核仁明顯(任選兩點(diǎn)作答)發(fā)育的全能性(3)B用特定抗原刺激小鼠,取出已免疫的B淋巴細(xì)胞與骨髓瘤細(xì)胞融合,檢測篩選出的雜交瘤細(xì)胞能否產(chǎn)生M蛋白的單克隆抗體,如果不能產(chǎn)生,說明M基因在克隆動物A中已失活;如果可以產(chǎn)生,說明M基因在克隆動物A中沒有失活。【解析】(1)在無菌、無毒等適宜環(huán)境中進(jìn)行動物A成纖維細(xì)胞的原代和傳代培養(yǎng)時,需要定期更換培養(yǎng)液,目的是清除代謝物,防止細(xì)胞代謝物積累對細(xì)胞自身造成危害。(2)由于動物胚胎細(xì)胞分化程度低,表現(xiàn)其全能性相對容易,動物體細(xì)胞分化程度高,表現(xiàn)其全能性十分困難,故與胚胎細(xì)胞核移植技術(shù)相比,體細(xì)胞核移植技術(shù)的成功率更低。胚胎干細(xì)胞在形態(tài)上表現(xiàn)為細(xì)胞體積小,細(xì)胞核大,核仁明顯;在功能上具有發(fā)育的全能性。(3)先給小鼠注射特定抗原使之發(fā)生免疫反應(yīng),之后從小鼠脾臟中獲取已經(jīng)免疫的B淋巴細(xì)胞;誘導(dǎo)B淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞融合,利用選擇培養(yǎng)基篩選出雜交瘤細(xì)胞,制備M蛋白的單克隆抗體;利用此抗體確定克隆動物A中M基因是否失活,如果M基因已經(jīng)失活,則克隆動物A中無法產(chǎn)生M蛋白的單克隆抗體。2.C【解析】在克隆哺乳動物