高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序课文内容课件ppt

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1.简述动物细胞培养的基本条件。2.简述动物细胞培养的基本操作过程。3.阐明干细胞的概念及其在临床上的应用。4.简述动物细胞融合的概念。5.阐明动物细胞融合的基本方法。6.阐明单克隆抗体的制备过程及其应用。7.阐明动物体细胞核移植的基本过程。8.客观分析动物体细胞核移植的应用前景。
1.通过思考与讨论,认同动物细胞培养是动物细胞工程的基础。2.客观分析干细胞在临床上的应用所产生的效益与风险,能够运用生物学基本概念和原理,对日常生活中与干细胞有关的问题进行分析和判断。3.认同动物细胞融合技术是制备单克隆抗体的重要技术。4.认同单克隆抗体在临床上发挥了重要作用。5.认同动物细胞核移植技术及克隆动物是动物细胞工程的重要方面。6.认同体细胞核移植技术有广泛的应用前景,理性看待体细胞核移植技术存在的问题。
一、动物细胞培养1.概念从动物体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后在适宜的培养条件下,让这些细胞生长和增殖的技术。2.条件(1)营养:合成培养基中有糖类、氨基酸、无机盐、维生素等。通常需加入血清等天然成分。(2)无菌、无毒的环境①需要对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作。②应定期更换培养液,以便清除代谢物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。
(3)温度、pH和渗透压:哺乳动物细胞培养的温度多以(36.5±0.5) ℃为宜。多数动物细胞生存的适宜pH为7.2~7.4。此外,渗透压也是动物细胞培养过程中需要考虑的重要环境参数。(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(有氧呼吸)所必需的,CO2的主要作用是维持培养液的pH。在进行细胞培养时,通常采用培养皿或松盖培养瓶,将其置于含有95%空气和5% CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养。 
二、干细胞培养及其应用1.干细胞(1)功能:一定条件下,干细胞可以分化成其他类型的细胞。(2)分布:存在于早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。
(3)主要种类:包括胚胎干细胞和成体干细胞等。
2.干细胞的应用有着自我更新能力及分化潜能的干细胞,与组织、器官的发育、再生和修复等密切相关。具体应用如下。(1)造血干细胞的应用:移植到病人体内,恢复病人的造血和免疫功能。(2)神经干细胞的应用:在治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病方面有重要的应用价值。
(3)诱导多能干细胞(iPS细胞)的应用①优点:诱导过程无需破坏胚胎,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,理论上可以避免发生免疫排斥反应。②过程
3.干细胞应用面临的挑战(1)胚胎干细胞的获取涉及伦理问题。 (2)干细胞用于临床治疗还面临一些问题,如存在导致肿瘤发生的风险。
【预习检测】 1.判断正误。(1)制备动物细胞悬液时,先用剪刀剪碎肝组织,再用胃蛋白酶处理。(　　)(2)在动物细胞培养过程中,通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸。(　　)(3)干细胞是指动物(包括人)胚胎中具有多向分化潜能的细胞。(　　)(4)动物细胞培养应定期更换培养液,以便清除代谢物,保证无毒环境。(　　)(5)胚胎干细胞和成体干细胞都具有分化成完整个体的潜能。(　　)(6)动物细胞培养时细胞要经过脱分化形成愈伤组织。(　　)
(7)动物细胞培养液中通常含有糖类、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清。(　　)(8)动物细胞培养瓶中的细胞需定期用胰蛋白酶处理,分瓶后才能继续增殖。(　　)
2.从理论上讲,任何涉及丧失正常细胞的疾病,都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异细胞或组织来治疗。下列说法错误的是(　　)A.用神经细胞治疗帕金森病等B.用胰岛细胞治疗糖尿病C.用心肌细胞修复坏死的心肌等D.用甲状腺细胞治疗侏儒症答案:D
3.下列关于胚胎干细胞的说法,正确的是(　　)A.胚胎干细胞存在于成体组织或器官内B.胚胎干细胞具有全能性,属于全能干细胞C.胚胎干细胞属于专能干细胞　D.胚胎干细胞最早发现于20世纪60年代答案:B
4.下列有关动物细胞培养、动物组织培养的叙述,正确的是(　　)A.在动物细胞培养中,含20%CO2的恒温培养箱的作用是调控pH和温度B.动物细胞培养过程中一定不会出现组织分化现象C.原代培养的细胞因具有最接近于体内细胞的生长特性,常用于药物测试研究D.动物细胞培养过程中,首先要用胃蛋白酶处理部分组织以使细胞分散获得单个细胞答案:C
解析:在动物细胞培养过程中,需要适宜的温度和一定的pH等环境,含5%CO2的恒温培养箱是用来维持培养液的pH和温度的。在动物组织培养过程中,加入诱导因子后会诱导细胞分化,如胚胎干细胞经培养可分化出各种细胞。动物细胞培养的适宜pH是7.2~7.4,在该条件下胃蛋白酶会失活。在动物细胞培养过程中,应用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理部分组织,使细胞分散成单个细胞。
5.在动物细胞培养过程中,只属于原代培养过程的是(　　)A.用胰蛋白酶处理获得单个细胞的过程B.从机体取得细胞并处理后立即进行培养的过程C.出现接触抑制现象后取下的细胞继续培养的过程D.哺乳动物细胞在培养基中悬浮生长的过程答案:B
6.下列关于动物细胞培养的叙述,错误的是(　　)A.动物细胞培养是动物细胞工程的基础B.用于培养的细胞最好是取自健康动物体内的组织细胞C.将所取的组织先用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理,使其分散成单个细胞,再制成细胞悬液培养D.贴壁生长的细胞由于接触抑制,会出现停止分裂的现象,悬浮生长的细胞不会出现停止生长的现象答案:D
知识点一　动物细胞培养
1.为什么要将动物组织分散成单个细胞进行培养?提示:(1)保证细胞所需要的营养供应。(2)保证细胞内有害代谢物的及时排出。2.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?用胃蛋白酶可以吗?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。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把动物组织分散成单个细胞。
3.动物细胞培养过程需要经过脱分化吗?提示:动物细胞培养不需经过脱分化过程。4.为什么进行动物细胞培养时通常需加入血清?提示:(1)血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等,其中一些氨基酸是动物细胞本身不能合成的,必须由培养液提供。(2)血清中还含有生长激素和多种细胞生长所需要的特殊营养物质及其他活性物质等,能促进细胞的生长、增殖。
5.如何理解原代培养和传代培养?提示:原代培养和传代培养一般均需对细胞用胰蛋白酶进行分散处理,区分两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象。(1)用胰蛋白酶对剪碎的动物组织进行处理,分散后培养,即为原代培养。(2)细胞培养过程中出现接触抑制,用胰蛋白酶等处理使其从瓶壁上脱离下来,分装到多个培养瓶中继续培养,即为传代培养。
1.植物组织培养与动物细胞培养的比较
2.与动物细胞培养有关的两组概念的辨析(1)细胞贴壁和接触抑制①体外培养的动物细胞大多数需要贴附于某些基质表面才能增殖。在培养瓶中进行培养时,这些细胞往往就贴附在培养瓶的瓶壁上,称为细胞贴壁。②当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞就会停止分裂增殖,这种现象称为细胞的接触抑制。(2)原代培养与传代培养①原代培养:细胞悬液第一次在培养瓶中培养。②传代培养:进行分瓶后的扩大培养。
3.动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶的作用不同:第一次是使动物组织分散成单个细胞,第二次是使贴壁细胞从瓶壁上脱落下来。4.动物组织要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;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。同时,分散成单个细胞培养,可使在细胞水平进行操作的其他技术得以实现。5.选取幼龄动物的组织、器官作为材料的原因动物细胞培养时,一般选取幼龄动物的组织、器官,因其细胞的分化程度低,增殖能力强,有丝分裂旺盛,容易培养。
下图为动物细胞培养的基本过程示意图。请据图回答下列问题。
(1)容器A中放置的一般是幼龄动物的器官或组织,原因是其细胞　　　　　　　　,易于培养。培养时先要剪碎,然后用　　　　　　分散细胞,制成B瓶中的细胞悬液。将细胞悬液转入C瓶中进行的初次培养称为　　　　。 
(2)在体外培养细胞时,必须保证环境是无菌、无毒的。需要采取的措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。培养过程中还需要提供O2和CO2等气体环境,CO2的作用主要是　　　　　　　　　　　。 (3)动物细胞体外培养时,通常要在培养基中补充一定浓度的某些物质。下图是血清对正常细胞和癌细胞培养影响的实验结果。据图可知,培养　　　　细胞一定要添加血清。 
答案:(1)分裂能力强　胰蛋白酶(或胶原蛋白酶)　原代培养(2)对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作,定期更换培养液　维持培养液的pH(3)正常
解析:(1)动物细胞培养的过程:取动物组织块(或动物胚胎或幼龄动物的组织、器官)→剪碎→用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理,分散成单个细胞→制成细胞悬液→转入培养瓶中进行原代培养→贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理,分散成单个细胞,然后离心收集细胞,继续传代培养。(2)为保证动物细胞培养所需的无菌、无毒的环境,需要对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作,定期更换培养液,以便清除代谢物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。培养过程还需要提供气体环境,所需的气体主要有O2和CO2,前者供细胞呼吸所用,后者的主要作用是维持培养液的pH。(3)据图可知,培养癌细胞时,有无血清影响不大,而培养正常细胞时,有血清时的细胞数远大于无血清时的细胞数,故培养正常细胞必须要添加血清。
【变式训练】 1.某研究小组准备对某种动物的肝细胞进行动物细胞培养,下列有关说法正确的是(　　)A.培养液通常含有蔗糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清B.细胞培养应在CO2培养箱中进行,CO2的作用是刺激细胞的呼吸C.取单个肝细胞进行培养获得细胞群的方法利用了细胞全能性原理D.动物细胞培养可实现动物分泌蛋白的规模化生产答案:D
解析:动物细胞培养时所用的培养基为液体培养基,通常含有葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等。动物细胞培养应在CO2培养箱中进行,CO2的作用是维持培养液的pH。取单个肝细胞进行培养获得细胞群的方法利用了细胞增殖的原理。动物细胞培养可用于人造皮肤的构建、动物蛋白的规模化生产等。
2.下列关于动物细胞培养的叙述,错误的是(　　)A.用于培养的细胞大多取自胚胎或幼龄动物的器官、组织B.将所取的组织先用胰蛋白酶等进行处理,使其分散成单个细胞C.在动物细胞培养过程中,要定期用胰蛋白酶处理,使细胞从瓶壁上脱离下来,制成细胞悬液D.在动物细胞培养时,贴壁生长的细胞可形成多层细胞答案:D
知识点二　干细胞培养及应用
1.胚胎干细胞(简称ES细胞)与成体干细胞的区别主要有哪些?提示:胚胎干细胞与成体干细胞的区别主要有以下几点。(1)分化潜能不同:ES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;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)来源不同:ES细胞来源于早期胚胎,成体干细胞来自成体的组织或器官。
(3)存在阶段不同:胚胎干细胞是胚胎发育过程中特定阶段的产物,随着发育的进行,逐渐分化为各种细胞、组织、器官;成体干细胞在动物体内始终存在,在特定条件下,成体干细胞或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。(4)胚胎干细胞必须从胚胎中获取,涉及伦理问题;成体干细胞不涉及伦理问题。
2.iPS细胞在治疗人类疾病方面有哪些优势和不足?提示:优势:iPS细胞称为诱导多能干细胞,类似于胚胎干细胞,但诱导过程无需破坏胚胎,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,理论上可以避免免疫排斥反应。不足:诱导产生iPS细胞、促使其分化都需要时间,因此用某人特异的iPS细胞进行临床治疗只限于时间比较充裕的情形。
1.胚胎干细胞与成体干细胞的联系胚胎干细胞能分化出各种类型的细胞,包括成体干细胞,也就是说,成体干细胞最终来自胚胎干细胞,由胚胎干细胞逐步分化形成。分化的示意图如下:在体内,胚胎干细胞随着发育的进行,能自行分化成其他各种干细胞;在体外培养条件下,胚胎干细胞必须经过诱导才能分化出其他类型的细胞。
2.iPS细胞与胚胎干细胞iPS细胞称为诱导多能干细胞,从分化潜能上看,属于多能干细胞,而胚胎干细胞属于全能干细胞。从来源上看,胚胎干细胞只能来源于早期胚胎,iPS细胞却可以由多种细胞经诱导形成,如成纤维细胞、已分化的T细胞、B细胞等都能诱导为iPS细胞。从自身特点上看,胚胎干细胞的应用涉及伦理问题,限制了它在医学生的应用,而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,理论上可以避免发生免疫排斥反应,它的应用前景优于胚胎干细胞。另外,胚胎干细胞往往没经过人为改造,iPS细胞可以转入相应的基因或其他因子,往往经过人为改造。
科学家通过转入四种基因可将体细胞诱导形成多能干细胞(iPS细胞),iPS细胞具有与胚胎干细胞类似的功能。下图是设想用iPS细胞技术治疗镰状细胞贫血的流程,请据图回答下列问题。
(1)胚胎干细胞来源于　　　　　,具有　　　性 ,经诱导能发育成个体。(2)iPS细胞培育过程中运用到的生物技术有过程①的　　　　　　　　、过程②的转基因等。 (3)过程①的培养液中除合成培养基的成分外,还需添加　　　　 等天然成分。 (4)经过程③④后,改造得到的A是　　　　　,再植入患者体内,使患者能够产生正常红细胞,达到治疗镰状细胞贫血的目的。 (5)iPS细胞的诱导成功具有的医学价值是   　。 
答案:(1)早期胚胎　全能(2)动物细胞培养(3)血清(4)造血干细胞(5)治疗人类疾病,培育人造组织器官,解决供体器官不足和器官移植后的免疫排斥问题
解析:(1)胚胎干细胞来源于早期胚胎,具有发育的全能性,经诱导有发育成个体的潜能。(2)过程①是从患者体内取出体细胞进行动物细胞培养,而过程②是把四种基因导入体细胞,涉及转基因技术。(3)动物细胞培养过程中,培养液中除合成培养基的成分外,还需添加动物血清等天然成分。(4)镰刀形细胞贫血症患者体内无法形成正常的红细胞,说明其造血干细胞出现功能障碍,所以A细胞是造血干细胞。(5)iPS细胞的诱导成功具有的医学价值是治疗人类疾病,培育人造组织器官,解决供体器官不足和器官移植后的免疫排斥问题等。
【变式训练】 1.科学家利用逆转录病毒将Oct4等4 个关键基因导入已分化的体细胞中并表达,可使这个细胞成为类似干细胞的诱导多能干细胞(iPS 细胞)。上图为相关实验示意图。下列相关叙述错误的是(　　)A.由iPS 细胞产生其他种类细胞的过程称为细胞分化B.利用患者的iPS 细胞对其自身受损器官进行修复,与传统器官移植相比成功率更高C.目前iPS 细胞在实际应用中还存在许多问题,例如有研究发现 iPS 细胞的增殖难以控制,即iPS 细胞具有衰老细胞的特征D.培养iPS 细胞的培养液中应添加动物血清答案:C
解析:由iPS 细胞产生其他种类细胞的过程称为细胞分化,图中过程①②③表示细胞分化,其实质是基因的选择性表达。用该技术得到的新生器官替换供体病变器官,属于自体移植,不发生免疫排斥反应,这可以大大提高器官移植成功率。iPS细胞拥有与胚胎干细胞相似的分化潜力,说明iPS细胞分化程度低,不易衰老。iPS 细胞是体细胞经过体外培养形成的,培养动物细胞的培养液应在合成培养基的基础上添加动物血清。
2.前几年,两个不同国家的研究小组几乎同时宣布成功将人体皮肤细胞改造成了几乎可以和胚胎干细胞相媲美的多功能干细胞——iPS细胞。人类iPS 细胞可以形成神经元等人体多种组织细胞。下列有关iPS 细胞的说法,正确的是(　　)A.iPS 细胞分化为人体多种组织细胞的过程遗传物质发生了变化B.iPS 细胞是人体皮肤细胞在体外培养并经诱导形成的C.iPS 细胞既可分化形成神经元,也可分化形成心肌细胞,说明iPS 细胞在分裂时很容易发生突变D.iPS 细胞只能分化成人体多种组织细胞,是因为它不具有人体的完整基因组答案:B
解析:iPS细胞分化为多种组织细胞,是基因选择性表达的过程,遗传物质未发生变化。iPS细胞分化成不同的细胞是基因选择性表达的结果,不能说明在分裂时容易发生突变。iPS细胞是多功能干细胞,含有人体生长发育的完整基因组。