高中生物 专题2 细胞工程课件 新人教版选修3.ppt

细胞工程 番茄与马铃薯同是茄科植物 但不是同属的植物 番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜 马铃薯的块茎生长在土壤中 人们曾经有这样一个幻想 让一株植株地上部分结番茄 地下部分长土豆 这个幻想可能实现吗 一 细胞工程的概念 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 按照人们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科学技术 细胞工程 应用的原理和方法 细胞生物学和分子生物学 细胞水平或细胞器水平 按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品 概念 分类 植物细胞工程 研究的目的 研究的水平 动物细胞工程 前者是细胞水平或细胞器水平上生物技术 后者是分子水平上的生物技术 克隆多莉羊技术是水平上的技术培育抗虫棉是水平上的技术 细胞工程与基因工程相比 细胞 分子 思考 为什么植物的一个花瓣能培养出完整的植株呢 细胞具有全能性 1 定义 具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞 都具有发育成完整生物体的潜能 2 原理 生物体的任何一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质 都有发育成为完整个体所必需的全部基因 从理论上讲 生物体的每一个活细胞都应该具有全能性 3 大小 二 细胞的全能性 二 细胞的全能性 当植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织而处于离体状态时 在一定的营养物质 激素和其他外界条件的作用下 就可能表现出全能性 发育成完整的植株 在生物的个体发育中 由于基因在特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官 因此 要实现细胞的全能性 首先必须使生物体的细胞处于离体状态 为什么生物体内的细胞没表现全能性 而是分化成不同的组织或器官呢 基因选择性表达的结果 植物细胞表现全能性的必要条件 离体培养提供营养物质 激素及其他适宜条件那么要如何把植物的一个花瓣培育成完整的植株呢 植物的组织培养 1 实验原理 离体的植物器官 组织或细胞 一定的营养物质 激素 脱分化 愈伤组织 再分化 含有不同激素的分化培养基 胚状体或丛芽 试管苗 外植体 从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官 三 植物的组织培养 愈伤组织 离体的植物器官 组织或细胞 在培养一段时间以后 通过细胞分裂 形成由一种高度液泡化 无定形状态的薄壁细胞所组成的排列疏松无规则且具有分生能力的组织 1 愈伤组织 植物细胞的再分化 脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程 2 脱分化和再分化 植物细胞的脱分化 由高度分化的植物器官组织或细胞产生愈伤组织的过程 又称去分化 脱分化的实质和结果分别是什么 实质是恢复细胞的全能性过程 结果是形成愈伤组织 3 生长素和细胞分裂素作用 植物中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂 脱分化和再分化的关键性激素 有利于根的分化 有利于芽的分化 抑制根的分化 促进愈伤组织生长 生长素和细胞分裂素同时使用 用量的比例对植物细胞发育方向的影响 4 植物组织培养过程 离体组织 器官或细胞 植物体 细胞分裂素 生长素 愈伤组织 芽 根 细胞分裂素 生长素 细胞分裂素 生长素 不需要光 需要光 为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养 因为植物组织培养脱分化主要是培养出愈伤组织 一旦被光照以后会促进组织分化 无法达到实验目的 植物组织培养的培养基 定义 含有一定营养成分 供组织培养植物生长的基质无机营养成分 c h o大量元素及部分微量元素有机营养成分 含n物质 包括维生素和氨基酸 碳源 2 5 的蔗糖 琼脂 用于凝固形成固体培养基 激素 生长素和细胞分裂素ph值 5 0 6 0 2 实验流程p34实验 制备外植体 接种 脱分化培养 再分化培养 试管苗 正常植株 实验关键 1 全程无菌操作 包括接种用具 接种环境 接种材料 接种过程 培养过程 2 取材 应选择含形成层的部分 易诱导形成愈伤组织 3 植物激素的比例适当 在组织培养实验中 为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作 防止杂菌污染 因为杂菌生长快 会和培养物争夺营养 杂菌生长过程中会产生有害的物质 导致培养物迅速死亡 在本实验中 为什么切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分 原因是这部分容易诱导形成愈伤组织 请思考一下 胡萝卜的其他部分 如茎 叶 花 是否也能培养成小植株 切取胡萝卜含有形成层部分 是因为这部分容易诱导形成愈伤组织 胡萝卜的其他部分 如茎 叶 花 也能培养再生形成小植株 只是诱导愈伤组织比较困难 试管苗大规模培养 植物组织培养的概念 植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下 将离体的植物器官 组织 细胞 培养在人工配制的培养基上 给予适宜的培养条件 诱导其产生愈伤组织 丛芽 最终形成完整的植株 因为不同种生物之间存在着生殖隔离 所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的 于是 科学家试图用这两种植物的体细胞进行杂交 来实现这一美妙的设想 这幅番茄 马铃薯图利用传统有性杂交方法能实现吗 为什么 理想图 1972年卡尔森等通过两个烟草品种之间原生质体的融合 获得了第一个体细胞杂种 背景资料 1978年梅尔彻斯 melchers 等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种 马铃薯番茄 植物体细胞杂交技术 1 概念 将不同种的植物体细胞 在一定条件下融合成杂种细胞 并把杂种细胞培育成新的植物体的技术 四 植物体细胞杂交技术 杂种植株 融合的原生质体ab 再生出细胞壁 脱分化 愈伤组织 再分化 2 过程 植物细胞的融合 植物组织培养 植物细胞a 原生质体b 原生质体a 杂种细胞ab 去壁 去壁 人工诱导 融合完成的标志 植物细胞b 四 植物体细胞杂交技术 融合体 杂种细胞 去壁的常用方法 酶解法 纤维素酶 果胶酶等 原生质体融合方法 物理法 离心 振动 电刺激等 化学法 聚乙二醇 peg 过程 原生质体融合 组织培养 融合的细胞中 两两融合的细胞有几种 对融合的细胞如何处理得到所需杂交细胞 3种 aa ab bb 需进行筛选 4 意义 与传统有性杂交相比 克服了不同种生物远缘杂交不亲和的障碍 打破了物种之间的生殖隔离 扩大了遗传重组范围 3 原理 细胞膜的流动性 植物细胞全能性 思考与探究 1 为什么 番茄 马铃薯 超级杂种植株没有如科学家所想像的那样 地上长番茄 地下结马铃薯 主要原因是 生物基因的表达不是孤立的 它们之间是相互调控 相互影响的 所以马铃薯 番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质 但这些遗传物质的表达受到相互干扰 不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达 杂交植株不能地上长番茄 地下结马铃薯就是很自然的了 白菜 白菜 甘蓝 同普通白菜相比 具有生长期短 耐热性强和易于贮藏等优点 紫甘蓝 思考 白菜 甘蓝是二倍体 那么获得的白菜 甘蓝是几倍体 四倍体 白菜 甘蓝 若a含有2n条染色体 2个染色体组 基因型为aabb b含有2m条染色体 2个染色体组 基因型为ccdd 则新植株应为四倍体 其体细胞中染色体数为2n 2m 基因型为aabbccdd 所采用技术的理论基础 植物细胞工程 通常采用的技术手段 植物组织培养 植物体细胞杂交 植物细胞的全能性 小结 比较 无性繁殖 细胞全能性 脱分化 再分化 保持优良性状 繁殖速度快 大规模生产 提高经济效益 杂交技术应用了组织培养 克服不同种生物远源杂交的障碍 去除细胞壁 融合形成杂种细胞 组织培养 细胞膜流动性细胞全能性 染色体变异 基因重组 动物细胞工程 专题2细胞工程 动物细胞培养 动物细胞融合 单克隆抗体制备 动物体细胞核移植技术和克隆动物 动物细胞培养 动物细胞融合 单克隆抗体技术 核移植 动物细胞工程常用技术 其它动物细胞工程的基础 一 动物细胞培养的应用和概念 1 概念 动物细胞培养就是从动物有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 让这些细胞生长和增殖 2 原理 细胞增殖 定义 人们通常将动物组织消化后的初次培养称为原代培养 胰蛋白酶处理 取出组织 胚胎或幼龄动物器官组织 剪碎 单个细胞 细胞悬液 转入培养瓶内培养 贴壁生长长成单层细胞 有接触抑制现象 原代培养 3 过程 图示 原代培养 强调一 细胞贴壁过程 细胞贴壁 在培养瓶悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上 称为细胞贴壁 培养瓶或培养皿壁要求 表面光滑 无毒 易于贴附 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 强调二 接触抑制 定义 当原代培养的细胞处于接触抑制后 用胰蛋白酶处理 使细胞从瓶壁上脱离下来 然后加入新的培养液 将细胞分离稀释 并从原培养瓶内转接到新的培养瓶内 这个过程称传代培养 分瓶培养的过程 传代培养 细胞株 传代细胞一般能传到40 50代 遗传物质一般不会发生改变 叫细胞株 细胞系 细胞株 了解即可 细胞系 传代50代以后不能再传下去 部分细胞遗传物质发生了改变 能连续传代 获得不死性 叫细胞系 3 总结 动物细胞培养过程 动物胚胎或幼龄动物的组织 器官 配置细胞悬液 剪碎用胰蛋白酶处理 10代细胞 转入培养瓶 40 50代细胞 传代培养 无限传代 单个细胞 加培养液稀释 传代10代以内 遗传物质不改变 保持正常二倍体核型 传代10 50代左右 增长缓慢以至于完全停止 部分细胞核型可能发生变化 遗传物质可能改变 为什么用胰蛋白酶处理 分瓶传代培养 原代培养特点 细胞贴壁 接触抑制 继续传代培养少部分细胞获得不死性 细胞突变 遗传物质已经改变 等同于癌细胞 细胞株 一般说遗传物质未改变 细胞系 遗传物质已改变 原代培养 4 动物细胞培养的条件 1 无菌无毒的环境 适宜的温度 人和哺乳动物细胞最适温度为36 5 0 5 适宜的酸碱度 ph 7 2 7 4 液体合成培养基 糖 氨基酸 促生长因子 水 无机盐 微量元素 等 通常还需加入血浆 血清等天然成分 4 气体环境 2 营养 3 温度和ph 95 空气 5 co2 的混合气体培养箱 氧气是细胞代谢必须的 co2维持培养液的ph 对培养液和所有培养用具无菌处理 培养液中添加抗生素防止培养过程中污染 定期更换培养液以清除代谢产物 防止对培养细胞造成危害 问题3 为什么用胰蛋白酶处理 问题1 为什么选用动物胚胎或幼龄个体的器官或组织做动物细胞培养材料 因为其细胞生命力旺盛 分裂能力强 分化程度低 问题2 为什么培养前要将组织细胞分散成单个细胞 扩大细胞与培养液的接触面积 利与细胞吸收营养 动物组织细胞间隙中含有一定量的弹性纤维等蛋白质 胰蛋白酶处理动物组织 可以使动物组织细胞间的蛋白质和细胞外的其他成分酶解 获得单个细胞 问题4 为什么用胰蛋白酶处理而不用胃蛋白酶 动物细胞培养的最适ph值为7 2 7 4 胰蛋白酶作用的适宜ph为7 2 8 4 胃蛋白酶适宜ph为2 胃蛋白酶在ph为7 2 7 4的动物细胞培养中无活性 问题5 用胰蛋白酶处理不会把所培养的细胞消化掉吗 控制好时间 长时间处理当然会损伤细胞 问题6 动物细胞培养液的主要成分是什么 较植物组培培养基有何独特之处 问题7 动物细胞培养能否像绿色植物组织培养那样最终培养成新个体 主要成分 葡萄糖 氨基酸 水 无机盐 维生素和动物血清等 独特之处有 1 液体培养基2 成分中有动物血清等 不能 动物细胞培养只能使细胞数目增多 不能发育成新的动物个体 问题8 动物细胞培养的原理 细胞增殖 问题9 目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常在10代以内 为什么 10代以内的细胞遗传物质不改变 保持正常二倍体核型 5 动物细胞培养技术的应用 1 蛋白质生物制品的生产如病毒疫苗 干扰素 单克隆抗体2 应用于基因工程主要用于作为受体细胞3 检测有毒物质 判断某种物质的毒性4 细胞的生理 药理 病理研究如用于筛选抗癌药物 细胞的全能性 细胞或细胞产物 新个体或细胞产物 培养结果 获得细胞或细胞产物 快速繁殖 培育无病毒植株等 培养目的 葡萄糖 动物血清 蔗糖 植物激素 培养基特有成分 液体培养基 固体培养基 培养基性质 细胞增殖 原理 动物细胞培养 植物组织培养 比较项目 植物组织培养和动物细胞培养的比较 二 动物体细胞核移植技术和克隆动物 1 定义 动物核移植是将动物的一个细胞的细胞核 移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中 使其重组并发育成一个新的胚胎 这个新的胚胎最终发育为动物个体 3 分类 胚胎核移植 体细胞核移植 胚胎细胞分化程度低 恢复其全能性相对容易 动物体细胞分化程度高 恢复其全能性十分困难 2 原理 动物细胞核具有全能性 4 体细胞核移植过程 示动物克隆 无性繁殖 1 克隆羊多利培育过程 另一头绵羊的子宫 注意 克隆动物性状与供体动物完全一样吗 不完全一样 因为 一 供体动物只提供细胞核 而细胞质中的遗传物质 如线粒体dna 来自于受体卵母细胞 二 生物的性状不仅与遗传物质有关 还受环境的影响 供体 受体 代孕受体 1 写出ab所代表细胞工程名称 a表示 b表示 2 实施细胞工程时 所需受体细胞大多采用卵母细胞的原因 体积大 易操作 含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件 3 多利面部毛色是 根据遗传学原理说明判断依据 4 若黑面绵羊的基因型为aa 白面绵羊的基因型为aa 则克隆羊的基因型为 核移植 胚胎移植 白色 多利全部的核基因都来自白面绵羊 aa 取供体细胞传代培养10代以内的细胞 为什么 用的是去核的减数第二次分裂中期细胞 m 中期 为什么 激活方法 激活目的 促融方法 电刺激 胚胎移植至代孕受体内 妊娠 分娩 2 核移植流程 供体 优质高产奶牛 受体 普通奶牛 卵母细胞的采集与培养 1 体积大 易操作 2 含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件 4 体细胞核移植技术的应用前景 1 克隆动物作为生物反应器 生产医用蛋白2 改良动物品种3 治疗人类疾病 作为供体4 更深入了解胚胎发育及衰老过程 看书p49 50页 5 体细胞核移植技术存在的问题 1 克隆技术本身还不成熟 成功率低 2 克隆胚胎经常出现遗传发育问题 许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷 如体型过大 异常肥胖 发育困难 脏器缺陷 免疫失调等 3 克隆人的社会伦理问题 动物细胞融合与单克隆抗体 1 定义 两个或多个不同的细胞融合成一个细胞的过程 一 动物细胞融合 杂交细胞 融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞成为杂交细胞 细胞融合是正常的生命活动 两个细胞正在融合 受精作用 动物细胞融合 2 诱导融合的因素生物法 灭活的病毒诱导融合 利用灭活仙台病毒是动物细胞融合所特有的 化学法 聚乙二醇peg诱导融合 物理法 电激融合 病毒颗粒黏附细胞表面 细胞膜连接 细胞膜被病毒颗粒穿通 细胞融合 形成杂种细胞 3 动物细胞融合技术的应用 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 利用杂交瘤技术 制备单克隆抗体 人们获得抗体的传统方法是 将抗原注入动物体 然后从动物血清中提取抗体这种方法的缺点是什么 效率低 产量有限 纯度低 动物抗体注入人体可能产生严重的过敏反应 运用已学知识 设想怎样获得单一类型的抗体 能否用单个b淋巴细胞通过克隆形成的细胞群来产生单一类型的抗体呢 b淋巴细胞在体外不能无限增殖 二 动物细胞融合的成功应用 单克隆抗体的制备 思考 单克隆抗体的制备 极富创造性的方案将能够产生特定抗体的b淋巴细胞和具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞融合在一起 形成杂交瘤细胞 杂交瘤细胞既能在体外快速生长 又能持续分泌成分单一的特异性抗体 这种单一类型的只针对某一特定抗原决定簇的抗体分子 就是单克隆抗体 米尔斯坦 英国 和科勒 德国 因此在1984年获诺贝尔奖 动物特异性免疫分离b淋巴细胞 b 找到骨髓瘤细胞 g 注意b淋巴细胞是一个系列 b1 b2 b3 bn 细胞融合 三种融合方式 bb bg gg 第一次筛选 在 选择培养基培养 上培养筛选杂交瘤细胞 只有bg杂交瘤细胞存活 但bg杂交瘤细胞也是一个系列 如b1g b2g bng 而bb gg在此培养基上不能存活 第二次筛选 在 多孔培养板上 培养杂交瘤细胞系列 每孔只放一个杂交瘤细胞 克隆化培养 每个杂交瘤细胞 并进行 单一抗体检测 检测阳性 的孔内即是所需要的杂交瘤细胞 选择所需要的杂交瘤克隆细胞群 体外培养或注射到小鼠腹腔内增殖 提取单克隆抗体 1 单抗的制备过程要点 3 为何要进行两次筛选 4 如何进行第2次筛选 培养在多孔培养板上 每孔只有一个杂交瘤细胞 第1次筛选得到杂交瘤细胞 多种 第2次筛选得到能产生特异性抗体的杂交瘤细胞群 问题强化 1 本过程利用了哪些原理 免疫原理 细胞融合原理和动物细胞培养原理 2 为什么选用小鼠骨髓瘤细胞与b细胞融合 这样融合成的杂交瘤细胞 继承了双亲细胞的遗传物质 不仅具有b细胞分泌抗体的能力 而且还有无限增殖的本领 因而可以获得大量单克隆抗体 1 作为诊断试剂 在临床生化诊断 病理组织定位 体内肿瘤的定位等 与常规抗体相比 具有准确 高效 简易 快速特点 2 用于治疗疾病和运载药物 主要用于癌症治疗 生物导弹 抗癌细胞的单克隆抗体 放射性同位素 化学药物或细胞毒素 单克隆抗体