高中生物： 现代生物科技专题（课件）人教版选修3.ppt

dna重组技的基本工具 专题 基因工程 科技探索之路基础理论和技术的发展催生了基因工程 什么叫基因工程 基因工程是指按照人们的愿望 进行严格的设计 并通过体外dna重组和转基因等技术 赋予生物以新的遗传特性 从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品 由于基因工程是在dna分子水平上进行设计和施工的 因此又叫做dna重组技术 一 基因工程的概念 基因拼接技术或dna重组技术 生物体外 基因 dna分子水平 人们需要的新的生物类型和生物产品 切割 拼接 导入 表达 基因重组 基因工程培育抗虫棉的简要过程 普通棉花 无抗虫特性 苏云金芽孢杆菌 获取 抗虫基因 与运载体dna拼接导入 棉花细胞 含抗虫基因 棉花植株 有抗虫特性 上述培育抗虫棉的关键步骤是什么 基因工程培育抗虫棉的关键步骤 关键步骤一 抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来 关键步骤二 抗虫基因与运载体dna连接 关键步骤三 抗虫基因导入受体 棉花 细胞 解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具 关键步骤一的工具 关键步骤二的工具 关键步骤三的工具 分子手术刀 限制性内切酶 分子缝合针 dna连接酶 分子运载车 载体 1 限制性核酸内切酶 分子手术刀 限制酶主要是从原核微生物中分离纯化出来的 能识别双链dna的某种特定核苷酸序列 并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开 特点 特异性 即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列 并且能在特定的切点上切割dna分子 二 dna重组技术的基本工具 大肠杆菌 ecor 的一种限制酶能识别gaattc序列 并在g和a之间切开 限制酶 限制酶 黏性末端和平末端 当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将dna的两条链分别切开时 产生的是黏性末端 而当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开时 产生的则是平末端 要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口 可产生几个黏性末端 要切两个切口 产生四个黏性末端 如果把两种来源不同的dna用同一种限制酶来切割 会怎样呢 会产生相同的黏性末端 然后让两者的黏性末端黏合起来 就似乎可以合成重组的dna分子了 2 dna连接酶 分子缝合针 dna连接酶可把黏性末端之间的缝隙 缝合 起来 即把梯子两边扶手的断口连接起来 这样一个重组的dna分子就形成了 外源基因 如抗虫基因 怎样才能导入受体细胞 如棉花细胞 导入过程需要运输工具 载体 载体的作用有哪些 作用一 作为运输工具 将外源基因 抗虫基因 转移到受体细胞 棉花细胞 中去 作用二 利用载体在受体细胞 棉花细胞 内 对外源基因 抗虫基因 进行大量复制 作为载体必须具备哪些条件 1 能够在宿主细胞中复制并稳定地保存 2 载体dna必须有一个或多个限制酶切点 以便目的基因插入到载体上去 3 具有某些标记基因 便于进行筛选 如抗菌素的抗性基因 产物具有颜色反应的基因等 载体dna必须是安全的 不会对受体细胞有害 或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去 5 载体dna分子大小应适合 以便提取和在体外进行操作 太大就不便操作 3 基因进入受体细胞的运载 分子运输车 常用的运载体主要有两类 1 细菌细胞质的质粒2 噬菌体或某些动植物病毒 质粒 质粒是一种裸露的 结构简单 独立于细菌染色体之外 并具有自我复制能力的双链环状dna分子质粒是基因工程最常用的载体 绝大多数细菌质粒都是闭合环状dna分子 有的一个细菌中有一个 有的一个细菌中有多个 大肠杆菌的质粒 最常用的质粒是大肠杆菌的质粒 其中常含有抗药基因 如四环素的标记基因 质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用 但复制只能在宿主细胞内成 双基练习 一 基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望 进行严格的设计 通过体外 和 等技术 赋予生物以心得遗传特性 创造出符合人们的需要的新的 和 又叫做dna的重组技术 二 dna重组技术的基本工具1 限制性核酸内切酶 分子手术刀 1 主要来源 从 生物中分离出来的 2 特点 能够识别dna特定的核苷酸序列 切开 两个 之间的 3 dna末端 限制酶切割dna产生的dna末端有两种形式 和 2 dna连接酶 分子缝合针 1 作用 将双链dna 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的 2 种类 e colidna连接酶 只能缝合dna的 t4dna连接酶 既可缝合dna的 又可缝合双链dna的 3 基因进入受体细胞的载体 分子运输车 1 载体的种类 质粒 是一种裸露的 结构简单 独立于细菌染色体之外 并能够自我 能力的双链 dna分子 的衍生物 2 载体的特点 能够在细胞内 有一个或多个 切割位点 便于供源dna的插入 具有 基因 供重组dna的鉴定和选择 基因工程的基本操作程序 专题 基因工程 基因工程的基本操作程序主要包括四个基本步骤 1 目的基因的获取2 基因表达载体的构建3 将目的基因导入受体细胞4 目的基因的检测与鉴定 步骤一 目的基因的获取 目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因 获取目的基因是实施基因工程的第一步 如与生物抗逆性相关的基因 与优良品质相关的基因 与生物药物和保健相关的基因 与毒物降解相关的基因 以及与工业所需用品相关的基因等 从基因文库中获取目的基因 基因文库 将含有某种生物不同基因的许多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 genelibrary 基因组文库 基因文库中包含了一种生物所有的基因 这种基因文库叫做基因组文库 部分基因文库 基因文库中包含了一种生物的一部分基因 这种基因文库叫做部分基因文库 用dna重组技术将某种生物的总dna用特定的限制性内切酶切割成一个个片段 然后将这些片段随机地连接在某些质粒或其他载体上 再将它们转移到适当的宿主细胞中 通过细胞的增殖而构成各个片段的无性繁殖系 克隆 当这些克隆多到可以包括某种生物的全部基因时 这一批克隆的总体就称为该种生物的基因文库 这一定义也适用于线粒体dna和叶绿体dna 分别称为某种生物的线粒体基因文库或叶绿体基因文库 为了有效地保存基因文库 可通过细菌在固体培养基上繁殖而使包含各个特定dna片段的细菌增多 通过分子杂交的方法 可以筛选出包含有所需基因的dna片段的细菌 或噬菌体 经过扩增得到大量这样的细菌 或噬菌体 从中便可分离出所需基因的dna片段 建立和使用基因文库是分离高等真核生物基因的有效手段 对于基因定位和基因工程的研究都很有用 利用pcr技术扩增目的基因 人工合成目的基因 如果基因比较小 核苷酸序列又已知 也可以通过dna合成仪用化学方法直接合成 步骤二 基因表达载体的构建 1 用一定的限制酶切割质粒 使其出现一个切口 露出黏性末端 2 用同一种限制酶切断目的基因 使其产生相同的黏性末端 3 将切下的目的基因片段插入质粒的切口处 再加入适量dna连接酶 形成了一个重组dna分子 重组质粒 目的基因与载体的结合过程 实际上是不同来源的基因重组的过程 目的基因进入受体细胞内 并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程 称为转化 步骤三 目的基因导入受体细胞 1 将目的基因导入植物细胞 2 将目的基因导入动物细胞 用口径为1 m的dna注射器 将大量的目的基因片段注入到受精卵的核内 然后把经过注射的受精卵移植到另一只雌性动物的子宫内 使受精卵发育为转基因动物 什么叫显微注射技术 3 将目的基因导入微生物细胞 大肠杆菌细胞最常用的转化方法是 首先用ca2 处理细胞 以增大细菌细胞壁的通透性 使细胞处于一种能吸收周围环境中dna分子的生理状态 这种细胞称为感受态细胞 第二步是将重组表达载体dna分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合 在一定的温度下促进感受态细胞吸收dna分子 完成转化过程 基因探针 基因探针就是一段与目的基因或dna互补的特异核苷酸序列 它包括整个基因 或基因的一部分 可以是dna本身 也可以是由之转录而来的rna 1 将细菌用cacl2处理 以增大细菌细胞壁的通透性 2 使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞 3 目的基因在受体细胞内 随其繁殖而复制 由于细菌繁殖的速度非常快 在很短的时间内就能获得大量的目的基因 步骤四 目的基因的检测与鉴定 dna分子杂交原理 dna分子杂交是基因诊断最基本的方法之一 其基本原理是 互补的dna单链能够在一定条件下结合成双链 即能够进行杂交 这种结合是特异的 即严格按照碱基互补配对进行 因此 当用一段已知基因的核苷酸序列作为探针 与被测基因进行接触 若两者的碱基完全配对成双链 则表明被测基因中含有已知的基因序列 1检测转基因生物染色体的dna上是否插入目的基因2检测目的基因是否转录出了mrna 个体生物学水平的鉴定 如一个抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后 是否赋予抗虫或抗病特性 需要做抗虫或抗病的接种实验 以确定是否具有抗性以及抗性的程度 3检测目的基因是否翻译成蛋白质 多细胞生物的检测 将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体 检测这些个体是否摄入目的基因 摄入的基因是否表达 是否表现出相应的性状 淘汰无变化的个体 保留有相应变化的个体进一步培养 研究 例 用棉铃饲喂棉铃虫 如虫吃后不出现中毒症状 说明未摄入目的基因或摄入目的基因未表达 如虫吃后中毒死亡 则说明摄入了抗虫基因并得到表达 1 以下说法正确的是 a 所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列b 质粒是基因工程中唯一的运载体c 运载体必须具备的条件之一是 具有多个限制酶切点 以便与外源基因连接d 基因控制的性状都能在后代表现出来 c 练习 2 不属于质粒被选为基因运载体的理由是a 能复制 b 有多个限制酶切点c 具有标记基因d 它是环状dna d 练习 3 有关基因工程的叙述中 错误的是 a dna连接酶将黏性末端的碱基对连接起来b 限制性内切酶用于目的基因的获得c 目的基因须由运载体导入受体细胞d 人工合成目的基因不用限制性内切酶 a 练习 4 有关基因工程的叙述正确的是 a 限制酶只在获得目的基因时才用b 重组质粒的形成在细胞内完成c 质粒都可直接作为载体d 蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料 d 练习 5 基因工程是在dna分子水平上进行设计施工的 在基因操作的基本步骤中 不进行碱基互补配对的步骤是 a 人工合成目的基因b 目的基因与载体结合c 将目的基因导入受体细胞d 目的基因的检测和表达 c 练习 基因工程的应用 专题 基因工程 一 植物基因工程硕果累累 转基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力 以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面 1 抗虫转基因植物 2 抗病转基因植物 3 其他抗逆转基因植物 4 利用转基因改良植物的品质 基因工程在农业上的应用 1 高产 稳产和具优良品质的品种用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量 2 抗逆性品种将细菌的抗虫 抗病毒 抗除草剂 抗盐碱 抗干旱 抗高温等抗性基因转移到作物体内 将从根本上改变作物的特性 如转基因抗虫棉 二 动物基因工程前景广阔 1 用于提高动物生长速度 2 用于改善畜产品的品质 3 用转基因的动物生产药物 转基因动物的乳腺 就基因药物而言 最理想的表达场所是哪里 是指把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动物 如鼠 兔 羊和猪 的受精卵里 目的基因若与受精卵染色体dna整合 细胞分裂时 该基因随染色体的倍增而倍增 使每个细胞中都带有目的基因 使性状得以表达 并稳定地遗传给后代 从而获得基因产品 这样一种新的个体 称为转基因动物 什么叫转基因动物 1 乳腺是一个外分泌器官 乳汁不进入体内循环 不会影响转基因动物本身的生理代谢反应 2 从乳汁中获取目的基因产物 产量高 易提纯 表达的蛋白质已经过充分的修饰加工 具有稳定的生物活性 3 从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时 转基因动物又可无限繁殖 为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢 4 用转基因的动物作器官移植的供体 5 基因工程药品异军突起 在传统的药品生产中 某些药品如胰岛素 干扰素直接生物体的哪些结构中提取 药品直接从生物的组织 细胞或血液中提取 传统生产方法的缺点 由于受原料来源的限制 价格十分昂贵 可利用什么方法来解决上述问题 利用基因工程方法制造 工程菌 可高效率地生产出各种高质量 低成本的药品 胰岛素是治疗糖尿病的特效药 一般临床上使用的胰岛素主要从猪 牛等家畜的胰腺中提取 用该方法生产的胰岛素产量低 价格昂贵 远不能满足社会需要 1979年 科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌dna分子重组 并在大肠杆菌内实现了表达 1982年 美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场 售价降低了30 50 基因工程药品 胰岛素 干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白 干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染 是一种抗病毒的特效药 此外干扰素对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效 传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取 每300l血液只能提取出1mg干扰素 1980 1982年 科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素 是传统的生产量的12万倍 1987年上述干扰素大量投放市场 基因工程药品 干扰素 治疗侏儒症的唯一方法 是向人体注射生长激素 而生长激素的获得很困难 以前 要获得生长激素 需解剖尸体 从大脑的底部摘取垂体 并从中提取生长激素 现可利用基因工程方法 将人的生长激素基因导入大肠杆菌中 使其生产生长激素 人们从450l大肠杆菌培养液中提取的生长激素 相当于6万具尸体的全部产量 基因工程药品 生长激素 基因诊断 也称为dna诊断或基因探针技术 即在dna水平分析检测某一基因 从而对特定的疾病进行诊断 探针制备 放射性同位素 如32p 荧光分子等标记的dna分子 原理 利用dna分子杂交原理 三 基因治疗曙光初照 基因诊断技术在什么方面发展迅速 在诊断遗传性疾病方面发展迅速 目前已经可以对几十种遗传病进行产前诊断 1 珠蛋白的dna探针 镰刀状细胞贫血症2 苯丙氨酸羧化酶基因探针 苯丙酮尿症3 白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的dna探针 白血病 举例 基因治疗 是指是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中 达到治疗疾病的目的 1 体外基因治疗1990年9月 美国对一名患有严重复合型免疫缺陷症的4岁女童 实施了基因治疗 2 体内基因治疗1994年美国科学家利用经过修饰的腺病毒作载体 成功地将治疗遗传性囊性纤维化病的正常基因转入患者组织中 基因工程与食品业 基因工程为人类开辟新的食物来源 1 鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功 这表明 未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白 2 用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类 脂肪和维生素等产品 基因工程为食品工业中提供了什么前景 基因工程与环境保护 1 用于环境监测 2 用于被污染环境的净化 基因工程在环保方面有什么应用 例如 用dna探针可以检测饮用水中病毒的含量 此方法的特点是快速 灵敏 1吨水中有10个病毒也能检测出来 通过基因工程方法怎样进行环境监测 蛋白质工程的崛起 一 蛋白质工程崛起的缘由 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质 并借助转基因而改变动植物性状 得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗 然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现 这些蛋白质只是适应生物自身的需要 而对它们进行产业化开发往往不合意 需要加以改造 1983年ulmer首先提出蛋白质工程 它是指按照特定的需要 对蛋白质进行分子设计和改造的工程 自此以后 蛋白质工程迅速发展 已成为生物工程的重要组成部分 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题 一般来说 提高蛋白质的稳定性包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 例如 干扰素是一种抗病毒 抗肿瘤的药物 将人的干扰素的cdna在大肠杆菌中进行表达 产生的干扰素的抗病毒活性为106u mg 只相当于天然产品的十分之一 虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多 但多数是以无活性的二聚体形式存在 为什么会这样 如何改变这种状况 研究发现 干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸 第17位 31位和141位 推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键 研究人员将第17位的半胱氨酸 通过基因定点突变改变成丝氨酸 结果使大肠杆菌中生产的 干扰素的抗病性活性提高到108u mg 并且比天然 干扰素的贮存稳定性高很多 后基因组时代 将是 蛋白质组学时代 即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究 包括研究蛋白质结构 功能与应用及蛋白质相互关系和作用 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学 晶体学 动力学等结构与功能认识的基础上 对蛋白质人工改造与合成 最终获得商业化的产品 二 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本途径包括 从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列 基因 一 蛋白质的分子设计与改造蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础 通过蛋白质的一级结构 晶体结构和溶液构象的研究 积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料 并编制成系统的数据库 得以从中找出蛋白质分子间的进化关系 一级结构和高级结构的关系 结构与功能的关系方面的规律 蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点 大量蛋白质被分离纯化 测定了它们的结构 性质和生物学作用 分子生物学有关基因组的研究 也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能 采用定位诱变的方法 可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入 删除 置换和改组 其结果为分子改造提供新的设计方案 现有的蛋白质是生物长期进化的结果 蛋白质工程则是对生物进化的模拟 按照蛋白质形成的规律 改造蛋白质或构建新的蛋白质 蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计 然后依赖基因工程获得突变型蛋白质 以检验其是否达到了预期的效果 如果改造的结果不理想 还需要从新设计再进行改造 往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标 二 蛋白质改造工程举例1 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂 它有多种变异体 由65或66个氨基酸残基组成 水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病 为提高水蛭素活性 在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体hv2的设计方案 将47位的asn 天冬酰胺 变成lys 赖氨酸 使其与分子内第4或第5位thr 苏氨酸 间形成氢键来帮助水蛭素n端肽段的正确取向 从而提高凝血效率 试管试验活性提高4倍 在动物模型上检验抗血栓形成的效果 提高20倍 2 生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育 然而它不仅可以结合生长激素受体 还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体 引发其他生理过程 在治疗过程中为减少副作用 需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合 尽可能减少与其他激素受体的结合 经研究发现 二者受体结合区有一部分重叠 但并不完全相同 有可能通过改造加以区别 由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用 而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与 于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链 如第18和第21位his 组氨酸 和第17位glu 谷氨酸 实验结果与预先设想一致 但要开发作为临床用药还有大量的工作要做 3 胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体 延缓胰岛素从注射部位进入血液 从而延缓了其降血糖作用 也增加了抗原性 这是胰岛素b23 b28氨基酸残基结构所致 利用蛋白质工程技术改变这些残基 则可降低其聚合作用 使胰岛素快速起作用 该速效胰岛素已通过临床实验 4 治癌酶的改造癌症的基因治疗分二个方面 药物作用于癌细胞 特异性地抑制或杀死癌细胞 药物保护正常细胞免受化学药物的侵害 可以提高化学治疗的剂量 疱疹病毒 hsv 胸腺嘧啶激酶 tk 可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3 oh缺乏 从而阻断dna的合成 杀死癌细胞 hsv tk催化能力可以通过基因突变来提高 从大量的随机突变中进行筛选出一种酶 在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换 催化能力20倍以上 蛋白质工程的发展很快 研究工作很多 以上仅介绍了几个例子 蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外 其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具 它在解决生物理论方面所起的作用 可以和任何重大的生物研究方法相提并论 何谓蛋白质工程 在现代生物技术中 蛋白质工程出现得最晚 是在20世纪80年代初期出现的 1983年 蛋白质工程 这个名词出现后 随即被广泛接受和采用 蛋白质工程是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 三 蛋白质工程的进展和前景 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就 它把核酸与蛋白质结合 蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究 蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代 为蛋白质和酶在工业 农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景 蛋白质工程开创了按照人类意愿改造 创造符合人类需要的蛋白质的新时期 专题2细胞工程 植物细胞工程 番茄与马铃薯同属茄科植物 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 一个梦想 细胞工程 指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法 通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 理论基础 细胞的全能性 主要技术 植物组织培养 植物体细胞杂交 动物细胞培养 动物细胞融合 单克隆抗体技术 胚胎移植 核移植 植物细胞工程技术 动物细胞工程技术 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 一 细胞的全能性 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 生物体的细胞一般地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 差异 1 受精卵的全能性最高 2 受精卵分化后的细胞中 体细胞的全能性比生殖细胞的低 植物细胞的全能性 4 大小 5 细胞表现出全能性的条件 离体状态有一定营养物质 激素和其他外界条件 思考讨论 为什么体内细胞没有表现出全能性 而是分化成为不同的组织 器官 基因在特定空间和时间条件下选择性表达的结果 在个体发育的不同时期 生物体不同部位的细胞表达的基因是不同的 合成的蛋白质也不一样 从而形成了不同的组织和器官 科学研究表明 处于离体状态的植物活细胞 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 人工条件下实现的这一过程 就是植物组织培养 1958年steward和reinert用胡萝卜根的愈伤组织诱导成了体细胞胚 并进而获得了完整植株 植物组织培养的发展简史 植物组织培养 关键词 外植体 脱分化 再分化 愈伤组织 细胞离体 一定的营养物质 激素和其他外界条件 必要条件 植物组织培养 外植体 从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官1 外植体灭菌消毒 根尖 茎 芽 嫩叶 种子 花粉等 2 用消毒过的器械将外植体置于培养皿上3 切取所需的外植体4 将外植体接种于培养容器的培养基上整个试验在超净工作台上进行 保持无菌 外植体经过一段时间在培养基上生长后 会形成愈伤组织 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 起支持作用 生长激素 生长素 细胞分裂素和赤霉素ph值 5 0 6 0 试管苗大规模培养 过程 离体的植物器官 组织或细胞 愈伤组织 根 芽 植物体 外植体 脱分化 植物激素 细胞分裂素 生长素 再分化 植物组织培养 植物组织培养条件 含有全部营养成分的培养基 一定的温度 空气 无菌环境 适合的ph 适时光照等 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 potamato 目前 已得到栽培烟草与野生烟草 栽培大豆与野生大豆 籼稻与野生稻 籼稻与粳稻 小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代 获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料 三 植物体细胞杂交 1 定义 用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞 且把杂种细胞培育成新的植物体的方法 2 优势 与有性杂交方法比较 打破了不同种生物间的生殖隔离限制 大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围 植物体细胞杂交 植物体细胞杂交过程示意图 融合体 杂种细胞 去壁的常用方法 原生质体融合方法 植物体细胞杂交过程示意图 制备原生质体 酶解法去掉细胞壁诱导融会新的原生质体生出细胞壁杂种细胞组织培养杂种植株意义 克服远缘杂交不亲和的障碍 培育新品种 植物体细胞杂交方法及意义 几个概念 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 形成一种高度液泡化 无定形状态薄壁细胞组成的排列疏松无规则的组织 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 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 1 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 下列有可能使其表现出全能性 发育成完整的植株的是 a 细胞分裂素b 生长素c 一定的营养物质d 以上三者均是2 细胞工程是一门综合科学技术 下列哪项技术不属于细胞工程 a 有性杂交b 体细胞杂交c 组织培养d 细胞核移植3 在生物体的所有细胞中 全能性最高的是a 卵细胞b 植物花粉c 体细胞d 受精卵 4 在生物体内 细胞没有表现出全能性 而是分化为不同的组织 器官 是因为 a 细胞丧失了全能性b 基因的表达有选择性c 不同的细胞内基因不完全相同d 在个体发育的不同时期 细胞内的基因发生了变化5 植物体细胞杂交尚未解决的问题是 a 去掉细胞壁 分离出有活力的原生质体b 让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状c 将杂种细胞培育成植株d 尚未培育出属间杂种植物 6 用植物组织培养技术 可以培育或生产出a 食品添加剂b 无病毒植物c 人工种子d a b c均是7 不能人工诱导原生质体融合的方法是 a 振动b 电剌激c peg试剂d 重压 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 微型繁殖技术 快速繁殖优良品种的植物组织培养技术 2 特点 保持优良品种的遗传特性 高效快速地实现种苗的大量繁殖 2 作物脱毒 1 材料 无病毒的茎尖 2 脱毒苗 切取茎尖进行组织培养获得 3 神奇的人工种子 1 特点 后代无形状分离不受气候 季节和地域限制 2 技术 植物组织培养 3 结构 人工薄膜胚状体或不定芽或顶芽或腋芽 二 作物新品种的培育 1 单倍体育种 1 方法 花药的离体培养 2 优点 后代稳定遗传 都是纯合体 明显缩短育种年限 2 突变体的利用 1 产生 植物组织培养 2 利用 筛选对人们有利突变体 进而培育新品种 三 细胞产物的工厂化生产 1 种类 蛋白质 脂肪 糖类 药物 香料 生物碱等 2 技术 植物的组织培养 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 单克隆抗体技术 核移植 动物细胞工程常用技术 动物细胞培养和核移植技术 一 教学目标 1 简述动物细胞培养的过程 条件及应用2 简述通过动物体细胞核移植技术克隆动物的过程及应用前景3 举例说出动物细胞融合与单克隆抗体的原理和应用二 教学重点和难点 1 动物细胞培养的过程及条件2 用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程3 单克隆抗体的制备和应用 一 动物细胞培养 1 发展历史 20世纪初 人们不知道神经纤维是由神经细胞的细胞质向外突出形成的 还是由神经细胞周围的其他细胞融合而成的 生物学家们就这个问题展开了激烈的争论 1907年 美国生物学家哈里森 harrison 从蝌蚪的脊索中分离出神经组织 把它放在青蛙的凝固的淋巴液中培养 蝌蚪的神经组织存活了好几周 并且从神经细胞中长出了神经纤维 哈里森的实验不仅解决了神经纤维的起源问题 而且开创了动物组织培养的先河 此后 在许多科学家的不懈努力下 动物组织培养不断改进并逐渐发展成为动物细胞培养 2 动物细胞培养的应用和概念 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 动物细胞的培养过程 幼龄动物 取动物器官和组织 剪碎组织 胰蛋白酶处理 细胞培养 单个细胞 动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础 3 动物细胞培养过程 动物胚胎或幼龄动物的组织 器官 细胞悬浮液 胰蛋白酶 10代细胞 原代培养 传代培养 无限传代 单个细胞 加培养液 动物组织细胞间隙中含有一定量的弹性纤维等蛋白质 将细胞网络起来形成具有一定弹性和韧性的组织和器官 分解弹性纤维 思考讨论 在动物细胞培养过程中 为什么要用胰蛋白酶对取出的动物组织进行处理 胰蛋白酶处理动物组织 可以使动物组织细胞间的胶原纤维和细胞外的其他成分酶解 获得单个细胞 有关概念 原代培养 从机体取出后立即培养的细胞为原代细胞 初次培养称为原代细胞培养 传代培养 将原代细胞从培养瓶中取出 配制成细胞悬浮液 分装到两个或两个以上的培养瓶中继续培养 称为传代培养 有关概念 细胞株 原代细胞一般传至10代左右细胞生长停滞 大部分细胞衰老死亡 少数细胞存活到40 50代 这种传代细胞为细胞株 细胞系 细胞株传代至50代后又出现细胞生长停滞状态 只有部分细胞由于遗传物质的改变 使其在培养条件下可以无限制传代 这种传代细胞为细胞系 细胞株和细胞系的区别 细胞系的遗传物质改变 具有癌细胞的特点 失去接触抑制 容易传代培养 3 动物细胞培养的条件 1 无菌无毒的环境2 营养3 温度和ph4 气体环境 4 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 健康细胞培养培养健康细胞用于烧伤病人皮肤移植3 细胞的生理 药理 病理研究 植物组织培养和动物细胞培养的比较 思考 2 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 1 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 3 为什么培养前要将组织细胞分散成单个细胞 4 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 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 因为这些组织或器官上的细胞生命力旺盛 分裂能力强 成块组织不利培养 分散了做成细胞悬浮液利于培养 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 二 动物体细胞核移植技术和克隆动物 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 核移植技术 1 克隆羊培育过程 另一头绵羊的子宫 胚胎移植技术 胚胎移植的基本程序如下 以牛胚胎移植为例 2 体细胞核移植技术的应用前景 3 体细胞核移植技术存在的问题 动物细胞融合与单克隆抗体 思考下列问题 1 什么叫动物细胞融合 植物体杂交技术与动物细胞融合有什么不同呢 2 动物细胞在结构上有何区别 这与它们杂交或融合过程有什么影响 3 动物细胞融合与植物原生质体融合的基本原理是否相同 两者的融合过程是否也一样 一 动物细胞融合 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 细胞a 细胞b 杂种细胞 灭活的病毒 物理法化学法 仙台病毒疱疹病毒新城鸡瘟病毒 用灭活的病毒诱导动物细胞融合过程 细胞融合与融合诱导细胞融合物质 诱导剂 仙台病毒 聚乙二醇诱导细胞融合的仙台病毒必须灭活 思考讨论 为什么细胞融合过程中使用的病毒需要灭活 不灭活行吗 因为灭活的病毒能使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 不灭活的话会感染细胞 而不能诱导细胞融合 细胞融合技术应用于哪些方面 细胞学 遗传学 免疫学及制备单克隆抗体 二 单克隆抗体 什么是抗体 抗体是机体受抗原刺激后产生的 并能与该抗原发生特异性结合的具有免疫功能的球蛋白 浆细胞产生抗体 b淋巴细胞与抗体的关系 b淋巴细胞受抗原刺激后 可以产生抗体 动物体内的b淋巴细胞可以产生百万种以上的抗体 每种抗体对特定的抗原具有特异性免疫作用 每一个淋巴细胞只能产生一种抗体 所以传统的抗体的生产方法及缺陷是什么 怎样解决这个问题 单克隆抗体 由单个b淋巴细胞经过无性繁殖 克隆 形成基因型相同的细胞群 这一细胞群所产生的化学性质单一 特异性强的抗体称为单克隆抗体 特点 特异性强 灵敏度高 如何大量生产单克隆抗体 利用淋巴细胞产生抗体的功能利用肿瘤细胞无限增殖的特性利用细胞融合的技术将两种细胞融合获得具有淋巴细胞和肿瘤细胞特性的杂交瘤细胞利用动物细胞培养技术大量培养杂交瘤细胞 如何筛选 融合方式 单克隆抗体制备过程 细胞融合 筛选 足够数量的 能产生特定抗体的细胞群 单克隆抗体 思考 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 单克隆抗体的应用 与常规抗体相比 单克隆抗体产量高 特异性强 灵敏度高 优越性十分明显 应用主要有 1 临床诊断 2 作为载体 运载抗癌药物 形成 生物导弹 治疗肿瘤 资料 目前世界各国已经研制出数以百计的单克隆抗体 许多缺乏良好诊断手段的传染病 免疫性疾病 血液病 内分泌疾病和遗传病 用单克隆抗体作为诊断手段 是一个必然趋势 另外 用单克隆抗体做体内诊断 借以鉴别和定位体内 病灶 也引起人们的注意 目前 主要用于肿瘤追踪及心肌梗塞的诊断 植物体细胞杂交和动物细胞融合的比较 小结 两个过程 动物细胞培养过程 单克隆抗体制备过程 三个 一 一个诱导细胞融合的新方法 灭活病毒 一个新细胞 杂交瘤细胞 一个优势 单克隆抗体特异性强 灵敏度高的优势 下图为某同学根据杂交瘤技术的方法 设计的生产破伤风杆菌的实验方案 制备单克隆抗体 b细胞 抗体 细胞融合 灭活病毒 双亲细胞 分泌抗体 无限增殖 原代 传代 50 1 动物细胞工程技术的基础是 a 动物细胞融合b 胚胎移植c 动物细胞培养d 核移植 在动物细胞融合和植物体细胞杂交的比较中 正确的是 a 结果是相同的b 杂种细胞的形成过程基本相同c 操作过程中酶的作用相同d 诱导融合的手段相同 单克隆抗体制备过程中 骨髓瘤细胞和b淋巴细胞诱导融合后 要用特定培养基筛选出杂交瘤细胞 在这种培养基上不能存活增殖的细胞是 淋巴细胞 小鼠骨髓瘤细胞 b淋巴细胞自身融合细胞 小鼠骨髓瘤细胞自身融合细胞 杂交瘤细胞a b c d c 体内受精和早期胚胎发育 一 精子的发生 1 场所 2 时期 3 过程 1 场所 精子的发生是在睾丸内完成的 2 时期 从初情期开始直到生殖功能衰退 3 过程 发生的过程大体可分为三个阶段 曲细精管 一 哺乳动物生殖细胞的发生 精原细胞 有丝分裂 初级精母细胞 次级精母细胞 精子细胞 精子 m 第一阶段 第二阶段 第三阶段 m 精子发生的过程 多个精原细胞 染色体复制 变形 精原细胞经过有丝分裂产生多个初级精母细胞 初级精母细胞经减数分裂形成含有单倍染色体的精子细胞 细胞核变为精子头部的主要部分 高尔基体发育为头部的顶体 中心体演变为精子的尾 线粒体形成线粒体鞘膜 其它物质浓缩成原生质滴 球形 1 家畜每次射精排出的精子数以亿计 但是通常只有一个精子能够与卵子结合 这能说是一种浪费吗 怎样理解这一现象 提示 不是 其一 在自然繁殖的条件下 可以说是动物为繁殖后代 延续物种的一种生理保障机制 其二 在自然条件下 精子从射精部位运行到受精部位 将对精子进行筛选 并致使大量的精子途中死亡 被分解或排除 造成精子大量损耗 最后到达受精部位 输卵管 的精子只剩百余个 与卵子完成受精的只有一个 2 精子细胞变成精子的过程中 细胞中很多结构会消失 而细胞核和线粒体都保留下来 对这一现象怎样理解 为什么精子中的线粒体集中在尾的基部 提示 细胞核是精子遗传物质储存和复制的场所 也是参与精 卵结合和后代遗传特性与细胞代谢活动的控制中心 而线粒体则是有氧呼吸产生运动能量的场所 精子的线粒体集中于尾的基部形成线粒体鞘膜 是精子维持生存和运动能量的 动力工厂 或 发动机 思考 二 卵子的发生 1 场所 卵子的发生是在卵巢内完成的 2 时期 性别分化以后 放射冠 3 过程 雌性胎儿卵巢内的卵原细胞 通过有丝分裂增加其数量 演变为初级卵母细胞 被卵泡细胞包围形成卵泡 初级卵母细胞经过减数分裂变为成熟的卵子 减数第一次分裂时间是在雌性动物排卵前后完成的 结果是产生1个次级卵母细胞和第一极体 减数第二次分裂时间是在精子和卵子结合的过程中 结果是产生1个成熟卵子和第二极体 卵原细胞 有丝分裂 多个卵原细胞 染色体复制 初级卵母细胞 m 第一极体 次级卵母细胞 两个第二极体 第二极体 卵子 退化消失 m 排卵前后完成 在受精过程完成 被卵泡细胞包围 形成卵泡 胎儿时期完成 1 一个卵泡中能形成几个成熟的卵子 2 排卵是指卵子从卵泡中排出 还是指卵泡从卵巢中排出 3 刚排出的卵是成熟的卵子吗 它在母体的什么部位与精子受精 答 刚排出的卵子尚未完全成熟 仅完成第一次减数分裂 需要在输卵管内进一步成熟 直到减数第二次分裂的中期才能与精子结合完成受精过程 排出的卵子是在输卵管内与精子受精的 答 正常情况下 一个卵泡只能形成一个成熟的卵子 答 是指卵子从卵泡中排出 思考 三 精子与卵子的发生比较 相似点 最初阶段均进行有丝分裂 不断增加生殖原细胞的数量 经过两次减数分裂 m 和m 才能形成精子和卵子 不同点 一个精原细胞 多个精子 一个卵原细胞 一个卵子 精子形状为蝌蚪状 卵子为球形 多数哺乳动物卵子的形成和在卵巢内的贮备是胎儿出生前完成的 四 受精 1 概念 2 标志 3 场所 1 概念 指精子和卵子结合形成合子 即受精卵 的过程 2 标志 在卵黄膜和透明带的间隙可以观察到两个极体时 3 场所 受精是在输卵管内完成的 4 过程 受精前的准备阶段 受精阶段 准备阶段1 精子获能 准备阶段2 卵子的准备 即精子必须在雌性动物生殖道内发生相应生理变化后 才能获得受精能力的现象 即卵子在输卵管内达到减数第二分裂中期 m 时 才具备受精能力 包括精子穿越放射冠和透明带 进入卵黄膜 原核形成和配子结合 几个精子同时分解透明带 但只有一个精子能穿过透明带进入卵子内 当第一个精子进入后 透明带的穿透性就立即发生变化 从而阻止其他精子穿越透明带 穿过透明带 1 精子穿越放射冠和透明带顶体反应使顶体内的酶释放出来并溶解放射冠内的卵丘细胞透明带反应是防止多精入卵受精的第一道屏障2 精子进入卵黄膜卵黄膜封闭作用是防止多精入卵受精的第二道屏障 形成受精卵 思考 当你了解到精子需要获能 受精过程中有防止多精入卵的现象时 你是否提出过这样的问题 精子在雌性生殖道内是如何获能的 防止多精入卵的两道防线的形成机制究竟是什么 答 精液由精子和精清 精浆 两部分组成 精清中含有一种能抑制精子获能的物质 因此 在一般情况下 精液中的精子无法获能 只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时 由生殖道分泌产生一种物质解除对精子获能的抑制 才能引起精子获能 精子在雌性动物生殖道内获能的部位因种类而异 但主要是子宫和输卵管 防止多精入卵主要通过透明带反应和卵黄膜封闭作用两道屏障 在受精过程中 当精子穿越透明带触及卵黄膜时 透明带会立即封闭 阻止后来的精子进入透明带 可看作是防止多精受精的第一道屏障 而精子入卵后 卵黄膜会立即拒绝其他精子再进入卵内 可看作是防止多精受精的第二道屏障 精 卵相遇 顶体反应 顶体酶释放 顶体酶溶解透明带 接触透明带 穿越放射冠 溶解卵丘细胞 放射冠 穿越透明带 接触卵黄膜 产生透明带反应 形成第一道屏障 精子被微绒毛抱合 精子外膜与卵黄膜融合 精子进入卵 精子进入卵后 变化 变化 变化 产生卵黄膜封闭作用 形成第二道屏障 尾部脱离核膜破裂 形成雄原核 形成雌原核 激活卵子完成减数第二次分裂 排出第二极体 发育移动接触合并 形成受精卵 5 意义 维持每种生物前后代体细胞中染色体数目的恒定 对于生物的遗传和变异十分重要 受精卵 卵裂期 桑椹胚 囊胚 内含囊胚腔 原肠胚 内含原肠腔 胚层分化形成胎儿形成 在透明带内进行有丝分裂 细胞数量不断增加 但胚胎总体积并不增加 或略有减少 由具有全能性细胞构成 细胞数在32个左右 排列紧密 形似桑椹 内细胞团 发育成胎儿各组织 滋养层细胞 发育成胎膜和胎盘 最初发育在输卵管进行有丝分裂 滋养层外胚层中胚层内胚层原肠腔 二 哺乳动物胚胎发育的基本过程 胚胎发育 指受精卵发育成幼体的过程 二 人体胚胎发育的基本过程 人体胚胎发育在子宫内经过约38周 整个过程可分为胚卵期 胚胎期和胎儿期三个阶段 胚卵期 从受精至第一周末胚胎开始着床 细胞期 强调 卵裂期的特点 细胞分裂方式为 细胞数目 胚胎总体积 或略有 每个细胞体积 dna数目 有机物总量 有丝分裂 增加 不增加 缩小 减小 增加 增加 新生命的第四天 胚泡 新生命的第三天 桑葚胚 受精后8天 胚芽完成 着陆 微微嵌入子宫内膜 此时它分裂发育为几百个细胞 桑椹胚 细胞数在32个左右 细胞排列致密 形似桑椹 细胞属于全能细胞 囊胚 细胞开始分化 内细胞团将来发育成各种组织 滋养层将来发育成胎膜 胎盘 出现囊胚腔后 进一步扩大会导致孵化 新生命的第四周 新生命的第五周 看啊 眼的雏形出来了 胚胎期 从第二周至第八周 第三周末形成原肠胚 内细胞团表皮的细胞形成外胚层 下方的细胞形成内胚层 出现原肠腔 新生命的第六周 四肢和脑都开始初步分化了 真让人激动 受精后6星期 人形已隐约可见 这时 胚胎的心跳每分钟140 150下 是母亲心跳的两倍 新生命的第七周 进一步发育了 看个整体的吧 人类胚胎第八周时在子宫内的照片 胚初具人形 新生命的第九周 胎儿已基本成形 看看手的进一步分化 新生命的第十二周 理论上这时的胎儿已可以独立生活 但其实出世的日子还早 胎儿期 从第九周开始至分娩 此时胎儿已长到20周 他移动手臂 把手指放在唇边 这可以促进它对吮吸的反映 新生命的第二十六周 中间的很多周变化不大 是体内器官的逐步分化和成熟 就略过吧 二十六周的胎儿如果出世 存活率已经很高了 看看就知道差不多了啊 新生命的第二十八周 请注意体位