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第三章第二节第二课时胚胎工程的应用教学案
资料简介
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第二课时 胚胎工程的应用
1.应用胚胎工程可大量繁育家畜良种和控制家畜后代的性别比例。
2．通过分离精子可达到控制生物性别的目的。
3．干细胞是动物(包括人)胚胎及某些器官中具有自我复制和多项分化潜能的原始细胞。
4．按照分化潜能的大小，干细胞可分为专能干细胞、多能干细胞和全能干细胞三类。
胚胎工程在畜牧业生产上的应用
1．大量繁育家畜良种
综合应用胚胎工程技术繁育良种过程：
2．控制家畜后代的性别比例
(1)原理：家畜的性别是由性染色体决定的。
(2)方法
(3)目的：有效地控制家畜后代的性别比例。
1．对雌性优良供体采用什么方法使其超数排卵？
提示：采用注射促性腺激素的方法。
2．通过胚胎移植技术获得的优良后代，是否含有受体提供的遗传物质？
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提示：不含有。
3．根据X、Y精子的哪些特点可将它们进行分离？
提示：X、Y精子质量和体积不同，嗜酸性和嗜碱性不同；表面膜电荷不同等。
胚胎工程在医学及科学研究上的应用
1．干细胞
(1)含义：是动物(包括人)胚胎及某些器官中具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞。
(2)类型(按分化潜能的大小划分)：
类型
含义
举例
专能干细胞
只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞
上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞
多能干细胞
具有分化成多种细胞或组织的潜能
造血干细胞
全能干细胞
可以分化为全身200多种细胞，并进一步形成机体的所有组织、器官
胚胎干细胞
(3)胚胎干细胞：
①含义：是早期胚胎中未分化的细胞或从原始性腺中分离出来的一类细胞。
②特点：细胞具有体积小、核大、核仁明显等形态特征。
③功能：在一定的条件下进行分裂、分化，形成各种组织和器官，再逐步发育成新个体。
2．胚胎干细胞的应用
(1)帮助人们理解复杂的个体发育过程，促进对胚胎发育细节的基础研究，揭示人与动物的发育机制及影响其发育的因素。
(2)是研究细胞分化和细胞凋亡的重要材料。
(3)为细胞或组织移植提供无免疫原性的材料，用于疾病治疗。
3．胚胎干细胞的应用前景及面临的难题
(1)为治疗性克隆提供了有效的途径。
(2)胚胎干细胞真正用于器官克隆和移植还需要技术上的突破。
(3)胚胎干细胞的应用给伦理、法律、宗教等带来了新的研究课题。
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1．细胞分化程度的高低与细胞全能性大小有什么关系？在动物体细胞中，哪种细胞的全能性最高？
提示：分化程度越高，细胞全能性越小。受精卵全能性最高。
2．肌肉组织、消化腺和感觉器官分别是由哪个胚层发育而来的？
提示：中胚层、内胚层和外胚层。
3．胚胎干细胞技术的诞生和应用为心肌坏死后的修复带来福音，试分析如何利用该技术修复坏死的心肌？
提示：诱导胚胎干细胞定向分化为心肌组织，替换坏死的心肌。
4．治疗性克隆是否已普遍应用于临床、治疗疾病？为什么？
提示：没有普遍应用。因为器官移植是一个复杂的过程，分化的器官要离体培养并维持正常的生理功能目前还无法做到。
1．用胚胎干细胞定向培养多种器官
胚胎干细胞是人体内的全能干细胞，可转变为人体的任何一种细胞和组织。利用胚胎干细胞的这一特性可以培育移植用的细胞、组织或器官。
2．治疗性克隆和生殖性克隆的比较
项目
治疗性克隆
生殖性克隆
不同点
概念
是指利用克隆技术产生特定细胞或组织(上皮组织、神经组织或肌肉组织等)等用于治疗性移植的克隆性技术
指利用克隆技术获得胚胎，并将胚胎孕育成为人类个体的克隆性技术
目的
治疗人类疾病
繁殖新个体
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操作水平
细胞或组织水平
个体水平
相同点
都属于无性生殖，都可产生新细胞、新组织
[特别提醒] 影响克隆动物遗传性状的因素
①基因突变。
②受体遗传上或生理上的差异。
③后期生长的环境。
以流程图的形式考查胚胎工程在畜牧业生产上的应用
[例1] (浙江高考)培育“试管山羊”的基本过程如下图所示，若要培育成功，下列叙述正确的是( )
A．甲过程中可通过给母山羊注射有关激素使其超数排卵
B．乙过程的目的之一是促进卵母细胞和精子的成熟
C．丙过程与乙过程中应采用相同成分的培养液
D．丁过程中早期胚胎需移植到与供体性状相同的代孕母羊子宫内
[精讲精析] 甲为获取卵母细胞的过程，可用促性腺激素处理母山羊，使其超数排卵；乙过程的目的之一是促进卵母细胞成熟到减数第二次分裂中期和使精子获能，而不是使精子成熟；乙过程中使精子获能需要获能溶液，丙过程为培养早期胚胎，需用发育培养液，两者成分不同；丁过程中早期胚胎需移植到与供体生理状态相同而不是性状相同的代孕母羊子宫内。
[答案] A
以最新科研成果为背景，考查胚胎干细胞的研究与应用
[例2] 下图表示利用胚胎干细胞(ES细胞)所作的一系列研究，请据图分析回答：
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(1)上图中的胚胎干细胞(ES细胞)可以从________中分离获取。
(2)过程Ⅰ将胚胎干细胞置于γ射线灭活的鼠胎儿成纤维细胞的饲养层上，并加入动物血清、抗生素等物质，维持细胞不分化的状态。在此过程中，饲养层提供干细胞增殖所需的________，加入抗生素是为了____________。该过程对于研究细胞分化和细胞凋亡的机理具有重要意义。
(3)过程Ⅱ将带有遗传标记的ES细胞注入早期胚胎的囊胚腔，通过组织化学染色，用于研究动物体器官形成的时间、发育过程以及影响因素，这项研究利用了胚胎干细胞具有______________的特点。在哺乳动物早期发育过程中，囊胚的后一个阶段是________。
(4)过程Ⅲ是培育转基因小鼠，将获得的目的基因导入胚胎干细胞之前需构建基因表达载体，目的是__________________________________________________。将构建好的表达载体导入胚胎干细胞最常用的方法是________。
(5)过程Ⅳ得到的小鼠畸胎瘤里面全是软骨、神经管、横纹肌和骨骼等人类组织和器官。实验时，必须去除小鼠的胸腺，使其存在免疫缺陷，其目的是_________________________，该过程研究的意义在于解决____________________________问题。
[思路点拨]
[精讲精析] (1)胚胎干细胞(ES细胞)可以从早期胚胎中分离获取。(2)胚胎干细胞培养时所用的饲养层细胞可以供给干细胞增殖所需的营养物质，加入抗生素是为了防止杂菌污染。(3)胚胎干细胞具有发育的全能性，通过组织化学染色，可用于研究动物体器官形成的时间、发育过程以及影响因素。在哺乳动物早期发育过程中，囊胚的后一个阶段是原肠胚。(4)基因工程中，构建基因表达载体的目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。将基因表达载体导入动物细胞最常用的方法是显微注射法。(5)去除小鼠的胸腺，小鼠不能形成T细胞，不发生细胞免疫，使移植组织细胞不会被排斥。Ⅳ过程研究对于解决临床上供体器官不足或器官移植后免疫排斥等问题有重要意义。
[答案] (1)早期胚胎
(2)营养物质 防止杂菌污染
(3)发育全能性 原肠胚
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(4)使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用 显微注射法
(5)使移植组织细胞不会被排斥 临床上供体器官不足或器官移植后免疫排斥等
理论上讲，ES细胞可以分化成各种组织细胞，并可形成各种器官。但是，目前从ES细胞向不同组织细胞“定向分化”的特定条件还不是十分清楚，这限制了ES细胞的临床应用。
[课堂回扣练习]
1．干细胞按分化潜能的大小，基本上可分为( )
A．专能干细胞、多能干细胞两类
B．专能干细胞和全能干细胞两类
C．专能干细胞、多能干细胞和全能干细胞三类
D．多能干细胞和全能干细胞两类
解析：选C 干细胞按分化潜能的大小，可分为专能干细胞、多能干细胞和全能干细胞三类。
2．下列关于胚胎干细胞的叙述，不正确的是( )
A．动物胚胎的每一个细胞都是胚胎干细胞
B．胚胎干细胞具有分化为动物各种组织的潜能
C．胚胎干细胞的遗传物质在质和量上与受精卵相同
D．胚胎干细胞在体外可被诱导分化为不同的组织类型
解析：选A 胚胎干细胞主要来源于囊胚期的内细胞团；胚胎干细胞具有发育的全能性，也可在体外培养时诱导为不同的机体组织；细胞分化是基因选择性表达的过程，细胞中的遗传物质并不发生改变。
3．下列对“人类胚胎干细胞”这一概念的理解，正确的一项是( )
A．人类胚胎干细胞是人类胚胎发育早期囊胚外表的扁平细胞和囊胚腔内侧的内细胞团
B．人类胚胎干细胞就是人类胚胎发育早期囊胚腔内侧的内细胞团
C．人类胚胎干细胞是人类囊胚中可发育成胎盘、肝、肺、骨骼、皮肤等的全能性细胞
D．人类胚胎干细胞是原肠胚中未分化的细胞
解析：
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选B 人类胚胎干细胞是人类胚胎发育早期的囊胚中未分化的细胞。囊胚腔内一侧有内细胞团，内细胞团细胞具有全能性，能发育成完整的个体，但内细胞团细胞不能分化为胎盘，胎盘是由滋养层细胞分化来的。
4．关于胚胎干细胞(ES细胞)的应用叙述错误的是( )
A．可以用于治疗由于细胞坏死，退化或功能异常引起的疾病
B．在体外诱导分化可培育出人造组织器官
C．是研究体外细胞分化的理想材料
D．不能用于治疗糖尿病、肝衰竭等疾病
解析：选D 胚胎干细胞的重要用途之一是生产细胞、组织或器官，为细胞、组织或器官移植提供无免疫原性的材料，用于疾病的治疗；从理论上说，任何涉及丧失正常细胞功能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，如用神经细胞治疗帕金森氏综合征等神经退行性疾病，用胰岛细胞治疗糖尿病等。
5．治疗性克隆有望最终解决供体器官的短缺和器官移植出现的排异反应等问题。下图表示治疗性克隆的过程，有关叙述不正确的是( )
A．上述过程利用了动物细胞核移植、动物细胞培养等技术
B．上述过程充分说明动物细胞具有全能性
C．①过程的完成离不开胚胎干细胞的增殖和分化潜能
D．①②过程都发生DNA的复制和蛋白质的合成
解析：选B 形成重组细胞利用了动物细胞核移植技术；重组细胞形成囊胚利用了动物细胞培养技术。由于最终没有形成个体，故不能体现动物细胞具有全能性。①②过程都有细胞的增殖、分化，因此都会发生DNA的复制和蛋白质的合成。
[课下综合检测]
一、选择题
1．下列对于干细胞具有的能力的描述，正确的是( )
①具有自我更新能力 ②能进行新陈代谢 ③具有分化发育潜能 ④能进行细胞呼吸
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②③④
解析：选D 干细胞不仅是能完成细胞呼吸等代谢活动的活细胞，还具有自我复制和多向分化潜能。
2．下列关于胚胎干细胞特点的叙述错误的是( )
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A．当受精卵发育到囊胚时，所有细胞都是胚胎干细胞
B．胚胎干细胞是一种未分化的细胞，具有全能性，在一定条件下可以分化为各种细胞、组织和器官
C．培养胚胎干细胞关键是需要一种培养体系，既要促进干细胞的生长，又要抑制干细胞的分化
D．胚胎干细胞可以用于探究组织原位再生修复的作用机制
解析：选A 囊胚的内细胞团细胞在一定条件下能够分化为各种细胞、组织和器官，并能够最终发育成一个完整的生物体，因而内细胞团细胞属于胚胎干细胞，而滋养层细胞只能分化为胎盘和胎膜，不属于胚胎干细胞。
3．骨髓移植是治疗白血病常用的有效方法之一，向患者体内移植骨髓中的造血干细胞主要目的是( )
A．正常生长
B．增殖并分化成多种血细胞
C．分泌抗体
D．杀死各种病原菌
解析：选B 向患者体内移植骨髓中的造血干细胞主要目的是使被移植的骨髓造血干细胞增殖并分化成多种血细胞，以达到治愈白血病的目的。
4．干细胞是一种尚未充分分化的未成熟的细胞，它具有再生各种细胞、器官的潜能，医学家们正尝试利用干细胞治疗一些顽疾，用骨髓移植法有效治疗白血病便是成功的例证。下列说法不正确的是( )
A．利用干细胞治疗某些顽疾，是因为干细胞具有再生各种组织、器官的潜能
B．骨髓分为红骨髓和黄骨髓，其中，只有红骨髓具有造血功能
C．用骨髓移植法治疗白血病的优点之一是不发生排斥(异)反应
D．异体骨髓移植成功后，康复者的血型有可能发生改变
解析：选C 由于干细胞具有再生各种组织、器官的潜能，一定条件下可利用干细胞培育出各种组织、器官，用于器官移植；骨髓分为红骨髓和黄骨髓，只有红骨髓具有造血功能，黄骨髓没有造血功能；如果是异体移植骨髓，也可能发生排斥(异)反应；异体骨髓移植成功后，康复者的血细胞与供体相同，因而血型可能发生改变。
5．美国华盛顿大学的一个研究小组首次提取了人类的肝脏干细胞，这种干细胞表现出分化的多能性，并在动物模拟试验中成功修复了实验鼠的部分肝脏组织。下列有关说法正确的是( )
A．肝脏干细胞能够分化出人体所有干细胞
B．肝脏干细胞的细胞核具有发育成个体的潜能
C．肝脏干细胞能够分泌胆汁
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D．肝脏干细胞能够治疗肝炎
解析：选B 肝脏干细胞只能分化为肝脏细胞，属于专能干细胞；肝脏干细胞的细胞核具有发育成个体的潜能，即具有全能性；肝细胞能够分泌胆汁，而肝脏干细胞不能分泌胆汁；肝脏干细胞能够治疗因遗传或者免疫出现问题引起的疾病，而不能治疗肝炎。
6．有关“治疗性克隆”的说法错误的是( )
A．解决了临床上供体器官不足和器官移植后免疫排斥问题
B．其核心技术是胚胎干细胞培养技术
C．胚胎干细胞可克隆出不同组织细胞的根本原因是基因的选择性表达
D．中国政府既反对生殖性克隆，又反对治疗性克隆
解析：选D 中国政府反对生殖性克隆，支持治疗性克隆。
7．人脐带间充质干细胞在特定诱导条件下，可分化为脂肪、肝、神经等多种组织细胞。下图表示培养人脐带间充质干细胞的大致过程，相关说法错误的是( )
A．人脐带间充质干细胞属于多能干细胞
B．通过离心去上清液可以除去胰蛋白酶
C．在超净台上操作可满足细胞培养所需的无毒无菌条件
D．出现接触抑制前，培养瓶中细胞数量增长呈“J”型
解析：选C 人脐带间充质干细胞来源于发育早期的中胚层和外胚层，因其具有多项分化潜能、造血支持和促进干细胞植入、免疫调控和自我复制等特点而属于多能干细胞；将组织取出后，先用胰蛋白酶等使组织分散成单个细胞，然后用离心法可去除血清中胰蛋白酶；超净台是一种可保持高度清洁的空气环境，而不能造就培养液的无毒、无菌环境；在出现接触抑制前，由于环境条件充裕，培养瓶中的细胞数量呈“J”型曲线增长。
8．(江苏高考)下列关于蛙胚胎发育过程的叙述，正确的是( )
A．通过细胞分裂不断增加细胞数量，并在一定时期发生细胞分化
B．胚胎发育过程中细胞不断分裂，但不发生凋亡
C．随着细胞分裂次数的增加，蛙胚的有机物总量不断增加
D．发育过程中蛙胚从环境中获得的氧气和营养物质逐渐增加
解析：选A 在蛙的胚胎发育过程中，通过细胞分裂增加细胞数目，并在囊胚期时细胞开始分化；胚胎发育过程中伴随着细胞的分裂、分化、衰老和凋亡等；在蛙胚胎发育的过程中，蛙胚的有机物总量不断减少；蛙胚发育过程中从环境中获得氧气，利用的营养物质是自身的。
二、非选择题
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9．(山东高考改编)科学家通过诱导黑鼠体细胞去分化获得诱导性多能干细胞(iPS)，继而利用iPS细胞培育出与黑鼠遗传特性相同的克隆鼠。流程如下：
(1)从黑鼠体内获得体细胞后，对其进行的初次培养称为________，培养的细胞在贴壁生长至铺满培养皿底时停止分裂，需分离稀释后转入新的培养皿中继续培养，称为________。
(2)图中2细胞胚胎可用人工方法从灰鼠输卵管内获得；也可从灰鼠体内取出卵子，通过________后进行早期胚胎培养获得。
(3)图中重组囊胚通过________技术移入白鼠子宫内继续发育，暂不移入的胚胎可使用________方法保存。
(4)小鼠胚胎干细胞(ES)可由囊胚的________分离培养获得。iPS与ES细胞同样具有发育全能性，有望在对人类iPS细胞进行定向________后用于疾病的细胞治疗。
解析：(1)原代培养指将动物组织用酶处理成单个细胞后进行的初次培养；将原代培养的细胞分离稀释后转入新的培养瓶中继续培养称传代培养。(2)早期胚胎既可从输卵管中直接获取，也可取出卵子后通过体外受精技术形成受精卵，体外培养早期胚胎获得。(3)暂不进行胚胎移植的胚胎可放入－196 ℃的液氮中保存。(4)iPS与ES细胞一样，可通过定向诱导分化修补某些功能异常的细胞来治疗疾病。
答案：(1)原代培养 传代培养 (2)体外受精(或：核移植)
(3)胚胎移植 冷冻(或：低温) (4)内细胞团 诱导分化
10．供体器官的短缺和排斥反应是制约器官移植的两个重要问题。如何利用现代生物科学技术解决这一难题成为热点问题。下面是治疗性克隆的过程图解。
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(1)自体移植供受体为同一个体，最大的优点是________________________，但移植器官种类受限。利用细胞工程技术的治疗性克隆，重组细胞培养时除了保证无菌、无毒环境，还需丰富的营养，通常会在培养液中加入________等天然成分。核移植的胚胎干细胞通常只分裂不分化，所以需在培养液中加入________诱导形成相应的组织、器官后用于移植。
(2)重组细胞发育的过程中，细胞开始分化发生在①________期，若想获得基因型完全相同的两个胚胎，采用________技术，并且要注意对②________进行均等分割。
(3)目前临床器官移植多为同种异体移植，患者需要长期服用______预防排斥反应。为了扩大器官供体的来源，人们尝试异种移植，试图利用基因工程手段______抗原决定基因，再利用克隆技术培育出没有免疫排斥反应的猪器官，从而解决供体短缺问题。
解析：(1)自体移植不发生免疫排斥反应，但移植器官种类受限制。动物细胞培养通常会在培养液中加入血清等天然成分。核移植的胚胎干细胞通常只分裂不分化，所以需在培养液中加入分化诱导因子诱导形成相应的组织、器官后用于移植。(2)重组细胞发育的过程中，在囊胚期开始分化，若想获得基因型完全相同的两个胚胎，可采用胚胎分割技术，并且要对内细胞团均等分割。(3)目前，临床上器官移植多为同种异体移植，患者需要长期服用免疫抑制药物，以预防排斥反应。为扩大免疫器官供体的来源，人们研究尝试异种移植，试图利用基因工程手段抑制抗原决定基因。
答案：(1)不发生免疫排斥反应 血清 分化诱导因子
(2)囊胚 胚胎分割 内细胞团
(3)免疫抑制药物 抑制(或除去)
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