高中生物学选择性必修三——细胞工程

细胞工程是指运用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的的获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。高中生纯手敲，应该是非常详细。

细胞工程（细胞工程是指运用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的的获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。）

• 植物细胞工程
  • 植物组织培养技术
    • 原理：植物细胞具有全能性
      • 不是所有细胞表现出全能性的原因：在特定的时间或空间条件下，细胞中的基因会选择性表达
      • 原因：生物体的每一个血细胞含有该物种特有的全套遗传物质
      • 分化程度越高，全能性越低，植物细胞的全能性大于动物细胞
      • 表现全能性的条件：离体状态；营养物质；植物激素；外界条件；无菌培养。
    • 有关概念
      • 植物组织培养是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配置的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。
      • 脱分化指在一定的技术和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去特有的结构和功能，转变成未分化的细胞。
      • 不定型的薄壁组织团块，这成为愈伤组织。
      • 愈伤组织重新分化成芽、根等器官，该过程称为再分化。
      • 没有受精但经过胚胎发育形成的胚装类似物。
    • 操作步骤
      • 接种外植体
      • 诱导愈伤组织
      • 诱导生芽
      • 诱导生根
      • 移栽成活
      • 
      • 注意事项
        • 无菌操作
        • 愈伤组织前避光，后期有光
        • 生长素比细胞分裂素多促进生根，少促进生芽，一样促进形成愈伤组织
  • 植物体细胞杂交技术
    • 
    • 原理：植物细胞具有全能性，细胞膜具有一定的流动性
    • 原理：植物体细胞杂交是指将不同来源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植物体的技术。
    • 具体操作
      • 用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，获得原生质体。
      • 诱导融合使用物理法和化学法，物理法包括电融合法，离心法，化学法包括聚乙二醇（PEG）融合法，高钙高pH融合法
      • 原生质体完成融合的标志是再生出细胞壁，然后经过脱分化，再分化形成植株，植物体细胞杂交的完成标志是培育成新植物体
    • 意义
      • 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
  • 应用
    • 快速繁殖
      • 快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，叫做植物的快速繁殖技术，也叫微型繁殖技术。
      • 优点
        • 快速、高效的实现种苗的大量繁殖
        • 保持优良品种的遗传特性
        • 不受季节的限制
    • 作物脱毒（不是抗毒）
      • 原理：植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒
      • 提高了产量和品质
    • 单倍体育种
      • 将花药离体培养成单倍体植株，然后人工诱导染色体加倍，人工选择优良品种。
      • 优点
        • 极大地缩短了育种年限
          • 原因：当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株
        • 染色体加倍后得到的植株是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料
        • 后代为纯合子，可以稳定遗传
    • 突变体的利用
      • 用愈伤组织，原因：愈伤组织处于不断增殖的状态，增殖比较旺盛，因此他们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变
      • 优点：可以筛选得到抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体
      • 缺点：方向不可控，多害少利，需要用到大量材料
    • 细胞产物的工厂化生产
      • 初生代谢是生物生长和生存所必须的代谢活动，因此在整个生命活动中他一直进行着。初生代谢有糖类，纸质，蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必须的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和条件下才能进行
      • 植物细胞培养是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
      • 人们期望利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产
• 动物细胞工程
  • 动物细胞培养
    • 动物细胞培养是指从动物体中取出相关的组织，将它分散成各个细胞，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞生长和繁殖的技术。
    • 原理：细胞增殖
    • 条件
      • 营养
        • 合成培养基
          • 将细胞所需的营养物质按种类和所需量严格配置而成的培养基。
        • 加入血清
      • 无菌、无毒的环境
        • 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
        • 培养液定期更换原因：清除代谢物，防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。
      • 温度、pH、渗透压
        • 温度（36±5）℃
        • pH：7.2~7.4
      • 气体环境
        • 95%的空气，5%的二氧化碳
        • 氧气是细胞代谢所必需的
        • 二氧化碳的主要作用是维持培养液的pH
        • 通常采用培养皿或松盖培养瓶，并置于CO2培养箱中
    • 过程
      • 
      • 几个问题
        • 分散培养的原因
          • 细胞与细胞在一起彼此限制了生长的增值并且有利于充分利用营养物质并排出代谢产物
        • 体外培养的细胞分类
          • 悬浮在培养液中
          • 贴附于某些基质表面
        • 细胞贴壁
          • 贴附在培养瓶的瓶壁上
        • 接触抑制
          • 贴壁细胞生长到表面相互接触时，细胞通常会停止分裂。
        • 原代培养
          • 分瓶之前的培养，即动物组织经处理后的初始培养
        • 传代培养
          • 分瓶后的细胞培养
    • 干细胞培养及其应用
      • 胚胎干细胞（存在于早期胚胎中）
      • 成体干细胞（组织特异性，存在于成体的骨髓、外周血和脐带血中）
      • 诱导多能干细胞（iPS）
        • 接入载体将特定基因导入细胞中，直接将特定蛋白导入细胞中，或者用小分子化合物等来诱导形成ips细胞。
        • 
  • 动物体细胞融合
    • 概念
      • 动物细胞融合技术就是使两个或多个细胞结合形成一个细胞
    • 常用方法
      • PEG融合法，电融合法和灭活病毒诱导法
        • 灭活是用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染能力，但并不破坏他们的抗原结构，灭活病毒诱导细胞融合的原理是病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜上的糖蛋白发生作用，使细胞相互凝聚，膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布，细胞膜膜打开，细胞发生融合。
    • 优点
      • 突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能
      • 培育生物新品种
    • 应用：单克隆抗体的制备
      • 原理：每一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体
      • 
      • 应用：单克隆抗体能准确的识别抗原的细微差异，与特定抗原发生特异性结合，并且可以大量制备。因此被广泛用作诊断试剂，在多种疾病的诊断和病原体进行中发挥重要的作用。
      • 
  • 动物体细胞核移植技术
    • 克隆动物
    • 动物细胞核移植技术是将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新结合的细胞发育成胚胎，进而发育成动物个体的技术。
    • 哺乳动物和一只可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植，由于动物胚胎细胞分化程度低，表现全能性相对容易，而动物体细胞分化程度高，表现全能性10分困难，因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植，而在动物体细胞移植中，非人灵长类动物的体细胞和一只非常困难，主要原因一方面是供体细胞的细胞核在去核卵母细胞中不能完全恢复其分化前的功能状态，这导致了胚胎发育率率低。另一方面也是人对非人灵长类动物胚胎进行操作的技术尚不完善。
    • 过程
      • 
      • 几个问题
        • 为什么选减数分裂第二次中期的卵母细胞？
          • 体积大，营养多，容易操作。营养物质丰富，为发育提供充足营养；含有促使细胞核表达全能性的物质。
        • 为什么要去除细胞核
          • 是核移植的核遗传物质全部来自供体的细胞，并防止染色体数量发生变化。
        • 为什么要选取体细胞十代以内的细胞
          • 保证了供体细胞正常的遗传基础
        • 为什么要将细胞整个注入
          • 对卵母细胞伤害小，保证细胞核不被破坏，并且更加便捷。
        • 为什么生出的奶牛不和供体完全一样？
          • 卵母细胞细胞质也含有遗传物质
    • 体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
      • 体细胞核移植技术在畜牧业，医药卫生以及其他领域有着广泛的应用前景，在畜牧生产中，利用体细胞核移植技术可以加速加速移加遗传改良进程，促进优良系统繁育，在医药卫生领域通过建立转基因体细胞系，在利用体系化和移植技术培育的转基因克隆动物可以作为生物反应器生产许多珍贵的医用蛋白，在治疗人类疾病时，转基因克隆动物的细胞，组织或器官可以用于一种移植，以患者作为供体培育的人和抑制胚胎干细胞经过诱导分化能形成相应细胞，组织或器官，将他们移植给患者时，可以避免发生免疫排斥反应，研究克隆动物可使人类更深入的了解胚胎发育及衰老过程。克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病原因，克隆特定级别模型的动物还能为研究该疾病的作用机理和开发幸运的药物提供帮助。在保护濒危物种方面该技术有望增加濒危物种的存活数量。
  • 胚胎工程
    • 胚胎工程是指对生殖细胞，受精卵或早期胚胎细胞进行多种显微操作和处理，然后将获得的胚胎移植到雌性动物体内产生后代，以满足人类的各种需求，胚胎工程技术包括体外受精，胚胎移植和胚胎分割等。
    • 理论基础
      • 受精
        • 精子获能
          • 精子必须在磁性动物的生殖道发生了相应的生理变化后才能获得受精能力
          • 使精子获能的方法有直接利用雌性动物的生殖道使精子获能将精子培养在人工配置的混合液中，使其或能等或农业的成分因动物种类不同而有所差异，常见的有效成分有肝素，钙离子载体等
        • 卵子的准备
          • MⅡ期的卵母细胞才具备与精子受精的能力。
        • 受精阶段
          • 
      • 胚胎早期发育
        • 受精卵形成后立即在输卵管内进行有丝分裂，开始发育，胚胎发育早期有一段时间是在透明带内进行分裂，细胞的数量不断增加，但胚胎的总体积并不增加，这种受精卵的早期分裂称为卵裂。
        • 桑葚胚
        • 囊胚
        • 原肠胚
        • 
    • 应用
      • 体外受精
        • 包括卵母细胞的采集、精子的获取和受精
        • 优点
          • 提高动物繁殖能力
          • 为胚胎移植提供可用的胚胎
        • 
      • 胚胎移植
        • 胚胎移植是指将体外受精以及其他方式得到的胚胎移植到同种的生理状态相同的雌性动物体内组织使之继续发育成为新个体的技术。
        • 实质是早期胚胎在相同生理环境下空间位置的转移。
        • 胚胎移植主要包括供体，受体的选择和处理，配种或人工受精，胚胎的收集，检查，培养或保存，胚胎的移植以及移植后的检查等步骤。
        • 超数排卵是指应用外源促性腺激素，诱发卵巢排出比自然情况下更多的成熟卵子。
        • 
        • 优势
          • 可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力
          • 大大缩短了供体本身的繁殖周期
        • 胚胎移植作为胚胎工程的最终技术环节，还将推动胚胎工程其他技术的研究和应用。
      • 胚胎切割
        • 采用机械方法将早期胚胎切割成2等分，4等分或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。
        • 胚胎分割可以看作动物无性繁殖或克隆的方法之一
        • 主要仪器有体视显微镜和显微操作仪
        • 用分割针或分割刀切割
        • 注意将内细胞团均等分裂
        • 优点
          • 促进优良动物品种的繁殖产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究的宝贵材料
          • 人工控制动物性别，繁育健康后代
        • 局限性
          • 采用胚胎分割技术产生同卵多胚的可能性是有限的，分割次数越多，分割后不太成功的概率越小，目前仍然以二分胚胎的分割和移植效率最高。
        •