四、細(xì)胞工程

    1、植物的組織培養(yǎng)

    植物體的體細(xì)胞與生殖細(xì)胞都具有全能性的特點(diǎn)，利用這個(gè)特點(diǎn)將植物體的某一組織培養(yǎng)成植物體的技術(shù)就叫植物組織培養(yǎng)。

    [植物組織培養(yǎng)操作流程圖]

    例1．紫草素是紫草細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，可作為生產(chǎn)治療燙傷藥物的原料。用組織培養(yǎng)技術(shù)可以在生物反應(yīng)器中通過(guò)培養(yǎng)紫草細(xì)胞生產(chǎn)紫草素。下圖記錄了生物反應(yīng)器中紫草細(xì)胞產(chǎn)量、紫草素產(chǎn)量隨培養(yǎng)時(shí)間發(fā)生的變化。

     （1）在生產(chǎn)前，需先加入紫草細(xì)胞作為反應(yīng)器中的“種子”。這些“種子”是應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)，將紫草葉肉細(xì)胞經(jīng)過(guò)                  而獲得的。這項(xiàng)技術(shù)的理論基礎(chǔ)是               。

    （2）從圖中可以看出：反應(yīng)器中紫草細(xì)胞的生長(zhǎng)呈現(xiàn)                  規(guī)律；影響紫草素產(chǎn)量的因素是          和             。

    （3）在培養(yǎng)過(guò)程中，要不斷通入空氣（無(wú)菌）并進(jìn)行攪拌的目的是       和       。

     分析：本題的背景是植物細(xì)胞的應(yīng)用之一，通過(guò)組織培養(yǎng)技術(shù)獲得紫草細(xì)胞的代謝產(chǎn)物紫草素。由于此應(yīng)用的目標(biāo)指向代謝產(chǎn)物，不需要得到植物體，因此利用了植物細(xì)胞培養(yǎng)的技術(shù)，即通過(guò)液體培養(yǎng)基，像微生物發(fā)酵那樣大量而連續(xù)培養(yǎng)植物細(xì)胞，從而獲得大量的細(xì)胞代謝產(chǎn)物。

在生產(chǎn)前，首先要培養(yǎng)與篩選產(chǎn)生紫草素產(chǎn)量高的紫草細(xì)胞，這可以通過(guò)利用紫草葉肉細(xì)胞脫分化而獲得。在一定的容器內(nèi)，細(xì)胞的生長(zhǎng)呈現(xiàn)一定的規(guī)律，從圖中可以看出，細(xì)胞呈S型增長(zhǎng)。紫草素是由細(xì)胞產(chǎn)生的，因此細(xì)胞的數(shù)量直接影響紫草素的產(chǎn)量；從圖中還可以看出，紫草素的產(chǎn)量并不與細(xì)胞數(shù)量的變化完全同步，由此可推測(cè)與細(xì)胞所處的生長(zhǎng)時(shí)期相關(guān)。

細(xì)胞代謝過(guò)程中需要充足的氧氣，通入無(wú)菌空氣的目的就是保證細(xì)胞代謝對(duì)氧氣的所需；而攪拌一方面可以增加溶氧，另一方面也使得細(xì)胞能與培養(yǎng)液充分接觸，從而促進(jìn)代謝，產(chǎn)生更多的細(xì)胞代謝產(chǎn)物。

    答案：（1）脫分化（或脫分化形成愈傷組織）   細(xì)胞的全能性    （2）S型增長(zhǎng)；    細(xì)胞數(shù)量    細(xì)胞所處的生長(zhǎng)期   （3）保證氧氣供應(yīng)充足   使細(xì)胞與培養(yǎng)液充分接觸

    2．動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)與體細(xì)胞克隆

    （1）動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)是利用動(dòng)物的相關(guān)組織，將它分解成單個(gè)細(xì)胞，然后在特定培養(yǎng)基中培養(yǎng)，讓這些細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的過(guò)程。

    [動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)操作流程圖]

    例2：蘇丹紅是一種人工色素（工業(yè)染料），它在人體內(nèi)代謝生成相應(yīng)的胺類。科研人員以小鼠為實(shí)驗(yàn)材料，用“動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)”對(duì)蘇丹紅毒性進(jìn)行了檢測(cè)。

    （1）該方法檢測(cè)有毒物質(zhì)毒性的指標(biāo)是                                   。

    （2）請(qǐng)完善檢測(cè)蘇丹紅毒性的實(shí)驗(yàn)。

    主要實(shí)驗(yàn)步驟：

    第一步，取大小相同的六只培養(yǎng)瓶依次編號(hào)為l~6，分別加入等量相同的培養(yǎng)液和小鼠細(xì)胞；

    第二步：                                              ；

    第三步：                                                 。

    結(jié)果如下表：

    你所能得出的結(jié)論：                                                        。

    分析：動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的應(yīng)用之一是檢測(cè)有毒物化學(xué)物質(zhì)。如何檢測(cè)呢？本題給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表顯示了本實(shí)驗(yàn)的自變量是不同濃度的蘇丹紅溶液，共分成了6組，其中第1組中沒(méi)有蘇丹紅，因此是空白對(duì)照，其余各組分別添加不同濃度蘇丹紅溶液，進(jìn)行相互對(duì)照。從自變量控制方法可以看出，本實(shí)驗(yàn)不僅要說(shuō)明蘇丹紅是否有毒性，而且要說(shuō)明不同濃度與毒性強(qiáng)弱的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表還顯示了本實(shí)驗(yàn)的因變量——變異細(xì)胞的比例。如何檢測(cè)變異細(xì)胞呢？本題沒(méi)有明確，但無(wú)論是觀察染色體變異還是細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，都是必須借助顯微鏡的，因此觀察前首先必須制作細(xì)胞臨時(shí)裝片。

    實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是依據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出的，本題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低濃度的蘇丹紅溶液沒(méi)有出現(xiàn)變異的細(xì)胞，隨著蘇丹紅溶液濃度的增大，變異細(xì)胞所占的比例也隨之增大。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，不難得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，但必須注意的是結(jié)論必須落點(diǎn)于實(shí)驗(yàn)的目的，也就是蘇丹紅的毒性。

    答案：（1）變異細(xì)胞占全部培養(yǎng)細(xì)胞的比例   （2）向1號(hào)瓶中加入適量的水，向2—6號(hào)瓶中加入等量不同濃度的蘇丹紅添加劑；培養(yǎng)一段時(shí)間后，取樣制成臨時(shí)裝片，觀察記錄變異細(xì)胞的數(shù)目。（3）低濃度的蘇丹紅毒性很小，隨濃度增加毒性逐漸增強(qiáng)。

    （2）體細(xì)胞克隆。動(dòng)物體細(xì)胞克隆是將供體體細(xì)胞的細(xì)胞核與受體去核卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行人工組合，借助于卵細(xì)胞的發(fā)育能力，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)發(fā)育成胚胎進(jìn)而形成個(gè)體的技術(shù)。

    [動(dòng)物體細(xì)胞克隆的操作流程圖]

    例3：英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)約翰·伯恩教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組2008年4月1日宣布，他們已從人的皮膚細(xì)胞中提取出細(xì)胞核，然后將其植入幾乎被完全剔除了遺傳信息的牛卵細(xì)胞中，從而培育出人獸混合胚胎(如圖所示)。該胚胎發(fā)育到第三天時(shí)已含有32個(gè)細(xì)胞，研究人員希望它能繼續(xù)生長(zhǎng)到六天，再?gòu)呐咛ブ腥〕龈杉?xì)胞供醫(yī)學(xué)研究使用。

    (1)有人擔(dān)心此項(xiàng)研究會(huì)培育出“牛頭人身”式的怪物，而生物學(xué)家認(rèn)為不可能，支持生物學(xué)家的理由是                               。

    (2)混合胚胎的基因組成有99％以上都是人類的，只有不到l％是牛的，這l％的?；蛭挥?          。

    (3)通過(guò)對(duì)母牛注射         激素，可獲得更多的牛卵母細(xì)胞。哺乳動(dòng)物的胚胎干細(xì)胞簡(jiǎn)稱Es或EK細(xì)胞，是由        分離出來(lái)的一類細(xì)胞。早期胚胎的培養(yǎng)液成分較復(fù)雜，除一些無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽類外，還需添加維生素、激素、氨基酸、核苷酸等營(yíng)養(yǎng)成分，以及          等物質(zhì)。

    (4)如果想同時(shí)得到多頭基因型相同的“重組動(dòng)物”，可通過(guò)        技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)選擇發(fā)育到桑椹胚或囊胚時(shí)期的早期胚胎進(jìn)行操作，在對(duì)囊胚期胚胎進(jìn)行分割時(shí)，要注意將         分割，否則會(huì)影響分割后胚胎的恢復(fù)和進(jìn)一步發(fā)育。

    解析：本題以人獸混合胚胎培育為背景，結(jié)合了體細(xì)胞克隆、胚胎移植、胚胎分割移植等生物技術(shù)。

    將人的體細(xì)胞與牛的去核卵細(xì)胞融合，形成的重組細(xì)胞中的核遺傳物質(zhì)均是人的，細(xì)胞質(zhì)來(lái)自于牛的卵細(xì)胞。細(xì)胞中的基因絕大多數(shù)位于細(xì)胞核中，細(xì)胞質(zhì)中僅有來(lái)自線粒體的少量細(xì)胞質(zhì)基因（根據(jù)題中信息細(xì)胞質(zhì)基因只占不到1%），因此從理論講，即使人獸混合胚胎有可能發(fā)育成為個(gè)體，也不可能是“牛頭人身”的怪物。

    本題中的第（3）（4）小題是關(guān)于胚胎工程的內(nèi)容，這里不再作具體的分析。

    答案：(l)重組細(xì)胞的遺傳物質(zhì)主要來(lái)自人的細(xì)胞核    (2)卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的線粒體  (3)促性腺    囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞或原始性腺    血清    (4)胚胎分割移植    內(nèi)細(xì)胞團(tuán)均等

    3、細(xì)胞融合與單抗

    兩個(gè)或多個(gè)動(dòng)物細(xì)胞融合成為一個(gè)細(xì)胞的過(guò)程叫做細(xì)胞融合。動(dòng)物細(xì)胞融合最重要的用途是制備單抗，此外也是研究遺傳信息轉(zhuǎn)移、染色體上基因定位等有效途徑。

    [動(dòng)物融合與制備單抗的操作流程圖]

    例3：英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)約翰·伯恩教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組2008年4月1日宣布，他們已從人的皮膚細(xì)胞中提取出細(xì)胞核，然后將其植入幾乎被完全剔除了遺傳信息的牛卵細(xì)胞中，從而培育出人獸混合胚胎(如圖所示)。該胚胎發(fā)育到第三天時(shí)已含有32個(gè)細(xì)胞，研究人員希望它能繼續(xù)生長(zhǎng)到六天，再?gòu)呐咛ブ腥〕龈杉?xì)胞供醫(yī)學(xué)研究使用。

    (1)有人擔(dān)心此項(xiàng)研究會(huì)培育出“牛頭人身”式的怪物，而生物學(xué)家認(rèn)為不可能，支持生物學(xué)家的理由是                               。

    (2)混合胚胎的基因組成有99％以上都是人類的，只有不到l％是牛的，這l％的?；蛭挥?          。

    (3)通過(guò)對(duì)母牛注射         激素，可獲得更多的牛卵母細(xì)胞。哺乳動(dòng)物的胚胎干細(xì)胞簡(jiǎn)稱Es或EK細(xì)胞，是由        分離出來(lái)的一類細(xì)胞。早期胚胎的培養(yǎng)液成分較復(fù)雜，除一些無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽類外，還需添加維生素、激素、氨基酸、核苷酸等營(yíng)養(yǎng)成分，以及         等物質(zhì)。

    (4)如果想同時(shí)得到多頭基因型相同的“重組動(dòng)物”，可通過(guò)        技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)選擇發(fā)育到桑椹胚或囊胚時(shí)期的早期胚胎進(jìn)行操作，在對(duì)囊胚期胚胎進(jìn)行分割時(shí)，要注意將         分割，否則會(huì)影響分割后胚胎的恢復(fù)和進(jìn)一步發(fā)育。

    解析：本題以人獸混合胚胎培育為背景，結(jié)合了體細(xì)胞克隆、胚胎移植、胚胎分割移植等生物技術(shù)。

    將人的體細(xì)胞與牛的去核卵細(xì)胞融合，形成的重組細(xì)胞中的核遺傳物質(zhì)均是人的，細(xì)胞質(zhì)來(lái)自于牛的卵細(xì)胞。細(xì)胞中的基因絕大多數(shù)位于細(xì)胞核中，細(xì)胞質(zhì)中僅有來(lái)自線粒體的少量細(xì)胞質(zhì)基因（根據(jù)題中信息細(xì)胞質(zhì)基因只占不到1%），因此從理論講，即使人獸混合胚胎有可能發(fā)育成為個(gè)體，也不可能是“牛頭人身”的怪物。

    本題中的第（3）（4）小題是關(guān)于胚胎工程的內(nèi)容，這里不再作具體的分析。

    答案：(l)重組細(xì)胞的遺傳物質(zhì)主要來(lái)自人的細(xì)胞核    (2)卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的線粒體  (3)促性腺    囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞或原始性腺    血清    (4)胚胎分割移植    內(nèi)細(xì)胞團(tuán)均等

    3、細(xì)胞融合與單抗

    兩個(gè)或多個(gè)動(dòng)物細(xì)胞融合成為一個(gè)細(xì)胞的過(guò)程叫做細(xì)胞融合。動(dòng)物細(xì)胞融合最重要的用途是制備單抗，此外也是研究遺傳信息轉(zhuǎn)移、染色體上基因定位等有效途徑。

    例4：運(yùn)用動(dòng)物體細(xì)胞雜交技術(shù)可實(shí)現(xiàn)基因定位。研究發(fā)現(xiàn)：用人的細(xì)胞與小鼠體細(xì)胞進(jìn)行雜交得到的雜種細(xì)胞含有雙方的染色體。雜種細(xì)胞在持續(xù)分裂過(guò)程中僅保留鼠的染色體而人類染色體則逐漸丟失，只剩一條或幾條。右圖是人的缺乏 HGPRT 酶突變細(xì)胞株（ HGPRT ^- ）和小鼠的缺乏 TK 酶細(xì)胞株（ TK ^一）融合后并在 HAT 培養(yǎng)液中培養(yǎng)的過(guò)程，結(jié)果表明最終人的染色體在融合細(xì)胞中僅存有 3 號(hào)染色體或 17 號(hào)染色體或兩者都有。已知只有同時(shí)具有 HGPRT 酶和 TK 酶的融合細(xì)胞才可在 HAT 培養(yǎng)液中長(zhǎng)期存活與繁殖。

    ( l ）體細(xì)胞雜交克服了        ，過(guò)程 ① 常用的生物方法是          

    ( 2 ）過(guò)程 ② 中，為了防止細(xì)菌的污染，所用培養(yǎng)液應(yīng)該添加一定量的         ，此外還要定期用        處理細(xì)胞，使貼壁生長(zhǎng)的細(xì)胞脫落形成細(xì)胞懸液。

    ( 3 ）從培養(yǎng)過(guò)程看， HAT 培養(yǎng)液不僅能提供養(yǎng)料，還起          作用。

    ( 4 ）從圖示結(jié)果看，可以確定人的         基因位于         號(hào)染色體；

該方法可以對(duì)鼠基因定位嗎？        。

    分析：這是利用動(dòng)物細(xì)胞融合進(jìn)行染色體上基因定位的應(yīng)用實(shí)例。題中，選擇融合的人與鼠的細(xì)胞，分別是人的缺乏 HGPRT 酶突變細(xì)胞株（ HGPRT ^- ）和小鼠的缺乏 TK 酶細(xì)胞株（ TK ^一）。由于融合后的細(xì)胞，鼠的染色體全部保留了下來(lái)，因此融合細(xì)胞不會(huì)缺少HGPRT酶，是否缺乏TK酶，取決于人的決定TK酶基因的染色體是否在融合后會(huì)缺失。由于能夠在HTA培養(yǎng)液中長(zhǎng)期存在與繁殖的必須是同時(shí)含有HGPRT酶和TK酶的，如果融合細(xì)胞沒(méi)有保留人細(xì)胞中決定TK酶基因的染色體，融合細(xì)胞將無(wú)法存在與繁殖；如果融合細(xì)胞獲得了人細(xì)胞中決定TK酶基因的染色體，則可以在培養(yǎng)液中存活。從題中圖示信息可知，融合細(xì)胞必須含有人細(xì)胞中的17號(hào)染色體，這說(shuō)明了人的17號(hào)染色體上含有TK酶的決定基因。在這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，HAT培養(yǎng)液不僅提供了融合細(xì)胞生存的條件，也起到了從混合細(xì)胞中篩選出同時(shí)含有HGPRT酶和TK酶的融合細(xì)胞的作用。

    答案：( l ）遠(yuǎn)緣雜交不親和（或生殖隔離） 用滅活的（仙臺(tái)／動(dòng)物）病毒誘導(dǎo)融合     ( 2 ）抗生素   胰蛋白酶    ( 3 ）選擇（篩選）  ( 4 ) TK 酶  17   不能