动物的胚胎发育和胚胎工程

第三章 胚胎工程第一节 动物的胚胎发育和胚胎工程【学习目标】1、简述哺乳动物的精子和卵子的发生过程（A）2、说出受精作用的概念（A）3、简述哺乳动物胚胎发育的基本过程（A）4、简述动物早期胚胎培养常用的方法及其基本原理（A）5、说出胚胎移植技术的概念及其应用（A）【知识梳理】一、哺乳动物生殖细胞的发生和受精作用1、精子的发生（1）场所：睾丸的曲细精管（2）时间：从初情期开始，直到生殖机能衰退（3）过程第一阶段初级精母细胞的形成： 位于曲细精管壁的精原细胞先分裂为两个细胞，然后进行数次有丝分裂，产生多个初级精母细胞。第二阶段精子细胞的形成： 一个初级精母细胞连续进行两次分裂（即减数分裂）：M产生两个次级精母细胞，M共产生4个精子细胞。第三阶段精子细胞经过变形为精子： 细胞核变为精子的头主要部分，高尔基体发育为头部的顶体，中心体演变为精子的尾，线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘。同时，其它物质浓缩为球状，叫原生质滴。【例题1】有关精子的发生，错误的是（ ）A. 经过减数分裂，产生初级精母细胞B. 初级精母细胞经过减数第一次分裂产生两个次级精母细胞C. 两个次级精母细胞经过减数第二次分裂产生两个精子细胞D. 产生的精子细胞经过变形，形成精子【例题2】以下对精子形成过程的说法，不正确的是（ ）A. 精子细胞中的细胞核变为精子头的主要部分B. 高尔基体发育为头部的顶体C. 线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘膜D. 细胞内的其它物质浓缩为球体，叫做原生质滴。原生质滴中存在中心体2、卵子的发生（1）场所：卵巢（2）时间：从 时期开始（胎儿时期完成了 的形成和在卵巢内的储备）（3）过程卵原细胞初级卵母细胞1个初级卵母细胞1个次级卵母细胞第一极体（排卵前后完成）1个次级卵母细胞1个卵子第二极体（ 过程中完成）【例3】哺乳动物卵泡的形成和在卵巢内的储备，是在哪个时期完成的（ ）A. 出生前 B. 出生后至性成熟C. 性成熟时期 D. 性成熟以后【例4】排卵时，细胞处于的时期是（ ）A卵原细胞 B初级卵母细胞 C成熟卵细胞 D初级卵母细胞或次级卵母细胞3. 受精作用（1）概念：卵细胞和精子相互识别、融合成为受精卵（即合子）的过程。（2）场所：输卵管中（3）过程准备阶段 精子的获能。刚刚排出的精子，不能立即与卵子受精，必须在雌性动物生殖道发生相应的生理变化后，才能获得受精能力。（卵泡液、输卵管分泌物、血清等液体可使精子获能。）准备阶段卵子的准备，动物排出的可能是次级卵母细胞，也可能是初级卵母细胞，都要在输卵管内进一步成熟，达到减数第二次分裂的中期时，才具备与精子受精的能力。受精阶段：受精过程主要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。精子与卵子相遇，首先发生顶体反应，精子穿过放射冠，接触透明带，穿过透明带，接触卵黄膜。多精入卵受精的第一道屏障是透明带，第二道屏障是卵黄膜。精子入卵后另一变化：尾部脱离，两组染色体合为一组，形成一个含二倍染色体的合子，也就是受精卵。【注意】1、受精标志：第二极体的形成；受精完成标志是雌雄原核融合成合子。2、防止多精入卵受精的两道屏障屏障一：透明带反应。当精子越过放射冠，进入透明带并接触卵黄膜的瞬间，卵子发出指令（信号），产生阻止后续的精子进入透明带的生理反应。屏障二：卵黄膜封闭作用。当第一个精子进入卵黄膜后，会立即引起卵黄膜的紧缩、增厚，产生阻止其他精子进入卵内与卵子结合受精的生理反应，也叫做多精子入卵阻滞。3、受精作用的结果：使单倍体的精子和卵子结合形成二倍体的受精卵，染色体数目恢复到体细胞中的数目，其中一半染色体来自父方，另一半来自母方。3、减数分裂和受精作用的意义：对于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，都是十分重要的。二、哺乳动物胚胎发育的基本过程1、概念：是指受精卵发育成幼体的过程。（受精过程的完成，标志着胚胎发育的开始。）2、过程受精卵卵裂桑椹胚囊胚原肠胚胚层分化胎儿3、各个时期的特点（1）卵裂期：合子形成后即在输卵内进行有丝分裂，这个过程叫卵裂。其特点是：细胞分裂为有丝分裂，细胞的数量增加，但胚胎的总体积不增加或略有缩小，因此每个细胞的体积会随分裂的进行不断缩小，但核内遗传物质并未减少。（2）桑椹胚：当胚胎数目达到32个左右时，胚胎形成致密的细胞团，形似桑椹，叫桑椹胚。这一阶段前的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能，属于全能干细胞。（3）囊胚: 桑椹胚继续分裂，中间出现一个腔，腔内充满液体，称为囊胚。a. 细胞出现分化内细胞团和滋养层，内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层将来发育成胎膜和胎盘。b. 出现囊胚腔，是胚胎内部一个含有液体的囊腔。c. 发生孵化，即囊胚进一步扩大，导致透明带破裂，胚胎从中伸展出来。（4）原肠胚：特点：一孔：胚孔；两腔：扩大生原肠腔，缩小的囊胚腔；三胚层：外胚层：由内细胞团表层细胞形成；中胚层：由内细胞团的部分表层细胞和部分下方的细胞共同形成；内胚层：内细胞团下层的细胞形成。三、胚胎工程的主要技术与应用胚胎工程是对动物生殖细胞、受精卵和早期胚胎细胞所进行的多种显微操作和处理技术，由体外受精技术、胚胎移植技术、胚胎分割技术、胚胎冷冻保存技术和性别控制技术等组成的现代生物技术。胚胎发育学是胚胎工程的理论基础。1、体外受精技术（1）概念：是指哺乳动物的精子和卵子在体外人工控制的环境中完成受精过程的技术。（属有性生殖过程）（2）基本原理：人工模拟体内环境，包括营养、温度、pH等，使初级卵母细胞成熟，同时使精子获能，最终完成受精作用，并有计划地保存胚胎等。（3）操作卵母细胞的采集和培养 对体型小的动物用促性腺激素处理，从输卵管冲取卵子（可直接受精）；对体型大的动物从卵巢中采集卵母细胞（要在体外培养成熟）。体外受精技术是哺乳动物胚胎移植技术、克隆技术、转基因技术和性别控制技术不可缺少的组成部分。【例5】我国首例“虎狮兽”2002年在南京红山动物园诞生。它是利用了雄虎的精子和雌狮的卵子进行“体外受精”而产生。下列有关说法正确的是（ ）A在体外受精前，要对精子进行获能处理B用化学物质处理掉卵黄膜便于精子进入C抽取精子、卵子的细胞核进行融合 D精子入卵后进行人工处理防止多精入卵2、早期胚胎培养（1）培养液成分哺乳动物胚胎的培养成分一般都比较复杂，除一些无机盐和有机盐类外，还需要添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分以及血清等物质。（2）培养过程 精子与卵子在体外受精后，应将受精卵移入发育培养液中继续培养，以检查受精状况和受精卵的发育能力。当胚胎发育到适宜阶段时，可将其取出向受体移植或冷冻保存。【说明】不同动物胚胎移植的时间不同，例如，牛、羊一般要培养到桑椹胚阶段或囊胚阶段才进行移植，小鼠和家兔等实验动物可在更早的阶段移植，人的体外受精胚胎，即试管胚胎，可在4个细胞阶段移植。【例6】胚胎早期培养需要用液体培养基，此培养液的成分是( )A水、无机盐、维生素、激素、有机盐、氨基酸、核苷酸、血清等B蔗糖、水、无机盐、维生素、激素C蔗糖、水、无机盐、氨基酸、核苷酸、血清D水、无机盐、维生素、有机盐、淀粉等3、胚胎移植技术（1）概念：将雌性动物的早期胚胎移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。（2）优势：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力，缩短供体本身的繁殖周期。（3）胚胎移植的生理学基础同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的(对供体和受体进行同期发情处理)。早期胚胎形成后处于游离状态，为胚胎的收集提供可能。受体对移入子宫的外来胚胎基本不发生免疫排斥反应。移入受体的供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响。（4）胚胎移植的程序：对供、受体母牛进行选择，用激素进行同期发情处理。对供体母牛用激素（促性腺激素）做超数排卵处理。选择同种优秀公牛配种(有性生殖过程)。对胚胎进行收集(此时胚胎处于游离状态)。对胚胎进行质量检查(此时胚胎应发育到桑椹胚或囊胚)胚胎移植(或冷冻保存)。检查受体母牛是否受孕。产下胚胎移植的犊牛。【例7】下列有关动物胚胎移植的叙述中，错误的是（ ）A. 受孕母畜体内的受精卵或胚胎均能移植B. 受体母畜必须处于与供体母畜同步发情的状态C. 超数排卵技术要使用一定的激素D. 试管婴儿只是受精即早期卵裂过程在试管中进行4、胚胎分割技术（1）概念：用显微手术方法将早期胚胎切割成2、4、8等份，经体内或体外培养后植入受体，以获得同卵双生或同卵多生后代的技术可看作是动物无性繁殖或克隆。（2）基本过程：选择良好的桑椹胚或囊胚移入培养皿中，用分割针或分割刀片将其切开，吸出其中的半个胚胎注入透明带中或直接移植给受体。(注意：内细胞团要均等分割，否则会影响胚胎的恢复和进一步发育)5、胚胎冷冻保存技术（1）概念：将动物的早期胚胎，通过特殊的保护剂和降温措施，使其长期保存在超低温环境下。（2）优势：可以使胚胎移植不受时间和地域的限制，简化引种过程。6、动物性别控制技术 指通过人为干预，使动物按照人们的愿望繁衍所需性别的后代的技术。【基础检测】1. 关于哺乳动物减数分裂及受精作用的说法正确的是（ ）A. 经减数分裂形成成熟的精子和卵子后，才能完成受精作用形成受精卵B. 次级卵母细胞只有与精子结合后，才能完成减数第二次分裂C. 精子在睾丸内成熟和获能后，才能与卵子结合D. 精子获能的本质就是使已经成熟的精子获得与卵子结合所需的足够的能量2. 透明带反应发生在什么时候（ ）A. 排卵时 B. 精子与放射冠接触时C. 顶体释放水解酶后 D. 精子接触卵黄膜时3在受精过程中（） 精子必须发生顶体反应，释放顶体酶 顶体酶可使精子穿过放射冠、透明带、卵细胞膜 卵细胞恢复并很快完成了第一次成熟分裂 精子和卵细胞的细胞核分别形成雄原核和雌原核 透明带反应防止了多精入卵和多精受精的发生 ABCD4. 发展试管动物技术具有重要意义，下列关于这方面叙述错误的（ ）A试管动物技术可解决动物生育率低的问题B试管动物技术可以更多、更有效地利用动物卵细胞C试管动物技术可以通过普通家畜繁育良种家畜D试管动物技术不能实现家畜的快速繁殖5. 下列在胚胎移植中没有必要进行的是（）A. 对供体和受体要进行选择B. 要用激素对供体进行超数排卵处理C. 供体和受体要进行免疫检查，防止发生免疫排斥反应D. 胚胎移植常采用手术法和非手术法两种6牛胚胎移植的基本程序如下图，请据图回答：（1）图中a、b、c过程分别是指 、 、 。（2）供体牛的主要职能是 ；受体母牛必须具备 。（3）为了提高牛胚胎的利用率，常采取的方法是 ；处理的时期是 。（4）从哺乳动物早期胚胎或原始性腺中分离出来的细胞，称为ES或EK细胞。这类细胞的形态特征有 。7. 英国纽卡斯尔大学约翰伯恩教授领导的研究小组2008年4月1日宣布，他们已从人的皮肤细胞中提取出细胞核，然后将其植入几乎被完全剔除了遗传信息的牛卵细胞或兔卵细胞中，从而培育出半人半兽混合胚胎（如图所示）。该胚胎发育到第三天时已含有32个细胞，研究人员希望它能继续生长到六天，再从胚胎中取出干细胞供医学研究使用。（1）有人担心此项研究会培育出“牛头人身”式的怪物，而生物学家认为不可能，支持生物学家的理由是_ _。（2）混合胚胎的基因组成有99以上都是人类的，只有不到1是牛的，这1的牛基因位于_ _。（3）通过对母牛注射_ _激素，可获得更多的牛卵母细胞。哺乳动物的胚胎干细胞简称ES或EK细胞，是由_ _分离出来的一类细胞。早期胚胎的培养液成分较复杂，除一些无机盐和有机盐类外，还需添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及 等物质。（4）如果想同时得到多头基因型相同的 “重组动物”，可通过_ _技术得以实现。但应选择发育到桑椹胚或囊胚时期的早期胚胎进行操作，在对囊胚期胚胎进行分割时，要注意将_ _分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。第二节 胚胎干细胞的研究及其应用【学习目标】1、简述胚胎干细胞及其研究进展（A）2、举例说出胚胎干细胞的应用前景（A）【知识梳理】一、胚胎干细胞及其研究进展1、干细胞：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，是重建、修复病损或衰老组织、器官功能的种子细胞。按照分化潜能的大小，干细胞基本上可分为专能干细胞（只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞）、多能干细胞（具有分化成多种细胞或组织的潜能却失去发育成完全个体能力的细胞）和全能干细胞（可以分化为全身各种细胞，并进一步形成机体的所有组织、器官）。2、成体干细胞：存在于胎儿、儿童和成人组织中的多能干细胞。造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、脐血、外周血中。3、胚胎干细胞：由早期胚胎囊胚或原始性腺胎儿中分离出来的一类细胞，又叫ES或EK细胞。具有增殖能力并保持未分化状态、在一定的条件下可以向各种组织和器官分化、易于进行基因改造操作等特点。如内细胞团细胞（位于囊胚的囊胚腔一侧）特征：形态上体积小、细胞核大、核仁明显；功能上具有发育的全能性，即可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。二、胚胎干细胞的应用用于治疗人类疾病，如利用ES细胞诱导其分化成新的组织细胞特性，移植ES细胞可使坏死或退化的部位得以修复。有可能为部分细胞坏死的病人进行细胞移植，使病人恢复丧失的功能（如帕金森病）。三、胚胎干细胞研究面临的挑战在法律、伦理、国家和社会安全等方面带来冲击。 【基础检测】1. 干细胞是指（ ）A动物（包括人）胚胎中具有多向分化潜能的细胞B动物（包括人）胚胎及某些器官中具有自我复制的原始细胞C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细胞D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. 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3. 下列关于胚胎干细胞的说法中，正确的是（ ）A. 胚胎干细胞是在人胚胎发育早期的原肠胚中未分化的细胞B. 胚胎干细胞具有全能性，属于全能干细胞C胚胎干细胞属于专能干细胞 D胚胎干细胞最早发现于20世纪60年代4. 从理论上讲，任何涉及丧失正常细胞的疾病，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，下列说法不正确的是（ ）A用神经细胞治疗帕金森综合征等 B用胰岛细胞治疗糖尿病C用心肌细胞修复坏死的心肌等 D用甲状腺细胞治疗侏儒症5胚胎干细胞在基础生物学研究和临床应用方面具有重要价值。下图是胚胎干细胞获取方法图解。（1）早期充育的胚胎分为_几个主要阶段。（2）C、D细胞分别为_和_，它们的形态特性是_。（3）胚胎干细胞有何应用前景?(说出两例)。 （4）我国政府禁止生殖性克隆，但不反对治疗性克隆的研究，请你谈谈为什么要反对克隆人? 62n/4n 嵌合体胚胎是指用四倍体 (4n )胚胎与二倍体胚胎(2n )或胚胎干细胞 (ES 细胞)进行聚合，形成由二倍体和四倍体细胞组成的嵌合体。2n/4n 嵌合体胚胎的构建常用方法如下图，请据图分析回：（1）受精卵是胚胎发育的开端，图中的卵细胞达到 时期，才具备受精的能力，而精子需经过 过程才能和卵细胞结合。（2）2N的ES细胞来自胚胎发育过程的 期，本实验中从功能上说明了该细胞 。 （3）2n/4n 嵌合体胚胎的构建用到的现代生物工程技术主要有： 。（4）ES细胞经嵌合体方法培育的动物与核移植方法培育的动物相比，遗传物质来源的区别主要是什么？ 。参考答案第一节6. （8分）（1）超数排卵（1分） 冲卵（1分） 胚胎移植（1分）（2）只产生具有优良遗传特性的胚胎（1分） 健康的体质和健康的繁殖能力（1分）（3）胚胎分割移植（1分） 桑椹胚和囊胚期（1分） 此时还未出现细胞分化（1分）（4）体积小、细胞核大、核仁明显（1分）7（7分）（1）重组细胞的遗传物质主要来自人的细胞核 （2）卵细胞细胞质中的线粒体（答：“卵细胞细胞质”不得分）（3）促性腺 囊胚内细胞团细胞或原始性腺 血清 （4）胚胎分割移植 内细胞团均等 第二节5(7分)(1)(卵裂期)桑椹胚、囊胚、原肠胚 (2)内细胞团 原始性腺 细胞体积小、细胞核大、核仁明显 治疗人类的某些顽疾；培育出人造组织器官，解决临床上供体器官不足和异体器官抑制后免疫排斥问题；研究细胞体外分化；(2分，举出1例得1分) (4)严重违反了人类伦理道德；冲击了现有的婚姻、家庭和两性关系等传统的伦理道德观念；是在人为地制造心理上和社会地位上都不健全的人；克隆技术尚不成熟，可能克隆出有严重生理缺陷的孩子。(写出一条即可，只要答案符合题意就给分)6.（7分）（1）减数第二次分裂中期 精子获能 （2）囊胚 具有发育的全能性（3动物细胞的培养、动物细胞融合和胚胎移植（写对2个得1分）（4）（2分）用ES细胞经嵌合体方法克隆的动物是完全的复制体，而用核移植方法克隆的动物只是核型一致，但胞质类型却不一定相同。32 . ( 8 分）美英两位科学家因为在胚胎干细胞研究方面的“基因靶向”技术获得 2007 年度诺贝尔生理学或医学奖。“基因靶向”技术是指利用细胞脱氧核糖核酸（ DNA ）可与外源性 DNA 同源序列发生同源重组的性质，定向改造生物某一基因的技术。有科研小组通过右图所示的“基因靶向”技术将小鼠棕褐色的毛色基因导入黑色纯种小鼠细胞的 ES 细胞中。请据图回答下列间题： ( 1 ) ES 细胞来自第 3 . 5 天小鼠囊胚中的 _ 一主一一（填字母）细胞，理论上该细胞在功能上具有 ( 2 ）在胚胎移植过程中，供、受体动物选择好后，要用激素进行 _ _ _ _ 鱼的处理，使供、受体的生理状态相同，以保证移植的胚胎能够继续正常发育。 ( 3 ）该实验得到的带突变基因的嵌合体小鼠体内有鱼 . _ 种基因型的体细胞。 ( 4 ）取患者的淋巴细胞（脐带血细胞）作为 _ 连 _ _ ，插入正常的外源基因后，再回输体内，以替代、修复或纠正有缺陷的基因，这种方法称为 _ - 全 _ _ ；但如果外源基因随机插入，会因位置效应引起紊乱，而鱼 _ 很好地解决了这一问题。 ( 5 ）与该技术相似，将抗虫基因导入棉花细胞中后可以通过一一主技术，大量获得抗虫棉。