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新高考生物一轮复习讲练课件：第35讲 细胞工程（含解析）
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这是一份新高考生物一轮复习讲练课件：第35讲 细胞工程（含解析），共60页。PPT课件主要包含了素养目标，完整生物体，其他各种细胞，选择性，分化程度低的，受精卵，适宜的培养条件，形成完整的植株，全能性，外植体等内容，欢迎下载使用。
一、植物细胞工程1.细胞工程的概念
细胞器水平、细胞水平或组织水平
2.植物细胞工程的理论基础——细胞的全能性(1)细胞全能性的概念:细胞经分裂和分化后,仍然具有产生 或分化成 的潜能,即细胞具有全能性。 (2)在生物体内全能性不能表达的原因:在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会有 地表达出各种蛋白质,从而构成生物体的不同组织和器官。 (3)植物细胞具有全能性的原因:一般生物体的每一个细胞都含有 信息,即都有发育成完整个体所必需的全部遗传信息。
该物种所特有的全套遗传
(4)不同细胞的全能性比较
随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低
(5)植物细胞全能性表达的条件:
3.植物组织培养技术(1)概念理解
(2)原理:植物细胞具有 。 (3)操作流程
植物器官、组织或细胞
(4)操作实例——菊花的组织培养
4.植物体细胞杂交技术(1)概念:将不同来源的 ,在一定条件下融合成 ,并把杂种细胞培育成 的技术。 (2)原理:体细胞杂交利用了细胞膜的 ,杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的 。
(4)意义:打破 ,实现 ,培育植物新品种。 (5)植物组织培养与植物体细胞杂交的比较
5.植物细胞工程的应用(1)植物繁殖的新途径
(2)作物新品种的培育
(3)细胞产物的工厂化生产①初生代谢与次生代谢:初生代谢是 ,因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必需的,一般在特定的组织或器官中,并在一定的环境和时间条件下才进行。 ②过程:
生物生长和生存所必需的代谢活动
旁栏边角(选择性必修3,第40页,“正文”拓展)脱毒苗与抗毒苗有何区别?作物脱毒时应选取哪里的组织进行组织培养?原因是什么?
提示 ①脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(刚形成,不含有病毒)进行组织培养而获得的,属于细胞工程的范畴。一般选取根尖或茎尖的分生区;植物的分生区的病毒极少,甚至无病毒,用分生区细胞进行组织培养,就能得到大量的脱毒苗。②抗毒苗是把某抗病毒基因导入受体细胞中,并通过一定的方法培养形成的,属于基因工程的范畴。
易错辨析基于对植物细胞工程的理解,判断下列表述是否正确。(1)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性。( )(2)棉花根尖细胞经诱导形成幼苗能体现细胞全能性。( )(3)在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂,可获得染色体加倍的细胞。( )(4)用纤维素酶和果胶酶水解法获得的植物原生质体失去了全能性。( )(5)再生出细胞壁是植物体细胞原生质体融合成功的标志。( )(6)同一株绿色开花植物不同部位的细胞经组织培养获得的植株基因都是相同的。( )
长句应答据图分析植物体细胞杂交过程。(1)如何根据细胞膜表面荧光判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的?
提示 融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光。
(2)图中③④过程都需要光照吗?
提示 ③脱分化阶段不需要给予光照,④再分化阶段需要给予光照,以利于叶绿素的形成。
二、动物细胞工程1.动物细胞培养(1)动物细胞培养的地位动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞核移植、 等。 其他动物细胞工程技术的基础
(2)动物细胞培养的条件
(3)动物细胞培养的过程
(4)生长特点①细胞贴壁:将细胞悬液放入培养瓶内,置于适宜环境中培养,悬液中分散的细胞很快就 上,称为细胞贴壁。 ②接触抑制:当贴壁细胞分裂生长到表面 时,细胞 的现象称为细胞的接触抑制。
(5)原代培养和传代培养
(6)干细胞的培养及其应用①概念:干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞,与组织、器官的发育、再生和修复密切相关。②来源:早期胚胎、 和脐带血等。 ③分类:包括 干细胞和 干细胞等。
④诱导多能干细胞(iPS细胞)
2.动物细胞融合技术
3.单克隆抗体及其应用(1)原理:细胞膜的流动性和细胞增殖。(2)制备过程
(3)图解说明①用特定抗原对小鼠进行免疫的原因:B淋巴细胞要经过免疫过程,即接触抗原,增殖分化为有特异性免疫功能的B淋巴细胞,才能产生相应的抗体,所以,与骨髓瘤细胞融合的B淋巴细胞实际上是浆细胞。 免疫器官②获取小鼠经免疫的B淋巴细胞的部位:脾。③诱导融合的方法:动物细胞融合特有的诱导方法为用灭活的病毒处理,其他物理、化学诱导融合的方法与植物体细胞杂交过程中诱导原生质体融合的方法基本相同。
④杂交细胞:在诱导因素的作用下进行细胞的诱导融合,形成的杂交细胞有多种,若仅考虑两两融合的情况,形成的杂交细胞有三种。只有AB型才是需要的杂交细胞,所以需要用选择培养基进行筛选。 AA型、BB型、AB型⑤两次筛选的目的:第一次是在诱导融合之后,利用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞;第二次是对上述杂交瘤细胞进行筛选,采用专一抗体检验的方法筛选出能产生所需特定抗体的杂交瘤细胞。⑥杂交瘤细胞的抗体检测和克隆化培养:融合后的细胞经选择培养基培养后,能存活的细胞就是杂交瘤细胞。但这些杂交瘤细胞并非都是能分泌所需抗体的细胞,通常用“有限稀释法”来选择,直至确信每个孔中增殖的细胞为单克隆细胞。该过程即为杂交瘤细胞的克隆化培养。
4.动物体细胞核移植技术和克隆动物(1)原理: ,即动物细胞核中具有该种动物全套的遗传信息。 (2)类型
(3)涉及技术:动物细胞培养技术、 、核移植技术、 等。其中,核移植是核心技术。
动物胚胎细胞分化程度低
5.动物细胞培养与动物体细胞核移植的比较
旁栏边角(选择性必修3,第50页,思考·讨论)抗体—药物偶联物(ADC)通过将细胞毒素与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体结合,实现了对肿瘤细胞的选择性杀伤。ADC通常由抗体、接头和药物(如细胞毒素)三部分组成,它的作用机制如下图所示。(1)ADC的抗体和药物各具有什么作用?
提示 ADC的抗体在生物体内与特定目标细胞或组织相结合,具有导向作用。药物起治疗作用。
(2)除了细胞毒素,还有哪些物质理论上可以作为ADC偶联的药物?
(3)单克隆抗体诊断试剂盒和ADC在临床应用上各具有什么优势?
提示 化学药物、抗癌药物等。
提示 单克隆抗体诊断试剂盒具有特异性强、灵敏度高、可大量制备的优势。ADC在临床上用于治疗癌症或其他疾病,具有疗效高、毒副作用小的特点。
易错辨析基于对动物细胞工程的理解,判断下列表述是否正确。(1)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。( )(2)肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸。( )(3)灭活的病毒能促进动物细胞融合,但不能促进植物细胞融合。( )(4)将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行诱导融合,培养液中融合后的细胞即为杂交瘤细胞。( )(5)动物细胞核移植的受体细胞必须是卵细胞。( )(6)与“多莉”羊等克隆哺乳动物相关的技术有胚胎移植、细胞培养和核移植。( )
长句应答1.诱导多能干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是什么?
2.诱导多能干细胞为什么可以解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题?
提示 诱导多能干细胞具有全能性,可以被诱导分化形成新的组织细胞,经移植可使坏死或退化部位得以修复并恢复正常功能。
提示 通过干细胞体外诱导分化,可以培育出人造器官,从而解决供体器官不足的问题。另一方面,由于是自身细胞经诱导分化形成的,所以无免疫排斥反应。
考向探究考向1植物细胞的全能性1.(2022山东济南德润中学模拟)下列有关细胞全能性的叙述,不正确的是( )A.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体,因此全能性最高B.生物体内细胞由于细胞分化,全能性不能表达C.卵细胞与受精卵一样,细胞未分化,全能性最高D.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性
答案 C 解析 受精卵分化程度低,在自然条件下能形成完整个体,全能性最高,A项正确;生物体内的体细胞由于细胞分化,基因选择性表达程度高,因此全能性不能表达,B项正确;卵细胞属于已分化的细胞,卵细胞的全能性相较于受精卵低,两者全能性不同,C项错误;植物细胞在离体状态及适宜的条件下培养能够形成完整的植株个体,能表现出全能性,D项正确。
考向2植物组织培养2.(2022湖北)月季在我国享有“花中皇后”的美誉。为了建立月季某新品种的快速繁殖体系,以芽体为外植体,在MS培养基中添加不同浓度的6-BA和IBA进行芽体增殖实验,芽分化率(%)结果如表所示。
关于上述实验,下列叙述错误的是( )A.6-BA浓度大于4.0 mg/L时,芽分化率明显降低B.6-BA与IBA的比例为10∶1时芽分化率均高于其他比例C.在培养基中同时添加适量的6-BA和IBA,可促进芽分化D.2.0 mg/L的6-BA和0.2 mg/L的IBA是实验处理中芽分化的最佳组合
答案 B 解析 据表可知,6-BA浓度为从4.0 mg/L到5.0 mg/L时,芽分化率降低非常明显,故6-BA浓度大于4.0 mg/L时,芽分化率明显降低,A项正确;据表可知,当6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率为31%、95%、64%、30%、4%,因此6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率不一定都高于其他比例,B项错误;据表可知,6-BA与IBA的比例会影响芽的分化率,因此在培养基中同时添加适量的6-BA和IBA,可促进芽分化,C项正确;据表可知,芽分化率为95%是最高的,此时6-BA的浓度为2.0 mg/L,IBA的浓度为0.2 mg/L,是实验处理中芽分化的最佳组合,D项正确。
考向3植物体细胞杂交3.(2022北京)研究者拟通过有性杂交的方法将簇毛麦(2n=14)的优良性状导入普通小麦(2n=42)中。用簇毛麦花粉给数以千计的小麦小花授粉,10天后只发现两个杂种幼胚,将其离体培养,产生愈伤组织,进而获得含28条染色体的大量杂种植株。以下表述错误的是( )A.簇毛麦与小麦之间存在生殖隔离B.培养过程中幼胚细胞经过脱分化和再分化C.杂种植株减数分裂时染色体能正常联会D.杂种植株的染色体加倍后能产生可育植株
答案 C 解析 簇毛麦与小麦的后代在减数分裂时染色体联会紊乱,不可育,故二者之间存在生殖隔离,A项正确;幼胚细胞经过脱分化形成愈伤组织,愈伤组织经过再分化形成胚状体或丛芽,从而得到完整植株,B项正确;杂种植株细胞内由于没有同源染色体,故减数分裂时染色体无法正常联会,C项错误;杂种植株的染色体加倍后能获得可育植株,D项正确。
考向4植物细胞工程的应用4.(2022辽宁大连模拟)下图中亲本植株的基因型为Tt(体细胞染色体数为2n),A、B、C、D表示以亲本植株为材料进行的4种人工繁殖过程,请据图回答下列问题。
(1)4种人工繁殖过程都用到的植物细胞工程技术是 技术。图中不同的方法都能获得子代植株,其根本原因是 。 (2)经过B过程获得的子代植株的基因型为 ,子代再连续自交2代后,T的基因频率和TT的基因型频率分别为 、 。 (3)图中①需经过的生理过程是 。 (4)植物细胞获得具有活力的原生质体需要用 处理,②过程表示将该植物的两个原生质体进行融合,融合前需用化学试剂 进行诱导;图中A、B、C、D过程都能得到一种高度液泡化的薄壁细胞组成的结构—— ,某同学取A过程的薄壁细胞制成临时装片进行观察,可观察到中期细胞中染色体组数为 组。
(5)通过D过程获得子代植株用到的工程技术手段是 技术,科学家已经利用该技术培育出了白菜-甘蓝和胡萝卜-羊角芹等,这说明该技术具有的优点是 。
答案 (1)植物组织培养 植物细胞具有全能性 (2)Tt 50%(或1/2) 37.5%(或3/8) (3)脱分化、再分化 (4)纤维素酶和果胶酶 PEG(或聚乙二醇) 愈伤组织 1 (5)植物体细胞杂交 能克服不同生物远缘杂交的障碍解析 (1)植物细胞工程最基本的技术是植物组织培养,是四种人工繁殖过程都要用到的。图中不同方法都能获得子代植株是因为具有某种生物全套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,也就是说植物细胞具有全能性。
(2)B表示通过胚状体进行无性繁殖得到的个体,因此得到的后代基因型是Tt,子代再连续自交2代后,T的基因频率不变,即T=50%,Tt自交一代,TT=1/4, Tt=1/2,tt=1/4,继续自交则TT=1/4+1/2×1/4=3/8,即37.5%。(3)图中过程①是植物组织培养,需经过的生理过程是脱分化和再分化。(4)细胞壁的组成成分是纤维素和果胶,可先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得具有活性的原生质体。化学法一般是用PEG(聚乙二醇)作为诱导剂来诱导细胞融合。图中A、B、C、D过程都能得到的一种高度液泡化的薄壁细胞组成的结构是愈伤组织,A过程产生单倍体植株,含有一个染色体组。(5)通过D过程获得子代植株用到的工程技术手段是植物体细胞杂交技术,其能克服远缘杂交的障碍,大大扩展了杂交的亲本组合范围。
方法突破1.关于细胞全能性的2个易错点(1)体内细胞未表现全能性的原因:基因的表达具有选择性。(2)细胞的全能性指的是细胞的一种潜在能力,这种潜在能力只有在特定的环境中才能表现出来,而不是指细胞在任何条件下都能发育成完整的生物体。2.植物激素在植物组织培养中的作用
3.植物体细胞杂交和有性杂交的辨析
考向探究考向1动物细胞培养1.(2022浙江1月选考)下图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。下列叙述正确的是( )A.步骤①的操作不需要在无菌环境中进行B.步骤②中用盐酸溶解细胞间物质使细胞分离C.步骤③到④的分瓶操作前常用胰蛋白酶处理D.步骤④培养过程中不会发生细胞转化
答案 C 解析 动物细胞培养过程需要无菌操作,故步骤①的操作需要在无菌环境中进行,A项错误;动物细胞培养过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织,分散成单个细胞,制成细胞悬液,B项错误;传代培养时需要用胰蛋白酶处理贴壁生长的细胞,使之分散成单个细胞,再分瓶培养,C项正确;步骤④为传代培养过程,该过程中部分细胞可能发生细胞转化,核型改变,D项错误。
考向2单克隆抗体的制备2.(2020全国Ⅰ)为研制抗病毒A的单克隆抗体,某同学以小鼠甲为实验材料设计了以下实验流程。
回答下列问题。(1)上述实验前必须给小鼠甲注射病毒A,该处理的目的是 。(2)写出以小鼠甲的脾为材料制备单细胞悬液的主要实验步骤: 。 (3)为了得到能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞,需要进行筛选。图中筛选1所采用的培养基属于 ,使用该培养基进行细胞培养的结果是 。图中筛选2含多次筛选,筛选所依据的基本原理是 。 (4)若要使能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞大量增殖,可采用的方法有 (答出2点即可)。
答案 (1)诱导小鼠甲产生能够分泌抗病毒A抗体的B淋巴细胞 (2)取小鼠甲脾剪碎,用胰蛋白酶处理使其分散成单个细胞,加入培养液制成单细胞悬液 (3)选择培养基 只有杂交瘤细胞能够生存 抗原与抗体的反应具有特异性 (4)将杂交瘤细胞注射到小鼠腹腔内增殖;将杂交瘤细胞在体外培养解析 (1)若要制备抗病毒A的单克隆抗体,实验前必须给小鼠甲注射病毒A,诱导小鼠甲产生能够分泌抗病毒A抗体的B淋巴细胞。(2)制备单细胞悬液时,先将小鼠的脾剪碎,然后用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理一段时间,使脾组织分散成单个细胞,最后,用培养液将分散的细胞稀释,制成单细胞悬液。
(3)由图示可得,经筛选1后获得了杂交瘤细胞,因此筛选1所采用的培养基能够淘汰未融合的细胞以及同种细胞相互融合的细胞,保留杂交瘤细胞。经筛选2后获得了能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞。经筛选1后获得的杂交瘤细胞数量少,且包含多种,不同杂交瘤细胞产生的抗体不同,因此需要进行克隆化培养,并依据抗原与抗体的反应具有特异性的原理,进行多次抗体检测,方可获得能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞。(4)要使能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞大量增殖,应将杂交瘤细胞注射到小鼠腹内增殖,或者将杂交瘤细胞在培养液中进行体外培养。
3.下图是制备单克隆抗体A的流程图。回答下列问题。
(1)图中制备抗体A的过程中,用到的生物技术主要有 (答出两点)。 (2)图中,细胞Ⅰ的名称为 ;第一次、第二次筛选的目的分别是 、 。
(3)单克隆抗体最主要的优点在于它的 。利用 标记的单克隆抗体,在特定组织中成像的技术,可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。 (4)临床使用的小鼠免疫后制备的鼠源性单抗存在一些弊端,其中之一是会引起人体抗鼠源性抗体反应。某病人连续隔周注射某种鼠源性单抗治疗一种病毒感染性疾病,初期病毒数量明显减少,一段时间后,这种病毒的数量又开始上升,排除病毒变异的因素,病毒数量上升的原因还可能是人体产生了 ,使鼠源性抗体不能发挥抗病毒的作用。研究人员可应用 工程,改造鼠源性抗体分子的结构,降低鼠源性抗体的人体免疫反应。
答案 (1)动物细胞培养、动物细胞融合 (2)B淋巴细胞 获得杂交瘤细胞 获得能产生所需抗体的杂交瘤细胞 (3)特异性强、灵敏度高,并可大量制备 同位素 (4)抗鼠源性抗体的抗体中和了鼠源性单抗 蛋白质
解析 (1)制备单克隆抗体的过程中,需要将淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行融合,采用的技术是动物细胞融合技术,对融合后的细胞进行筛选,克隆化培养,需要用到动物细胞培养技术。(2)图中细胞Ⅰ,是给小鼠注射抗原A之后,从小鼠脾中获取的,能产生与抗原A结合的抗体的浆细胞;第一次筛选,在特定的选择培养基上,未融合的亲本细胞(B淋巴细胞和骨髓瘤细胞)和融合的具有同种核的细胞(BB融合细胞、瘤瘤融合细胞)都会死亡,只有融合的杂种细胞才能生长;第二次筛选,经选择性培养的杂交瘤细胞并非都是能分泌所需抗体的细胞(很多种杂交瘤细胞),需经克隆化培养和抗体检测,经多次筛选后可获得足够数量的能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。
(3)单克隆抗体的优点:特异性强、灵敏度高、可大量制备;单克隆抗体可作为诊断试剂,用于治疗疾病和运载药物,利用同位素标记的用于单克隆抗体,在特定组织中成像的技术,可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。(4)注射鼠源性单抗,在初期会与患者体内的病毒结合,减少病毒对人体细胞的黏附,最终使病毒减少,一段时间后,由于鼠源性单抗会引起人体抗鼠源性抗体反应,使人体产生抗鼠源性抗体的抗体,抗鼠源性抗体的抗体中和了鼠源性单抗,使鼠源性抗体不能发挥抗病毒的作用;若想要改造鼠源性抗体分子的结构,降低鼠源性抗体的人体免疫反应,则需要以蛋白质分子的结构基础及其与生物功能的关系做基础,对鼠源性抗体分子进行改造,故可应用蛋白质工程。
考向3动物细胞核移植4.(2022湖南)M基因编码的M蛋白在动物A的肝细胞中特异性表达。现设计实验,将外源DNA片段F插入M基因的特定位置,再通过核移植、胚胎培养和胚胎移植等技术获得M基因失活的转基因克隆动物A,流程如右图所示。回答下列问题。
(1)在构建含有片段F的重组质粒过程中,切割质粒DNA的工具酶是 ,这类酶能将特定部位的两个核苷酸之间的 断开。 (2)在无菌、无毒等适宜环境中进行动物A成纤维细胞的原代和传代培养时,需要定期更换培养液,目的是 。 (3)与胚胎细胞核移植技术相比,体细胞核移植技术的成功率更低,原因是 。从早期胚胎中分离获得的胚胎干细胞,在形态上表现为 (答出两点即可),功能上具有 。 (4)鉴定转基因动物:以免疫小鼠的 淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行融合,筛选融合杂种细胞,制备M蛋白的单克隆抗体。简要写出利用此抗体确定克隆动物A中M基因是否失活的实验思路。
答案 (1)限制性内切核酸酶(限制酶) 磷酸二酯键 (2)清除代谢产物,防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害,同时给细胞提供足够的营养 (3)动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难 细胞体积小,细胞核大,核仁明显(任选两点作答) 发育的全能性 (4)B 取动物A和克隆动物A的肝组织细胞,分别提取蛋白质进行抗原—抗体杂交
解析 (1)基因工程中切割DNA的工具酶是限制性内切核酸酶(限制酶),故在构建含有片段F的重组质粒过程中,切割质粒DNA的工具酶是限制性内切核酸酶(限制酶)。限制性内切核酸酶是作用于其所识别序列中两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。(2)在无菌、无毒等适宜环境中进行动物A成纤维细胞的原代和传代培养时,需要定期更换培养液,目的是清除代谢产物,防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。(3)由于动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难,故与胚胎细胞核移植技术相比,体细胞核移植技术的成功率低。胚胎干细胞在形态上表现为细胞体积小,细胞核大,核仁明显;在功能上具有发育的全能性,可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。另外,在体外培养的条件下,可以增殖而不发生分化,可进行冷冻保存,也可进行遗传改造。
(4)先给小鼠注射特定抗原使之发生免疫反应,之后从小鼠脾中获取已经免疫的B淋巴细胞;诱导B细胞和骨髓瘤细胞融合,利用选择培养基筛选出杂交瘤细胞,制备M蛋白的单克隆抗体;若要利用此抗体确定克隆动物A中M基因是否失活,如果M基因已经失活,则克隆动物A中无法产生M蛋白的单克隆抗体,则可利用抗原—抗体杂交技术进行检测。故实验思路为:取动物A和克隆动物A的肝组织细胞,分别提取蛋白质进行抗原—抗体杂交。
考向4干细胞培养及应用5.(2022山东泰安模拟)胚胎干细胞必须从胚胎中获取,但这涉及伦理问题,因而限制了它在医学上的应用。科学家通过体外诱导成纤维细胞,获得了类似于胚胎干细胞的一种细胞,称为诱导多能干细胞(简称iPS细胞)。因为诱导过程无须破坏胚胎,而且iPS细胞可来源于病人自身的体细胞,因此iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞。如图为iPS细胞的获得及用其培育不同种细胞的示意图(c-Myc、Klf4、Sx2和Oct-3/4等基因与细胞的脱分化有关)。回答下列问题。
(1)在对成纤维细胞进行培养时,常用胰蛋白酶处理使之分散成单个细胞,这说明细胞间的物质为 , (填“能”或“不能”)用胃蛋白酶处理成纤维细胞,原因是 。 (2)在培养iPS细胞的过程中,培养基中应含有细胞所需的各种营养物质,并定期更换培养液。定期更换培养液的目的是 。为了给培养物提供无菌环境,可进行的操作是 。(3)过程③④为iPS细胞提供的条件不同,分化得到的细胞不同,可知细胞分化是 的结果。若iPS细胞来源于病人自身体细胞的诱导,再将其分化出的细胞移入患者体内的优势是 。 (4)如果诱导iPS细胞定向分化为原始生殖细胞,该技术可能的应用是 。
答案 (1)蛋白质 不能 多数动物细胞培养的适宜pH为7.2~7.4,胃蛋白酶在此环境中失活变性 (2)清除代谢废物﹐防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害 对培养液和培养器具进行消毒,在培养液中加入一定量的抗生素 (3)基因的选择性表达 避免了免疫排斥问题 (4)解决不育问题解析 (1)在对成纤维细胞进行培养时,常用胰蛋白酶处理使之分散成单个细胞,用胰蛋白酶分散细胞,说明细胞间的物质主要是蛋白质。胃蛋白酶作用的适宜pH约为1.5,当pH大于6时,胃蛋白酶就会失去活性。胰蛋白酶作用的适宜环境pH也为7.2~8.4。多数动物细胞培养的适宜pH也为7.2~7.4,胃蛋白酶在此环境中没有活性,而胰蛋白酶在此环境中活性较高,因此胰蛋白酶适宜用于细胞培养。
(2)在培养iPS细胞的过程中,培养基中应含有细胞所需的各种营养物质,并定期更换培养液。定期更换培养液的目的是清除代谢废物﹐防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。为了给培养物提供无菌环境,可进行的操作是对培养液和培养器具进行消毒,在培养液中加入一定量的抗生素。(3)细胞分化是基因的选择性表达的结果。若iPS细胞来源于病人自身体细胞的诱导,再将其分化出的细胞移入患者体内,由于自体细胞组织相容性抗原相同,故可以避免发生免疫排斥。(4)如果诱导iPS细胞定向分化为原始生殖细胞,可以用该技术解决不育问题。
方法突破1.关于动物细胞培养的5点提醒
2.细胞工程的各种技术手段及其原理总结
3.克隆动物的遗传特点克隆动物的亲本有3个,即体细胞细胞核供体、卵母细胞细胞质供体和代孕母体。
单克隆抗体的应用知识必备细胞融合与单克隆抗体的制备
专项突破典例.(2020江苏)新型冠状病毒可通过表面的刺突蛋白(S蛋白)与人呼吸道黏膜上皮细胞的ACE2受体结合,侵入人体,引起肺炎。图1为病毒侵入后,人体内发生的部分免疫反应示意图。单克隆抗体可阻断病毒的黏附或入侵,故抗体药物的研发已成为治疗新冠肺炎的研究热点之一。图2为筛选、制备抗S蛋白单克隆抗体的示意图。请据图回答下列问题。
(1)图1中人体内抗原呈递细胞吞噬病毒,并将病毒的抗原暴露在细胞表面,被 细胞表面的受体识别后激活该细胞。 (2)B细胞识别入侵的病毒后,在细胞因子作用下,经过细胞的 ,形成 细胞。 (3)为判断疑似患者是否为新型冠状病毒感染者,采集鼻咽拭子主要用于病原学检查,检测病毒的 ;采集血液样本主要用于血清学检查,检测 。 (4)据图2所示,研制抗S蛋白单克隆抗体,需先注射 免疫小鼠以激活小鼠的免疫细胞,再提取激活的B细胞与骨髓瘤细胞融合,用HAT培养基筛选获得 细胞。因为同一种抗原可能激活 细胞,还需继续筛选才能获得分泌单克隆抗体的细胞株。
答案 (1)T (2)增殖、分化 浆细胞和记忆 (3)核酸 抗新型冠状病毒抗体 (4)刺突蛋白(或S蛋白) 杂交瘤 多种B解析 本题考查的是免疫和单克隆抗体制备的知识。(1)(2)如题图1所示,新型冠状病毒进入人体后经吞噬细胞的摄取和处理,暴露出其抗原,抗原被T细胞表面的受体识别后,T细胞合成和释放细胞因子,B细胞在细胞因子的作用下,迅速增殖、分化成浆细胞和记忆细胞,浆细胞分泌抗体。(3)核酸是生物的遗传物质,若采集的疑似患者的鼻咽拭子中含有新型冠状病毒的核酸,可确定该疑似患者感染了新型冠状病毒;若患者产生了相应抗体,则在采集的血液样本中可检测到。(4)略。
专项训练1.(2022山东)一个抗原往往有多个不同的抗原决定簇,一个抗原决定簇只能刺激机体产生一种抗体,由同一抗原刺激产生的不同抗体统称为多抗。将非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72注入小鼠体内,可利用该小鼠的免疫细胞制备抗p72的单抗,也可以从该小鼠的血清中直接分离出多抗。下列说法正确的是( )A.注入小鼠体内的抗原纯度对单抗纯度的影响比对多抗纯度的影响大B.单抗制备过程中通常将分离出的浆细胞与骨髓瘤细胞融合C.利用该小鼠只能制备出一种抗p72的单抗D.p72部分结构改变后会出现原单抗失效而多抗仍有效的情况
答案 D 解析 单抗的制作需要筛选,而多抗不需要筛选,抗原纯度越高,产生的多抗纯度越高,因此抗原纯度对单抗纯度的影响比对多抗纯度的影响小,A项错误;单抗制备过程中通常将分离出的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,B项错误;非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72上有多种抗原决定簇,一个抗决定簇只能刺激机体产生一种抗体,所以向小鼠体内注入p72后,可以刺激小鼠产生多种抗p72的单抗,C项错误;p72部分结构改变只改变了部分抗原决定簇,因此由这部分抗原决定簇产生的抗体失效,但由于还存在由其他抗原决定簇刺激机体产生的抗体,所以多抗仍有效,D项正确。
2.(2022江苏南通一模)下图表示单克隆抗体的制备过程。相关叙述错误的是( )A.过程①注射特定抗原的目的是使小鼠产生能分泌特定抗体的浆细胞B.过程②诱导融合产生的融合细胞都能产生单克隆抗体,且能无限增殖C.过程③需要提供一定浓度的CO2,目的是维持培养液的pHD.单克隆抗体的主要优点有特异性强、灵敏度高,并可大量制备
答案 B 解析 过程①是向小鼠注射特定抗原,刺激其发生特异性免疫,产生能分泌特定抗体的浆细胞,A项正确;过程②诱导融合产生的融合细胞中,骨髓瘤细胞和骨髓瘤细胞融合形成的细胞不能产生抗体,B细胞和B细胞融合形成的细胞不能无限增殖,B项错误;过程③进行动物细胞培养,需要一定浓度的CO2,维持培养液的pH,C项正确;单克隆抗体的主要优点有特异性强、灵敏度高,并可大量制备,D项正确。
3.(2022云南曲靖二模)新冠肺炎的快速检测和治疗是全世界的期盼。(1)新冠病毒的检测方法有免疫学检测和核酸检测。免疫学检测是通过制备单克隆抗体生产快速检测新冠病毒的试剂盒。可将 注入小鼠体内,再从脾中分离出B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,并用特定的 筛选出杂交瘤细胞。对上述筛选出的杂交瘤细胞,还需进行克隆化培养和抗体检测,该步骤的目的是 。 (2)核酸检测多数采用实时荧光RT-PCR法。由于新冠病毒的遗传物质为RNA,在进行PCR之前,应该将样本中的病毒RNA提取出来,在 酶的作用下合成互补的 。PCR反应体系中需要加入的原料是 。
(3)人们可利用胚胎干细胞具有发育全能性的特点,在培养液中添加 ,诱导其分化成肺泡样细胞,用来培养足量的新冠病毒以用于科学研究。 (4)目前新冠病毒疫苗已研制成功,且需要3次接种,即第一次接种产生免疫后,间隔一段时间进行第二次接种,再间隔半年进行第三次接种。若提前进行第二次接种,则会减弱免疫的效果。其原因是 。
答案 (1)S蛋白(或灭活的新冠病毒) 选择培养基 筛选出产生专一性抗体的杂交瘤细胞 (2)逆转录 DNA单链 dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP或4种脱氧核苷酸) (3)分化诱导因子 (4)第二次接种的疫苗会与第一次免疫后产生的抗体结合而被清除解析 (1)通过制备单克隆抗体生产快速检测新冠病毒的试剂盒。S蛋白作为新冠病毒的抗原,故可将S蛋白或灭活的新冠病毒注入小鼠体内,再从脾中分离出已免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,并用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞。为了筛选出产生专一性抗体的杂交瘤细胞,需对上述筛选出的杂交瘤细胞进行克隆化培养和抗体检测。
一、植物细胞工程1.细胞工程的概念
细胞器水平、细胞水平或组织水平
2.植物细胞工程的理论基础——细胞的全能性(1)细胞全能性的概念:细胞经分裂和分化后,仍然具有产生 或分化成 的潜能,即细胞具有全能性。 (2)在生物体内全能性不能表达的原因:在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会有 地表达出各种蛋白质,从而构成生物体的不同组织和器官。 (3)植物细胞具有全能性的原因:一般生物体的每一个细胞都含有 信息,即都有发育成完整个体所必需的全部遗传信息。
该物种所特有的全套遗传
(4)不同细胞的全能性比较
随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低
(5)植物细胞全能性表达的条件:
3.植物组织培养技术(1)概念理解
(2)原理:植物细胞具有 。 (3)操作流程
植物器官、组织或细胞
(4)操作实例——菊花的组织培养
4.植物体细胞杂交技术(1)概念:将不同来源的 ,在一定条件下融合成 ,并把杂种细胞培育成 的技术。 (2)原理:体细胞杂交利用了细胞膜的 ,杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的 。
(4)意义:打破 ,实现 ,培育植物新品种。 (5)植物组织培养与植物体细胞杂交的比较
5.植物细胞工程的应用(1)植物繁殖的新途径
(2)作物新品种的培育
(3)细胞产物的工厂化生产①初生代谢与次生代谢:初生代谢是 ,因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必需的,一般在特定的组织或器官中,并在一定的环境和时间条件下才进行。 ②过程:
生物生长和生存所必需的代谢活动
旁栏边角(选择性必修3,第40页,“正文”拓展)脱毒苗与抗毒苗有何区别?作物脱毒时应选取哪里的组织进行组织培养?原因是什么?
提示 ①脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(刚形成,不含有病毒)进行组织培养而获得的,属于细胞工程的范畴。一般选取根尖或茎尖的分生区;植物的分生区的病毒极少,甚至无病毒,用分生区细胞进行组织培养,就能得到大量的脱毒苗。②抗毒苗是把某抗病毒基因导入受体细胞中,并通过一定的方法培养形成的,属于基因工程的范畴。
易错辨析基于对植物细胞工程的理解,判断下列表述是否正确。(1)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性。( )(2)棉花根尖细胞经诱导形成幼苗能体现细胞全能性。( )(3)在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂,可获得染色体加倍的细胞。( )(4)用纤维素酶和果胶酶水解法获得的植物原生质体失去了全能性。( )(5)再生出细胞壁是植物体细胞原生质体融合成功的标志。( )(6)同一株绿色开花植物不同部位的细胞经组织培养获得的植株基因都是相同的。( )
长句应答据图分析植物体细胞杂交过程。(1)如何根据细胞膜表面荧光判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的?
提示 融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光。
(2)图中③④过程都需要光照吗?
提示 ③脱分化阶段不需要给予光照,④再分化阶段需要给予光照,以利于叶绿素的形成。
二、动物细胞工程1.动物细胞培养(1)动物细胞培养的地位动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞核移植、 等。 其他动物细胞工程技术的基础
(2)动物细胞培养的条件
(3)动物细胞培养的过程
(4)生长特点①细胞贴壁:将细胞悬液放入培养瓶内,置于适宜环境中培养,悬液中分散的细胞很快就 上,称为细胞贴壁。 ②接触抑制:当贴壁细胞分裂生长到表面 时,细胞 的现象称为细胞的接触抑制。
(5)原代培养和传代培养
(6)干细胞的培养及其应用①概念:干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞,与组织、器官的发育、再生和修复密切相关。②来源:早期胚胎、 和脐带血等。 ③分类:包括 干细胞和 干细胞等。
④诱导多能干细胞(iPS细胞)
2.动物细胞融合技术
3.单克隆抗体及其应用(1)原理:细胞膜的流动性和细胞增殖。(2)制备过程
(3)图解说明①用特定抗原对小鼠进行免疫的原因:B淋巴细胞要经过免疫过程,即接触抗原,增殖分化为有特异性免疫功能的B淋巴细胞,才能产生相应的抗体,所以,与骨髓瘤细胞融合的B淋巴细胞实际上是浆细胞。 免疫器官②获取小鼠经免疫的B淋巴细胞的部位:脾。③诱导融合的方法:动物细胞融合特有的诱导方法为用灭活的病毒处理,其他物理、化学诱导融合的方法与植物体细胞杂交过程中诱导原生质体融合的方法基本相同。
④杂交细胞:在诱导因素的作用下进行细胞的诱导融合,形成的杂交细胞有多种,若仅考虑两两融合的情况,形成的杂交细胞有三种。只有AB型才是需要的杂交细胞,所以需要用选择培养基进行筛选。 AA型、BB型、AB型⑤两次筛选的目的:第一次是在诱导融合之后,利用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞;第二次是对上述杂交瘤细胞进行筛选,采用专一抗体检验的方法筛选出能产生所需特定抗体的杂交瘤细胞。⑥杂交瘤细胞的抗体检测和克隆化培养:融合后的细胞经选择培养基培养后,能存活的细胞就是杂交瘤细胞。但这些杂交瘤细胞并非都是能分泌所需抗体的细胞,通常用“有限稀释法”来选择,直至确信每个孔中增殖的细胞为单克隆细胞。该过程即为杂交瘤细胞的克隆化培养。
4.动物体细胞核移植技术和克隆动物(1)原理: ,即动物细胞核中具有该种动物全套的遗传信息。 (2)类型
(3)涉及技术:动物细胞培养技术、 、核移植技术、 等。其中,核移植是核心技术。
动物胚胎细胞分化程度低
5.动物细胞培养与动物体细胞核移植的比较
旁栏边角(选择性必修3,第50页,思考·讨论)抗体—药物偶联物(ADC)通过将细胞毒素与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体结合,实现了对肿瘤细胞的选择性杀伤。ADC通常由抗体、接头和药物(如细胞毒素)三部分组成,它的作用机制如下图所示。(1)ADC的抗体和药物各具有什么作用?
提示 ADC的抗体在生物体内与特定目标细胞或组织相结合,具有导向作用。药物起治疗作用。
(2)除了细胞毒素,还有哪些物质理论上可以作为ADC偶联的药物?
(3)单克隆抗体诊断试剂盒和ADC在临床应用上各具有什么优势?
提示 化学药物、抗癌药物等。
提示 单克隆抗体诊断试剂盒具有特异性强、灵敏度高、可大量制备的优势。ADC在临床上用于治疗癌症或其他疾病,具有疗效高、毒副作用小的特点。
易错辨析基于对动物细胞工程的理解,判断下列表述是否正确。(1)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。( )(2)肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸。( )(3)灭活的病毒能促进动物细胞融合,但不能促进植物细胞融合。( )(4)将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行诱导融合,培养液中融合后的细胞即为杂交瘤细胞。( )(5)动物细胞核移植的受体细胞必须是卵细胞。( )(6)与“多莉”羊等克隆哺乳动物相关的技术有胚胎移植、细胞培养和核移植。( )
长句应答1.诱导多能干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是什么?
2.诱导多能干细胞为什么可以解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题?
提示 诱导多能干细胞具有全能性,可以被诱导分化形成新的组织细胞,经移植可使坏死或退化部位得以修复并恢复正常功能。
提示 通过干细胞体外诱导分化,可以培育出人造器官,从而解决供体器官不足的问题。另一方面,由于是自身细胞经诱导分化形成的,所以无免疫排斥反应。
考向探究考向1植物细胞的全能性1.(2022山东济南德润中学模拟)下列有关细胞全能性的叙述,不正确的是( )A.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体,因此全能性最高B.生物体内细胞由于细胞分化,全能性不能表达C.卵细胞与受精卵一样,细胞未分化,全能性最高D.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性
答案 C 解析 受精卵分化程度低,在自然条件下能形成完整个体,全能性最高,A项正确;生物体内的体细胞由于细胞分化,基因选择性表达程度高,因此全能性不能表达,B项正确;卵细胞属于已分化的细胞,卵细胞的全能性相较于受精卵低,两者全能性不同,C项错误;植物细胞在离体状态及适宜的条件下培养能够形成完整的植株个体,能表现出全能性,D项正确。
考向2植物组织培养2.(2022湖北)月季在我国享有“花中皇后”的美誉。为了建立月季某新品种的快速繁殖体系,以芽体为外植体,在MS培养基中添加不同浓度的6-BA和IBA进行芽体增殖实验,芽分化率(%)结果如表所示。
关于上述实验,下列叙述错误的是( )A.6-BA浓度大于4.0 mg/L时,芽分化率明显降低B.6-BA与IBA的比例为10∶1时芽分化率均高于其他比例C.在培养基中同时添加适量的6-BA和IBA,可促进芽分化D.2.0 mg/L的6-BA和0.2 mg/L的IBA是实验处理中芽分化的最佳组合
答案 B 解析 据表可知,6-BA浓度为从4.0 mg/L到5.0 mg/L时,芽分化率降低非常明显,故6-BA浓度大于4.0 mg/L时,芽分化率明显降低,A项正确;据表可知,当6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率为31%、95%、64%、30%、4%,因此6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率不一定都高于其他比例,B项错误;据表可知,6-BA与IBA的比例会影响芽的分化率,因此在培养基中同时添加适量的6-BA和IBA,可促进芽分化,C项正确;据表可知,芽分化率为95%是最高的,此时6-BA的浓度为2.0 mg/L,IBA的浓度为0.2 mg/L,是实验处理中芽分化的最佳组合,D项正确。
考向3植物体细胞杂交3.(2022北京)研究者拟通过有性杂交的方法将簇毛麦(2n=14)的优良性状导入普通小麦(2n=42)中。用簇毛麦花粉给数以千计的小麦小花授粉,10天后只发现两个杂种幼胚,将其离体培养,产生愈伤组织,进而获得含28条染色体的大量杂种植株。以下表述错误的是( )A.簇毛麦与小麦之间存在生殖隔离B.培养过程中幼胚细胞经过脱分化和再分化C.杂种植株减数分裂时染色体能正常联会D.杂种植株的染色体加倍后能产生可育植株
答案 C 解析 簇毛麦与小麦的后代在减数分裂时染色体联会紊乱,不可育,故二者之间存在生殖隔离,A项正确;幼胚细胞经过脱分化形成愈伤组织,愈伤组织经过再分化形成胚状体或丛芽,从而得到完整植株,B项正确;杂种植株细胞内由于没有同源染色体,故减数分裂时染色体无法正常联会,C项错误;杂种植株的染色体加倍后能获得可育植株,D项正确。
考向4植物细胞工程的应用4.(2022辽宁大连模拟)下图中亲本植株的基因型为Tt(体细胞染色体数为2n),A、B、C、D表示以亲本植株为材料进行的4种人工繁殖过程,请据图回答下列问题。
(1)4种人工繁殖过程都用到的植物细胞工程技术是 技术。图中不同的方法都能获得子代植株,其根本原因是 。 (2)经过B过程获得的子代植株的基因型为 ,子代再连续自交2代后,T的基因频率和TT的基因型频率分别为 、 。 (3)图中①需经过的生理过程是 。 (4)植物细胞获得具有活力的原生质体需要用 处理,②过程表示将该植物的两个原生质体进行融合,融合前需用化学试剂 进行诱导;图中A、B、C、D过程都能得到一种高度液泡化的薄壁细胞组成的结构—— ,某同学取A过程的薄壁细胞制成临时装片进行观察,可观察到中期细胞中染色体组数为 组。
(5)通过D过程获得子代植株用到的工程技术手段是 技术,科学家已经利用该技术培育出了白菜-甘蓝和胡萝卜-羊角芹等,这说明该技术具有的优点是 。
答案 (1)植物组织培养 植物细胞具有全能性 (2)Tt 50%(或1/2) 37.5%(或3/8) (3)脱分化、再分化 (4)纤维素酶和果胶酶 PEG(或聚乙二醇) 愈伤组织 1 (5)植物体细胞杂交 能克服不同生物远缘杂交的障碍解析 (1)植物细胞工程最基本的技术是植物组织培养,是四种人工繁殖过程都要用到的。图中不同方法都能获得子代植株是因为具有某种生物全套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,也就是说植物细胞具有全能性。
(2)B表示通过胚状体进行无性繁殖得到的个体,因此得到的后代基因型是Tt,子代再连续自交2代后,T的基因频率不变,即T=50%,Tt自交一代,TT=1/4, Tt=1/2,tt=1/4,继续自交则TT=1/4+1/2×1/4=3/8,即37.5%。(3)图中过程①是植物组织培养,需经过的生理过程是脱分化和再分化。(4)细胞壁的组成成分是纤维素和果胶,可先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得具有活性的原生质体。化学法一般是用PEG(聚乙二醇)作为诱导剂来诱导细胞融合。图中A、B、C、D过程都能得到的一种高度液泡化的薄壁细胞组成的结构是愈伤组织,A过程产生单倍体植株,含有一个染色体组。(5)通过D过程获得子代植株用到的工程技术手段是植物体细胞杂交技术,其能克服远缘杂交的障碍,大大扩展了杂交的亲本组合范围。
方法突破1.关于细胞全能性的2个易错点(1)体内细胞未表现全能性的原因:基因的表达具有选择性。(2)细胞的全能性指的是细胞的一种潜在能力,这种潜在能力只有在特定的环境中才能表现出来,而不是指细胞在任何条件下都能发育成完整的生物体。2.植物激素在植物组织培养中的作用
3.植物体细胞杂交和有性杂交的辨析
考向探究考向1动物细胞培养1.(2022浙江1月选考)下图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。下列叙述正确的是( )A.步骤①的操作不需要在无菌环境中进行B.步骤②中用盐酸溶解细胞间物质使细胞分离C.步骤③到④的分瓶操作前常用胰蛋白酶处理D.步骤④培养过程中不会发生细胞转化
答案 C 解析 动物细胞培养过程需要无菌操作,故步骤①的操作需要在无菌环境中进行,A项错误;动物细胞培养过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织,分散成单个细胞,制成细胞悬液,B项错误;传代培养时需要用胰蛋白酶处理贴壁生长的细胞,使之分散成单个细胞,再分瓶培养,C项正确;步骤④为传代培养过程,该过程中部分细胞可能发生细胞转化,核型改变,D项错误。
考向2单克隆抗体的制备2.(2020全国Ⅰ)为研制抗病毒A的单克隆抗体,某同学以小鼠甲为实验材料设计了以下实验流程。
回答下列问题。(1)上述实验前必须给小鼠甲注射病毒A,该处理的目的是 。(2)写出以小鼠甲的脾为材料制备单细胞悬液的主要实验步骤: 。 (3)为了得到能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞,需要进行筛选。图中筛选1所采用的培养基属于 ,使用该培养基进行细胞培养的结果是 。图中筛选2含多次筛选,筛选所依据的基本原理是 。 (4)若要使能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞大量增殖,可采用的方法有 (答出2点即可)。
答案 (1)诱导小鼠甲产生能够分泌抗病毒A抗体的B淋巴细胞 (2)取小鼠甲脾剪碎,用胰蛋白酶处理使其分散成单个细胞,加入培养液制成单细胞悬液 (3)选择培养基 只有杂交瘤细胞能够生存 抗原与抗体的反应具有特异性 (4)将杂交瘤细胞注射到小鼠腹腔内增殖;将杂交瘤细胞在体外培养解析 (1)若要制备抗病毒A的单克隆抗体,实验前必须给小鼠甲注射病毒A,诱导小鼠甲产生能够分泌抗病毒A抗体的B淋巴细胞。(2)制备单细胞悬液时,先将小鼠的脾剪碎,然后用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理一段时间,使脾组织分散成单个细胞,最后,用培养液将分散的细胞稀释,制成单细胞悬液。
(3)由图示可得,经筛选1后获得了杂交瘤细胞,因此筛选1所采用的培养基能够淘汰未融合的细胞以及同种细胞相互融合的细胞,保留杂交瘤细胞。经筛选2后获得了能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞。经筛选1后获得的杂交瘤细胞数量少,且包含多种,不同杂交瘤细胞产生的抗体不同,因此需要进行克隆化培养,并依据抗原与抗体的反应具有特异性的原理,进行多次抗体检测,方可获得能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞。(4)要使能产生抗病毒A的单克隆抗体的杂交瘤细胞大量增殖,应将杂交瘤细胞注射到小鼠腹内增殖,或者将杂交瘤细胞在培养液中进行体外培养。
3.下图是制备单克隆抗体A的流程图。回答下列问题。
(1)图中制备抗体A的过程中,用到的生物技术主要有 (答出两点)。 (2)图中,细胞Ⅰ的名称为 ;第一次、第二次筛选的目的分别是 、 。
(3)单克隆抗体最主要的优点在于它的 。利用 标记的单克隆抗体,在特定组织中成像的技术,可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。 (4)临床使用的小鼠免疫后制备的鼠源性单抗存在一些弊端,其中之一是会引起人体抗鼠源性抗体反应。某病人连续隔周注射某种鼠源性单抗治疗一种病毒感染性疾病,初期病毒数量明显减少,一段时间后,这种病毒的数量又开始上升,排除病毒变异的因素,病毒数量上升的原因还可能是人体产生了 ,使鼠源性抗体不能发挥抗病毒的作用。研究人员可应用 工程,改造鼠源性抗体分子的结构,降低鼠源性抗体的人体免疫反应。
答案 (1)动物细胞培养、动物细胞融合 (2)B淋巴细胞 获得杂交瘤细胞 获得能产生所需抗体的杂交瘤细胞 (3)特异性强、灵敏度高,并可大量制备 同位素 (4)抗鼠源性抗体的抗体中和了鼠源性单抗 蛋白质
解析 (1)制备单克隆抗体的过程中,需要将淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行融合,采用的技术是动物细胞融合技术,对融合后的细胞进行筛选,克隆化培养,需要用到动物细胞培养技术。(2)图中细胞Ⅰ,是给小鼠注射抗原A之后,从小鼠脾中获取的,能产生与抗原A结合的抗体的浆细胞;第一次筛选,在特定的选择培养基上,未融合的亲本细胞(B淋巴细胞和骨髓瘤细胞)和融合的具有同种核的细胞(BB融合细胞、瘤瘤融合细胞)都会死亡,只有融合的杂种细胞才能生长;第二次筛选,经选择性培养的杂交瘤细胞并非都是能分泌所需抗体的细胞(很多种杂交瘤细胞),需经克隆化培养和抗体检测,经多次筛选后可获得足够数量的能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。
(3)单克隆抗体的优点:特异性强、灵敏度高、可大量制备;单克隆抗体可作为诊断试剂,用于治疗疾病和运载药物,利用同位素标记的用于单克隆抗体,在特定组织中成像的技术,可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。(4)注射鼠源性单抗,在初期会与患者体内的病毒结合,减少病毒对人体细胞的黏附,最终使病毒减少,一段时间后,由于鼠源性单抗会引起人体抗鼠源性抗体反应,使人体产生抗鼠源性抗体的抗体,抗鼠源性抗体的抗体中和了鼠源性单抗,使鼠源性抗体不能发挥抗病毒的作用;若想要改造鼠源性抗体分子的结构,降低鼠源性抗体的人体免疫反应,则需要以蛋白质分子的结构基础及其与生物功能的关系做基础,对鼠源性抗体分子进行改造,故可应用蛋白质工程。
考向3动物细胞核移植4.(2022湖南)M基因编码的M蛋白在动物A的肝细胞中特异性表达。现设计实验,将外源DNA片段F插入M基因的特定位置,再通过核移植、胚胎培养和胚胎移植等技术获得M基因失活的转基因克隆动物A,流程如右图所示。回答下列问题。
(1)在构建含有片段F的重组质粒过程中,切割质粒DNA的工具酶是 ,这类酶能将特定部位的两个核苷酸之间的 断开。 (2)在无菌、无毒等适宜环境中进行动物A成纤维细胞的原代和传代培养时,需要定期更换培养液,目的是 。 (3)与胚胎细胞核移植技术相比,体细胞核移植技术的成功率更低,原因是 。从早期胚胎中分离获得的胚胎干细胞,在形态上表现为 (答出两点即可),功能上具有 。 (4)鉴定转基因动物:以免疫小鼠的 淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行融合,筛选融合杂种细胞,制备M蛋白的单克隆抗体。简要写出利用此抗体确定克隆动物A中M基因是否失活的实验思路。
答案 (1)限制性内切核酸酶(限制酶) 磷酸二酯键 (2)清除代谢产物,防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害,同时给细胞提供足够的营养 (3)动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难 细胞体积小,细胞核大,核仁明显(任选两点作答) 发育的全能性 (4)B 取动物A和克隆动物A的肝组织细胞,分别提取蛋白质进行抗原—抗体杂交
解析 (1)基因工程中切割DNA的工具酶是限制性内切核酸酶(限制酶),故在构建含有片段F的重组质粒过程中,切割质粒DNA的工具酶是限制性内切核酸酶(限制酶)。限制性内切核酸酶是作用于其所识别序列中两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。(2)在无菌、无毒等适宜环境中进行动物A成纤维细胞的原代和传代培养时,需要定期更换培养液,目的是清除代谢产物,防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。(3)由于动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难,故与胚胎细胞核移植技术相比,体细胞核移植技术的成功率低。胚胎干细胞在形态上表现为细胞体积小,细胞核大,核仁明显;在功能上具有发育的全能性,可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。另外,在体外培养的条件下,可以增殖而不发生分化,可进行冷冻保存,也可进行遗传改造。
(4)先给小鼠注射特定抗原使之发生免疫反应,之后从小鼠脾中获取已经免疫的B淋巴细胞;诱导B细胞和骨髓瘤细胞融合,利用选择培养基筛选出杂交瘤细胞,制备M蛋白的单克隆抗体;若要利用此抗体确定克隆动物A中M基因是否失活,如果M基因已经失活,则克隆动物A中无法产生M蛋白的单克隆抗体,则可利用抗原—抗体杂交技术进行检测。故实验思路为:取动物A和克隆动物A的肝组织细胞,分别提取蛋白质进行抗原—抗体杂交。
考向4干细胞培养及应用5.(2022山东泰安模拟)胚胎干细胞必须从胚胎中获取,但这涉及伦理问题,因而限制了它在医学上的应用。科学家通过体外诱导成纤维细胞,获得了类似于胚胎干细胞的一种细胞,称为诱导多能干细胞(简称iPS细胞)。因为诱导过程无须破坏胚胎,而且iPS细胞可来源于病人自身的体细胞,因此iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞。如图为iPS细胞的获得及用其培育不同种细胞的示意图(c-Myc、Klf4、Sx2和Oct-3/4等基因与细胞的脱分化有关)。回答下列问题。
(1)在对成纤维细胞进行培养时,常用胰蛋白酶处理使之分散成单个细胞,这说明细胞间的物质为 , (填“能”或“不能”)用胃蛋白酶处理成纤维细胞,原因是 。 (2)在培养iPS细胞的过程中,培养基中应含有细胞所需的各种营养物质,并定期更换培养液。定期更换培养液的目的是 。为了给培养物提供无菌环境,可进行的操作是 。(3)过程③④为iPS细胞提供的条件不同,分化得到的细胞不同,可知细胞分化是 的结果。若iPS细胞来源于病人自身体细胞的诱导,再将其分化出的细胞移入患者体内的优势是 。 (4)如果诱导iPS细胞定向分化为原始生殖细胞,该技术可能的应用是 。
答案 (1)蛋白质 不能 多数动物细胞培养的适宜pH为7.2~7.4,胃蛋白酶在此环境中失活变性 (2)清除代谢废物﹐防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害 对培养液和培养器具进行消毒,在培养液中加入一定量的抗生素 (3)基因的选择性表达 避免了免疫排斥问题 (4)解决不育问题解析 (1)在对成纤维细胞进行培养时,常用胰蛋白酶处理使之分散成单个细胞,用胰蛋白酶分散细胞,说明细胞间的物质主要是蛋白质。胃蛋白酶作用的适宜pH约为1.5,当pH大于6时,胃蛋白酶就会失去活性。胰蛋白酶作用的适宜环境pH也为7.2~8.4。多数动物细胞培养的适宜pH也为7.2~7.4,胃蛋白酶在此环境中没有活性,而胰蛋白酶在此环境中活性较高,因此胰蛋白酶适宜用于细胞培养。
(2)在培养iPS细胞的过程中,培养基中应含有细胞所需的各种营养物质,并定期更换培养液。定期更换培养液的目的是清除代谢废物﹐防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。为了给培养物提供无菌环境,可进行的操作是对培养液和培养器具进行消毒,在培养液中加入一定量的抗生素。(3)细胞分化是基因的选择性表达的结果。若iPS细胞来源于病人自身体细胞的诱导,再将其分化出的细胞移入患者体内,由于自体细胞组织相容性抗原相同,故可以避免发生免疫排斥。(4)如果诱导iPS细胞定向分化为原始生殖细胞,可以用该技术解决不育问题。
方法突破1.关于动物细胞培养的5点提醒
2.细胞工程的各种技术手段及其原理总结
3.克隆动物的遗传特点克隆动物的亲本有3个,即体细胞细胞核供体、卵母细胞细胞质供体和代孕母体。
单克隆抗体的应用知识必备细胞融合与单克隆抗体的制备
专项突破典例.(2020江苏)新型冠状病毒可通过表面的刺突蛋白(S蛋白)与人呼吸道黏膜上皮细胞的ACE2受体结合,侵入人体,引起肺炎。图1为病毒侵入后,人体内发生的部分免疫反应示意图。单克隆抗体可阻断病毒的黏附或入侵,故抗体药物的研发已成为治疗新冠肺炎的研究热点之一。图2为筛选、制备抗S蛋白单克隆抗体的示意图。请据图回答下列问题。
(1)图1中人体内抗原呈递细胞吞噬病毒,并将病毒的抗原暴露在细胞表面,被 细胞表面的受体识别后激活该细胞。 (2)B细胞识别入侵的病毒后,在细胞因子作用下,经过细胞的 ,形成 细胞。 (3)为判断疑似患者是否为新型冠状病毒感染者,采集鼻咽拭子主要用于病原学检查,检测病毒的 ;采集血液样本主要用于血清学检查,检测 。 (4)据图2所示,研制抗S蛋白单克隆抗体,需先注射 免疫小鼠以激活小鼠的免疫细胞,再提取激活的B细胞与骨髓瘤细胞融合,用HAT培养基筛选获得 细胞。因为同一种抗原可能激活 细胞,还需继续筛选才能获得分泌单克隆抗体的细胞株。
答案 (1)T (2)增殖、分化 浆细胞和记忆 (3)核酸 抗新型冠状病毒抗体 (4)刺突蛋白(或S蛋白) 杂交瘤 多种B解析 本题考查的是免疫和单克隆抗体制备的知识。(1)(2)如题图1所示,新型冠状病毒进入人体后经吞噬细胞的摄取和处理,暴露出其抗原,抗原被T细胞表面的受体识别后,T细胞合成和释放细胞因子,B细胞在细胞因子的作用下,迅速增殖、分化成浆细胞和记忆细胞,浆细胞分泌抗体。(3)核酸是生物的遗传物质,若采集的疑似患者的鼻咽拭子中含有新型冠状病毒的核酸,可确定该疑似患者感染了新型冠状病毒;若患者产生了相应抗体,则在采集的血液样本中可检测到。(4)略。
专项训练1.(2022山东)一个抗原往往有多个不同的抗原决定簇,一个抗原决定簇只能刺激机体产生一种抗体,由同一抗原刺激产生的不同抗体统称为多抗。将非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72注入小鼠体内,可利用该小鼠的免疫细胞制备抗p72的单抗,也可以从该小鼠的血清中直接分离出多抗。下列说法正确的是( )A.注入小鼠体内的抗原纯度对单抗纯度的影响比对多抗纯度的影响大B.单抗制备过程中通常将分离出的浆细胞与骨髓瘤细胞融合C.利用该小鼠只能制备出一种抗p72的单抗D.p72部分结构改变后会出现原单抗失效而多抗仍有效的情况
答案 D 解析 单抗的制作需要筛选,而多抗不需要筛选,抗原纯度越高,产生的多抗纯度越高,因此抗原纯度对单抗纯度的影响比对多抗纯度的影响小,A项错误;单抗制备过程中通常将分离出的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,B项错误;非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72上有多种抗原决定簇,一个抗决定簇只能刺激机体产生一种抗体,所以向小鼠体内注入p72后,可以刺激小鼠产生多种抗p72的单抗,C项错误;p72部分结构改变只改变了部分抗原决定簇,因此由这部分抗原决定簇产生的抗体失效,但由于还存在由其他抗原决定簇刺激机体产生的抗体,所以多抗仍有效,D项正确。
2.(2022江苏南通一模)下图表示单克隆抗体的制备过程。相关叙述错误的是( )A.过程①注射特定抗原的目的是使小鼠产生能分泌特定抗体的浆细胞B.过程②诱导融合产生的融合细胞都能产生单克隆抗体,且能无限增殖C.过程③需要提供一定浓度的CO2,目的是维持培养液的pHD.单克隆抗体的主要优点有特异性强、灵敏度高,并可大量制备
答案 B 解析 过程①是向小鼠注射特定抗原,刺激其发生特异性免疫,产生能分泌特定抗体的浆细胞,A项正确;过程②诱导融合产生的融合细胞中,骨髓瘤细胞和骨髓瘤细胞融合形成的细胞不能产生抗体,B细胞和B细胞融合形成的细胞不能无限增殖,B项错误;过程③进行动物细胞培养,需要一定浓度的CO2,维持培养液的pH,C项正确;单克隆抗体的主要优点有特异性强、灵敏度高,并可大量制备,D项正确。
3.(2022云南曲靖二模)新冠肺炎的快速检测和治疗是全世界的期盼。(1)新冠病毒的检测方法有免疫学检测和核酸检测。免疫学检测是通过制备单克隆抗体生产快速检测新冠病毒的试剂盒。可将 注入小鼠体内,再从脾中分离出B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,并用特定的 筛选出杂交瘤细胞。对上述筛选出的杂交瘤细胞,还需进行克隆化培养和抗体检测,该步骤的目的是 。 (2)核酸检测多数采用实时荧光RT-PCR法。由于新冠病毒的遗传物质为RNA,在进行PCR之前,应该将样本中的病毒RNA提取出来,在 酶的作用下合成互补的 。PCR反应体系中需要加入的原料是 。
(3)人们可利用胚胎干细胞具有发育全能性的特点,在培养液中添加 ,诱导其分化成肺泡样细胞,用来培养足量的新冠病毒以用于科学研究。 (4)目前新冠病毒疫苗已研制成功,且需要3次接种,即第一次接种产生免疫后,间隔一段时间进行第二次接种,再间隔半年进行第三次接种。若提前进行第二次接种,则会减弱免疫的效果。其原因是 。
答案 (1)S蛋白(或灭活的新冠病毒) 选择培养基 筛选出产生专一性抗体的杂交瘤细胞 (2)逆转录 DNA单链 dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP或4种脱氧核苷酸) (3)分化诱导因子 (4)第二次接种的疫苗会与第一次免疫后产生的抗体结合而被清除解析 (1)通过制备单克隆抗体生产快速检测新冠病毒的试剂盒。S蛋白作为新冠病毒的抗原,故可将S蛋白或灭活的新冠病毒注入小鼠体内,再从脾中分离出已免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,并用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞。为了筛选出产生专一性抗体的杂交瘤细胞,需对上述筛选出的杂交瘤细胞进行克隆化培养和抗体检测。
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