“牛與生物工程”相關習題

隨著人民生活水平的提高，人們對牛奶、牛肉等牛產品的需求量不斷加大，要盡快解決這方面的供需矛盾，保證人民的生活質量，離不開生物工程。

1 基因工程與轉基因牛

1．1 基因工程概念

指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過體外DNA重組和轉基因等技術，賦予生物以新的遺傳特性，從而創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。由于基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，因此又叫做DNA重組技術。導入外源基因的生物叫轉基因生物。

1．2 動物基因工程技術的應用

1．2．1 轉基因動物的概念

導入外源基因的動物叫轉基因動物。

1．2．2 轉基因牛的重要作用

通過轉基因牛改善畜產品的品質。有些人對牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會出現過敏、腹瀉、惡心等不適癥狀，科學家將腸乳糖酶基因導入奶?；蚪M，使獲得的轉基因牛分泌的乳汁，在其他營養成分不受影響的情況下，乳糖的含量大大減低。

用轉基因牛生產藥物。從轉基因動物的乳汁中獲取的目的基因產物，具有產量高、易提純，表達的蛋白經過充分的修飾后，有相當穩定的生物活性等特點。利用基因工程技術，可以使哺乳動物本身變成“批量生產藥物的工廠”?？茖W家將藥用蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調控組件重組在一起，通過顯微注射等方法，導入哺乳動物的受精卵中，然后，將受精卵送入母體內，使其生長發育成轉基因動物。轉基因動物進入泌乳期后，可以通過分泌的乳汁來生產所需要的藥品，因而稱為乳腺生物反應器或乳房生物反應器。目前，科學家已在牛和山羊等動物乳腺生物反應器中表達出了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和抗胰蛋白酶等重要醫藥產品。生產1 g藥物蛋白，用傳統工藝要4萬元，用轉基因動物只需4元。我國科學家在轉基因動物乳腺生成器的研究上已取得突破性進展，成功研制出乳汁中具有能夠治療血友病凝血因子IX的轉基因羊以及含有人血清蛋白基因的轉基因牛。在未來的5～10年內，轉基因新藥在我國就能進入臨床試驗階段，開始引領新一代醫藥產業。有專家預測，10年后全球轉基因藥物的銷售額將超過2 500億美元；到2020年，全世界90％以上的藥物都將通過轉基因動物生產。

轉基因牛可免患瘋牛病。美國和日本的研究人員近日宣布，他們培育出一種不產生朊蛋白的牛胚胎。由于這種蛋白質的變異會導致“瘋牛病”，所以，研究者認為這些胚胎發育成的牛很可能會免患“瘋牛病”。據《自然》雜志報道，美日科學家為了徹底解決“瘋牛病”的問題，培育出了一種根本不產生朊蛋白的牛胚胎。他們首先從牛體細胞內提取了產生朊蛋白的基因序列，隨后用一個人造脫氧核糖核酸(DNA)片段插入該基因序列，阻止基因發揮正常功能。然后，他們將這段經過改造的基因序列重新注入牛體細胞內，再通過克隆技術培育出牛胚胎。胚胎被植入母牛體內即可獲得免患瘋牛病的轉基因牛。

例1 人的血清蛋白在臨床上需求量很大，它通常是從人的血液中提取出來而獲得的。由于艾滋病病毒等人類感染性病原體造成的威脅與日俱增，使人們對血制品顧慮重重。而基因工程技術的應用，使人類可以從動物體內獲得大量的安全優質的血清蛋白。其操作過程主要是將人類血清蛋白基因與病毒DNA構或重組DNA，然后通過顯微注射技術將重組DNA轉移到奶牛的受精卵中，最后可從該受精卵發育成的雌牛的乳汁中分離出人們所需要的血清蛋白。試分析回答下列問題：

(1)臨床上病人血清蛋白________，往往造成組織水腫，其主要原因是________。

(2)基因工程中所需的人類血清蛋白基因一般是用________方法得到的。

(3)重組DNA的產生過程，一般先后要用到以下兩種工具酶：________。

(4)人的血清蛋白基因能在奶牛內表達成功，說明人體與奶牛細胞共用了一套相同的________，這個事實也是________在分子生物學上的一個證據。

答案：

(1)減少 血漿中水分大量進入組織液中，使組織液大量增加

(2)人工合成

(3)限制性內切酶、DNA連接酶

(4)遺傳密碼生物進化論

拓展1(2007年山東省高考試題)繼哺乳動物乳腺生物反應器研發成功后，膀胱生物反應器的研究也取得了一定進展。最近，科學家培育出一種轉基因小鼠，其膀胱上皮細胞可以合成人的生長激素并分泌到尿液中，請回答：

(1)將人的生長激素基因導入小鼠受體細胞，常用方法是________。

(2)進行基因轉移時，通常要將外源基因轉入中，原因是________。

(3)通常采用________技術檢測外源基因是否插入了小鼠的基因組。

(4)在研制膀胱生物反應器時，應使外源基因在小鼠的________細胞中特異表達。

(5)為使外源基因在后代長期保持，可將轉基因小鼠體細胞的________轉入________細胞中構成重組細胞，使其發育成與供體具有相同性狀的個體。該技術稱為________。

答案：

(1)顯微注射

(2)受精卵(或早期胚胎)受精卵(或早期胚胎細胞)具有全能性，可使外源基因在相應組織細胞表達

(3)DNA分子雜交(核酸探針)

(4)膀胱上皮

(5)細胞核 去核的卵 核移植(或克隆)

2 細胞工程與克隆牛

2．1 細胞工程的概念

細胞工程是指應用細胞生物學和分子生物學的原理和方法，通過細胞水平或細胞器水平上的操作，按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的一門綜合科學技術。根據操作對象的不同，可分為植物細胞工程和動物細胞工程兩大領域。

2．2 動物細胞工程的應用

2．2．1 動物體細胞核移植技術和克隆牛

動物核移植。是將動物的一個細胞的細胞核，移入一個已經去掉細胞核的卵母細胞中，使其重組并發育成一個新的胚胎，這個新的胚胎最終發育為動物個體。用核移植的方法得到的動物稱為克隆動物。

哺乳動物核移植可以分為胚胎細胞核移植和體細胞核移植。由于動物胚胎細胞分化程度低，恢復其全能性相對容易，而動物體細胞分化程度高，恢復其全能性十分困難，因此，動物體細胞核移植的難度也就明顯高于胚胎細胞核移植。

體細胞核移植的大致過程如圖1所示。

問題探究：

①體細胞核移植技術為什么要選擇MII期(減數第二次分裂期)卵母細胞作受體?

②在體細胞的細胞核移植到受體卵母細胞之前，為什么必須先去掉受體卵母細胞的核?

③用于核移植的供體細胞一般都選用傳代10代以內的細胞，想一想，這是為什么?

④你認為用上述體細胞核移植方法生產的克隆動物，是對體細胞供體動物進行了100％的復制嗎?為什么?

答：①細胞核移植技術中能用作受體細胞的通常有MⅡ期卵母細胞和受精卵(合子)。早期核移植技術中常用受精卵，后來基本上用MⅡ期卵母細胞取代了受精卵，主要因為兩者的細胞質環境不同。有人認為重組需要的因子存在于MⅡ期卵母細胞的細胞質中，而在原核形成時這些因子存在于MⅡ期卵母細胞的細胞質中，而在原核形成時這些因子已被降解或用光，因此，原核擴張后受精卵可引起胞質中重組因子缺乏。成熟促進因子(MPF)是卵母細胞細胞質中重要的胞質影響因子，MPF的活性在卵母細胞減數分裂的MI期和MⅡ期達到最高，受精或激活后，MPF迅速滅活，因此，MⅡ期卵母細胞中MPF活性高，而受精卵中MPF活性低。MPF水平的高低可影響供體核染色質的狀態和復制。MⅡ期卵母細胞核、細胞質已成熟，而MI期卵母細胞核、細胞質未成熟，其細胞質不能支持胚胎的全程發育，因此，盡管MI期卵母細胞MPF活性也高，但不能用作受體卵母細胞。也有人認為用去核合子做受體時，可能由于合子去核時一些早期發育必需的因子隨核的去除而被去掉了，而使去核受精卵缺乏發育能力。因此，目前廣泛采用MⅡ期卵母細胞做受體。

②為使核移植的胚胎或動物的遺傳物質全部來自有重要利用價值的動物提供的體細胞，在供體細胞的細胞核移至受體細胞之前，必須將受體細胞的遺傳物質去掉或將其破壞。

③培養的動物細胞一般當傳代至10～50代左右時，部分細胞核型可能會發生變化，其細胞遺傳物質可能會發生突變，而10代以內的細胞一般能保證正常的二倍體核型。因此，在體細胞核移植中，為了保證供體細胞正常的遺傳基礎，通常采用傳代10代以內的細胞。

④克隆動物絕大部分DNA來自于供體細胞核，但其核外還有少量的DNA，即線粒體中的DNA是來自于受體卵母細胞。所以，用教材中所述的方法克隆的動物不是供核動物完全相同的復制。

此外，即使動物的遺傳基礎完全相同，但動物的一些行為、習性的形成與所處環境有很大關系，核供體動物生活的環境與克隆動物所生活的環境不會完全相同，其形成的行為、習性也不可能和核供體動物完全相同，從這一角度看，克隆動物不會是核供體動物100％的復制。

例2 1997年，美國威斯康星州的一個奶牛場有一頭名叫盧辛達(Lucinda)的奶牛，年產奶量為30.8t，創造了世界奶牛產奶量最高新紀錄。目前世界各國高產奶牛場的奶牛，年平均產奶量一般為十幾噸，而我國奶牛產奶量年平均水平僅為3～4 t。

(1)能利用體細胞核移植技術克隆高產奶牛盧辛達嗎?請說明理由?

(2)如果將克隆高產奶牛盧辛達的任務交給你，你將如何對它進行克隆?

答案：(1)能利用體細胞核移植技術克隆高產奶牛盧辛達。盧辛達的產奶量很高，說明它有高產奶的遺傳基礎，利用盧辛達的體細胞克隆的奶牛其遺傳物質基本上全部來自該奶牛，其克隆牛具有高產的遺傳基礎，如果精心培育和飼養，有可能在世界范圍內推廣，克隆牛再與高產的公牛自然繁殖，可得到很多高產的后代，從而加快奶牛改良進程。

(2)提示：首先從盧辛達耳朵(也可用別的組織、器官，耳朵在活體上容易取)上剪取一小塊組織，在體外培養獲得該組織(如軟骨組織)的細胞。從屠宰場取廢棄的牛卵巢，抽取卵母細胞體外培養成熟。用顯微針去除卵母細胞的核，再將耳細胞注入卵母細胞，用電刺激方法使卵母細胞與耳細胞融合，這時供體核就進入了受體卵母細胞，再用電刺激或化學物質激活注入了體細胞核的卵母細胞，使其完成細胞分裂和發育過程。核移植胚胎在體外短時間培養后，挑選正常卵裂的胚胎植入經同期發情處理的受體母牛體內。

我國克隆牛技術取得的成就。2001年我國科學家將牛耳細胞克隆的胚胎移入135頭牛體內，每頭牛移植了兩枚克隆胚。從2002年1月8日起，陸續獲取了14頭克隆牛犢。我國首批體細胞克隆?！半p雙”于2003年10月29日晚8點26分在萊陽農學院動物科技試驗場產下了它的親生孩子——我國首批體細胞克隆牛的首例自體繁育后代“健健”?！敖〗　钡恼Q生，說明我國的體細胞克隆牛具有正常的妊娠產犢能力，繁育機能正常，并證明了我國的體細胞克隆技術已經達到世界先進水平。

克隆技術存在的問題。盡管體細胞核移植技術已經在許多種動物中獲得成功，但其成功率仍然非常低，產下的活克隆動物占移植克隆胚胎的比率平均不到10％?？寺〖夹g的各個環節也有待進一步改進。此外，一些人士指出，絕大多數克隆動物還存在健康問題，許多克隆動物表現出遺傳和生理缺陷，如體型過大、異常肥胖、發育困難、臟器缺陷、免疫失調等。對克隆動物食品的安全性問題也存有爭議?？傊?，體細胞核移植技術的研究仍在繼續深入，人類對克隆技術的應用還有許多問題需要解決。期待在不遠的將來，克隆技術能更好地造福于人類。

例3 為了大力發展我國的肉牛和奶牛養殖業，科學家們在育種途徑中進行了大膽探索，并取得了初步成果。

1．2002年1月中旬到2月中旬，中國自主完成的首批成年體細胞克隆牛在山東曹縣五里墩陸續降生?？寺∨Ｓ?個母親，A牛提供細胞核即供體細胞，B牛提供去除細胞核的卵細胞即受體細胞，兩種細胞在電脈沖的刺激下融合之后，通過細胞分裂形成早期胚胎，再將這個胚胎植入C牛子宮內。請回答下列問題：

(1)培養出的克隆牛幾乎是______牛復制品。這是因為控制牛性狀遺傳的物質主要存在于______中。

(2)如果多個供體細胞來自同一頭牛，培育的這些牛在性狀上也不完全相同，分析其原因，下列哪些敘述是正確的( )

A．性狀變異可由環境條件引起

B．基因可能會發生突變

C．受體細胞的細胞質基因不同

D．細胞核基因發生了重組

2．在克隆技術出現之前，育種工作者已經開始采用胚胎分割移植的方法盡快繁育更多的優質牛。這種育種技術的主要步驟是：將經過人工授精得到的受精卵在試管內培養到8個細胞的胚胎時，進行胚胎分割，均分為4等份，再分別移植到多頭母牛的子宮內發育、分娩，就能得到多頭所需要的小牛。

(3)胚胎分割移植要在受精卵培養到8個細胞的卵裂期時進行，其主要原因是______。

(4)通過胚胎分割移植培育出的這些小牛，其性別表現為______。

A．雌、雄的可能性各占50％

B．全為雌性或全為雄性

C．全為雌性

D．全為雄性

(5)通過體細胞克隆技術培育的小牛，其性別則取決于______。這樣人們就可以根據需要，有目的地控制小牛的性別。

答案：

(1)A細胞核

(2)ABC

(3)此時還未出現細胞分化

(4)B

(5)供體細胞

3 胚胎工程與試管牛

3．1 胚胎工程的概念

胚胎工程是指對動物早期胚胎或配子所進行的多種顯微操作和處理技術，如胚胎移植、體外受精、胚胎分割、胚胎干細胞培養等技術。經過處理后獲得的胚胎，還需移植到雌性動物體內生產后代，以滿足人類的各種需求。

3．2 胚胎工程的應用

3．2．1 試管動物技術的概念

試管動物技術是指通過人工操作使卵子和精子在體外條件下成熟和受精，并通過培養發育為早期胚胎后，再經移植產生后代的技術。發展這種技術有什么意義呢?

3．2．2 試管牛技術的應用

我國大多數牛的品種，產肉量或產奶量與國際上的優良品種相比都有一定差距。例如，我國目前每頭奶牛年平均產奶量為3 000 kg左右，而國際上良種奶牛年平均產奶量可達10 000 kg；我國蒙古黃牛平均每頭體重300 kg左右，而澳大利亞純種海福特牛兩歲時體重就可達到800kg。因此，需要從國外引進優良品種。而引進一頭成年牛需要3萬～5萬元，如此高昂的價格使得我們不可能靠大量引進良種牛來提高產量。那么，能不能讓引進的良種牛快速地大量繁殖呢?遺憾的是，牛的生育率很低，一頭牛一胎只產一頭犢牛，一生只能生育4～5次。如何解決這個難題呢?我們知道，牛的生育率雖然低，但是母牛體內的卵母細胞卻相當多，其卵巢中的卵母細胞數要比一生中正常排出的卵子多1 000倍。公牛產生的精子數量就更多了。如果能夠分別采集牛的精子和卵母細胞，讓它們在體外完成受精并且發育成一個個小胚胎，再將這些胚胎移植到一個個本地牛(如黃牛)體內“借腹懷胎”，不就可以實現良種牛的快速大量繁殖嗎?這的確是很好的設想，但是，要將這一美好設想變成現實，又需要付出艱苦的努力，需要開發相應的技術。在這項技術中首先要做的是體外受精和早期胚胎的培養，實現胚胎工程的產業化。下面是從互聯網看到的我國某良種家畜公司的產品介紹。

(1)肉牛胚胎工程產業化。從美國、加拿大引進國際一流良種紅安格斯肉牛，生產和銷售良種肉牛胚胎和冷凍精液(國家發展和改革委員會高科技化示范工程項目，陜西省“十五”重大科技產業化項目，總投資5000萬元)。

(2)奶牛胚胎工程產業化。從美國引進國際一流超高產良種荷斯坦奶牛，生產和銷售良種奶牛胚胎和冷凍精液(國家“948”項目，農業部農業科技成果轉化項目)。

通過體外受精和早期胚胎的培養可獲得大量的試管牛的胚胎，要培育出大量的個體還需要胚胎移植技術。

3．2．3 胚胎移植

胚胎移植念是指將雌性動物的早期胚胎，或者通過體外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同種的、生理狀態相同的其他雌性動物的體內，使之繼續發育為新個體的技術。其中提供胚胎的個體稱為“供體”，接受胚胎的個體叫“受體”。胚胎移植實際上是生產胚胎的供體和孕育胚胎的受體共同繁殖后代的過程。在胚胎工程中通過任何一項技術，如轉基因、核移植，或體外受精等技術獲得的胚胎，都必須移植給受體才能獲得后代。因此，胚胎移植又是胚胎工程其他技術的最后一道“工序”。

胚胎移植的現狀和意義。近20年來，在牛的胚胎移植中，技術方法更為簡便、實用。以奶牛為例，目前已達到一頭供體牛平均每次處理收集到的胚胎，經移植可產下3～4頭犢牛，由于每年可處理4～5次，這樣，一頭良種母牛一年生下的后代可達數十頭，遠遠超過在自然狀態下一生所得的后代數量。進行胚胎移植的優勢是可以充分發揮雌性優良個體的繁殖潛力。良種畜群迅速擴大，加速了育種工作和品種改良；在世界范圍內，胚胎移植不受時間和地域的限制，大量節省了購買種畜的費用；在肉用家畜的生產中，一次給受體移入多個胚胎，可增加雙胎和多胎的比例；利用胚胎冷凍保存技術，建立胚胎庫，保存品種資源和瀕危物種。

例4 圖2是同學們到某良種場進行參觀時，看到的胚胎移植繁育良種奶牛的技術流程示意圖。請看圖思考并討論以下各題。

(1)應該怎樣選擇供體公、母牛和受體母牛?為什么要用促性腺激素處理供體母牛?在促性腺激素處理供體母牛前，需要對供體和受體母牛進行同期處理嗎?

(2)沖卵是把母牛的卵子沖出來嗎?

(3)用胚胎移植繁育良種種畜具有哪些實用意義?

答案：(1)供體公、母牛應該是具有人類所需的優良遺傳性狀的個體，而受體母牛必須具有正常的孕育、生殖后代的能力；需要用促性腺激素處理供體母牛是為了引起超數排卵，這樣就可以獲得較多的胚胎；在促性腺激素處理供體母牛前，對供體和受體母牛進行同期發情處理，才能使它們的生理條件達到同步或一致，使供體的胚胎移入受體后有相同或相似的生存條件。

(2)沖卵是指將供體母畜體內的受精卵沖出來，而不是把卵子沖出來。

(3)提示：胚胎移植可充分發揮雌性優秀個體的繁殖潛力。具體表現為：縮短了供體本身繁殖周期，同時通過超數排卵處理和胚胎移植可獲得比自然繁殖多十幾倍到幾十倍的后代?？稍诙唐诖蠓仍黾觾灹紓€體母畜和公畜的后代數量，迅速擴大良種畜群，加速育種和品種改良工作。經冷凍保存的胚胎可進行國內和國際交換，代替活畜的引種或進出口。通過胚胎移植可以人為生產雙胎或多胎。

拓展2 為了加快優良種牛的繁殖速度，科學家采用了以下兩種方法：請根據圖3回答：

(1)試管牛和克隆牛的培育過程中均用到的工程技術有_______等。

(2)用來促進B牛多排卵的激素可能是

分泌的促性腺激素。E牛的性別是_______。

(3)產生F牛的理論依據是________，其生殖方式屬________。

(4)要培育高產奶率的轉基因牛，則目的基因的受體細胞一般是______。轉基因牛乳腺細胞中含有較多的參與分泌物加土的______等細胞器。

解析：從題中可以看出，產生試管牛和克隆牛的技術比較復雜，如體外受精、細胞培養、細胞核移植、胚胎移植等。但方法Ⅰ和方法Ⅱ都用到的主要是動物細胞培養技術和胚胎移植技術。試管牛E是胚胎移植的產物，其性別由精子和卵細胞結合成的受精卵中的性染色體決定，而克隆牛F的性別只能是雌性，因為它是奶牛(雌)的體細胞克隆而來的，其性染色體與奶牛相同。高產奶牛基因導入受精卵后，此受精卵發育成牛的所有細胞中都會有此目的基因，但只有其乳腺細胞才能將此基因表達出來，表現出高產奶率的性狀。

答案：(1)細胞培養和胚胎移植

(2)垂體 雌性或雄性

(3)細胞的全能性 無性生殖

(4)受精卵 內質網、高爾基體、線粒體