2017年,中国科学院遗传与发育生物学研究所张永清实验室与暨南大学李晓江教授和美国杜克大学姜永辉教授合作,利用CRISPR/Cas9基因系统(具有基因编辑功能),成功改造了正常食蟹猴基因组中的SHANK3基因(与自闭症有关),人工培育出自闭症食蟹猴,从而为人类自闭症的研究和治疗奠定了重要基础。其操作过程如图:
回答下列问题。
(1)进行甲过程前,采集的卵母细胞需在体外培养到__________期才能与__________的精子受精。
(2)将CRISPR/Cas9基因系统注入受精卵后,所产生的Cas9蛋白能在特定部位切割SHANK3基因(下图虚线所示),使该基因特定部位的两个核苷酸之间的______(填化学键)断开,产生具有______末端的DNA片段。
(3)乙过程应将受精卵移入__________中继续培养,当胚胎发育到适宜的阶段既可将其取出进行丙过程的操作,也可将其放入__________中冷冻保存。
(4)为满足科学研究的需要,可利用这只猴子通过克隆技术来培育多只自闭症食蟹猴。请写出培育过程中所用到的生物技术名称____________________(至少答出两种)。
减数第二次分裂中期(MII中期) 获能 磷酸二酯键 平 发育培养液 液态氮 (体)细胞核移植、早期胚胎培养、胚胎分割、胚胎移植等
【分析】
1、胚胎的早期培养
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。哺乳动物胚胎的培养液成分一般都比较复杂,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,以及血清等物质。当胚胎发育到适宜的阶段时,可将其取出向受体移植,或冷冻保存。
2、胚胎移植
胚胎移植是指将雌性动物体内的早期胚胎,或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎,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。 其中提供胚胎的个体称为“供体”,接受胚胎的个体叫“受体”。胚胎移植实际上是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程。供体胚胎获得的途径可以是转基因,核移植或体外受精方式得到的。
3、限制酶能够识别DNA中特定的核苷酸序列,切割的部位是核苷酸之间的磷酸二酯键,从而将DNA分子切成两段,出现黏性末端或平末端。
【详解】
(1)体外受精所用的卵母细胞需在体外培养到减数第二次分裂中期(MⅡ中期)才能与获能的精子受精。
(2)题意显示,Cas9蛋白能在特定部位切割SHANK3基因,推测Cas9蛋白为限制酶,由图示可知该基因特定部位断开的是两个核苷酸之间的磷酸二酯键,经其切割后产生的DNA片段具有平末端。
(3)乙过程为早期胚胎培养的过程,应将受精卵移入发育培养液中继续培养,当胚胎发育到适宜的阶段既可将其取出进行丙过程的操作,也可将其放入液态氮中冷冻保存。
(4)利用克隆技术来培育多只自闭症食蟹猴,通过核移植技术得到重组细胞,再进行早期胚胎培养,培育到桑椹胚或囊胚期,进行胚胎分割,操作过程需要特别注意将内细胞团进行均等分割。故在此过程中用到的生物技术名称有:(体)细胞核移植、早期胚胎培养、胚胎分割、胚胎移植等。
【点睛】
本题主要考查胚胎工程和基因工程的相关知识,熟知胚胎移植过程中各个步骤中的细节问题是解答本题的关键,基因工程中限制酶的切割也是本题的一个考点。
知识点拨:
1、植物组织培养的注意事项:
(1)接种时应注意的事项:①接种室要消毒;②无菌操作;③接种时要防止交叉污染;④接种完立刻盖好瓶口。
(2)外植体接种前,需要将接种室、接种箱灭菌和对外植体消毒的操作:
①接种前一天,将接种室的四个角落用甲醛溶液和高锰酸钾熏蒸。
②接种前1小时,在接种室内用喷雾器喷洒来苏水;桌椅也用来苏水擦拭;接种箱内用甲醛溶液和高锰酸钾熏蒸。
③将灭菌室和接种箱内用紫外灯灭菌。
④接种前,操作者用肥皂清洗双手,擦干,再用酒精棉球擦拭双手。
⑤用次氯酸钠溶液将外植体消毒。
2、在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中,需要的条件:①消毒灭菌;②一定浓度的植物激素;③适宜的温度;④充足的养料。
3、影响植物组织培养的因素:①培养基配制;②外植体选取;③激素的运用;④消毒;⑤温度、pH、光照。
4、植物组织培养中植物激素使用:物组织培养中关键性激素是生长素和细胞分裂素;同时使用生长素和细胞分裂素时,两者用量的比例影响植物细胞的发育方向;先使用细胞分裂素,后使用生长素,细胞既分裂5、植物组织培养过程中分化成的幼苗需要移栽,移栽时,应先将培养瓶的封口膜打开一段时间,让试管苗在培养间生长几日;移栽时需用流水清洗根部的培养基;最后幼苗需移植到消过毒的新环境下生活一段时间,等幼苗长壮后再移栽到土壤中。
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Bt 毒素是由苏云金芽胞杆菌产生的一种毒蛋白,对多种昆虫具有较强的杀伤力,而对人和其它脊椎动物没有毒性。
(1)以Bt毒蛋白为有效成分的农药长期使用,会导致害虫种群____,使药效减弱直至丧失,无法在生产中继续使用。
(2)以家蚕为材料,研究昆虫抗药性遗传特性。测定生命力大致相同的多品种家蚕幼虫致死50%的Bt浓度(LC50),结果如下:
家蚕品种 | A | B | C | D | E | F | G | H |
LC50(mg/L) | 59.4 | 37.5 | 94.2 | 118.6 | 118.6 | 118.7 | 129.0 | >375 |
①研究人员欲选择敏感型和抗药型家蚕为亲本进行杂交实验,据上表结果,最好选择家蚕品种是_______。
②杂交实验及结果如下表:
亲本 | 实验一 ♀抗药型×♂敏感型 | 实验二 ♀敏感型×♂抗药型 | 实验三 实验一的F1×抗药型 | 实验四 实验二F1×敏感型 | 实验五 实验一F1自交 | 实验六 实验二F1自交 | |
子代 | 抗药型 | 0 | 0 | 67 | 0 | 37 | 34 |
敏感型 | 80 | 80 | 83 | 150 | 113 | 116 |
实验一和实验二的结果表明,家蚕抗药型是由位于_____染色体上的_____性基因控制的;实验___ 的结果表明,F1产生两种配子且比例为1:1
(3)Bt毒蛋白与家蚕幼虫的中肠细胞特异性受体结合,使细胞膜穿孔,细胞裂解,幼虫死亡。为从分子水平上阐明家蚕产生抗药性的原因,研究人员从实验一亲本_____细胞中提取总RNA,获取cDNA,测定亲本受体基因碱基序列如图。
起始密码子 | 终止密码子 | 酪氨酸密码子 |
AUG/GUG | UAA/UAG | UAU/UAC |
从分子水平推测家蚕抗药性产生的原因____________________________
(4)依据Bt受体基因设计的靶向sgRNA,可以与限制酶Cas9结合,定点切除受体基因的39个核苷酸。sgRNA 和 Cas9 mRNA 的混合物注射到______型家蚕受精卵中,若其发育成的家蚕幼虫表现为________,则进一步证明上述推测成立。
(5)基因编辑技术能精确靶向修饰生物体基因组特定位点,人为改造生物体的遗传信息。请从利弊两方面说明该技术的应用是一把“双刃剑”__________