克隆
——高中生物學(xué)的隱性核心概念

安徽 楊 威

克隆
——高中生物學(xué)的隱性核心概念

安徽 楊 威

縱觀全套人教版高中生物實驗教科書，均未明確介紹“克隆”的概念，但在DNA復(fù)制、細(xì)胞的增殖、微生物培養(yǎng)、基因工程、細(xì)胞工程、胚胎工程中均涉及克隆的相關(guān)知識，在高考試題中也不乏對克隆的考查。

【例1】（2014年·浙江卷）下列關(guān)于動物細(xì)胞培養(yǎng)的敘述，正確的是 （ ）

A.連續(xù)細(xì)胞系的細(xì)胞大多具有二倍體核型

B.某些癌細(xì)胞在合適條件下能逆轉(zhuǎn)為正常細(xì)胞

C.由多個祖細(xì)胞培養(yǎng)形成的細(xì)胞群為一個克隆

D.未經(jīng)克隆化培養(yǎng)的細(xì)胞系細(xì)胞具有相同的性狀

【解析】連續(xù)細(xì)胞系是培養(yǎng)了多次、遺傳物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化了的細(xì)胞系，大多數(shù)具有異倍體核型，A項錯誤；由一個祖細(xì)胞培養(yǎng)形成的細(xì)胞群是一個克隆，C項錯誤；未經(jīng)克隆化培養(yǎng)的細(xì)胞系具有異質(zhì)性，D項錯誤；癌細(xì)胞在合適條件下可以發(fā)生不定向的基因突變而逆轉(zhuǎn)為正常細(xì)胞，B項正確。

【答案】B

本題考查動物細(xì)胞的培養(yǎng)，同時也需要對克隆知識的深入理解，尤其是C、D選項直接考查克隆的概念?？寺』囵B(yǎng)即單細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，是維持單一細(xì)胞類型及其特性的有效方法，適用于一般細(xì)胞培養(yǎng)中的細(xì)胞純化、突變細(xì)胞株的選擇和分離。A、B選項考查的是在細(xì)胞培養(yǎng)過程中細(xì)胞的遺傳物質(zhì)可能會發(fā)生突變。實際上，發(fā)生變異的細(xì)胞和原細(xì)胞相比已經(jīng)不算克隆了。

一、克隆的涵義

克隆是希臘文“klone”一詞的音譯，原意是指用離體的小樹枝來繁殖植物，如扦插和嫁接?，F(xiàn)在，廣義的克隆是指無性繁殖系，簡稱“無性系”。具體地說，是指從一個共同祖先通過無性繁殖的方法產(chǎn)生出來的一群遺傳特性“same”后代。如果克隆當(dāng)做動詞用，就表示一種人工誘導(dǎo)的無性繁殖過程。故克隆與傳統(tǒng)的無性繁殖相比，側(cè)重“人工操作”。

二、克隆技術(shù)的操作水平

時至今日，克隆的涵義已不僅僅是無性繁殖，克隆也可以理解為從原型中產(chǎn)生出同樣的復(fù)制品。這些復(fù)制品包括DNA分子、細(xì)胞或個體，因此克隆有三個水平。

1.分子水平克隆

利用體外DNA重組技術(shù)，將某一被選定的基因拼接到質(zhì)粒上，隨著質(zhì)粒復(fù)制得到DNA分子的無性系，屬于分子克隆。在這里克隆是一種實現(xiàn)DNA復(fù)制的操作，是一種顯微操作或分子生物學(xué)操作，而不是一般意義上的無性繁殖。這也許正是“克隆”一詞能夠存在而不被無性繁殖替代的原因。

PCR是多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫，是一種用于生物體外快速擴增特定的DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)。復(fù)制過程在PCR儀中進行，每循環(huán)一次需經(jīng)歷高溫變性、低溫復(fù)性和中溫延伸三個階段，PCR儀實際上是一個溫控設(shè)備，用于實現(xiàn)體外克隆DNA。

2.細(xì)胞水平克隆

細(xì)胞克隆技術(shù)的正規(guī)名稱為細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，包括微生物細(xì)胞、動物細(xì)胞和植物細(xì)胞的培養(yǎng)。

（1） 微生物細(xì)胞的培養(yǎng)

人教版實驗教科書選修1中詳細(xì)介紹了微生物的培養(yǎng)。微生物繁殖時，由一個細(xì)菌很快復(fù)制出成千上萬個和它一模一樣的細(xì)菌，從而變成一個純細(xì)胞系，故微生物的培養(yǎng)技術(shù)屬于克隆技術(shù)。微生物細(xì)胞的克隆在選修3的基因工程中也有應(yīng)用，如利用DNA重組技術(shù)將外源基因?qū)胛⑸锛?xì)胞中，創(chuàng)造工程菌，外源基因在菌體中復(fù)制屬于分子水平克??；工程菌大量繁殖得到菌類細(xì)胞株系，屬于細(xì)胞水平克隆。

（2）動物細(xì)胞的培養(yǎng)

動物細(xì)胞培養(yǎng)是指從動物機體中取出相關(guān)的組織，使用蛋白酶將它分散成單個細(xì)胞，然后，放在適宜的培養(yǎng)基中，讓這些細(xì)胞生長和增殖。這些細(xì)胞在單獨培養(yǎng)的過程中，通過有絲分裂的方式增殖，保持了親子代細(xì)胞遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性，故屬于細(xì)胞水平的克隆。原代培養(yǎng)中遺傳物質(zhì)比較穩(wěn)定，容易克隆。在傳代培養(yǎng)中細(xì)胞容易死亡或變性，如失去二倍體核型、呈異倍體或多倍體等，有些細(xì)胞會克服壽命的自然極限，獲得不死性，等同于癌細(xì)胞。若細(xì)胞培養(yǎng)中發(fā)生遺傳物質(zhì)的改變，實際上已經(jīng)不符合“克隆”的內(nèi)涵了。

單克隆抗體的制備可以借助基因工程也可借助細(xì)胞工程，但均采用了克隆技術(shù)。這里的“單克隆”是指由單個細(xì)胞克隆出子細(xì)胞群體，比如借助基因工程把某種控制抗體合成的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞中，再培養(yǎng)這些微生物，生產(chǎn)出來的抗體屬于“單克隆”抗體。也可借助細(xì)胞工程，讓骨髓瘤細(xì)胞與已免疫的動物的脾臟中的B淋巴細(xì)胞融合，經(jīng)過兩次篩選，找到能產(chǎn)生特定抗體的雜交瘤細(xì)胞，再對雜交瘤細(xì)胞進行培養(yǎng)，獲取細(xì)胞產(chǎn)物。

（3） 植物細(xì)胞的培養(yǎng)

在進行植物細(xì)胞培養(yǎng)時，細(xì)胞可以只分裂不分化。如懸浮細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，可將愈傷組織或其他易分散的組織置于液體培養(yǎng)基中進行振蕩培養(yǎng)，得到分散、游離的懸浮細(xì)胞，通過傳代培養(yǎng)使細(xì)胞增殖，從而獲得大量細(xì)胞群體，制取植物細(xì)胞代謝產(chǎn)物。

3.個體水平克隆

（1） 植物組織培養(yǎng)技術(shù)

在自然界，有不少植物生來具有無性繁殖的本能，如馬鈴薯塊莖、玫瑰插枝的繁殖。除自然克隆外，利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)人工克隆植物。依據(jù)的原理是植物細(xì)胞的全能性。若植物組織培養(yǎng)時選材為花藥，離體培養(yǎng)后，可以形成單倍體植株，由于該植株細(xì)胞核遺傳物質(zhì)與親本不同（減少了一半），故不屬于克隆。

（2） 動物細(xì)胞核移植技術(shù)

將一個動物細(xì)胞的細(xì)胞核移植至去核的卵母細(xì)胞中，使其重組并發(fā)育成一個新的胚胎，最終發(fā)育成動物個體，使得核供體基因得到“copy”。教材中提到的各種克隆動物，包括克隆羊“多莉”，均采用細(xì)胞核移植技術(shù)?！岸嗬颉钡恼Q生之所以引起了轟動，是因為移植的是高度分化的體細(xì)胞的核，不是胚胎細(xì)胞核，證明了高度分化的動物體細(xì)胞與受精卵一樣具有全能性。

（3） 動物的胚胎分割技術(shù)

試管嬰兒的生命起點是受精卵，有兩性生殖細(xì)胞的融合過程，故不屬于克隆。我們可以用外科手術(shù)將早期胚胎進行分割，人工制造同卵雙生或同卵多生，擴大胚胎的來源。由于來自同一胚胎的后代有相同的遺傳物質(zhì)，因此胚胎分割可看成動物克隆的方法之一。其理論依據(jù)是早期胚胎的每一個卵裂球都具有獨立發(fā)育成個體的全能性。進行胚胎分割時，應(yīng)選擇發(fā)育良好、形態(tài)正常的桑椹胚或囊胚，將其移入盛有操作液的培養(yǎng)皿中，然后，用分割針或分割刀進行分割。

三、克隆技術(shù)的發(fā)展歷程

自然界早已存在天然的克隆，例如：一株草莓依靠貼地“爬走”的匍匐莖，一年內(nèi)就能長出數(shù)百株草莓苗、人類的同卵雙胞胎、落地生根的小幼芽一觸即落后發(fā)育成個體，實際上都是一種克隆。人們對自然的克隆現(xiàn)象深入觀察后，便開始了人工克隆的探索，大體經(jīng)歷了三個發(fā)展時期：第一個時期是微生物克隆時期，即通常的微生物培養(yǎng)技術(shù)；第二個時期是生物技術(shù)克隆時期，比如PCR擴增DNA、細(xì)胞工程等；第三個時期是動物克隆時期。

隨著動物克隆技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)給人類帶來了極大的好處，但同時也引起了社會對克隆人的廣泛討論。世界衛(wèi)生組織提出禁止生殖性克隆人。以治療為目的克隆，比如利用患者的體細(xì)胞核移植構(gòu)建重組胚胎，從中分離胚胎干細(xì)胞（ES），誘導(dǎo)ES定向分化為所需的細(xì)胞，用于替代療法，是被人類接受的。目前，治療性克隆技術(shù)還處于動物實驗階段，仍需完善?？傊?，克隆技術(shù)的發(fā)展還在路上。

四、針對性訓(xùn)練

【針對性訓(xùn)練1】下列方案中不能制備出抗H1N1流感病毒單克隆抗體的是 （ ）

A.將H1N1流感病毒抗原的基因?qū)牍撬枇黾?xì)胞，并使該基因表達

B.將抗H1N1流感病毒抗體的基因?qū)牍撬枇黾?xì)胞，并使該基因表達

C.將產(chǎn)生抗H1N1流感病毒抗體的B淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞融合，篩選出雜交瘤細(xì)胞并進行體外大規(guī)模培養(yǎng)

D.將骨髓瘤細(xì)胞中的癌基因?qū)肽墚a(chǎn)生抗H1N1流感病毒抗體的B淋巴細(xì)胞中，并使癌基因表達

【解析】據(jù)題意，要制備H1N1流感病毒的抗體而非抗原，且H1N1流感病毒抗原的遺傳物質(zhì)是RNA，無法直接將其抗原的基因?qū)牍撬枇黾?xì)胞，故A方案不可行；將抗H1N1流感病毒抗體的基因?qū)牍撬枇黾?xì)胞，培養(yǎng)骨髓瘤細(xì)胞使該基因表達，屬于基因工程和細(xì)胞工程合作培養(yǎng)單克隆抗體，B方案可行；將產(chǎn)生抗H1N1流感病毒抗體的B淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞融合，篩選出雜交瘤細(xì)胞并進行體外大規(guī)模培養(yǎng)，是利用動物細(xì)胞融合技術(shù)培養(yǎng)單克隆抗體，解決了B淋巴細(xì)胞不能無限增殖的問題，C方案可行；將骨髓瘤細(xì)胞中的癌基因?qū)肽墚a(chǎn)生抗H1N1流感病毒抗體的B淋巴細(xì)胞中，使癌基因表達，同樣可以解決B淋巴細(xì)胞不能無限增殖的問題，D方案可行。

【答案】A

【針對性訓(xùn)練2】下列關(guān)于動物細(xì)胞培養(yǎng)的敘述中，正確的是 （ ）

A.培養(yǎng)保留接觸抑制的細(xì)胞，在培養(yǎng)瓶壁上可形成多層細(xì)胞

B.克隆培養(yǎng)法培養(yǎng)過程中多數(shù)細(xì)胞的基因型會發(fā)生改變

C.二倍體細(xì)胞的傳代培養(yǎng)次數(shù)通常是無限的

D.惡性細(xì)胞系的細(xì)胞可進行傳代培養(yǎng)

【解析】保留接觸抑制的細(xì)胞，只能在瓶壁上貼壁生長，不可形成多層細(xì)胞，A項錯誤；克隆培養(yǎng)指培養(yǎng)單細(xì)胞，使之無性繁殖獲得克隆細(xì)胞株的方法，克隆培養(yǎng)過程中多數(shù)細(xì)胞的基因型保持不變，B項錯誤；二倍體細(xì)胞的傳代培養(yǎng)次數(shù)一般是有限的，發(fā)生了癌變的細(xì)胞是特例，其傳代培養(yǎng)次數(shù)無限，C項錯誤；惡性細(xì)胞系的細(xì)胞可無限增殖，因此一定能進行傳代培養(yǎng)，D項正確。

【答案】D

安徽省馬鞍山市第二中學(xué)）