克隆——高中生物学的隐性核心概念

安徽 杨 威

克隆
——高中生物学的隐性核心概念

安徽 杨 威

纵观全套人教版高中生物实验教科书，均未明确介绍“克隆”的概念，但在DNA复制、细胞的增殖、微生物培养、基因工程、细胞工程、胚胎工程中均涉及克隆的相关知识，在高考试题中也不乏对克隆的考查。

【例1】（2014年·浙江卷）下列关于动物细胞培养的叙述，正确的是 （ ）

A.连续细胞系的细胞大多具有二倍体核型

B.某些癌细胞在合适条件下能逆转为正常细胞

C.由多个祖细胞培养形成的细胞群为一个克隆

D.未经克隆化培养的细胞系细胞具有相同的性状

【解析】连续细胞系是培养了多次、遗传物质发生转化了的细胞系，大多数具有异倍体核型，A项错误；由一个祖细胞培养形成的细胞群是一个克隆，C项错误；未经克隆化培养的细胞系具有异质性，D项错误；癌细胞在合适条件下可以发生不定向的基因突变而逆转为正常细胞，B项正确。

【答案】B

本题考查动物细胞的培养，同时也需要对克隆知识的深入理解，尤其是C、D选项直接考查克隆的概念。克隆化培养即单细胞培养技术，是维持单一细胞类型及其特性的有效方法，适用于一般细胞培养中的细胞纯化、突变细胞株的选择和分离。A、B选项考查的是在细胞培养过程中细胞的遗传物质可能会发生突变。实际上，发生变异的细胞和原细胞相比已经不算克隆了。

一、克隆的涵义

克隆是希腊文“klone”一词的音译，原意是指用离体的小树枝来繁殖植物，如扦插和嫁接。现在，广义的克隆是指无性繁殖系，简称“无性系”。具体地说，是指从一个共同祖先通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特性“same”后代。如果克隆当做动词用，就表示一种人工诱导的无性繁殖过程。故克隆与传统的无性繁殖相比，侧重“人工操作”。

二、克隆技术的操作水平

时至今日，克隆的涵义已不仅仅是无性繁殖，克隆也可以理解为从原型中产生出同样的复制品。这些复制品包括DNA分子、细胞或个体，因此克隆有三个水平。

1.分子水平克隆

利用体外DNA重组技术，将某一被选定的基因拼接到质粒上，随着质粒复制得到DNA分子的无性系，属于分子克隆。在这里克隆是一种实现DNA复制的操作，是一种显微操作或分子生物学操作，而不是一般意义上的无性繁殖。这也许正是“克隆”一词能够存在而不被无性繁殖替代的原因。

PCR是多聚酶链式反应的缩写，是一种用于生物体外快速扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。复制过程在PCR仪中进行，每循环一次需经历高温变性、低温复性和中温延伸三个阶段，PCR仪实际上是一个温控设备，用于实现体外克隆DNA。

2.细胞水平克隆

细胞克隆技术的正规名称为细胞培养技术，包括微生物细胞、动物细胞和植物细胞的培养。

（1） 微生物细胞的培养

人教版实验教科书选修1中详细介绍了微生物的培养。微生物繁殖时，由一个细菌很快复制出成千上万个和它一模一样的细菌，从而变成一个纯细胞系，故微生物的培养技术属于克隆技术。微生物细胞的克隆在选修3的基因工程中也有应用，如利用DNA重组技术将外源基因导入微生物细胞中，创造工程菌，外源基因在菌体中复制属于分子水平克隆；工程菌大量繁殖得到菌类细胞株系，属于细胞水平克隆。

（2）动物细胞的培养

动物细胞培养是指从动物机体中取出相关的组织，使用蛋白酶将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。这些细胞在单独培养的过程中，通过有丝分裂的方式增殖，保持了亲子代细胞遗传物质的稳定性，故属于细胞水平的克隆。原代培养中遗传物质比较稳定，容易克隆。在传代培养中细胞容易死亡或变性，如失去二倍体核型、呈异倍体或多倍体等，有些细胞会克服寿命的自然极限，获得不死性，等同于癌细胞。若细胞培养中发生遗传物质的改变，实际上已经不符合“克隆”的内涵了。

单克隆抗体的制备可以借助基因工程也可借助细胞工程，但均采用了克隆技术。这里的“单克隆”是指由单个细胞克隆出子细胞群体，比如借助基因工程把某种控制抗体合成的基因导入微生物细胞中，再培养这些微生物，生产出来的抗体属于“单克隆”抗体。也可借助细胞工程，让骨髓瘤细胞与已免疫的动物的脾脏中的B淋巴细胞融合，经过两次筛选，找到能产生特定抗体的杂交瘤细胞，再对杂交瘤细胞进行培养，获取细胞产物。

（3） 植物细胞的培养

在进行植物细胞培养时，细胞可以只分裂不分化。如悬浮细胞培养技术，可将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中进行振荡培养，得到分散、游离的悬浮细胞，通过传代培养使细胞增殖，从而获得大量细胞群体，制取植物细胞代谢产物。

3.个体水平克隆

（1） 植物组织培养技术

在自然界，有不少植物生来具有无性繁殖的本能，如马铃薯块茎、玫瑰插枝的繁殖。除自然克隆外，利用植物组织培养技术可以实现人工克隆植物。依据的原理是植物细胞的全能性。若植物组织培养时选材为花药，离体培养后，可以形成单倍体植株，由于该植株细胞核遗传物质与亲本不同（减少了一半），故不属于克隆。

（2） 动物细胞核移植技术

将一个动物细胞的细胞核移植至去核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，最终发育成动物个体，使得核供体基因得到“copy”。教材中提到的各种克隆动物，包括克隆羊“多莉”，均采用细胞核移植技术。“多莉”的诞生之所以引起了轰动，是因为移植的是高度分化的体细胞的核，不是胚胎细胞核，证明了高度分化的动物体细胞与受精卵一样具有全能性。

（3） 动物的胚胎分割技术

试管婴儿的生命起点是受精卵，有两性生殖细胞的融合过程，故不属于克隆。我们可以用外科手术将早期胚胎进行分割，人工制造同卵双生或同卵多生，扩大胚胎的来源。由于来自同一胚胎的后代有相同的遗传物质，因此胚胎分割可看成动物克隆的方法之一。其理论依据是早期胚胎的每一个卵裂球都具有独立发育成个体的全能性。进行胚胎分割时，应选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚，将其移入盛有操作液的培养皿中，然后，用分割针或分割刀进行分割。

三、克隆技术的发展历程

自然界早已存在天然的克隆，例如：一株草莓依靠贴地“爬走”的匍匐茎，一年内就能长出数百株草莓苗、人类的同卵双胞胎、落地生根的小幼芽一触即落后发育成个体，实际上都是一种克隆。人们对自然的克隆现象深入观察后，便开始了人工克隆的探索，大体经历了三个发展时期：第一个时期是微生物克隆时期，即通常的微生物培养技术；第二个时期是生物技术克隆时期，比如PCR扩增DNA、细胞工程等；第三个时期是动物克隆时期。

随着动物克隆技术的发展，该技术给人类带来了极大的好处，但同时也引起了社会对克隆人的广泛讨论。世界卫生组织提出禁止生殖性克隆人。以治疗为目的克隆，比如利用患者的体细胞核移植构建重组胚胎，从中分离胚胎干细胞（ES），诱导ES定向分化为所需的细胞，用于替代疗法，是被人类接受的。目前，治疗性克隆技术还处于动物实验阶段，仍需完善。总之，克隆技术的发展还在路上。

四、针对性训练

【针对性训练1】下列方案中不能制备出抗H1N1流感病毒单克隆抗体的是 （ ）

A.将H1N1流感病毒抗原的基因导入骨髓瘤细胞，并使该基因表达

B.将抗H1N1流感病毒抗体的基因导入骨髓瘤细胞，并使该基因表达

C.将产生抗H1N1流感病毒抗体的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合，筛选出杂交瘤细胞并进行体外大规模培养

D.将骨髓瘤细胞中的癌基因导入能产生抗H1N1流感病毒抗体的B淋巴细胞中，并使癌基因表达

【解析】据题意，要制备H1N1流感病毒的抗体而非抗原，且H1N1流感病毒抗原的遗传物质是RNA，无法直接将其抗原的基因导入骨髓瘤细胞，故A方案不可行；将抗H1N1流感病毒抗体的基因导入骨髓瘤细胞，培养骨髓瘤细胞使该基因表达，属于基因工程和细胞工程合作培养单克隆抗体，B方案可行；将产生抗H1N1流感病毒抗体的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合，筛选出杂交瘤细胞并进行体外大规模培养，是利用动物细胞融合技术培养单克隆抗体，解决了B淋巴细胞不能无限增殖的问题，C方案可行；将骨髓瘤细胞中的癌基因导入能产生抗H1N1流感病毒抗体的B淋巴细胞中，使癌基因表达，同样可以解决B淋巴细胞不能无限增殖的问题，D方案可行。

【答案】A

【针对性训练2】下列关于动物细胞培养的叙述中，正确的是 （ ）

A.培养保留接触抑制的细胞，在培养瓶壁上可形成多层细胞

B.克隆培养法培养过程中多数细胞的基因型会发生改变

C.二倍体细胞的传代培养次数通常是无限的

D.恶性细胞系的细胞可进行传代培养

【解析】保留接触抑制的细胞，只能在瓶壁上贴壁生长，不可形成多层细胞，A项错误；克隆培养指培养单细胞，使之无性繁殖获得克隆细胞株的方法，克隆培养过程中多数细胞的基因型保持不变，B项错误；二倍体细胞的传代培养次数一般是有限的，发生了癌变的细胞是特例，其传代培养次数无限，C项错误；恶性细胞系的细胞可无限增殖，因此一定能进行传代培养，D项正确。

【答案】D

安徽省马鞍山市第二中学）