2017-2018年高中生物 第一單元 生物技術(shù)與生物工程 第二章 細(xì)胞工程 第4節(jié) 干細(xì)胞工程學(xué)案 中圖版選修3

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1、 第四節(jié)　干細(xì)胞工程 1．描述干細(xì)胞分類(lèi)。(重點(diǎn)) 2．舉例說(shuō)出胚胎干細(xì)胞的移植。(難點(diǎn)) 干 細(xì) 胞 的 概 念 及 其 分 類(lèi) 1．干細(xì)胞 具有自我更新和分化發(fā)育潛能的原始細(xì)胞。 2．干細(xì)胞分類(lèi)(依據(jù)分化潛能的大小) (1)全能干細(xì)胞：具有形成機(jī)體的任何組織或器官直至形成完整個(gè)體的潛能，如受精卵。 (2)多能干細(xì)胞：具有分化成多種組織的潛能，但不能發(fā)育成完整的個(gè)體，如骨髓造血干細(xì)胞。 (3)專(zhuān)能干細(xì)胞：只能分化成某一類(lèi)型的細(xì)胞，如神經(jīng)干細(xì)胞。 探討：全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞、專(zhuān)能干細(xì)胞全能性的大小順序?yàn)椋? 提示：全能干細(xì)胞＞多能干細(xì)胞＞專(zhuān)能干細(xì)

2、胞。 探討：各類(lèi)干細(xì)胞都能形成一個(gè)完整個(gè)體嗎？ 提示：各類(lèi)功能干細(xì)胞都具有發(fā)育的全能性，即可以分化為成年動(dòng)物體內(nèi)任何一種組織細(xì)胞，但只有全能干細(xì)胞才具有發(fā)育成完整個(gè)體的潛能。 探討：胚胎發(fā)育過(guò)程中不同干細(xì)胞之間存在怎樣的關(guān)系？ 提示：受精卵→全能干細(xì)胞→多能干細(xì)胞→專(zhuān)能干細(xì)胞。 1．對(duì)干細(xì)胞的理解 (1)干細(xì)胞是機(jī)體內(nèi)未分化或未完全分化的細(xì)胞，它們的增殖和分化，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)體組織細(xì)胞的更新，也可以發(fā)育成某一組織、器官。 (2)機(jī)體內(nèi)的一般體細(xì)胞已經(jīng)發(fā)生了分化，而這種分化一般是不可逆的，所以分化了的體細(xì)胞一般失去了分裂增殖能力，即細(xì)胞的自我更新能力。 2．干細(xì)胞類(lèi)型比較 名稱

3、 全能干細(xì)胞 多能干細(xì)胞 專(zhuān)能干細(xì)胞 特點(diǎn) 具有形成機(jī)體的任何組織或器官直至形成完整個(gè)體的潛能 具有分化成多種細(xì)胞或組織的潛能，但不能發(fā)育成完整的個(gè)體 只能分化成某一種類(lèi)型或功能密切相關(guān)的兩種類(lèi)型的細(xì)胞 舉例 受精卵、胚胎干細(xì)胞 造血干細(xì)胞 神經(jīng)干細(xì)胞 應(yīng)用 用于病人的器官移植等 造血干細(xì)胞移植是治療血液系統(tǒng)疾病、遺傳性血液病等的有效手段 通過(guò)神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦癱、頭顱外傷等病癥 1．下列關(guān)于胚胎干細(xì)胞的敘述，哪項(xiàng)是不正確的(　　) A．動(dòng)物胚胎的每一個(gè)細(xì)胞都是胚胎干細(xì)胞 B．胚胎干細(xì)胞具有分化為動(dòng)物各種組織的潛能 C．胚胎干細(xì)胞的遺傳物質(zhì)在質(zhì)和量上

4、與受精卵相同 D．胚胎干細(xì)胞在體外可被誘導(dǎo)分化為不同的組織類(lèi)型 【解析】　胚胎干細(xì)胞主要來(lái)源于囊胚期的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)；由于其分化的全能性，也可在體外培養(yǎng)時(shí)誘導(dǎo)為不同的機(jī)體組織；細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的過(guò)程，細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)并不發(fā)生改變。 【答案】　A 2．臍血是新生嬰兒臍帶在被結(jié)扎后由胎盤(pán)臍帶流出的血。 (1)留下臍血，主要是臍血中含有大量________的造血干細(xì)胞。從免疫學(xué)角度分析，臍血自身移植的優(yōu)點(diǎn)是____________。 (2)干細(xì)胞是一類(lèi)具有分裂能力的細(xì)胞，可以分為_(kāi)___________、____________、____________。 (3)觀察下圖，分析干細(xì)胞

5、與各種細(xì)胞之間的關(guān)系，用一句話概括說(shuō)明。__________________________________________________________________。 【解析】　干細(xì)胞是指具有分化能力的細(xì)胞，具有再生各種組織器官和完整個(gè)體的能力，在生命成長(zhǎng)和發(fā)育中起主干作用，醫(yī)學(xué)界將其稱為“萬(wàn)能細(xì)胞”，它可以分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞、專(zhuān)能干細(xì)胞。臍血中含有大量未成熟的造血干細(xì)胞，進(jìn)行移植屬自體移植，排斥反應(yīng)很小。 【答案】　(1)未成熟　排斥反應(yīng)小 (2)全能干細(xì)胞　多能干細(xì)胞　專(zhuān)能干細(xì)胞 (3)血液和淋巴中的各種細(xì)胞都是從造血干細(xì)胞中分化而來(lái)的。 干 細(xì) 胞 工

6、程 與 干 細(xì) 胞 移 植 1．干細(xì)胞工程 指在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行操作，包括體外增殖、定向誘導(dǎo)、分化、基因修飾和組織形成等，最終將干細(xì)胞培養(yǎng)成人們所需要的各種細(xì)胞、組織甚至器官。 2．造血干細(xì)胞移植 (1)造血干細(xì)胞的基本特征：自我維持和自我更新。 (2)分化過(guò)程 ①正常情況下——自我維持 造血干細(xì)胞祖細(xì)胞成熟的血細(xì)胞。 ②在損傷、修復(fù)等情況下——自我更新 造血干細(xì)胞通過(guò)對(duì)稱性有絲分裂，迅速實(shí)現(xiàn)自我更新，即造血干細(xì)胞―→造血干細(xì)胞。 (3)來(lái)源 主要來(lái)自骨髓、動(dòng)員后的外周血和臍帶血。 (4)意義 成為臨床治療某些血液系統(tǒng)疾病、遺傳性血液病、頑固性自身免疫性疾病、嚴(yán)重

7、免疫缺陷疾病以及癌癥化學(xué)治療與放射性治療后免疫力低下等的有效手段。 3．胚胎干細(xì)胞移植 (1)胚胎干細(xì)胞的定向誘導(dǎo)分化 根據(jù)不同的移植對(duì)象和要求，將胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化為各種功能性細(xì)胞或相應(yīng)的干細(xì)胞。 (2)操作過(guò)程 分離培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞 　　　　　 遺傳操作 胚胎干細(xì)胞庫(kù) 　　　　　 定向誘導(dǎo)分化 各種功能性細(xì)胞或相應(yīng)的干細(xì)胞 　　　　　 移植輸入 患者體內(nèi) 探討：目前限制胚胎干細(xì)胞移植技術(shù)的關(guān)鍵是什么？ 提示：胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化條件不能確定，從而限制了此技術(shù)的臨床應(yīng)用。 探討：干細(xì)胞可通過(guò)哪些途徑獲得？ 提示：①?gòu)捏w外培養(yǎng)的早期胚胎獲得。 ②從

8、早期流產(chǎn)的胎兒獲得。 ③從克隆的胚胎獲得。 ④從成體獲得。 探討：某人患有嚴(yán)重的肝衰竭，如果你是醫(yī)生，那么該患者能利用胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)治療嗎？ 提示：能。因?yàn)槔肊S細(xì)胞能誘導(dǎo)分化形成新的組織細(xì)胞，移植ES細(xì)胞可使壞死或退化的部位得以修復(fù)并恢復(fù)正常功能。 1．造血干細(xì)胞移植類(lèi)型 (1)按照造血干細(xì)胞的來(lái)源部位，可將造血干細(xì)胞移植分為骨髓移植、外周血干細(xì)胞移植和臍帶血干細(xì)胞移植。 (2)按照造血干細(xì)胞來(lái)自患者自身與否，可將造血干細(xì)胞移植分為自體移植和異體移植。 2．胚胎干細(xì)胞移植 利用胚胎干細(xì)胞可以被誘導(dǎo)分化形成新的組織細(xì)胞的特性，移植胚胎干細(xì)胞可使壞死或退化的部位得以修復(fù)并

9、恢復(fù)正常功能。目前，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面，用胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化出的某些組織細(xì)胞已成功地治愈糖尿病、肝衰竭、心衰竭和成骨不良等疑難病癥。也許在不久的將來(lái)，當(dāng)我們身體的某一類(lèi)細(xì)胞功能出現(xiàn)異?；蛲嘶瘯r(shí)，就可以通過(guò)誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞定向分化來(lái)及時(shí)修補(bǔ)。 1．通過(guò)特定方法，科學(xué)家將小鼠和人已分化的體細(xì)胞成功地轉(zhuǎn)變成了類(lèi)胚胎干細(xì)胞。有關(guān)分化的體細(xì)胞和類(lèi)胚胎干細(xì)胞的描述，正確的是(　　) A．類(lèi)胚胎干細(xì)胞能夠分化成多種細(xì)胞 B．分化的體細(xì)胞丟失了某些基因 C．二者功能有差異，但形態(tài)沒(méi)有差異 D．二者基因組相同，且表達(dá)的基因相同 【解析】　類(lèi)胚胎干細(xì)胞具有胚胎干細(xì)胞的特點(diǎn)。細(xì)胞內(nèi)基因的選擇性表達(dá)形成了功

10、能不同的體細(xì)胞，但仍含有本物種的全部基因。 【答案】　A 2．閱讀如下材料： 資料甲：傳統(tǒng)哺乳動(dòng)物的胚胎干細(xì)胞是在經(jīng)核移植構(gòu)建成重組胚胎的過(guò)程中獲得的。 資料乙：現(xiàn)代在哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞中導(dǎo)入4個(gè)多能性相關(guān)的基因、2種特殊組蛋白的基因，在添加特殊化合物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，能快速獲得誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(iPS)。但是，這種方法誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞必須應(yīng)用逆轉(zhuǎn)錄病毒才能進(jìn)行基因組整合。 資料丙：應(yīng)用iPS已經(jīng)成功培養(yǎng)和分化出心肌、神經(jīng)、胰腺、骨等多種體細(xì)胞和不同的組織，多能干細(xì)胞的研究在器官再生、修復(fù)和疾病治療方面極具應(yīng)用價(jià)值。 回答下列問(wèn)題： (1)iPS建立的過(guò)程需將病毒介導(dǎo)后的細(xì)胞接種于飼

11、養(yǎng)層細(xì)胞上，并于ES細(xì)胞專(zhuān)用培養(yǎng)體系中培養(yǎng)，以維持不分化狀態(tài)；所用逆轉(zhuǎn)錄病毒相當(dāng)于基因工程中的________，且病毒應(yīng)對(duì)生物體________。 (2)在體外培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)液中加入________因子，可誘導(dǎo)iPS向不同類(lèi)型的組織細(xì)胞分化，分化的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞中基因________的結(jié)果。 (3)對(duì)上述兩種方法獲得的由自體干細(xì)胞誘導(dǎo)分化形成的相應(yīng)組織、器官進(jìn)行移植，與傳統(tǒng)器官移植相比，其優(yōu)點(diǎn)是可避免發(fā)生________反應(yīng)。 【答案】　(1)(運(yùn))載體　無(wú)害　(2)分化誘導(dǎo)　選擇性表達(dá)　(3)免疫排斥 1．動(dòng)物和人體內(nèi)具有分裂和分化能力的細(xì)胞稱為干細(xì)胞。對(duì)右圖的相關(guān)敘述中，錯(cuò)誤的是

12、(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：99310036】 A．a(chǎn)過(guò)程表示干細(xì)胞能自我更新 B．b、c過(guò)程表示干細(xì)胞具有分化能力 C．a(chǎn)、b、c過(guò)程中細(xì)胞的遺傳信息表達(dá)情況不同 D．b過(guò)程形成的細(xì)胞直接組成器官，可供器官移植使用 【解析】　干細(xì)胞是一類(lèi)具有自我更新和分化潛能的細(xì)胞。它包括胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。干細(xì)胞的發(fā)育受多種內(nèi)在機(jī)制和微環(huán)境因素的影響。胚胎干細(xì)胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。b過(guò)程形成的細(xì)胞可直接組成組織，但不能直接組成器官。 【答案】　D 2．現(xiàn)有一個(gè)嬰兒在出生后醫(yī)院為他保留了臍帶血，在以后他生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中如果出現(xiàn)了某種難以治療的疾病，就可以通過(guò)血液中的干細(xì)

13、胞來(lái)為其治病。下列關(guān)于這個(gè)實(shí)例的說(shuō)法，正確的是(　　) A．用干細(xì)胞培育出人體需要的器官用來(lái)移植治病，需要激發(fā)細(xì)胞的所有全能性 B．用臍帶血中的干細(xì)胞能治療這個(gè)孩子所有的疾病 C．如果要移植用他的干細(xì)胞培育出的器官，需要用到細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù) D．如果要移植用他的干細(xì)胞培育出的器官，應(yīng)該長(zhǎng)期給他使用免疫抑制物 【解析】　用干細(xì)胞培育出人體需要的器官用來(lái)移植治病，不需要激發(fā)細(xì)胞的所有全能性。用臍帶血中的干細(xì)胞只能培育出人體的許多器官用來(lái)移植，但不是所有疾病都能治療，如流行性疾病。如果要移植用他的干細(xì)胞培育出的器官，需要用到細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，使干細(xì)胞發(fā)育成器官。由于用他的干細(xì)胞培育出的器官是由自身

14、的細(xì)胞培育成的，不發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，所以不用長(zhǎng)期給他使用免疫抑制物。 【答案】　C 3．臍帶血是新生嬰兒臍帶被結(jié)扎后由胎盤(pán)臍帶流出的血。臍帶血中含有大量未成熟的造血干細(xì)胞，將臍血干細(xì)胞進(jìn)行移植，對(duì)白血病、再生障礙性貧血等惡性血液病具有療效。與骨髓干細(xì)胞移植相比，臍血干細(xì)胞移植屬自體移植，不會(huì)因?qū)ふ疫m合骨髓的等待而延誤治療時(shí)機(jī)，且排斥反應(yīng)很小，醫(yī)療費(fèi)用也較低。此外，臍血干細(xì)胞移植作為惡性腫瘤治療的輔助療法，能明顯減輕化療所引發(fā)的不良反應(yīng)。造血干細(xì)胞的分化如下： (1)臨床上使用的造血干細(xì)胞，除材料中提到的來(lái)源外，還來(lái)自________和________。 (2)干細(xì)胞是一類(lèi)具有分裂能

15、力的細(xì)胞，由上圖可知，造血干細(xì)胞經(jīng)分裂、分化可形成不同功能的細(xì)胞，這是造血干細(xì)胞中______________的結(jié)果。 (3)圖中T淋巴細(xì)胞是在人體的________(器官)中成熟的。當(dāng)受到外來(lái)抗原的刺激后將產(chǎn)生效應(yīng)T淋巴細(xì)胞，進(jìn)行________免疫。 (4)上圖給出的細(xì)胞中能產(chǎn)生抗體的是________。 (5)科學(xué)家們?cè)噲D利用干細(xì)胞來(lái)進(jìn)行動(dòng)物克隆或人體器官的克隆，以解決醫(yī)療難題。請(qǐng)問(wèn)，以干細(xì)胞為克隆材料優(yōu)于一般體細(xì)胞的理由是：干細(xì)胞具有較高的________。 【解析】　臨床上使用的造血干細(xì)胞主要來(lái)源于骨髓、動(dòng)員后的外周血和臍帶血。造血干細(xì)胞是未成熟的多能干細(xì)胞，具有很強(qiáng)的分裂能

16、力和較高的全能性，能分化形成各種造血祖細(xì)胞，再經(jīng)定向誘導(dǎo)形成各種功能性血細(xì)胞，這是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。其中，B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞就是由造血干細(xì)胞形成的淋巴祖細(xì)胞分化而來(lái)的。B淋巴細(xì)胞在骨髓中成熟，再分化成效應(yīng)B淋巴細(xì)胞，分泌抗體，參與體液免疫。T淋巴細(xì)胞在胸腺中成熟，再分化形成效應(yīng)T淋巴細(xì)胞，參與細(xì)胞免疫。 【答案】　(1)骨髓　動(dòng)員后的外周血 (2)基因選擇性表達(dá)　(3)胸腺　細(xì)胞 (4)效應(yīng)B淋巴細(xì)胞　(5)全能性 4．胚胎干細(xì)胞(ES細(xì)胞)在基礎(chǔ)生物學(xué)、畜牧學(xué)和醫(yī)學(xué)上具有十分重要的價(jià)值，其應(yīng)用前景吸引眾多科學(xué)家投入到這一研究領(lǐng)域中。根據(jù)相關(guān)知識(shí)，回答下列問(wèn)題： (1)哺乳動(dòng)

17、物的胚胎干細(xì)胞(ES細(xì)胞)是由________或原始性腺中分離出來(lái)的一種細(xì)胞，在功能上具有____________，即可以分化出成年動(dòng)物體內(nèi)任何一種組織細(xì)胞。 (2)ES細(xì)胞也是研究體外細(xì)胞分化的理想材料，ES細(xì)胞在飼養(yǎng)層細(xì)胞上能維持不分化的狀態(tài)。在培養(yǎng)基中加入________可誘導(dǎo)ES細(xì)胞向不同類(lèi)型的組織細(xì)胞分化。 (3)ES細(xì)胞的另一個(gè)應(yīng)用前景為體外誘導(dǎo)分化，從而培育出人造組織器官，進(jìn)而解決臨床上存在的供體器官不足和________問(wèn)題。此外，科學(xué)家還試圖用基因工程方法對(duì)動(dòng)物器官進(jìn)行改造：向器官________(填“供體”或“受體”)基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制________(填

18、“抗原”或“抗體”)決定基因的表達(dá)，或設(shè)法除去該基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒(méi)有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物器官。 【解析】　(1)胚胎干細(xì)胞(ES細(xì)胞)是由早期胚胎或原始性腺中分離出來(lái)的一類(lèi)細(xì)胞，在功能上具有發(fā)育的全能性，即可以分化為成年動(dòng)物體內(nèi)任何一種組織細(xì)胞。 (2)ES細(xì)胞也是研究體外細(xì)胞分化的理想材料，ES細(xì)胞在飼養(yǎng)層細(xì)胞上能維持不分化的狀態(tài)，在培養(yǎng)液中加入(分化)誘導(dǎo)因子可以誘導(dǎo)ES細(xì)胞向不同類(lèi)型的組織細(xì)胞分化。 (3)ES細(xì)胞的另一個(gè)重要的應(yīng)用前景為體外誘導(dǎo)分化，從而培育出人造組織器官，進(jìn)而解決臨床上存在的供體器官不足和免疫排斥問(wèn)題。此外科學(xué)家還試圖用基因工程方法對(duì)動(dòng)物器官進(jìn)行

19、改造：向器官供體基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)，或設(shè)法除去該基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒(méi)有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物器官。 【答案】　(1)早期胚胎　發(fā)育的全能性 (2)(分化)誘導(dǎo)因子 (3)免疫排斥　供體　抗原 課堂小結(jié)： 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心回扣 1.干細(xì)胞是指具有自我更新和分化發(fā)育潛能的原始細(xì)胞。 2.干細(xì)胞可分為三種類(lèi)型：全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和專(zhuān)能干細(xì)胞。 3.干細(xì)胞工程是指在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行操作，包括體外增殖、定向誘導(dǎo)、分化、基因修飾和組織形成等，最終將干細(xì)胞培養(yǎng)成人們所需的各種細(xì)胞、組織甚至器官。 4.造血干細(xì)胞的基本特征是自我維持和自我更新。 8