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

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

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

3、 全能干細胞 多能干細胞 專能干細胞 特點 具有形成機體的任何組織或器官直至形成完整個體的潛能 具有分化成多種細胞或組織的潛能，但不能發(fā)育成完整的個體 只能分化成某一種類型或功能密切相關(guān)的兩種類型的細胞 舉例 受精卵、胚胎干細胞 造血干細胞 神經(jīng)干細胞 應(yīng)用 用于病人的器官移植等 造血干細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 通過神經(jīng)干細胞移植治療腦癱、頭顱外傷等病癥 1．下列關(guān)于胚胎干細胞的敘述，哪項是不正確的(　　) A．動物胚胎的每一個細胞都是胚胎干細胞 B．胚胎干細胞具有分化為動物各種組織的潛能 C．胚胎干細胞的遺傳物質(zhì)在質(zhì)和量上

4、與受精卵相同 D．胚胎干細胞在體外可被誘導(dǎo)分化為不同的組織類型 【解析】　胚胎干細胞主要來源于囊胚期的內(nèi)細胞團；由于其分化的全能性，也可在體外培養(yǎng)時誘導(dǎo)為不同的機體組織；細胞分化是基因選擇性表達的過程，細胞中的遺傳物質(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________的造血干細胞。從免疫學(xué)角度分析，臍血自身移植的優(yōu)點是____________。 (2)干細胞是一類具有分裂能力的細胞，可以分為____________、____________、____________。 (3)觀察下圖，分析干細胞

5、與各種細胞之間的關(guān)系，用一句話概括說明。__________________________________________________________________。 【解析】　干細胞是指具有分化能力的細胞，具有再生各種組織器官和完整個體的能力，在生命成長和發(fā)育中起主干作用，醫(yī)學(xué)界將其稱為“萬能細胞”，它可以分為全能干細胞、多能干細胞、專能干細胞。臍血中含有大量未成熟的造血干細胞，進行移植屬自體移植，排斥反應(yīng)很小。 【答案】　(1)未成熟　排斥反應(yīng)小 (2)全能干細胞　多能干細胞　專能干細胞 (3)血液和淋巴中的各種細胞都是從造血干細胞中分化而來的。 干 細 胞 工

6、程 與 干 細 胞 移 植 1．干細胞工程 指在體外對干細胞進行操作，包括體外增殖、定向誘導(dǎo)、分化、基因修飾和組織形成等，最終將干細胞培養(yǎng)成人們所需要的各種細胞、組織甚至器官。 2．造血干細胞移植 (1)造血干細胞的基本特征：自我維持和自我更新。 (2)分化過程 ①正常情況下——自我維持 造血干細胞祖細胞成熟的血細胞。 ②在損傷、修復(fù)等情況下——自我更新 造血干細胞通過對稱性有絲分裂，迅速實現(xiàn)自我更新，即造血干細胞―→造血干細胞。 (3)來源 主要來自骨髓、動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．胚胎干細胞移植 (1)胚胎干細胞的定向誘導(dǎo)分化 根據(jù)不同的移植對象和要求，將胚胎干細胞定向誘導(dǎo)分化為各種功能性細胞或相應(yīng)的干細胞。 (2)操作過程 分離培養(yǎng)的胚胎干細胞 　　　　　 遺傳操作 胚胎干細胞庫 　　　　　 定向誘導(dǎo)分化 各種功能性細胞或相應(yīng)的干細胞 　　　　　 移植輸入 患者體內(nèi) 探討：目前限制胚胎干細胞移植技術(shù)的關(guān)鍵是什么？ 提示：胚胎干細胞定向誘導(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：干細胞可通過哪些途徑獲得？ 提示：①從體外培養(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胞培養(yǎng)治療嗎？ 提示：能。因為利用ES細胞能誘導(dǎo)分化形成新的組織細胞，移植ES細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．造血干細胞移植類型 (1)按照造血干細胞的來源部位，可將造血干細胞移植分為骨髓移植、外周血干細胞移植和臍帶血干細胞移植。 (2)按照造血干細胞來自患者自身與否，可將造血干細胞移植分為自體移植和異體移植。 2．胚胎干細胞移植 利用胚胎干細胞可以被誘導(dǎo)分化形成新的組織細胞的特性，移植胚胎干細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，在動物實驗方面，用胚胎干細胞誘導(dǎo)分化出的某些組織細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，當(dāng)我們身體的某一類細胞功能出現(xiàn)異?；蛲嘶瘯r，就可以通過誘導(dǎo)胚胎干細胞定向分化來及時修補。 1．通過特定方法，科學(xué)家將小鼠和人已分化的體細胞成功地轉(zhuǎn)變成了類胚胎干細胞。有關(guān)分化的體細胞和類胚胎干細胞的描述，正確的是(　　) A．類胚胎干細胞能夠分化成多種細胞 B．分化的體細胞丟失了某些基因 C．二者功能有差異，但形態(tài)沒有差異 D．二者基因組相同，且表達的基因相同 【解析】　類胚胎干細胞具有胚胎干細胞的特點。細胞內(nèi)基因的選擇性表達形成了功

10、能不同的體細胞，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)哺乳動物的胚胎干細胞是在經(jīng)核移植構(gòu)建成重組胚胎的過程中獲得的。 資料乙：現(xiàn)代在哺乳動物的體細胞中導(dǎo)入4個多能性相關(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)性多能干細胞(iPS)。但是，這種方法誘導(dǎo)的多能干細胞必須應(yīng)用逆轉(zhuǎn)錄病毒才能進行基因組整合。 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、骨等多種體細胞和不同的組織，多能干細胞的研究在器官再生、修復(fù)和疾病治療方面極具應(yīng)用價值。 回答下列問題： (1)iPS建立的過程需將病毒介導(dǎo)后的細胞接種于飼

11、養(yǎng)層細胞上，并于ES細胞專用培養(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向不同類型的組織細胞分化，分化的實質(zhì)是細胞中基因________的結(jié)果。 (3)對上述兩種方法獲得的由自體干細胞誘導(dǎo)分化形成的相應(yīng)組織、器官進行移植，與傳統(tǒng)器官移植相比，其優(yōu)點是可避免發(fā)生________反應(yīng)。 【答案】　(1)(運)載體　無害　(2)分化誘導(dǎo)　選擇性表達　(3)免疫排斥 1．動物和人體內(nèi)具有分裂和分化能力的細胞稱為干細胞。對右圖的相關(guān)敘述中，錯誤的是

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

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

14、的細胞培育成的，不發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，所以不用長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)扎后由胎盤臍帶流出的血。臍帶血中含有大量未成熟的造血干細胞，將臍血干細胞進行移植，對白血病、再生障礙性貧血等惡性血液病具有療效。與骨髓干細胞移植相比，臍血干細胞移植屬自體移植，不會因?qū)ふ疫m合骨髓的等待而延誤治療時機，且排斥反應(yīng)很小，醫(yī)療費用也較低。此外，臍血干細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)。造血干細胞的分化如下： (1)臨床上使用的造血干細胞，除材料中提到的來源外，還來自________和________。 (2)干細胞是一類具有分裂能

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

16、力和較高的全能性，能分化形成各種造血祖細胞，再經(jīng)定向誘導(dǎo)形成各種功能性血細胞，這是基因選擇性表達的結(jié)果。其中，B淋巴細胞和T淋巴細胞就是由造血干細胞形成的淋巴祖細胞分化而來的。B淋巴細胞在骨髓中成熟，再分化成效應(yīng)B淋巴細胞，分泌抗體，參與體液免疫。T淋巴細胞在胸腺中成熟，再分化形成效應(yīng)T淋巴細胞，參與細胞免疫。 【答案】　(1)骨髓　動員后的外周血 (2)基因選擇性表達　(3)胸腺　細胞 (4)效應(yīng)B淋巴細胞　(5)全能性 4．胚胎干細胞(ES細胞)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，回答下列問題： (1)哺乳動

17、物的胚胎干細胞(ES細胞)是由________或原始性腺中分離出來的一種細胞，在功能上具有____________，即可以分化出成年動物體內(nèi)任何一種組織細胞。 (2)ES細胞也是研究體外細胞分化的理想材料，ES細胞在飼養(yǎng)層細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細胞向不同類型的組織細胞分化。 (3)ES細胞的另一個應(yīng)用前景為體外誘導(dǎo)分化，從而培育出人造組織器官，進而解決臨床上存在的供體器官不足和________問題。此外，科學(xué)家還試圖用基因工程方法對動物器官進行改造：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，或設(shè)法除去該基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因動物器官。 【解析】　(1)胚胎干細胞(ES細胞)是由早期胚胎或原始性腺中分離出來的一類細胞，在功能上具有發(fā)育的全能性，即可以分化為成年動物體內(nèi)任何一種組織細胞。 (2)ES細胞也是研究體外細胞分化的理想材料，ES細胞在飼養(yǎng)層細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細胞向不同類型的組織細胞分化。 (3)ES細胞的另一個重要的應(yīng)用前景為體外誘導(dǎo)分化，從而培育出人造組織器官，進而解決臨床上存在的供體器官不足和免疫排斥問題。此外科學(xué)家還試圖用基因工程方法對動物器官進行

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，或設(shè)法除去該基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因動物器官。 【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.干細胞是指具有自我更新和分化發(fā)育潛能的原始細胞。 2.干細胞可分為三種類型：全能干細胞、多能干細胞和專能干細胞。 3.干細胞工程是指在體外對干細胞進行操作，包括體外增殖、定向誘導(dǎo)、分化、基因修飾和組織形成等，最終將干細胞培養(yǎng)成人們所需的各種細胞、組織甚至器官。 4.造血干細胞的基本特征是自我維持和自我更新。 8