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高一生物集体备课-6-2细胞的分化

[日期:2012-06-24]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:276[字体: ]

一、 教学目标 

1.说明细胞的分化。

2.举例说明细胞的全能性。

3.进行有关干细胞研究进展与人类健康的资料搜集和分析。

二、教学重点和难点

1.教学重点

(1)细胞分化的概念和意义。

(2)细胞全能性的概念。

2.教学难点

细胞全能性的概念及实例。

三、教学策略

本节教学内容可以安排1课时。在学习细胞分化时,应该联系初中学过的有关组织、器官、系统的知识;联系不同组织中的细胞形态、结构和功能的特点。从个体发育过程中各种组织、器官、系统建成的角度来理解细胞分化的重要意义。

关于细胞分化的概念和意义,在教学时应注意引导学生探讨以下问题。1.细胞分化在生物界普遍存在的实例。例如,在植物的胚根发育成根的过程中,分生区的细胞不断分裂,形成的细胞近似正方体,随着细胞的生长,变成伸长区的长方体细胞,后来分化成成熟区的输导组织的导管细胞、根毛细胞、薄壁细胞等形态、结构、功能各异的细胞。又如动物的胚胎细胞形成多细胞生物体,干细胞再生出各种细胞等。2.细胞分化的过程。在细胞外观尚未出现明显变化之前,细胞分化的前途就由遗传信息的执行情况决定了,分化的细胞所呈现出的形态、结构和生理功能的变化,首先源于细胞内化学物质的变化,如结构蛋白和催化化学反应的酶,以后依次渐变,不能逆转,因此,分化是一种持久的、稳定的渐变过程。3.细胞分化的意义。一般多细胞生物体的发育起点是一个细胞(受精卵),细胞的分裂只能繁殖出许多相同的细胞,只有经过细胞分化才能形成胚胎、幼体,并发育成成体,细胞分化是生物个体发育的基础。

细胞的全能性是教学的难点,可以从细胞有丝分裂结果,染色体和DNA数目不变来分析。由于体细胞一般是受精卵通过有丝分裂繁殖而来的,已分化的细胞都有一套和受精卵相同的染色体,携带具有本物种特征的DNA分子。因此,分化的细胞仍具有发育成完整新个体的潜能。在合适的条件下,有些分化的细胞具有恢复分裂、重新分化发育成完整新个体的能力。

本节教材的“资料搜集和分析”,对于学生了解干细胞及其研究进展,培养收集和处理信息的能力,具有重要意义,应鼓励学生课后完成资料搜集工作,在班级内交流。

四、答案和提示

(一)问题探讨

1.健康人会不断产生新的血细胞,补充到血液中去。

2.骨髓中造血干细胞能够通过增殖和分化,不断产生不同种类的血细胞。

(二)旁栏思考题

1.提示:细胞分化的实例:如根尖的分生区细胞不断分裂、分化,形成成熟区的输导组织细胞、薄壁组织细胞、根毛细胞等;胚珠发育成种子,子房发育成果实;受精卵发育成蝌蚪,再发育成青蛙;骨髓造血;皮肤再生等都包涵着细胞的分化。

2.动物细胞的全能性随着细胞分化程度的提高而逐渐受到限制,细胞分化潜能变窄,这是指整体细胞而言。可是细胞核则不同,它含有保持本物种遗传性所需要的全套基因,并且并没有因细胞分化而失去基因,因此,高度分化的细胞核仍然具有全能性。这可以从细胞核移植实验以及其他的实验证据中得到证实。

(三)资料搜集和分析

1.在个体发育过程中,通常把那些具有自我复制能力,并能在一定条件下分化形成一种以上类型细胞的多潜能细胞称为干细胞。干细胞有很多种类型,大体上可分为成体干细胞和胚胎干细胞。

2.提示:干细胞的研究为替换病变的组织和器官,某些癌症和遗传病的治疗带来新的希望。

(四)练习

基础题

1.数目增多,染色体数目,稳定性差异。

2.C。

拓展题

1.提示:通过植物组织培养技术繁殖花卉,保证花木的优良品质不变,并且繁殖得快;通过体细胞克隆哺乳动物;干细胞移植治疗白血病;利用干细胞技术解决器官移植缺少供体器官的难题等。

2.提示:动物细胞特别是高等动物细胞随着胚胎的发育,细胞分化潜能变窄。肌细胞是已分化的细胞,它通常不能转化为其他类型的细胞,因而不能用肌细胞代替干细胞培育组织和器官。

五、参考资料

1.细胞分化的生理机制

(1)细胞分裂的不对称性

卵母细胞的细胞核并不位于中央,而是在细胞外周靠近表面的地方,极体就是从这里形成并释放出来的,通常把极体释放的位点称为动物极,而相对的一极称为植物极。

动物卵细胞中,贮存有2~5万种不同核苷酸序列的mRNA,专供受精卵的启动、分化和发育之用。卵细胞中的mRNA并非均匀分布的,而是位于特定的空间。因此,卵细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运,如昆虫是以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。

(2)细胞间的相互作用

胚胎诱导在胚胎发育过程中,一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用称为胚胎诱导,如中胚层形成的脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板、神经沟和神经管,视细胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚层形成角膜。

分化抑制用含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚,则蛙胚不能发育出正常的心脏,若去除成蛙心组织,则蛙胚发育正常,这说明分化成熟的细胞可以产生某种物质,抑制相邻细胞发生同样的分化,这种作用称为分化抑制。

细胞数量效应当小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时,可发育成具有功能的胰腺组织,但是,如果把胰腺原基切成8小块分别培养,则都不能形成胰腺组织;如果再把分开的小块合起来,又可形成胰腺组织。可见细胞数量对诱导组织形成可能也是必要的。

细胞外基质细胞外基质在胚胎发育和细胞分化中也具有重要的作用。

激素的作用激素对细胞分化的影响可看做是远距离细胞间的相互作用,如昆虫的保幼激素和蜕皮激素。前者的功能是保持幼虫特征,促进成虫器官原基的发育,后者的功能是促进蜕皮和成虫形态的出现。当两者保持一定的比例时,幼虫蜕皮而长大,当保幼激素含量减少或不合成时,幼虫化蛹,变为成虫。成虫期又开始合成保幼激素,促进性腺的发育。

2.细胞分化的分子机制

(1)染色体结构的变化与细胞分化

基因剔除 某些原生动物、昆虫和甲壳动物在细胞分化过程中有部分染色体丢失的现象。例如,马蛔虫的一个变种(2n=4),当个体发育到一定阶段时,在将要分化为体细胞的那些细胞中,染色体破裂为碎片,含有着丝粒的碎片在细胞分裂中保留,不具有着丝粒的碎片在分裂中丢失。不过,预定形成生殖细胞的那些细胞中不发生染色体的断裂和丢失现象。

基因扩增 基因扩增是指细胞内特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象。例如,在卵裂和胚胎发育过程中,爪蟾卵母细胞中的rDNA基因大量扩增而形成大量核糖体,以供大量合成蛋白质所需;在果蝇的唾腺细胞中,由于DNA复制而核不分裂,很容易观察到多线染色体。

基因重排 哺乳动物能产生106~108种抗体,但并不意味着细胞内具有相应数量的基因,免疫球蛋白是异四聚体结构,除重链和轻链的随机组合以外,免疫球蛋白的多样性主要来源于基因的重新组合。从这一点来看淋巴细胞的分化是不可逆的。

DNA的甲基化 脊椎动物一些基因的活性与基因调控区域或其周围特定胞嘧啶的甲基化有关,甲基化使基因失活,相应地非甲基化和低甲基化能活化基因的表达。细胞内的基因可分为管家基因(house-keeping gene)和奢侈基因(luxury gene),前者是维持细胞生存不可缺少的,后者与细胞分化有关,是与组织特异性表达有关的基因,在特定组织中保持非甲基化或低甲基化状态,而在其他组织中呈甲基化状态。

(2)基因与细胞分化

无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用,其结果是启动特定基因的表达。因此细胞分化的实质是基因的差次表达或顺序表达。即特定的基因在特定的时间内在特定的组织中表达的结果。

受精卵发育为新个体,是受一系列基因调控的,这些基因在发育过程中,按照时间、空间顺序启动和关闭,互相协调,对胚胎细胞的生长和分化进行调节。

人和鼠都是从单个受精卵发育而来的。其实,从一个受精卵中产生什么生物完全由基因组决定。这种决定究竟如何进行的呢?

人体细胞的类型比我们想像的少得多。按照常规的组织学分类方法,脊椎动物和人体细胞类型约有200余种。这些细胞在人体中呈现有序的空间分布。细胞的种类或形状彼此不同,是因为不同细胞中合成一些彼此不同的特殊蛋白──“奢侈蛋白”,如表皮细胞的角蛋白,红细胞的血红蛋白,消化道细胞的消化酶,透镜状细胞的晶体蛋白,等等。除了这些“奢侈蛋白”以外,几乎所有细胞中合成的蛋白质都是一些生活必需品──“持家蛋白”。由于细胞类型的差异源于细胞中工作的基因类群不同,所以人们自然想到也许细胞中的基因组成发生了改变。例如,透镜状细胞不能合成血红蛋白和角蛋白,可能是丢失了血红蛋白和角蛋白的基因,而只剩下了晶体蛋白。或者,细胞中其他基因没有变化,但晶体蛋白基因增加了很多份。然而,许许多多的证据显示,没有这类可能性。几乎所有细胞的基因组都和受精卵的一模一样。

已有实验证明,虽然分化常常伴随着显著的细胞外观变化,但细胞的基因组总是保持不变。两栖类卵细胞较大,先用紫外线破坏它的核,再用玻璃微细管将其他细胞的核吸出,注入去核的卵细胞中。玻璃微细管刺入卵细胞时,会使卵细胞活化并开始分裂和分化。用各种分化细胞的核置换卵细胞的核,结果发现它们和卵细胞的核完全一样,都可以发育成有生育能力的成蛙。

3.细胞分化与再生

进入生长期之后,分化细胞即使进一步分裂,其分化的特性并不会改变。

脊椎动物的皮肤、血液、肺等组织上的细胞,每过一段时间便会更新换代。机体多数组织的细胞并不需要更新,有些特殊细胞将终生保持胚胎发育早期形成的数目。这些细胞因为不再分裂,所以一旦丧失便无法补充,如神经细胞、心肌细胞、透镜状细胞等。当然,这些细胞通常寿命很长,并且处于多重保护之下。除此之外,它们之间没有其他共同之处。为什么其他细胞需要不断更新,而这些细胞却可以终生保持呢?原因很难找寻,但是,至少对神经细胞来说,细胞更新将改变已经形成的精巧的神经通路,致使某些记忆丧失。至于心肌细胞,目前尚难解释。

细胞再生有两种方式,其一是通过已分化细胞的分裂──细胞复制,其二是通过干细胞再生。干细胞的性质、再生速度以及再生过程非常多样化。干细胞可以无限分裂产生分化细胞。

形形色色的血细胞都是由多能的干细胞分化形成的,这些干细胞主要在成体的骨髓中产生。多能干细胞在胚胎发育早期,通过血液循环进入骨髓、脾脏和肝脏,并分别在这些组织中形成有造血功能的细胞群。

4.干细胞及其分类

一个成熟或者已分化的细胞进行分裂通常只能产生同种类型的细胞,而一个干细胞则可以分化形成多种类型的细胞。干细胞有很多种类型,它们存在于从胚胎到成体各个阶段的组织和器官里。胚胎干细胞分裂速度快,并且有产生多种分化细胞类型的潜力,因此,它们也被称为多能干细胞。成体干细胞分布于很多组织中,但是它们数量稀少,分裂频率低,分化潜力也很有限。事实上,很多类型的干细胞至今没有在成体中找到。例如,肺上皮细胞缺陷会造成囊性纤维化,而成体中还没有发现可以产生这种细胞的干细胞。

利用干细胞进行各种疾病治疗的关键在于能否成功分离胚胎干细胞和成体干细胞,并将它们在体外扩增后用于替代受损的组织。一般认为每种成体干细胞只能分化产生几种相关的成熟细胞类型,但最近有研究表明,在某些环境中,一种干细胞类型可以转化成其他类型的细胞,例如,造血干细胞可以分化形成神经细胞。

因为大多数疾病只是由于一类细胞损坏造成的,所以针对特定细胞类型的干细胞治疗要比原来整个器官的移植更具优势。例如,帕金森氏综合症、多发性硬化和糖尿病等慢性疾病非常适合利用干细胞治疗。但是,在一些患有慢性疾病或多组织急性衰竭患者的受损组织中,通常很难再找到合适的干细胞。即使能够分离到相应的干细胞,也不一定能保证通过体外培养获得治疗所需的数量。

最具潜力的干细胞是从胚泡中分离的胚胎干细胞。发育5天的人类胚泡最多有100个细胞,其中包括两种类型:将来发育成胎盘的外层细胞和发育成胚胎的内层细胞,即内细胞团(ICM)。通常,移除外层细胞将导致ICM无法发育形成胚胎,但是,ICM可以在培养皿中快速分裂产生胚胎干细胞。

胚胎干细胞有很多显著的特征。例如,虽然它们在染色体组型等方面和正常的细胞没有差别,但却可以在体外无限增殖。另外,胚胎干细胞在体外可以分化形成很多类型的细胞,这些细胞再移植回动物体内,可以在一定程度上改善一些模型动物的病情。如果有办法攻克免疫排斥的难题,胚胎干细胞移植有可能成为治疗多种疾病的有效途径。

5.细胞核移植──治疗性克隆

最理想的干细胞治疗是使用来自患者自身的胚胎干细胞。然而,除了早期胚胎以外,我们无法从其他渠道获得胚胎干细胞。那么,在成体中逆转细胞正常分化的方向,从而得到适合的干细胞成了另一条可能的途径。实验设计的基本想法是用某种物质将成体细胞逆转成胚性细胞。这些物质可以来自早期胚胎本身,也可以来自卵细胞,因为卵细胞丰富的细胞质中含有早期胚胎发育所必须的因子。这些因子也同样可以使体细胞核进入早期胚胎发育的状态,所以,除去卵细胞的核并植入来自成人细胞的核,就可能得到一个胚胎。

现在人们关注的焦点是能否利用核移植技术制造人类胚胎干细胞用以治疗疾病,并且,能否利用患者自身的细胞来满足特异性要求,解决免疫抑制的问题,确切地说,科学家还没有找到最终答案。目前,核移植技术在很多物种中取得了成功,但在某些物种中却失败了,如果将这一技术用于人类,结果将会如何,目前还没有清晰的答案。

6.患者特异性干细胞治疗

适合干细胞治疗的方法主要有两种。一种是利用患者的活组织提取细胞核,转入捐献者的卵母细胞,重建早期胚胎并在体外培养至胚泡阶段,分离ICM得到胚胎干细胞。它们与患者有共同的遗传组成,所以可被视为患者的扩展部分。然后,利用研究小鼠模型所积累的经验,将胚胎干细胞诱导成与疾病相关的细胞类型,用于治疗帕金森氏综合症、心脏病或脊髓损伤等。最近的研究表明,还可以使人类胚胎干细胞沿着特定的轨迹分化。不过,目前还不知道哪种活组织是最好的细胞核供体。另一种方法是将某种成体干细胞诱导成另一种适合治疗疾病的类型,其优势是显而易见的。

不过,成体干细胞非常稀少并且很难获取,例如,造血干细胞仅占血细胞总量的1/107;虽然它在骨髓中的含量相对多些,但仍然稀少。尽管造血干细胞还可以取自新生儿的脐带血,但是脐带血需预先储备并且无法重复利用。目前还没有关于纯化脐带血造血干细胞方法的报道,并且它们可否产生造血系统以外的其他细胞类型尚不清楚。另外,有研究人员认为,胰管中存在可以产生胰岛细胞的干细胞,但是还没有分离它们的办法。

目前,大多数使用胚胎干细胞和成体干细胞的实验都是在小鼠中进行的。其中,胚胎干细胞的研究结果尤其令人振奋,它们在移植后通常有较高的存活率并且能长时间地执行功能。很多实验表明它们至少可以部分地缓解病情。

虽然成体干细胞能有效地补充原有细胞类型,但是目前极少有证据显示它们能够转变类型,因此现在很难断定这是一条有效的治疗途径。或许这只是意味着我们需要做更多的研究,尤其是针对成体干细胞。
 


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