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第6章 细胞的生命历程
第2节 细胞的分化
学习目标：
1.比较不同细胞在形态、结构和功能方面的区别，归纳细胞分化的概念。结合图文材料，理解细胞分化的特点、意义。
2.模型构建，阐明细胞分化的本质
3.举例说明细胞的全能性在植物组织培养和动物克隆等方面的应用
4.说出干细胞的特点，关注干细胞在医学上的应用，提升社会责任意识
问题探讨：
在人体内，红细胞的寿命为120 d左右，白细胞的寿命为5~7 d。这些血细胞都失去分裂能力。
白血病患者的血液中出现大量的异常白细胞，而正常的血细胞明显减少。通过骨髓移植可以有效地治疗白血病。
Ⅰ.细胞分化的实例及意义
探究一：细胞分化
讨论:
1.为什么健康人的血细胞数量不会随着血细胞的死亡而减少
健康人会不断产生新的血细胞，补充到血液中去。
2.骨髓与血细胞的形成有什么关系
骨髓中造血千细胞能够通过增殖和分化，不断产生不同种类的血细胞。
Ⅰ.细胞分化的实例及意义
探究一：细胞分化
构成人体的器官有四种组织，分别是上皮组织、肌肉组织、结缔组织和神经组织，这些组织又是由一些相似的细胞构成；
植物体含有输导组织、分生组织、营养组织、保护组织四大组织。这些细胞也都来自一群彼此相似的早期胚细胞。
讨论:
1.上述各种组织的共同来源是什么？在个体发育过程中，出现了形态、结构和功能的差异是什么原因？
受精卵；细胞分化的结果
2.这些细胞在形态、结构和功能上有什么不同
这些细胞在形态和结构上相差很大，功能上各不相同，在结构方面，总体上都由细胞膜、细胞质、细胞核组成。
3.所有的多细胞生物体在个体发育过程中，不同的细胞在形态、结构和功能上各不相同，有什么意义？
细胞分化是生物界普遍存在的生命现象，它是生物个体发育的基础。
细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高生物体各种生理功能的效率。
4.对多细胞生物体内，不同的组织细胞能否返回未分化的状态或者转变成其他的组织？
细胞分化是普遍现象存在的，是一种持久性的变化，一般来说，分化的细胞将稳定保持分化后的状态，直到死亡。
Ⅱ.细胞分化的本质
探究一：细胞分化及其意义
事实1：不同类型的细胞中蛋白质种类不完全相同。
事实2：DNA携带的遗传信息，即基因。只有表达成蛋白质才能发挥应有的作用。
根据以下事实与推论，用所给的资料构建细胞分化的模型
假说1：不同类型的细胞在分化过程中，发生了基因的丢失。
假说2：不同类型的细胞在分化过程中，基因的表达情况不同，即，基因的选择性表达。
材料：肌细胞(含有大量肌动蛋白)或胰岛B细胞(合成分泌胰岛素)；3种基因；3种蛋白质。
建构模型：从资料中找出细胞所含基因及蛋白质，并用笔标注在相应细胞中。
展示说明：小组合作，在本子上标注好，上台展示，其他小组给予评价。
肌动蛋白基因
胰岛素基因
呼吸酶基因
基因丢失
基因选择性表达
肌肉细胞
肌肉细胞
胰岛素基因丢失，无法合成胰岛素
胰岛素基因沉默，不指导合成胰岛素
肌动蛋白基因
胰岛素基因
呼吸酶基因
关闭
肌动蛋白基因
呼吸酶基因
丢失
细胞总DNA 蛋白质
呼吸酶基因 肌动蛋白基因 胰岛素基因 呼吸酶 肌动蛋白 胰岛素
肌细胞 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ －
胰岛B细胞 ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋
实验数据
通过对上述实验数据的分析，可得出哪种假说正确？
假说2正确。不同类型的细胞在分化过程中，基因的表达情况不同，即，基因选择性表达的的结果。
管家基因： 所有细胞均表达，维持生命活动所必需的。
核糖体蛋白基因
呼吸酶基因
肌动蛋白基因
胰岛素基因
唾液淀粉酶基因
Ⅱ.细胞分化的本质
探究一：细胞分化及其意义
奢侈基因：指不同类型细胞中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特定的功能。
【针对训练】如图为人体某早期胚胎细胞(甲)的部分生命历程，图中乙～戊表示各个时期的细胞，a、b表示细胞在正常情况下所进行的生理过程。下列叙述正确的是(不定项)（ AD ）
A.a过程是有丝分裂，b过程是细胞分化
B.乙和丙的染色体组成不同
C.丁与戊因遗传物质不同而发生分化
D.甲、丁、戊中的蛋白质不完全相同
(1)“变”
①从细胞水平分析：细胞的形态、结构和生理功能发生改变。
②从亚显微结构水平分析：细胞器的种类和数目及细胞质基质的成分和功能发生改变。
③从分子水平分析
a.蛋白质角度：蛋白质种类、数量、功能发生改变。
b.基因角度：基因选择性表达，即遗传信息的表达情况不同，这是细胞分化的根本原因
(2)“不变”：细胞数目和细胞内的遗传物质不变。
思考：请从细胞水平和分子水平描述细胞分化的“改变”与“不变”
探究一：细胞分化及其意义
小结
探究一：细胞分化及其意义
受精卵
个体
生长发育
细胞增殖：细胞数目增多
细胞分化：细胞种类增多
细胞分化是有限的少量调控蛋白启动了为数众多的特异细胞类型基因表达的过程。
其机制就是组合调控的方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成的。这样，如果调控蛋白的数目是n，则其调控的组合在理论上可以启动分化的细胞类型为2n。
比如，3种调控蛋白(调控蛋白1.2.3)可以调控产生8种不同类型的细胞(如图)。
组合调控的作用机制示意图
思考
细胞分化依赖____（物质）以____(方式)调控
组合调控引发组织特异性基因的表达
生物科技前沿链接
Ⅲ.有丝分裂与细胞分化
探究一：细胞分化及其意义
项目 细胞分裂 细胞分化
开始时间
原因
结果
意义
特点
关系
项目 细胞分裂 细胞分化
开始时间 从受精卵开始，发生在整个生命过程中 从受精卵分化出多种形态的细胞开始,发生在整个生命过程中
原因 细胞增殖的需要 基因的选择性表达
结果 细胞数目增多，生成的细胞类型相同 细胞种类增多,生成的细胞类型不信形成生物体的组织和器官
意义 ①多细胞生物个体形成、生长、发育的需要; ②单细胞生物形成新个体的需要; ③保持了亲代和子代之间遗传物质的稳定性 ①多细胞生物个体发育的基础;②使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高各种生理活动的效率;
③生物组织、器官的形成,以及生物组织、器官的修复
特点 ①局部性；②周期性 ①持久性；②不可逆性；③普遍性；④差异性
关系 ①生物的个体发育是细胞分裂与分化共同作用的结果,细胞的分化并不是单个或少数细胞的孤立变化,其必须以细胞增殖生成一定数量的细胞为基础,也就是说,细胞分裂是细胞分化的基础,两者往往是相伴相随的; 2一般来说,分化程度越高,细胞的分裂能力就越弱,如分化程度为体细胞>生殖细胞>受精卵,分裂能力为体细胞<生殖细胞<受精卵
Ⅰ.细胞全能性的实例
探究二：细胞的全能性
1.从胡萝卜组织培养实验中可以得出什么结论
已经分化的细胞在离体培养下能够形成完整的植物体
2.与胡萝卜组织培养实验相比，非洲爪蟾核移植实验得出什么结论
与植物组织培养实验相比，动物细胞核移植的实验说明已分化的动物细胞的细胞核仍具有全能性。
3.为什么分化后的植物细胞依然可以发育成一棵完整植株？
因为细胞中含有发育成完整植株所需要的全套遗传信息
非洲爪蟾的核移植实验
胡萝卜组织培养示意图(①～⑥表示操作流程)
2019年1月24日，5只生物钟紊乱体细胞克隆猴登上中国综合英文期刊《国家科学评论》封面，标志着中国体细胞克隆技术走向成熟，实验用疾病模型猴批量克隆“照进现实”，全球实验动物使用数量有望大幅降低，药物研发驶入“快车道”。
拓展：中国科学家在体细胞克隆方面的成就
2017年11月27日，世界上首个体细胞克隆猴“中中”在中国科学院神经科学研究所（上海）、脑科学与智能技术卓越创新中心的非人灵长类平台诞生（苏州）；12月5日第二个克隆猴“华华”诞生。
2018年1月25日，生物学顶尖学术期刊“细胞”(Cell)以封面文章在线发表此项成果。
Ⅱ.细胞全能性
探究二：细胞的全能性
实验表明，高度分化的植物细胞或动物的体细胞核仍然具有发育成完整个体的能力，这就是细胞的全能性。
细胞的全能性是指细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性。
思考：没有分化的细胞，如受精卵、动物和人体的早期胚胎细胞、植物的分生组织细胞是否也具有全能性？
以下实例不能体现全能性的是：_______469___________
①用胡萝韧皮部细胞培育出植祩
②番茄体细胞与马铃薯体细胞杂交后培育出植株
③用转入抗虫基因的棉花细胞培育出植株
④紫色糯性玉米种子培育出植株
⑤蜜蜂由未受精卵细胞发育成雄蜂
⑥壁虎断尾后重新长出尾部
⑦利用小麦花药离体培育出单倍体植株
⑧受精卵发育成个体
⑨科学家利用少量组织细胞通过体外培养扩增，成功地让“老鼠背上长出了人耳”。
细胞
完整个体
各种组织
Ⅲ.干细胞
探究二：细胞的全能性
动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞，这些细胞叫作干细胞(stem cell)。
①全能干细胞：是从哺乳动物的早期胚胎中分离出来的，可分化成人体的各种细胞，构成人体的各种组织和器官，最终发育成一个完整的个体。如胚胎干细胞。
②多能干细胞：胚胎干细胞进一步分化，可以形成各种组织干细胞，它具有形成一种器官的多种组织的潜能，但不能发育成完整的个体。如骨髓造血干细胞。
③单能干细胞：多能干细胞进一步分化成为单能干细胞，单能干细胞只能分化成某一类型的细胞，如神经干细胞专门分化成各类神经细胞。
Ⅳ.细胞全能性的应用
探究二：细胞的全能性
快速繁殖花卉和蔬菜等作物
培养微型观赏植株
拯救濒危物种
将体细胞诱导成多功能干细胞 (简称iPS细胞)
治疗了小鼠的镰状细胞贫血
治疗阿尔茨海默病、
心血管疾病
器官移植
拓展：中华骨髓库
白血病是一类由骨髓造血干细胞恶性增殖引起的疾病。患者血液和骨髓中的白细胞及其前体细胞出现异常增殖和分化障碍，成为白血病细胞。白血病细胞能够抑制骨髓的正常造血功能，并侵入肝、脾等器官，进而危及患者的生命。
1.下列关于细胞分化的叙述，正确的是( C )
A.细胞分化过程中蛋白质种类和数量未发生改变
B.人体某细胞中存在纤维蛋白原基因说明已经发生细胞分化
C.人体某细胞中存在血红蛋白说明已经发生细胞分化
D.随细胞分化的进行,细胞的全能性降低并最终丧失
2.下列关于细胞增殖和细胞分化的叙述,错误的是( D )
A.细胞增殖可以增加细胞的数量,细胞分化可以增加细胞的种类
B.受精卵发育成个体的过程中有细胞增殖和细胞分化
C.细胞增殖和细胞分化均可改变细胞核中的遗传信息
D.细胞增殖和细胞分化过程中均需要合成蛋白质
你达标了吗？
课堂总结
1.比较不同细胞在形态、结构和功能方面的区别，归纳细胞分化的概念。结合图文材料，理解细胞分化的特点、意义。
2.模型构建，阐明细胞分化的本质
3.举例说明细胞的全能性在植物组织培养和动物克隆等方面的应用
4.说出干细胞的特点，关注干细胞在医学上的应用，提升社会责任意识

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