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第2节　细胞的分化
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．生命观念：通过讨论细胞的分化与全能性的内容，理解相关概念并能解释相关问题。
2．科学思维：通过对细胞的分化与全能性的归纳与概括，提升归纳、分析与综合的科学思维能力。
3．社会责任：主动关注干细胞方面的相关研究，形成民族自豪感和珍爱生命、关注健康的社会责任感。
二、情境导入
细胞分化是个奇妙的过程，从最初的受精卵开始，它就像个“全能小天才”，拥有无限可能。随着发育，这些细胞逐渐“各有所长”，有的变成了携带氧气的红细胞，有的成为传递信号的神经细胞，还有的形成了支撑身体的骨骼细胞。细胞分化让身体各部分有序分工，共同维持生命的运转，它是生命发育的关键环节。
三、自主预学
（一）知识梳理
一、细胞分化及其意义
1．细胞分化的概念
图1　细胞分化概念示意图
2．细胞分化的特点
(1)持久性：细胞分化是一种持久性的变化。
(2)不可逆性：一般来说，分化的细胞将一直保持分化后的状态，直到死亡。
(3)普遍性：细胞分化是生物界普遍存在的生命现象。
3．细胞分化的原因
是细胞中的基因选择性表达的结果，即在个体发育过程中，不同种类的细胞中遗传信息的表达情况不同。
4．细胞分化的意义
(1)是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，有利于提高生物体各种生理功能的效率。
二、细胞的全能性
1．概念：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。一些没有分化的细胞，如受精卵、动物和人体的早期胚胎细胞、细胞的分生组织细胞也具有全能性。
2．植物细胞的全能性
(1)植物组织培养：胡萝卜韧皮部细胞→放入特定培养液中→形成细胞团块→根、茎和叶→长成新的植株。
(2)结论：高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植株的能力。
3．动物体细胞细胞核的全能性
(1)实例：非洲爪蟾的核移植实验、克隆羊“多莉”、体细胞克隆猴“中中”和“华华”。
(2)结论：已分化的动物体细胞的细胞核具有全能性。
4．干细胞
(1)特点
①具有分裂和分化的能力。
②在动物和人体内，数量很少。
(2)举例：人骨髓中的造血干细胞能通过增殖和分化，不断产生红细胞、白细胞和血小板。
（二）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)细胞分化只发生于个体发育的胚胎时期。________
(2)细胞分化过程不改变细胞的数量。________
(3)同一个体的小肠上皮细胞和平滑肌细胞所含基因不同。________
(4)蛙的红细胞和人的红细胞形态不同是基因选择性表达的结果。________
(5)壁虎断尾后重新长出尾巴体现了细胞的全能性。________
(6)造血干细胞分化出各种血细胞体现了细胞的全能性。________
图2　细胞分化与细胞全能性知识归纳框架图
四、课堂探究
探究一　细胞的分化
[材料情境]细胞的基因可分为管家基因(所有细胞中均要表达的基因)和奢侈基因(不同类型细胞中特异性表达的基因)两类，下表为人体三种不同细胞中的基因存在及表达情况。
图3　细胞分化与基因选择性表达示意图
1．分析资料，人体的三种不同细胞中，基因的种类是否相同？其根本原因是什么？
2．五种基因中，属于管家基因的是________，因为其在所有的细胞中都表达；属于奢侈基因的是________，因为其在不同类型的细胞中特异性表达。
3．三种细胞形态、功能表现不同，从细胞结构方面分析其原因是什么？
4．结合以上问题，细胞分化的实质是________(填“管家基因”或“奢侈基因”)的选择性表达。
5．结合细胞分化的特点分析，已经发生分化的三种细胞能不能进行相互的转化？为什么？
1．细胞分裂与细胞分化的比较
项目 细胞分裂 细胞分化
细胞变化 细胞数量增多 细胞形态、结构和生理功能发生稳定性差异，细胞种类增多
发生时间 从受精卵开始 发生在生物体的整个生命过程中
意义 保持了亲子代遗传的稳定性 保证了生物体正常发育
联系 细胞分裂是细胞分化的基础，两者往往是相伴相随的，一般而言，分化程度越高，分裂能力则逐渐降低
2．细胞分化的“变”与“不变”
图4　细胞分化的“变”与“不变”示意图
细胞分化的两个误区
(1)误认为细胞分化导致遗传物质变化。细胞分化是基因选择性表达的结果，其遗传信息不变，含有相同的基因。
(2)误认为细胞分化只是形态结构发生变化。细胞分化后细胞的形态、结构和生理功能发生变化。
1．生物体中的基因可分为管家基因和奢侈基因。管家基因为多细胞生物体的细胞中均表达的基因，奢侈基因只在生物体中某些特定种类的细胞中表达。如图是人体三种细胞内的部分基因及它们的状态。下列说法错误的是（　　）
图5　人体三种细胞内的基因表达状态示意图
A．上述基因属于管家基因的是1，属于奢侈基因的是2、3、4
B．基因3不可能是血红蛋白基因，基因1可能是呼吸酶基因
C．不同细胞中所含基因种类的不同是细胞分化的结果
D．图中三种细胞内均不可发生核DNA含量的动态变化
2．下图为同一生物体不同类型的体细胞的基因表达情况。下列叙述错误的是（　　）
图6　不同类型体细胞的基因表达谱示意图
A．基因1～6中，控制ATP水解酶合成的基因最可能是基因4
B．细胞a～g中，细胞b和细胞e的生理功能可能最为相近
C．细胞分化的实质是基因的选择性表达，使细胞的类型增多
D．a～g各个细胞中，染色体上所含有的遗传物质一般都相同
判断细胞发生分化的技巧
(1)细胞形态的改变：如肌细胞的梭形、红细胞的圆饼状、神经细胞的突起状等。
(2)细胞结构的变化：形成不同种类的细胞(尤其是细胞器种类和数量有较大差异)。
(3)细胞生理功能的特化：运动功能、运输功能、储存功能、免疫功能等。
探究二　细胞的全能性
[材料情境]我国科学家获得的世界上首批体细胞克隆猴“中中”和“华华”，使我国率先发展出基于非人灵长类疾病动物模型的全新医药研发产业链，促进针对阿尔茨海默病、孤独症等脑疾病，以及免疫缺陷、肿瘤、代谢性疾病的新药创制与研发，助力“健康中国2030”目标实现。如图是体细胞克隆猴的技术流程图。
图7　体细胞克隆猴“中中”“华华”培育流程图
1．克隆猴的成功，是否能说明已经分化的动物体细胞具有全能性？
2．克隆猴“中中”和“华华”的遗传性状与提供细胞核的供体猴的性状基本相同，原因是什么？
3．若直接用甲的体细胞进行培养，能否形成完整的个体？动物分化的体细胞和植物细胞相比，有何不同？
4．得到的克隆猴“中中”和“华华”的性别等绝大部分的性状应该和哪只猴相同？
5．已经分化的细胞具有全能性的原因是什么？
1．细胞的全能性
图8　细胞全能性知识点总结示意图
2．细胞分化与细胞全能性的关系
项目 细胞分化 细胞全能性
原因 不同细胞中的遗传信息表达情况不同 含有本物种全套遗传物质
结果 形成形态、结构和生理功能不同的细胞 产生完整有机体或分化成其他各种细胞
关系 ①两者发生过程中遗传物质都不发生改变；②一般来说，细胞分化程度越高，具有的全能性越低
3．科学家将人体多能干细胞“转化”为全能性的胚胎样细胞，该研究成果为需要进行器官移植的患者带来了希望。下列叙述错误的是（　　）
A．受精卵和人体早期胚胎细胞都不具有全能性
B．已分化的人体细胞的细胞核具有全能性的原因是细胞核内含有个体生长发育所需的整套遗传物质
C．全能干细胞可分化为各种组织细胞，说明其具有全能性
D．造血干细胞可分化成血细胞，没有体现动物细胞的全能性
“三看法”巧判细胞的全能性
图9　“三看法”巧判细胞的全能性
4．某科研团队首次证实了干细胞能够形成在结构和功能上都非常接近正常胰岛B细胞的细胞。在小鼠实验中，他们证实移植到小鼠体内的干细胞分化产生的胰岛B细胞会有效控制小鼠体内的葡萄糖代谢，这将为糖尿病的治疗开辟新途径。下列有关细胞分化的说法，正确的是（　　）
A．造血干细胞是一类未经分化的细胞，具有很强的分裂能力
B．干细胞分化产生的胰岛B细胞的蛋白质种类和其他细胞的完全不同
C．小鼠体内的干细胞分化成胰岛B细胞的过程体现了细胞的全能性
D．干细胞分化形成的胰岛B细胞一般难以再分化成其他细胞
当iPS“遇到”CRISPR/Cas9
诱导多能干细胞(iPS)技术和基因编辑技术(如CRISPR/Cas9)在当今生命科学研究中发挥着极其重要的作用，分别于2012年和2020年获得诺贝尔奖，都具有里程碑式的意义。2006年，科学家将细胞干性基因转入小鼠体细胞，诱导其成为多能干细胞，即iPS。2012年，研究人员发现一种源自细菌的CRISPR/Cas9系统可作为基因编辑的工具，能对基因进行定向改造。研究者将β-珠蛋白生成障碍性贫血小鼠的体细胞诱导成iPS细胞，再利用CRISPR/Cas9对该细胞的β-珠蛋白基因进行矫正，并诱导该细胞分化为造血干细胞，然后再移植到β-珠蛋白生成障碍性贫血小鼠体内，发现该小鼠能够正常表达β-珠蛋白。两大技术的“联手”，将在疾病治疗方面有更广阔的应用前景。
(1)科学家们尝试选用干细胞治疗某些顽固疾病，是因为________。由于细胞干性基因的转入，体细胞恢复了________的能力，成为iPS细胞。
(2)iPS细胞可以定向诱导成多种体细胞，诱导成的多种体细胞具有________(填“相同”或“不同”)的遗传信息，这说明细胞分化的根本原因是________。
(3)结合文中信息，概述iPS和CRISPR/Cas9技术“联手”用于疾病治疗的优势：________。
五、分层训练
课后分层练(二十五)　细胞的分化
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　细胞分化
1．细胞分化过程中不会出现的是（　　）
A．细胞结构的改变
B．细胞器种类和数量的改变
C．蛋白质种类和数量的改变
D．细胞核遗传物质的改变
2．科学家研究发现，组成人体的细胞有400多种类型，如白细胞、肌肉细胞、神经细胞等。这些多种多样的细胞产生的原因是（　　）
A．细胞发生了变异
B．某些细胞失去了全能性
C．细胞的基因不同
D．细胞中基因的选择性表达
3．如图所示为同一人体内的4种细胞，下列叙述正确的是（　　）
图10　人体四类特化功能细胞模式图
A．因为这4种细胞来自同一人体，所以各细胞中的蛋白质种类均相同
B．因为各细胞中携带的基因不同，所以形态、结构和生理功能不同
C．虽然各细胞大小不同，但细胞中含量最多的化合物相同
D．各细胞的生理功能不同，细胞核中的遗传物质也不同
4．转分化指某种类型的已分化细胞转变为另一种类型细胞的现象，如分化程度低的神经干细胞可转分化形成骨髓细胞和淋巴细胞等。转分化一般要经历去分化和再分化的过程。下列说法错误的是（　　）
A．转分化过程中细胞的遗传信息发生了变化
B．再分化过程的实质是基因的选择性表达
C．骨髓细胞与淋巴细胞中的蛋白质不完全相同
D．转分化可以协助组织、器官的修复和再生
考点二　细胞的全能性
5．胡萝卜根部的单个细胞经体外培养，能发育成完整的植株。其根本原因是胡萝卜根细胞（　　）
A．具有旺盛的分裂能力
B．具有该物种的全套基因
C．通过有丝分裂形成了植株
D．能合成胡萝卜所需的蛋白质
图11　胡萝卜根细胞全能性推导示意图
6．下列能体现细胞全能性的是（　　）
A．皮肤被划破后，伤口重新愈合
B．蜥蜴受攻击断尾后重新长出尾部
C．小鼠腺细胞的自我复制
D．胡萝卜组织块经离体培养形成完整植株
7．如图是与细胞增殖和分化有关的图解，据图回答下列问题：
图12　细胞增殖与细胞分化过程示意图
(1)图中A表示的是________过程，B表示的是________过程。
(2)图中b、c、d、e虽在形态、结构和生理功能上有稳定性差异，但具有相同的________。
(3)若e能合成血红蛋白，则b、c、d都________(填“不能”或“能”)合成，其根本原因是________。
(4)若a为植物细胞，而d能在体外条件下培养成一个植物体，说明d具有________性。
(5)图中的a、b、c、d、e这五个细胞相比较，哪一个细胞的全能性最大？________。
【综合提升练】
8．我国科学家开发了一种非转基因、快速、可控的“鸡尾酒”细胞重编程方法，能够将人的多能干细胞转化为具有全能性的8细胞期胚胎样细胞。下列相关叙述正确的是（　　）
A．人的多能干细胞转化为8CL细胞要经过细胞分化过程
B．由于8CL细胞未分化，因此细胞内不存在基因的选择性表达
C．多能干细胞转化为8CL细胞的事实，说明该多能干细胞具有全能性
D．该研究的成功说明高等动物体细胞的分化在体外条件下也是可逆的
9．人体的骨髓中存在少量的间充质干细胞(MSC，多能干细胞的一种)，如图表示MSC形成不同组织细胞的过程。下列叙述错误的是（　　）
图13　间充质干细胞自我更新与多向分化过程示意图
A．MSC与a过程产生的子细胞的核内遗传物质相同
B．经b过程后细胞器种类和数量出现改变
C．MSC全能性高于体细胞，但低于受精卵
D．b过程细胞形态、功能发生变化，是因为核内遗传物质有所改变
10．随着年龄的增长，肌肉损伤的恢复能力不断下降。其原因与蛋白质Gas1有关，该蛋白质会影响肌肉干细胞的相关行为。
(1)肌肉干细胞可以通过________产生更多的干细胞，还能通过________形成成熟的肌肉细胞，从而实现肌肉损伤的恢复。
(2)研究发现，随着年龄增长，表达Gas1基因的肌肉干细胞所占比例增加，据此推测，Gas1蛋白可能________(填“促进”或“抑制”)肌肉损伤修复。为进一步明确Gas1蛋白在肌肉损伤修复过程中的作用，分别检测4组小鼠肌肉损伤前后肌肉干细胞的数量变化，结果如下图所示，请在图中补充支持上述推测的结果。
图14　Gas1基因表达对幼龄鼠肌肉干细胞占比的影响
图15　Gas1基因敲除对老年鼠肌肉干细胞占比的影响
(3)已知Ret蛋白能够促进肌肉修复。科研人员根据相关研究提出假设：Gas1蛋白通过与Ret蛋白结合而影响肌肉修复。支持该假设的证据包括________。
A．Gas1蛋白和Ret蛋白在肌肉干细胞中定位区域相同
B．Gas1基因的全面表达能导致Ret基因的表达量降低
C．用Gas1蛋白特异性结合物质处理细胞匀浆获得的复合物中能检测到Ret蛋白
D．Gas1蛋白去除某区域后无法结合Ret蛋白，其对肌肉修复的影响作用消失
(4)根据以上研究提出一种治疗“肌肉衰退症”的思路：________。
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）√　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×
解析：（1）细胞分化发生在整个生命进程中，故为×。（3）同一个体的所有体细胞都是由同一个受精卵经细胞增殖和分化而来的，含有相同的基因，故为×。（4）蛙的红细胞和人的红细胞形态不同的原因是基因不同，不是基因选择性表达的结果，故为×。（5）断尾壁虎重新长出尾巴的过程中，没有发育成完整的有机体，不能体现全能性，故为×。（6）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，造血干细胞分化成各种血细胞只是细胞分化的表现，不能体现全能性，故为×。
（二）课堂探究·探究一（细胞的分化）
探究1　相同。人体的不同细胞都来源于同一个受精卵，是由同一个受精卵经过分裂、分化产生的。
探究2　C基因（管家基因）；A、B、D、E基因（奢侈基因）
探究3　基因的选择性表达，使得三种细胞中细胞器的种类和数量不同，因而不同细胞的形态、功能也表现不同。
探究4　奢侈基因
探究5　不能，细胞分化一般具有不可逆性的特点。
对练1　C
解析：基因1在图示三种细胞中都表达，属于管家基因；基因2、3、4都只在特定细胞中表达，属于奢侈基因，A正确。基因3只在胰岛细胞中表达，不可能是血红蛋白基因；基因1属于管家基因，可能是呼吸酶基因，B正确。同一生物不同细胞中所含基因种类相同，C错误。图中三种细胞是高度分化的细胞，不能进行分裂，不发生核DNA含量的动态变化，D正确。
对练2　A
解析：任何细胞生命活动都需要ATP供能，所以细胞中都能合成ATP水解酶，由图可知，基因2在每个细胞中都表达，故控制ATP水解酶合成的基因最可能是基因2，A错误。功能越相似的细胞，蛋白质种类越相似，表达的基因越相似，所以b、e功能可能最为相似，B正确。细胞分化的实质是基因的选择性表达，使细胞类型增多，C正确。a～g细胞来自同一生物体，细胞内染色体上遗传物质一般都相同，D正确。
（三）课堂探究·探究二（细胞的全能性）
探究1　不能，只能说明已分化的动物体细胞的细胞核具有全能性。
探究2　供体猴提供细胞核，遗传物质DNA主要分布于细胞核中，细胞核控制细胞遗传。
探究3　不能。和植物细胞相比，动物分化的体细胞全能性受到限制，但细胞核仍具有全能性。
探究4　甲猴。
探究5　已经分化的细胞仍然具有本物种生长发育所需要的全套遗传物质。
对练3　A
解析：受精卵和受精卵分裂得到的早期胚胎细胞都具有全能性，A错误。细胞核内含有个体生长发育所需的整套遗传物质，因此人体细胞的细胞核具有全能性，B正确。全能干细胞可分化为各种细胞，构成各种组织和器官，能体现全能性，C正确。造血干细胞分化成红细胞、白细胞和血小板，是细胞分化的结果，没有发育成完整有机体，不能体现动物细胞的全能性，D正确。
对练4　D
解析：造血干细胞已经发生分化，但仍保留分裂能力，A错误。干细胞分化产生的胰岛B细胞既表达某些特殊功能的基因，也表达与其他细胞相同的基因，其蛋白质种类与其他细胞不完全相同，B错误。干细胞分化成胰岛B细胞没有形成完整个体，没有体现全能性，C错误。细胞分化有不可逆性，干细胞分化形成的胰岛B细胞一般难以再分化成其他细胞，D正确。
iPS(1)　干细胞具有分化出各种组织和器官的潜能(或干细胞分裂能力强、全能性高)　分裂、分化
iPS(2)　相同　基因的选择性表达
iPS(3)　CRISPR/Cas9技术可解决利用iPS治疗过程中致病基因需要矫正的问题和细胞癌变问题；iPS使CRISPR/Cas9技术在疾病治疗方面应用范围更广
解析：（1）干细胞是动物和人体内仍保留着的少数具有分裂和分化能力的细胞，具有分化出各种组织和器官的潜能；由于细胞干性基因的转入，使体细胞恢复了分裂、分化的能力，成为iPS细胞。（2）诱导成多种体细胞不改变遗传物质，故具有相同的遗传信息，细胞分化的根本原因是基因的选择性表达。（3）CRISPR/Cas9可对致病基因定向矫正，同时iPS扩大了疾病治疗的应用范围。
（四）课后分层练
1　D
解析：细胞分化会使细胞形态、结构和生理功能发生稳定性差异，但不会改变细胞核中的遗传物质，选D。
2　D
解析：细胞中基因选择性表达，形成形态、结构和生理功能有差异的细胞，选D。
3　C
解析：同一个人体各细胞的细胞核DNA相同，但分化后蛋白质种类不完全相同，A错误；各细胞携带的基因相同，基因选择性表达导致形态、结构和生理功能不同，B错误；4种细胞大小不同，但细胞中含量最多的化合物相同，都是水，C正确；各细胞的生理功能不同是细胞分化的结果，但细胞核中的遗传物质相同，D错误。
4　A
解析：转分化过程是基因选择性表达的结果，遗传信息未发生变化，A错误。
5　B
解析：胡萝卜根细胞具有该物种的全套基因，这是其全能性的根本原因，选B。
6　D
解析：胡萝卜组织块经离体培养形成完整植株，体现了植物细胞的全能性，选D。
7（1）　细胞的增殖（或分裂）　细胞的分化
7（2）　遗传物质
7（3）　不能　基因的选择性表达
7（4）　全能
7（5）　a
解析：（1）A阶段细胞增殖使细胞数目增多，B阶段细胞分化使细胞形态、结构、功能发生稳定性差异。（2）b、c、d、e都由a增殖、分化而来，遗传物质相同。（3）e能合成血红蛋白为红细胞，b、c、d不能合成血红蛋白，根本原因是基因的选择性表达。（4）已分化的植物细胞能在体外培养成一个植物体，说明d具有全能性。（5）分化程度越低，全能性越高，a分化程度最低，全能性最大。
8　D
解析：多能干细胞转化为8CL细胞的过程中发生了脱分化，A错误；8CL细胞存在基因的选择性表达，B错误；多能干细胞没有体现分化成各种细胞，不能说明其具有全能性，C错误；细胞重编程说明高等动物体细胞的分化在体外条件下也是可逆的，D正确。
9　D
解析：a是细胞增殖，b是细胞分化过程。b过程细胞形态、功能发生变化是基因选择性表达的结果，核内遗传物质没有改变，D错误。
10（1）　细胞分裂　细胞分化
10（2）　抑制
图16　Gas1基因表达对幼龄鼠肌肉干细胞占比的影响（补充结果）
图17　Gas1基因敲除对老年鼠肌肉干细胞占比的影响（补充结果）
10（3）　ACD
10（4）　激活Ret蛋白的活性（或抑制Gas1基因的表达、增强Ret基因的表达、抑制Gas1蛋白与Ret蛋白的结合）
解析：（1）肌肉干细胞能通过细胞分裂增加自身数量，通过细胞分化形成成熟的肌肉细胞。（2）表达Gas1基因的肌肉干细胞比例增加，肌肉损伤恢复能力下降，推测Gas1蛋白抑制肌肉损伤修复，补充结果见图16、图17。（3）Gas1蛋白与Ret蛋白结合影响肌肉修复，证据为ACD。（4）可激活Ret蛋白的活性、抑制Gas1基因表达、增强Ret基因表达或抑制Gas1蛋白与Ret蛋白的结合，从而治疗肌肉衰退症。

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