4.2 细胞通过分化产生不同的细胞（教学课件）生物浙科版必修1

细胞通过分化产生不同的细胞 浙科版高中生物必修1《分子与细胞》第4章第2节 神经细胞 红细胞 Erythrocytes 肌肉细胞 授课人：XXX Nerve cells Fertilized egg 细胞分化 生命观念 理解细胞分化的本质 与意义，形成“结构与 功能相适应”“个体发 育是细胞增殖与分化 协同调控的结果”的生 命观念。 社会责任 关注干细胞治疗的临 床应用与伦理边界， 了解造血干细胞捐献 科普知识，树立健康 活、支持公益的责任 意识。 科学思维 通过分析造血干细胞 分化、iPS 细胞诱导 等案例，归纳细胞分 化特点，对比辨析细 胞全能性与干细胞分 化潜能。 科学探究 分析干细胞移植临床 数据，设计iPS治疗 白血病的可行性方 案，提升证据推理与 问题解决能力。 学习目标 主情境：生命的希 望与挑战——16岁白 血病患者小宇的故事 分情境一：造血干 细胞移植的原理 ——细胞分化与干细胞 情境探究目录 迁移应用：科技向 善，生命接力 ——治疗方案设计 与社会责任 分情境二：iPS细 胞的技术逻辑 ——细胞的全能性 4 主情境引入： 生命的希望与挑战 第一部分 中华骨髓库配型 首选方案：在中华骨髓库寻找合适的造 血干细胞配型。 iPS细胞定制 未来希望：如果找不到合适配型，未来 可尝试通过iPS细胞技术定制自体造血干 细胞进行治疗。 患者档案 小宇，16岁，确诊为白血病(血癌)。 当前困境 体内异常白细胞疯狂增殖，正常免疫功能 丧失，急需造血干细胞移植。 医生的建议 1. 首选方案：在中华骨髓库寻找合适的 造血干细胞配型。 2. 未来希望：如果找不到合适配型，未来 可尝试通过iPS细胞技术定制自体造血 干细胞进行治疗。 主情境：16岁白血病患者小宇的等待 ```markdown ``` Myocytes 带着这两个问题,让我们深入细胞的微观世界,寻找生命的答案。* 思考与探究： 问题1: 为什么输入健康 的造血干细胞,就能治愈 小宇的白血病?造血干 细胞在体内发生了怎样的 变化? 核心驱动问题 浙科版高中生物必修1《分子与细胞》第4章第2节 思考与探究： 问题2:什么是iPS技术? 为什么它能实现“自体干 干细胞定制”的奇迹? 8 --- 第二部分 分情境一：造血干细胞移植的 原理-— —细胞分化与干细胞 --- 情境导入：造血干细胞的“变身”魔法 浙科版高中生物必修1《分子与细胞》第4章第2节 ·生命的数据：人体内的 红细胞寿命仅约120天， 造血干细胞在人的一生 命中都在不断补充这些 损耗的细胞。 授课人：[您的名字] · 造血干细胞的潜能： 骨髓中的造血干细胞是 血液系统的“种子”。 它可以不断产生新的红 细胞、白细胞和血小板。 造血干细胞 球形白细胞 红细胞 血小板 红细胞 RBC 白细胞(80%+) Platelet 正常 白血病 授课人：[您的名字] 数据对比：白血病患者的血液危机 异常白细胞占比 高达80% ! 正常红细胞和血 小板数量锐减。 结果：贫血、出 血、极易感染(无 正常免疫功能)。 红细胞、白细胞、 血小板比例正常， 各司其职(携氧、 免疫、凝血)。 WBCs RBCs 【现象分析】 移植健康的造血干细胞后，小 宇体内重新产生了正常的红细 胞、白细胞、血小板。 【逻辑推导】 · 起点：造血干细胞(形态单 一，未特化) ·终点：红细胞、白细胞等 (形态各异，功能特化) 【结论】 细胞在形态、结构和功能上 发生了显著的差异性变化。 驱动问题：造血干细胞发生了什么变化? Erythrocyte 白细胞 血小板 造血干细胞 (起点) 红细胞 白细胞 天平 增殖(量变) 齿 轮 分化(质变) 协同作用 个体发育是细胞增殖与 分化协同调控的结果 ● 细胞数 量增加 · 1变为2,2变为4,形态不变 · 细胞分化的概念： - 在个体发育中，由一个或一种细胞增 殖产生的后代，在形态、结构和生理 功能上发生稳定差异的过程。 核心概念：细胞分化 细胞增殖 (Cell Proliferation) (量变) 1变为2,2变为4,形态不变 细胞分化 (Cell Differentiation) (质变) · 细胞种类增加，功能特化 肌肉细胞 · 细胞种类增加，功能特化 同一种细胞 神经细胞 11 普 遍 性 ：生物界普遍存在的生命现象 持 久 性 ：贯穿于生物体整个生命进程中(胚胎期 期达到最大限度) 深度探究：细胞分化的特点(一) 资料分析：受精卵分化出各种组织器 官(分化达到最大限度) 洪 S 果愈 胚胎发育期 【文字内容】 成体期 表皮生发层细胞 资料分析：造血干细胞一生都在分化产生新 的血细胞；表皮生发层细胞不断分化朴充脱 落的角质层 探究问题1:细胞分化只发 生在胚胎期吗? 受精卵 Fertilized egg 生命时间轴 新血细 胞 造血干细胞 角质层 表皮 胎儿 成人 婴儿 胚胎 深度探究：细胞分化的特点(二) ● 探究问题2:分化后的细胞还能变回原来的样子吗? ● 资料分析： ● 正常生理状态下，成熟的红细胞不会逆转为造血干细胞。 ●神经细胞一旦形成，将终生保持其特定的形态和功能，直至衰老死亡。 ●稳定不可逆性：在正常生理状态下，细胞分化是不可逆的。分化后的细胞将一直保持分化 后的状态，直到死亡。 不可逆 ● 归纳特点： Erythrocytes 造血干细胞 深度探究：细胞分化的本质 核心矛盾 (Core Paradox): · 前置知识：有丝分裂产生的子细胞，其遗传物质( DNA) 与亲代细胞完全相同 · 现实观察：分化后的细胞(如神经细胞和红细胞)在形态、功能上差异极大 截然不同的形态与功能 (神经细胞 vs 红细胞) 如果细胞分化的过程中DNA没有发生改变，是什么物质发 生了物质发生了变化导致了细胞功能的巨大差异? ( 相同的DNA (全套基因) 探究问题3: 神经细胞 红细胞 而引起形态结构和功能的差异。 ■ 举例： ·红细胞：血红蛋白基因(开启 ),肌动蛋白基因(关闭)。 ·心肌细胞：血红蛋白基因(关闭 ( 关闭),肌动蛋白基因(开启)。 【文字内容】 ■ 细胞分化的本质：基因的选择性表达 ■机制解析： ·所有体细胞都含有本物种全套的遗传信 息 (管家基因基因+奢侈基因)。 OFF Gene A GFF Gene X 微观机制：基因的选择性表达 ·在不同细胞中，表达的基因不完全相同。 ·导致合成的蛋白质种类和数量不同，进 Gene A moglobin Gene 所有细胞含全套基因 右侧：心肌细胞 左侧：红细胞 M Gene X ```markdown ``` Actin Gene 异常分化：当调控机制失灵 如果分化调控出现异常会导致什么结果? 回归情境： 细胞癌变： ● 细胞癌变本质上是细胞异常分化的结果。 ·正常细胞在致癌因子的作用下，基因突变导致分 化受阻或逆转，变成不受控制、无限增殖的癌细 · 小宇的白血病，正是由于骨髓中的造血干细胞 发生了异常分化，产生了大量无正常功能的白 血病细胞，挤占了正常细胞的生存空间。 Normal hematotoietic stem cell Hematotioietic stem cell Thrombocytes Erythrocytes Leukocytes 胞。 全能干细胞 (Totipotent Stem Cell) 可发育为完整个体(如：受精卵) 多能干细胞(Pluripotent Stem Cell) 可分化为除胎盘外的所有成体组织细胞 (如：胚胎干细胞、iPS细胞) 生命之源：干细胞的分类与潜能 专 能 干 细 胞(Multipotent Stem Cel) 只能分化为特定类型的细胞 (如：造血干细胞、神经干细胞) * 分 化 程 度 逐 渐 升 高 ， 分 化 潜 能 逐 渐 降 低 。 Hematopoietic Stem Cell Embryonic Stem Cell Fertilzed Egg Neural Stem Cell 第三部分 分情境二：iPS细胞的技术逻 辑——细胞的全能性 --- · 前沿科技成果：2012年诺贝尔生理学或医 学奖奖授予了日本科学家山中伸弥和英国 科学家和约翰 ·格登。 · 核心贡献：发现成熟的、已分化的体细胞可 以被重新编程，逆转为具有多向分化潜能的 干细胞——诱导多能干细胞(iPS细胞)。 · 实验过程：山中伸弥将4个特定基因转入小鼠 高度分化的皮肤细胞，成功使其“返老还童” ,变成了类似胚胎干细胞的iPS细胞。 高度分化的 情境导入：2012年诺贝尔奖的突破 高度分化的 iPS重新编程 诱导中细胞 体细胞 工具 体细胞 4个神奇基因 (OCT4,SO×2, KLF4,c-MYC) 诱导多能干细胞 (iPS细胞) Hepatocyte 多向分化潜能 iPS诱导流程图 Pancreatic βeti cells 多向分化潜能 Cardiowocytes iPS细胞 肝汗柚子 认知冲突 ● 刚才我们得出结论：正常生理状态下， 细胞分化是稳定不可逆的。 ● 诺奖成果显示：高度分化的皮肤细胞 被诱导回了多能干细胞。 生理状态：不可逆 探究问题 ● 这是否推翻了之前的结论? ● 细胞分化的不可逆性是绝对 的吗?逆转需要什么条件? 人工诱导：可逆转 特定基因导入 8 ```markdown ``` 驱动问题：细胞分化真的不可逆吗? 案例1:胡萝卜组织培养实验(1958年，斯图尔德) 实验过程： ● 取高度分化的胡萝卜韧皮部细胞。 ● 在离体、无菌、添加营养物质和植物激素的条件下培养。 ● 细胞脱分化形成愈伤组织，最终发育成完整的胡萝卜植株。 结论： 高度分化的檀物细胞具有发育成完整个体的潜能。 深度探究：植物细胞的全能性 细胞脱分化 形成愈伤 组织 试管中的 愈伤组织 高度分化的胡萝 卜韧皮部细胞 无扇 完整植株 最终发育成完整的 胡萝卜植株 胡萝卜根切片 试管苗 凸 实验过程： ●将猕猴的体细胞核移入去核的卵母细胞中。 ●经过电刺激融合和体外培养，发育成早期胚胎。 ●代孕母猴产下克隆猴。 自结论： ●高度分化的动物体细胞核具有全能性。 思考：为什么动物体细胞不能直接表现全能性，只有细胞核可以? (卵母细胞的细胞质中含有激发细胞核全能性表达的物质) 深度探究：动物体细胞核的全能性 案例2:克隆猴“中中”和“华华”(2017年，中国科学家) 体猕胞核体身细胞 去核卵母细胞(空心) 重组细胞 电刺激融合 和体外培养 体细胞核 (蓝色) 代孕母猴产下克隆猴 早期胚胎 · 细胞的全能性 (Totipotency): ●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。 · 全能性的物质基础(原理): (Reproductive cells) 体细胞 (Somatic cells) 全能性表达潜能 (Totipotency Expression Potential) · 细胞内含有本物种全套的遗传物质 (DNA 全套图纸都在，只是部分被封存了)。 ·全能性表达的难易程度： 核心概念：细胞的全能性及原理 · 受精卵>生殖细胞>体细胞 生殖细胞 全套遗传图传图纸 受精卵 (Fertilized egg) · 植物细胞>动物细胞 【文字内容】: · 案例3: iPS细胞治疗老年黄斑变性 (2023年，中国科学家) · 治疗逻辑： · 提取患者自身体细胞。 · 诱导为iPS细胞(多能干细胞)。 ·定向分化为视网膜色素上皮细胞。 · 移植回患者眼部，恢复视力。 · 意义：证明了人工调控条件下，细胞分 化不仅可以逆转，还能重新定向分化， 为再生医学带来革命性突破。 前沿应用：iPS细胞的临床奇迹 iPS细胞 (多能干细胞) 定向分化为 视网膜色素上皮细胞 患者剪影 定向分化 (人工调控) 移植回眼部， 恢复视力 自体细胞来源 提取自体细胞 视网膜细胞 患者剪影 心脏 神经 血液 无法形成完整胎儿 · 多能性 (如iPS细胞、胚胎干细胞) ·潜能：能分化为成体的所有组织和器官，但不 能发育成完整个体(缺乏发育为胎盘的能力) ·终点：各种组织器官的细胞 概念辨析：全能性vs 多能性 关键问题：iPS细胞属于多能干细胞，它和具有全能性的受精卵有什么区别? 受精卵 完整的婴儿 · 全能性 (如受精卵) ·潜能：能发育成完整的个体(包括胎盘等附属 组织) ·终点：一个完整的生命体 A iPS cell 第四部分 迁移应用与社会责任： 科技向善，生命接力 迁移应用：为小宇设计iPS治疗方案 情境拓展：如果小宇始终找不到合适的造血干细胞配型，请结合本节课知识， 设计一套基于iPS技术的治疗方案。 方案设计步骤 3.定向分化：在体外提供特定 条件，促使iPS细胞定向分化 为健康的造血干细胞 4. 移植：将定制的造血干细胞 移植回小宇体内，重建血 血液和免疫系统 2.重编程：导入特定基因， 将其诱导逆转为iPS细胞 Healthyhuman skin fibroblast 授课人：[您的名字] 1. 取材：提取小宇自身的 造血干细胞 方案优势 · 无免疫排斥：使用自体 细胞定制，完美解决配型 难题和排异反应。 ●来源广泛：皮肤细胞等极 极易获取，无需等待骨髓 库捐献。 · 致癌风险：iPS细胞具有无 限增殖潜能，若未完全分化 或发生基因突变，移植后 可能形成畸胎瘤。 · 伦理规范：干细胞研究必 须严格遵守生命伦理规范， 方案评估：优势与潜在风险 禁止用于生殖性 性克隆。 潜在风险与挑战 授课人：[您的名字] teratoma 【文字内容】: 现实的呼唤： 目前iPS技术治疗白血病仍处于临床试验 阶段，造血干细胞移植依然是拯救小宇们 最成熟、最有效的手段。 科学认知： 捐献造血干细胞不会影响身体健康(干细 胞具有强大的自我更新能力，1-2周即可恢 复正常水平)。 采集过程类似献血，无需抽取骨髓。 生命接力： 鼓励大家在成年后了解并自愿加入中华 骨髓库，为血液病患者点亮生命的希望。 HSCs 科学认知，消除恐惧 中华牢 社会责任：造血干细胞捐献科普 自我更新 不会影响健康 类似献血 无需骨髓 形态、结构、功能发生 持久差异性变化 持久性、普遍性、稳定 不可逆 (生理状态下) 基因选择性表达 (DNA 不变，蛋白质改变) 个体发育的基础，调 控异常可导致癌变 未分化、可分化为多种细胞 全能(受精卵)、多能(iPS)、 专能(造血干细胞) 具有发育为完整个体的 潜能 课堂总结：知识图谱构建 干细胞 细胞通过分化 产生不同的细胞 定义 类型 概念 概念 特点 本质 意义 细胞含本物种全套遗传 物质 植物组织培养、动物体 细胞核移植 细胞全能性 原理 细胞分化 实例 $