用化合物C能快速高效的将hESCs和hiPSCs诱导为神经祖细胞
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2024年高中生物新教材同步选择性必修第三册第3章本章知识网络含答案本章知识网络一、实验原理1.提取DNA的原理利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异,选用适当的物理或化学方法提取DNA,去除其他成分。
如:(1)DNA在酒精溶液中的溶解性:DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精。
(2)DNA在NaCl溶液中的溶解性:DNA在不同浓度的NaCl溶液中的溶解度不同,它能溶于2 mol/L的NaCl溶液。
2.鉴定DNA的原理在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
二、实验步骤三、操作提示1.以血液为实验材料时,每100 mL血液中需要加入3 g柠檬酸钠,防止血液凝固。
2.加入酒精和用玻璃棒搅拌时,动作要轻缓,以免加剧DNA分子的断裂,导致DNA分子不能形成絮状沉淀。
四、关键点拨1.利用动物细胞提取DNA时,破碎细胞的方法:动物细胞无细胞壁,可直接使其吸水涨破。
2.不能选用哺乳动物成熟的红细胞作为实验材料,原因是哺乳动物成熟的红细胞无细胞核。
3.提纯DNA时,选用体积分数为95%的冷酒精的原因:体积分数为95%的冷酒精提纯效果更佳。
4.实验中进行了2次静置或离心,目的是将DNA和杂质分子分开,第1次操作后,DNA存在于上清液中;第2次操作后DNA存在于析出的白色丝状物或离心管沉淀中。
例1如表关于DNA粗提取与鉴定实验的表述,不正确的是()选项试剂操作作用A研磨液与生物材料混合提取溶解DNAB 2 mol/L NaCl溶液与提取出的DNA混合溶解DNAC冷却的酒精加入到离心后的上清液中溶解DNAD二苯胺试剂加入到溶解有DNA的NaCl溶液中鉴定DNA答案C解析DNA不溶于酒精溶液,但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精,利用这一原理可以将蛋白质和DNA进一步分离,C错误。
例2(2023·河北邯郸高二期中)如图为DNA的粗提取与鉴定实验的部分操作流程。
下列相关叙述正确的是()A.将图1中的研磨液过滤后保留沉淀B.图2过程中,用玻璃棒进行交叉搅拌会使DNA析出更快C.图2析出得到的白色丝状物只能溶于2 mol/L的NaCl溶液中D.图3对提取后的DNA进行鉴定,两支试管中均要加入二苯胺试剂答案D解析将图1中的研磨液过滤后应保留上清液,A错误;图2过程中,用玻璃棒搅拌要轻轻搅拌且沿同一方向进行,以免加剧DNA分子的断裂,B错误;图2析出得到的白色丝状物主要成分是DNA,DNA在NaCl溶液中的溶解度是随着NaCl的浓度变化而改变的,不是只能溶于2 mol/L的NaCl溶液中,C错误。
第一章测试1.下列哪个不是细胞工程的研究对象?()。
A:酵母B:动植物细胞核C:原生质体D:动物胚胎答案:A2.下列哪项不是细胞工程的特点?()。
A:理论性B:前沿性C:应用性D:争议性答案:A3.下列哪项不是细胞工程发展经历的阶段?()。
A:诞生期B:探索期C:缓慢发展期D:快速发展期答案:C4.1907年,从蝌蚪脊索中分离出神经嵴组织,并在淋巴液中成功培养几周,开创了组织培养的先河的是生物学家()。
A:HaberlandtB:KohlerC:RouxD:Harrison答案:D5.克隆动物是属于()。
A:组织与器官修复技术B:新品种培育技术C:生物制品生产技术D:动植物快速繁殖技术答案:D第二章测试1.下列细胞工程实验室设置的原则有误的是()。
A:要求严格保持无菌环境B:实验室一般应建在通风效果较好的位置C:细胞工程实验室应具有无菌操作、培养与观察、制备、清洗与消毒、储藏等功能D:无菌操作室应划分为更衣间、缓冲间与操作间答案:B2.植物细胞工程与动物细胞工程实验室设置最大的区别为()。
A:无菌环境要求的严格程度B:温度的控制要求C:光照时间与强度的控制要求D:墙面及地面设施的要求答案:C3.下列哪个设置属于细胞工程实验所必须的?()。
A:超净台B:荧光定量PCR仪C:超速离心机D:酶标仪答案:A4.下列动物细胞常放置在下列哪种仪器中进行培养?()。
A:电热干燥箱B:光照培养箱C:恒温震荡培养箱D:二氧化碳培养箱答案:A5.埃博拉病毒是一种能够引起人类和灵长类动物产生埃博拉出血热的烈性传染病病毒,死亡率高达50%-90%之间。
目前对埃博拉病毒病尚无特效治疗方法,根据实验室生物安全标准,埃博拉病毒的研究需要在下列哪种级别的实验室开展?()A:P4实验室B:P1实验室C:P3实验室D:P2实验室答案:A6.下列对细胞工程实验室的生物安全要求说法正确的是?()。
A:实验使用的器皿需采用专门的高压消毒袋盛放,并在清洗前先进行高压消毒B:所有操作均采用专门的器械吸取,不能口吸C:着专门实验服D:操作前后要消毒答案:BCD7.实验中常常将动物细胞置入-20度冰箱中长期储藏。
河南省高中生物第6章细胞的生命历程全部重要知识点单选题1、2022年2月,《细胞发现》上发表了我国科学家的研究。
研究表明,尿苷(尿嘧啶核苷)是一种能延缓人类干细胞衰老、促进多组织再生修复的关键代谢物。
研究人员用注射、涂抹、口服尿苷等方式处理小鼠可以促进多种组织器官的损伤后修复。
此前的研究也发现,年轻个体血浆中的尿苷含量比老年人高。
下列相关说法正确的是()A.尿苷与腺苷、鸟苷、胸苷等通过磷酸二酯键连接可形成RNAB.用3H标记的尿苷饲喂动物,可能在细胞质基质、线粒体、细胞核、内环境中检测到放射性C.干细胞衰老后便失去了细胞的全能性,影响了组织的损伤修复D.衰老细胞的细胞核体积增大,端粒 DNA序列逐渐向外延长答案:B分析:胞衰老的特征:(1)细胞内水分减少,结果使细胞萎缩,体积变小,细胞新陈代谢速率减慢;(2) 细胞内多种酶的活性降低;(3)细胞内的色素会随着细胞衰老而逐渐累积,它们会妨碍细胞内物质的交流和传递,影响细胞正常的生理功能;(4)细胞内呼吸速度减慢,细胞核的体积增大,核膜内折,染色质收缩,染色加深;(5)细胞膜通透性功能改变,物质运输功能降低。
A、胸苷是合成DNA的组成成分,不是合成RNA的组成成分,A错误;B、3H标记的尿苷是合成RNA的组成成分,凡是有RNA出现就有尿苷,就有放射性,因此可能在细胞质基质、线粒体、细胞核、内环境中检测到放射性,B正确;C、干细胞衰老后仍具有细胞的全能性,C错误;D、衰老细胞的细胞核体积增大,根据端粒学说,细胞衰老是因为细胞每分裂一次,染色体两端的端粒就会缩短一截,最后使DNA的正常功能受到影响,因此衰老细胞的端粒DNA序列不会向外延长,而是缩短,D错误。
故选B。
2、下图是细胞有丝分裂过程中一个细胞中核DNA含量变化曲线和染色体数量变化曲线,下列有关曲线分析不正确的是()A.ab段曲线上升的原因是发生DNA复制B.gh时刻,着丝粒分裂,使染色体数量加倍C.cd段和ij段曲线下降到2C,是由于染色体平均分配到2个子细胞中D.fi段1条染色体含2个DNA分子,两条姐妹染色单体答案:D分析:根据题意和图示分析可知:左图中ab表示DNA分子复制;cd段着丝粒分裂,姐妹染色单体分开后,进入两个细胞中。
高三开学考试生物试题参考答案1.【答案】D【详解】A、根据题意可知,当细胞缺乏氨基酸时,某种RNA无法结合氨基酸(空载),空载RNA 与核糖体结合后,启动RelA利用GDP和ATP合成ppGpp。
ppGpp可进一步提高细胞内甲类基因或降低乙类基因的转录水平,甚至直接抑制翻译的过程,从而在一定程度上缓解氨基酸缺乏造成的影响,该过程属于负反馈调节,A正确;B、根据"空载RNA能与核糖体结合",可说明空载RNA属于tRNA,tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子的碱基之间通过氢键结合,B正确;C、转录需要RNA聚合酶与其结合位点识别并结合后才能启动,因此ppGpp可能与RNA聚合酶结合调控甲类基因启动子的开启促进其转录,C正确;D、当细胞缺乏氨基酸时,细胞内可利用氨基酸合成酶自我合成,因此此时氨基酸合成酶基因表达应增强,而ppGpp可提高细胞内甲类基因或降低乙类基因的转录水平,因此可说明氨基酸合成酶基因属于甲类基因,rRNA基因转录形成的rRNA是构成核糖体的结构,由于ppGpp可直接抑制翻译的过程,因此需要的核糖体减少,则需要的rRNA减少,因此rRNA基因属于乙类基因,D错误。
2.【答案】C【详解】A、由"细胞迁移时,TSPAN4蛋白及胆固醇在细胞局部高度富集,增大了富集区域膜的弯曲度,形成迁移小体。
"可知,并且迁移小体是一类由细胞膜包被形成的细胞器,迁移小体的形成依赖于细胞膜的流动性,A正确;B、迁移小体与细胞间的信息交流有关,所以迁移小体内可能含有激素、淋巴因子等信号分子,B正确;C、抑制TSPAN4蛋白的合成,迁移小体形成受阻,细胞迁移也会受阻,可能会抑制癌细胞的扩散,C错误;D、由"些线粒体可被迁移小体吞噬并从细胞中清除"可知,迁移小体可清除损伤线粒体以维持细胞内部环境稳定,D正确,3.【答案】C【详解】A、检验点甲的功能是评估细胞大小,在细胞分裂间期,细胞会适度长大,因此检验点甲接受的反馈信号可能是细胞体积增大到一定程度,A正确;B、检验点乙的功能是评估DNA是否准确复制,即检验点乙后,细胞已经完成了DNA复制,检测点丙对应的时期为前期,所以处于检验点乙、丙之间的细胞中染色质丝缩短变粗成为染色体,B正确;C、检验点乙是评估DNA 是否准确复制,是有丝分裂的间期,而评估细胞大小决定细胞是否进行分裂发生在DNA分子复制后,故发生的先后顺序为先检验点乙后检验点甲,C错误;D、纺锤体是否正确组装关系到后期染色体能否均分到细胞两极,D正确。
第一章测试1.干细胞可以分为多潜能干细胞和组织干细胞两种类型,组织干细胞根据来源又可以分为胚胎组织干细胞和成体组织干细胞。
()A:对B:错答案:A2.多潜能干细胞可以根据其分化潜能分为Naïve态和Primed态,也就是原始态多能性和激发态多能性。
最初建立的小鼠胚胎干细胞和人胚胎干细胞都是处于Primed状态的。
()A:对B:错答案:B3.胚胎的发育起始于精卵结合后形成的具有全能性的受精卵,全能性胚胎经历6-7次细胞分裂后会形成着床前的囊胚,此时胚胎由滋养层细胞和内细胞团细胞组成,胚胎干细胞就是从具有多潜能性的滋养层细胞建系获得的。
()A:错B:对答案:A4.体细胞核移植和诱导多能干细胞技术是现在最可靠的将体细胞重编程为全能性胚胎或多能性干细胞的两种方法。
()A:对B:错答案:A5.全能性是指细胞具有发育为整个个体和支持个体发育的胚外组织的能力,只有受精卵和早期胚胎的卵裂球具备全能性;多能性是指细胞具有发育为整个个体所有细胞类型的能力。
()A:错B:对答案:B6.最早的体细胞核移植实验是在哺乳动物中完成的。
()A:错B:对答案:A7.通过显微操作构建的只两个雄原核的孤雄胚胎会在发育至一定阶段死亡,但含有两个雌原核的孤雌胚胎不会。
()A:错B:对答案:A8.印记基因是指仅一方亲本来源的同源基因表达,而来自另一亲本的不表达。
()A:对B:错答案:A9.显微操作仪的构成比较简单,主要由一台倒置显微镜和左右两个显微操作臂组成。
()A:对B:错答案:A10.体细胞核移植的具体操作由去核和注核两步组成,一般受体是受精卵。
()A:错B:对答案:A第二章测试1.人的胚胎干细胞形态与小鼠不同,相比而言人胚胎干细胞的克隆形态更加饱满致密。
()A:错B:对答案:A2.虽然同样来源于植入前囊胚内细胞团,但人类和小鼠胚胎干细胞在形态、培养条件和信号通路上均有很大的差异。
()A:错B:对答案:B3.胚胎干细胞可分为原态(naïve state)和始发态(primed state)两种类型,原态干细胞的经典代表是灵长类胚胎干细胞,而始发态干细胞的经典代表是啮齿类胚胎干细胞。
常州市2024—2025学年第一学期高三期中质量调研生物2024年11月注意事项考生在答题前请认真阅读本注意事项及各题答题要求1.本试卷共8页,满分为100分,考试时间为75分钟。
考试结束后,请将答题卡交回。
2.答题前,请务必将自己的姓名、准考证号用0.5毫米黑色墨水的签字笔填写答题卡的规定位置。
3.请认真核对答题卡上所粘贴的条形码上的姓名、准考证号与本人是否相符。
4.作答选择题,必须用2B铅笔将答题卡上对应选项的方框涂满、涂黑;如需改动,请用橡皮擦干净后,再选涂其他答案。
作答非选择题,必须用0.5毫米黑色墨水的签字笔在答题卡上的指定位置作答,在其他位置作答一律无效。
5.如需作图,必须用2B铅笔绘、写清楚,线条、符号等须加黑、加粗。
一、单项选择题:本部分共15小题,每小题2分,共30分。
每小题只有一个选项最符合题意。
1.细胞中的大多数有机化合物含有元素C、H、O,下列相关叙述正确的是()A.淀粉与脂肪均只含有C、H、O,都是动物细胞的储能物质B.ATP与dATP的组成元素还有N、P,都有两个特殊化学键C.磷脂与核酸共同含有的元素还有P,两者共同构成核糖体D.端粒与端粒酶含有的相同元素还有N,前者可被后者水解2.图示眼虫含有叶绿体、溶酶体等细胞器,下列相关叙述正确的是()A.图中丝状结构的末端会形成轴突以扩大接受刺激的面积B.眼虫与碳循环有关的细胞结构为细胞质基质和线粒体C.眼虫细胞溶酶体内含有的酸性水解酶参与细胞自噬D.该眼虫需用活性染料染色后才能在光学显微镜下观察到3.某同学进行下列实验时,相关操作或叙述合理的是()A.用斐林试剂检测淀粉酶处理前后的淀粉溶液和麦芽糖溶液,以验证酶的专一性B.进行酵母菌的有氧呼吸实验时,需让空气持续通过装置并在适宜的环境中培养C.色素层析实验中滤纸条上条带的多少与叶片所含色素种类及层析时间等因素有关D.探究CO2浓度对光合作用强度的影响时,可设置NaHCO3溶液的浓度为1%~20%4.关于细胞呼吸的类型及其物质和能量的变化,下列叙述正确的是()A.无氧环境下乳酸菌产生的ATP与NADPH主要来自细胞呼吸第一阶段B.人体细胞无氧呼吸产生的乳酸在一系列酶的作用下可转化为葡萄糖C.1分子葡萄糖经无氧呼吸产生酒精时生成的ATP比产生乳酸时生成的多D.细胞呼吸消耗的O2量等于CO2的生成量时的呼吸作用类型为有氧呼吸5.关于物质运输的方式及特征,下列叙述错误的是()..A.渗透作用表现为溶剂从多的部位向少的部位流动B.葡萄糖通过红细胞膜上的通道蛋白进入到细胞内C.胞吞和胞吐涉及细胞内多种生物膜的识别和融合D.物质经质膜被动运输使其在细胞内外的浓度趋同6.图示为几丁质合成酶参与合成几丁质,下列相关叙述错误的是()..A.几丁质合成酶在细胞内的核糖体上合成B.几丁质合成酶既具有亲水性也具有疏水性C.细胞以主动运输的方式将几丁质运至胞外D.抑制几丁质合成酶的活性可防治有害昆虫7.关于生物进化史中的重要观念,下列叙述正确的是()A.达尔文的自然选择学说揭示了生物进化的机制和实质B.生物进化的过程实际上是生物与无机环境协同进化的过程C.自然选择作用于生物的基因型导致种群基因频率的定向改变D.基因重组增强了生物变异的多样性且能加快生物进化的速度8.关于基因表达的过程及其研究进展,下列叙述正确的是()A.转录过程中,作为原料的核糖核苷酸添加到RNA链的5'端B.mRNA从核孔出来后,直接与内质网上附着的核糖体结合C.翻译时,tRNA将氨基酸运输到核糖体特定位点后立即离开D.检测细胞中的某种基因是否转录时,可采用RT-PCR技术9.细胞的生命历程往往包括细胞分裂、分化、衰老和死亡,下列相关叙述正确的是()A.细胞坏死一定是一种被动性死亡B.高度分化的细胞都不具备分裂能力C.细胞毒性T细胞导致的靶细胞死亡属于程序性死亡D.个体衰老的过程不代表组成个体的细胞普遍衰老的过程10.图示染色体的端粒断裂后,姐妹染色单体会在断裂处发生融合,且融合的染色体在细胞分裂后期由于纺锤丝的牵引,可在两个着丝粒之间的任何一处发生随机断裂。
感受态细胞的制备与转化高中生物学选择性必修三基因工程中对于细菌作为表达载体的受体细胞,只是简单地说“先用Ca2+处理使之成为感受态细胞”,但如何制备感受态细胞并使其转化未作详细说明。
常态的细胞不能摄入外部溶液中的DNA,所以要转化质粒DNA进入大肠杆菌必须首先制备感受态的大肠杆菌细胞。
所谓的感受态细胞,即指受体(或者宿主)最易接受外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态。
通俗的讲,就是受体细胞经过一些特殊方法(如:CaCl2,RuCl3等化学试剂法)处理后,细胞膜的通透性变大,能够容许外源DNA分子通过,这时的细胞就称为感受态细胞。
一般来说,感受态细胞的最基本要求是:1. 没有质粒(也可以有与待转质粒复制子兼容的质粒)2. 容易被转进去(一般是G-细菌,细胞壁薄)3. 营养条件一般,非苛养菌在基因克隆技术中,转化特指将质粒DNA或以其为载体构建的重组DNA导入细菌体内,使之获得新的遗传特性的一种方法。
它是微生物遗传、分子遗传、基因工程等研究领域的基本实验技术之一。
受体细胞经过一些特殊方法(如:电击法,CaCl2等化学试剂法)处理后使细胞膜的通透性发生变化,成为能容许外源DNA分子通过的感受态细胞。
进入细胞的DNA分子通过复制、表达实现遗传信息的转移,使受体细胞出现新的遗传性状。
化学制备法大肠杆菌的转化常用化学法(CaCl2法),该法最先是由Cohen于1972年发现的。
其原理是细菌处于0℃,CaCl2的低渗溶液中,菌细胞膨胀成球形,转化混合物中的DNA形成抗DNase的羟基-钙磷酸复合物粘附于细胞表面,经42℃短时间热冲击处理,促使细胞吸收DNA复合物,在丰富培养基上生长数小时后,球状细胞复原并分裂增殖,被转化的细菌中,重组子中基因得到表达,在选择性培养基平板上,可选出所需的转化子。
Ca2+处理的感受态细胞,其转化率一般能达到5×106~2×107转化子/ug质粒DNA,可以满足一般的基因克隆试验。
2024年高中生物新教材同步选择性必修第一册第4章第2节第2课时细胞免疫及体液免疫和细胞免疫的协调配合含答案第2课时细胞免疫及体液免疫和细胞免疫的协调配合[学习目标] 1.概述细胞免疫的过程。
2.认识神经调节、体液调节和免疫调节的相互关系。
一、细胞免疫及体液免疫和细胞免疫的协调配合1.细胞免疫的概念:当病原体进入细胞内部,就要靠T细胞直接接触靶细胞来“作战”,这种方式称为细胞免疫。
2.细胞免疫的基本过程①被病原体(如病毒)感染的宿主细胞(靶细胞)膜表面的某些分子发生变化,细胞毒性T细胞识别变化的信号。
②细胞毒性T细胞分裂并分化,形成新的细胞毒性T细胞和记忆T细胞。
细胞因子能加速这一过程。
③新形成的细胞毒性T细胞在体液中循环,它们可以识别并接触、裂解被同样病原体感染的靶细胞。
④靶细胞裂解、死亡后,病原体暴露出来,抗体可以与之结合;或被其他细胞吞噬掉。
判断正误(1)T细胞只参与细胞免疫,B细胞只参与体液免疫()(2)活化的细胞毒性T细胞可直接将病原体消灭()答案(1)×(2)×任务一:分析细胞免疫的具体过程1.探究细胞免疫的研究历程资料1:1883年,俄国学者梅契尼科夫提出原始的细胞免疫学说,他认为吞噬细胞是执行抗感染免疫作用的细胞。
资料2:1942年,蔡斯和兰德施泰纳用致敏豚鼠血清给正常动物注射后做结核菌素免疫实验,结果没有出现阳性反应。
当转输淋巴细胞后,结核菌素反应出现阳性结果。
证实了此免疫反应是由淋巴细胞引起的。
此后,科学家将细胞免疫的概念改为由淋巴细胞引起的特异性免疫,这是现代的细胞免疫概念。
资料3:1974年,辛克纳吉和杜赫提证实小鼠T细胞杀伤病毒感染的靶细胞时,不仅需要特异性识别抗原种类,而且同时需要识别MHC分子,这种现象也称为MHC限制性。
注:当细胞被病原体感染时,细胞降解抗原并将其加工成抗原多肽片段,再以抗原肽-MHC 复合物的形式表达于细胞表面,供T细胞识别。
26细胞工程1.(2024·湖北高考)波尔山羊享有“世界山羊之王”的美誉,具有生长速度快、肉质细嫩等优点。
生产中常采用胚胎工程技术快速繁殖波尔山羊。
下列叙述错误的是()A. 选择遗传性状优良的健康波尔母山羊进行超数排卵处理B. 胚胎移植前可采集滋养层细胞进行遗传学检测C. 普通品质的健康杜泊母绵羊不适合作为受体D. 生产中对提供精子的波尔公山羊无需筛选2.(2024·吉林卷)迷迭香酸具有多种药理活性。
进行工厂化生产时,先诱导外植体形成愈伤组织,再进行细胞悬浮培养获得迷迭香酸,加入诱导剂茉莉酸甲酯可大幅提高产量。
下列叙述错误的是()A. 迷迭香顶端幼嫩的茎段适合用作外植体B. 诱导愈伤组织时需加入NAA和脱落酸C. 悬浮培养时需将愈伤组织打散成单个细胞或较小的细胞团D. 茉莉酸甲酯改变了迷迭香次生代谢产物的合成速率3.(2024·1月浙江卷)山药在生长过程中易受病毒侵害导致品质和产量下降。
采用组织培养技术得到脱毒苗,可恢复其原有的优质高产特性,流程如图。
下列操作不可行的是()外植体→愈伤组织→丛生芽→试管苗A.选择芽尖作为外植体可减少病毒感染B.培养基中加入抗生素可降低杂菌的污染C.将丛生芽切割后进行继代培养可实现快速繁殖D.提高生长素和细胞分裂素的比值可促进愈伤组织形成丛生芽4.(2024·湖北高考)糖尿病是危害人类健康的主要疾病之一。
恢复功能性胰岛B细胞总量是治疗糖尿病的重要策略。
我国学者研究发现,向患有糖尿病的小鼠注射胰高血糖素受体单克隆抗体(mAb),可以促进胰岛A细胞增殖,诱导少数胰岛A细胞向胰岛B细胞转化,促进功能性胰岛B细胞再生。
根据上述实验结果,下列叙述错误的是()A. mAb的制备可能涉及细胞融合技术B. 注射mAb可降低胰腺分泌胰高血糖素的量C. mAb和胰高血糖素均能与胰高血糖素受体特异性结合D. 胰高血糖素主要通过促进肝糖原分解和非糖物质转化为糖,升高血糖水平5.(2024·1月浙江卷)某动物细胞培养过程中,细胞贴壁生长至接触抑制时,需分装培养,实验操作过程如图。
Author contributions: J.Z.: Conception and design, manuscript writing, collection and assembly of data, data analysis and interpretation; P.S.: Collection and assembly of data, data analysis and interpretation; D.L.: Collection and assembly of data, data analysis and interpretation; S.T.: Collection and assembly of data, data analysis and interpretation; E.D.: Conception and design, data analysis and interpretation, financial support; F.W.: Conception and design, financial support, manuscript writing, final approval of manuscript
*Corresponding author: Department of Cell and Developmental Biology and Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, 601 S. Goodwin Ave, Urbana, IL -61801, USA. Tel.: 217-333-5972; Fax: 217-244-1648; E-mail:feiwang@life.uiuc.edu; Received May 07, 2010; accepted for publication August 02, 2010. ©AlphaMed Press 1066-5099/2010/$30.00/0 doi: stem.504
STEMCELLS®
EMBRYONICSTEMCELLS/INDUCEDPLURIPOTENT STEMCELLS
High-Efficiency Induction of Neural Conversion in hESCs and hiPSCs with a Single Chemical Inhibitor of TGF-E Superfamily Receptors
Jiaxi Zhou1,2, Pei Su1,2, Dong Li1,2, Stephanie Tsang1,2, Enkui Duan3, Fei Wang1,2,* 1Department of Cell and Developmental Biology and 2Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-
Champaign, Urbana, IL 61801, USA. 3State Key Laboratory of Reproductive Biology, Institute of Zoology, Chinese
Academy of Sciences (CAS), Beijing 100101, China
Key words. human embryonic stem cells x neural conversion x compound C x TGF-E superfamily receptors x induce
pluripotent stem cells
ABSTRACT
Chemical compounds have emerged as powerful tools for modulating embryonic stem cell (ESC) functions and deriving induced pluripotent stem cells (iPSCs), but documentation of compound-induced efficient directed differentiation in human ESC (hESCs) and human iPSC (hiPSCs) is limited. By screening a collection of chemical compounds, we identified compound C (also denoted as dorsomorphin), a protein kinase inhibitor, as a potent regulator of hESC and hiPSC fate decisions. Compound C suppresses mesoderm, endoderm and trophoectoderm differentiation and induces rapid and high-efficiency neural conversion in both hESCs and hiPSCs (88.7% and 70.4%, respectively). Interestingly, compound C is ineffective in inducing neural conversion in mouse ESCs (mESCs). Large-scale kinase assay revealed that compound C targets at least seven TGF-E superfamily receptors, including both type I and type II receptors, and thereby blocks both the Activin and BMP signaling pathways in hESCs. Dual inhibition of Activin and BMP signaling accounts for the effects of compound C on hESC differentiation and neural conversion. We also identified muscle segment homeobox gene 2 (MSX2) as a downstream target gene of compound C and a key signaling intermediate of the BMP pathway in hESCs. Our findings provide a single-step cost-effective method for efficient derivation of neural progenitor cells in adherent culture from human pluripotent stem cells. Therefore, it will be uniquely suitable for the production of neural progenitor cells in large scale and should facilitate the use of stem cells in drug screening and regenerative medicine and study of early human neural development.
INTRODUCTION
Human embryonic stem cells (hESCs) and human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) reprogrammed from somatic cells can differentiate into multiple cell types, allowing them to be utilized for biomedical research, drug discovery and cell-based therapies [1, 2]. A deeper understanding of the signaling mechanisms and pathways that maintain
pluripotency and induce direct differentiation of hESCs and iPSCs will shed light on early human development and facilitate the applications of these powerful cellular systems.
Several developmentally important signals have been extensively studied in hESCs. For example, basic FGF (bFGF) supports long-term undifferentiated growth of hESCs [3]. The TGF-ȕ superfamily, comprising TGF-ȕ, Activin, Nodal and bone morphogenesis proteins (BMPs), has diverse roles in hESCs [4, 5]. TGF-ȕ/Activin/Nodal was shown to co-operate with FGF signaling to maintain pluripotency of hSCs by controlling NANOG expression. Activation of BMP signaling in hESCs induces mesoderm and trophoectoderm activities depending on the duration of activation [6-8], while activation of Activin/Nodal pathway can trigger endoderm differentiation [9]. Conversely, inhibition of Activin/Nodal and BMP signaling, alone or in combination, promotes neuroectoderm specification [10-12].