第一章-細胞生物學

細胞生物學CellBiology

明慶磊（1#-210室）2013.2第一章緒論本章內(nèi)容提要：第一節(jié)細胞生物學研究的內(nèi)容與現(xiàn)狀一、細胞生物學的概念二、細胞生物學的主要研究內(nèi)容三、當前細胞生物學研究的總趨勢與重點領域第二節(jié)細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史一、細胞的發(fā)現(xiàn)二、細胞學說的建立及其意義三、細胞學形成四、細胞生物學學科的形成與發(fā)展五、細胞生物學的研究進展六、與細胞生物學有關(guān)的學術(shù)刊物及教材第一節(jié)細胞生物學研究的內(nèi)容與現(xiàn)狀細胞生物學是研究細胞基本生命活動規(guī)律的科學，它是在不同層次（顯微、亞顯微與分子水平）上以主要研究細胞結(jié)構(gòu)與功能、細胞增殖與分化、細胞衰老與凋亡、細胞信號傳遞、細胞基因表達與調(diào)控、細胞起源與進化等。核心問題是將遺傳與發(fā)育在細胞水平上結(jié)合起來。生命體與細胞生命體是多層次、非線性、多側(cè)面的復雜結(jié)構(gòu)體系，而細胞是生命體的結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位，有了細胞才有完整的生命活動。Wilson指出“一切生命的關(guān)鍵問題都要到細胞中去尋找”。研究意義生物的生殖發(fā)育、遺傳和神經(jīng)活動等重大生命現(xiàn)象的研究都要以細胞為基礎。在我國的基礎學科發(fā)展規(guī)劃中，細胞生物學、分子生物學、神經(jīng)生物學和生態(tài)學并列為我國的四大基礎學科。研究對象、目的和任務研究對象

細胞研究目的探索細胞的基本生命活動規(guī)律研究任務以動態(tài)的觀點、用現(xiàn)代的科學技術(shù)從顯微、亞顯微和分子等三個水平上研究細胞的生命活動規(guī)律主要研究內(nèi)容生物膜與細胞器細胞信號轉(zhuǎn)導細胞骨架體系細胞核、染色體及基因表達細胞增殖及其調(diào)控細胞分化及干細胞生物學細胞的衰老與死亡細胞工程細胞的起源與進化細胞生物學研究的總趨勢細胞生物學與分子生物學(包括分子遺傳學與生物化學)相互滲透與交融是總的發(fā)展趨勢。三大基本問題

細胞內(nèi)基因組的時空表達

基因表達產(chǎn)物的組裝及對生命的調(diào)控基因表達產(chǎn)物活性因子和信號分子對細胞生命活動的調(diào)節(jié)作用若干重大課題（重點領域）

染色體DNA與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系

—主要是非組蛋白對基因組的作用

細胞增殖、分化、凋亡的相互關(guān)系及其調(diào)控

細胞信號轉(zhuǎn)導的研究

細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝美國科學情報研究所（ISI）SCI（ScienceCitationIndex）收錄及引用論文檢索，全世界自然科學研究中論文發(fā)表最集中的三個領域分別是：細胞信號轉(zhuǎn)導（signaltransduction）；細胞凋亡（cellapoptosis）；基因組與后基因組學研究（genomeandpost-genomicanalysis）。目前全球研究最熱門的領域

三種疾病：癌癥（cancer）

心血管?。╟ardiovasculardiseases）

愛滋病和肝炎等傳染病 （infectiousdiseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：細胞周期調(diào)控（cellcyclecontrol）；

細胞凋亡（cellapoptosis）；

細胞衰老（cellularsenescence）；

信號轉(zhuǎn)導（signaltransduction）；

DNA的損傷與修復（DNAdamageandrepair）

第二節(jié)細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史

一、細胞的發(fā)現(xiàn)沒有顯微鏡就不可能有細胞學誕生1.1590荷蘭眼鏡制造商Janssen父子制作了第一臺復式顯微鏡。2.1665英國人RobertHooke用自己設計與制造的顯微鏡觀察了軟木（櫟樹皮)的薄片。3.荷蘭人A.van.Leeuwenhoek是第一個看到活細胞的人。RobertHooke1831年R.Brown在蘭科植物表皮細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細胞核。1836年GG.Valentin在動物神經(jīng)細胞中發(fā)現(xiàn)了細胞核與核仁。這些工作對于細胞學說的誕生具有重要意義。二、細胞學說的建立及其意義19世紀30年代建立了細胞學說。

德國植物學家施萊登（M.J.Schleiden,1838）《植物發(fā)生論》，《關(guān)于動植物的結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究》（1839），指出所有植物體乃是細胞的組合。動物學家施旺（Schwann,1939）在動物中也證實了這一觀點，并首次提出“細胞學說”(celltheory)。

一切動植物都是由細胞組成的，它們依照一定的規(guī)律排列在動植物體內(nèi)。細胞是一切動植物的基本單位。“細胞學說”的基本內(nèi)容認為細胞是有機體，一切動植物都是由細胞發(fā)育而來,并由細胞和細胞產(chǎn)物所構(gòu)成；每個細胞作為一個相對獨立的單位，既有它“自己的”生命,又對與其它細胞共同組成的整體的生命有所助益；新的細胞可以通過老的細胞繁殖產(chǎn)生?！凹毎麑W說”提出的重大意義

三大發(fā)現(xiàn)之一，基石。研究目光轉(zhuǎn)向細胞三、細胞學的經(jīng)典時期1、原生質(zhì)理論的提出1840普金耶(Pukinje，1840)在動物細胞中也看到了“肉樣質(zhì)”的東西；1846馮?莫爾(vonMohl，1846)在植物細胞中也看到了“肉樣質(zhì)”的東西，命名為“原生質(zhì)”(protoplasm)。1861舒爾策(MaxSchultze)認為動物細胞中的“肉樣質(zhì)”和植物細胞中的“原生質(zhì)”具有同樣的意義。他并提出了原生質(zhì)理論：有機體的組織單位是一小團原生質(zhì)，這種物質(zhì)在一般有機體中是相似的。1880Hanstein提出了“原生質(zhì)體”(protoplast)，這個詞比“細胞”（cell）更確切，但由于“細胞”一詞沿用已久，故仍采用舊名。原生質(zhì)體細胞質(zhì)+細胞核2、細胞分裂的研究1841年雷馬克(Remak)在觀察雞胚血細胞時發(fā)現(xiàn)了細胞的直接分裂，其后，在動物和植物中都發(fā)現(xiàn)了間接分裂或核分裂（Schleicher,1878）；1882年費勒明(Flemming)把直接分裂——無絲分裂，間接分裂或核分裂——有絲分裂；1883年在動物，1886年在植物中分別發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂。3、重要細胞器的發(fā)現(xiàn)對細胞質(zhì)研究的重視

細胞研究技術(shù)的發(fā)展促進了細胞器研究的進展

中心體、線粒體和高爾基體相繼被發(fā)現(xiàn)。由于這許多發(fā)現(xiàn)，所以19世紀的最后25年被稱為細胞學的經(jīng)典時期。四、實驗細胞學與細胞學的分支及其發(fā)展細胞學的出現(xiàn)：1892年O.Hertwig在《細胞和組織》一書中提出，生物學的基礎在于研究細胞的特性、結(jié)構(gòu)和機能，以細胞為基礎，對所有生物學現(xiàn)象來作一般性綜合，從而使細胞學成為生物科學的一個獨立分支。細胞遺傳學的發(fā)展：細胞遺傳學主要從細胞學角度，特別是從染色體的結(jié)構(gòu)和功能，以及染色體和其他細胞器的關(guān)系來研究遺傳現(xiàn)象，闡明遺傳和變異的機制。其核心就是染色體-基因?qū)W說。細胞生理學的研究：細胞生理學主要是研究細胞對其周圍環(huán)境的反應，細胞生長與繁殖的機理，細胞從環(huán)境中攝取營養(yǎng)的能力，機體代謝功能與其復制方法，細胞的興奮性、收縮性、分泌和細胞活動的其它表現(xiàn)機制，生物膜的主動運輸和能量傳遞與生物電等。細胞化學：DNA和RNA的定性與定量研究，細胞組分分離技術(shù)、放射自顯影技術(shù)和超微量分析等方法的廣泛運用，對細胞內(nèi)核酸與蛋白質(zhì)的代謝作用研究也有很大的促進作用。實驗細胞學時期大致是指從20世紀初至50年代的階段。除上述細胞學的分支外，細胞生物化學、細胞病理學、微生物細胞學與原生動物細胞學等也得到相應的發(fā)展。細胞學、遺傳學、生理學、化學（1900-1950），超微結(jié)構(gòu)學（1950-1970），生物化學（1950-1970），分子生物學（20世紀70年代以來）三、細胞超微結(jié)構(gòu)研究1932年德國人E.Ruska和M.Knoll發(fā)明透射電鏡，人類視野進入超微領域。1939年Siemens公司生產(chǎn)商品電鏡。1940-50s用電鏡觀察了各類細胞超微結(jié)構(gòu)。并結(jié)合超速離心、電泳、無細胞體系等分析技術(shù)研究這些結(jié)構(gòu)的功能。Cytology發(fā)展為CellBiology。細胞生物學學科的形成與發(fā)展20世紀50年代：電子顯微鏡與超薄切片技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生細胞超微結(jié)構(gòu)學50－60年代：知識的積累和一些細胞結(jié)構(gòu)的了解，生物化學與與細胞學的相互滲透和結(jié)合，60年代出現(xiàn)了細胞生物學的概念70年代分子生物學的概念和技術(shù)引進細胞學80年代細胞生物學的發(fā)展方向為細胞分子生物學四、分子細胞生物學時代1869年瑞士人F.Miescher從膿細胞中分離出核酸，但未引起重視。1944年O.Avery等通過細菌轉(zhuǎn)化試驗，1952年M.Chase等通過噬菌體標記感染實驗肯定了核酸與遺傳的關(guān)系。1928年，英國科學家格里菲思（F.Griffith，1877—1941）用肺炎雙球菌在小鼠身上進行轉(zhuǎn)化實驗。當時，他用了兩種不同類型的肺炎雙球茵。一種叫R型細菌，它的菌落粗糙，菌體無多糖類的莢膜，是無毒性的球型菌；另一種叫S型細菌，它的菌落光滑，菌體有多糖類的莢膜，是有毒性的球形茵，可以使人患肺炎或使小鼠患敗血癥。肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗的實驗過程如下圖艾弗里(OswardAvery)等人(1944)從S型細菌中分別抽提出DNA、蛋白質(zhì)和莢膜物質(zhì)，并把每一種成分同活的R型細菌混合，懸浮在合成培養(yǎng)液中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有DNA組分能夠把R型細菌轉(zhuǎn)變成S型細菌。而且DNA的純度越高，這種轉(zhuǎn)化的效率也越高。這說明，一種基因型細胞的DNA進入另一種基因型的細胞后，可引起穩(wěn)定的遺傳變異，DNA賦有特定的遺傳特性。噬菌體的遺傳物質(zhì)究竟是蛋白質(zhì)還是DNA呢？科學家首先用放射性同位素35S標記了一部分噬菌體的蛋白質(zhì)，并用放射性同位素32P標記了另一部分噬菌體的DNA，然后，用被標記的T2噬菌體分別去侵染細菌（左圖），當噬菌體在細菌體內(nèi)大量增殖時，生物學家對被標記物質(zhì)進行測試。測試的結(jié)果表明，噬菌體的蛋白質(zhì)并沒有進入細菌內(nèi)部，而是留在細菌的外部，噬菌體的DNA卻進入了細菌體內(nèi)，可見，噬菌體在細菌內(nèi)的增殖是在噬菌體DNA的作用下完成的。1952年Franklin拍攝到清晰的DNA晶體X-衍射照片。1953年她認為DNA是一種對稱結(jié)構(gòu)，可能是螺旋。1953年，Watson和Crick提出DNA雙螺旋模型，與Wilkins分享1962年諾貝爾生理學與醫(yī)學獎。1958年Crick提出分子遺傳的“中心法則”。1961-1964年Nirenberg等破譯遺傳密碼。1972年DA.Jackson，RH.Symons和P.Berg創(chuàng)建DNA體外重組。1973年SN.Cohen和HW.Boyer將外源基因拼接在質(zhì)粒中，并在大腸桿菌中表達。一系列技術(shù)和理論的提出，使細胞生物學與分子生物學的結(jié)合越來越緊密。1983年，Mullis發(fā)明PCR儀，于1993年獲諾貝爾化學獎。1990年，美國國會正式批準的“人類基因組計劃”（HumanGenomeProject）。我國于1993年加入該計劃，承擔其中1%的任務，即人類3號染色體短臂上約30Mb的測序任務。2000年6月28日人類基因組工作草圖完成。同年，美國國立衛(wèi)生研究院給一名患有先天性重度聯(lián)合免疫缺陷病的4歲女孩實施了首例基因治療。這種疾病因腺苷脫氨酶（ADA）基因變異引起。1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英國蘇格蘭盧斯林研究所的試驗基地誕生。Dollywithherfirstbornlamb2001年美國的Leland

Hartwell、英國的PaulNurse、Timothy

Hunt因?qū)毎芷谡{(diào)控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。LelandH.Hartwell

R.Timothy(Tim)Hunt

SirPaulM.Nurse

2002年，英國人布雷諾爾、美國人霍維茨和英國人蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

2003年，美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)毎にǖ?，離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學獎。PeterAgreRoderickMacKinnon

2004年，美國人RichardAxel和LindaB.Buck獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎，他們發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺系統(tǒng)的組成。RichardAxelLindaB.Buck2005年BarryJ.Marshall和J.RobinWarren獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎，他們發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌及其在胃炎和胃潰瘍方面的作用。BarryJ.MarshallJ.RobinWarren2006年美國人AndrewZ.Fire和CraigC.Mello因?qū)NA干擾的研究而獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎。AndrewZ.Fire CraigC.Mello2007年美國的馬里奧·卡佩奇、奧利弗·史密斯和英國的馬丁·伊文思因?qū)虼虬屑夹g(shù)的研究而獲諾貝爾生理學醫(yī)學獎。MarioR.CapecchiSirMartinJ.EvansOliverSmithies2008年德國的哈拉爾德·楚爾·豪森因發(fā)現(xiàn)人乳突淋瘤病毒引發(fā)子宮頸癌獲此殊榮，兩名法國科學家弗朗索瓦絲·巴爾－西諾西和呂克·蒙塔尼因發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病毒獲此殊榮。Fran?oiseBarré-Sinoussi，LucMontagnier，HaraldzurHausen2009年三位美國的科學家因在端粒和端粒酶如何保護染色體方面的發(fā)現(xiàn)而獲獎。解決的重大問題－－細胞分裂期間染色體如何被完整復制，以及染色體如何得到保護不至退化。伊麗莎白H.布萊克本（ElizabethH.Blackburn）、卡羅爾·W.葛萊德爾（CarolW.Greider）和杰克W.卓斯塔克（JackW.Szostak），1978年世界上第一個“試管嬰兒”路易絲－布朗，左為“試管嬰兒之父”羅伯特－愛德華茲教授。英國科學家羅伯特-愛德華茲因為在試管嬰兒方面的研究獲得2010年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。據(jù)悉，迄今為止全球試管嬰兒數(shù)量已達到400萬。2011年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎

人類及其他動物依靠免疫系統(tǒng)抵抗細菌等微生物的侵害，博伊特勒和霍夫曼發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵受體蛋白質(zhì)，它們能夠識別微生物對動物機體的攻擊并激活免疫系統(tǒng)，這是免疫反應的第一步。斯坦曼則發(fā)現(xiàn)了能夠激活并調(diào)節(jié)適應性免疫的樹突細胞，這種細胞促使免疫反應進入下一階段并將微生物清除出機體。2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎1962年，約翰·戈登發(fā)現(xiàn)細胞的特化（specialisation）是可逆轉(zhuǎn)的。在一項經(jīng)典實驗中，他將一個青蛙卵細胞的細胞核替換為成熟腸細胞的細胞核。這個改變了的卵細胞發(fā)育成為一只正常的蝌蚪。該成熟細胞的DNA仍含有發(fā)育成青蛙所需的