01 第一章 细胞生物学绪论.ppt

第1页：第一章绪论封面

本页为《细胞生物学》第一章绪论封面，标示课程名称与本章主题，内容沿学科概念、发展简史与前沿研究进展三条主线展开。

第2页：生物学与细胞生物学概念

生物学

研究生命的科学，又叫生命科学，是研究生命发生、发展本质规律的科学。

细胞生物学

研究细胞形态结构和功能起源的科学。

第3页：医学模式的三种类型

医学模式：又叫医学观，是人们研究处理健康疾病问题的观点、方法，分为以下三类。

• 生物模式
• 心理模式
• 社会模式

第4页：研究内容的三个水平

细胞生物学的研究内容（三个水平）：不同水平对应不同的观察与分析技术。

第5页：细胞遗传学与细胞生理学

细胞遗传学（cytogenetics）

从细胞的角度，特别是从染色体的结构、功能和其它细胞器的关系来研究遗传及其变异的规律。

细胞生理学（cytophysiology）

研究细胞如何摄取营养、获得能量，并研究细胞对环境因素的刺激所作出的反应。

第6页：细胞化学与细胞社会学

细胞化学（cytochemistry）

用化学方法研究细胞各组成成分及其分布，并寻找它们的特性。

细胞社会学（cytosociology）

研究整体和细胞群中细胞间的社会行为，并研究整体和细胞群对细胞生长、分化和死亡的调节控制。

第7页：细胞形态学与分子细胞学

细胞形态学（cytomorphology）

研究细胞形态及亚微结构的科学，着重研究细胞亚微结构或细胞器的起源、形成机制及发展过程。

分子细胞学（molecular cytology）

从细胞遗传信息流的角度研究细胞内遗传物质的结构和表达的调控。

第8页：细胞的发现与细胞学说创立

一、细胞的发现和细胞学说的创立（～1900）：下表按时间顺序列出关键事件。

细胞学说要点：一切生物，从单细胞生物到高等动植物都是由细胞组成的，细胞是生物形态、结构、功能活动的基本单位。

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第10页：细胞生物学发展的四个时期

1. 1、细胞的发现和细胞学说的创立（～1900）。
2. 2、细胞生物学经典时期（1800—1900）：应用固定、染色技术，在显微镜下观察细胞的形态结构和分裂活动。
3. 3、实验细胞学阶段（1900—1950）：在上一阶段基础上采用大量实验手段，与其它学科相互融合形成重要分支学科。
4. 4、细胞生物学和分子生物学形成阶段（1950—至今）：主要在分子水平上探索细胞的各种生物活动。

第11页：值得关注的研究进展

五、目前该领域值得关注的一些研究进展

本节介绍芯片孕育生命、定制婴儿、克隆羊多利、人类基因组计划、RNA 干扰、SARS 冠状病毒与近年诺贝尔奖等前沿进展。

第12页：在电脑芯片上孕育生命

美国伊利诺伊大学的两位胚胎学家戴维·毕比和马休·惠勒研制一种模仿动物受精和胚胎发育过程的芯片，目标是使受精和胚胎发育的早期过程在一个容器内完成，直到胚胎发育到适合进行移植的阶段。或许在未来 50 到 100 年内，这将彻底改变人类婴儿的出生模式，部分或全部的怀孕过程完全可由机器设备来完成。

第13页：抗癌婴儿在美国出世

“抗癌婴儿”在美国出世

美国芝加哥生育遗传研究所的科学家宣布，他们利用胚胎植入前的遗传诊断技术，帮助来自纽约的一对夫妇生育一名没有利弗劳梅尼综合症的健康男婴，这名婴儿被称为“抗癌婴儿”。

第14页：抗癌婴儿与利弗劳梅尼综合症

利弗劳梅尼综合症是一种家族性遗传病，对乳腺癌、白血病等多种癌症有遗传倾向。

• 基因携带者通常会把这种基因遗传给孩子。
• 孩子活到 45 岁时，有 50% 的可能患上与利弗劳梅尼综合症有关的癌症。
• 孩子活到 60 岁时，这种可能性增加为 90%。

第15页：定制婴儿的技术流程

“定制”婴儿技术实际上是试管婴儿技术与胚胎植入前的遗传诊断技术的联合应用。

1. 通过试管婴儿技术使精子、卵子在体外结合，形成多个胚胎。
2. 待每个胚胎长到一定阶段时，从胚胎中取出 1 至 2 个细胞。
3. 对取出的细胞进行细胞学检查，判断胚胎中是否存在遗传疾病的基因。
4. 把经筛查确认为健康的胚胎放回母亲子宫内，孕育成健康的胎儿。

第16页：经常减肥反而越来越肥

据《美国临床营养学期刊》研究报告，经常减肥反而导致越来越肥。

• 养成节食减肥习惯的年轻人，到中年之后平均会增加体重 10 公斤之多。
• 不论年轻时的体型如何，只要先天带有家族遗传的肥胖影响，中年发福几乎难以扭转。
• 靠节食减肥的习惯反而会导致体重直线上升；有运动习惯的人一旦停止运动，体重也会上升。

第17页：防止体重反弹的做法

• 持之以恒：坚持每天有一定运动量，保证每天都有让脂肪燃烧的机会。
• 保证每天至少喝 1500 毫升水，加强新陈代谢，减少体内废物堆积。
• 25 岁前睡前 3 小时内不吃东西，25 岁后这一时间加长至 4—5 小时。
• 不要认为饥饿是最好的减肥手段，大饿一次往往导致暴饮暴食，最不利于减肥。

第18页：克隆羊多利

克隆羊——多利（Dolly）

本页介绍世界上第一只成功克隆的哺乳动物绵羊多利，后续页面说明其制备原理、早衰与死亡等情况。

第19页：克隆羊制备原理

克隆羊制备原理

本页以流程图形式展示体细胞核移植制备克隆羊的原理：取出供体细胞的细胞核，植入去核的卵细胞中，构建重构胚并移植入代孕母体内发育。

第20页：已分化细胞仍具有全能性

实验表明：植入的表皮细胞核如同受精卵的核一样，具有全套基因，在发育上是全能的。体细胞的分化并非由于它们丢失了基因或所含的基因不同，而是分化的细胞各自选择性地“打开”并表达了不同的“奢侈”基因。

第21页：多利的早衰与安乐死

世界上第一只成功克隆的哺乳动物绵羊多利，因患进行性肺病医治无效，被其主人罗斯林研究所于 2003 年执行“安乐死”。

• 早在 1999 年刚刚三岁的多利就已经出现“早衰”症状。
• 复制多利的 DNA 来自一只六岁成年绵羊，结果造成刚出生的多利“基因年龄”已经不小。
• 多利的死引起人们对克隆技术是否安全的再次怀疑；不过多利其他方面似乎正常，并生下了六只小羊羔。

第22页：癌细胞能克隆出正常胚胎

美国科学家利用小白鼠大脑癌细胞基因克隆出了正常的鼠胚胎，这是世界上首次用癌细胞进行克隆研究。试验由美国犹他州儿童研究医院的生物学家汤姆·卡兰完成，基本操作方法同克隆多莉羊没有两样，但注入鼠卵细胞中的是从肿瘤细胞中取出的带有受损 DNA 的细胞核。结果是小白鼠的卵细胞通过某种形式纠正了遗传错误，活化某些基因同时关闭另外某些基因的信号，调节胚胎形成和发育，最终发育成一个正常的胚胎。

第23页：人类基因组计划

2000 年 6 月 26 日科学家公布人类基因组“工作框架图”。

• 2001 年 2 月 12 日，中、美、日、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果，图谱更加准确、清晰、完整。
• 人类基因组由 31.647 亿个碱基对组成，共有 3 万至 3.5 万个基因。
• 比蚯蚓仅多 1 万个，比果蝇多 2 万个，远小于原先 10 万个基因的估计。
• 这一成果将推动基因组测序、基因功能研究和基因技术应用，从而推动整个生物技术的发展。

第24页：中国水稻基因组框架图

锦绣般的中国云南红河哈尼梯田成为 2002 年 4 月 5 日出版的美国《科学》杂志封面。这份世界权威学术期刊以封面文章形式和显著篇幅，登出中国科学家绘出水稻基因组工作框架图的历史性论文。这是由中国科学家独立完成的一项世界级研究成果，标志着在基因组学这一生命科学前沿领域，中国已部分具备世界领先的实力。《科学》杂志总编唐纳德·肯尼迪评价：“毫无疑问，中国基因组学研究已达到世界水平”。

第25页：后基因组研究的兴起

随着人类基因组计划的完成、结构基因测序的突破，由此延伸的“后基因组计划”即以功能基因鉴定为中心的“功能基因组学”应运而生。后基因组计划利用结构基因组计划所提供的信息和产物，发展和应用新的技术手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使生物学研究从单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行的系统研究，为在整体水平上探讨生命活动规律奠定了基础。

第26页：功能基因组与蛋白质组研究热点

随着人类基因组遗传图、物理图的相继完成，基因组序列工作框架图于 2000 年 6 月绘就。2001 年 2 月，《Nature》和《Science》分别发表国际公共领域人类基因组合作计划和美国 Celera 公司同时公布的人类基因组图谱，预示着以排列人类基因组 DNA 全序列为内容的“结构基因组”研究阶段基本完成，一个以破译、解读、开发基因组功能信息为主要研究内容的时代已经开始。

第27页：生物资源与功能基因专利竞争

围绕生物资源保护与利用和功能基因知识产权的国际竞争日趋激烈，实质是未来生物产品市场占有份额之争。

• 人类遗传资源是研究人类疾病基因的宝贵材料，如遗传性结肠癌、乳腺癌和糖尿病基因的定位与克隆。
• 我国 1998 年克隆了高频耳聋疾病基因，2001 年发现遗传性乳光牙本质致病基因和短指基因。
• 病人、家系和基因资源在疾病基因研究中具有重要性。

第28页：以功能基因为基础的基因产业

基因是新兴生物制药业的源头生长点，以基因组为对象的新技术新方法的拓展、基因结构及其功能的阐明，将是 21 世纪生物高技术企业开发新产品的基础，发现和鉴定具有重要功能蛋白的基因可为新药开发带来决定性影响。在某种程度上说，“一个基因可以造就一家生物企业”，结构和功能明确的基因本身可直接产生巨大的经济效益，因此各大制药公司都在投入巨资开展人类基因组功能研究及其开发。

第29页：生物信息与生物芯片产业

美国 HGP 自 1990 年 10 月正式启动以来，基因组研究产生了大量信息，海量信息的分析、加工和利用促进了生物信息学的诞生和发展。生物信息学不但集中了许多国家政府的投入，而且吸引了全世界不同学科的精英，包括数学、物理、化学、计算机、材料等，同时也推动了生物芯片技术的研究和开发。

第30页：RNA干扰机制

2002 年最重要的科学发现之一——RNAi：在多种生物中，外源或内源性的双链 RNA（dsRNA）导入细胞中，与 dsRNA 同源的 mRNA 则受到降解，因而其相应的基因受到抑制，由于这是在 RNA 水平的基因表达抑制，故也称为 RNA 干扰（RNA interference，RNAi）。RNAi 可能是生物普遍存在的 RNA 水平上调节基因表达的方式，对于细胞防御病毒的感染以及调节正常基因的功能具有重要作用。

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第32页：SARS研究进展

2002—2003 年冬春之交，严重急性呼吸综合症（SARS，即传染性非典型肺炎）肆虐全球，不仅威胁人类健康与生命，也使社会经济生活受到巨大影响。经 11 个国家和地区的 13 个实验室的科学家通力合作，不到一个月时间就确定了导致 SARS 的元凶——一种前所未知的新型冠状病毒（SARS-CoV）。

第33页：SARS冠状病毒基本结构

SARS 冠状病毒核心为螺旋状排列的 RNA 及衣壳（N 蛋白）组成的核壳体，其外为包膜。

• N 蛋白是 SARS 病毒重要结构蛋白，在病毒转录、复制和成熟中起作用。
• 病毒核酸除编码 RNA 聚合酶外，编码的主要结构蛋白是 N、S、M、E 等蛋白。
• 包膜上有 E 蛋白，表面有两种糖蛋白，即 S 蛋白和 M 蛋白。
• S 蛋白与细胞受体结合使细胞发生融合，是 SARS 冠状病毒侵染细胞的关键蛋白。
• M 蛋白为跨膜蛋白，参与包膜形成。

第34页：冠状病毒基因片段定位

新型冠状病毒基因片段在基因组中的定位：下表列出主要基因片段缩写与对应蛋白。

第35页：SARS病毒基因组全长与编码结构

该病毒含有完整的 5′ 末端序列、编码序列和 3′ 末端序列，基因组全长 29 727 个核苷酸。

• 基因编码区的组成结构与其他冠状病毒类似，包括多个开放阅读框架（ORFs）。
• 分别编码病毒的多聚合酶蛋白（polymerase 1a、1b）、刺突蛋白（S）、小膜蛋白（E）、膜蛋白（M）和核衣壳蛋白（N）。
• 不同实验室测序结果显示 SARS 冠状病毒基因序列基本一致，说明病原体流行病学一致，且病毒基因相当稳定，对疫苗研制具有重要意义。

第36页：近年细胞生物学领域的诺贝尔奖

近两年在细胞生物学领域获诺贝尔医学奖情况

本节介绍 2001 年细胞周期关键分子调节机制与 2002 年器官发育和程序性细胞死亡的基因规则两项获奖成果。

第37页：2001年诺贝尔生理学或医学奖

瑞典卡罗林斯卡医学院 2001 年 10 月 8 日宣布，将本年度诺贝尔生理学、医学奖授予美国科学家利兰·哈特韦尔与英国科学家蒂莫西·亨特和保罗·纳斯，以表彰他们发现了细胞周期的关键分子调节机制。

第38页：细胞周期的关键分子调节机制

哈特韦尔发现了大量控制细胞周期的基因，其中被称为“START”的基因（R 点）对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定作用。

• 纳斯通过分子生物学方法发现了调节细胞周期的关键物质 CDK（细胞周期蛋白依赖激酶），CDK 通过对其他蛋白质的化学作用来驱动细胞周期。
• 亨特首次发现了调节 CDK 功能的物质 CYCLIN（细胞周期蛋白）。
• 这些发现对研究细胞的发育有重大影响，特别是对开辟治疗癌症新途径具有深远意义。

第39页：2002年诺贝尔生理学或医学奖

瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，把 2002 年诺贝尔生理学或医学奖授予分别来自英国的悉尼·布雷内、来自美国的罗伯特·霍维茨和来自英国的约翰·苏尔斯顿，以表彰他们发现了在器官发育和“程序性细胞死亡”过程中的基因规则。

第40页：程序性细胞死亡的基因规则

本年度诺贝尔生理学或医学奖的 3 位获奖者利用线虫作为研究对象，先后发现了“程序性细胞死亡”是由基因控制的，并发现了与之相关的一些基因，证实了人体内也存在相应的基因。对这些基因的研究，有助于研究针对癌症、艾滋病和老年痴呆症等疾病的新疗法。