細(xì)胞工程理論基礎(chǔ)第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及研究進(jìn)展從人類第一次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞至今有三百多年的歷史了，在這期間，隨著技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，細(xì)胞的研究顯現(xiàn)出時(shí)代的特征，形成了不同的發(fā)展時(shí)期。

1細(xì)胞學(xué)創(chuàng)立時(shí)期19世紀(jì)以及更前的時(shí)期（1665—1875），是以形態(tài)描述為主的生物科學(xué)時(shí)期；

2細(xì)胞學(xué)經(jīng)典時(shí)期20世紀(jì)最后25年（1875—1900），主要是在顯微鏡下的形態(tài)描述，是對(duì)細(xì)胞認(rèn)識(shí)的鼎盛或黃金時(shí)期；

3實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)時(shí)期（1900—1953）細(xì)胞學(xué)與各門學(xué)科的交融與匯合（細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)、細(xì)胞化學(xué)等），誕生了細(xì)胞生物學(xué)；

4分子細(xì)胞學(xué)時(shí)期（1953至今）?？傔^程概括為：細(xì)胞發(fā)現(xiàn)→細(xì)胞學(xué)說建立→細(xì)胞學(xué)形成→細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展（1665）（1838—1839）（1892）（1965）

R.HookeSchleiden、SchwannHertiwigDeRobertis第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容

細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞重要生命活動(dòng)：

細(xì)胞核、染色體以及基因表達(dá)的研究

生物膜與細(xì)胞器的研究

細(xì)胞骨架體系的研究

細(xì)胞增殖及其調(diào)控

細(xì)胞分化及其調(diào)控

細(xì)胞的衰老與凋亡

細(xì)胞的起源與進(jìn)化

細(xì)胞工程第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）的調(diào)查報(bào)告中指出，目前全球研究最熱門的是 三種疾?。?/p>

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(xì)胞周期調(diào)控（cellcyclecontrol）；

細(xì)胞凋亡（cellapoptosis）；

細(xì)胞衰老（cellularsenescence）；

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）；

DNA的損傷與修復(fù)（DNAdamageandrepair）第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位（本質(zhì)屬性）

☆一切生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞的有機(jī)體的基本結(jié)構(gòu)單位。單細(xì)胞生物體、細(xì)胞集合體、多細(xì)胞生物體

☆細(xì)胞具有獨(dú)立的有序的自控代謝體系，細(xì)胞是代謝與功能的基本單位。

☆細(xì)胞是生物體生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。

☆細(xì)胞是遺傳的基本單位，細(xì)胞具有遺傳的全能性

☆細(xì)胞是生命起源和進(jìn)化的基本單位。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞的基本共性

所有的細(xì)胞表面均有由磷脂雙分子層與鑲嵌蛋白質(zhì)構(gòu)成的生物膜，即細(xì)胞膜。

所有的細(xì)胞都含有兩種核酸：即DNA與RNA作為遺傳信息復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的載體。

作為蛋白質(zhì)合成的機(jī)器─核糖體，毫無例外地存在于一切細(xì)胞內(nèi)。

所有細(xì)胞的增殖都以一分為二的方式進(jìn)行分裂。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日原核細(xì)胞

基本特點(diǎn)：

遺傳的信息量小，遺傳信息載體僅由一個(gè)環(huán)狀DNA構(gòu)成； 細(xì)胞內(nèi)沒有分化為以膜為基礎(chǔ)的具有專門結(jié)構(gòu)與功能

的細(xì)胞器和細(xì)胞核膜。主要代表：

支原體（mycoplast）——目前發(fā)現(xiàn)的最小最簡(jiǎn)單的細(xì)胞；

細(xì)菌

藍(lán)藻又稱藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria） 細(xì)胞世界的兩大家族第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)體系以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎(chǔ)的生物膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；

以核酸（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)為主要成分的遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)

由特異蛋白分子裝配構(gòu)成的細(xì)胞骨架系統(tǒng)。

第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日綜合原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的特點(diǎn)，二者的根本區(qū)別可歸納為下面兩條：

第一，細(xì)胞膜系統(tǒng)的分化與演變真核細(xì)胞以膜分化為基礎(chǔ)，分化為結(jié)構(gòu)更精細(xì)，功能更專一的單位——各種膜圍細(xì)胞器，使細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)與職能分工。而原核細(xì)胞無此情況。

第二，遺傳信息量大與遺傳裝置的復(fù)雜化真核細(xì)胞的遺傳信息可達(dá)上萬個(gè)基因，并具重復(fù)序列，染色體功能具二倍性或多倍性。原核細(xì)胞為單倍性。僅為一條環(huán)狀DNA分子，細(xì)菌只有幾千個(gè)基因。此外，遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯有嚴(yán)格地階段性與區(qū)域性，原核細(xì)胞則不具備這些。假如，真核細(xì)胞是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能專一與自動(dòng)化程度較高的“工廠”，那么，原核細(xì)胞就象結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、職能上卻是多面手的“作坊”。前者固然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在特定條件下，原核細(xì)胞卻比真核細(xì)胞有更強(qiáng)的適應(yīng)性。第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞的大小及其分析

首先介紹計(jì)量單位1m=100cm=1000mm=106μm（micrometer）

細(xì)胞大?。@微結(jié)構(gòu)）常以μm作單位。由于電鏡的使用，現(xiàn)把國(guó)際單位納米（Nanometrenm）和埃（AAngstrom）作為超微結(jié)構(gòu)的度量單位。1μm=1000nm1nm=10A。

生物體各種細(xì)胞的體積差別很大，既使同一個(gè)細(xì)胞，培養(yǎng)過程中也隨生理狀態(tài)不同表現(xiàn)出差異。一般講來，真核細(xì)胞大于原核細(xì)胞，植物細(xì)胞大于動(dòng)物細(xì)胞，高等動(dòng)物的卵細(xì)胞大于體細(xì)胞。原核細(xì)胞多在1—10或1—5μm，細(xì)菌多在3—4μm，支原體只有0.1μm。

動(dòng)物細(xì)胞多在（10—100μm，20—30μm，15—70μm）。

最大的細(xì)胞要屬鴕鳥卵，可達(dá)10cm，卵黃只有5cm。隆鳥卵直徑可達(dá)20cm。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及功能原生質(zhì)（Protoplasm）指細(xì)胞內(nèi)所含有的生活物質(zhì)（構(gòu)成細(xì)胞的生活物質(zhì)）。原核細(xì)胞：細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和擬核。真核細(xì)胞：包括細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。植物細(xì)胞還具有細(xì)胞壁，去除細(xì)胞壁的植物細(xì)胞或原核細(xì)胞特稱為原生質(zhì)體。第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞質(zhì)（Cytoplasm）

指質(zhì)膜以內(nèi)核以外的原生質(zhì)。它不是勻質(zhì)的，其結(jié)構(gòu)大體劃分為兩部分，一部分是有形結(jié)構(gòu)，稱為細(xì)胞器（Organelle），另一部分是可溶相，稱細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)（Cytoplasmicmiatrix）。第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞器（Organelle）

指存在于細(xì)胞中，用光鏡或電鏡能夠分辯出的，具有一定形態(tài)特點(diǎn)，并執(zhí)行特定功能的結(jié)構(gòu)。核糖體是細(xì)胞中最小的細(xì)胞器，但也有人提出tRNA才是最小的細(xì)胞器。細(xì)胞核也被認(rèn)為是一種細(xì)胞器，且是細(xì)胞中最大的細(xì)胞器。有人把細(xì)胞膜也看作是一種細(xì)胞器。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)（Gytoplasmicmatrix）是細(xì)胞質(zhì)的可溶相，是作為細(xì)胞器的環(huán)境而存在的，是一復(fù)雜的膠體系統(tǒng)。第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞核（nucleus）

遺傳物質(zhì)的集中區(qū)域，在原核生物細(xì)胞稱擬核（nucleoid）或類核區(qū)。在細(xì)胞膜以外還有些結(jié)構(gòu)，如纖毛、鞭毛等細(xì)胞質(zhì)衍生物，現(xiàn)在觀點(diǎn)是把這些結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為質(zhì)膜外結(jié)構(gòu)，連細(xì)胞膜在內(nèi)，共稱為細(xì)胞表面（Cellsurface）。第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)體系真核細(xì)胞（EukaryoticCell）種類繁多：從原生動(dòng)物到人，從綠藻到高等植物。大約在12—16億年前在地球上出現(xiàn)，是具有典型細(xì)胞核和核膜、核仁，體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，進(jìn)化程度較高的一類細(xì)胞?？梢允菃渭?xì)胞（原生動(dòng)物和單細(xì)胞藻類）、草履蟲、變形蟲，也可以是多細(xì)胞生物（幾乎包括所有的動(dòng)、植物），成年人約有1014個(gè)細(xì)胞，新生兒約有2×1012個(gè)細(xì)胞。真核細(xì)胞的典型結(jié)構(gòu)可歸納為如下：1、細(xì)胞膜：磷脂蛋白膜呈流動(dòng)鑲嵌結(jié)構(gòu)2、細(xì)胞核：遺傳物質(zhì)DNA、RNA、蛋白質(zhì)結(jié)合在一起成為染色質(zhì)，由核膜包繞，在細(xì)胞分裂期可凝集成染色體，并成對(duì)存在。細(xì)胞核中還有核仁存在。3、體積較大：直徑在10—100μm，多數(shù)20~30μm。

第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日4、細(xì)胞壁：植物細(xì)胞有，其組成成分為纖維素。5、核糖體6、內(nèi)膜系統(tǒng)：將細(xì)胞劃分為許多功能區(qū)，大大提高細(xì)胞代謝的活動(dòng)效率7、細(xì)胞骨架系統(tǒng)8、具有多種細(xì)胞器9、生殖方式：有絲分裂、減數(shù)分裂、無絲分裂10、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯在不同時(shí)間和地點(diǎn)。

真核細(xì)胞雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可在亞顯微結(jié)構(gòu)水平上劃分為三大基本結(jié)構(gòu)體系：生物膜系統(tǒng)、遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)、細(xì)胞骨架系統(tǒng)。

生物膜系統(tǒng)

以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎(chǔ)構(gòu)建而成。

遺傳信息表達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以核酸與蛋白質(zhì)為主要成分構(gòu)建而成。

細(xì)胞骨架系統(tǒng)

由特異蛋白質(zhì)分子裝配而成。第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日四、細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂●細(xì)胞周期(cellcycle)●細(xì)胞分裂○無絲分裂

○有絲分裂(mitosis)○胞質(zhì)分裂(Cytokinesis)○核內(nèi)有絲分裂與多極有絲分裂○減數(shù)分裂(Meiosis)第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）細(xì)胞周期◆概念：

細(xì)胞從一次分裂結(jié)束開始，到下一次細(xì)胞分裂完成為止所經(jīng)歷的有序過程。是一個(gè)物質(zhì)積累和細(xì)胞分裂的循環(huán)過程。又稱細(xì)胞生活周期或細(xì)胞繁殖周期。分為細(xì)胞有絲分裂期和分裂間期。

第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞周期時(shí)相組成◆間期(interphase):G1phase，Sphase，G2phase◆Mphase:有絲分裂期(Mitosis),胞質(zhì)分裂期(Cytokinesis)

細(xì)胞沿著G1→S→G2→M→G1周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，在間期細(xì)胞體積增大(生長(zhǎng))，在M期細(xì)胞先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個(gè)細(xì)胞周期。第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）有絲分裂(mitosis)●前期(prophase)●前中期(prometaphase)●中期(metaphase)●后期(anaphase)

●末期(telophase)第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日（三）減數(shù)分裂◆概念

減數(shù)分裂是細(xì)胞僅進(jìn)行一次DNA復(fù)制，隨后進(jìn)行兩次分裂，染色體數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日減數(shù)分裂的意義◆確保世代間遺傳的穩(wěn)定性；

◆增加變異機(jī)會(huì)，確保生物的多樣性，增強(qiáng)生物適應(yīng)環(huán)境變化的能力；

◆減數(shù)分裂是生物有性生殖的基礎(chǔ)，是生物遺傳、生物進(jìn)化和生物多樣性的重要基礎(chǔ)保證。第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日減數(shù)分裂特點(diǎn)◆遺傳物質(zhì)只復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，導(dǎo)致染色體數(shù)目減半◆S期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)◆同源染色體在減數(shù)分裂期I(MeiosisI)配對(duì)聯(lián)會(huì)、基因重組◆減數(shù)分裂同源染色體配對(duì)排列在中期板上,第一次分裂時(shí),同源染色體分開第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日減數(shù)分裂過程

第一次減數(shù)分裂或減數(shù)分裂Ⅰ包括：前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、未期Ⅰ和胞質(zhì)分裂Ⅰ

五個(gè)階段。然后，通過一個(gè)短暫的間期進(jìn)入減數(shù)分裂Ⅱ。

第二次減數(shù)分裂或減數(shù)分裂Ⅱ包括：前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、未期Ⅱ

減數(shù)分裂Ⅰ有其鮮明特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在前期Ⅰ染色體配對(duì)和基因重組。減數(shù)分裂Ⅱ與一般有絲分裂雷同。第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日◆細(xì)胞分化(celldifferentiation)：

在個(gè)體發(fā)育中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生各不相同的細(xì)胞類群的過程。◆細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物發(fā)育的基礎(chǔ)與核心；細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于特異性蛋白質(zhì)合成；合成特異性蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)在于組織特異性基因在時(shí)間和空間上的差異性表達(dá)。

五、細(xì)胞分化及細(xì)胞凋亡第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日組織特異性基因與當(dāng)家基因◆當(dāng)家基因(house-keepinggenes)：是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對(duì)維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的；◆組織特異性基因(tissue-specificgenes)，或稱奢侈基因(luxurygenes)：是指不同的細(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能；第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日影響細(xì)胞分化的因素◆胞外信號(hào)分子對(duì)細(xì)胞分化的影響,如眼的發(fā)生（胚胎誘導(dǎo)）◆細(xì)胞記憶與決定果蠅成蟲盤(imaginaldisc)◆受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對(duì)細(xì)胞分化的影響◆細(xì)胞間的相互作用與位置效應(yīng)◆環(huán)境對(duì)性別決定的影響◆染色質(zhì)變化與基因重排對(duì)細(xì)胞分化的影響第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)胞的全能性(totipotency)◆概念：細(xì)胞全能性是指細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機(jī)體的潛能或特性?！糁参锛?xì)胞具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株 ◆動(dòng)物細(xì)胞核移植(Nucleartransfer)實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞核具有發(fā)育全能性 ◆干細(xì)胞(Stemcell)與細(xì)胞發(fā)育潛能第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

如蛙細(xì)胞核移植后發(fā)育成蝌蚪

Dolly羊的誕生說明高度分化的哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日干細(xì)胞——人類健康長(zhǎng)壽的曙光人類干細(xì)胞研究自1999年被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為世界十大科學(xué)成就之首開始熱起來。

干細(xì)胞，即起源細(xì)胞，按其功能可分為三類：

全能干細(xì)胞——具有形成完整個(gè)體的分化潛能，如胚胎干細(xì)胞。人的胚胎干細(xì)胞可以分化成為全身200多種細(xì)胞類型，進(jìn)一步再形成機(jī)體的任何組織和器官。

多能干細(xì)胞——具有分化成多種細(xì)胞和組織的潛能，但卻失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力。如多能造血干細(xì)胞。

單能干細(xì)胞——只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細(xì)胞分化。又稱定向干細(xì)胞。第五十頁，共五十八頁，20