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1、分子细胞生物学 （for graduates） 2012.09,LOGO,1,提 纲,2,细胞基本特征,1、细胞是高度复杂和组织化的 表现在：有序度和一致性 不同层次和水平： 原子（碳、氢、氧、氮、磷、钙（98%）等60多种元素）-小分子（水、无机盐等）-大的聚合物分子（水（结合状态）、蛋白质、脂类、碳水化合物、维生素和矿物质）-复合体（染色质：DNA和蛋白质复合） -亚细胞器-细胞 每一水平都有很高一致性 -电镜下一致的细胞器特定形态和位置 -每种细胞器都有一致的大分子成分 组成生物体的基本元素是C元素 占细胞总重量的60%-90%，是活细胞中含量是最多的物质。 组成生物体的化学元素，在无机
2、自然界都可以找到，没有一种元素是生物界特有的。 组成生物体的化学元素在生物体和自然界中含量相差很大。,3,组成,细胞膜：脂类、蛋白质、糖类 细胞质：如线粒体、溶酶体 细胞核：生长、分化、代谢和繁殖的控制中心，染色质 核仁：蛋白质、DNA、RNA,4,功 能,5,生物进化上的保守性： -研究一种生物所得到的信息可直接应用到其他生命形式 -我们细胞中的分子必定与30亿年前的原始细胞祖先相似 大分子：生物大分子进化：指功能上重要的大分子或大分子中功能重要的局部，在进化速率上明显低于那些功能上不重要的大分子或大分子的局部。 系统：果蝇和包括人类在内的脊椎动物的神经系统起源于进化过程早期的共同祖先（20
3、06）。,6,2、细胞具有遗传程序和利用遗传程序的方式 有机体按照一套基因编码的信息而构建 基因：信息储存库；编制构建细胞结构的 蓝图；细胞活动的指南和自身繁衍 的程序,7,基因控制生物的性状主要通过两条途径： 一是通过控制酶的合成来控制生物的性状。这是因为由基因控制的生物性状要表现出来，必需经过一系列的代谢过程，而代谢过程的每一步都离不开酶的催化，所以基因是通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物个体性状的表现的。 另一条途径是基因通过控制结构蛋白的成分直接控制生物的形状。蛋白质多肽链上氨基酸序列都受基因的控制，如果控制蛋白质的基因中的碱基发生变化，则可引起信使上相应的碱基的变化，从而导
4、致蛋白质的结构变异。 此外，遗传性状的表现，不但要受到内部基因的控制，还受到外部条件的制约。因此，不同基因型的个体在不同的环境条件下可以产生不同的表现型，即使同一基因型的个体，在不同环境条件下，也可以产生不同的表现型。也就是说，表现型是基因型与环境共同作用的结果（表观遗传学）。,8,利用遗传程序的方式：细胞利用遗传信息完成其功能的机制 机制的阐明 -是近几十年的科学成就,9,例：,2012年Nature Cell Biology杂志上： 在这篇文章中，研究人员构建了Id1-Id3三基因敲除小鼠，发现在Id蛋白表达缺失的情况下，这种转基因小鼠出生后24h内即死亡，其大脑内神经干细胞增殖能力显著下
5、降，而且干细胞的数量也明显减少。 进一步发现Id基因敲除导致Rap1GAP表达升高，而Rap1GAP蛋白抑制Rap1（一种重要的细胞黏附调控因子），导致神经干细胞离开其微环境及细胞分化。这一发现说明Id-Rap1GAP-Rap1信号通路对于神经干细胞黏附于它们所处的特殊的微环境并维持神经干细胞持续不断的自我更新能力起到非常关键的作用。 Id(inhibitor of differentiation, 分化抑制物)蛋白属于bHLH（helix-loop-helix, 螺旋-环-螺旋)转录因子家族,10,3、细胞能够繁衍自身 细胞分裂繁殖：分裂前遗传物质复制，每个子细胞获得一套完整而等量的遗传信息
6、 如：干细胞：胚胎干细胞、成体干细胞,11,4、细胞获取能量并利用能量 太阳的电磁辐射（光能） 光合细胞膜上的吸光素捕获 光合作用 化学能存于糖类 肝释放 血液 细胞 葡萄糖被分解 转化为 ATP 参与细胞活动,12,5、细胞进行各种化学反应 细胞犹如微型的化工厂 在细胞内发生几乎所有的化学反应都需要酶 发生在细胞内化学反应的总和-细胞的代谢,13,6、细胞进行多种机械活动 物质运输 结构组装、去组装 细胞移动（肌动蛋白、微管、荧光染色） 特定蛋白的形状改变引发,14,7、细胞能对刺激做出反应 受体： 细胞具有识别激素、生长因子、胞外基质、其他细胞表面物质的受体； 它提供了外界因子引发靶细胞发
7、生特异性应答的通道。 做出的反应包括：改变代谢活动（酶）、细胞分裂（复制）、细胞迁移（蛋白）、自我毁灭等,15,TNFR和介导死亡信号转导,16,细胞凋亡受体（Fas）有望成为糖尿病治疗的新靶点,17,与受体结合后能促使细胞凋亡,18,8、细胞能够自我调节 如果细胞在DNA复制时不能纠错，将产生损伤性的变异； 如果细胞生长控制失灵，将导致癌细胞。 细胞如何调控其活动，而不调节失控？ 分子细胞生物学家主要目标：了解某一特定活动中所涉及的每一组分的结构和作用，组分间相互作用的方式，以及调节相互作用的机制。,19,Id(inhibitor of differentiation, 分化抑制物，转录因子
8、家族 敲除缺失，干细胞减少 Rap1GAP表达升高 Rap1（一种重要的细胞黏附调控因子）被抑制 导致神经干细胞离开其微环境及细胞分化 （阐明Id-Rap1GAP-Rap1信号通路对于神经干细胞黏附于它们所处的特殊的微环境并维持神经干细胞持续不断的自我更新能力起到非常关键的作用）,20,细胞类型,原核细胞：细菌、支原体、蓝藻 真核细胞：原生生物，真菌，植物，动物 相同点： 真核由原核进化而来，共享一套遗传语言、共同代谢途径、许多共同的结构特征。,21,22,23,不同点： DNA 细胞质,24,DNA Pro- Eu- 长度 0.25-3mm 4.6mm(yeast) 编码蛋白 几百-几千 6
9、200 染色体 单个环状， 裸露DNA 线性DNA+蛋白质,25,细胞质不同点,26,原核生物（1-5m）： 古细菌：嗜极端菌（盐、酸、热等） 真细菌：支原体，唯一缺乏细胞壁的原核 生物 多样性：已知物种相关的DNA 序列，如编码核糖体RNA的基因，或某些代谢途径的酶，分析海域样本细胞DNA序列，判断物种,27,真核细胞的类型（10-30m）：细胞的转化 复杂的单细胞有机体（原生生物） 多细胞生物：不同活动由不同类转化细胞完成。如肌肉细胞、肝脏细胞、骨细胞、神经细胞、红细胞、和胃黏膜细胞等。,28,一套基因，但细胞类型和形状都各不相同。为什么？ 细胞核中的基因在细胞的一生中有的处于转录状态，即
10、活性状态，有的处于非转录状态，即基因关闭。在生物体的不同发育期，基因的活性是不同的，而且基因的活性有严格的程序。基因活性的严格程序是生命周期稳定的基础。各种不同的生物因其细胞内的基因具有独特的活性调节而呈现不同的形态特征。,29,2012年4月：科学家花了廿年观察挪威湖泊一种以水藻为食的微小生物，宣布它是现今世上最古老的有机体之一，同时也是人类最远的亲戚。 科学家表示，这种单细胞生物约于十亿年前演化，不算是任何已知的有机体种类，例如动植物、寄生虫、菌类或藻类。奥斯陆大学研究员塔布瑞齐说：我们在这座湖中发现一种不知名的生物分支。它独一无二，尚未发现其他种类的有机体比它更接近生命源头。科学家表示，
11、这种新种类的有机体名为单细胞真核生物（又称有可见细胞核的细胞，Collodictyon）。,30,脊椎动物的卵从受精到胚胎发育，上百种细胞分化； 每个胚胎细胞的分化途径主要依赖从环境中接受的信号，这些信号反过来又依赖于细胞在胚胎中所处的位置。 如何在培养皿中控制细胞分化？ 分化：细胞形态各异，所含物质各不相同，但不同细胞仍由相同的细胞器组成,31,模式生物： 酿酒酵母：基因数目少；小的单细胞生物易培养；主要以单倍体形式存在，单个基因突变的效应可直接观察，否则，拷贝会掩盖突变基因的存在 拟南芥：基因组小，世代时间短 线虫：确立的细胞数目，透明体壁，世代时间短 果蝇：世代时间短（14d），产卵多，
12、小，便宜，突变品系 小鼠：裸鼠无胸腺，不会产生排异 斑马鱼：可视性,32,结合我们的工作谈谈原核、真核细胞在新药研发中的作用 大肠杆菌 细胞,33,大肠杆菌表达系统遗传背景清楚，目的基因表达水平高，培养周期短，抗污染能力强等特点, 是分子生物学研究和生物技术产业化发展进程中的重要工具。因此熟练掌握并运用大肠杆菌表达系统的基本原理和常规操作是对每一个研究生来说是非常必要的。 表达载体的选择；宿主菌的选择；表达条件的建立；蛋白的纯化,34,哺乳动物细胞是表达具有天然活性蛋白的最佳宿主其优势在于能正确有效地识别真核蛋白的合成、加工和分泌信号，识别和去除基因中的内含子，再经剪切加工成为成熟的mRNA，
13、能准确地完成糖基化、磷酸化，形成链内和链间二硫键及蛋白水解等翻译后加工过程，因而产生的完整抗体和天然抗体一样，具有生物学活性，既可识别抗原又可激活补体系统。哺乳动物细胞易被重组的DNA转染，经过筛选可得到转化的细胞，具有遗传稳定性和可重复性表达的产物分泌到培养基中易于纯化。利用哺乳动物细胞表达蛋白产物已广泛应用于生物制品工业，如病毒疫苗、抗体、干扰素、免疫调节剂、激素、和生长因子等的大量制备。,35,病毒,是非细胞类病原体，只能在活细胞中进行繁殖，在细胞外病毒包装成大分子颗粒，由病毒核酸和包被核酸的病毒蛋白质组成 病毒感染分两种： （1）毁灭宿主细胞伴随产生病毒后裔 （2）将病毒核酸整合到宿主
14、DNA中，这常会改变细胞的活性 病毒不是主要的生命形式，而更像是源于细胞染色体片段次级进化而来的,36,细胞生物学研究方法,第一节 显微技术 一、光学显微镜 二、电子显微镜 第二节 生物化学与分子生物学技术 第三节 细胞分离技术 第四节 细胞培养与细胞杂交,37,第一节 显微技术,光学显微镜：以可见光（或紫外线）为光源。 电子显微镜：以电子束为光源。,38,（一）普通光学显微镜,39,（二）荧光显微镜 Fluorescence microscope,特点：光源为紫外线，波长较短，分辨力高于普通显微镜； 有两个特殊的滤光片； 照明方式通常为落射式。,40,Fluorescence image o
15、f epithelial cell, DNA in blue and Microtubules in green,用于观察能激发出荧光的结构。用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。,41,（三）激光共聚焦扫描显微境 Laser confocal scanning microscope, LCSM,用激光作光源，逐点、逐行、逐面快速扫描。 能显示细胞样品的立体结构。 分辨力是普通光学显微镜的3倍。 用途类似荧光显微镜，但能扫描不同层次，形成立体图像。,42,laser confocal scanning microscope, LCSM,43,LCSM Image of a Xenopus M
16、elanophore microtubule cytoskeleton (green) and the nucleus (blue) http:/www.itg.uiuc.edu/,44,透射电子显微镜,TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE，TEM,（四）电子显微镜,45,46,酵母,47,人类精子,48,第二节 生物化学与分子生物学技术,49,一、细胞化学技术cytochemistry 二、免疫细胞化学 immunocytochemistry 三、显微光谱分析技术 细胞中有一些成分具有特定的吸收光谱，核酸、蛋白质、细胞色素、维生素等都有自己特征性的吸收曲线。可利用显微分光光度计对某些成分进行定位、定性和定量测定。,二、免疫细胞化学 immunocytochemistry,50,四、放射自显影术 用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排
