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1、细胞工程笔记第一章绪论生物技术的概念：New Biotechnologythe use of cellular and biomolecular processes to solve problems or make useful products. (CB. Feldbaum,2004)现代生物技术的的主要领域发酵工程：利用微生物的特定性状,通过现代工程技术，在生物反应器中生产有用 物质的术。如：当前的食品、医用和农用抗生素绝大部分是发酵产品，此外还包括 氨基酸、工业用酶，日常生活中的味精、维生素B2等。酶工程：利用酶的催化作用，采用适当的生物反应器工业化的生产人类所需的产品 或是达到某一特
2、殊目的的一门生物工程技术。如：才淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄 糖异构酶三酶连续作用于淀粉,就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革 脱毛、脱胶和洗涤剂工业等；日常生活中的加酶洗衣粉，嫩肉粉等。基因工程：根据人们的意愿对不同生物的遗传基因进行切割、拼接或重新组合,再 转入生物体内产生出人们所期望的产物,或创造出具有新遗传性状的生物类型的一 门技术,又称重组DNA技术。如：单克隆抗体、疫苗、基因治疗药物、干扰素、 生长因子等药物。蛋白质工程：利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列进行有目的的改造并分 离、纯化蛋白质，从而获取自然界没有的、具有优良性质或适用于工业生产条件的 全新蛋白质的技术。又
3、称第二代基因工程。如：提高葡萄糖异构酶热稳定性、速 效胰岛素、嵌合抗体、治癌酶的改造等。生物化学工程：应用化学工程的原理和方法，研究解决生物反应过程中的基础理论 及工程技术问题。如：新型生物反应器系统及相关培养和放大技术、工艺的研究与 开发,新型分离方法和设备的研究开发,描述生物反应过程的数学模型的建立,生 产过程在线检测和控制手段的完善等。细胞工程地位:细胞工程是现代生物技术的桥梁和纽带二细bt程学的研究范畴1、概念和分类概念:以生物细胞、组织或器官为研究对象,运用生命科学理论，以及工程学原理 与技术,有目的的利用和改造生物遗传特性或生物学特性,以获得特定的细胞、组 织产品或新型物种的一门综
4、合性科学技术。根据研究对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程2、细胞工程学的研究领域原生质体培养(protoplastculture )组织、器官或细胞培养(tissue,organorcellculture )植物胚胎培养(embryoculture)染色体工程(chromosomeengineering )转基因动植物(transgeneticanimalandplant )动物胚胎移植、胚胎培养和试管动物(embryo transfer, embryo culture, tube animal)克隆动物(clonedanimal )3. 细胞工程学的研究任务细胞、组织或器官的形态发生
5、规律；研究离体培养条件下,细胞、组织或器官所需营养条件和环境条件；细胞融合方法和机理；植物材料的快速大量繁殖方法；种质资源的离体保存机理和方法；动物胚胎移植、胚胎体外生产及动物克隆技术等；再生个体的遗传和变异；改良生物品种，创造新的生物种类，为人类造福。三、细虹程史-)植物细胞工程发展史19世纪末和20世纪初探索期(1859-1929 X成熟期(1930-1959 )和迅速发展期(1960年至今)理论基础:生物细胞的全能型(totipotency ):个体或组织、器官已经分化的细胞在适宜的培养 条件下具有再生成完整个体的遗传潜能。1、探索期1902年GottlichHaberlandt (德.
6、哈泊兰德)根据细胞理论提出植物可以不断 分割至单个细胞,在适当的条件下单细胞具有发育成完整植株的能力。celltheoryAlli 计 eformsaremadefromoneormorecells.Thecellisthesmallestformofl 计 e.Cellsonlyarisefrompre-existingcells.如果具有与有机体内一样的条件时,每个细胞应该可以独立生活和发展（细胞 学Schwann,1839这一论点成为组织培养研究的思想基础。随后,许多科学家从事组织培养研究。1904年，德国植物胚胎学家Hanning （汉宁）用萝卜和辣根的胚进行离体培养, 提早长成了小植
7、株。常规：幼胚一（成熟）种子一（发芽）植株组织培养：幼胚一（培养）植株首次获得植物器官（胚）离体培养成功。1922年，Kotte （德，科特）和Robbins （美，罗宾斯）对豌豆、玉米 棉花等的 茎尖、根尖进行了离体培养,发现了培养的分生组织能进行有限的生长。首次植物组织培养。1925年，Laibach （德，莱巴赫）进行亚麻种间杂种幼胚培养,成功得到了杂种植 物。证明了胚培养在植物远缘杂交中利用的可能性。2“成熟期White、Gautheret s Nobecourt等科学家被誉为植物组织培养的奠基人。40年代末开始,从脱分化细胞组织培养进入探讨器官再分化的研究。细胞（组织、器官）f【脱分
8、化】愈伤组织（分生细胞）f【再分化】不定芽、根（双极性胚状体）一植株1957年Skoog （美，史库克）和Miller （米勒）提出了植物激素控制器官形成的概 念，首次证实IAA/BA的比例是组织培养中控制根和芽形成的重要条件。1958年Steward （英，斯图尔德）和Reinert （德，雷那特）从胡萝卜根的悬浮细胞中成功从单个细胞诱导出成熟的体细胞胚,首次证实了细胞全能性学说。3. 迅速发展期1）原生质体培养和细胞融合1971年,Takebe （日,塔克伯）等从烟草原生质体得到再生植株,首次获得原生 质体植株再生成功。1972年，Carlson （美，卡尔森）等通过两个烟草物种之间原生质
9、体的融合，获得 了第一个体细胞杂种植株。1978年，Melchers （梅尔彻斯）进行了马铃薯和番茄的融合实验,获得了第一个 属间杂种植株。2 ）微繁技术1960年，Morel （法，莫里尔）提出了利用茎尖离体快速无性繁殖兰花的方法，在 此基础上,国际上建立了兰花工业,取得了巨大的经济效益和社会效益。3）花药培养技术1973年，Nitch采用花药预培养的方法，首次获得了烟草花粉植株。4）次生代谢产物生产1959年,Tulecke和Nickell首先进行了较大规模细胞培养,在一个20L的植物细 胞封闭式悬浮培养系统中，成功培养了银杏、冬青等细胞。20世纪80年代植物细胞工程技术开始大规模应用于植
10、物遗传改良和快速繁殖,在 人工种子、种质资源的保存和细胞培养次生代谢物质也进行了研究和开发。1985年首批转基因植物（抗虫/抗病毒）开始进行田间试验,1986年美国EPA批 准了转基因烟草的释放。1994年美国FDA批准了第一个转基因食品FlavrSavrTM西红柿。二）动物细胞工程发展史1、培养技术1907年,Harrison首先培养了蛙胚神经管细胞,并观察到有新的神经细胞生成。 这标志着动物细胞培养的开始。1911年，Carrel发现了鸡胚浸出液对于培养细胞的生长促进作用,并首次把无菌 技术引入组织培养技术中。1914年，Thomson建立了器官培养技术。1940年，1951年,Earle
11、和Gey分别建立了 C3H小鼠结缔组织细胞系的L系和人 体细胞系一人体宫颈癌Hela细胞系。2、细胞融合技术1958年，Okada发现紫外灭活仙台病毒可引起艾氏腹水瘤细胞彼此融合。1965年,Harris诱导不同动物体细胞融合获得成功并培养存活。1964年,Lifflefield根据亲本细胞的酶缺陷型,利用HAT选择性培养基使亲本细 胞死亡而只留下异型融合细胞,并能不断增殖,从此形成了细胞融合到杂种细胞选 择、培养的一整套技术。1975年，免疫学家Kohler和Milstein利用仙台病毒诱导绵羊红细胞免疫的小鼠脾 细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合，选择到能分泌单一抗体的杂种细胞。该杂种细胞具有 在小
12、鼠体内和体外培养条件下大量繁殖的能力,并能长期地分泌单克隆抗体,从而 建立了小鼠淋巴细胞杂交瘤技术。3. 多倍体诱导技术1959年，Swarup用低温处理三棘刺鱼获得了三倍体,并饲养至性成熟。现在人工 诱导多倍体已成为经济水生动物育种的主要技术。4、克隆技术首例克隆动物成功的报道是在1962年,英国学者Grudon把非洲爪蟾小肠上皮细 胞的核注入同种或异种非洲爪蟾受精卵(经紫外线照射杀死卵细胞核)中，约有1% 的重组卵发育成为成熟蛙。1997年2月，Wilmut (英)在Nature报道了世界第一只克隆羊的诞生。第二章细胞2.2细胞増殖、生长与衰亡细胞增殖(cellproliferation)
13、:单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。多细胞生物由_个单细胞即受精卵分裂发育而来纟田胞增殖是多细胞生物繁殖基础。 成体生物仍然需要细胞增殖,主要取代衰老死亡的细胞,维持个体细胞数量的相对 平衡和机体的正常功能。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等,都要依赖细胞增殖。2.2.1 细胞周期(cellcycle )细胞周期(cellcycle ):连续分裂的细胞从一次细胞分裂结束开始,到下一次细 胞分裂结束所经历的过程。DNA 合成前期(pre-DNAsynthesis,Gl 期)DNA 合成期(phaseofDNAsynthesis,S 期)DNA 合成后期(post-DNAsynthes
14、is,G2 期) 细胞分裂期(phaseofcelldivision,M 期) 有丝分裂(mitosis ) 减数分裂(meiosis ) 无丝分裂(amitosis )2.2.2细胞分裂细胞分裂(celldivision ):是细胞一分为二的增殖过程,从而产生新细胞。 无丝分裂特征:分裂速度快，不出现染色体和纺锤体等结构,核膜核仁也不消失。 有丝分裂：即体细胞分裂,通过分裂产生同样染色体数目的子细胞，包括核分裂和 胞质分裂两个过程。前期(prophase)中期(metaphase)后期(anaphase)末期(telophase)胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期,在赤道板
15、周围细胞表面下陷，形成环 形缢缩,称为分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体和钙离子浓度的变化有关。胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束, 环绕细胞，称为收缩环(contractile ring)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并 形成两个子细胞。植物细胞胞质分裂：与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜 和胞壁而将细胞分开植物细胞胞质分裂有丝分裂的意义有丝分裂的过程是亲代细胞的染色体复制,再平均分配到两个子细胞中,从而保证 了亲、子代两代细胞中含有相同数目和形态结构的染色体,在亲子代之间保持遗传 性状的稳定性和遗传性。减数分裂(MEIOSIS ):是细胞仅进行一次DNA复制,随后进行两次分裂,染色体 数目减半的一种特殊的有丝分裂，仅出现在生殖细胞成熟过程中。减数分裂的意义：1、遗传物质只复制一次,细胞连续分裂两次,导致染色体数目减半；2、S期持续时间较长；3、同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因重组；4、减数分裂同源染色体配对排列在中期板上,第一次分裂时,同源染色体分开。减数分裂的特点:1、遗传物质只复制一次,细胞连续分裂两次,导致染色体数目减半；
