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1、细胞生物学细胞生物学Cell Biology绪绪论论n细胞生物学概述细胞生物学概述n细胞生物学的形成与发展细胞生物学的形成与发展n细胞生物学与医学科学细胞生物学与医学科学n如何学习细胞生物学？如何学习细胞生物学？概述：什么是细胞生物学概述：什么是细胞生物学?n细胞（细胞（cell）: :The basic structure and functional unit of all organisms; ncells may exist as independent units of life (as in monads) or may form colonies or tissues as in
2、 higher plants and animals.细胞细胞cell-生命的基本单位生命的基本单位n细胞是由质膜（细胞是由质膜（plasmamembrane）包围）包围的、相对独立的结构与功能单位，能够自我的、相对独立的结构与功能单位，能够自我调节和独立生存；同时，它又是不断与外界调节和独立生存；同时，它又是不断与外界进行物质、能量和信息交换的开放体系。进行物质、能量和信息交换的开放体系。n细胞具备生命的各项基本属性。不同的细胞细胞具备生命的各项基本属性。不同的细胞具有若干共性。具有若干共性。n生物学（生物学（biology）是研究自然界生命体（或）是研究自然界生命体（或生物）生命现象及其规
3、律的一门学科。生物）生命现象及其规律的一门学科。n细胞生物学（细胞生物学（cellbiology）以）以“完整细胞的生命完整细胞的生命活动（如新陈代谢、生长、发育、分化、遗传、活动（如新陈代谢、生长、发育、分化、遗传、变异运动、信号转导、衰老、死亡等）变异运动、信号转导、衰老、死亡等）”为着眼为着眼点，从细胞的不同结构层次点，从细胞的不同结构层次(分子、亚细胞、细胞分子、亚细胞、细胞)及细胞间相互关系及细胞间相互关系(细胞的社会性细胞的社会性)的角度来观察的角度来观察和研究细胞生命活动的基本规律。和研究细胞生命活动的基本规律。n细胞生物学主要关注基因表达后生物大分子细胞生物学主要关注基因表达后
4、生物大分子的修饰、改造、细胞成分的组装和细胞内外的修饰、改造、细胞成分的组装和细胞内外信息的整合、分析和传递等领域，。信息的整合、分析和传递等领域，。细胞周期调控、细胞增殖与分化的规律、染色体的结构和功能、细胞周期调控、细胞增殖与分化的规律、染色体的结构和功能、细胞骨架和核基质对核酸代谢的调控、胞内蛋白质的分选和细胞骨架和核基质对核酸代谢的调控、胞内蛋白质的分选和运输、细胞因子和细胞功能的的关系、细胞外基质和细胞间运输、细胞因子和细胞功能的的关系、细胞外基质和细胞间信号联系、细胞结构体系的组装、细胞信号转导、细胞迁移、信号联系、细胞结构体系的组装、细胞信号转导、细胞迁移、干细胞特性、细胞社会学
5、、细胞工程、细胞的衰老和死亡、干细胞特性、细胞社会学、细胞工程、细胞的衰老和死亡、受精与生殖研究受精与生殖研究不同角度研究细胞的细胞生物学分支不同角度研究细胞的细胞生物学分支n膜生物学（membrane biology）n细胞动力学（cytodynamics）n细胞能力学（cytoenergetics）n细胞遗传学（cytogenetics）n细胞生理学（cytophysiology）n细胞社会学（cytosociology）n细胞生态学（cytoecology）n癌细胞生物学（cancer cell biology）n神经细胞生物学（neural biology）n生殖细胞生物学（repro
6、ductive cell biology）n干细胞生物学（stem cell biology）n细胞组学（cytomics）n系统生物学（ssystems biology）。细胞生物学的形成与发展细胞生物学的形成与发展n1665年年Robert Hooke利用显微镜对物质世利用显微镜对物质世界进行了显微观察，发现细胞并命名。界进行了显微观察，发现细胞并命名。n荷兰人荷兰人Avon Leeuwenhoek第一次观察到完第一次观察到完整的活细胞。整的活细胞。细胞学说细胞学说nBrown（1831）发现一切细胞都有细）发现一切细胞都有细胞核。胞核。n1838年年M.J.Schleiden提出所有的提
7、出所有的植物都由细胞构成。植物都由细胞构成。nT.Schwann提出所有的动物也都由细提出所有的动物也都由细胞构成。胞构成。所有生物都是由一个或多个细胞组成，所有生物都是由一个或多个细胞组成，细胞是一切动植物的基本单位，细胞细胞是一切动植物的基本单位，细胞是生命的结构单位。是生命的结构单位。n1855德国人德国人R.Virchow提出提出“一切细一切细胞来源于细胞胞来源于细胞”，进一步完善了细胞，进一步完善了细胞学说学说nPurkinje（1839）提出原生质概念。）提出原生质概念。细胞被描述为细胞被描述为“是赋有生命特征的一是赋有生命特征的一团原生质，其中有一个核团原生质，其中有一个核”。n
8、Flemming（1880）发现有丝分裂，之）发现有丝分裂，之后陆续观察到各种细胞器后陆续观察到各种细胞器n细胞和组织细胞和组织（1892）标志着细胞）标志着细胞学（学（cytology）已成为一门生物学科。）已成为一门生物学科。n细胞学与相邻的学科之间的相互渗透，使细胞学与相邻的学科之间的相互渗透，使纯形态研究的细胞学发展为细胞生物学。纯形态研究的细胞学发展为细胞生物学。物理、化学、计算科学的发展也支持了细物理、化学、计算科学的发展也支持了细胞生物学的发展。胞生物学的发展。分子细胞生物学分子细胞生物学Molecularcellbiologyn从分子角度、亚细胞角度研究细胞内生物大分从分子角度
9、、亚细胞角度研究细胞内生物大分子的结构或功能变化与细胞生命活动的关系，子的结构或功能变化与细胞生命活动的关系，比如等方面，推动了细胞生物学的新发展。比如等方面，推动了细胞生物学的新发展。细胞增殖细胞增殖/ /分化及其调控、细胞运动的分子基础、物质分化及其调控、细胞运动的分子基础、物质在细胞内转运、细胞信号转导、细胞衰老与死亡机制在细胞内转运、细胞信号转导、细胞衰老与死亡机制系统生物学（系统生物学（systemsbiology）n以细胞作为一个系统，研究系统内各种因素，获以细胞作为一个系统，研究系统内各种因素，获得得DNA、RNA及蛋白质相互作用及所构成网络等及蛋白质相互作用及所构成网络等各方面
10、整合所获得的信息，建立能描述系统结构各方面整合所获得的信息，建立能描述系统结构和行为的数学模型，最后借此模型系统，研究系和行为的数学模型，最后借此模型系统，研究系统的功能、运作、异常及其干预。统的功能、运作、异常及其干预。n19981998年年: :信号分子信号分子n19991999年年: :信号肽信号肽n20012001年年: : 细胞周期的关键分子调节机制细胞周期的关键分子调节机制n20022002年年: : 程序性死亡的遗传调节机制程序性死亡的遗传调节机制n20032003年：通道蛋白年：通道蛋白n20042004年：受体年：受体n20072007年年: : 干细胞干细胞n2009200
11、9年年: : 端粒与端粒酶端粒与端粒酶 / / 核糖体核糖体n20122012年年: : 诱导多能干细胞诱导多能干细胞n20132013年：囊泡运输机制年：囊泡运输机制 细胞生物学与诺贝尔奖细胞生物学与诺贝尔奖细胞生物学与医学科学细胞生物学与医学科学n生命从细胞开始，生命从细胞开始，探索疾病发生的分子机制、探索疾病发生的分子机制、疾病的诊断与治疗必须在细胞水平上才能得到疾病的诊断与治疗必须在细胞水平上才能得到真正解决。真正解决。n细胞生物学的发展促进了医学的发展，细胞生物学的发展促进了医学的发展，对细胞对细胞各种生命现象的研究都可能直接或间接地应用各种生命现象的研究都可能直接或间接地应用于医学
12、领域，为医学带来革命性变化。于医学领域，为医学带来革命性变化。探索疾病发生的分子机制探索疾病发生的分子机制n蛋白质参与细胞的各种生命活动蛋白质参与细胞的各种生命活动。n由多个氨基酸残基构成的多肽链由多个氨基酸残基构成的多肽链（polypeptidechain），一般经多个层），一般经多个层次的组装折叠后形成成熟有活性的蛋白质次的组装折叠后形成成熟有活性的蛋白质分子。分子。n有高度的特异性有高度的特异性n蛋白质的构象决定了蛋白质的功能，通蛋白质的构象决定了蛋白质的功能，通过改变理化环境可以使蛋白质的空间构过改变理化环境可以使蛋白质的空间构象产生去折叠改变，即蛋白质的变性。象产生去折叠改变，即蛋白
13、质的变性。n蛋白质功能发挥也和构象变化有关蛋白质功能发挥也和构象变化有关蛋白质可逆磷酸化引起构象改变（正常）蛋白质可逆磷酸化引起构象改变（正常）蛋白质异常错误折叠的影响蛋白质异常错误折叠的影响nHumanPrionDiseasesCreutzfeld-JakobDisease(CJD)Gerstmann-Straussler-ScheinkerSyndromeFatalFamilialInsomniaKurunAnimalPrionDiseasesBovineSpongiformEncephalopathyScrapieCJD病人大脑组织切片，左：海绵状病变及周围的病人大脑组织切片，左：海绵状
14、病变及周围的沉淀斑，右：淀粉样蛋白沉淀沉淀斑，右：淀粉样蛋白沉淀n1982年年Prusiner发现发现CJD的病原体是一种蛋的病原体是一种蛋白质，后将之命名为白质，后将之命名为prion，即蛋白质感染，即蛋白质感染因子或朊病毒。因子或朊病毒。n朊病毒朊病毒( (PrPSc)具有极强的生命力和感染力。具有极强的生命力和感染力。n不畏甲醛，耐热，在高温加热后仍具有一定的感不畏甲醛，耐热，在高温加热后仍具有一定的感染力。染力。n耐受放射线和紫外线的照射，并对化学疗法有抗耐受放射线和紫外线的照射，并对化学疗法有抗药性。药性。n不溶于盐溶液，抗蛋白酶水解，能相互形成聚合不溶于盐溶液，抗蛋白酶水解，能相互
15、形成聚合体。体。n朊病毒能转变细胞内的正常蛋白，使之发生结构朊病毒能转变细胞内的正常蛋白，使之发生结构变异，具有致病作用。变异，具有致病作用。n朊病毒（朊病毒（Prion）是一种结构变异的蛋白质，它的）是一种结构变异的蛋白质，它的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因为翻译增殖既不是由于基因过分表达，也不是因为翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的。的。Prionn1997年年Prusiner获得诺贝尔生理与医学奖。获得诺贝尔生理与医学奖。forhisdiscoveryofprions-anewbiologicalprincipleofinfe
16、ction.细胞生物学研究是细胞生物学研究是疾病诊断的基础疾病诊断的基础 n疾病的诊断除了必要的病原学检查外，更疾病的诊断除了必要的病原学检查外，更主要的是有赖于疾病所带来的异常特征，主要的是有赖于疾病所带来的异常特征，整体水平、生化水平、细胞水平或分子水整体水平、生化水平、细胞水平或分子水平的变化，都可能是疾病诊断的依据平的变化，都可能是疾病诊断的依据n细胞或分子水平的变化来进行诊断就很容细胞或分子水平的变化来进行诊断就很容易获得早期诊断，也就十分有利于疾病的易获得早期诊断，也就十分有利于疾病的早期治疗早期治疗细胞生物学研究有助于细胞生物学研究有助于疾病的治疗疾病的治疗和干预，促进了医学发展
17、和干预，促进了医学发展n疾病的治疗有赖于对疾病机制的深入了解疾病的治疗有赖于对疾病机制的深入了解n基因治疗是建立在分子生物学特别是细胞生物基因治疗是建立在分子生物学特别是细胞生物学的基础上的现代医学治疗，弥补患者的细胞学的基础上的现代医学治疗，弥补患者的细胞缺陷，恢复细胞内已紊乱的新陈代谢。缺陷，恢复细胞内已紊乱的新陈代谢。n基因编辑技术为定点治疗基因缺陷疾病指明了基因编辑技术为定点治疗基因缺陷疾病指明了方向。方向。生殖生殖（reproduction）n在本质上是精子细胞与卵细胞的结合在本质上是精子细胞与卵细胞的结合干预（生育控制、干预（生育控制、治疗不孕不育）治疗不孕不育）分化分化（diff
18、erentiation）n受精卵产生的同源细胞，在形态、功能受精卵产生的同源细胞，在形态、功能和蛋白质合成等方面发生稳定性差异的和蛋白质合成等方面发生稳定性差异的过程。过程。干细胞干细胞（stem cell）n分化的过程中，许多组织都保留一些分化程度分化的过程中，许多组织都保留一些分化程度较低的干细胞（较低的干细胞（stem cellstem cell）处于暂时静止状态，）处于暂时静止状态，必要时干细胞可通过细胞分裂，分化为更高分必要时干细胞可通过细胞分裂，分化为更高分化程度的细胞。化程度的细胞。干细胞生物学的研究将为这干细胞生物学的研究将为这类疾病的治疗带来不可限量类疾病的治疗带来不可限量的
19、前景，它是现代再生医学的前景，它是现代再生医学（regenerative regenerative medicinemedicine）的基础。）的基础。细胞工程细胞工程(cellengineering)n应用细胞生物学技术和分子生物学技术，应用细胞生物学技术和分子生物学技术，改造细胞，使之有利于医学实践，造福人改造细胞，使之有利于医学实践，造福人类类 n裸鼠身上成功地移植了人造耳裸鼠身上成功地移植了人造耳n 一名一名7岁男孩因车祸造岁男孩因车祸造n成颅骨成颅骨66厘米缺损厘米缺损n采用组织工程技术修采用组织工程技术修n复复,经经4个月随访个月随访,生长生长n良好良好细胞衰老细胞衰老（cella
20、ging）n通过衰老机制的研究，最终将揭示人类衰老的本质，通过衰老机制的研究，最终将揭示人类衰老的本质，进而控制细胞及人的衰老，达到延年益寿的目的。进而控制细胞及人的衰老，达到延年益寿的目的。n细胞衰老的机制当前多集中于分子水平上的研究，细胞衰老的机制当前多集中于分子水平上的研究，如衰老相关基因（如衰老相关基因（senescence-associatedgene，SAG）、染色体端粒（）、染色体端粒（telomere）、一些与疾）、一些与疾病有关的物质（如病有关的物质（如Alzheimer病中类淀粉前体蛋白）病中类淀粉前体蛋白）在衰老中的作用等等。在衰老中的作用等等。nWerner综合症是一种
21、罕见的疾病，患者会综合症是一种罕见的疾病，患者会在青春期之后出现老化的外貌。病人皮肤、在青春期之后出现老化的外貌。病人皮肤、骨骼肌、心血管系统功能退化加速，取自骨骼肌、心血管系统功能退化加速，取自病人身上的培养细胞，其端粒比正常个体病人身上的培养细胞，其端粒比正常个体短，端粒短，端粒DNA修复能力降低。有研究表明修复能力降低。有研究表明是由于人类染色体是由于人类染色体8短臂的短臂的Werner综合症综合症基因（基因（WRN）发生突变所致。）发生突变所致。细胞信号传导细胞信号传导(signal transduction)n细胞作为生命的基本单位，作为一个相对独细胞作为生命的基本单位，作为一个相对
22、独立的系统，对于外界输入的信号，如何接受立的系统，对于外界输入的信号，如何接受信号、传递和处理信号，乃至作出反应，有信号、传递和处理信号，乃至作出反应，有一套自身的规律；疾病机制的研究（如肿瘤、一套自身的规律；疾病机制的研究（如肿瘤、药物中毒）、药物的筛选及毒副作用的研究药物中毒）、药物的筛选及毒副作用的研究都是以此作为基础开展的。都是以此作为基础开展的。肿瘤发生（肿瘤发生（tumorigenesis）n肿瘤发生的机制是医学细肿瘤发生的机制是医学细胞生物学研究的又一个重胞生物学研究的又一个重要领域。恶性肿瘤细胞的要领域。恶性肿瘤细胞的许多生物学行为，包括分许多生物学行为，包括分化水平、增殖过程、迁移化水平、增殖过程、迁移特性、代谢规律、形态学特性、代谢规律、形态学特点等与正常体细胞相比特点等与正常体细胞相比都有非常明显的变化，这都有非常明显的变化，这些差异可以在细胞水平遗些差异可以在细胞水平遗传传。如何学习细胞生物学如何学习细胞生物学结构结构功能功能n结构结构化学化学/分子组成，分子结构，特点分子组成，分子结构，特点/特性，组装，特性，组装，影响因素，变化影响因素，变化n功能功能作用，机制，调控因素作用，机制，调控因素Theend
