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1、细胞生物学,CELL BIOLOGY COURSE,2,Textbook & Reference books,翟中和主编，细胞生物学，高等教育出版社，2011年王金发主编， 细胞生物学，科学出版社，2005年Alberts B et al. Essential Cell Biology , 3rd ed. New York：Garland publishing，Inc., 2009Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 5th ed. New York：Garland Publishing，Inc. , 2008Becker W.M. et
2、 al. The World of the Cell. 7th ed. San Francisco: Benjamin Cummings, 2009Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：Concepts and experiments，6th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc. , 2009Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 6th ed. New York: W.H. Freeman and Company, 2008,4,The Nature and Status
3、 of Cell Biology,One of the subject courses in the contemporary biology education 当代生物学教育的主体课程之一The major subdiscipline of the contemporary biology education 当代生物学主要分支学科The required course with biotechnological speciality 生物技术专业的必修课The basis of life sciences 各类生命科学的基础The important pillar for the dev
4、elopment of life sciences 现代生命科学发展的重要支柱One of major fields of life science research of 21st century 21世纪生命科学研究的重要领域之一,5,The key to every biological problem must finally be sought in the cell， - E.B. Wilson Cell Biologist,细胞生物学是各生命科学的基础,Cell Biology 细胞生物学,Genetics遗传学,Zoology动物学,Botany植物学,Physiology 生
5、理学,Microbiology 微生物学,Biochemistry生物化学,按物种分科 按生命现象分科,Cell biology is the basis of all life sciences.,6,The research on cell life activities is becoming the bottleneck of the contemporary life sciences development,Functional genomics,Isolation and cloning of DNA,Sequencing,Gene expression,Mutant analy
6、sis,Cell life,Protein modification analysis,Qualitative analysis of polypeptides,Two-dimensional electrophoresis,Separation and preparation of proteins,Proteomics,Bioinformatics,7,How to study this course？,Recognize the importance of cell biology Familiarize the research contents of cell biology Rem
7、ember the following principles in learning cell biology:Understand the cell from molecular view,Understand the cell from systemic view,Understand the cell from the view that the unification of structure and functionLearn cell structure and function from the levels of molecular, microscopic, ultramic
8、roscopic, and whole organism.Understand the cell in a perspective of development Follow the new developments of cell biology,第一章 历史与展望,HISTORY AND PERSPECTIVE,本章内容提要,第一节 历史一、细胞的发现二、细胞学说三、细胞超微结构研究四、分子细胞生物学第二节 对未来的展望,第一节 历史,细胞生物学研究细胞的结构、功能和生活史。分三个层次：1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。3）分子水平，细胞结构的分子
9、组成，及其在生命活动中的作用。,细胞生物学由细胞学（Cytology）发展而来。是当代生物技术的支撑学科。发展迅速，期刊数量最多， SCI源期刊中细胞生物学的平均影响影子为4. 1。是生物、农学、医学等专业的一门必修课程。,细胞生物学经历了四个主要发展阶段：1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学。2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生。3）1930s-1970s，电镜技术应用， Cytology发展为细胞生物学。4）1970s以来，分子细胞生物学时代。,一、细胞的发现,细胞生物学的变革和显微技术的改进息息相关。1590年J. 和Z. Janssen制作第一台复式显微
10、镜。1610年Galileo Galilei用显微镜观察昆虫。1665年英国人Robert Hooke出版显微图谱。观察了软木，并首次用cells来描述“细胞”。,1590年，荷兰眼镜商Janssen父子制造出第一台显微镜。 放大镜+望远镜 光学性能不够理想，放大倍数不超过10倍。,Robert Hooke and his “cells”,“Cell” from “cellulae”,第一个发现细胞的是英国学者胡克(Rorbert Hooke)。1665年，胡克发表了 Micrographia一书, 报道用自制的显微镜(30倍)观察栎树软木塞切片时发现“cella”。,Micrographia
11、,Micrographia,1680年荷兰布商列文虎克A. van Leeuwenhoek当选为英国皇家学会会员。他自制了高倍显微镜(300倍左右)观察过植物、原生动物、水、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌、唾液、血液、精液等等。是第一个描述活细胞的科学家。Hooke之后的160多年里，对细胞的研究没有实质进展。直到1830s消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构和功能有了新的认识。,Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723).Magnification ranges at 50-275x.,1777年 W.Hewson 在无脊椎动物的红细胞中观察到了细胞核；1781年
12、 F.Fontana 在鳗鱼的皮肤上皮细胞中发现细胞核；1805年 G.R.TreviranuS 发现毛茛科植物花蕾中的相邻细胞间有膜作为界限；1812年 J.Moldenhawer 通过细胞分离的方法证实了细胞的个体特性；1829年 P.J.F.Turpin 提出植物体是由互不依赖的单个细胞的聚会体；1830年 F.J.F.Meyen 提出细胞是一个由膜所包围的实体,1831年R. Brown在兰科植物表皮细胞内发现了细胞核。1836年GG. Valentin在动物神经细胞中发现了细胞核与核仁。这些工作对于细胞学说的诞生具有重要意义。,二、细胞学说,Cell Theory是19世纪的重大发现
13、之一，其基本内容有三条：有机体是由细胞构成的；(All organisms are composed of one or more cells)细胞是构成有机体的基本单位；(The cell is the structural unit of life.)新细胞来源于已存在细胞的分裂。(Cells can arise only by division from a preexisting cell.),通常认为施莱登（MJ. Schleiden）和施旺（T. Schwann）正式提出了细胞学说。实际上它是19世纪许多科学家共同努力的结果。包括:BC. Dumortier、JB. de Lama
14、rk、CB. Milbel、H. Dutrochet、R. Brown、JE. Purkyne、R. Remak、R.Virchow等许多著名科学家。,1838年Schleiden发表“植物发生论” ，认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。但他以free-cell formation理论来解释细胞形成。Schwann提出了“细胞学说”（Cell Theory) ；1839年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。,Matthias Jacob Schleiden,Theodar Schwann,Schwann提出：有机体是由细胞构成的；细胞是构成有机体的基本单位。但他也采用了的Schle
15、iden细胞形成理论。1855 德国人R. Virchow 提出omnis cellula e cellula的著名论断；进一步完善了细胞学说。,Rudolf Virchow,19世纪30年代后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。F. Dujardin（1835）将之称为“sarcode”；JE. Purkinje（1839）和von Mohl（1846）则将之称作原生质“protoplasm” 。如今“原生质”一词已从生物学文献中消失了，但在当时具有十分重要的意义。,随着显微镜油镜，切片、固定和染色技术的发展：,细胞器的发现:1887 V.Beneden中心体1889 C.Golgi 内
16、网器（高尔基复合体）1897 C.Garnier 内质网1898 C.Benda线粒体,细胞生理活动:1873 Schneider 细胞分裂细胞核的变化1892 W.Flenning 精确描述细胞分裂过程，提出有丝分裂1883 E.Beneden 发表染色体遗传连续性的原理1884 W.Hertwig and E.Strasburger 细胞核是遗传特征的载体,三、细胞超微结构研究,1932年德国人E. Ruska和M. Knoll发明透射电镜，人类视野进入超微领域 。1939年Siemens公司生产商品电镜。1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析
17、技术研究这些结构的功能。Cytology发展为Cell Biology。,1. 细胞显微结构从亚微水平的重新认识 显微镜的放大倍数和分辨率提高 内质网,高尔基体变更清晰2. 更多细胞结构的发现 核糖体, 溶酶体, 过氧化物体, 微管,微丝,核孔3. 多层面结构知识的整合 多学科的交叉使人们对细胞结构的认识在显微水平、亚微水平和分子水平得到统一。,四、分子细胞生物学时代,1869年瑞士人F. Miescher 从脓细胞中分离出核酸，但未引起重视。1944年O. Avery等通过细菌转化试验，1952年M. Chase等通过噬菌体标记感染实验肯定了核酸与遗传的关系。,微生物转化试验,1952年Fr
18、anklin拍摄到清晰的DNA晶体X-衍射照片。1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。,1953年，Watson 和 Crick提出DNA双螺旋模型。与Wilkins分享1962 年诺贝尔生理学与医学奖 。,1958 年Crick 提出分子遗传的“中心法则”。1961-1964年Nirenberg 等破译遗传密码。1972年DA. Jackson，RH. Symons和P. Berg创建DNA体外重组。1973年SN. Cohen和HW. Boyer将外源基因拼接在质粒中，并在大肠杆菌中表达。一系列技术和理论的提出，使细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密。,1983年，Mulli
19、s发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。,1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划” （Human Genome Project）。 我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。2000年6月28日人类基因组工作草图完成。同年，美国国立卫生研究院给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首例基因治疗。这种疾病因腺苷脱氨酶（ADA）基因变异引起。,1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。,Dolly with her first born lamb,EMBRYO COLONING,20
20、01年，美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。,Leland H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,2002年，英国人布雷诺尔、美国人霍维茨和英国人苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。,Sydney Brenner,H. Robert Horvitz,John E. Sulston,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝
21、尔化学奖。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,2004年，美国人Richard Axel和Linda B. Buck获诺贝尔生理与医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。,Richard Axel,Linda B. Buck,2005年Barry J. Marshall 和J. Robin Warren 获诺贝尔生理与医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡方面的作用。,Barry J. Marshall,J. Robin Warren,2006年美国人Andrew Z. Fire和Craig C. Mello因对RNA干扰的研究而获诺贝尔生理与医学奖。,And
22、rew Z. Fire,Craig C. Mello,2007年美国的马里奥卡佩奇、奥利弗史密斯和英国的马丁伊文思因对基因打靶技术的研究而获诺贝尔生理学医学奖。,Mario R. Capecchi,Sir Martin J. Evans,Oliver Smithies,2008年诺贝尔化学奖揭晓，三位美国科学家，美国Woods Hole海洋生物学实验室的Osamu Shimomura（下村修）、哥伦比亚大学的Martin Chalfie（马丁沙尔菲）和加州大学圣地亚哥分校的Roger Y. Tsien（钱永健，钱学森的堂侄）因发现并发展了绿色荧光蛋白（GFP）而获得该奖项。,2008年诺贝尔生
23、理学或医学奖揭晓，德法三科学家分享该奖项。德国癌症研究中心的科学家Harald zur Hausen 因发现人类乳突淋瘤病毒（HPV）导致子宫颈癌而获奖；法国两位科学家，巴斯德研究所病毒学系逆转录病毒感染调控小组的Franoise Barr-Sinoussi 和巴黎世界艾滋病研究与预防基金会的Luc Montagnier 因发现人类免疫缺陷病毒（HIV）而获奖。,2009年度诺贝尔生理学或医学奖揭晓，得主是三位美国科学家伊丽莎白布赖克本（Elizabeth H.Blackburn）、卡罗尔格雷德（Carol W.Greider）和杰克绍斯塔克（Jack W.Szostak），他们的研究主题是“
24、染色体如何受到端粒和端粒酶的保护”。,美国科学家文卡特拉曼拉马克里希南、托马斯施泰茨和以色列科学家阿达约纳特3人共同获得2009的诺贝尔化学奖，“对核糖体结构和功能的研究”而获奖.,第二节 对未来的展望,人类在一万年前进入农业经济，18世纪60进入工业经济，20世纪50年代迎来信息时代。据估计这一经济形态的“寿命”为7580年，到本世纪20年代人类将迎接下一个经济时代，即生物经济时代的到来。它有以下特点：,一、推动产业革命，创造新的经济生长点,生物产业的比重将逐步提高。目前药品中有15%基于生物技术，这一数字据估会不断增加。生物芯片已广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。
25、转基因动植物的市场前景广阔，2004 年全球转基因作物的种植面积已经达到8100万公顷。,Gene Chip,二、推动医学革命，延长人类寿命,20世纪抗生素和疫苗的应用、医疗技术的提高使人类平均寿命从20世纪初的40几岁在世纪末达到70多岁。但是心血管病、癌症和各类遗传病或遗传相关的疾病仍然是威胁人类健康的主凶。21世纪生物技术将推动新一轮医学革命，从疾病预防、疾病诊断、药物研制、基因治疗、组织工程、器官移植、抗衰老等方面，延长人类寿命。,三、推动绿色革命，解决食品危机。,20世纪60年代以来，杂交高产作物的广泛应用，引起第一次绿色革命。二十一世纪转基因动植物、组织培养、胚胎移植、动物克隆等一
26、系列新技术将再一次改变农业的面貌，创造新品种、生产人类所急需的粮食、药物和工业用品，推动第二次绿色革命。,四、创造新品种，改善生态环境,植物抗旱、抗寒、抗盐基因的发现与应用，将有可能彻底改变10亿亩干旱地区的生态环境，使5亿亩不毛之地、盐碱地变为良田。用于废气、废水、废渣处理的基因工程极端微生物的应用，可降解生物塑料产品的产业化推广，解决工业排放、白色垃圾等环保难题，有效改善生态环境。,五、发展绿色能源，解决能源危机,煤、石油等化石能源的枯竭指日可待，替代能源的开发涉及国家安全。全球生物质能的储量为18000亿吨，相当于640亿吨石油。开发生物乙醇、生物柴油、生物发电、生物氢等，已经纳入许多国
27、家的能源战略规划。植物光合作用机理研究取得重大突破，人工光解水产生的氢气将成为继化石燃料之后主要的能源。,六、生物安全关系到国家安全,生物技术是一柄双刃剑。转基因动植物可能对野生资源造成破坏。生物工程武器将改变战争的方式与后果。生物恐怖的防范必须重视。外来入侵物种的危害日趋严重。,七、冲击传统伦理观念,安乐死器官移植人工授精脑死亡采用呼吸器和人工喂饲转基因动植物动物克隆胚胎干细胞、组织工程,细胞生物学领域的研究热点,细胞的信号转导：了解信号转导通路中信号分子之间的相互关系,细胞分化与干细胞：了解个体发育、修复和再生人体病变器官,Cell Tissue Organ System Multicel
28、lular individual Population Ecosystem,Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc.,adult human dermal fibroblasts,Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors,Teratoma Derived from Human iPS Cells,胃肠上皮组织,肌肉组织,脂肪组织,神经组织,表皮组织,软骨组织,Cell, Vol 131, 861-872, 30 November 2007,多潜能干细胞 (i
29、PS)的诱导,Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells,OCT4, SOX2 NANOG, LIN28,IMR90 cells (人胚胎源成纤维细胞) ，新生儿前额分离成纤维细胞,软骨组织 (中胚层),神经组织 (外胚层),胃肠上皮 (内胚层),Science. Vol. 318. 1917 - 1920, 21 December, 2007,癌干细胞（Cancer Stem Cell),A human melanoma cell. Where does it come from?,Quintana, E. Efficient tumor formation by single melanoma cells. Nature 456, 593599 (2008).,细胞周期与细胞周期调控：了解细胞周期检查点,细胞衰老与细胞死亡：了解生命现象,端粒DNA的长度随着细胞分裂次数的增加及年龄的增长而逐渐缩短,telomeres,
