西北农林科技大学-高级细胞生物学-第1章-绪论

1西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室主讲：陈坤明、江元清主讲：陈坤明、江元清Email:Email:[e-mail]@nwsuaf.edu.cn;;[e-mail]@163.comTel:18792781276Tel:[phone]高级细胞生物学西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室•高级细胞生物学课程是生物学类及农林医药类研究生的一门专业基础课；•细胞生物学既是生命科学的基础学科，也是前沿学科；•细胞的研究既是生命科学的出发点，又是生命科学的汇聚点。细胞内部的生命活动2西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室About“CellBiology”What?Forwhy?Howtostudy?TheNIHofUSA(1988):“Whatispopularinresearchtoday？”3kindsofdiseases：cancercardiovasculardiseasesinfectiousdiseases：AIDS，hepatitis5researchfields：cellcyclecontrol；cellapoptosis；cellularsenescence；signaltransduction；DNAdamageandrepair.Whatweknow//Howweknow.西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室ISI,USA(1997):SCI（ScienceCitationIndex）Papers:Threetopsofresearchfields:No1:Signaltransduction；No2:Cellapoptosis；No3:Genomeandpost-genomicanalysis。3西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室•Cell:IF2011=32.401;IF5years=34.929•Nature:IF2011=36.101;IF5years=35.241•Science:IF2011=31.364;IF5years=31.769ImImpactfactorsofthethreetoppestjournals西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室课程安排：理论40学时实验20学时讲授共13章：主要讲述细胞的功能与结构、增殖与分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、基因表达与调控以及细胞的起源与进化4西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室第一章绪论1细胞生物学研究的对象和主要研究内容2细胞生物学的发展历程3目前细胞生物学发展的趋势及研究热点西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1细胞生物学研究的对象和主要研究内容•细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的学科，是现代生命科学的基础学科之一。其研究对象是细胞。研究内容是细胞结构和功能、细胞重要生命活动。罗伯特·胡克和他的显微镜5西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室细胞与细胞生物学的概念细胞是生物体结构与生命活动基本单位。细胞生物学是以细胞为研究对象，从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平三个层次,以动态的观点,研究细胞和细胞器的结构和功能，细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室细胞的结构与功能，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，细胞信号转导，细胞基因表达与调控，细胞起源与进化等。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:细胞结构的分子组成及其在生命活动中的作用。例如：在整体水平上研究单个细胞的运动；在亚显微水平上研究与细胞运动有关的结构——微管、微丝；在分子水平上则对这些结构做分子解剖，研究组成它们的微管蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白结构、功能及运动机理等问题，等等。细胞生物学的研究内容6西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室细胞生物学研究内容归纳为：•生物膜与细胞器的研究•细胞核、染色体以及基因表达的研究•细胞骨架体系的研究•细胞增殖及其调控•细胞分化及其调控•细胞的衰老与程序化死亡•细胞的起源与进化•细胞工程西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1.1生物膜与细胞器的研究生物膜分子的流动镶嵌模型及冷冻断裂面图解：PS（与细胞质，核质或线粒体内基质相邻的面）；ES（与细胞外间隙或细胞内间隙或细胞内间隙相邻的面，如内质网腔、核质间隙、线粒体内、外膜之间的腔和其它各种泡的腔等）；EF（面向细胞质、核质、或线粒体基质的面）；PF（向细胞外间隙或内间隙的面）。生物膜结构生物膜功能7西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．2细胞骨架体系研究•由蛋白质构成的网架系统。在维持细胞形态，胞内物质运输和细胞器位移，细胞运动，信息传递，核酸蛋白合成，细胞分裂和分化，细胞连接等有重要作用。细胞骨架系统西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．3细胞核、染色体以及基因表达的研究细胞核与染色体结构——染色体的组装模型染色体端粒端粒时钟学说8西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室•细胞基因表达调控，基因、蛋白定位及互作等一直是细胞生物学研究的重点和热点基因表达调控——原核细胞乳糖操纵子真核细胞基因表达调控西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．4细胞增值及其调控不同形态的早熟染色体凝集（PCC）：G1期PCC为单线状，因DNA未复制。S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。MPF(分裂促进因子）=CDC2（酵母细胞分裂周期基因2蛋白，激酶活性部分，在细胞内含量稳定）+CyclinB（周期蛋白B，在细胞分裂中周期变化）。Chk1,G1期检验点蛋白，检验DNA是否损伤。Cdc25，磷酸酶。四个主要的检验点（限制点）：G1期检验点、S期检验点、G2期检验点和纺锤体组装检验点。Prophase分裂前期；anaphase分裂后期。9西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．5细胞分化及其调控，癌细胞受精卵发育与分化:受精卵(zygote)－胚泡(blastocyst)－囊胚(gastrula)及各胚层分化方向。血细胞的分化细胞原癌基因突变转化为癌细胞西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室多种不良环境因素和细胞内损伤可导致转录因子P53表达，P53作为转录因子进一步诱导周期蛋白依赖性激酶的抑制蛋白P21、P16的表达，阻止细胞分裂，诱导细胞凋亡。原癌基因的产物10西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．6细胞信号转导不同信号转导途径的汇集、趋异和通讯:G蛋白活化诱导的磷脂酰肌醇双信使（DAG/IP3）信号系统、cAMP信号途径和G蛋白耦联受体调控离子通道。受体酪氨酸激酶－Ras信号途径与G蛋白活化诱导的cAMP信号途径西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．7细胞凋亡与衰老细胞坏死和细胞凋亡的区别细胞色素释放引起的凋亡11西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室ABA:人类白血病T细胞经1微升喜树碱处理，磷脂酰丝氨酸(PS)外翻，早期凋亡特异性的特征被荧光标记的Annexin－5(Ca2+依赖性磷脂结合蛋白)检测到(有凋亡小体的黄色绿色细胞)。晚期凋亡和坏死细胞被pi染色（橙红色细胞核）。细胞凋亡的发生伴有细胞膜磷脂酰丝氨酸移位酶的激活，提示细胞膜膜脂双层的某些成分由胞浆面向细胞质面外翻，可能是细胞凋亡的早期征象。B:人白血病细胞株HL-60cells（急性粒细胞白血病，p53缺陷）被喜树碱诱导3小时。DNA段端被荧光标记的脱氧核苷酸末端转移酶标记。西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．8细胞的起源与进化线粒体和叶绿体的内共生起源由类蛋白形成的微球体可能是细胞的起源12西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室南京丰年虫中间性以卵黄颗粒为基础重建细胞的过程:(a)卵母细胞中的卵黄颗粒(小箭所指)和重建过程开始、正在发生结构变化的卵黄颗粒(大箭所指);(b)卵黄颗粒的结构进一步变化(大箭所指);(c)卵黄颗粒向核状结构发展(白三角所示);(d)已发展成三个重建的裸核.核膜清楚,核质松散呈网状,具有大小不同的细粒;(e)一个重建核的核外,正在形成细胞质和部分质膜(大箭所指).有大量的内质网泡在胞质中形成,有的与质膜有联系(白三角所示);(f)一个发育较为完整的重建细胞.质膜已经形成,有明显的双层核膜(大箭所指),但整个细胞形态结构尚比较幼稚,只有较原始的细胞器.abcdef西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室1．9细胞工程多利的诞生抗体产生细胞——脾细胞与骨髓瘤细胞杂交生产单克隆抗体13西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室2细胞生物学的发展历程•①细胞的发现（1665）；•②细胞学说的建立（1838）；•③细胞学的经典时期（1840）；•④实验细胞学时期（1876）；•⑤分子细胞生物学的兴起与发展（1953）。西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室2．1细胞的发现•细胞的发现得益于光学显微镜的研制和发展。第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森(HansJanssen)在1604年发明的。•1665年，英国的物理学家罗伯特·胡克(RobertHooke,1635～1703)用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为“cellar”，这是人类第一次发现细胞，不过，胡克发现的只是死的细胞壁。胡克的发现对细胞学的建立和发展具有开创性的意义，其后，生物学家就用“cell”一词来描述生物体的基本结构。•1674年，荷兰布商列文虎克(AntonievanLeeuwenhoek,1632～1723)为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜（300倍左右），并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。列文虎克罗伯特·胡克将他对各种物体的观察结果汇集成册，编写出版了《显微图集》一书，其中收集的就有著名的软木切片细胞图。14西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室2．2细胞学说的建立•随着显微镜制造技术的提高，人们对细胞的研究愈来愈广泛深入，大量的研究事实说明生物是由细胞组成的，一些学者已经提出或有了这样的思想。著名的博物学家拉马克（JeanBaptistedeLamarck,1744～1829）1809年就说过，物体若其组成部分不是细胞性组织，或不由细胞组织所形成者，不可能有生命。•1838年，德国人施莱登（MatthiasJ.Schleiden,1804～1881）对植物细胞进行了大量的研究工作后，提出了细胞是构成植物体的基本单位的看法。他认为，细胞是任何一个植物体的基本单位，最简单的植物是由一个细胞构成的。多数植物是由细胞和细胞的变态构成的。•德国人施旺（TheodorSchwann,1810～1882）对动物细胞进行了大量的研究，1839年他发表了《关于动植物在构造与生长上的一致性的显微研究》一文。施旺提出，细胞结构是一切动物体共有的结构特征，并进一步指出了动物和植物在结构上的统一性。他认为，不论是动物还是植物，都是由细胞构成的，细胞结构是生物体的共同特征。初步使用了细胞学说一语。拉马克施莱登施旺西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室细胞学说主要内容有：•①细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所组成；（一切动植物都是细胞构成的）•②每一个细胞作为一个相对独立的单位既有它“自己”的生命，有对其他细胞所组成的整体生命活动有所助益；（细胞是相对独立的）•③新细胞是由已存在的细胞分裂而来。（细胞是原有细胞分裂产生的）魏尔肖•1858年德国病理学家魏尔肖(RudolfLudwigKarlVirchow,1821～1902)——一切细胞来自细胞。•和进化论、能量守恒一样，细胞学说也被誉为19世纪的三大发现之一。施莱登的著作PrinciplesofSc