1、第第1 1章章 细胞生物学细胞生物学1.1 细胞生物学导读细胞生物学导读1.2 细胞生物学发展阶段特征细胞生物学发展阶段特征1.3 细胞生物学发展大纪事细胞生物学发展大纪事1.1 细胞生物学导读细胞生物学导读什么是细胞生物学?:书中第一页说：书中第一页说：“细胞生物学细胞生物学”(Cell Biology)是指，以细胞的结构和功能为主是指，以细胞的结构和功能为主线，在各个层次上研究细胞生命活动基本线，在各个层次上研究细胞生命活动基本规律的科学。规律的科学。我想可能修改为我想可能修改为“细胞生物细胞生物学学”是指是指“以亚细胞的结构和功能为主线以亚细胞的结构和功能为主线，以各个层次上研究细胞器的
2、生命活动规，以各个层次上研究细胞器的生命活动规律和细胞整体水平调控规律为主要内容的律和细胞整体水平调控规律为主要内容的学科学科”更确切些。更确切些。美国第一位美国第一位“细胞生物学家细胞生物学家”的威尔的威尔逊教授逊教授19251925年提出年提出：“一切生命的关一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案键问题都要到细胞中去寻找答案”。威尔逊的名言威尔逊的名言(Edmund Beecher Wilson)EB Wilson was born in Geneva,Illinois in 1856.He attended Antioch College,the University of Chica
3、go,Yale,and Johns Hopkins(Ph.D.1881).Most of his professional life was spent in the Zoology Department of Columbia University together with his close friend,Thomas Hunt Morgan.They were dominant figures in developing the Chromosome Theory of Heredity.embryology,cytology,and heredity.He is remembered
4、 today largely for his superb synthesis of these three fields in The Cell in Development and Heredity.He died in 1939.1.2 细胞生物学发展阶段和大纪事细胞生物学发展阶段和大纪事 细胞的发现细胞的发现 16651665年胡克年胡克 (Robert Hooke)(Robert Hooke)细胞学说的建立细胞学说的建立 1838-18581838-1858 细胞生物学的经典时期细胞生物学的经典时期 原生质理论，细胞分裂现象，细胞器的发现，原生质理论，细胞分裂现象，细胞器的发现，实验
5、细胞学阶段实验细胞学阶段 细胞遗传学，细胞生理，细胞化学细胞遗传学，细胞生理，细胞化学 细胞超微结构学的发展细胞超微结构学的发展 分子细胞生物学分子细胞生物学 分子、细胞、细胞超微结构水平分子、细胞、细胞超微结构水平 1.2.1 The Discovery of Cell细胞的发现细胞的发现“cellulae”,a Latin term meaning little room.It is from this word we get our present-day term,cell.1665年年，胡克观察栎树胡克观察栎树软木塞切片软木塞切片(植物细胞壁植物细胞壁)：发现类似蜂巢的网状小室，发现
6、类似蜂巢的网状小室，借用拉丁文借用拉丁文“cellulae”称之称之为为“小室小室”即即“细胞细胞”。人类第一次发现细胞人类第一次发现细胞18551855年年，德国医生和病理学家魏尔肖（，德国医生和病理学家魏尔肖（Rudolf Rudolf VirchowVirchow）补充了细胞学说的第三条原理：）补充了细胞学说的第三条原理：所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂，所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞来自于细胞。即细胞来自于细胞。18381838年，年，德国植物学家施来登（德国植物学家施来登（M.J.SchleidenM.J.Schleiden）：）：尽管植物的不同组织在结构上有着很大的差
7、尽管植物的不同组织在结构上有着很大的差异，但都是由细胞构成的，植物的胚是由单异，但都是由细胞构成的，植物的胚是由单个细胞产生的。个细胞产生的。18391839年，年，德国动物学家施旺（德国动物学家施旺（Theodor SchwannTheodor Schwann）发）发表了表了关于动植物的结构和生长的一致性的显微关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究研究，提出，提出地球上的生物都是由细胞构成地球上的生物都是由细胞构成的；的；所有的生活细胞在结构上都是类似的。所有的生活细胞在结构上都是类似的。意义：细胞学说意义：细胞学说(cell theory)对细胞学发对细胞学发展的推动展的推动 细胞科学是
8、实验科学，而实验科学的发展既依赖细胞科学是实验科学，而实验科学的发展既依赖于实验观察，又于实验观察，又有待于理论的升华有待于理论的升华。细胞细胞是在是在1665年年发现发现的，但在其后的的，但在其后的170年时间年时间里细胞学没有大发展，究其原因主要是没有将这里细胞学没有大发展，究其原因主要是没有将这一发现上升为理论。一发现上升为理论。细胞学说细胞学说创立之后创立之后，在这一理论的指导下，细，在这一理论的指导下，细胞学得到了突飞猛进的发展。胞学得到了突飞猛进的发展。19世纪的最后世纪的最后25年，年，1875-1900年，是年，是细胞学的经典时期细胞学的经典时期。1.2.3 细胞学的经典时期细
9、胞学的经典时期(1875-1900)原生质原生质(protoplasm)理论理论的的提出提出 在动物、植物中发现在动物、植物中发现“肉样质肉样质”的物质的物质,并命名并命名为为“原生质原生质”;1861年年Schultze提出提出:有机体的组织单位是一有机体的组织单位是一小团原生质小团原生质,这种物质在一般有机体中是相似这种物质在一般有机体中是相似的的。并把细胞明确地定义为并把细胞明确地定义为:“细胞是具有细胞是具有细胞核细胞核和和细胞膜细胞膜的活物质的活物质”。原生质原生质(protoplasm)：被被质膜包裹质膜包裹在细胞内的所有生活物质成为原在细胞内的所有生活物质成为原生质，包括生质，包
10、括细胞核细胞核和和细胞质细胞质。细胞质细胞质(cytoplasm)：细胞内除细胞核以外的原生质，包括透明的细胞内除细胞核以外的原生质，包括透明的粘液状粘液状胞质溶胶胞质溶胶(cytosol)和浮于其中的和浮于其中的细胞器细胞器。原生质体原生质体(protoplast)：具有细胞壁的植物细胞和细菌等，离体条具有细胞壁的植物细胞和细菌等，离体条件下通过酶解使细胞壁去掉，脱去细胞壁的细胞称件下通过酶解使细胞壁去掉，脱去细胞壁的细胞称为为protoplast，细胞工程细胞工程(体外实验体外实验)学概念学概念细胞受精和细胞分裂（减数分裂、有丝细胞受精和细胞分裂（减数分裂、有丝分裂）现象的发现分裂）现象的
11、发现细胞器的发现，如中心体、染色体、线细胞器的发现，如中心体、染色体、线粒体、高尔基体粒体、高尔基体1.2.4 实验细胞学时期实验细胞学时期(1900-1953)是指采用实验的手段研究细胞学的问是指采用实验的手段研究细胞学的问题题,即从即从形形态结构态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。机理的研究。细胞遗传：细胞遗传：染色体染色体结构、功能及与其他细胞器关结构、功能及与其他细胞器关系来研究系来研究遗传变异机制遗传变异机制。细胞生理：细胞摄取营养、能量，代谢，细胞生细胞生理：细胞摄取营养、能量，代谢，细胞生长、发育、繁殖，细胞的运动性和
12、适应性等长、发育、繁殖，细胞的运动性和适应性等细胞化学：研究细胞化学：研究细胞结构的化学组成细胞结构的化学组成及及化学分子化学分子的定位、分布及生理功能的定位、分布及生理功能1.2.5 1.2.5 分子分子水平的细胞水平的细胞生物学生物学组装细胞组装细胞人教版p13C.Venter3.1 细胞的基本形态结构和组成细胞的基本形态结构和组成3.2 细胞的分类与进化细胞的分类与进化第第3 3章章 细胞的基本结构细胞的基本结构P 30细胞的形态细胞的形态3.1 细胞的基本形态结构和组成细胞的基本形态结构和组成The Size of Cells and their components 细胞与细胞器的大
13、小细胞与细胞器的大小以微米、纳米为单位测量以微米、纳米为单位测量 micrometers:1 m=10-6 meter nanometers:1nm=10-9 meter Nuclei:5-10 m in diameterMitochondria:2 m in lengthA single 200 m cell,the human egg,with sperm,which are also single cells.Large single cells:fossilized dinosaur eggs.已形成化石的恐龙卵细已形成化石的恐龙卵细胞胞The types of biological
14、molecules at make up various cellular structure组成生物结构的各类组成生物结构的各类生物分子生物分子细胞的基本结构和功能细胞的基本结构和功能学习表33、34你掌握了多少?在这个基础上学习新的知识。自己与自己比,提高了多少。质膜质膜(plasma membrane)内质网内质网(endoplasmic reticulum,ER)糙面内质网糙面内质网(rough ER)光光面内质网面内质网(smooth ER)核糖体核糖体(ribosome)高尔基体高尔基体(Golgi)溶酶体（溶酶体（lysosome）叶绿体叶绿体(chloroplast)线粒体线粒
15、体(mitochondrion)细胞核细胞核(nucleus)细胞壁细胞壁(cell wall)细胞骨架细胞骨架(cytoskeleton)中心粒（中心粒（centriol）3.2 细胞的分类与进化细胞的分类与进化两类基本的细胞：两类基本的细胞：原核细胞和真核细胞原核细胞和真核细胞 细菌属于细菌属于原核细胞原核细胞，它们起源于，它们起源于35亿年前；亿年前；原生生物，真菌，植物及动物均属于原生生物，真菌，植物及动物均属于真核细胞真核细胞。最早的真核细胞起源于最早的真核细胞起源于15亿年前。亿年前。Tree of life has three primary branches.生命树分成三个主要
16、的分生命树分成三个主要的分支支1)Subkingdom Archaean 古细菌亚门古细菌亚门2)Subkingdom Bacteria 细菌亚门细菌亚门3）Eukarya 真核生物亚门真核生物亚门Eubacteria(真细菌真细菌),Lactococcus lactis,which are used to produce cheese.a mass of archaebacteria(古细菌古细菌),(Methanosarcina 产甲烷菌产甲烷菌)，极端厌，极端厌氧，利用氧，利用CO2和和H2合成甲烷产生能量。合成甲烷产生能量。一些种群生长在牛胃中。一些种群生长在牛胃中。The diffe
17、rence between prokaryotic and eukaryotic flagela原核及真核细胞鞭毛之间的区别原核及真核细胞鞭毛之间的区别 a single protein called flagellin 鞭毛蛋白鞭毛蛋白Human sperm 人类精子鞭毛：人类精子鞭毛：“92”微管蛋白微管蛋白tubulin马达蛋白马达蛋白 dynein等等The bacterium Salmonella 第第15章章 模式生物简介模式生物简介 p311Choosing the right experimental organism for the job:Model organisms易培
18、养，繁殖快，营养充足时易培养，繁殖快，营养充足时20-30min即繁殖一代，大规模培即繁殖一代，大规模培养成本低。养成本低。DNA分子简单，约分子简单，约3500个基因，基因组遗传背景研究非常清楚。个基因，基因组遗传背景研究非常清楚。(人类细胞含人类细胞含DNA量是其量是其600倍，编码倍，编码5-10万种蛋白。万种蛋白。)表达水平通常较真核细胞高，某些外源基因在其中的表达量可表达水平通常较真核细胞高，某些外源基因在其中的表达量可达总蛋白的达总蛋白的5-30%，常用作蛋白质的表达系统。，常用作蛋白质的表达系统。15.1大肠杆菌大肠杆菌(Escherichia coli)15.2啤酒酵母啤酒酵母
19、(Saccharomyces cerevisiae)/芽殖酵母芽殖酵母 最小的真核模式生物，核中最小的真核模式生物，核中DNA量仅为大肠杆菌的量仅为大肠杆菌的2.5倍。倍。The species has a small genome encoding about 6200 proteins;1996年完整基因组公布。年完整基因组公布。2种生活形态，种生活形态，单倍体、二倍体均能生长，对基因功能的单倍体、二倍体均能生长，对基因功能的研究有力。研究有力。研究减数分裂、细胞分裂周期调控、细胞凋亡研究减数分裂、细胞分裂周期调控、细胞凋亡(进展迅速，进展迅速，帕金森等凋亡相关疾病的细胞模型帕金森等凋亡相
20、关疾病的细胞模型)等等 15.3 拟南芥拟南芥(Arobidopsis thaliana)十字花科，每个细胞的十字花科，每个细胞的DNA量只有量只有酵母细胞的酵母细胞的 34倍，倍，8-10周能产生大量后代，周能产生大量后代，生长无明显季节性，快速繁殖。生长无明显季节性，快速繁殖。Unusual small genome(120 million base pairs)for a flowering plant,单倍体染色体数目单倍体染色体数目5条，且线粒体和叶绿体基因组也完成全序条，且线粒体和叶绿体基因组也完成全序列测定，被子植物中第一个完成全部基因组测定的植物。列测定，被子植物中第一个完成全
21、部基因组测定的植物。a rapid generation time,large seed production,and grows to a height of only a few inches.(高度高度30cm左右左右)has been used for genetic screens to identify genes involved in nearly every aspect of plant life.15.4 秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)线虫发育过程中，总共产生线虫发育过程中，总共产生1090个细胞，最终的成体只有个细胞，最终的成体
22、只有959个细胞，其中个细胞，其中131个细胞在发育过程中发生细胞凋亡。个细胞在发育过程中发生细胞凋亡。该生物精确地从一个受精卵发育成一条正好有该生物精确地从一个受精卵发育成一条正好有959个体细胞个体细胞的成虫。细胞按照可预设的严密规律进行分裂、分化、凋亡。的成虫。细胞按照可预设的严密规律进行分裂、分化、凋亡。Has a transparent body wall,显微镜下不用染色就可观察体显微镜下不用染色就可观察体内的器官。内的器官。a short generation time(25 C下胚胎发育成成虫约下胚胎发育成成虫约2.5天，寿天，寿命命2-3周周),and facility fo
23、r genetic analysis.对于线虫中对于线虫中细胞程序化死亡细胞程序化死亡过程有功能的基因过程有功能的基因都能在都能在哺乳动物哺乳动物中找到相对应的同源基因，并以相类中找到相对应的同源基因，并以相类似的方式调节凋亡。似的方式调节凋亡。调控细胞凋亡的机制从线虫到调控细胞凋亡的机制从线虫到人类都是保守的。人类都是保守的。(An adult worm)细胞谱系细胞谱系细胞凋亡细胞凋亡02年年Nobel Prize，RNAi06年年Nobel Prize，线虫细胞分化谱系示意图 15.5 果蝇果蝇(Drosophila melanogaster)胚胎发育胚胎发育及幼虫发育中的遗传机制，单个
24、受精卵如及幼虫发育中的遗传机制，单个受精卵如何调控分化、发育成一个由多种细胞类型组成的多细何调控分化、发育成一个由多种细胞类型组成的多细胞生物个体。胞生物个体。First used to discover the properties of chromosomes,has been especially valuable in identifying genes that control embryonic development.黑腹果蝇黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)fruit fly(Lover of dew,black belly)*胚胎透明，发育快：胚胎透明
25、，发育快：跟踪观察每个细胞的发育及胚胎跟踪观察每个细胞的发育及胚胎发育的各种事件发育的各种事件*后代数量大后代数量大，繁殖容易，繁殖容易*个体小：个体小：易于大规模饲养，养殖易于大规模饲养，养殖成本低成本低*50条染色体条染色体基因组基因组：1.7 GB，测序完成。，测序完成。斑马鱼：斑马鱼：理想的模式脊椎动物理想的模式脊椎动物 15.6 斑马鱼斑马鱼 Zebrafish(Danio rerio)斑马鱼隶属脊椎动物，消化系统、斑马鱼隶属脊椎动物，消化系统、循环系统等器官与人类类似。循环系统等器官与人类类似。斑马鱼斑马鱼，原产于东南亚水域。，原产于东南亚水域。基因与基因与人类基因相似性高人类基因
26、相似性高(相似度达到相似度达到87)在其身在其身上药物实验结果多数适用于人类上药物实验结果多数适用于人类繁殖能力强，生长速度快繁殖能力强，生长速度快，孵出后约，孵出后约3个月达到性成个月达到性成熟，成熟鱼每隔几天可产卵一次。卵子体外受精，体熟，成熟鱼每隔几天可产卵一次。卵子体外受精，体外发育，外发育，胚胎发育同步且速度快胚胎发育同步且速度快，胚胎在，胚胎在24小时内就小时内就可发育成形，可以在同一代鱼身上进行不同的实验，可发育成形，可以在同一代鱼身上进行不同的实验，进而研究病理演化过程并找到病因。进而研究病理演化过程并找到病因。胚胎透明胚胎透明，容易观察药物对其体内器官的影响。，容易观察药物对
27、其体内器官的影响。体型纤细，个体小，成体长体型纤细，个体小，成体长3-4cm，对水质要求不对水质要求不高，饲养容易，大规模繁育。高，饲养容易，大规模繁育。斑马鱼的斑马鱼的神经中枢系统神经中枢系统、内脏器官内脏器官及及视觉系统视觉系统等与人等与人类在分子水平类在分子水平85的相似性，尤其的相似性，尤其心血管心血管系统，早期系统，早期发育与人类极为相似，是进行发育与人类极为相似，是进行心血管发育机制心血管发育机制研究研究的理想模式脊椎动物的理想模式脊椎动物*心血管系统发育缺陷心血管系统发育缺陷的斑马鱼依然能够通过气体交换存活数天的斑马鱼依然能够通过气体交换存活数天*其血管发生与形成过程与其血管发生
28、与形成过程与哺乳动物相比，哺乳动物相比，有很高的保守性有很高的保守性2.5dpf 15.7小鼠小鼠(mice-Mus musculus)哺乳动物以小鼠作为模式生物，用于研究哺乳动物哺乳动物以小鼠作为模式生物，用于研究哺乳动物的遗传、免疫、发育等。的遗传、免疫、发育等。通过遗传工程突变体通过遗传工程突变体(engineering mouse genes)来检验哪个已知基因是必需的以及其功能。来检验哪个已知基因是必需的以及其功能。Mice are evolutionarily the closest to humans and have provided models for studying n
29、umerous human genetic and infectious diseases.Several thousand different genetic stains have been developed,many of which are stored simply as froze embryo.约约20天完成胚胎发育，天完成胚胎发育，出生后出生后6周性成熟。周性成熟。裸鼠裸鼠 Nude mouse FOXN1敲除小鼠敲除小鼠 无胸腺发育，无胸腺发育，T细胞很少细胞很少 无免疫排斥反应无免疫排斥反应 用于肿瘤在体研究用于肿瘤在体研究胖小鼠胖小鼠 Obese mouseTrkB B
30、DNF receptorTrkB KI mouseOb/Ob mouseLeptin fullness hormone(Zhang,et al,1994,Nature)(Xu,et al,2003,Nat Neurosci)胖小鼠胖小鼠 Obese mouse(Liao,et al,2012,Nat Med)聪明小鼠聪明小鼠 Smart mouseDoogie mouse NMDA receptor表达上升表达上升 小鼠长时程记忆（小鼠长时程记忆（LTP）增强）增强(Tsien,et al,1999,Nature)艺术范小鼠艺术范小鼠Brainbow mouse(Jean,et al,2007
31、,Nature)15.8 大型哺乳动物大型哺乳动物大猩猩大猩猩Rise of the Planet Apes 美美NIH宣布大猩猩将逐渐退出实验室研究宣布大猩猩将逐渐退出实验室研究发布时间：2013-07-01 08:29:33作者：新华社 信息来源：新华社美国国家卫生研究院6月26日宣布，鉴于新科技已使得许多利用大猩猩开展的研究“没有必要”，在该机构资助的实验室中的360只大猩猩多数将陆续“退休”，到动物保护区里“安度晚年”。根据美国国家卫生研究院的计划，该机构资助的实验室中将只能保留50只大猩猩用于生物医学研究，且不得用于繁殖。剩下的310只大猩猩将在未来数年内“退休”，它们最终将在有关动
32、物保护区中生活。美国国家卫生研究院当天发表声明称，经过两年的考虑，该机构决定接受一个独立咨询委员会的建议。美国国家卫生研究院院长弗朗西斯柯林斯说，新出现的科学方法与技术已使得许多利用大猩猩开展的研究“没有必要”，他认为让绝大多数大猩猩“退休”具有科学根据，是“一件正确的事”。近年来，大猩猩的生存状态在美国受到关注。两周前，美国鱼类和野生动物管理局提议将野生和圈养的大猩猩全部列为濒危动物。一旦这份提议被通过，将来美国进出口大猩猩等活动将需要获得许可证，而许可证将只颁发给那些以科研为目的或者有助加强这一物种生存、繁衍的活动。15.8 大型哺乳动物大型哺乳动物大猩猩大猩猩来自猩猩的你细胞生物学在“组
33、学”时代Genome 基因组Proteome 蛋白组Transcriptome 转录组Kinome 激酶组Metabolomics 代谢组Lipidomics 脂组学Glycomics 糖组学The lowest levels of a biological system:genome,transcriptome,proteome and metabolome.Genomics:study of a whole genome.Transcriptomics:study of the expression of genes at any given time.Proteomics:study o
34、f proteins.Metabolomics:study of metabolic interactions within a cell.对于人类基因组测序而言，大趋势是personalized genome sequencingNew sequencing technology for screening for undiagnosed genetic disorders-2012Sequencing all protein coding regions of genome(exome capture)to understand inherited disorders(recessive
35、mendelian disorder)Nic Volker a 6-year-old boy who developed inflammatory bowel Wounds in the intestine leaky100 visit to hospital starting at age 4Cause of disease unknownGenome(exome)sequencing reveled mutation in a specific gene,XIAP Bone marrow transfusion used for treatmentNew sequencing techno
36、logy for screening for undiagnosed genetic disordersStudying all regions of genome(SNP array)to understand inherited disorders(recessive mendelian disorder)Paula and Louise have been suffering from joint pain and showed calcium buildup in their arteries in x-rays(started at 18 now 56 yrs)Genome(SNP
37、array followed by targeted sequencing)sequencing reveled mutation in a specific gene,NT5E,which is involved in breaking down calcification 钙化 in the arteriesPaula Allen and Louise Benge对于健康人的personalized GenomicsMichael Snyder,Stanford Univ.Michael Snyder observed the onset of his type 2 diabetes wh
38、ile following a range of physiological variables.2012Snyders integrative personal omics profile dubbed iPOP was created by merging his genomic sequence with RNA,protein,metabolic and auto-antibody profiles taken 20 times over a 14-month period.The results revealed Snyder to be genetically predispose
39、d to type 2 diabetes,despite his having no family history or other risk factors.During the study,his blood glucose levels escalated following the second of two viral infections,and he was subsequently diagnosed with the disease.Snyder has since made drastic dietary and lifestyle changes to manage hi
40、s blood sugar levels.Personalized Genomics所产生的社会影响Hypertrophic Cardiomyopathy(HCM)肥厚性心肌病-HCM患者如果过度运动可能死亡-NBA球星Reggie Lewis(波士顿凯尔特人Celtics)因为HCM猝死Eddy Curry（Chicago Bulls）-2005年在赛场上感觉到心率失常-从此在Chicago Bulls坐冷板凳-Bulls要求Curry做HCM的基因检测，如果为真，那么给他每年$400K，连续50年-Curry 拒绝了，因为如果HCM检测为真那么他的NBA生涯就完了-2007年Bulls把C
41、urry卖给了New York Knicks,Knicks不要求做测试。President Bush Signed GINA Into Law!GINA:Genetics Information Nondiscrimination Act基因信息反歧视法案On May 21,President George W.Bush signed the Genetic Information Nondiscrimination Act(GINA)of 2008 into law.We continue to celebrate this monumental event as the culmination of thirteen years of dedication and perseverance from over 500 members of Congress,hundreds of organizations,and thousands of individuals who stood in support of GINA.从Genomics到Genomic Medicine细胞生物学在“google”时代(大数据)Summary:Cell BiologySeeing is believing!画面太美！
