緒論-動(dòng)物細(xì)胞遺傳學(xué)

1、動(dòng)物細(xì)胞遺傳學(xué)連正興緒 論細(xì) 胞：由膜所圍成的能獨(dú)立進(jìn)行生長(zhǎng)的繁殖的原生質(zhì)團(tuán)。是構(gòu)成所有生物的基本單位。細(xì)胞遺傳學(xué)是從遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)角度研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞的增殖與分化、衰老與凋亡、基因的表達(dá)與調(diào)控、細(xì)胞的起源與進(jìn)化等細(xì)胞生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。細(xì)胞區(qū)別于非生命界的主要特性：能夠?qū)ι孢M(jìn)行自我調(diào)節(jié)的開放體系、在同外界進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的條件下，處于動(dòng)態(tài)平衡生命體由多層次、非線性、多側(cè)面的復(fù)雜體系，而細(xì)胞是是生命體的結(jié)構(gòu)與功能單位，有了細(xì)胞才有完整的生命活動(dòng)。緒論生命體的一切生命現(xiàn)象，如生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、遺傳、分化、代謝和應(yīng)激等，都是通過細(xì)胞這個(gè)生命體來實(shí)現(xiàn)的，因此著名生物學(xué)家Wil

2、son：“一切生物物學(xué)問題的答案都將到細(xì)胞中找到解決。因?yàn)樗猩矬w都是，或者曾經(jīng)是一個(gè)細(xì)胞”。脫離開細(xì)胞，現(xiàn)代生物學(xué)的所有分支都將失去意義。以基因工程為主的現(xiàn)代生物技術(shù)主要是通過細(xì)胞的操作來實(shí)現(xiàn)的。由此看來細(xì)胞學(xué)與農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物高技術(shù)有著密不可分的關(guān)系，將解決人類生活中的重大問題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。 緒 論細(xì)胞與生物大分子：細(xì)胞是動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)體系：遺傳信息結(jié)構(gòu)體系：如DNA儲(chǔ)存著物種的全部遺傳信息，可是這些分子必須的細(xì)胞內(nèi)組裝成有一定秩序的結(jié)構(gòu)關(guān)系，才能發(fā)揮其重要作用。膜結(jié)構(gòu)體系：網(wǎng)絡(luò)屏障、信息溝通細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)體系：生物化學(xué)反應(yīng)有序性、細(xì)胞分裂等分子對(duì)于細(xì)胞來說是歸屬關(guān)系，大分子所表現(xiàn)的

3、一些屬性只有在細(xì)胞這個(gè)體系中才具有生命的意義。生物大分子脫離了細(xì)胞就失去了意義。細(xì)胞外的大分子即使再?gòu)?fù)雜，變化再大，也只能稱為生物化學(xué)反應(yīng)，還稱不上為生命活動(dòng)，目前還不存在無細(xì)胞的生命體。各種分子在細(xì)胞內(nèi)建立起一定的時(shí)空關(guān)系，相互協(xié)調(diào)配合，才能表現(xiàn)出有生命意義的活動(dòng)。因此試圖利用總DNA來恢復(fù)滅絕物種還有很大困難。細(xì)胞的組成一節(jié)、細(xì)胞研究的發(fā)展歷史 科學(xué)的發(fā)展總是與工具的改進(jìn)是分不開的（顯微鏡、電鏡等）細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)：荷蘭的眼鏡商Janssen于1604年發(fā)明了可以放大10-30倍的顯微鏡，可以觀察昆蟲與跳蚤，因此有被稱為“跳蚤鏡”，盡管沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞，但將光學(xué)放大裝置轉(zhuǎn)變成顯微鏡的一個(gè)界標(biāo)（肉眼的

4、直觀范圍為200um，而細(xì)胞為30um以下）1665年英國(guó)物理學(xué)家Robert Hooke創(chuàng)制了可以放大40-140倍的顯微鏡，并開展了大量的觀察（包括礦物、動(dòng)物和植物標(biāo)本）工作，并將自己觀察到的現(xiàn)象編寫成了“顯微圖譜”一書，此時(shí)將軟木塞的空洞稱為Cells，但并不具有細(xì)胞的含義，此后才發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)容物。最早期的顯微鏡1. 細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)1674年荷蘭科學(xué)家Leeuwenhoek（只上過高中，當(dāng)過學(xué)徒工和布商，39歲才開始進(jìn)行科學(xué)研究，磨制了550個(gè)透鏡，自制了247臺(tái)顯微鏡，但僅存下9臺(tái)，對(duì)其中一臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，放大倍數(shù)為270倍；1680年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)外籍會(huì)員；1699年獲得巴黎科學(xué)院通訊院士

5、稱號(hào)），利用自制的顯微鏡：觀察了水中的原生動(dòng)物、人和哺乳類的精子等微小活細(xì)胞；同時(shí)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了測(cè)量：細(xì)菌為3um、紅細(xì)胞為7.2um。人工光源顯微鏡2、細(xì)胞遺傳學(xué)的創(chuàng)立與形成1838年顯微鏡分辨率的提高（可達(dá)1um）、切片機(jī)的出現(xiàn)，德國(guó)植物學(xué)家Schleidon根據(jù)自己的觀察，論證了所有植物體都是由細(xì)胞組成的；1839年德國(guó)動(dòng)物學(xué)家Schwann證明了動(dòng)物體也是由細(xì)胞所組成，并總結(jié)前人的工作后提出了一切生物體都是由細(xì)胞所組成的。1855年Virchow提出了：細(xì)胞是所有生物的結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)單位；生物的特性取決于細(xì)胞的特性，多細(xì)胞生物的每個(gè)細(xì)胞即是一個(gè)活動(dòng)單位細(xì)胞只能通過細(xì)胞的分裂而來。1883

6、年提出了染色體學(xué)說，染色體是遺傳單位的攜帶者。1884年提出細(xì)胞核含有控制遺傳的因子1892年提出了細(xì)胞的原生質(zhì)學(xué)說（將細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)容物稱為原生質(zhì)），細(xì)胞的概念基本形成。2、細(xì)胞遺傳學(xué)的創(chuàng)立與形成1902年Cannon提出遺傳因子位于染色體上1905年Farmer提出了減數(shù)分裂。1909年將遺傳因子定名為基因。 1909年Harrison證明胚神經(jīng)細(xì)胞可以在離體條件下生長(zhǎng)分化，開創(chuàng)了組織培養(yǎng)技術(shù)。1914年實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)得到了快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了早期胚胎分裂球具有全能性。1934年用高速離心機(jī)對(duì)細(xì)胞核與細(xì)胞器進(jìn)行了分離實(shí)驗(yàn)，開始了細(xì)胞器的研究。1939年電子顯微鏡的出現(xiàn)（放大倍數(shù)為10000倍）。195

7、3年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，1977年生長(zhǎng)激素抑制素的大腸桿菌中表達(dá)奠定了分子細(xì)胞學(xué)的基礎(chǔ)。細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)與調(diào)控3、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞核、染色體以及基因表達(dá)細(xì)胞核是遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存的場(chǎng)所，也是遺傳信息轉(zhuǎn)錄出mRNA、rRNA與tRNA的場(chǎng)所。染色質(zhì)是遺傳物質(zhì)的載體，核仁是轉(zhuǎn)錄rRNA與裝配核糖體亞基的場(chǎng)所。核膜與核孔復(fù)合體是核質(zhì)之間物質(zhì)與信息交換的結(jié)構(gòu)與屏障。3、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞骨架體系細(xì)胞骨架主要維持細(xì)胞的形態(tài)與保持細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理布局，保證細(xì)胞內(nèi)大分子的運(yùn)輸、細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞信息傳遞、基因表達(dá)與大分子加工。細(xì)胞核骨架：核基質(zhì)、核纖層與核孔復(fù)合體細(xì)胞質(zhì)骨架：微管、微絲等3、細(xì)

8、胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞增殖及其調(diào)控生物體的生長(zhǎng)發(fā)育是由細(xì)胞的增殖與分化造成的，利用細(xì)胞增殖與分化的原理可以提高動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育速度（生長(zhǎng)激素的使用）；可以探討腫瘤的形成機(jī)制，尋找出有效的治療方法；關(guān)鍵因素分析細(xì)胞周圍的控制細(xì)胞增殖的因子控制細(xì)胞增殖的關(guān)鍵基因腫瘤的形態(tài)3、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞分化及其調(diào)控分化是生物體發(fā)育的基礎(chǔ)，是構(gòu)成復(fù)雜機(jī)體的基礎(chǔ)，只有分化才能形成具有不同功能的細(xì)胞，行使特定的機(jī)能細(xì)胞的全能性可以使人們了解細(xì)胞分化的機(jī)理，控制細(xì)胞分化進(jìn)程體細(xì)胞克隆的成功標(biāo)志著已經(jīng)分化的細(xì)胞可以脫程分化，重新形成新的個(gè)體腫瘤的形成是由于不分化與去分化的結(jié)果，因此利用分化誘導(dǎo)，使腫瘤細(xì)胞分化，

9、達(dá)到治療目的。體細(xì)胞克隆分化細(xì)胞的去程序化克隆挽救瀕危動(dòng)物How are PluripotentLines Characterized?Morphology:small cells (812 cm)grow in aggregateshigh nuclear cytoplasmic ratioCell surface proteins:alkaline phosphatase (AP)endogenous telomeraseSSEA1, ECMA7, EMA1, etc.Gene expression, epigenetic profilesDifferentiate into three

10、germ layersForm teratomasContribute to germline chimerasMouse embryonic stem cells as embryonic stem cell archetypeIn 1981, The first mouse embryonic stem cells (mESCs) were isolated from in vitro proliferation of the ICM derived from an E3.5 to E4.5 days post coitum (dpc) blastocyst (Evans & Kaufma

11、n 1981; Martin 1981).mESCs growing conditions:feeder cells supplementedby EC conditioned medium (Smith & Hooper 1987)Gp130 family:leukemia inhibitory factor (LIF)Other molecules:ciliary neurotrophic factor (CNTF), interleukin-6 (IL-6), etc. (Yoshida et al. 1994; Ware et al. 1995; Yoshida et al.1996;

12、 Kunath et al. 2007).Progress of iPS inductionGenes:Mouse: SOX2, OCT4, c-Myc and Klf4Human: SOX2, OCT4, c-Myc and Lin28Gene Number:4 genes:3 genes:2 genes:1 gene:Methods of induction:RetrovirusIn separate vectorsIn one vector disassociated with 2APurified proteinsProkaryote EukaryoteConditional medi

13、um of eukaryotic cell transfected with 4 genes ?組織再生蠑螈斷肢創(chuàng)口周圍的皮膚、肌肉、骨骼等各種細(xì)胞會(huì)聚集到一起，從成體細(xì)胞反向變?yōu)椤坝啄辍奔?xì)胞，形成具有再生能力的芽基細(xì)胞群。盡管這些芽基細(xì)胞看起來都差不多，但它們都記住了各自的來源，從肌肉細(xì)胞而來的仍再生為肌肉細(xì)胞，從神經(jīng)鞘細(xì)胞而來的仍再生為神經(jīng)鞘細(xì)胞。3、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞的衰老與凋亡細(xì)胞總體的衰老導(dǎo)致了生物體的衰老，但生物體的衰老與細(xì)胞的衰老還存在著很大的不同。細(xì)胞的衰老是由于傳代次數(shù)的限制所造成，同時(shí)也是自然規(guī)律和法則；人們希望通過細(xì)胞衰老的研究來延長(zhǎng)壽命，如線蟲壽命的延長(zhǎng)意味著人類

14、的壽命可以達(dá)到500歲，果蠅的實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)人類的壽命可以達(dá)到156歲；細(xì)胞的凋亡是生命科學(xué)研究中新興的領(lǐng)域。凋亡是由于一系列基因控制并受復(fù)雜信號(hào)影響的細(xì)胞自然死亡現(xiàn)象。也是生理正常發(fā)育與病理過程的重要平衡因素。3、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞的起源與進(jìn)化35億年前已經(jīng)在地球上出現(xiàn)了原始細(xì)胞；擁有生命活動(dòng)的物質(zhì)只有以細(xì)胞的形式出現(xiàn)時(shí)才能夠在地球上存在。細(xì)胞的進(jìn)化有人認(rèn)為是共生所致；分子遺傳學(xué)的發(fā)展為細(xì)胞的進(jìn)化提供了強(qiáng)有力的研究手段與方法。3、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的內(nèi)容細(xì)胞工程和組織工程對(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造，達(dá)到修復(fù)、治療等目的，如用胰島細(xì)胞治療糖尿病，雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)藥品或抗體，定向殺死靶細(xì)胞，胚胎干細(xì)胞治療等；組織

15、工程體外培養(yǎng)特定的組織，用以治療組織損傷，美容等目的（人耳鼠等）體細(xì)胞克隆：挽救瀕危物種，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因等操作。iPS單細(xì)胞生命的人工合成“辛西婭”，是將通過化學(xué)合成“絲狀支原體亞種”DNA，并將其植入去除了遺傳物質(zhì)的山羊支原體體內(nèi)，創(chuàng)造出世界上首個(gè)“人造單細(xì)胞生物”(科學(xué)界的壞小子 文特爾）組織工程4、細(xì)胞遺傳學(xué)的研究進(jìn)展1953年發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1958年提出了遺傳信息的中心法則1960年提出了蛋白質(zhì)合成的操縱元學(xué)說1970年在腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄酶1970-：DNA重組、剪接技術(shù)的迅速發(fā)展，遺傳工程技術(shù)迅速興起2006年iPS（Induced Pluripotent Stem Cel

16、l）發(fā)現(xiàn)。2010年人造單細(xì)胞生物“新西婭”誕生4、細(xì)胞遺傳學(xué)的研究進(jìn)展1977年第一次將高等動(dòng)物的生長(zhǎng)激素釋放抑制素引入大腸桿菌，合成了生長(zhǎng)激素釋放抑制素1979年將小鼠胰島素基因引入大腸桿菌，合成了胰島素1990年啟動(dòng)了人類基因組計(jì)劃1997年乳腺細(xì)胞體細(xì)胞克隆羊的誕生，證明了分化的細(xì)胞可以脫程分化，形成新的個(gè)體二節(jié)、細(xì)胞遺傳學(xué)研究意義改善動(dòng)物的生產(chǎn)性能：生物的生殖發(fā)育、遺傳、神經(jīng)活動(dòng)等重大生命現(xiàn)象都是以細(xì)胞為基礎(chǔ)的；研究人類思維活動(dòng)以及動(dòng)物的記憶：人大腦的活動(dòng)是靠1012個(gè)細(xì)胞的互相協(xié)調(diào)而進(jìn)行的；病理學(xué)分析：一切病變是細(xì)胞的異常所造成的；基因工程操作：基因工程是通過細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)的；疾病治療

17、：細(xì)胞治療對(duì)挽救人類生命將做出巨大貢獻(xiàn)；器官移植：器官移植、細(xì)胞修復(fù)等操作將延長(zhǎng)人類的生命。轉(zhuǎn)基因與轉(zhuǎn)基因細(xì)胞的核移植核移植（體細(xì)胞克?。┤?jié)、細(xì)胞遺傳學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域功能基因組學(xué)研究：利用差異顯示篩選新的基因通過基因打靶、RNAi等技術(shù)研究基因的功能；利用細(xì)胞芯片篩選靶向藥物基因表達(dá)的時(shí)空性不同時(shí)間、不同組織中基因表達(dá)的差異（也可以是不同細(xì)胞類型中同一個(gè)基因表達(dá)的差異不同生理時(shí)間中基因表達(dá)的差異，為適時(shí)控制動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育奠定基礎(chǔ)基因芯片外顯子測(cè)序以外顯子捕獲結(jié)合Solexa測(cè)序?yàn)槔右哉f明：基因組DNA首先被隨機(jī)打斷成500bp左右的片段，隨后在DNA片段兩端分別連接上接頭。經(jīng)過PCR庫(kù)檢合格后的DNA片段與NimbleGen 2.1M HumanExomeArray芯片進(jìn)行雜交。去除未與芯片結(jié)合的背景DNA后，將經(jīng)過富集的外顯子區(qū)域的DNA片段洗脫下來。這些DNA片段又隨機(jī)連接成長(zhǎng)DNA片段后，再次被隨機(jī)打斷并在其兩端加上測(cè)序接頭，經(jīng)過LM-PCR的線性擴(kuò)增，在經(jīng)qPCR質(zhì)量檢測(cè)合格后即可上機(jī)測(cè)序。合成生物工程巨大耗時(shí)15年花4000萬(wàn)美元由美國(guó)生物學(xué)家文特領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在這個(gè)項(xiàng)目上奮斗了15年，花費(fèi)了4000萬(wàn)美元。研究團(tuán)隊(duì)重塑“絲狀支原體絲狀亞種”(Mycoplasmamycoides)這種微生物的DNA，并將新DNA片段黏在一起，植入另