緒論-動物細胞遺傳學

1、動物細胞遺傳學連正興緒 論細 胞：由膜所圍成的能獨立進行生長的繁殖的原生質團。是構成所有生物的基本單位。細胞遺傳學是從遺傳學和細胞生物學角度研究細胞的結構與功能、細胞的增殖與分化、衰老與凋亡、基因的表達與調控、細胞的起源與進化等細胞生命活動規(guī)律的科學。細胞區(qū)別于非生命界的主要特性：能夠對生存進行自我調節(jié)的開放體系、在同外界進行物質、能量、信息交換的條件下，處于動態(tài)平衡生命體由多層次、非線性、多側面的復雜體系，而細胞是是生命體的結構與功能單位，有了細胞才有完整的生命活動。緒論生命體的一切生命現象，如生長、發(fā)育、繁殖、遺傳、分化、代謝和應激等，都是通過細胞這個生命體來實現的，因此著名生物學家Wil

2、son：“一切生物物學問題的答案都將到細胞中找到解決。因為所有生物體都是，或者曾經是一個細胞”。脫離開細胞，現代生物學的所有分支都將失去意義。以基因工程為主的現代生物技術主要是通過細胞的操作來實現的。由此看來細胞學與農業(yè)、醫(yī)學、生物高技術有著密不可分的關系，將解決人類生活中的重大問題，促進經濟與社會的發(fā)展。 緒 論細胞與生物大分子：細胞是動態(tài)的結構體系：遺傳信息結構體系：如DNA儲存著物種的全部遺傳信息，可是這些分子必須的細胞內組裝成有一定秩序的結構關系，才能發(fā)揮其重要作用。膜結構體系：網絡屏障、信息溝通細胞骨架結構體系：生物化學反應有序性、細胞分裂等分子對于細胞來說是歸屬關系，大分子所表現的

3、一些屬性只有在細胞這個體系中才具有生命的意義。生物大分子脫離了細胞就失去了意義。細胞外的大分子即使再復雜，變化再大，也只能稱為生物化學反應，還稱不上為生命活動，目前還不存在無細胞的生命體。各種分子在細胞內建立起一定的時空關系，相互協(xié)調配合，才能表現出有生命意義的活動。因此試圖利用總DNA來恢復滅絕物種還有很大困難。細胞的組成一節(jié)、細胞研究的發(fā)展歷史 科學的發(fā)展總是與工具的改進是分不開的（顯微鏡、電鏡等）細胞的發(fā)現：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)現細胞，但將光學放大裝置轉變成顯微鏡的一個界標（肉眼的

4、直觀范圍為200um，而細胞為30um以下）1665年英國物理學家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、動物和植物標本）工作，并將自己觀察到的現象編寫成了“顯微圖譜”一書，此時將軟木塞的空洞稱為Cells，但并不具有細胞的含義，此后才發(fā)現細胞內容物。最早期的顯微鏡1. 細胞的發(fā)現1674年荷蘭科學家Leeuwenhoek（只上過高中，當過學徒工和布商，39歲才開始進行科學研究，磨制了550個透鏡，自制了247臺顯微鏡，但僅存下9臺，對其中一臺進行檢測，放大倍數為270倍；1680年當選為英國皇家學會外籍會員；1699年獲得巴黎科學院通訊院士

5、稱號），利用自制的顯微鏡：觀察了水中的原生動物、人和哺乳類的精子等微小活細胞；同時對細胞進行了測量：細菌為3um、紅細胞為7.2um。人工光源顯微鏡2、細胞遺傳學的創(chuàng)立與形成1838年顯微鏡分辨率的提高（可達1um）、切片機的出現，德國植物學家Schleidon根據自己的觀察，論證了所有植物體都是由細胞組成的；1839年德國動物學家Schwann證明了動物體也是由細胞所組成，并總結前人的工作后提出了一切生物體都是由細胞所組成的。1855年Virchow提出了：細胞是所有生物的結構與生命活動單位；生物的特性取決于細胞的特性，多細胞生物的每個細胞即是一個活動單位細胞只能通過細胞的分裂而來。1883

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

7、3年DNA雙螺旋結構的發(fā)現，1977年生長激素抑制素的大腸桿菌中表達奠定了分子細胞學的基礎。細胞內的基因表達與調控3、細胞遺傳學研究的內容細胞核、染色體以及基因表達細胞核是遺傳物質儲存的場所，也是遺傳信息轉錄出mRNA、rRNA與tRNA的場所。染色質是遺傳物質的載體，核仁是轉錄rRNA與裝配核糖體亞基的場所。核膜與核孔復合體是核質之間物質與信息交換的結構與屏障。3、細胞遺傳學研究的內容細胞骨架體系細胞骨架主要維持細胞的形態(tài)與保持細胞內部結構的合理布局，保證細胞內大分子的運輸、細胞器的運動、細胞信息傳遞、基因表達與大分子加工。細胞核骨架：核基質、核纖層與核孔復合體細胞質骨架：微管、微絲等3、細

8、胞遺傳學研究的內容細胞增殖及其調控生物體的生長發(fā)育是由細胞的增殖與分化造成的，利用細胞增殖與分化的原理可以提高動植物的生長發(fā)育速度（生長激素的使用）；可以探討腫瘤的形成機制，尋找出有效的治療方法；關鍵因素分析細胞周圍的控制細胞增殖的因子控制細胞增殖的關鍵基因腫瘤的形態(tài)3、細胞遺傳學研究的內容細胞分化及其調控分化是生物體發(fā)育的基礎，是構成復雜機體的基礎，只有分化才能形成具有不同功能的細胞，行使特定的機能細胞的全能性可以使人們了解細胞分化的機理，控制細胞分化進程體細胞克隆的成功標志著已經分化的細胞可以脫程分化，重新形成新的個體腫瘤的形成是由于不分化與去分化的結果，因此利用分化誘導，使腫瘤細胞分化，

9、達到治療目的。體細胞克隆分化細胞的去程序化克隆挽救瀕危動物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、骨骼等各種細胞會聚集到一起，從成體細胞反向變?yōu)椤坝啄辍奔毎?，形成具有再生能力的芽基細胞群。盡管這些芽基細胞看起來都差不多，但它們都記住了各自的來源，從肌肉細胞而來的仍再生為肌肉細胞，從神經鞘細胞而來的仍再生為神經鞘細胞。3、細胞遺傳學研究的內容細胞的衰老與凋亡細胞總體的衰老導致了生物體的衰老，但生物體的衰老與細胞的衰老還存在著很大的不同。細胞的衰老是由于傳代次數的限制所造成，同時也是自然規(guī)律和法則；人們希望通過細胞衰老的研究來延長壽命，如線蟲壽命的延長意味著人類

14、的壽命可以達到500歲，果蠅的實驗預計人類的壽命可以達到156歲；細胞的凋亡是生命科學研究中新興的領域。凋亡是由于一系列基因控制并受復雜信號影響的細胞自然死亡現象。也是生理正常發(fā)育與病理過程的重要平衡因素。3、細胞遺傳學研究的內容細胞的起源與進化35億年前已經在地球上出現了原始細胞；擁有生命活動的物質只有以細胞的形式出現時才能夠在地球上存在。細胞的進化有人認為是共生所致；分子遺傳學的發(fā)展為細胞的進化提供了強有力的研究手段與方法。3、細胞遺傳學研究的內容細胞工程和組織工程對細胞進行改造，達到修復、治療等目的，如用胰島細胞治療糖尿病，雜交瘤細胞生產藥品或抗體，定向殺死靶細胞，胚胎干細胞治療等；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）體細胞克?。和炀葹l危物種，實現轉基因等操作。iPS單細胞生命的人工合成“辛西婭”，是將通過化學合成“絲狀支原體亞種”DNA，并將其植入去除了遺傳物質的山羊支原體體內，創(chuàng)造出世界上首個“人造單細胞生物”(科學界的壞小子 文特爾）組織工程4、細胞遺傳學的研究進展1953年發(fā)現了DNA雙螺旋結構1958年提出了遺傳信息的中心法則1960年提出了蛋白質合成的操縱元學說1970年在腫瘤病毒中發(fā)現了逆轉錄酶1970-：DNA重組、剪接技術的迅速發(fā)展，遺傳工程技術迅速興起2006年iPS（Induced Pluripotent Stem Cel

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

17、：細胞治療對挽救人類生命將做出巨大貢獻；器官移植：器官移植、細胞修復等操作將延長人類的生命。轉基因與轉基因細胞的核移植核移植（體細胞克?。┤?jié)、細胞遺傳學研究的重點領域功能基因組學研究：利用差異顯示篩選新的基因通過基因打靶、RNAi等技術研究基因的功能；利用細胞芯片篩選靶向藥物基因表達的時空性不同時間、不同組織中基因表達的差異（也可以是不同細胞類型中同一個基因表達的差異不同生理時間中基因表達的差異，為適時控制動物的生長發(fā)育奠定基礎基因芯片外顯子測序以外顯子捕獲結合Solexa測序為例加以說明：基因組DNA首先被隨機打斷成500bp左右的片段，隨后在DNA片段兩端分別連接上接頭。經過PCR庫檢合格后的DNA片段與NimbleGen 2.1M HumanExomeArray芯片進行雜交。去除未與芯片結合的背景DNA后，將經過富集的外顯子區(qū)域的DNA片段洗脫下來。這些DNA片段又隨機連接成長DNA片段后，再次被隨機打斷并在其兩端加上測序接頭，經過LM-PCR的線性擴增，在經qPCR質量檢測合格后即可上機測序。合成生物工程巨大耗時15年花4000萬美元由美國生物學家文特領導的研究團隊，在這個項目上奮斗了15年，花費了4000萬美元。研究團隊重塑“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