1、細(xì)胞生物學(xué)教程主講：田潤(rùn)剛 博士CELL BIOLOGY COURSE電話：8345002電郵：trg網(wǎng)址：第一章 歷史與展望HISTORY AND PERSPECTIVE本章內(nèi)容提要第一節(jié) 一小段歷史一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)二、細(xì)胞學(xué)說(shuō)三、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)研究四、分子細(xì)胞生物學(xué)第二節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)學(xué)習(xí)方法第三節(jié) 對(duì)未來(lái)的展望附錄 細(xì)胞生物學(xué)參考書(shū)第一節(jié) 一小段歷史細(xì)胞生物學(xué)研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能和生活史。分三個(gè)層次：1）顯微水平，光學(xué)顯微鏡下可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。2）超微水平，電子顯微鏡下可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。3）分子水平，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的分子組成，及其在生命活動(dòng)中的作用。細(xì)胞生物學(xué)由細(xì)胞學(xué)（Cytology）發(fā)展而來(lái)。是當(dāng)代生物技術(shù)

2、的支撐學(xué)科。發(fā)展迅速，期刊數(shù)量最多， SCI源期刊中細(xì)胞生物學(xué)的平均影響影子為4. 1。是生物、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)的一門(mén)必修課程。細(xì)胞生物學(xué)經(jīng)歷了四個(gè)主要發(fā)展階段：1）1665-1830s，細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，顯微生物學(xué)。2）1830s-1930s，細(xì)胞學(xué)說(shuō)，Cytology誕生。3）1930s-1970s，電鏡技術(shù)應(yīng)用， Cytology發(fā)展為細(xì)胞生物學(xué)。4）1970s以來(lái)，分子細(xì)胞生物學(xué)時(shí)代。一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生物學(xué)的變革和顯微技術(shù)的改進(jìn)息息相關(guān)。1590年J. 和Z. Janssen制作第一臺(tái)復(fù)式顯微鏡。1610年Galileo Galilei用顯微鏡觀察昆蟲(chóng)。1665年英國(guó)人Robert Hook

3、e出版顯微圖譜。觀察了軟木，并首次用cells來(lái)描述“細(xì)胞”。 Robert Hooke and his “cells”Robert Hookes microscopeMicrographia Micrographia 1680年A. van Leeuwenhoek當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。他是第一個(gè)描述活細(xì)胞的科學(xué)家。觀察過(guò)植物、原生動(dòng)物、水、鮭魚(yú)的紅細(xì)胞、牙垢中的細(xì)菌、唾液、血液、精液等等。Hooke之后的160多年里，對(duì)細(xì)胞的研究沒(méi)有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。直到1830s消色差顯微鏡出現(xiàn)，人們才對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能有了新的認(rèn)識(shí)。 Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723).

4、Magnification ranges at 50-275x.1831年R. Brown在蘭科植物表皮細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核。1836年GG. Valentin在動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核與核仁。這些工作對(duì)于細(xì)胞學(xué)說(shuō)的誕生具有重要意義。 二、細(xì)胞學(xué)說(shuō) Cell Theory是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)之一，其基本內(nèi)容有三條：有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的；細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位；新細(xì)胞來(lái)源于已存在細(xì)胞的分裂。 通常認(rèn)為施萊登（MJ. Schleiden）和施旺（T. Schwann）正式提出了細(xì)胞學(xué)說(shuō)。實(shí)際上它是19世紀(jì)許多科學(xué)家共同努力的結(jié)果。包括:BC. Dumortier、JB. de Lamark、C

5、B. Milbel、H. Dutrochet、R. Brown、JE. Purkyne、R. Remak、R.Virchow等許多著名科學(xué)家。Jean-Baptiste de Lamark 1838年Schleiden發(fā)表“植物發(fā)生論” ，認(rèn)為無(wú)論怎樣復(fù)雜的植物都由細(xì)胞構(gòu)成。但他以free-cell formation理論來(lái)解釋細(xì)胞形成。Schwann提出了“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”（Cell Theory) ；1839年發(fā)表了“關(guān)于動(dòng)植物結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)一致性的顯微研究”。Matthias Jacob SchleidenTheodar SchwannSchwann提出：有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的；細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基

6、本單位。但他也采用了的Schleiden細(xì)胞形成理論。1855 德國(guó)人R. Virchow 提出omnis cellula e cellula的著名論斷；進(jìn)一步完善了細(xì)胞學(xué)說(shuō)。Rudolf Virchow 19世紀(jì)30年代后發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞并不是空的而是充滿粘稠的液體。F. Dujardin（1835）將之稱為“sarcode”；JE. Purkinje（1839）和von Mohl（1846）則將之稱作原生質(zhì)“protoplasm” 。如今“原生質(zhì)”一詞已從生物學(xué)文獻(xiàn)中消失了，但在當(dāng)時(shí)具有十分重要的意義。 三、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)研究1932年德國(guó)人E. Ruska和M. Knoll發(fā)明透射電鏡，人類視野

7、進(jìn)入超微領(lǐng)域 。1939年Siemens公司生產(chǎn)商品電鏡。1940-50s用電鏡觀察了各類細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)。并結(jié)合超速離心、電泳、無(wú)細(xì)胞體系等分析技術(shù)研究這些結(jié)構(gòu)的功能。Cytology發(fā)展為Cell Biology。四、分子細(xì)胞生物學(xué)時(shí)代1869年瑞士人F. Miescher 從膿細(xì)胞中分離出核酸，但未引起重視。1944年O. Avery等通過(guò)細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，1952年M. Chase等通過(guò)噬菌體標(biāo)記感染實(shí)驗(yàn)肯定了核酸與遺傳的關(guān)系。微生物轉(zhuǎn)化試驗(yàn)1952年Franklin拍攝到清晰的DNA晶體X-衍射照片。1953年她認(rèn)為DNA是一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可能是螺旋。 1953年，Watson 和 Crick

8、提出DNA雙螺旋模型。與Wilkins分享1962 年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 。1958 年Crick 提出分子遺傳的“中心法則”。1961-1964年Nirenberg 等破譯遺傳密碼。1972年DA. Jackson，RH. Symons和P. Berg創(chuàng)建DNA體外重組。1973年SN. Cohen和HW. Boyer將外源基因拼接在質(zhì)粒中，并在大腸桿菌中表達(dá)。一系列技術(shù)和理論的提出，使細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)的結(jié)合越來(lái)越緊密。 1983年，Mullis發(fā)明PCR儀，于1993年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1990年，美國(guó)國(guó)會(huì)正式批準(zhǔn)的“人類基因組計(jì)劃” （Human Genome Project）。

9、我國(guó)于1993年加入該計(jì)劃，承擔(dān)其中1%的任務(wù)，即人類3號(hào)染色體短臂上約30Mb的測(cè)序任務(wù)。2000年6月28日人類基因組工作草圖完成。同年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院給一名患有先天性重度聯(lián)合免疫缺陷病的4歲女孩實(shí)施了首例基因治療。這種疾病因腺苷脫氨酶（ADA）基因變異引起。1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英國(guó)蘇格蘭盧斯林研究所的試驗(yàn)基地誕生。Dolly with her first born lamb EMBRYO COLONING2001年，美國(guó)人LelandHartwell、英國(guó)人Paul Nurse、TimothyHunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機(jī)理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Lela

10、nd H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2002年，英國(guó)人布雷諾爾、美國(guó)人霍維茨和英國(guó)人蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細(xì)胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston 2003年，美國(guó)科學(xué)家彼得阿格雷和羅德里克麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 Peter AgreRoderick MacKinnon 2004年，美國(guó)人Richard Axel和Linda B. Buck獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)

11、獎(jiǎng)，他們發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺(jué)系統(tǒng)的組成。Richard AxelLinda B. Buck2005年Barry J. Marshall 和J. Robin Warren 獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他們發(fā)現(xiàn)幽門(mén)螺桿菌及其在胃炎和胃潰瘍方面的作用。Barry J. MarshallJ. Robin Warren2006年美國(guó)人Andrew Z. Fire和Craig C. Mello因?qū)NA干擾的研究而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Andrew Z. FireCraig C. Mello2007年美國(guó)的馬里奧卡佩奇、奧利弗史密斯和英國(guó)的馬丁伊文思因?qū)虼虬屑夹g(shù)的研究而獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Mario R.

12、CapecchiSir Martin J. EvansOliver Smithies 第二節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)學(xué)習(xí)方法一、認(rèn)識(shí)細(xì)胞生物學(xué)課程的重要性細(xì)胞是生命的基本單位。細(xì)胞生物學(xué)是生物技術(shù)的重要支撐學(xué)科，人類所面臨的人口、食品、能源、環(huán)境、健康等一系列問(wèn)題都有待生命科學(xué)回答。諾貝爾獎(jiǎng)?lì)l繁授予細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域。二、了解生物科學(xué)與哲學(xué)和其它自然科學(xué)的關(guān)系人類對(duì)于生命的認(rèn)識(shí)論主要有：活力論（vitalism）機(jī)械論、還原論（reductionism），機(jī)械唯物論整體論（holism），即辯證唯物論現(xiàn)代生物學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，與其它自然科學(xué)具有密切的關(guān)系。DNA雙螺旋模型的提出就是理科知識(shí)綜合應(yīng)用的典范。三、

13、掌握學(xué)科的基本邏輯掌握學(xué)科的思維邏輯對(duì)于學(xué)習(xí)和預(yù)見(jiàn)一個(gè)有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)很有幫助。 1結(jié)構(gòu)與功能2基因與表型3信號(hào)與效應(yīng)4趨同于分異5同源與同工四、將學(xué)過(guò)的知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。將學(xué)過(guò)的知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)，多問(wèn)幾個(gè)為什么？盡可能形成對(duì)細(xì)胞和生命的完整印象，不要只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林。善于靈活應(yīng)用學(xué)過(guò)的知識(shí)解釋生命現(xiàn)象。 五、了解學(xué)科的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)了解學(xué)科的發(fā)展，把握時(shí)代的脈搏，才能作出有價(jià)值的工作，當(dāng)前的熱點(diǎn)主要有“膜生物學(xué)”、“信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”、“細(xì)胞周期調(diào)控”、“細(xì)胞凋亡”、“細(xì)胞分化”、“腫瘤生物學(xué)”、“干細(xì)胞”等。讀一點(diǎn)科技史，了解科學(xué)家的成功之路。讀一些新的文獻(xiàn)。 以下提供一些免費(fèi)文獻(xiàn)

14、入口。免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供918種期刊的全文。包括著名的JCB、PNAS、JBC等細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)優(yōu)秀期刊，提供1955年以來(lái)的全文。生物化學(xué)方面的優(yōu)秀期刊，提供1905年以來(lái)的全文。美國(guó)科學(xué)院學(xué)報(bào)，提供1915年以來(lái)的全文，一些經(jīng)典細(xì)胞生物學(xué)論文發(fā)表于該刊。Pubmed，大名鼎鼎的免費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，屬于美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書(shū)館，可查閱生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的文摘。我校具有以下數(shù)據(jù)庫(kù)，初步能夠滿足學(xué)習(xí)需要。中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)（重慶維普）中國(guó)期刊網(wǎng)鏡像萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)鏡像國(guó)家科技圖書(shū)文獻(xiàn)中心（NSTL）EBSCOhost外文全文數(shù)據(jù)庫(kù)Elsevier（已過(guò)期，但可查閱文摘）Springer外文電子期刊第三節(jié) 對(duì)未來(lái)的

15、展望人類在一萬(wàn)年前進(jìn)入農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，18世紀(jì)60進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)，20世紀(jì)50年代迎來(lái)信息時(shí)代。據(jù)估計(jì)這一經(jīng)濟(jì)形態(tài)的“壽命”為7580年，到本世紀(jì)20年代人類將迎接下一個(gè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，即生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)。它有以下特點(diǎn)：一、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)生長(zhǎng)點(diǎn)生物產(chǎn)業(yè)的比重將逐步提高。目前藥品中有15%基于生物技術(shù)，這一數(shù)字據(jù)估計(jì)到2010年會(huì)增加到40%。生物芯片已廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境保護(hù)、司法鑒定等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物的市場(chǎng)前景廣闊，2004 年全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積已經(jīng)達(dá)到8100萬(wàn)公頃。Gene Chip二、推動(dòng)醫(yī)學(xué)革命，延長(zhǎng)人類壽命20世紀(jì)抗生素和疫苗的應(yīng)用、醫(yī)療技術(shù)的提高使人類平

16、均壽命從20世紀(jì)初的40幾歲在世紀(jì)末達(dá)到70多歲。但是心血管病、癌癥和各類遺傳病或遺傳相關(guān)的疾病仍然是威脅人類健康的主兇。21世紀(jì)生物技術(shù)將推動(dòng)新一輪醫(yī)學(xué)革命，從疾病預(yù)防、疾病診斷、藥物研制、基因治療、組織工程、器官移植、抗衰老等方面，延長(zhǎng)人類壽命。三、推動(dòng)綠色革命，解決食品危機(jī)。20世紀(jì)60年代以來(lái)，雜交高產(chǎn)作物的廣泛應(yīng)用，引起第一次綠色革命。二十一世紀(jì)轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物、組織培養(yǎng)、胚胎移植、動(dòng)物克隆等一系列新技術(shù)將再一次改變農(nóng)業(yè)的面貌，創(chuàng)造新品種、生產(chǎn)人類所急需的糧食、藥物和工業(yè)用品，推動(dòng)第二次綠色革命。 四、創(chuàng)造新品種，改善生態(tài)環(huán)境植物抗旱、抗寒、抗鹽基因的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，將有可能徹底改變10億畝

17、干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，使5億畝不毛之地、鹽堿地變?yōu)榱继?。用于廢氣、廢水、廢渣處理的基因工程極端微生物的應(yīng)用，可降解生物塑料產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化推廣，解決工業(yè)排放、白色垃圾等環(huán)保難題，有效改善生態(tài)環(huán)境。 五、發(fā)展綠色能源，解決能源危機(jī)煤、石油等化石能源的枯竭指日可待，替代能源的開(kāi)發(fā)涉及國(guó)家安全。全球生物質(zhì)能的儲(chǔ)量為18000億噸，相當(dāng)于640億噸石油。開(kāi)發(fā)生物乙醇、生物柴油、生物發(fā)電、生物氫等，已經(jīng)納入許多國(guó)家的能源戰(zhàn)略規(guī)劃。植物光合作用機(jī)理研究取得重大突破，人工光解水產(chǎn)生的氫氣將成為繼化石燃料之后主要的能源。六、生物安全關(guān)系到國(guó)家安全生物技術(shù)是一柄雙刃劍。轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物可能對(duì)野生資源造成破壞。生物工程武器將改變戰(zhàn)爭(zhēng)的方式與后果。生物恐怖的防范必須重視。外來(lái)入侵物種的危害日趨嚴(yán)重。七、沖擊傳統(tǒng)倫理觀念安樂(lè)死器官移植人工授精腦死亡采用呼吸器和人工喂飼轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物動(dòng)物克隆胚胎干細(xì)胞、組織工程分子細(xì)胞生物學(xué) 韓貽仁 科學(xué)出版社 2001年03月醫(yī)學(xué)細(xì)胞與分子生物學(xué) 陳詩(shī)書(shū) 上海醫(yī)科大學(xué)出版社 1999年01月細(xì)胞生物學(xué) 王德耀 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1998年出版細(xì)胞生物學(xué) 翟中和等編 高等教育出版社 2000年8月出版 細(xì)胞生物學(xué)(第二版) 汪堃仁 北京師范大學(xué)出版