细胞概述基本结构和模式生物.ppt

第1章细胞生物学,1.1细胞生物学导读1.2细胞生物学发展阶段特征1.3细胞生物学发展大纪事,1.1细胞生物学导读,什么是细胞生物学?:书中第一页说：“细胞生物学”(CellBiology)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规律的科学。我想可能修改为“细胞生物学”是指“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生命活动规律和细胞整体水平调控规律为主要内容的学科”更确切些。,美国第一位“细胞生物学家”的威尔逊教授1925年提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案”。,威尔逊的名言(EdmundBeecherWilson),EBWilsonwasborninGeneva,Illinoisin1856.HeattendedAntiochCollege,theUniversityofChicago,Yale,andJohnsHopkins(Ph.D.1881).MostofhisprofessionallifewasspentintheZoologyDepartmentofColumbiaUniversitytogetherwithhisclosefriend,ThomasHuntMorgan.TheyweredominantfiguresindevelopingtheChromosomeTheoryofHeredity.embryology,cytology,andheredity.HeisrememberedtodaylargelyforhissuperbsynthesisofthesethreefieldsinTheCellinDevelopmentandHeredity.Hediedin1939.,1.2细胞生物学发展阶段和大纪事,细胞的发现1665年胡克(RobertHooke)细胞学说的建立1838-1858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，实验细胞学阶段细胞遗传学，细胞生理，细胞化学细胞超微结构学的发展分子细胞生物学分子、细胞、细胞超微结构水平,1.2.1TheDiscoveryofCell细胞的发现,“cellulae”,aLatintermmeaninglittleroom.Itisfromthiswordwegetourpresent-dayterm,cell.1665年，胡克观察栎树软木塞切片(植物细胞壁)：发现类似蜂巢的网状小室，借用拉丁文“cellulae”称之为“小室”即“细胞”。人类第一次发现细胞,1855年，德国医生和病理学家魏尔肖（RudolfVirchow）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，即细胞来自于细胞。,1838年，德国植物学家施来登（M.J.Schleiden）：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，植物的胚是由单个细胞产生的。,1839年，德国动物学家施旺（TheodorSchwann）发表了关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究，提出地球上的生物都是由细胞构成的；所有的生活细胞在结构上都是类似的。,意义：细胞学说(celltheory)对细胞学发展的推动,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，又有待于理论的升华。细胞是在1665年发现的，但在其后的170年时间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。细胞学说创立之后，在这一理论的指导下，细胞学得到了突飞猛进的发展。19世纪的最后25年，1875-1900年，是细胞学的经典时期。,1.2.3细胞学的经典时期(1875-1900),原生质(protoplasm)理论的提出,在动物、植物中发现“肉样质”的物质,并命名为“原生质”;,1861年Schultze提出:有机体的组织单位是一小团原生质,这种物质在一般有机体中是相似的。,并把细胞明确地定义为:,“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。,原生质(protoplasm)：被质膜包裹在细胞内的所有生活物质成为原生质，包括细胞核和细胞质。细胞质(cytoplasm)：细胞内除细胞核以外的原生质，包括透明的粘液状胞质溶胶(cytosol)和浮于其中的细胞器。原生质体(protoplast)：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为protoplast，细胞工程(体外实验)学概念,细胞受精和细胞分裂（减数分裂、有丝分裂）现象的发现细胞器的发现，如中心体、染色体、线粒体、高尔基体,1.2.4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题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。,细胞遗传：染色体结构、功能及与其他细胞器关系来研究遗传变异机制。细胞生理：细胞摄取营养、能量，代谢，细胞生长、发育、繁殖，细胞的运动性和适应性等细胞化学：研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及生理功能,1.2.5分子水平的细胞生物学组装细胞,人教版p13,C.Venter,3.1细胞的基本形态结构和组成3.2细胞的分类与进化,第3章细胞的基本结构,P30,细胞的形态,3.1细胞的基本形态结构和组成,TheSizeofCellsandtheircomponents细胞与细胞器的大小以微米、纳米为单位测量micrometers:1m=10-6meternanometers:1nm=10-9meterNuclei:5-10mindiameterMitochondria:2minlength,Asingle200mcell,thehumanegg,withsperm,whicharealsosinglecells.,Largesinglecells:fossilizeddinosaureggs.已形成化石的恐龙卵细胞,Thetypesofbiologicalmoleculesatmakeupvariouscellularstructure组成生物结构的各类生物分子,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(plasmamembrane)内质网(endoplasmicreticulum,ER)糙面内质网(roughER)光面内质网(smoothER)核糖体(ribosome)高尔基体(Golgi)溶酶体（lysosome）叶绿体(chloroplast)线粒体(mitochondrion)细胞核(nucleus)细胞壁(cellwall)细胞骨架(cytoskeleton)中心粒（centriol）,3.2细胞的分类与进化,两类基本的细胞：原核细胞和真核细胞细菌属于原核细胞，它们起源于35亿年前；原生生物，真菌，植物及动物均属于真核细胞。最早的真核细胞起源于15亿年前。,Treeoflifehasthreeprimarybranches.生命树分成三个主要的分支1)SubkingdomArchaean古细菌亚门2)SubkingdomBacteria细菌亚门3）Eukarya真核生物亚门,Eubacteria(真细菌),Lactococcuslactis,whichareusedtoproducecheese.,amassofarchaebacteria(古细菌),(Methanosarcina产甲烷菌)，极端厌氧，利用CO2和H2合成甲烷产生能量。一些种群生长在牛胃中。,Thedifferencebetweenprokaryoticandeukaryoticflagela原核及真核细胞鞭毛之间的区别,asingleproteincalledflagellin鞭毛蛋白,Humansperm人类精子鞭毛：“92”微管蛋白tubulin马达蛋白dynein等,ThebacteriumSalmonella,第15章模式生物简介p311Choosingtherightexperimentalorganismforthejob:Modelorganisms,易培养，繁殖快，营养充足时20-30min即繁殖一代，大规模培养成本低。DNA分子简单，约3500个基因，基因组遗传背景研究非常清楚。(人类细胞含DNA量是其600倍，编码5-10万种蛋白。)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达总蛋白的5-30%，常用作蛋白质的表达系统。,15.1大肠杆菌(Escherichiacoli),15.2啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)/芽殖酵母最小的真核模式生物，核中DNA量仅为大肠杆菌的2.5倍。Thespecieshasasmallgenomeencodingabout6200proteins;2019年完整基因组公布。2种生活形态，单倍体、二倍体均能生长，对基因功能的研究有力。研究减数分裂、细胞分裂周期调控、细胞凋亡(进展迅速，帕金森等凋亡相关疾病的细胞模型)等,15.3拟南芥(Arobidopsisthaliana)十字花科，每个细胞的DNA量只有酵母细胞的34倍，8-10周能产生大量后代，生长无明显季节性，快速繁殖。Unusualsmallgenome(120millionbasepairs)forafloweringplant,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列测定，被子植物中第一个完成全部基因组测定的植物。arapidgenerationtime,largeseedproduction,andgrowstoaheightofonlyafewinches.(高度30cm左右)hasbeenusedforgeneticscreenstoidentifygenesinvolvedinnearlyeveryaspectofplantlife.,15.4秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)线虫发育过程中，总共产生1090个细胞，最终的成体只有959个细胞，其中131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959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。Hasatransparentbodywall,显微镜下不用染色就可观察体内的器官。ashortgenerationtime(25C下胚胎发育成成虫约2.5天，寿命2-3周),andfacilityforgeneticanalysis.对于线虫中细胞程序化死亡过程有功能的基因都能在哺乳动物中找到相对应的同源基因，并以相类似的方式调节凋亡。调控细胞凋亡的机制从线虫到人类都是保守的。,(Anadultworm),细胞谱系细胞凋亡02年NobelPrize，RNAi06年NobelPrize，,WhatdidC.eleganstellus?,线虫细胞分化谱系示意图,15.5果蝇(Drosophilamelanogaster)胚胎发育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胞生物个体。Firstusedtodiscoverthepropertiesofchromosomes,hasbeenespeciallyvaluableinidentifyinggenesthatcontrolembryonicdevelopment.,黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)fruitfly,(Loverofdew,blackbelly),*胚胎透明，发育快：跟踪观察每个细胞的发育及胚胎发育的各种事件*后代数量大，繁殖容易*个体小：易于大规模饲养，养殖成本低*50条染色体基因组：1.7GB，测序完成。,斑马鱼：理想的模式脊椎动物,15.6斑马鱼Zebrafish(Daniorerio),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。,斑马鱼，原产于东南亚水域。基因与人类基因相似性高(相似度达到87)在其身上药物实验结果多数适用于人类繁殖能力强，生长速度快，孵出后约3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，体外发育，胚胎发育同步且速度快，胚胎在24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，进而研究病理演化过程并找到病因。胚胎透明，容易观察药物对其体内器官的影响。体型纤细，个体小，成体长3-4cm，对水质要求不高，饲养容易，大规模繁育。,斑马鱼的神经中枢系统、内脏器官及视觉系统等与人类在分子水平85的相似性，尤其心血管系统，早期发育与人类极为相似，是进行心血管发育机制研究的理想模式脊椎动物,*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*其血管发生与形成过程与哺乳动物相比，有很高的保守性,2.5dpf,15.7小鼠(mice-Musmusculus)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。通过遗传工程突变体(engineeringmousegenes)来检验哪个已知基因是必需的以及其功能。Miceareevolutionarilytheclosesttohumansandhaveprovidedmodelsforstudyingnumeroushumangeneticandinfectiousdiseases.Severalthousanddifferentgeneticstainshavebeendeveloped,manyofwhicharestoredsimplyasfrozeembryo.,约20天完成胚胎发育，出生后6周性成熟。,裸鼠Nudemouse,胖小鼠Obesemouse,(Xu,etal,2019,NatNeurosci),胖小鼠Obesemouse,(Liao,etal,2019,NatMed),聪明小鼠Smartmouse,Doogiemouse,NMDAreceptor表达上升小鼠长时程记忆（LTP）增强,(Tsien,etal,2019,Nature),艺术范小鼠,Brainbowmouse,(Jean,etal,2019,Nature),15.8大型哺乳动物大猩猩,RiseofthePlanetApes,美NIH宣布大猩猩将逐渐退出实验室研究发布时间：2019-07-0108:29:33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大型哺乳动物大猩猩,来自猩猩的你,细胞生物学在“组学”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,Thelowestlevelsofabiologicalsystem:genome,transcriptome,proteomeandmetabolome.Genomics:studyofawholegenome.Transcriptomics:studyoftheexpressionofgenesatanygiventime.Proteomics:studyofproteins.Metabolomics:studyofmetabolicinteractionswithinacell.,对于人类基因组测序而言，大趋势是personalizedgenomesequencing,Newsequencingtechnologyforscreeningforundiagnosedgeneticdisorders-2019,Sequencingallproteincodingregionsofgenome(exomecapture)tounderstandinheriteddisorders(recessivemendeliandisorder)NicVolkera6-year-oldboywhodevelopedinflammatorybowelWoundsintheintestineleaky100visittohospitalstartingatage4CauseofdiseaseunknownGenome(exome)sequencingreveledmutationinaspecificgene,XIAPBonemarrowtransfusionusedfortreatment,Newsequencingtechnologyforscreeningforundiagnosedgeneticdisorders,Studyingallregionsofgenome(SNParray)tounderstandinheriteddisorders(recessivemendeliandisorder)PaulaandLouisehavebeensufferingfromjointpainandshowedcalciumbuildupintheirarteriesinx-rays(startedat18now56yrs)Genome(SNParrayfollowedbytargetedsequencing)sequencingreveledmutationinaspecificgene,NT5E,whichisinvolvedinbreakingdowncalcification钙化inthearteries,PaulaAllenandLouiseBenge,对于健康人的personalizedGenomics,MichaelSnyder,StanfordUniv.,MichaelSnyderobservedtheonsetofhistype2diabeteswhilefollowingarangeofphysiologicalvariables.2019,SnydersintegrativepersonalomicsprofiledubbediPOPwascreatedbymerginghisgenomicsequencewithRNA,protein,metabolicandauto-antibodyprofilestaken20timesovera14-monthperiod.TheresultsrevealedSnydertobegeneticallypredisposedtotype2diabetes,despitehishavingnofamilyhistoryorotherriskfactors.Duringthestudy,hisbloodglucoselevelsescalatedfollowingthesecondoftwoviralinfections,andh