细胞工程-1-绪论1

动物界,种子,植物界,受精卵到人的演变,FROM,细胞工程CellEngineering,Cellengineeringoverview,Weshouldgainknowledgeofhowweknowwhatweknow,Introduction,LearningObjectives,细胞工程在现代生物技术中的地位细胞工程的概念及研究范畴细胞工程与其它相关学科的关系细胞工程的发展实践意义,一、细胞工程在现代生物技术中的地位,ConceptofBiotech,FieldsofBiotech,TheroleofCellEngineeringincurrentbiotech,“New”Biotechnology-Theuseofcellularandbiomolecularprocessestosolveproblemsormakeusefulproducts.,运用现代生物学理论和科学技术改造细胞的遗传物质，培育出人们需要的生物新品种,发展相应的科学理论与工程技术,模拟生物体系，以生物化学工程代替化学工程，制备产品,工业规模地利用现有生物体系，制备生物产品,Biotechnologyorbioprocessorbioengineering以生命科学为基础，利用生物体系和生物活动过程，运用工程学原理来生产生物制品和创造新物种的一门综合技术。,生物工程的形成与发展现状,传统生物工程:利用非纯种微生物自然发酵工艺为标志的生物技术，如酿酒。产物化学结构和生产过程比较简单，对设备要求不高，规模不大。近代生物工程：1857，PasteurL发现发酵是微生物作用的结果，而后形成的采用纯种微生物的发酵工艺。2ndworldwar，军团病，Fleming发现青霉素，抗生素工艺的兴起为标志。现代生物工程：1973基因工程和1975年单克隆抗体技术建立为标志的生物工艺。DNA重组技术产品，转基因生物和克隆动物的出现，1996年英国Dolly的诞生里程碑式的成果。,生物控制和改造技术：基因工程细胞工程发酵工程酶工程蛋白质工程,生物模拟技术：生物机体和功能模拟技术人工生物系统技术,现代生物技术的主要领域,基础和平台,二、细胞工程的概念及研究范畴,定义:应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，通过类似于工程学的步骤，在细胞、亚细胞或组织水平上操作，按人的设计来改变细胞内的遗传物质，有计划地大规模培养组织或细胞，以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术。根据实验研究对象可分为:动物细胞工程，植物细胞工程和微生物细胞工程。根据实验技术范围可分为:动物组织培养，植物组织培养，细胞融合与单克隆抗体，细胞拆合与染色体工程，转基因生物，胚胎工程，细胞与基因治疗。根据研究水平可分为:细胞水平，组织水平，细胞器水平和基因水平等。,1、细胞与组织培养,细胞培养（cellculture）和组织培养（tissueculture）都属于体外培养（invitroculture），是指生物细胞和组织在离体条件下的生长和增殖。Growcellsoutsidetheorganism,动物组织培养,定义：从体内取出组织，模拟体内生理环境，在无菌、适当温度和一定营养条件下，使之生存和生长，并维持其结构和功能的方法。,植物组织培养,定义：在无菌条件下，利用人工培养基对植物组织的培养，包括原生质体、悬浮细胞和植物器官等的培养。,又称体细胞杂交（Somaticcellhybridization），是指在自然条件下或人工方法使两个或两个以上的细胞融合形成一个杂合细胞的过程。,2、细胞融合（cellfusion）,单克隆抗体(monoclonalantibody，McAb),定义：利用细胞融合技术，将能够产生抗体的B淋巴细胞和具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞融合在一起，形成杂交瘤细胞。杂交瘤细胞既能在体外快速生长，又能持续分泌成分单一的特异性抗体。这种单一类型的只针对某一特定抗原决定簇的抗体分子，就是单克隆抗体。,利用显微操作技术将细胞核与细胞质分离，然后再将不同来源的核与质重组，形成杂种细胞。,3、细胞核移植(nucleartransplantation),细胞拆合或细胞重组,细胞拆合（细胞重组）：将细胞融合技术与细胞核质分离技术结合，从活细胞中分离出细胞器及其组分，然后在体外一定条件下将不同细胞来源的细胞器及其组分进行重组，使其重新装配成为具有生物活性的细胞或细胞器的一种实验技术。,按照一定的设计，有计划地消减、添加或替换同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传性和选育新品种的一种技术。,4、染色体工程(chromosomeengineering）,5、胚胎工程(embryonicengineering),定义：以生殖细胞和胚胎细胞为对象进行的操作，在胚胎发育过程中，定向控制、改造和创造生物新遗传性状的技术。主要技术包括体外受精、胚胎切割、胚胎移植等。,滋养外胚层,嵌合体,干细胞：动物体内具有分化潜能，并能自我更新的细胞，分为胚胎干细胞和组织干细胞。胚胎干细胞：来自囊胚期的内细胞团，属于全能干细胞，每个细胞可以发育成为完整的个体。组织干细胞：存在于成体组织中，属单能或多能干细胞，可以定向分化为一种或几种不同的组织,如造血干细胞，神经干细胞等。,6、干细胞（stemcell）,干细胞用途,组织工程是在干细胞的基础上发展起来的，将干细胞与材料科学相结合，将自体或异体的干细胞经体外扩增后种植在预先构建好的聚合物骨架上，在适宜的生长条件下干细胞沿聚合物骨架迁移、铺展、生长和分化，最终发育具有特定形态及功能的工程组织。,组织工程,人工培养的肌肉,曹谊林教授在小鼠身上培育的人耳,7、转基因动物与生物反应器,定义：通过基因工程技术将外源目的基因导入生殖细胞或早期胚胎，并整合到受体细胞基因组中，经发育形成的所有细胞都包含目的基因的动物个体。,Palmiter于1982年将大鼠的生长激素基因导入小鼠受精卵的雄原核,将目的基因在器官或组织中进行特异性高表达的转基因动物称为动物生物反应器（AnimalBioreactor）。,转基因研究技术的中心环节即为DNA重组技术，其最终目的是将DNA片段转入为一个生物体，从而使该生物体具有表现某种性状。,8、细胞与基因治疗,细胞治疗：用自体或异体细胞来纠正个体的病理状态。基因治疗：把正常基因或治疗基因，通过载体转移到人体的靶细胞，进行基因修饰和表达，改善疾病的一种治疗方法。,9、克隆动物,克隆（clone）是指遗传上完全相同的分子、细胞或来自同一祖先的生物个体的无性繁殖群体，也指通过克隆方式生产克隆群体的过程或手段。,277次乳腺细胞核移植实验；获得29个发育为8细胞的“胚”；13只代孕母亲；1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。,三、细胞工程的发展,1，细胞与组织培养,2，细胞融合,3，细胞核移植,4，转基因生物,哦,1974年Jaenisch和Mintz首次报道向小鼠囊胚注射SV40DNA后,发育成的小鼠的部分组织中检测到了SV40的DNA序。但这还不算是真正意义上的转基因动物。Gordon通过向小鼠的单细胞胚胎的原核注射纯化的DNA后获得第一只转基因动物。1983年Palmiter和Brinster将大鼠生长素基因转入小鼠，生产出生长速度极快的超级小白鼠。Gordon于1987年获得分泌组织纤溶原激活因子tPA的转基因小鼠后，乳腺生物反应器的研究取得极大进展。,四、细胞工程的应用,1、动物细胞培养生产医药产品（单克隆抗体）2、新品种培育3、试管动物与婴儿4、组织工程5、珍稀动植物资源的保存与保护,单抗的应用,单抗作为体内体外诊断试剂在临床生化诊断、病理组织定位、体内肿瘤的定位等,现在已经有各种不同类型的单抗试剂盒在市场出售，例如乙型肝炎的表面抗原，铁蛋白、促绒毛膜性激素、促甲状腺激素、癌症、艾滋病等诊断试剂。单克隆抗体靶向制剂，治疗癌症等疾病,药物与单抗直接偶联,或通过一些小分子交联剂，大分子把药物分子上的某些基团连接起来。杂交人鼠单克隆抗体,嵌合抗体可以保留其目标专一性，降低人的抗鼠反应。,生物反应器,转基因动物作为乳腺生物反应器,将所需要的目的基因构建入载体，加上适当的调控序列，转入动物胚胎细胞，使转基因动物分泌的乳汁中含有所需的药用蛋白。1.抗凝血酶：转基因羊中得到，产量为7g/l2.乳球蛋白：转基因小鼠，0.12mg/ml3.红细胞生成素（EPO）:转基因小鼠乳汁0.5mg/ml4.生长激素：转大鼠GH基因猪最高，血清中740ng/ml,抗除草剂基因转入农作物中，可以选择性除掉杂草抗昆虫基因的农作物可以避免农药的使用抗病毒的农作物可以防止病毒的侵袭利用转基因可以改善农作物的营养价值转固氮基因农作物可以利用分子氮,转基因技术在绿色革命中起了重要的作用,其它转基因生物,1.转基因牛：改变牛奶成分及提高产奶量2.转基因羊：改良羊毛生长3.转基因鱼：生长速度提高，以及导入抗冻蛋白基因、珠蛋白基因的鱼4.转基因鸡：改良现有品种的遗传特性，增强鸡对于感染的抵抗能力，降低对疾病的易感性，还可以将母鸡产生的外源蛋白收集到蛋内，以供医疗和保健之用。,细胞治疗,在病人心肌梗塞病发之后，科学家将从病人身体中提取的干细胞植入到其出现闭塞的心脏动脉中去，以修复受到损坏的心脏器官。德国科学家Strauer介绍说，新疗法取得了成功，“病人的健康状况如今非常良好。”,细胞工程的应用前景,改善农业生产动植物品种改良与繁殖提高作物的产量和质量发展畜牧业生产生物医药，生物材料开发与应用来提高生命质量，延长人类寿命开发新药疾病的预防与诊断基因治疗、细胞治疗，生物导弹保护生态环境生物工业避免化学污染，名贵药物的细胞生产保护自然资源进行环境保护生产工业原料和贵重金属以生物技术为依托的新型产业具有极大的商业潜力，也是本世纪各国极具竞争的领域之一。,三、细胞工程与其他学科的关系,细胞工程基础,CellbiologyLookbrieflyatthehistoryofcelltheory;Considerthebasicpropertiesofcells;MolecularbiologyConceptsofgeneandreproductionTransgenictechnique,以细胞工程为基础，发展派生了不少以工程冠名的新领域：组织工程胚胎工程染色体工程,互相渗透互相交融,1.TheCellTheory:ABriefHistory,In1665,RobertHookesawanetworkoftinyboxlikecompartmentsthatremindedhimofahoneycomb.Hecalledtheselittlecompartments“cellulae”,aLatintermmeaninglittleroom.Itisfromthiswordwegetourpresent-dayterm,cell.,ThemicroscopeusedbyRobertHookeandthehoneycomb-likenetworkof“cell”hedrawedin1665,Thediscoveryofcellsfollowedfromtheinventionofthemicroscope,显微镜技术的发展,为细胞的研究提供了有效的手段,2.Celltheoryhasthreebasictenets:,1.Allorganismsarecomposedofoneormorecells.,2.Thecellisbasicunitofstructureandfunctionforallorganisms.,3.Allcellsariseonlyfrompreexistingcellsbydivision.,1.Allorganismsarecomposedofoneormorecells.,3.Whyarecellsthebasicunitsoflife?,A.Thecellisthestructuralunitoflife,allorganismsismakeupofcells.,是构成有机体的基本单位,B.Thecellisthefunctionalunitoforganisms.Allmetabolicactivityisbasedoncells.,是代谢与功能的基本单位,C.Thecellisthefoundationofreproduce,andthebridgeofinheritance.,是遗传的基本单位。,Wearealldifferentindetail,Basicpropertiesofcells,CellsarehighlycomplexandorganizedCellspossessageneticprogramandthemeanstouseitCellsarecapableofproducingmoreofthemselvesCellsacquireandutilizeenergyCellscarryoutavarietyofchemicalreactionsCellsengageinnumerousmechanicalactivitiesCellsareabletorespondtostimuliCellsarecapableofself-regulation,动物细胞,nucleolus,cytosol,Roughendoplasmicreticulum,peroxisome,centrioles,ribosomes,mitochondrion,Golgiapparatus,lysosome,microtubules,microfilaments,Nuclearenvelope,vesicle,Plasmamembrane,Smoothendoplamicreticulum,nucleoplam,植物细胞,chloroplast,plamodesma,vacuole,细胞膜：物质能量信息的统一