第七章-细胞生物学的发展

第七章细胞生物学的发展,生物学革命的三个阶段,自1900年起，生物学的进步是空前的，一场真正的生物学革命突然降临在20世纪中叶。德罗斯纳将这场革命分为三个阶段：分子生物学的降临（1955-1965）细胞生物学的改进（1965-1975）生物工程学的出现（1975-1985）,细胞生物学经历了四个主要发展阶段：1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学。2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生。3）1930s-1970s，电镜技术应用，Cytology发展为细胞生物学。4）1970s以来，分子细胞生物学时代。,细胞研究的三个层次,1、细胞水平（显微水平）：利用光学显微镜，可观察到细胞膜、细胞核及某些细胞器（线粒体、高尔基体等）的结构。2、亚细胞水平（亚显微水平）：利用电子显微镜，可观察到细胞膜、细胞核及所有细胞器的微细结构。3、分子水平：中心法则，DNA,RNA,氨基酸,蛋白质，遗传密码等等。,AmericanTypeCultureCollection(ATCC),华盛顿特区RockWille城有一座十分不起眼的小楼就是闻名于世的美国细胞中心ATCC所在地。这里保存着世界各地600万种细胞。,Raspail曾经说过“给我一个细胞，我将导演出一个生命世界！”,比如编号ATCCCCL2的细胞株，就是1951年在Baltimore的Hopkins医院一位死于宫颈癌的31岁黑人妇女（HenriettaLacks）的宫颈癌细胞。因此也叫Hela细胞。半个世纪以来，这株细胞在全世界广泛应用。现在用过的细胞总重量已远远超过Lacks本人的体重。这个中心每年向世界寄送5万余株细胞。这些在零下196度保存的细胞在适当条件下均可以复活。所以每个细胞都有双重生命，它既是生命的一部分，是生命的基本单位，同时它们自身也是有生命的。,胚胎干细胞克隆,全能细胞,胚泡,DollysheepborninRoslinInstitute,Scottland.,1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。成为世纪末的重大新闻。,多莉有个母亲：基因母亲借卵母亲代孕母亲,多莉有父亲吗？,ProfessorIanWilmutFRS-Dollyandnucleartransfer,1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。成为世纪末的重大新闻。,多利和它的孩子,美国沃尔夫教授成功克隆两只恒河猴,克隆羊，克隆牛，克隆鼠，克隆猪，克隆猴，忽如一夜春风来，千树万树梨花开。,吴明杰小组：5只克隆猪,1999年在世界上首次培育体细胞克隆牛；2002年克隆出了猪；2003年又首次在世界上培育出“抗疯牛病牛”；2005年他的科研小组成功培育出世界首条克隆狗“斯纳皮”。,黄禹锡和他的克隆狗“斯纳皮”,他分别于2004年和2005年在美国科学杂志上发表的有关人类胚胎干细胞研究被证明是子虚乌有。,单克隆抗体技术正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是Kohler（克勒）和Milstein（米尔斯坦）1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，获1984年诺贝尔奖。,细胞周期及其调控机制的研究与发现-2001诺贝尔生理医学奖,每年一度的诺贝尔科学奖是科学界的重大事件之一。2001年10月8日，瑞典卡罗林斯卡医学研究院宣布：由美国西雅图FredHutchinson癌症研究中心利兰.哈特韦尔（LelandHartwell）、英国伦敦皇家癌症研究基金的保罗纳斯（PaulNurse)和提莫西.亨特（TimothyHunt）共享2001年度诺贝尔生理学医学奖，以表彰他们“发现了细胞周期的关键调节因子”,获奖者及其研究方法细胞周期细胞周期调控机制细胞周期与疾病对我们的启示,利兰哈特韦尔(LelandHartwell)是美国霍秦逊(FredHutchinson)癌症研究中心院长，也是西雅图(Seattle)华盛顿(Washington)大学遗传学系的教授.1970年代初期开始研究细胞周期的机制。,他以酵母菌作为研究对象，利用基因突变技术，试图找出控制细胞周期的关键因子，结果筛选出超过一百个调节细胞周期的基因，将它们命名为cdc(celldivisioncycle)基因。其中特别重要的是cdc28基因(“start”基因)，他发现当此基因突变时细胞周期会停止在G1晚期的“START”关卡，一旦细胞通过“START”关卡便开始进行DNA的复制，因此CDC28蛋白质是一个控制细胞由G1时期进入S时期的重要因子。,1980年代，利兰哈特韦尔利用高能量辐射线照射酵母菌细胞来研究细胞受到破坏时的反应，提出细胞有检查点(checkpoint)的构想。检查点是指，具有调节功能的蛋白质会在此时期让细胞周期呈现暂停状态，此时细胞检查DNA是否受到破坏或有任何的缺陷，并且在进入下一个时期之前进行DNA修补(repair)工作。checkpoint构想为研究癌细胞分裂增殖为何失去控制提出了一个重要的基本观念，认为癌症的发生可能与检查点的调控机制出现问题有关。,返回,蒂莫西汉德(TimothyHunt)英国帝国癌症基金会(ImperialCancerResearchFund)细胞周期研究中心的主任。,1983年，他以青蛙与海胆(fertilizedeggsoffrogsandseaurchins)的受精卵作为实验对象找到两种蛋白质：他们会在细胞分裂的间期(interphase)聚积，随后又在细胞分裂(mitosis)的末期快速地分解，之后又会再度累积，使得此种蛋白质呈现周期性的变动。他将此种蛋白质称为周期素(cyclin)，也就是它会随着周期性的累积与分解进出M时期。因此推测它的功能是推动细胞分裂(mitosis)的进行。,保罗诺尔斯(PaulNurse)英国帝国癌症基金会(ImperialCancerResearchFund)的院长，于1975年开始细胞周期机制的研究,他以酵母菌为研究对象找到了cdc2基因，此基因的功能与cdc28相当，所转译的蛋白质不但能控制细胞周期中G2时期进入M时期的检查点，也能控制G1时期进入S时期的检查点。进一步发现cdc2基因所转译的蛋白质是一种蛋白质激酶(proteinkinase)，主要是依赖蛋白质的磷酸化来调节细胞周期。,1987年，保罗诺尔斯利用具有cdc基因缺陷的酵母菌细胞作为研究对象，转入人类的基因，寻找功能与cdc基因相对的人类基因，因此发现了周期素依赖性激酶(cyclin-dependentkinase1,cdk1)基因。由于此项发现，保罗诺尔斯认为在大部分的生物体中，调控细胞周期的基因与调控模式随着演化的过程被忠实地保留下来，所以人类拥有与大多数生物体相似的基因。因此只要利用其它模式生物作研究就可以得到有关于人类的相关信息。,Hela细胞增殖周期时相,细胞周期,细胞的生长分裂过程有一定的程序，除了受到细胞内外的信息所调节之外，也受到调控因子严密地监视错误的发生以及时采煞车，此过程称为细胞周期(cellcycle)(图一)，可以分为四个时期进行：(1)G1(gap1)时期：细胞维持正常代谢并且继续生长，在进入S(synthesis)时期之前会检查染色体DNA是否受到破坏以进行修补(repair)的工作此时期需要花十到十二小时。细胞也可能由此脱离细胞周期进入不生长的休止状态(G0时期)，需要有适当的信息才会重新投入细胞周期；,(2)S时期：细胞会花六到八小时进行DNA的合成，将原本的二十三对染色体复制另一份；(3)G2(gap2)时期：细胞需要花三到四小时，除了继续生长并且合成蛋白质之外，细胞也会负责检查染色体DNA的复制是否完整以准备进行有丝分裂(mitosis)；(4)M(mitosis)时期：细胞会由一个母细胞变成两个子细胞，已复制完整的染色体会各自分配到子细胞内，使得子细胞内的染色体与母细胞完全一样，此时期只有一小时。之后子细胞再开始进入下一个细胞周期。,细胞周期,细胞周期调控机制,Cyclin与Cdk在细胞周期中所扮演的角色经由后来的科学家们陆续研究证明：Cyclin会与Cdk形成复合物以控制细胞周期。大量合成与累积的Cyclin与Cdk结合后会引导Cdk到目标蛋白质上，Cdk会把磷酸基加在调节DNA复制或引发细胞分裂的关键蛋白质上，通过改变蛋白质的功能以进一步控制细胞周期。,除了Cyclin与Cdk负责调控细胞周期的检查点之外，还有其它蛋白质会控制Cyclin与Cdk的活性以对细胞周期作更严密的监控。例如当细胞处于G2时期进入M时期的R(restrict)点时，CyclinB会与Cdk1结合，Cdk1的活性会受到Wee1与Cdc25蛋白质藉由磷酸化与否来调节。CyclinD与Cdk4或Cdk6的复合物负责调节G1早期的检查点，Cdk4或Cdk6的活性会受到p16INK4a的抑制以阻止细胞周期的进行。在G1时期进入S时期的检查点上CyclinE会与Cdk2形成复合物，此时Cdk2活性受到p21CIP1、p27KIP1与p57KIP2的抑制(图二)。,细胞周期与疾病,细胞周期与多种人类疾病相关，其中最重要的莫过于与肿瘤和癌症的关系。肿瘤和癌症的主要原因是细胞周期失调后导致的细胞无限制增殖。从分子水平看，肿瘤则是由于基因突变致使细胞周期的促进因子（或称“癌蛋白”。有些周期蛋白便有可能变成癌蛋白）不恰当的活化，和或抑制因子（即“抑癌蛋白”）失活，造成细胞周期调节失控的结果。,其中，破坏检查点的正常控制、由癌蛋白“谎报军情”使细胞同期调控系统总得到“增殖”的指令，是肿瘤细胞常耍的手腕。所以说，阻止癌细胞分裂即可达到抑制其恶性生长甚至将其杀灭的目的。实际上，多数肿瘤化疗药物均是细胞周期的抑制剂，但缺点是它们“良莠不分”，也抑制正常细胞。对细胞周期分子机制的研究，不仅使我们能深刻认识这一重要生命活动的本质，还可能通过针对性的设计和筛选，开发出更专一、更有效的治疗药物及治疗方法。深入的研究也将使相关疾病病因的基因诊断和针对性基因治疗成为可能。,三位先驱的成果，构筑了细胞周期调控机制的框架，并迅速惟动了细胞周期、肿瘤发生与抑制机制等方面的研究，从而形成目前日新月异的局面。值得一提的是，在方法学上，所以均采用了离“应用”似乎相距甚远却利于解决问题的低等生物作为研究材料。可见科学创新往往需要远见和开拓精神，需要自由的学术思想并摆脱传统观念的束缚。重要的科学发现往往能迅速带动整个学科领域的发展，甚至观念上的革命，因此，从长远看，必然会推动应用研究并为其开拓出更广阔的空间。,2002年，英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理学或医学奖。,SydneyBrenner,H.RobertHorvitz,JohnE.Sulston,SydneyBrennerTheMolecularSciencesInstituteBerkeley,CA,USA,英国科学家SydneyBrenner，1921年1月13日生于南非。1951年在南非威特沃特斯兰大学完成了他的硕士学业，1954年取得牛津大学博士学位，任职于美国加利福尼亚州伯克利的分子科学研究所。他选择线虫作为新颖的实验生物模型，这种独特的方法使得基因分析能够和细胞的分裂、分化，以及器官的发育联系起来，并且能够通过显微镜追踪这一系列过程。,线虫生命周期短，单个雄虫有1031个体细胞和1000个生殖细胞。其神经系统有302个细胞组成，来自于407个前体细胞，这些前体细胞有105个发生了PCD。RobertHorvitz等通过体细胞突变的方法发现线虫C.elegans细胞中，有14个基因在凋亡中起作用。,雌雄同体的秀丽新小杆线虫,SydneyBrenner,南非大学的学生Oxford的Ph.D.FransicCrick的追随者FoundingFatherofC.elegans,WormWorkers:JohnSulston(left),AlanCoulson阿兰考尔松,andSydneyBrenner,FrancisCrickandSydneyBrenner,H.RobertHorvitzMassachusettsInstituteofTechnology(MIT)Cambridge,MA,USA,美国科学家H.RobertHorvitz，生于1947年。先后于1972年和1974年取得哈佛大学生物学硕士和博士学位，后历任麻省理工学院助理教授、副教授、教授。他发现了线虫中控制细胞死亡的关键基因并描绘出了这些基因的特征。他揭示了这些基因怎样在细胞死亡过程中相互作用，并且证实了人体内也存在相应的基因。,JohnE.SulstonTheWellcomeTrustSangerInstituteCambridge,UnitedKingdom,英国科学家JohnE.Sulston生于1942年。1963年获剑桥大学学士学位，1966年获剑桥大学博士学位，1966-1969年，在美国圣迭戈“索尔生物研究中心”做博士后，1969年到著名的剑桥MRC实验室从事研究，1986年入选英国皇家学会，1992年到2000年间任剑桥桑格中心主任。,JohnE.Sulston的贡献在于找到了可以对细胞每一个分裂和分化过程进行跟踪的细胞图谱。他指出，细胞分化时会经历一种“程序性细胞死亡”的过程，他还确认了在细胞死亡过程中控制基因的最初变化情况。,MRC实验室主页,MRCLab生涯的开始,PeterAgre,RoderickMacKinnon,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农获诺贝尔化学奖，以表彰他们在细胞膜通道方面做出的开创性贡献。,细胞如同一个由城墙围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在100多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。2003年诺贝尔化学奖表彰的就是有关这些“城门”的研究成果。两人分享总额为1000万克朗（约合130万美元）的奖金。,阿格雷1949年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德，1974年在巴尔的摩约翰斯霍普金斯大学医学院获医学博士，现为该学院生物化学教授和医学教授。麦金农1956年出生，在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大，1982年在塔夫茨医学院获医学博士，现为洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授。诺贝尔科学奖通常颁发给年龄较大的科学家，获奖成果都经过几十年的检验。但阿格雷只有54岁，而麦金农才47岁。他们的成果也比较新：麦金农的发现产生于5年前；阿格雷的工作于1988年完成。这在诺贝尔科学奖历史上是比较罕见的。,他们的发现阐明了盐分和水如何进出细胞,阿格雷得奖是由于发现了细胞膜水通道，而麦金农的贡献主要是在细胞膜离子通道的结构和机理研究方面。比如，肾脏怎么从原尿中重新吸收水分（水通道蛋白1/170），以及电信号怎么在细胞中产生并传递等等，这对人类探索肾脏、心脏、肌肉和神经系统等方面的诸多疾病具有重要的意义。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。对细胞膜通道的研究可以揭示中医药的科学原理。,-“fortheirdiscoveriesofprinciplesforintroductingspecificgenemodificationsinmicebyuseofembryonicstemcells”美国卡佩奇、史密斯以及英国埃文斯,Thecontributionofthreewinners:MartinJ.EvansFirstculturedEmbryonicstemcellsanddemon-stratedEScellscancarrygeneticmaterial.MR,CapecchiO,Smithies,Homologousrecombinationinmammliancell,利用小鼠胚胎干细胞进行基因打靶技术。,MartinJ.Evans:1984:Formationofgermlinechimaerasfromembryo-derivedteratocarcinomacelllines.Natur