教师发展中心名师示范课程听课记录三

1、教师发展中心名师示范课程听课记录（三）吴敏：细胞与细胞工程教学主题细胞与细胞工程课堂性质通识核心课程生命科学授课对象本科生，观摩教师授课教师吴敏教授职称生命科学学院微生物研究所教授上课时间2012年10月23日15:55-17:30上课地点东1A-405内容提要： 显微镜的发明表明生物学的发展依赖于其他学科，比如工程科学的发展。细胞是生命的基本单位，要用进化的观点看生物学。病毒有三种形态，真病毒、类病毒和朊病毒。类病毒的两种形态提示我们生物进化的早期，核酸和蛋白质相互独立，各自进化；类病毒还为研究大分子结构和功能提供了好材料。朊病毒的致病机理告诉我们生物大分子的结构决定功能。细胞膜作为物质通道

2、具有重要意义，细胞膜还具有多种功能。细胞在分化的过程中有一些关键的蛋白控制下游的基因，越是高等的生物，调控的基因越精细。细胞有三类，包括全能性细胞。 教学片断纪实S-学生课前：演示讲解课程网络平台操作0. 教学内容介绍 微观部分重点内容：细胞和细胞工程、基因与基因工程 细胞与细胞工程教学内容结构：概论，膜的结构功能，细胞的增值和分化，细胞的癌变，细胞工程（后三部分是重点）1. 概论 三个问题：显微镜的发明，细胞是生命的基本单位，没有细胞就没有完整的生命。1.1 显微镜的发明呈现胡克发明的显微镜以及网状细胞图片呈现显微镜发展史图片-光学显微镜、电子显微镜、隧道显微镜、激光共聚焦显微镜、扫描显微镜

3、我们讲显微镜与生命科学主要是为了使大家有这么一个概念：在显微镜发明以前，我们的生命科学主要是做什么样的研究的？（S：医学）医学是一方面，有这个人体解剖。还有呢，生物学当中有什么样的（研究）？对，主要是宏观生物学。林奈知道吗？他做什么的？对，生物分类。包括对植物根据根茎叶进行分类，达尔文根据对生物的观察进行分类，那么也就是说显微镜发明之前，生物学是宏观生物学。显微镜发明之后，生命科学就进入到了微观的世界。后来许许多多的仪器设备，使得生命科学的研究越来越深入了。所以我们说，生命科学的发展离不开其他的学科。所以我们都要学一点生命科学，比如我们在坐的有一些是工科的学生，离心机这类的实验设备对生命科学的

4、研究很重要。1.2 细胞是生命的基本单位病毒算不算完整的生命？我们说生命最重要的特征是什么？如果是一个生命，他可以有什么特点？（S：繁殖）自我繁殖、更新对吧。一个病毒如果离开了细胞，他能不能自我繁殖啊？（学生：不能）所以我们说，病毒不是完整的生命。生命最基本的就是一个细胞的结构。所以我经常要开玩笑说，谁要从事生命科学研究，你把三门课程学好就可以了。哪三门，猜一下？（S：生命科学导论）三门课，很重要的。（S：生物化学）对，我们想想任何一个生命的过程实际上都充满着化学的反应。还有细胞生物学，所有生命最基本的单位是细胞，你把细胞学好了，你去从事微生物、动植物、脑科学等等，没问题。还有一个课程很重要。

5、就是遗传学，大家想一想，任何一个生命现象都不是截然出现的，他都是有一个长期遗传和进化的过程。有一个生物学家杜布赞斯基说过一句话，除非从进化的角度看问题，否则生物学没有意义。所以我们不管是研究生命的现象，还是过程，等等，我们都要有一种进化的观点去看。1.3 没有细胞就没有完整的生命我们大家都知道病毒有三种形态：一种是真病毒，DNA或者RNA和蛋白质构成的核算蛋白质复合体。我想问大家一下，你们有没有听说过一种病毒，里面既有DNA，又有RNA？有没有这样的病毒？朊病毒？我说的是真病毒。（S：没有）没有？没有的人举手看看，有的人举手看看。我也觉得应该是有的，一个病毒如果既有DNA，又有RNA，那一旦感

6、染了宿主之后，RNA可以马上翻译蛋白，DNA可以复制，对吧？这不是更好嘛。但不知什么原因，我也不清楚，没有一种病毒它既有DNA，又有RNA。所以这也是让我们不是很了解的地方。（第二种是）类病毒，只有RNA，没有蛋白质。（第三种）朊病毒呢，只有蛋白，没有核酸。这样两种病毒的存在，你们觉得给我们什么样的启示？或者你觉得这两者的存在在生物学上有什么意义？有谁能告诉我？我们还是随便找个人问问。你觉得怎么样？（S1：让病毒种类更加丰富）这个意义太简单了。你觉得呢？（S2：RNA和蛋白质也能作为遗传物质）（S3：导致新的中心法则扩充）我觉得还是没有回答到点子上来，我不得不问你们一个问题，你们都是高材生，你

7、回去了以后，不知道有没有老百姓问你，先有鸡还是先有蛋？我是老百姓，这个事情有谁能告诉我？你知道吗，先有鸡还是先有蛋？（S1：感觉先有蛋）你觉得呢？（S2：不知道）大家又没有想过，这个问题归到生命科学上来，是先有核酸，还是先有蛋白质的问题？蛋白和核酸的关系就像鸡和蛋的关系一样，对吧。我们说蛋白质要通过DNA转录成为RNA，再翻译成为蛋白质。但是在转录翻译的过程中，需要什么？需要蛋白。所以两者都重要，离开谁都不行。但是现在为什么还存在这样一个类病毒，就是没有蛋白质的病毒，还有没有核酸的病毒？我刚才提到过了，看生物学我们都要用一种什么的观点来看？进化的观点。它们现在彼此没有依赖，那么是不是早期它们在

8、进化的时候彼此没有关系的？我们是不是可以来推测，生命在进化的早期，蛋白质和核酸没有关系，各自在进化。只不过在一定时期，两者结合成为复合体，它们比单独存在更有优势，更能适应环境，然后就发展成为主要的生物。所以虽然是这样两个病毒，但是我们可以去思考生命科学中重大的问题，最重要的问题就是生命的起源和演化，因为我们没办法去重演这个过程。刚才有同学提到，存在这样两种生命，那么意味着RNA和蛋白可以作为遗传物质，对吗？对的举手看看，认为不对的举手看看。不对的同学还多一点，看来真理还是在大多数同学手里。朊病毒的发现并不意味着蛋白可以遗传。下面我们会讲。那么我们现在来看病毒的发现。 最早人们发现烟草花叶里面有

9、这样一种枯萎病，不是细菌感染，人们很奇怪？开始怀疑细菌，把病叶拿来用绞肉机绞碎，不过滤，直接涂到正常的烟草叶子上去，发现烟草得病了没有？得病了，说明可能有细菌。那么好，我们用过滤器把细菌过滤掉，这个滤液没有细菌的，接种到健康的植株上，植株得不得病？得病了。所以就说明这个里面有致病因子，这个致病因子是不是细菌？（S：不是）所以最开始人们把这种致病因子称之为过滤性致病因子。现在我们知道，这个是病毒，因为病毒可以通过细菌过滤器。美国科学家最早结晶到了病毒，并拍到了照片，获得了1946年的诺贝尔奖。我们来看，什么是病毒？病毒有什么样的特征，除了我们刚才讲的核酸和蛋白的复合体之外？（S：比较小，不具有细

10、胞的结构）但这点我不知道大家理不理解，病毒对抗生素不敏感，对干扰素敏感。但是我们感冒了，医生都会给你开抗生素？为什么要开，明明没有作用？对，这位同学说对了，因为感染病毒以后，人体的防御能力下降了，为了防止其他的细菌感染。我们感冒了，流行性的病毒感染，用抗生素的目的不是针对病毒，是针对一些病原菌。那么干扰素，给出定义。我们一般说，感冒了，多休息，不用去看，一个礼拜就好，为什么？人本身也会产生干扰素，是不是这样？另外病毒在细胞内是寄生的，在细胞外是长期以大分子的形式长期存在。有报道在冰川中发现了不知道又多少年前的病毒，仍然有感染力。另外，病毒对温度和射线敏感。所以我们一般消毒，一般用什么东西来消毒

11、？紫外灯是吧，因为它能够发出紫外线呈现常见的致病病毒（狂犬病、艾滋病、痘病毒）。呈现艾滋病病毒的结构。动画演示呈现病毒感染的过程。艾滋病病毒感染以后，不能清除。但是我们现在一些治疗艾滋病的药，它的原理是什么？对，抑制逆转录。因为我们正常的细胞里没有逆转录的过程，如果针对转录，行不行？不行，因为我们正常的身体都有转录。SARS是什么病毒？是RNA，还是DNA？举手看看。那么，如果它是RNA病毒，那么SARS不能治愈了，为什么还能治愈啊？没有进入细胞核，对了，不会把逆转录整合到细胞核上。假如说SARS病毒也跟艾滋病病毒一样，那感染了SARS的人就死定了。人口的急剧减少主要是因为病毒导致的瘟疫，比战

12、争杀伤力更大。但是这个病毒有个特点，具有专一性，比如昆虫病毒。呈现昆虫病毒的饲养图片。这一层一层的，白白的是什么？蚕宝宝。饲养、撒昆虫病毒、烘干、研磨成粉、装袋。因为昆虫病毒具有专一性，只感染无脊椎动物，所以很安全。例举昆虫病毒的优点和缺点。类病毒，最先是在植物中发现的，只有RNA。类病毒发现的意义，除了我们将它为生命起源提供了低层次生物的好对象。第二个呢，是研究生物大分子结构和功能的好材料。这个怎么理解？我举个例子，比如说我们有一段DNA，我们有起始密码，我们有终止密码，我们能不能知道这段DNA蛋白质氨酸的组成？一段DNA我们知道它的序列了，能不能知道对应的氨基酸的序列？可以。那么我现在有这

13、样一段氨基酸的序列，你能不能告诉我形成的蛋白质的结构和功能是什么？不能对不对。酶是不是蛋白质，除了RNA酶，酶功能跟什么有关系啊？跟结构有关是不是。大分子的结构和功能是生物学研究中非常重要的一个研究领域。比如说我们把一段RNA病毒，把它的核苷酸改变，然后看他的结构有什么变化，功能有什么变化，然后推测结构和功能之间的关系。也就是用最简单的大分子来研究结构和功能。再一个病理学家。最后是哲学家，我们发现一些哲学家都是对生命科学、自然科学非常感兴趣的，而且他可以从自然科学的成就里面提炼到哲学认识的层面，认识生命的本质。比如说恩格斯曾经有一句话，蛋白质是生命存在的形式，生物学中很经典的一句话。因为在那个

14、时候，发现了蛋白质、核酸，蛋白质有很多功能，核酸没有发现有什么功能，我们现在来看这句话也是对的，但不是很全面。有什么问题？（S：蛋白质不能遗传）对，还有呢？恩格斯时代有没有发现RNA病毒？没有。真正的哲学家都是对生命科学非常关注的。 我们再来看朊病毒。朊病毒的发现很有趣，刚才说病毒的发现是绞肉机搅出来的，这个朊病毒也是搅肉机搅出来的。发现羊抓痒，抓了之后开始四肢麻痹，最后这个羊就死了。人们就去研究这种疾病，然后一直找不到答案，也不是什么细菌引起的疾病。只有发现脑部细胞内有一些沉淀的东西，包括肌肉组织也有这样的问题。美国的学者开始研究到底是什么样的致病因子导致了这种疾病。如果你是他怎么做？把这个

15、死的羊的脑给取出来，下面干什么？对，绞肉机把它绞碎，再干什么？过滤。再注射给健康的羊，结果死了。这个过滤液里面连细菌也没有，这样的过滤液注射给健康的羊死了，这里面肯定有致病因子。那么他就像肯定是蛋白质或是核酸的问题，他就把过滤液分成两杯，一杯的蛋白全部给它降解它，用什么办法？（S：用蛋白酶讲解）蛋白酶是可以把所有的蛋白降解掉，但是蛋白酶也是一种蛋白质啊，怎么办？（S：设对照组）对照组没办法设。对，变性，加热可以使蛋白酶变性。那么这个液体里面没有蛋白质，把这个注射给正常的羊，羊死了没有？没死，所以说明不是核酸。那么我们肺炎双球菌实验里面是核酸和没有病的混到一起之后才致病的，是不是，他是从那个受到

16、的启发。那么这个杯子里面我要把核酸全部降解掉，只留下蛋白，用什么方法？（S1：RNA酶）没有一种酶能把全部的核酸降解掉，它只有特定的识别的。用什么方法，嗯？（S2：离心分离）RNA和DNA片段很小，根本离心不了。有谁知道？（S3：把蛋白质弄出来）万一弄不赶紧怎么办？有一种很简单的方法。我们看过那个多利羊，要把这个细胞核去掉，吸，移植。还有一种方法。黑板呈现图示。照什么东西？紫外线，把核酸全部给你降解掉，对蛋白质没有影响。介绍浙大辐照中心。这样处理以后，再把这个滤液注射给羊，羊死了没有？死了吧。从此人们就知道了，这种致病因子是蛋白质。刚才有同学讲，这种蛋白质能够进行复制，是不是这样的？不是，我们

17、接下来看，在其他动物身上也发现了。牛身上是什么病？疯牛病。在人里面又发现了，杰克斯综合症，库鲁病。描述库鲁人生吃人肉的习俗导致脑组织受到病毒感染，人四肢麻痹就死了。那么后来发现这个库鲁病就是属于朊病毒感染。那么为什么他们吃了这个老人的脑子得了病，给我们什么启示？（S：不要吃老人）笑。这个不是啊。老年痴呆症有这个因素，知道吗。朊病毒是一种很小的蛋白质的颗粒，它只有250个氨基酸，很小的。大小只有最小病毒的百分之一，但是毒性很强。它的特点是什么呢？淀粉状和颗粒状没有免疫原性，能不能进行抗原抗体反应啊？不能，所以我们对它没有办法。没有核酸的成分，但是它都是有我们正常细胞内的基因编码的，而且抗逆性特别

18、强，把它这个用高温煮了4个小时之后，还具有感染力。所以疯牛病我们是怎么处理的？焚烧或深埋。问题是，这个是正常的宿主细胞内编码的，那么我们每个人都有朊病毒的基因，但是我们为什么不得？（S：结构不一样）基因一样的，蛋白质结构一样的，氨基酸的组成都一样的。（S：没有表达）表达了。正常的和致病的朊病毒的蛋白，两者来自同一个基因，同一个氨基酸的序列，不同的是三级结构不一样。这个结构你要讲出是三级结构，不是氨基酸的结构，氨基酸的序列是一样的，没有差别。关键的不同在于，空间结构里面，正常的螺旋占了42%，而异常的占了30%；折叠正常的3%，而异常的占了43%。螺旋和折叠知道吗？这么多人不知道，那讲一下。你们

19、听说过蛋白质有四级结构吗？没有。那我们来讲一下。一个一个氨基酸连起来，这一串珠子的结构叫什么？一级结构。那么这一串珠子会形成一定的结构，比如说螺旋状的，还有折叠的，那么我们把这种结构称为二级结构。那大家想一想三级结构是什么样的？（S：好几条）好几条？不是，应该就是那一条，比如说这个地方是螺旋，这个地方是折叠，然后这个地方又是螺旋，也就是说这根毛线，我把它绕起来形成的这个毛线球，是什么？三级结构。四级结构是什么？（S：毛衣）啊，毛衣？笑。这位同学说毛衣，毛线球都拉出来了。你觉得是什么？你不会说毛裤吧。三级结构是一个毛线团，四级结构是什么？对，就是几个毛线团结合到一块。比如说我们这个血红蛋白团是几

20、个血红蛋白结合在一起？（S：4个）对，4个。几种？2种，一种是一种是。也就是说4个这样的血红蛋白多肽链，这样的一个结构叫做什么？四级结构。那么我们说致病和不致病的朊病毒，区别在三级结构，它的二级结构比例不一样。强调一遍三级结构。那么有谁能告诉我，这个正常的朊病毒在身体里起什么作用？（S：清理作用）清理什么东西？清理那些衰老的。哎你是怎么知道的？我倒还没有看到这个资料。哦，你是自己想的，想象力够丰富的。这个倒是很好，遗憾不是。（笑）有谁知道这个基因在正常身体中起什么作用？你们猜想一下。都不知道，我也不知道，找不到答案。我们知道要了解一个基因起什么作用，我们生物学中用什么办法？敲除。我把这个个体的

21、基因敲掉，看看这个个体会发生什么变化。我们在老鼠里面把这个基因敲除了以后，我们发现这个老鼠一切正常，还可以正常地生育。所以我们还不清楚究竟这个基因是干什么的？那么这个致病的蛋白是怎么样感染病毒的？设计一个实验，来证实究竟是怎么样感染的。你们有想过吗？我把一个正常的老鼠和敲除基因的老鼠放在一起，感染病毒，你们觉得会出现什么问题？敲除了基因的会死还是没有敲除的会死？（S：没有敲除的会死）为什么？敲除基因的老鼠会死的同学举手看看。认为没有敲除的会死的举手看看。看来真理又在大部分人手里。果然，把染病的老鼠的提取液接种到敲除基因的老鼠身体，这个老鼠是正常的，接种到没有敲除基因的老鼠体内，这个老鼠染病了。

22、这就说明，这个基因的产物能不能自我复制？这个实验就证实了蛋白质是不能复制的。当时有人惊呼，又发现了新的中心法则，致病的蛋白质可以自我复制。但是事实呢，这个蛋白质不能自我复制。那么是怎么回事呢？我们通俗地讲，吴老师是朊病毒，今天下午给你们上课，一上完课你们全都变成了朊病毒，然后你们回到寝室，寝室其他三个人全都变成了朊病毒，然后你晚上到食堂里一吃饭，食堂里的人全都变成了朊病毒。祸害是我，是我复制的吗？不是，是我太坏了，把你们这些好人全都变成坏人了。本来是正常的，被致病蛋白结合了以后就变成异常的了。所以，朊病毒的发现和致病机理告诉我们：生物的结构和功能是有很大关系的。这两种蛋白质的氨基酸数量、序列一

23、样，结构不同，一个就是正常的蛋白，一个就是致病的蛋白。所以目前国际上有很多关于朊病毒的研究，比如我认识的美国西北大学的一个教授，做疯牛病的研究，到底为什么朊病毒会有那么大的感染力还不是很清楚。2. 膜的结构和功能我们讲些轻松的东西，刚才讲的严肃了，都是病毒、病毒的。给出流动镶嵌模型定义细胞的膜对生物体来说非常重要，因为它是非常好的物质通道。水的简单扩散(渗透)与人的染色体数量，两者有关系吗？你们知道吗，为什么我要写这个题目？你知道吗，你猜猜看？很有关联。有谁知道，有谁不知道？这个里面有个故事在这里。人们发现了人的细胞核里面有染色体，但是没有人说得清楚染色体数量是多少条。我们现在知道了是46条。

24、你们知道最开始发现染色体确切数量的人是谁吗？这是美籍华裔的一位徐道觉先生，他是专门做细胞培养的，那么把细胞培养起来染色，然后在显微镜下面观察。但是他总是数不清有多少条染色体，染色体总是堆在一起。突然有一天，他看见显微镜下面的染色体散得很开，一堆、一堆，一数，46条，所以最先报道了人有46条染色体。但是当时他觉得很奇怪，一直在做这样的实验，为什么今天看得那么清楚。（S：细胞死了）细胞死了？细胞死了就破了，然后里面的染色体就流出来了吗？这也不对呀，他就是按照常规在做，细胞收集、培养、离心、染色、观察。这个同学说对了。他觉得出了问题他就会去看实验记录，所以我们理科的学生要求做实验一定要记录。我再给大

25、家讲一个实验记录的重要性。我有一个博士生写了一篇论文要发表，正好芝加哥大学有一个教授来我们实验室访问，来给他做过一些指导，然后那一年这个教授来我们实验室的时候，我这个博士生就跟教授讲，把他的名字挂到这篇论文上去，我们也想靠这个教授的名，另外本来也是给予了指导。这个教授说可以，但你要把实验记录复印一份给我，我看完了以后才能决定能不能挂我的名字。为什么呢？这就是理科的人的严谨性，他虽然指导你的实验，但是他要知道你这个实验的真实性。他带着实验记录回去了，后来过了一段时间，他告诉我们，可以挂他的名字，署他的名，发表这篇文章。所以我们理科的人，一定要记录，所以徐道觉先生也是做了记录了，然后他去查，为什么

26、今天结果不一样。最后他发现技术人员给他配备的生理盐水小数点挪了一位，变成0.07%，用这样的生理盐水去处理细胞，细胞会胀得很大，细胞会破掉。描述生科导实验观察染色体数量和高中观察洋葱表皮细胞的实验教学经历。说到这，我给你们讲我的一个经历吧。我是77级恢复高考的第一届大学生，毕业之后留在大学工作，搞遗传的。我当时也想成名成家，我在那样一个学校，条件又不好，根本没有什么条件做基因方面研究。那我做什么，细胞遗传。我发现那边有的是动物，到那个戈壁沙滩里抓那个四脚蛇，或是那个蟾蜍抓来，往肚子里面打一管子秋水仙素，秋水仙素可以让细胞分裂中止在中期。然后四条腿一卸，骨髓抽出来，滴到片子上，低渗处理、染色，染

27、色体的照片拍出来，然后再让动物学家看一看这是什么动物，然后再去查文献，这个动物有没有做过染色体。一看，没有做过染色体，然后就写成一篇文章，国内外首次报道某某某四脚蛇，它的染色体是怎么样的。所以写一篇发一篇，我82年毕业，84年就成为中国“两爬学会”最年轻理事之一。“两栖爬行动物协会”。（笑）95年我调到老浙大来，我发现浙江省这些青蛙也好，四脚蛇也好，蟾蜍也好，都被人做完了，我没有事情可做。所以最后被迫，也是很偶然的一个机会，最后做到了微生物来，所以我现在是搞极端环境下的微生物。所以我也是托了徐先生的福，他告诉我可以这样来做染色体。介绍和溶酶体有关的疾病和发病机制：矽肺、肺结核、基萨斯综合症细胞

28、有骨架吗？微管、微丝、微管纤维构成了我们的细胞骨架。呈现相应架构。细胞骨架的存在使细胞具有各种各样的形态。最长的细胞有2米长。我们来看肌肉收缩。它最基本的是一个ATP移动两个蛋白的位置。演示肌肉运动动画。所以说太神奇了，我现在说话，手一动，不知道多少个ATP在消耗，像划船一样在划。两个蛋白的位置很小啊。所以我们说生物非常得神奇，苦也罢，笑也罢，都遵循一个ATP两个蛋白的规律。我经常在想，我们浙大不是有很多跳楼的，太不珍惜自己精致的生命了，吧唧一下把自己扔下去了，最后他的一个ATP两个蛋白的精致过程没了。我们有的人，看这个蚂蚁在走，吧唧一脚，（笑）我也在想，人家也是一个ATP两个蛋白，人家也不容

29、易，这一步那么长，不知道多少个ATP。所以从这个生命的精致一定要珍惜生命。所以你要学一点生命科学吧，多有意思啊。3. 细胞增殖、分化动画演示细胞分裂的过程。核膜消失，染色体形成，纺锤丝形成，然后染色体排列到赤道板上。这么神奇就分开了。两个细胞之间形成了膜，核膜形成，最后形成两个细胞。中学把它截断了，其实它就是一个连续的过程。呈现果蝇腿上长出眼睛的图片。所以这个让我们非常奇怪，一个受精卵的细胞经过分裂、发育、分化，为什么会出现这样的一种情况。人们发现这样一个过程都是由基因在调控。我们最后发现，人全身有10的12次方个细胞，大概能分成200多种。我们来看分化的一个过程。我们发现，在分化的过程中有一些关键的蛋白，它控制着一系列下游的基因。那么越是低等生物，它调控的蛋白越是简单，一旦这个基因的表达出现混乱的时候，本来该长腿的地方分化眼的基因表达了，长出了一个眼睛。但是人是最高等的，它的调控越发的精细，不是一个基因可以决定的。所有的细胞可以分成三类，一类是全能的，也不是所有的干细胞是全能的，早期胚胎的干细胞是全能的。这个是老鼠的八个细胞的胚胎。你们知不知道我们国家有一个工程院院士，就在显微镜下割割细胞就割出个院士来，知道吗？因