2022年医学专题-绪论-动物细胞遗传学

动物细胞遗传学连正兴第一页，共四十三页。绪论细胞：由膜所围成的能独立进行生长的繁殖的原生质团。是构成所有生物的基本单位。细胞遗传学是从遗传学和细胞生物学角度研究细胞的结构与功能、细胞的增殖与分化、衰老与凋亡、基因的表达(biǎodá)与调控、细胞的起源与进化等细胞生命活动规律的科学。细胞区别于非生命界的主要特性：能够对生存进行自我调节的开放体系、在同外界进行物质、能量、信息交换的条件下，处于动态平衡生命体由多层次、非线性、多侧面的复杂体系，而细胞是是生命体的结构与功能单位，有了细胞才有完整的生命活动。第二页，共四十三页。绪论(xùlùn)生命体的一切生命现象，如生长、发育、繁殖、遗传、分化、代谢和应激等，都是通过细胞这个生命体来实现的，因此著名(zhùmíng)生物学家Wilson：“一切生物物学问题的答案都将到细胞中找到解决。因为所有生物体都是，或者曾经是一个细胞”。脱离开细胞，现代生物学的所有分支都将失去意义。以基因工程为主的现代生物技术主要是通过细胞的操作来实现的。由此看来细胞学与农业、医学、生物高技术有着密不可分的关系，将解决人类生活中的重大问题，促进经济与社会的发展。第三页，共四十三页。绪论细胞与生物大分子：细胞是动态的结构体系：遗传信息结构体系：如DNA储存着物种的全部遗传信息，可是这些分子必须的细胞内组装成有一定秩序的结构关系，才能(cáinéng)发挥其重要作用。膜结构体系：网络屏障、信息沟通细胞骨架结构体系：生物化学反应有序性、细胞分裂等分子对于细胞来说是归属关系，大分子所表现的一些属性只有在细胞这个体系中才具有生命的意义。生物大分子脱离了细胞就失去了意义。细胞外的大分子即使再复杂，变化再大，也只能称为生物化学反应，还称不上为生命活动，目前还不存在无细胞的生命体。各种分子在细胞内建立起一定的时空关系，相互协调配合，才能表现出有生命意义的活动。因此试图利用总DNA来恢复灭绝物种还有很大困难。第四页，共四十三页。细胞(xìbāo)的组成第五页，共四十三页。一节、细胞研究(yánjiū)的发展历史

科学的发展总是与工具的改进是分不开的（显微镜、电镜等）细胞的发现：荷兰的眼镜商Janssen于1604年发明了可以放大10-30倍的显微镜，可以观察昆虫与跳蚤，因此有被称为“跳蚤镜”，尽管没有发现细胞，但将光学放大装置转变成显微镜的一个界标（肉眼的直观(zhíguān)范围为200um，而细胞为30um以下）1665年英国物理学家RobertHooke创制了可以放大40-140倍的显微镜，并开展了大量的观察（包括矿物、动物和植物标本）工作，并将自己观察到的现象编写成了“显微图谱”一书，此时将软木塞的空洞称为Cells，但并不具有细胞的含义，此后才发现细胞内容物。。第六页，共四十三页。最早期(zǎoqī)的显微镜第七页，共四十三页。1.细胞(xìbāo)的发现1674年荷兰科学家Leeuwenhoek（只上过高中，当过学徒工和布商，39岁才开始进行科学研究，磨制了550个透镜，自制了247台显微镜，但仅存下9台，对其中一台进行检测，放大倍数为270倍；1680年当选为英国皇家学会外籍会员；1699年获得巴黎科学院通讯院士称号），利用自制的显微镜：观察了水中的原生动物、人和哺乳类的精子等微小活细胞；同时(tóngshí)对细胞进行了测量：细菌为3um、红细胞为7.2um。第八页，共四十三页。人工(réngōng)光源显微镜第九页，共四十三页。2、细胞遗传学的创立(chuànglì)与形成1838年显微镜分辨率的提高（可达1um）、切片机的出现，德国植物学家Schleidon根据自己的观察，论证了所有植物体都是由细胞组成的；1839年德国动物学家Schwann证明了动物体也是由细胞所组成，并总结前人的工作后提出了一切生物体都是由细胞所组成的。1855年Virchow提出了：细胞是所有生物的结构与生命(shēngmìng)活动单位；生物的特性取决于细胞的特性，多细胞生物的每个细胞即是一个活动单位细胞只能通过细胞的分裂而来。1883年提出了染色体学说，染色体是遗传单位的携带者。1884年提出细胞核含有控制遗传的因子1892年提出了细胞的原生质学说（将细胞内的内容物称为原生质），细胞的概念基本形成。第十页，共四十三页。2、细胞(xìbāo)遗传学的创立与形成1902年Cannon提出遗传因子位于染色体上1905年Farmer提出了减数分裂。1909年将遗传因子定名为基因。1909年Harrison证明胚神经细胞可以在离体条件下生长(shēngzhǎng)分化，开创了组织培养技术。1914年实验胚胎学得到了快速发展，发现了早期胚胎分裂球具有全能性。1934年用高速离心机对细胞核与细胞器进行了分离实验，开始了细胞器的研究。1939年电子显微镜的出现（放大倍数为10000倍）。1953年DNA双螺旋结构的发现，1977年生长激素抑制素的大肠杆菌中表达奠定了分子细胞学的基础。第十一页，共四十三页。细胞内的基因表达(biǎodá)与调控第十二页，共四十三页。3、细胞(xìbāo)遗传学研究的内容细胞核、染色体以及基因表达细胞核是遗传物质储存的场所，也是遗传信息转录(zhuǎnlù)出mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质是遗传物质的载体，核仁是转录rRNA与装配核糖体亚基的场所。核膜与核孔复合体是核质之间物质与信息交换的结构与屏障。第十三页，共四十三页。3、细胞遗传学研究(yánjiū)的内容细胞骨架体系细胞骨架主要维持细胞的形态与保持细胞内部结构的合理布局，保证细胞内大分子的运输、细胞器的运动、细胞信息传递、基因表达(biǎodá)与大分子加工。细胞核骨架：核基质、核纤层与核孔复合体细胞质骨架：微管、微丝等第十四页，共四十三页。3、细胞遗传学研究(yánjiū)的内容细胞增殖及其调控生物体的生长发育是由细胞的增殖与分化造成的，利用细胞增殖与分化的原理可以(kěyǐ)提高动植物的生长发育速度（生长激素的使用）；可以探讨肿瘤的形成机制，寻找出有效的治疗方法；关键因素分析细胞周围的控制细胞增殖的因子控制细胞增殖的关键基因第十五页，共四十三页。肿瘤(zhǒngliú)的形态第十六页，共四十三页。3、细胞(xìbāo)遗传学研究的内容细胞分化及其调控分化是生物体发育的基础，是构成复杂机体的基础，只有分化才能形成具有不同功能的细胞，行使特定的机能细胞的全能性可以使人们了解细胞分化的机理，控制细胞分化进程体细胞克隆的成功标志着已经分化的细胞可以脱程分化，重新形成新的个体肿瘤的形成是由于不分化与去分化的结果，因此利用分化诱导，使肿瘤细胞分化，达到(dádào)治疗目的。第十七页，共四十三页。体细胞克隆(kèlónɡ)分化(fēnhuà)细胞的去程序化第十八页，共四十三页。克隆(kèlónɡ)挽救濒危动物第十九页，共四十三页。

HowarePluripotentLinesCharacterized?

Morphology:smallcells(8–12cm)growinaggregateshighnuclearcytoplasmicratioCellsurfaceproteins:alkalinephosphatase(AP)endogenoustelomeraseSSEA1,ECMA7,EMA1,etc.Geneexpression,epigeneticprofilesDifferentiateintothreegermlayersFormteratomasContributetogermlinechimeras第二十页，共四十三页。MouseembryonicstemcellsasembryonicstemcellarchetypeIn1981,Thefirstmouseembryonicstemcells(mESCs)wereisolatedfrominvitroproliferationoftheICMderivedfromanE3.5toE4.5dayspostcoitum(dpc)blastocyst(Evans&Kaufman1981;Martin1981).mESCsgrowingconditions:feedercellssupplementedbyECconditionedmedium(Smith&Hooper1987)Gp130family:leukemiainhibitoryfactor(LIF)Othermolecules:ciliaryneurotrophicfactor(CNTF),interleukin-6(IL-6),etc.(Yoshidaetal.1994;Wareetal.1995;Yoshidaetal.1996;Kunathetal.2007).第二十一页，共四十三页。第二十二页，共四十三页。ProgressofiPSinductionGenes:Mouse:SOX2,OCT4,c-MycandKlf4Human:SOX2,OCT4,c-MycandLin28GeneNumber:4genes:3genes:2genes:1gene:第二十三页，共四十三页。Methodsofinduction:RetrovirusInseparatevectorsInonevectordisassociatedwith2APurifiedproteinsProkaryoteEukaryoteConditionalmediumofeukaryoticcelltransfectedwith4genes?第二十四页，共四十三页。组织(zǔzhī)再生蝾螈断肢创口周围的皮肤、肌肉、骨骼等各种细胞(xìbāo)会聚集到一起，从成体细胞(xìbāo)反向变为“幼年”细胞(xìbāo)，形成具有再生能力的芽基细胞(xìbāo)群。尽管这些芽基细胞(xìbāo)看起来都差不多，但它们都记住了各自的来源，从肌肉细胞(xìbāo)而来的仍再生为肌肉细胞(xìbāo)，从神经鞘细胞(xìbāo)而来的仍再生为神经鞘细胞(xìbāo)。第二十五页，共四十三页。3、细胞(xìbāo)遗传学研究的内容细胞的衰老与凋亡细胞总体的衰老导致了生物体的衰老，但生物体的衰老与细胞的衰老还存在着很大的不同。细胞的衰老是由于传代次数的限制所造成，同时也是自然规律和法则；人们希望通过细胞衰老的研究来延长寿命，如线虫寿命的延长意味着人类的寿命可以达到500岁，果蝇的实验预计人类的寿命可以达到156岁；细胞的凋亡是生命科学研究中新兴的领域。凋亡是由于一系列基因控制并受复杂信号影响的细胞自然(zìrán)死亡现象。也是生理正常发育与病理过程的重要平衡因素。第二十六页，共四十三页。3、细胞遗传学研究(yánjiū)的内容细胞的起源与进化35亿年前已经在地球上出现了原始细胞；拥有(yōngyǒu)生命活动的物质只有以细胞的形式出现时才能够在地球上存在。细胞的进化有人认为是共生所致；分子遗传学的发展为细胞的进化提供了强有力的研究手段与方法。第二十七页，共四十三页。3、细胞(xìbāo)遗传学研究的内容细胞工程和组织工程对细胞进行改造，达到修复、治疗等目的，如用胰岛细胞治疗糖尿病，杂交瘤细胞生产药品或抗体，定向杀死靶细胞，胚胎干细胞治疗等；组织工程体外培养特定的组织，用以治疗组织损伤，美容等目的（人耳鼠等）体细胞克隆：挽救濒危(bīnwēi)物种，实现转基因等操作。iPS单细胞生命的人工合成“辛西娅”，是将通过化学合成“丝状支原体亚种”DNA，并将其植入去除了遗传物质的山羊支原体体内，创造出世界上首个“人造单细胞生物”(科学界的坏小子文特尔）第二十八页，共四十三页。组织(zǔzhī)工程第二十九页，共四十三页。4、细胞(xìbāo)遗传学的研究进展1953年发现了DNA双螺旋结构1958年提出了遗传信息的中心法则1960年提出了蛋白质合成的操纵元学说1970年在肿瘤病毒中发现了逆转录酶1970-：DNA重组、剪接技术的迅速发展，遗传工程技术迅速兴起2006年iPS（InducedPluripotentStemCell）发现。2010年人造单细胞生物(shēngwù)“新西娅”诞生第三十页，共四十三页。4、细胞(xìbāo)遗传学的研究进展1977年第一次将高等动物的生长激素释放抑制素引入大肠杆菌，合成了生长激素释放抑制素1979年将小鼠胰岛素基因引入大肠杆菌，合成了胰岛素1990年启动了人类基因组计划1997年乳腺细胞体细胞克隆羊的诞生，证明了分化(fēnhuà)的细胞可以脱程分化(fēnhuà)，形成新的个体第三十一页，共四十三页。二节、细胞遗传学研究(yánjiū)意义改善动物的生产性能：生物的生殖发育、遗传、神经活动等重大生命现象都是以细胞为基础的；研究(yánjiū)人类思维活动以及动物的记忆：人大脑的活动是靠1012个细胞的互相协调而进行的；病理学分析：一切病变是细胞的异常所造成的；基因工程操作：基因工程是通过细胞来实现的；疾病治疗：细胞治疗对挽救人类生命将做出巨大贡献；器官移植：器官移植、细胞修复等操作将延长人类的生命。第三十二页，共四十三页。转基因与转基因细胞(xìbāo)的核移植第三十三页，共四十三页。核移植（体细胞克隆(kèlónɡ)）第三十四页，共四十三页。三节、细胞(xìbāo)遗传学研究的重点领域功能基因组学研究：利用差异显示筛选新的基因通过(tōngguò)基因打靶、RNAi等技术研究基因的功能；利用细胞芯片筛选靶向药物基因表达的时空性不同时间、不同组织中基因表达的差异（也可以是不同细胞类型中同一个基因表达的差异不同生理时间中基因表达的差异，为适时控制动物的生长发育奠定基础第三十五页，共四十三页。基因芯片(jīyīnxīnpiàn)第三十六页，共四十三页。外显子测序以外显子捕获结合Solexa测序为例加以说明：基因组DNA首先被随机打断成500bp左右的片段，随后在DNA片段两端分别连接上接头。经过PCR库检合格后的DNA片段与NimbleGen

2.1M

Human

Exome

Array芯片进行杂交。去除未与芯片结合的背景DNA后，将经过富集的外显子区域的DNA片段洗脱下来。这些DNA片段又随机连接成长(chéngzhǎng)DNA片段后，再次被随机打断并在其两端加上测序接头，经过LM-PCR的线性扩增，在经qPCR质量检测合格后即可上机测序。第三十七页，共四十三页。合成(héchéng)生物工程巨大耗时15年