细胞工程-绪论

第一章：绪论第一节生物工程（Bioengineering）定义：是以生命科学为基础，利用生物体系和工程学原理生产生物制品和创造新物种的一门综合技术。换言之，就是利用生物有机体（从微生物直至高等动物）或其组成部分（器官、组织、细胞等）发展新工艺或制造新产品的一种科学技术。又称生物工艺学或生物技术（biotechnology）【相关术语】

雄性不育系：是一种雄性退化（主要是花粉退化）但雌蕊正常的母水稻，由于花粉无力生活，不能自花授粉结实，只有依靠外来花粉才能受精结实。因此，借助这种母水稻作为遗传工具，通过人工辅助授粉的办法，就能大量生产杂交种子。

保持系：是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用它的花粉授给不育系后，所产生后代，仍然是雄性不育的。因此，借助保持系，不育系就能一代一代地繁殖下去。

恢复系：是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用它的花粉授给不育系所产生的杂交种雄性恢复正常，能自交结实，如果该杂交种有优势的话，就可用于生产。

三系杂交水稻：是指雄性不育系、保持系和恢复系三系配套育种，不育系为生产大量杂交种子提供了可能性，借助保持系来繁殖不育系，用恢复系给不育系授粉来生产雄性恢复且有优势的杂交稻。【袁隆平的杂交水稻提高产量的原理】

杂交水稻是通过不同稻种相互杂交产生的，而水稻是自花授粉作物，对配制杂交种子不利。要进行两个不同稻种杂交，先要把一个品种的雄蕊进行人工去雄或杀死，然后将另一品种的雄蕊花粉授给去雄的品种，这样才不会出现去雄品种自花授粉的假杂交水稻。可是，如果我们用人工方法在数以万计的水稻花朵上进行去雄授粉的话，工作量极大，实际并不可能解决生产的大量用种。因此，研究培育出一种水稻做母本，这种母本有特殊的个性，它的雄蕊瘦小退化，花药干瘪畸形。靠自己的花粉不能受精结籽。

为了不使母本断绝后代，要给它找两个对象，这两个对象的特点各不相同：①、第一个对象外表极像母本，但有健全的花粉和发达的柱头，用它的花粉授给母本后，生产出来的是女儿。长得和母亲一模一样，也是雄蕊瘦小退化，花药干瘪畸形、没有生育能力的母本：②、另一个对象外表与母本截然不同，一般要比母本高大，也有健全的花粉和发达的柱头，用它的花粉授给母本后，生产出来的是儿子，长得比父、母亲都要健壮。这就是我们需要的杂交水稻。③、一个母本和它的两个对象，人们根据它们各自不同特点，分别起了三个名字：母本叫做不育系，两个对象，一个叫做保持系，另一个叫做恢复系，简称为“三系”。有了“三系”配套，我们就知道在生产上是怎样配制杂交水稻的了：生产上要种一块繁殖田和一块制种田，繁殖田种植不育系和保持系，当它们都开花的时候，保持系花粉借助风力传送给不育系，不育系得到正常花粉结实，产生的后代仍然是不育系，达到繁殖不育系目的。我们可以将繁殖来的不育系种子，保留一部分来年继续繁殖，另一部分则同恢复系制种，当制种田的不育系和恢复系都开花的时后，恢复系的花粉传送给不育系，不育系产生的后代，就是提供大田种植的杂交稻种。由于保持系和恢复系本身的雌雄蕊都正常，各自进行自花授粉，所以各自结出的种子仍然是保持系和恢复系的后代。

曹谊林博士在裸鼠身上培养制成的人形耳廓软骨支架

事件：２００３年４月１４日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士在华盛顿宣布，美、英、日、法、德和中国科学家经过１３年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，人类基因组计划所有目标全部实现。>>>意义：人类基因组是全人类的共同财富。国内外专家普遍认为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类健康带来福音。>>>挑战：５０年前发现ＤＮＡ双螺旋结构的资深科学家詹姆斯·沃森指出，基因隐私和基因歧视是当前基因研究和应用领域面临的两个严重问题。>>>中国的贡献：作为参与这一计划的唯一发展中国家，我国于１９９９年跻身人类基因组计划，承担了１％的测序任务。虽然参加时间较晚，但是我国科学家提前两年于２００１年８月２６日绘制完成“中国卷”，赢得了国际科学界的高度评价。>>>始于１９９０年的国际人类基因组计划，被誉为生命科学的“登月”计划，原计划于２００５年完成。人类基因组计划１３年大事记徐荣祥教授领导的研究小组发展历程：第一代生物工程1665英国物理学家Hooke首次用自制的显微镜观察到木栓薄片中呈小室状结构－－“cell”.1677荷兰科学家Leeuwenhoek用高倍显微镜证实了细菌、精子等活体的细胞结构。1857巴斯德证实酒精发酵是由活酵母引起的－－微生物学的前身。我国4000年前就有了酿酒工业－－中国最早的生物技术的应用。遗传学的奠基人约翰·格雷戈尔－孟德尔(1822-1884年)：是这一门重要生物学科的奠基人。1865年发现遗传定率

1865年发表了《植物杂交试验》，他发现遗传基因原理，总结出分离规律和自由组合规律，为遗传学提供了数学基础，创立了孟德尔学派，由此成为“遗传学之父”。1854年开始用34个豌豆株系进行一系列的豌豆杂交试验。

孟德尔的豌豆杂交实验7对性状的结果豌豆表型F1F2F2比例圆形×皱缩子叶圆形5474圆1850皱2.96:1黄叶×绿色子叶黄色6022黄2001绿3.01:1紫花×白花紫花705紫224白3.15:1膨大×缢缩豆荚鼓胀882鼓299瘪2.95:1绿色×黄色豆荚绿色428绿152黄2.82:1花腋生×花顶生腋生651腋生207顶生

3.14:1高植株×矮植株高植株787高

277矮

2.84:1（一）孟德尔的分离律(lawofsegregation)

孟德尔的分离律可表述为一对等位基因在杂合状态（Aa）下，互不干预，保持其独立性，在形成配子时各自（A或a）分配到不同配子中去。在一般情况下，子一代配子分离比为1：1，子二代基因型分离比为1：2：1，子二代表现型分离比是3：1。孟德尔为了验证这一规律，设计了测交实验。以F1(Aa)杂种与亲代纯隐性个体杂交。概念：测交：是指将杂种后代与隐性亲本进行杂交回交：是指杂种后代与任意一亲本进行杂交

因此，测交是回交的一种，利用这种方法可以测出杂种后代的基因型，故成为测交。（二）孟德尔第二定律—自由组合定律

(lawofindependentassortment)

测交证明在杂种F1代非等位基因在配子形成时可以自由组合到不同配子中去。孟德尔设计了双交和三交实验，均证实了所研究的豌豆的7对性状是独立遗传的。（三）孟德尔定律的细胞学基础

1903年，美国哥伦比亚大学的研究生，萨顿（WalterS.Sutton）在研究蚱蜢的精子发生时，发现染色体在减数分裂时的行为与孟德尔遗传因子的分离、组合之间存在平行关系：1．在体细胞中，染色体是成对存在的，而孟德尔假设的遗传因子也是成对存在的；

2．它们都有分离现象，配子中染色体成单倍型，而遗传因子也是单个的；

3．在两种生殖细胞结合后，染色体或者遗传因子又表现为二倍性；

4．两对同源染色体和控制两对性状的遗传因子一样，形成配子时都是自由组合和自由分配的。

（四)孟德尔学说的重要意义

1、明确地提出了遗传因子的概念，并且强调控制不同性状的遗传因子的独立性，彼此间并不“融合”或“稀释”，这些提法或概念一改在他以前对生物体性状遗传捉摸不定，难以把握的状态。

2、遗传因子成对存在，只是在形成单倍体生殖细胞时才分离开来，这些提法为后来人们寻找和确定遗传因子提供了有益的启示。

3、孟德尔所提出的实验方法：选定相应性状，进行一系列杂交实验，再对后代的性状表现进行分析，这一套实验方法被后来的遗传学家连续使用约半个世纪，被证明是科学有效的研究遗传的方法。运用这套方法，人们在模型实验材料（豌豆，果蝇，粗糙链孢霉等）中确定了成百上千个遗传因子－－基因。当孟德尔的《植物杂交试验》再次出现时，时代已开始成熟地接受他的思想。紧接着在基因科学领域发生了爆炸性事件：荷兰人胡戈-德弗里斯(1848-1935年)在他的实验中发现遗传特征的重大变化，他称之为“突变”。基因研究经历了一个令人陶醉的繁荣时代。1910年，美国人托马斯-亨特-摩根(1866-1945年)出版了他第一部关于果蝇实验的首批成果。他不仅证明了孟德尔定律的正确性，而且还证实了长期存在的一种猜测，即借助于显微镜能看到的在细胞核里呈小棍形状结构的染色体就是基因的所在地。

2．分离律的意义（分离律也称为孟德尔第一定律）1）具有普遍性，不仅植物中广泛存在，在其他二倍体生物中都符合这一定律。如人类中单基因遗传性状和遗传病约有4344种（1988年），如多指、侏儒（先天性软骨发育不全）、等都是显性性状，有的性状可以传递很多代成为某些家族的特征，如:Hapsburg王朝这一家族中的许多成员都有一窄而突出的下颚和使嘴成为半开的突出下唇。由于有画像存在，这个性状可一直追溯到14世纪。隐性性状常见的有白化、全色盲、早老症。2）使人们知道，杂合体是不能留作种子的，50年代我国不少农民育种家，进行了大量的杂交实验，但不懂得分离原理，看到杂种后代（F1）有很多优良品质，于是就留下做种子，但到第二年种下去时得到的结果是高的高，矮的矮，性状不同，达不到预期的目的，这就是产生了分离的结果。近代生物工程：19世纪80年代，德国科学家雪旺（Schwann）和施莱登（Schleiden）提出了细胞学说－从单细胞动物到高等动、植物都是由细胞组成，细胞是生物形态结构功能活动的基本单位。1928年英国人弗莱明发现青霉素－对人类的贡献。但不能人工提取；1941年美国和英国合作对青霉素的大规模生产技术进行研究和开发，终于1943年确立了一条可以大规模生产的技术使青霉素得以在临床推广。这一时期产品的特点：1、产品类型多，包括初级代谢产物、次级代谢产物，以及生物转化，酶反应等产品。2、技术要求高，生产过程需在无菌条件下进行。3、大多数过程为好气发酵。4、发酵规模巨大。现代生物工程：1953年美国沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构

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为DNA的重组奠定了基础。是现代生物学的里程碑和标志性成就。探索DNA双螺旋结构的竞赛鲍林（1901－1994）

是美国著名化学家。1931年就将量子力学用于化学领域，阐明了化学键的本质，这使他后来获得了1954年诺贝尔化学奖。

1950年，他首先阐明并发现了氨基酸链的α螺旋状结构。此后，鲍林又投入了DNA结构的研究。他是最早认定DNA分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构的科学家，而且研究的环境最优越，但他错误地认为DNA分子是由三股螺旋组成的，这使他误入歧途。英国女生物学家富兰克琳（1920～1958）是最早认定DNA具有双螺旋结构的科学家，并且运用X射线衍射技术拍摄到了清晰而优美的DNA照片，为探明其结构提供了重要依据，她还精确地计算出DNA分子内部结构的轴向与距离。而英国生物物理学家威尔金斯（1916～）则计算出DNA分子螺旋的直径与长度。他们二人还对DNA分子的结构作出了确切而关键性的描述：磷酸根在螺旋的外侧，碱基在螺旋内侧。英国剑桥大学国王学院1946年就设立了DNA结构研究室，富兰克琳与威尔金斯拥有充足的经费和先进的技术设备，他们与成功地建立DNA双螺旋结构模型只有咫尺之遥，但却未能跨出最后也是最关键的一步。这一方面是因为他们认为探索DNA结构的惟一途径是使用晶体学和数学计算的方法，拒绝采用建立结构模型的方法；另一方面是由于人际关系等方面的因素。富兰克琳威尔金斯在英国剑桥大学国王学院的实验室中，富兰克琳虽然是惟一适合运用X射线衍射技术研究DNA结构的科学家，但她发现自己是处于一种对女科学家充满敌意的环境中，很难与同行们进行讨论与交流，并且她与后来派来做她上司的威尔金斯关系不融洽。富兰克林对DNA的研究工作取得了重要进展，却被有关方面要求停止这方面的进一步研究。1951年她离开了国王学院，到伦敦大学伯克贝克学院从事病毒结构的研究。虽然威尔金斯还邀请她继续参与DNA的研究，但这些因素还是对他们二人的工作产生了不利的影响。在很长一段时期，富兰克林的工作没有得到应有的承认。

克里克（1916～）

在大学学的是物理专业，毕业后攻读物理学研究生。第二次世界大战爆发后，他中断学业参军。战后，他受薛定谔的《生命是什么？》一书的影响，转而学习生物学，1949年进入剑桥大学卡文迪什实验室师从英国著名分子生物学家佩鲁茨（1914～）攻读研究生。沃森（1928～）

1951年，在美国获得博士学位后，5月份在一次国际大分子结构研讨会上聆听了威尔金斯关于DNA的X射线衍射研究的报告，引发了他对这一研究的兴趣。9月，他也来到卡文迪什实验室，在英国著名分子生物学家肯德鲁（1917～1997）的手下进行博士后研究。克里克沃森卡文迪什实验室克里克与沃森认为：当时的X射线晶体衍射技术水平尚不足以清晰显示生物大分子较为复杂的三维图像，仅靠数学计算，难以确定大分子中所有原子的准确位置。如果设想DNA分子呈螺旋状，则不妨依据X射线衍射图上的几组数据，先构建出分子模型的大模样，再不断调整其中原子排列的细节，直到其与真实分子的衍射图十分接近为止，此时得到的即应是DNA的实际立体结构。

克里克所画的DNA结构草图。1951年11月，沃森听了富兰克琳关于DNA结构的学术报告。沃森和克里克认识到他们要从事DNA的结构分析研究，由于并非他们份内的工作，没有研究经费，也没有从实验中直接得到数据的条件，只能利用别人的数据进行分析，从而建立自己分子结构模型。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA

结构的设想。但当他们请威尔金斯和富兰克琳来讨论这个模型时，富兰克琳当即指出DNA结构应是双螺旋，而且他们把DNA的含水量少算了一半。这是由于沃森在听富兰克琳的报告时没有做记录，富兰克琳估算出DNA分子中每个核苷酸是由8个水分子环绕着的，而沃森却用脑子记成了每一段的DNA分子含有8个水分子。于是第一个模型宣告失败。1952年，奥地利裔美国生物化学家查伽夫（E.chargaff

1905—）测定了DNA中4种碱基的含量，发现其中腺膘呤与胸腺嘧啶的数量相等，鸟膘呤与胞嘧啶的数量相等。这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系，形成了腺膘呤与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的概念。

1953年2月，沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数。他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反；碱基在螺旋内侧，两两对应1953年4月25日，英国著名的科学期刊《自然》杂志发表了沃森、克里克的一篇优美精炼的短文，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。这一期杂志还发表了富兰克琳和威尔金斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃森、克里克的论文。这一年，沃森年仅25岁，克里克也只有37岁，尚未获得博士学位。这两个年轻人之所以超越了其他看似更具实力的竞争者，赢得了这场科学赛跑的胜利，是由于他们具有清醒的宏观洞察力、非凡的科学想像力和严密的逻辑思维能力，选择了正确的研究路线，广泛借鉴他人的研究成果并加以综合性的科学思考。

1962年，沃森、克里克与威尔金斯因研究DNA双螺旋结构模型的成果，共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。《DNA的结构》

在发表DNA双螺旋结构论文后不久，《自然》杂志随后不久又发表了克里克的另一篇论文，阐明了DNA的半保留复制机制。1974年美国的波依耳和科恩首次在实验室实现了基因的转移－使按照人们意志设计新的生命体成为可能。20世纪70年代，现代生物工程阶段－基因重组、细胞融合、酶固定、现代生物反应器和计算机的应用以及产品分离、纯化等技术的发展。现代生物工程的特点与组成：化学生物学工程学生物化学化学工程生物技术生物工程生物工程与其他学科的关系细胞工程基因工程蛋白质工程微生物工程发酵工程天然微生物动植物细胞或组织融合细胞或微生物生物化学工程酶工程基因工程菌酶制剂或活细胞新蛋白质基因融合与修饰转基因工业化生物产品或医药、环保、能源、材料等领域的应用生物工程六个组成技术之间的关系图解

发酵工程:※定义：是指利用微生物的特定性状，通过现代生物技术，在生物反应器中生产有用物质的一种技术。

※应用：食品、医用和农用抗生素的绝大部分产品都是发酵产品；氨基酸、工业用酶等以及味精、维生素B2等酶工程：定义：是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质，它们可特定地促成某个化学反应而它们本身却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低、反映容易控制等特点。研究和应用范围：1、天然酶的分离纯化及鉴定和生产2、酶的固定化技术3、酶生物反应器的研制和应用蛋白质工程定义：是指利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列进行有目的的改造并分离、纯化蛋白质，从而获取自然界没有的。具有优良性质或适用于工业生产条件的全新蛋白质的技术。研究方向：1、基因水平上的蛋白质改造2、蛋白质修饰基因工程：定义：是指根据人们的意愿对不同生物的遗传基因进行切割、拼接或重新组合，再转入生物体内产生出人们所期望的产物，或创造出具有新遗传性状的生物类型的一门技术。1982年美国Lilly公司首先将重组胰岛素投放市场－世界上第一个基因工程药物。步骤：a、获取目的DNA；

b、将目的基因转入质粒和病毒；

c、将重组DNA引入某种细胞；

d、将目的基因可以表达的受体细胞挑选出来。生物化学工程研究方向1、新型生物反应器系统及相关培养和放大技术、工艺的研究与开发。2、新型分离方法和设备的研究开发。3、描述生物反应过程的数学模型的建立。4、生产过程在线检测和控制手段的完善。第二节

细胞工程定义细胞：是生物体结果与功能的最基本单位，它决定了生物体生长、分化、遗传、变异、衰老、死亡等生命活动。细胞工程：是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过类似于工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术。细胞工程的发展历史1838年马勒在脊柱动物肿瘤细胞中观察到多核现象－细胞融合可能性的提出。1907年美国生物学家哈里森采用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织，存活数周，观察到细胞生长现象－动物细胞的离体培养。1937年法国科学家高特里特和诺比考特同时离体培养了胡萝卜组织，并使细胞增殖－植物细胞的离体培养。主要研究内容

细胞融合技术、细胞拆合技术、染色体导入技术、胚胎和细胞核移植技术细胞水平细胞工程组织水平细胞器水平基因水平细胞融合：定义：采用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞（或原生质）融合为一个细胞，用于产生新的物种或品系（植物上用的多，动物上用的少）及产生单克隆抗体。应用：动植物、微生物新品种的培育。如：1、原生质的融合克服了有性杂交的不亲和性－（线、叶）；

2、产生胞质杂质－可以改变由胞质控制的遗传性状，建立新型不育系。

3、“生物导弹”－治疗癌症染色体工程：定义：按人们的需要来添加、削减或替换生物的染色体的一种技术。分动物染色体工程和植物染色体工程。应用：新品系的培育－单倍体与多倍体的育种方面如：1937年秋水仙素用于生物学研究，对多倍体的发展起到了至关重要的作用。胚胎工程定义：主要是对哺乳动物的胚胎进行某种人为的工程技术操作获得人们所需要的成体动物。包括：胚胎分割技术、胚胎融合技术、卵核融合技术、体外受精技术、胚胎培养、胚胎移植以及性别鉴定、胚胎冷冻技术。如：畜牧业－利用胚胎移植技术进行优良品系的快速繁殖与胚胎保存。细胞遗传工程主要是指克隆和转基因技术。克隆：由一个动物经无性繁殖而产生的遗传性状完全相同的后代个体。转基因：将外源基因整合到生物体内，得到稳定表达，并使该基因能稳定地遗传给后代得试验技术。注：该两项技术是生物工程的前沿领域，目前几乎所有的最新科研成果都与此有关。细胞工程的重要应用优质植物的快速培养和繁殖。动物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种－20世纪30年代胚胎移植在绵羊和山羊中取得成功－1982年Brackett获得世界上第一胎试管犊牛。－高产奶牛、瘦肉型猪等。利用动植物细胞培养生产活性产品、药品

－疫苗、菌苗、抗体、抗生素、生物活性物质。（1975年首次利用细胞融合技术获得单克隆抗体使病毒性疾病、以及运用淋巴细胞杂交瘤制备的单克隆抗体加放射性同位素、化学药物和毒素，注入体内和癌细胞结合原位