绪论动物细胞遗传学课件

动物细胞遗传学连正兴连正兴绪论细细 胞：由膜所围成的能独立进行生长的繁殖的胞：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。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、基因的表达与调控、细胞的起源与进化等细亡、基因的表达与调控、细胞的起源与进化等细胞生命活动规律的科学。胞生命活动规律的科学。细胞区别于非生命界的主要特性：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。的生命活动。绪论生命体的一切生命现象，如生长、发育、繁殖、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，因此著名生物学家生命体来实现的，因此著名生物学家WilsonWilson：“一切生物物学问题的答案都将到细胞中找到解决。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脱离开细胞，现代生物学的所有分支都将失去意义。义。以基因工程为主的现代生物技术主要是通过细胞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、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。活中的重大问题，促进经济与社会的发展。绪论细胞与生物大分子：细胞与生物大分子：细胞是动态的结构体系：细胞是动态的结构体系：遗传信息结构体系：如遗传信息结构体系：如DNADNA储存着物种的全部遗传信息，可是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，才能发这些分子必须的细胞内组装成有一定秩序的结构关系，才能发挥其重要作用。挥其重要作用。膜结构体系：网络屏障、信息沟通膜结构体系：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。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。因此试图利用配合，才能表现出有生命意义的活动。因此试图利用总总DNADNA来恢复灭绝物种还有很大困难。来恢复灭绝物种还有很大困难。细胞的组成一节、细胞研究的发展历史 科学的发展总是与工具的改进是分不开的（显微镜、科学的发展总是与工具的改进是分不开的（显微镜、电镜等）电镜等）1.细胞的发现细胞的发现：荷兰的眼镜商荷兰的眼镜商JanssenJanssen于于16041604年发明了可以放大年发明了可以放大10-3010-30倍的显微镜，倍的显微镜，可以观察昆虫与跳蚤，因此有被称为可以观察昆虫与跳蚤，因此有被称为“跳蚤镜跳蚤镜”，尽管没有发现，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（细胞，但将光学放大装置转变成显微镜的一个界标（肉眼的直观肉眼的直观范围为范围为200um200um，而细胞为，而细胞为30um30um以下以下）16651665年英国物理学家年英国物理学家Robert HookeRobert Hooke创制了可以放大创制了可以放大40-14040-140倍的显倍的显微镜，并开展了大量的观察（包括矿物、动物和植物标本）工作，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并将自己观察到的现象编写成了“显微图谱显微图谱”一书，此时将软木一书，此时将软木塞的空洞称为塞的空洞称为CellsCells，但并不具有细胞的含义，此后才发现细胞，但并不具有细胞的含义，此后才发现细胞内容物。内容物。最早期的显微镜1.细胞的发现细胞的发现16741674年荷兰科学家年荷兰科学家LeeuwenhoekLeeuwenhoek（只上过高中，当过只上过高中，当过学徒工和布商，学徒工和布商，3939岁才开始进行科学研究，磨制了岁才开始进行科学研究，磨制了550550个透镜，自个透镜，自制了制了247247台显微镜，但仅存下台显微镜，但仅存下9 9台，对其中一台进行检测，放大倍数台，对其中一台进行检测，放大倍数为为270270倍；倍；16801680年当选为英国皇家学会外籍会员；年当选为英国皇家学会外籍会员；16991699年获得巴黎年获得巴黎科学院通讯院士称号科学院通讯院士称号），利用自制的显微镜：），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观察了水中的原生动物、人和哺乳类的精子等微小活细胞；细胞；同时对细胞进行了测量：细菌为同时对细胞进行了测量：细菌为3um3um、红细胞为、红细胞为7.2um7.2um。人工光源显微镜2、细胞遗传学的创立与形成18381838年显微镜分辨率的提高（可达年显微镜分辨率的提高（可达1um1um）、切片机的出现，德国植物）、切片机的出现，德国植物学家学家SchleidonSchleidon根据自己的观察，论证了所有植物体都是由细胞组成根据自己的观察，论证了所有植物体都是由细胞组成的；的；18391839年德国动物学家年德国动物学家SchwannSchwann证明了动物体也是由细胞所组成，并总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结前人的工作后提出了一切生物体都是由细胞所组成的一切生物体都是由细胞所组成的。18551855年年VirchowVirchow提出了：提出了：细胞是所有生物的结构与生命活动单位；细胞是所有生物的结构与生命活动单位；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位细胞只能通过细胞的分裂而来。细胞只能通过细胞的分裂而来。18831883年提出了染色体学说年提出了染色体学说，染色体是遗传单位的携带者。，染色体是遗传单位的携带者。18841884年提出细胞核含有控制遗传的因子年提出细胞核含有控制遗传的因子18921892年提出了细胞的原生质学说（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将细胞内的内容物称为原生质），），细胞的概念基本形成。细胞的概念基本形成。2、细胞遗传学的创立与形成19021902年年CannonCannon提出遗传因子位于染色体上提出遗传因子位于染色体上19051905年年FarmerFarmer提出了减数分裂。提出了减数分裂。19091909年将遗传因子定名为基因。年将遗传因子定名为基因。19091909年年HarrisonHarrison证明胚神经细胞可以在离体条件下生长分证明胚神经细胞可以在离体条件下生长分化，开创了组织培养技术。化，开创了组织培养技术。19141914年实验胚胎学得到了快速发展，发现了早期胚胎分裂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。球具有全能性。19341934年用高速离心机对细胞核与细胞器进行了分离实验，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。开始了细胞器的研究。19391939年电子显微镜的出现（放大倍数为年电子显微镜的出现（放大倍数为1000010000倍）。倍）。19531953年年DNADNA双螺旋结构的发现，双螺旋结构的发现，19771977年生长激素抑制素的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。大肠杆菌中表达奠定了分子细胞学的基础。细胞内的基因表达与调控3、细胞遗传学研究的内容细胞核、染色体以及基因表达细胞核、染色体以及基因表达细胞核是细胞核是遗传物质储存的场所遗传物质储存的场所，也是遗传信息，也是遗传信息转录出转录出mRNA、rRNA与与tRNA的场所。的场所。染色质是遗传物质的载体染色质是遗传物质的载体，核仁是转录，核仁是转录rRNA与装配核糖体亚基的场所。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。的结构与屏障。3、细胞遗传学研究的内容细胞骨架体系细胞骨架体系细胞骨架主要细胞骨架主要维持细胞的形态与维持细胞的形态与保持细胞内部结构的合理布局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、基因器的运动、细胞信息传递、基因表达与大分子加工。表达与大分子加工。细胞核骨架：核基质、核纤层与核孔细胞核骨架：核基质、核纤层与核孔复合体复合体细胞质骨架：微管、微丝等细胞质骨架：微管、微丝等3、细胞遗传学研究的内容细胞增殖及其调控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生物体的生长发育是由细胞的增殖与分化造成的，的，利用细胞增殖与分化的原理可以提高动植利用细胞增殖与分化的原理可以提高动植物的生长发育速度物的生长发育速度（生长激素的使用）；（生长激素的使用）；可以探讨肿瘤的形成机制，寻找出有效的治疗可以探讨肿瘤的形成机制，寻找出有效的治疗方法；方法；关键因素分析关键因素分析细胞周围的控制细胞增殖的因子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控制细胞增殖的关键基因肿瘤的形态3、细胞遗传学研究的内容细胞分化及其调控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细胞的全能性可以使人们了解细胞分化的机理，控制细可以使人们了解细胞分化的机理，控制细胞分化进程胞分化进程体细胞克隆体细胞克隆的成功标志着已经分化的细胞可以脱程分化，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肿瘤的形成是由于不分化与去分化的结果，因此利用分，因此利用分化诱导，使肿瘤细胞分化，达到治疗目的。化诱导，使肿瘤细胞分化，达到治疗目的。体细胞克隆分化细胞的去程序化克隆挽救濒危动物How are PluripotentLines Characterized?Morphology:smallcells(812cm)growinaggregateshighnuclearcytoplasmicratioCellsurfaceproteins:alkalinephosphatase(AP)endogenoustelomeraseSSEA1,ECMA7,EMA1,etc.Geneexpression,epigeneticprofilesDifferentiateintothreegermlayersFormteratomasContributetogermlinechimerasMouseembryonicstemcellsasembryonicstemcellarchetypeIn1981,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).ProgressofiPSinductionGenes:Mouse:SOX2,OCT4,c-MycandKlf4Human:SOX2,OCT4,c-MycandLin28GeneNumber:4genes:3genes:2genes:1gene:Methodsofinduction:RetrovirusIn separate vectorsIn one vector disassociated with 2APurified proteinsProkaryote EukaryoteConditional medium of eukaryotic cell transfected with 4 genes?组织再生蝾螈断肢创口周围的皮肤、肌肉、骨骼等各种细胞会聚集到一起，从成体细胞反向变为“幼年”细胞，形成具有再生能力的芽基细胞群。尽管这些芽基细胞看起来都差不多，但它们都记住了各自的来源，从肌肉细胞而来的仍再生为肌肉细胞，从神经鞘细胞而来的仍再生为神经鞘细胞。3、细胞遗传学研究的内容细胞的衰老与凋亡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。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细胞的衰老是由于传代次数的限制所造成，同时也是，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长寿命，如线虫寿命的延长意味着人类的寿命可以达到到500岁，果蝇的实验预计人类的寿命可以达到岁，果蝇的实验预计人类的寿命可以达到156岁；岁；细胞的凋亡是生命科学研究中新兴的领域。细胞的凋亡是生命科学研究中新兴的领域。凋亡是由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死亡于一系列基因控制并受复杂信号影响的细胞自然死亡现象现象。也是生理正常发育与病理过程的重要平衡因素。也是生理正常发育与病理过程的重要平衡因素。3、细胞遗传学研究的内容细胞的起源与进化细胞的起源与进化35亿年前已经在地球上出现了原始细胞；亿年前已经在地球上出现了原始细胞；拥有生命活动的物质只有以细胞的形式出现时拥有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。才能够在地球上存在。细胞的进化有人认为是共生所致；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。的研究手段与方法。3、细胞遗传学研究的内容细胞工程和组织工程细胞工程和组织工程对细胞进行改造，达到修复、治疗等目的对细胞进行改造，达到修复、治疗等目的，如用胰岛，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；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组织工程体外培养特定的组织，用以治疗组织损伤，用以治疗组织损伤，美容等目的（人耳鼠等）美容等目的（人耳鼠等）体细胞克隆：体细胞克隆：挽救濒危物种，实现转基因等操作挽救濒危物种，实现转基因等操作。iPS单细胞生命的人工合成单细胞生命的人工合成“辛西娅辛西娅”，是将，是将通过化学合通过化学合成成“丝状支丝状支原体亚种原体亚种”DNA，并将其植入去除了遗传物，并将其植入去除了遗传物质的山羊支原体体内，创造出世界上首个质的山羊支原体体内，创造出世界上首个“人造单细人造单细胞生物胞生物”(科学界的坏小子科学界的坏小子 文特尔）文特尔）组织工程4、细胞遗传学的研究进展19531953年发现了年发现了DNADNA双螺旋结构双螺旋结构19581958年提出了遗传信息的中心法则年提出了遗传信息的中心法则19601960年提出了蛋白质合成的操纵元学年提出了蛋白质合成的操纵元学说说19701970年在肿瘤病毒中发现了逆转录酶年在肿瘤病毒中发现了逆转录酶1970-1970-：DNADNA重组、剪接技术的迅速发重组、剪接技术的迅速发展，遗传工程技术迅速展，遗传工程技术迅速兴起兴起20062006年年iPSiPS（Induced Pluripotent Induced Pluripotent Stem CellStem Cell）发现。）发现。20102010年人造单细胞生物年人造单细胞生物“新西娅新西娅”诞诞生生4、细胞遗传学的研究进展19771977年第一次将高等动物的生长激素释放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，合成了生长激素释抑制素引入大肠杆菌，合成了生长激素释放抑制素放抑制素19791979年将小鼠年将小鼠胰岛素基因引入大肠杆菌胰岛素基因引入大肠杆菌，合成了胰岛素合成了胰岛素19901990年启动了人类基因组计划年启动了人类基因组计划19971997年乳腺细胞年乳腺细胞体细胞克隆羊的诞生体细胞克隆羊的诞生，证，证明了分化的细胞可以脱程分化，形成新的明了分化的细胞可以脱程分化，形成新的个体个体二节、细胞遗传学研究意义改善动物的生产性能：改善动物的生产性能：生物的生生物的生殖发育、遗传、神经活动等重大殖发育、遗传、神经活动等重大生命现象都是以细胞为基础的；生命现象都是以细胞为基础的；研究人类思维活动以及动物的记研究人类思维活动以及动物的记忆忆：人大脑的活动是靠：人大脑的活动是靠10101212个细个细胞的互相协调而进行的；胞的互相协调而进行的；病理学分析：病理学分析：一切病变是细胞的一切病变是细胞的异常所造成的；异常所造成的；基因工程操作：基因工程操作：基因工程是通过基因工程是通过细胞来实现的；细胞来实现的；疾病治疗：疾病治疗：细胞治疗对挽救人类细胞治疗对挽救人类生命将做出巨大贡献；生命将做出巨大贡献；器官移植：器官移植：器官移植、细胞修复器官移植、细胞修复等操作将延长人类的生命。等操作将延长人类的生命。转基因与转基因细胞的核移植核移植（体细胞克隆）三节、细胞遗传学研究的重点领域功能基因组学研究：功能基因组学研究：利用差异显示筛选新的基因利用差异显示筛选新的基因通过基因打靶、通过基因打靶、RNAi等技术研究基因的功能；等技术研究基因的功能；利用细胞芯片筛选靶向药物利用细胞芯片筛选靶向药物基因表达的时空性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动物的生长发育奠定基础基因芯片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NimbleGen2.1MHumanExomeArray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。合成生物工程巨大工程巨大耗时耗时15年花年花4000万美元万美元由美国生物学家生物学家文特领导的研究团队，在这个项目上奋斗了15年，花费了4000万美元。研究团队重塑“丝状支原体丝状亚种”(Mycoplasmamycoides)这种微生物的DNA，并将新DNA片段黏在一起，植入另一种山羊支原体中。新生命1个月前诞生，被称为合成体。这种微生物由蓝色细胞组成，能够生长、繁殖，细胞分裂约10亿次，生成一代又一代的人造生命。减法杂交反转录杂交反转录与PCR扩增RNA干扰的机制细胞增殖、分化、衰老、凋亡机理细胞增殖、分化、衰老、凋亡机理增殖造成了生物体的生长，分化形成了各种组织，体增殖造成了生物体的生长，分化形成了各种组织，体外在特定的因子作用下可以作到定向分化，胚胎干细外在特定的因子作用下可以作到定向分化，胚胎干细胞的诱导分化等；胞的诱导分化等；衰老是自然现象，头皮的脱落、乳腺细胞的凋亡是正衰老是自然现象，头皮的脱落、乳腺细胞的凋亡是正常的生理过程常的生理过程大脑细胞发育过程中有大脑细胞发育过程中有20-50%的神经细胞出现凋亡的神经细胞出现凋亡染色体与蛋白质的相互关系染色体与蛋白质的相互关系组蛋白与非组蛋白对染色体结构与基因活性的影响组蛋白与非组蛋白对染色体结构与基因活性的影响基质结合区、封闭子等基质结合区、封闭子等序列序列染色质重塑染色质重塑诱导型多能干细胞诱导型多能干细胞染色体结构