细胞工程

全书思维导图 细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，按照一定的设计方案，在细胞、亚细胞、组织和器官水平上改变细胞内的遗传物质以获得特定细胞、组织、器官或新型生物个体或特定细胞产品的一门综合性学科。根据细胞类型的不同，一般把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。 植物细胞工程的理论基础为细胞的全能性。其常用的技术主要包括细胞和组织培养及次生物质生产、离体快速繁殖和脱病毒技术、胚胎培养和离体受精、花药和花粉培养、原生质体培养和体细胞杂交、种质的超低温保存、以植物细胞和组织培养为基础和关键环节发展起来的转基因技术等。动物细胞工程常用的技术主要包括动物细胞培养、细胞融合、细胞重组、克隆技术和干细胞技术等。 因此，本书分为三篇：**篇为细胞工程基础，主要介绍了细胞工程的概念、研究内容、发展简史、基本技术及其应用，细胞工程实验室及其常用设备和生物安全性等；第二篇为植物细胞工程，主要包括植物细胞工程的基本原理和技术基础及其主要技术和应用；第三篇为动物细胞工程，主要包括动物细胞培养所需的基本条件及其主要技术和应用。全书的思维导图如下： **篇 细胞工程基础 **章 绪论 细胞工程是指应用细胞生物学、发育生物学、分子生物学的理论和方法，借助类似于工程学的实验步骤或技术，在细胞水平上按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得特定细胞、新型生物或特定细胞产品的有关理论和技术方法的一门综合性学科。 本章主要介绍了细胞工程的定义、主要研究内容、发展简史及其应用情况。本章的思维导图如下： **节 细胞工程的定义和主要研究内容 21世纪以来生命科学的发展非常迅猛，生命科学的一系列重大突破正在迅速孕育和催生新的产业革命。生物医药新产品大量涌现，转基因农作物种植面积大幅增加，生物制造、生物能源、生物环保等一批高新产业群蓬勃发展。生命科学已成为全球发展*快的领域。而在生命科学的快速发展中，细胞工程的发展尤为突出。例如，干细胞培养和移植、生物反应器、克隆动物等，极大地解决了人类面临的一些疑难疾病的治疗难题。 2013年8月美国《福布斯》杂志推出2013年全球*具创新力企业100强名单。其中榜上前10名就有3家生物公司，分别是美国的亚力兄制药(Alexion Pharmaceuticals)、美国的雷杰纳荣制药(Regeneron Pharmaceuticals)和美国的Intuitive Surgical公司。此外，生命科学领域入选的还有美国孟山都(Monsanto)和丹麦的诺和诺德(Novo Nordisk)生物公司。在我国，仅2012年的生物产业总产值就达到了2.4万亿元，维持20％左右增速。在产业规模快速增长的同时，生物产业的经济效益也得以大幅提升，而其他行业只能望其项背。世界各国正处于一个以生物技术为核心的新科技革命的前夜，甚至有人认为，“生物经济”的兴起必将会对当前时代的社会经济发展格局产生重大影响。 生命科学的各个技术领域都离不开细胞工程，如微生物工程中工程菌的构建、植物转基因技术中细胞的培养和基因转化、生化工程中次生代谢物的调控等。从某种意义上讲，细胞工程是现代生物技术的公共技术平台，决定着生物技术的发展，推动着社会的变革。 一、细胞工程的定义 细胞工程(cell engineering)作为生物技术领域里的一个重要分支，是按照一定的设计方案，在细胞、亚细胞、组织和器官水平上改变细胞内的遗传物质以获得特定细胞、组织、器官，新型生物个体或特定细胞产品的一门综合性学科。它融合了细胞生物学、发育生物学、生物化学和分子生物学、药理学、化学工程等多学科的理论和方法。 细胞工程按照实验对象可以分为细胞融合技术、胚胎工程技术(包括细胞核移植、胚胎分割等)、染色体工程和组织培养技术等。按照生物类型可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程。与基因工程不同的是，细胞工程避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中形成杂交细胞，这种杂交不仅可以在植物与植物之间、动物与动物之间、微生物与微生物之间进行，甚至可以使动物与植物及微生物之间形成新型的杂交物种，因而能够提高基因的转移效率。细胞杂交技术是认识细胞生命活动规律的一种重要途径与手段。对创造新的动植物和微生物品种具有前所未有的重大意义。 21世纪，随着细胞生物学、分子生物学和细胞遗传学研究的日益深入及相关技术的不断完善，细胞工程在动植物高品质新品种的培育及在医学研究和实践中的应用日益广泛，细胞工程对提高人类的生活质量和健康水平发挥着越来越重要的作用。 二、细胞工程的主要研究内容 细胞工程能用人工方法使不同种细胞的基因或基因组重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，可以打破种间的障碍转移基因。细胞工程涉及的研究领域相当广泛，就其技术范围而言，既有广泛应用的动植物细胞与组织培养技术，又有细胞融合技术、染色体导入技术、胚胎和细胞核移植技术；从研究水平划分，细胞工程可分为细胞水平、组织水平、细胞器水平和基因水平等几个不同的研究层次。动植物体细胞杂交试验一直是细胞工程中*活跃的领域。用哺乳动物体细胞克隆而获得无性系繁殖胚胎与个体，是细胞工程*具创新的研究之一。通过动物体细胞杂交建立起来的单克隆抗体技术，是细胞工程中*富有成果性的工作范例。总的说来，细胞工程就是利用细胞全能性，采用组织与细胞培养技术对动植物进行修饰，为人类提供优良品种、产品和保存珍贵物种。 (一)新型物种的培育 植物中存在远缘杂交不亲和及自交不亲和，产生不亲和的原因之一是花粉在雌蕊柱头上不能萌发，或花粉管不能通过子房达到胚珠进入胚囊与卵子结合。在体外条件下，进行植物受精，对杂交育种具有很大的意义，这正是利用细胞工程来实现创造新型的植物物种或品系。采用自然或人工方法可以使两个细胞(或原生质体)融合为一个细胞产生新的物种或品系，这种方法称为体细胞杂交。通过核置换创造核-质杂种，由核-质互作引起的细胞质雄性不育开创了杂交种利用的新时代，使水稻、高粱等自花传粉和常异花传粉作物的杂种优势利用成为现实。在植物育种中，远缘杂交可以把不同种属的特征、特性结合起来，突破种属界限，扩大遗传变异，从而创造新的变异类型或新物种。通过染色体工程技术可以创造同源多倍体、异源多倍体物种，以及异附加系、异代换系和易位系等中间育种材料。中国小麦有独特的种质资源和丰富的组织培养经验，小麦远缘杂交取得非常大的成绩。例如，将小麦与中间偃麦草、长穗偃麦草远缘杂交，已育成一批在生产上推广的品种，如由中间偃麦草育成的‘龙麦1号’、‘龙麦2号’、‘新曙光6号’等春小麦品种。同时，育成的八倍体小偃麦‘远中’1~7号优质、抗病，已成为优良育种亲本。通过属间杂交育成一批小麦新种质，如小麦与山羊草10个种的双二倍体；小麦与黑麦、长穗偃麦草、中间偃麦草的双二倍体、附加系、代换/易位系；小麦与冰草(Agropyron cristatum )的附加系和代换/易位系等。我国还将东方旱麦草、新麦草、华山新麦草与小麦杂交成功。竹子与水稻超远缘杂交成功得到比较稳定的‘竹稻966’和‘竹稻989’等。 在动物细胞工程中通过利用细胞融合、胚胎分割、胚胎融合、卵核移植、体外受精、胚胎培养、胚胎移植、显微操作等技术在细胞水平上改造卵细胞，生产出动物新品种。例如，高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。1996年，英国罗斯林研究所的生物遗传学家Wilmut成功地通过体细胞克隆法培育出了世界上**只克隆羊“Dolly”。1993年7月，英国爱丁堡的科学家通过遗传工程技术培育出世界上**只转基因公鸡。这一科研成果为培育生下的鸡蛋里含有极其贵重药物成分的母鸡创造了条件。这项研究的成功，打破了大多数动物不能进行有性杂交的壁垒，对利用其他物种所含的优良基因改良特定物种，培育理想物种有着重要意义。2009年，世界首例能产生Ω-3多不饱和脂肪酸的转基因克隆牛在包头创伟实业奶牛基地自然分娩成功。2011年，中国**只人乳铁蛋白转基因克隆奶山羊“欣欣”在山东顺利诞生，这标志着我国生物新品种培育获得重大突破。 (二)优良动植物的快速繁育与资源保存 动植物细胞与组织培养可分为三个层次上的培养：细胞培养、组织培养和器官培养。动植物细胞与组织培养技术*显著的价值在于优良植物的快速繁育与代谢产物的大量制备方面。 以动物体细胞核移植、体外受精为核心的克隆技术在珍贵动物资源保护上发挥着重要作用。动物胚胎早期细胞核具有全能性，而胚胎以后各个时期的细胞核难以体现全能性，即分化难以逆转，多数生物学家转向以未成熟的胚胎细胞克隆动物的领域。动物体细胞克隆技术又称体细胞核移植技术或无性繁殖技术，它是用动物特定发育阶段的核供体(体细胞核)及相应的核受体(去核的原核胚或成熟的卵母细胞、卵细胞)不经过有性繁殖过程，进行体外重构，并通过重构胚的胚胎移植，从而达到扩繁同基因型动物种群的目的。体细胞克隆的类型有两种，一种是同种体细胞核移植，科学家用取自一只6岁成羊的乳腺细胞成功培育出一只克隆羊，开创了成年哺乳动物克隆的先河。第二种是异种体细胞核移植，陈大元等将大熊猫的子宫上皮细胞、骨骼肌细胞和乳腺上皮细胞的细胞核移入去核的兔卵母细胞后，分别有9.9％、6.8％和11.7％ａ的重构卵发育到囊胚。这不仅开创了大熊猫体细胞移核的先例，而且是首次大熊猫体细胞核的异种移核，对大熊猫的快繁及保护提供了希望。我国童第周和美籍华人牛满江在鱼类和两栖类中进行核移植，成功地得到了核质杂交品种。 胚胎切割(embryo bisection)借助显微操作技术切割早期胚胎成二、四等多等份再移植给受体母畜，从而获得同卵双胎或多胎动物。来自同一胚胎的后代有相同的遗传物质，因此胚胎分割可看成是动物无性繁殖或克隆的方法之一。利用胚胎切割技术可以实现动物优良品种的快速大量繁殖。牛胚胎分割技术是在牛胚胎移植技术的基础上发展起来的技术。因此通过胚胎分割技术，可以人工制造同卵双胎或多胎，可成倍地增加胚胎数和产犊数，从而迅速扩大良种奶牛群，加速奶牛业的发展。此外通过胚胎分割技术还可获得性别和遗传上完全相同的同卵孪生或多生后代，为遗传学、生理学、营养学等研究提供宝贵试验材料。试管婴儿技术的初衷是帮助解决人类的生育疾病。自诞生之后近20多年发展迅速，目前约有400万试管婴儿诞生并开始孕育下一代。同时与之相关的衍生技术也不断得到发展。例如，用基因筛选方法获得更健康的不携带家族致癌基因的婴儿设计技术也在英国出现。 利用植物组织培养技术能快速繁育一些有价值的苗木、花卉、药材和濒危的植物。快速繁殖是植物组织培养中应用*为广泛的技术，如果快速繁殖的试管苗经过检测证明已经脱除病毒，则可以将脱病毒与快速繁殖结合起来，一举两得。植物通过组织培养，既能保持母体的优良性状又能保持遗传的稳定性，这在生产上具有重要的意义。植物种质资源是研究遗传和育种的重要基础。由于需要保存的植物种质资源很多，而田间保存耗费人力、物力和财力。为了避免优质的遗传资源的枯竭和丢失，可以利用植物组织培养技术在试管中或者在低温下长期保存，可大大节省土地和人力。这种方法也方便引种，防止病虫害的传播。 (三)其他方面的研究 新“干细胞”时代已经到来，人类离“器官工厂”不再遥远。在胚胎干细胞研究领域，人类胚胎干细胞建系技术已取得较大进展，已实现了人类胚胎干细胞向神经干细胞的分化；完成了小鼠生殖嵴细胞的建系工作，初步探讨了小鼠胚胎干细胞向血管内皮细胞、神经前体细胞及表皮干细胞定向分化的技术；组织干细胞的分离纯化、培养扩增及定向诱导分化为骨、软骨、神经、血液、肝脏、心肌、角膜等的工作也有明显进展。利用细胞培养技术在体外人工控制细胞分化、增殖并生长成需要的组织，并使之工程化批量产出，用来修补或修复由于意外损伤等引起的功能丧失的体内组织，满足临床和康复