医学细胞生物学

**章 绪论 关键知识点 细胞生物学在分子、亚细胞、细胞和细胞社会的不同水平，用动态和系统的观点来探索和研究细胞形态结构与功能，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，信号转导，基因表达与调控，细胞起源与进化等。 细胞是组成生物体的形态结构和生命活动的基本单位。细胞学说的提出对生命科学的发展具有重大意义，掀起了对多种细胞广泛地观察和研究的热潮。 医学细胞生物学是从医学的角度，在分子、亚细胞、细胞和细胞社会水平上研究细胞结构和功能与疾病关系的学科。 医学细胞生物学研究的热点包括：染色体及基因表达、生物膜与细胞器、细胞骨架体系、细胞增殖及其调控、细胞分化及其调控、细胞的衰老与凋亡、细胞信号转导等。 细胞生物学的许多新的发现和重要的进展，都是与不断创新的研究技术及工具分不开的。主要研究方法和技术包括：显微镜技术、细胞化学技术和分析细胞学技术、细胞培养与细胞显微操作技术、研究基因与蛋白质的技术等。 ★关键词：细胞学说；冷冻断裂蚀刻复型；免疫荧光技术；放射自显影术；细胞培养；细胞杂交；显微操作；荧光原位杂交；RNA干扰；基因靶向技术 **节 细胞生物学概述 细胞（cell）是生物体形态结构和生命活动的基本单位，要了解生物体的生命活动规律就必须从细胞人手。 一、细胞生物学及其研究内容 细胞生物学（cell biology）是研究细胞基本生命活动规律的科学，它以“完整细胞的生命活动”为着眼点，在分子、亚细胞、细胞和细胞社会的不同水平，用动态和系统的观点来探索和研究细胞形态结构与功能，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，信号转导，基因表达与调控，细胞起源与进化等。 （一）细胞生物学的主要分支学科 与许多学科一样，随着学科的发展，细胞生物学也已形成了许多分支学科，概括起来主要有：①细胞形态学，着重于探讨亚细胞结构或细胞器的起源、形成机制及发展过程。②细胞生理学，着重于细胞生物学行为的探讨，如肌肉细胞收缩、腺细胞分泌等。③细胞化学，主要研究细胞结构化学成分的定位、分布及其生理功能。④细胞遗传学，是从染色体的结构、功能及染色体与其他细胞器的关系来研究遗传和变异规律的学科。⑤分子细胞学，从细胞遗传信息流的角度，研究细胞内基因组的结构及其表达的调控。⑥细胞社会学，从系统论的观点出发，研究整体和细胞群中细胞间的社会行为，包括细胞识别、通信及其相互作用对细胞生长、分化和死亡等活动的调控。⑦分子细胞生物学，是细胞生物学与生物化学、遗传学相结合，完整系统地从分子水平深入研究细胞的结构和功能的学科，分别从基因表达调控和蛋白质修饰、细胞信号转导和物质运输、细胞运动的分子基础、细胞增殖及其调控、细胞分化与干细胞和细胞凋亡等方面，结合*新研究发展动向，对细胞生物学的前沿领域进行系统地研究。 除上述分支学科外，细胞生物学还包括染色体生物学、膜生物学、细胞生态学、细胞能力学、细胞动力学、细胞工程学、基因组学和蛋白质组学等。按照所研究的细胞分类，又可分为癌细胞生物学、生殖细胞生物学、神经细胞生物学和干细胞生物学等。这些分支学科极大地丰富了细胞生物学的研究内容，促进了细胞生物学的发展。 （二）细胞生物学的研究内容 细胞是细胞生物学研究的对象。细胞学（cytology）是研究细胞的结构、功能及其生活史的科学。随着科学技术的进步，细胞生物学研究内容在不断扩展，主要表现在以下几个方面：①在细胞形态学方面，不再限于光学显微镜下可见的细胞显微结构的简单描述，而是观察和分析细胞内各部分的亚显微结构和分子结构。②在功能方面，不再限于细胞内各部分生理变化的纯粹描述，而是把代谢活动和形态结构结合起来探索细胞生命活动的过程。③在研究水平上，已从细胞整体和亚细胞水平深入到分子水平，而且将细胞的整体活动水平、亚细胞水平和分子水平三方面有机地结合在一起来研究。④在研究方法上，以动态的观点来探索细胞的各种生命活动，不仅仅是孤立地研究某个细胞器、生物大分子和小分子物质的单个生命活动现象，而是研究它们之间及其与环境间的整体发展变化过程。 二、细胞生物学发展简史 从发现细胞至今已有300多年的历史，在这期间人类对生物体的认识从宏观世界逐步进入到微观世界，这段历程可大致分为四个历史性阶段。 （一）细胞发现与细胞学说的建立时期 1665年，英国的物理学家R.Hooke用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为“cella”，这是人类**次发现细胞，不过R.Hooke发现的只是死的细胞壁。1831年，R.Brown从兰科植物的叶片表皮细胞中发现了细胞核。1835年，有人在低等动物根足虫和多子L虫的细胞中发现细胞的内含物细胞质。这样，细胞的基本结构和形态逐渐为人所知。 在总结前人工作的基础上，德国植物学家M.Schleiden结合自己的研究成果，于1838年发表了著名论文《论植物的发生》，指出细胞是一切植物结构的基本单位。1839年，T.Schwann发表了名为《动植物结构和生长一致性的显微研究》的论文，明确指出，动物及植物结构的基本单位都是细胞。1858年，R.Virchow提出“细胞来自细胞”，也就是说，细胞只能来源于细胞，而不能从无生命的物质自然发生。这是细胞学说的一个重要发展，也是对生命的自然发生学说的否定。1880年，A.Weissmann更进一步指出，所有现在的细胞都可以追溯到远古时代的一个共同祖先，这就是说细胞是连续的、历史性的，是进化而来的。细胞学说（cell theory）至此而产生，其主要内容概括起来有以下几点：①生物都是由细胞和细胞产物所组成；②新细胞只能由原来的细胞经分裂而产生；③所有细胞在结构和化学组成上是基本相同的；④生物体是通过其细胞的活动反映其功能。细胞学说的提出对生命科学的发展具有重大意义，恩格斯把细脃学说、能量转化与守恒定律和生物进化论誉为19世纪自然科学上的三大发现。 （二）细胞学的经典时期 细胞学说的建立，掀起了对多种细胞广泛地观察和描述的热潮，同时，一些主要的细胞器和细胞分裂活动相继被发现，这一时期（1875～1900）习惯上被称为细胞学的经典时期。 1840年J.E.Purkinje和1846年H.von Mohl首次分别将动物和植物细胞的内含物称为“原生质”。1861年M. Schultze提出原生质理论，认为有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。 1841年R.Remak发现鸡胚血细胞的直接分裂，其后W. Flemming和E.Strasburger分别在动物细胞中和植物细胞中发现有丝分裂； 1883年E.van Beneden和1886年E.Strasburger分别在动物与植物细胞中发现减数分裂，至此发现了细胞分裂的主要类型。这一时期一些重要细胞器也相继被发现，如1883年E.van Beneden和T.Boveri发现中心体，1894年R.Altmann发现线粒体，1898年C.Golgi发现了高尔基体等。 （三）实验细胞学时期 实验细胞学时期（1900～1953）是从C1.Heriwing和R.Heriwing兄弟的工作开始的。他们用实验的方法发现了动物的受精现象，此后，人们广泛应用实验的手段研究细胞的特性、形态结构及功能，使细胞生物学有了前所未有的发展，随之产生了细胞遗传学、细胞生理学及细胞化学等分支学科。 在前人发现受精现象的基础上，1883年E.van Beneden发现了蛔虫的卵和精子的染色体数只有体细胞的一半，由此推测染色体与遗传有关。1910年T.H. Morgan证明基因是决定遗传性状的基本单位，而且其直线排列在染色体上，建立了基因学说。至此，细胞学与遗传学结合起来，奠定了细胞遗传学的基础。 20世纪初R.Harrison和A.Carrel创立了组织培养技术，为细胞生理学的研究开辟了一条重要途径。1943年A.Claude用高速离心机从活细胞内把核和各种细胞器（如线粒体、叶绿体）分离出来，分别研究它们的生理活性，这对研究细胞器的功能和化学组成及酶在各种细胞器中的定位起了很大的作用。从此，细胞生理学逐步发展起来。 1924年J.Feulgen用DNA的特殊染色方法——Feulgen反应结合显微分光测定的方法开始对细胞的DNA进行定量分析。其后，1940年J.Bracket用甲基绿-派洛宁染色方法测定细胞中的RNA，T.Casperson用紫外光显微分光光度法测定DNA在细胞中的含量。这些结合放射白显影术、超微量分析的方法对细胞内核酸和蛋白质代谢活动的研究起了很大促进作用，细胞化学的研究也迅速发展起来。 （四）分子生物学的兴起和细胞生物学的诞生 20世纪50年代以来，电子显微镜与超薄切片技术相结合，对细胞的认识从宏观进入到微观，1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick等提出DNA分子双螺旋结构模型，并于1962年赢得了诺贝尔奖。F.Crick于1953年又提出了遗传中心法则，标志着分子生物学这一新兴学科的问世。分子生物学、生物化学、遗传学等学科的概念和技术与细胞学之间相互渗透与结合，使人们对细胞结构与功能的研究水平达到了新的高度。20世纪70年代以后，细胞生物学这一学科得以形成并确立。 20世纪70年代转基因技术和单克隆抗体技术的建立、80年代各种模式生物的确立及对其大量突变株的分析、90年代以来基因靶向技术的广泛应用及DNA测序技术与生物芯片技术的快速发展，都极大地促进了人们在分子水平上对细胞基本生命活动规律的探索。特别是人类基因组计划（HGP）及随后“组学”的兴起和快速发展，拓展了对生物分子进行研究的视野，使人们能够“认识”并能以实验手段加以研究的基因和蛋白质的种类增多，从而也使得对基因调控因子或信号通路的研究趋于迅速细化的网络式系统。自20世纪80年代以来，人们开始赋予细胞生物学以“分子细胞生物学”或“细胞分子生物学”等名称。综观近50多年来荣获诺贝尔生理学或医学奖与化学奖的课题内容，很多都是与细胞生物学密切相关（表1-1）。 表1-1 授予诺贝尔奖的细胞生物学及相关学科研究者 人们对生命的认识过程是从个体→细胞→分子逐渐深入，这也是细胞生物学学科发展的基本趋势。但如果从生命的层次或从生物进化的角度来看，细胞则是产生和决定生命活动的枢纽层次。从20世纪50年代初DNA双螺旋模型的建立至2003年人类基因组计划的完成，分子生物学从建立发展到空前繁荣的程度。同时，也为深入了解细胞的生命活动打下了基础。而多莉羊的诞生、人胚胎干细胞的建系和诱导性多潜能干细胞技术的建立等，则可以看成是生命科学研究从分子水平回归到细胞水平、深入探索生命奥秘的几个*新的重要标志，显示出细胞生物学的发展进入了一个新的阶段。这个新阶段的基本特点可大致归纳如下。 1）以细胞（及其社会），特别是活体细胞为研究对象。 2）以细胞重大生命活动为主要研究内容。 3）在揭示细胞生命活动分子机制方面，以细胞信号调控网络为研究重点。 4）以在多层次上特别是纳米尺度上揭示细胞生命活动本质为目标。 5）多领域、多学科的交叉研究成为细胞生物学研究的重要特征。 总的特点是从细胞静态的分析到细胞生命活动的动态综合，这在很大程度上也反映了生命科学研究的趋势，因此从这个意义上讲，也许用“细胞科学”来描述细胞生物学的发展趋势会更恰当一些。