细胞生物学(新形态教材普通高等教育农业农村部十三五规划教材)

第Ⅰ篇 细胞概论与方法 本篇共3章内容，讲述细胞及细胞生物学研究与发展概论、细胞的基本形态特征及当前细胞生物学研究的主要方法。 **章 绪论 “一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案”，这是20世纪初美国动物学、遗传学领域的先驱威尔逊（Edmund Beecher Wilson）在1925年就生命科学发展趋势发表的总结观点。近100年后，反思生命科学波澜壮阔的探索历史、回顾现代生命科学的发展过程并展望其光明的未来前景，我们才深深体会到这句话的深刻内涵和反映出的超前眼光。无论是动物、植物，还是真菌、细菌，无论是单细胞生物还是多细胞生物，每个新生命个体从诞生、成长、繁衍，到衰老、死亡，其所经历的一切都是由细胞承载的。细胞是二维码全部生命活动规律的枢纽，神奇的细胞内部之旅视频见【二维码】。 本章将带领学习者了解细胞生物学概念、主要研究内容及发展历程等，以此帮助生命科学领域的学习者打开认识细胞世界的大门，从学科发展历史的角度，瞻仰科学大师在细胞生物学发展历史中立下的基石、铺垫的发展路径，并展望未来的发展方向。 **节 细胞生物学概念 生命科学在物质和精神方面推动了人类文明的发展，一方面为人类生存繁衍提供物质基础，另一方面细胞学说、进化论等科学理论的建立极大地改变了人类对世界的认识。近年来生命科学更是在农业、医学、食品、环保、能源等方面产生了巨大的社会效益。一般认为，现代生命科学体系有三大基础与带头学科：生物化学与分子生物学、细胞生物学和遗传学。细胞生物学是以细胞为研究对象，以动态、系统、唯物辩证的观点，研究细胞的结构与生命活动规律的一门科学。这门学科从细胞的显微、亚显微、分子等多个层面上把结构和功能结合起来，阐述生命体与细胞的生长、发育、免疫、分裂、分化、增殖、信号转导、运动、遗传、变异、衰老和死亡等基本生物学过程。从农业到医学，从细菌繁殖到人类大脑活动，生物的生老病死及生命科学中各种应用与前沿领域，都离不开细胞生物学的研究方法和手段。地球上千百万不同物种，小到人类肉眼无法见到的病毒与细菌，大到巨杉与鲸鱼，不同物种在整体结构上千差万别，但是绝大多数生命的基本结构单位都是细胞。尽管病毒没有细胞结构，但其繁衍增殖等生命活动都离不开细胞。细胞是所有生命活动的功能单位，许多生物学问题的本质都要在细胞层面加以解析。 细胞生物学是研究和解释细胞基本结构与生命活动规律的科学，这门学科既是现代生命科学许多研究内容的出发点，又是生命科学微观和宏观的汇聚点。以医学为例，人类众多疾病的治疗需要通过病理机制的研究寻找*佳治疗方案，而在细胞层面研究病理规律是天然的着力点。在艾滋病的治疗中，人们通过研究人类免疫缺陷病毒（HIV）在免疫细胞中的生活史，开发出了针对病毒侵入、逆转录等过程的靶点药物，延长了患者的生存年限。人们在追求“长生不老”这个梦想时，在漫漫历史长河中留下了众多虚无缥缈的传说与服用丹药而导致诡谲悲惨结局的历史记载，然而早老症、长寿人群的发现，开启了人们对长寿的科学研究之路。诺贝尔奖获得者卡雷尔（Alexis Carrel）早先通过细胞培养实验，提出了细胞可以不死的观点。后来海弗利克（Leonard Hay.ick）通过设计精巧的细胞混合培养试验推翻了这一假说，找到了细胞衰老不可逆的科学证据，建立了细胞分裂次数有限的科学理论。正是人类从器官水平转向细胞层面开展衰老与死亡的研究，才真正发现了许多生命的秘密。理解细胞衰老机制，是帮助早老症患者减缓痛楚的金钥匙。近年来的诺贝尔生理学或医学奖先后颁发给细胞程序性死亡、端粒酶、细胞重编程等有关的研究，侧面说明了细胞研究的重要性。不仅如此，纵观诺贝尔奖列表，许多奖项都与细胞生物学有关。在植物研究方面，细胞生物学为叶色突变体叶绿体增殖及发育过程中内部结构组装的研究，为胞质雄性不育的研究等，都提供了重要手段和解决路径。要阐明植物和动物对营养元素的吸收机理，就要在细胞水平上探讨营养元素的跨膜运输；要阐明植物光合作用机理并指导农业产量提高，就必须对叶绿体这一细胞器的内部结构进行深入研究；甚至在生态学、环境科学和毒理学的研究领域，也要引入细胞生物学的研究思想和方法，以便从细胞中寻找生物进化、变异、死亡及相互作用的原因和机制。 细胞作为整体，其生命活动的结构基础是细胞内高度有序且动态的结构体系。这个结构体系由生物大分子通过特殊的组合而成，特别是真核细胞，以细胞骨架网络体系和膜分区体系，形成了相互联系又相对独立的新陈代谢运转系统、信号转导系统和遗传信息处理系统。蛋白质是生命活动的重要承载者，细胞中的蛋白质作为结构和功能成分协调工作，种类千差万别。细胞中合成的蛋白质要正确折叠、组装、分选和转运到特定位置才能发挥功能，并受控于整个细胞代谢活动。生物大分子的生物化学反应，孤立起来时谈不上是生命活动，但当组合为细胞时就成为生命活动，因此只有分子水平和细胞水平结合起来研究才能找到勾勒并解释复杂生命现象的正确途径。 细胞生物学在现代生命科学中的基础性地位，还体现在细胞生物学是现代生物学众多分支学科的基础理论来源与研究工具。植物学、动物学、微生物学、生理学、遗传学、发育生物学、免疫学、分子生物学等，都要求从细胞中来寻找并阐明各自研究领域中生命现象发生和发展的机制。细胞生物学的蓬勃发展，有力地推动了其他学科的发展，而细胞生物学自身的进一步发展，也要以其他分支学科作为基础和发展动力。显微镜的发明和使用导致了细胞的发现，为细胞学说的建立和发展开辟了道路；电子显微镜和结构生物学新技术的发明应用又使科学家能够探索细胞器的超微结构和分子结构，促成了现代细胞生物学的诞生；DNA双螺旋结构模型的提出、核酸序列分析、单分子研究技术等促使科学家从分子水平上解释生命活动现象的本质，促进了分子细胞生物学的兴起。进入21世纪，基因组学、转录组学、蛋白质组学等新兴学科的建立及超高分辨率显微技术的发展，将细胞生物学研究又推向了一个新的高度，科学家将视野投向了细胞中基因信息控制流向、蛋白质相互作用及机制分析、不同样本间差异蛋白质谱探究细胞生理和病理过程的本质及细胞器发生与互作、信号传递与整合等诸多方面。因此，学习与应用细胞生物学，应该自觉借鉴其他学科的方法、技术和理论，通过多学科交叉融合，在各个水平上找准科学问题，探讨生命现象的奥秘。 第二节 细胞生物学的主要研究内容 细胞生物学的主要研究内容可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分。它从细胞整体、亚显微结构和分子水平三个不同层次，把细胞的结构与功能统一起来进行探讨。结构方面主要运用显微镜等手段研究细胞内部各部分的形态组成以阐明生命活动的结构基础；功能方面主要研究各种变化关系及相互作用以阐明有机体的生长、分化、运动、遗传变异、衰老死亡、应激等基本生命活动的规律。基于人和自然和谐相处的理念和永恒现实，细胞免疫、细胞与环境之间的互作关系，也逐渐成为当前细胞生物学研究的重要内容和前沿领域。 一、生物膜与细胞区室化 生物膜包括质膜和细胞器膜，在结构上既是细胞与外界的边界，也是大多数细胞器构建的基础。细胞器的结构与功能历来是认识细胞结构与功能的重要组成部分。在功能上，生物膜与物质运输、能量转换、细胞识别、细胞分化、细胞免疫、信号传递等一系列生命活动密切相关。近年来，科学家发现生物基因组中1/3的基因与编码膜蛋白有关。膜蛋白种类、结构、分选定位的研究已成为当前生命科学研究的热点，并发展出了膜生物学。细胞体积很小，但在一瞬间要承载完成数量可以以天文数字计的各种生命活动，各种反应的环境条件在pH、离子浓度方面等可能差异很大。以生物膜为结构基础的细胞区室化（compartmentalization），不仅对各种不同反应进行了必要的区隔，同时保证了某些生化反应的时空顺序开展，为细胞中不同反应有条不紊地完成提供了必要的条件。 二、细胞骨架系统 细胞骨架是真核细胞的一种特殊结构，分为广义的细胞骨架和狭义的细胞骨架。广义的细胞骨架包括膜骨架、细胞质骨架和核骨架，在维持细胞形态，保持细胞内部结构的合理布局中起主要作用。狭义的细胞骨架主要指细胞质骨架，由微丝、微管和中间纤维3种成分组成。细胞骨架与细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞内信息的传递、基因表达与大分子加工等过程均密切相关。近年来，细胞骨架与一系列重要生命活动关系的研究越来越受到重视。例如，细胞骨架的动态变化、细胞骨架结合蛋白与调控蛋白的功能、核骨架参与染色体构建，以及细胞分裂与周期调控等，都取得了一系列重要研究进展。 三、细胞核、染色体与基因表达调控 细胞核是遗传物质 DNA储存与复制的场所，也是遗传信息转录为mRNA并进行加工的场所。核膜与核孔复合体是核质之间物质与信息交流的结构，染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录rRNA和装配核糖体亚单位的具体场所，核体是细胞核中特定的功能化部件。细胞核与染色体的研究历来是细胞学研究重点，也是细胞遗传学的热门课题。此外，基因组有序表达与动态结构变化、DNA分子甲基化与组蛋白修饰在基因表达调控中的作用等表观遗传学的研究，也越来越受到人们的重视。 四、细胞信号转导 各种生命活动如动物的神经系统、内分泌系统、免疫系统的运行及植物对外界环境的应激响应都离不开细胞与细胞间的信息联系。激素是动植物细胞间联系的主要信号分子，动物细胞间的信息联系还可以通过神经递质和旁分泌等信号分子来完成，这些信号分子与细胞膜表面或者细胞内部的受体结合，并引起下游胞内信号分子的级联反应，实现对细胞行为的调节。植物细胞还能对光等信号通过光敏色素等受体蛋白产生反应进行细胞内部生理或基因表达的调控。细胞信号转导的研究让科学家了解到某些疾病的发病机制，如信号转导通路中的受体异常是高胆固醇血症和重症肌无力患者的发病原因，霍乱毒素能够糖基化肠道细胞G蛋白而使之失活，细胞离子代谢紊乱和细胞内外渗透压失衡从而产生腹泻脱水过度导致死亡等。毫无疑问，人和动物的众多疾病、植物抗逆等科学问题都与细胞信号转导及其网络的研究密不可分。 五、细胞增殖与分化 细胞增殖是细胞生命活动的重要特征，是个体生长和发育的基础。细胞如何知道何时开始分裂，何时停止分裂等，是细胞增殖周期调控研究的主要内容。研究细胞增殖的基本规律及其调控机制，不仅是了解生物生长与发育的基础，而且是研究细胞癌变及逆转的重要途径。目前研究细胞增殖调控主要从两方面进行：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的关键因子并阐明其作用机制，其中各种生长因子的发现及其作用机制的揭示是这一领域中重要的进展；二是探究控制细胞周期进程的主要检验点相关周期蛋白与依赖周期蛋白的激酶的调控机理，包括多种调控因子的协同作用机制、蛋白质磷酸化及泛素化降解途径的阐明等。癌细胞是异常增殖的细胞，研究其中的脱序无休止增殖机制是探索肿瘤治疗的重要途径。 细胞分化是胚胎细胞在形态结构、生化组成和生理功能上向特异性方向形成稳定性差异的过程。目前科学家认识到其本质是基因选择性表达的、细胞的全能性—多能性—单能性—终末细胞的发育过程。细胞分化问题是细胞生物学、发育生物学、分子遗传学的重要汇合领域。细胞中编码特异蛋白质基因的选择性表达规律及其调控机制是细胞分化研究中的热点。目前，胚胎干细胞体外建系培养、体细胞诱导多能干细胞培养获得了成功，这为推动细胞定向分化、细胞重编程等研究打开了广阔的空间；干细胞生物学已成为前沿科学，毫无疑问，这是再生医学开发组织与器官人工培养与器官移植的科学基础，潜藏着巨大的科学与社会价值。 六、细胞衰老与死亡 细胞衰老是生物个体寿命、老年病发病的基础，细胞总体的衰老将导致个体的衰老。目前，科学家已经发现正常体细胞复制分裂次数有限及细胞生存过程中会产生各类损伤累积的细胞生物学机制。多种类型早老症病理机制、长寿人群基因组合特征及其细胞调控机理的研究在医学上一直是热门领域。 细胞死亡可分为