第一章-细胞工程原理绪论

细胞工程原理CellEngineering南京林业大学生物工程系BioengDepartNanjinForestryUniversity2019/10/82细胞工程原理2019/10/83细胞工程原理Magicofstemcell!2019/10/84Whatisstemcellandwhyitissodifferent?细胞工程原理2019/10/85绪论微生物细胞工程植物细胞工程动物细胞工程总结与讨论主要内容细胞工程原理2019/10/86第一章绪论课程的目的和要求学科研究的内容及意义学科的发展关键技术及研究热点细胞的结构与细胞器的功能细胞工程原理细胞工程原理1.课程的目的及要求学科的定义：应用细胞生物学和分子生物学方法，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，有目的地改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或细胞产品。课程目的：介绍细胞工程的主要技术原理、实验设备，在科研和社会生产中的实际应用及未来发展趋势。课程要求：了解细胞工程的主要内容及其发展方向，掌握关键技术的技术原理，熟悉当前的应用现状。2019/10/88细胞工程原理课程讲授的主要内容绪论植物细胞工程（植物组织培养、植物细胞培养、植物原生质体培养与细胞融合、植物人工种子）动物细胞工程（细胞与组织培养，组织工程，胚胎工程，转基因动物）微生物细胞工程染色体工程细胞拆合与重组向细胞内引入高分子物质2019/10/89细胞工程原理教材与参考书李志勇，细胞工程，科学出版社，2003罗立新，潘力，郑穗平，细胞工程，华南理工大学出版社，20032019/10/810课程的目的和要求学科研究的内容及意义学科的发展关键技术及研究热点细胞的结构与细胞器的功能细胞工程原理绪论2019/10/811细胞工程原理2.学科研究的内容及意义研究内容：以细胞及细胞器为研究对象，主要包括：细胞融合，核/质移植，细胞器摄取、染色体/片段重组/移植、组织/细胞培养等。涉及的细胞器及其他对象：染色体，细胞核，原生质体，受精卵，胚胎，组织或器官2019/10/812细胞工程原理意义：人工培养和控制生物细胞，让细胞生产出人类需要的各种物质（代谢产物与新型生物功能、新的细胞、组织、器官及物种/生物体）主要研究方法：应用细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的原理和方法，通过工程学手段，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或获得细胞产品的一门综合科学技术2019/10/813细胞工程原理技术特点与优势：不仅可在植物之间、动物之间、微生物之间进行杂交，而且还可以克服不同界之间的界限形成杂交物种与基因工程相比：避免了分离、提纯、剪切和拼接等基因操作步骤，可直接将细胞内遗传物质转移到受体细胞中注：转基因动物被划入细胞工程。原因：其对象和技术方法与植物与微生物明显差异。2019/10/814细胞工程原理与其他生物工程学科之间的关系图解基因工程细胞工程发酵工程蛋白质工程酶工程生化工程转基因动植物细胞培养产品生物反应器与分离工程酶制剂应用或生产2019/10/815植物组织培养植物体细胞杂交动物细胞融合与单抗技术动物细胞培养干细胞工程胚胎工程与组织工程核移植与克隆技术植物细胞工程技术动物细胞工程技术细胞工程原理植物细胞移植2019/10/816Discussion细胞工程原理（学）与细胞生物学的区别？与细胞生理学的区别？与细胞遗传学的区别？与发育生物学的区别？与分子生物学的区别？细胞工程原理2019/10/817附1：Cytobiology运用近代物理学和化学的技术成就，以及分子生物学的方法、概念，在细胞水平上研究生命活动的科学，其核心问题是遗传与发育。更是一个领域：核心问题——在细胞水平将发育与遗传结合起来，不局限于一个学科的范围；与许多学科都有交叉，难分界限细胞生物学未来的拓展：除了关于各细胞组分的结构与功能，以及对各种生命现象的研究还要继续深入外。“基因有序地选择性表达的原因”可能会成为今后重点研究的问题，此外“细胞社会学”也会越来越受到重视。细胞工程原理2019/10/818附2：Cytophysiology细胞学和生理学相结合产生的学科，主要研究内容包括：细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长发育和繁殖的机理，以及细胞受环境的影响而产生的适应性和运动性活动关键技术：细胞离体培养技术细胞工程原理2019/10/819附3：Cytogenetics是最早发展起来的遗传学科，属遗传学与细胞学相结合的边缘学科，主要从细胞的角度，特别是从染色体的数目、形态、结构和行为，以及染色体与其他细胞器之间的关系，来研究真核生物的遗传现象。早期着重研究：分离、重组、连锁、交换等遗传现象的染色体基础，以及染色体畸变和倍性变化等的遗传效应，并涉及各种生殖方式如孤雌生殖、无融合生殖和单性生殖等的遗传学和细胞学基础。衍生出的一些分支学科：体细胞遗传学、细胞器遗传学、分子细胞遗传学、进化细胞遗传学、医学细胞遗传学等。细胞工程原理2019/10/820附4：Molecularbiology从分子水平（生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能研究，是分子生物学的基础）研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。意义：在分子水平上揭示了生命世界基本结构和生命活动根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本质。其概念和观点已经渗入到基础和应用生物学的每一个分支领域，带动了整个生物学的发展，使之提高到一个崭新的水平细胞工程原理2019/10/821附5：DevelopmentalBiology研究生物体从精子和卵子的发生、受精、发育、生长到衰老死亡的生命过程中的变化机理的科学。主要内容：原始生殖细胞的发生，配子发生和形成，受精，动物的胚胎发育及其基因表达；胚泡移植及试管婴儿；早期发育及其基因表达调控。胚胎诱导和胚胎细胞分化，胚胎形态发生的细胞基础，细胞程序性死亡。器官发生及其基因表达调控。变态及其基因表达和调控。衰老的分子机制，性别决定和分化，细胞核移植，转基因动物在发育生物学中的应用，癌基因与发育。细胞工程原理2019/10/822细胞工程原理理论基础：植物细胞的全能性常用技术手段：植物组织培养，植物细胞培养，植物体细胞杂交植物组织培养：应用于快速繁殖、培育无病毒植物，通过大规模的植物细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等植物体细胞杂交：是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法细胞移植：染色体工程，染色体组工程2.1植物细胞工程的研究内容2019/10/823细胞工程原理常用的技术手段：动物细胞培养（干细胞）、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、核移植等细胞拆合：细胞质工程，通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新组合，重建成新细胞。60年代童第周取出鲤鱼卵细胞核移进鲫鱼去核卵细胞中，育出鲫鲤鱼，生长快个大味美。后又育出鲫金鱼。动物细胞培养：大规模的动物细胞培养获得大量的分泌蛋白，如抗体/单克隆抗体、病毒疫苗、干扰素等。动物细胞工程技术的基础动物细胞融合：最重要的用途是制备单克隆抗体McAb，用单个B淋巴细胞进行无性繁殖－－克隆形成细胞群，有可能产生出化学性质单一、特异性强的单克隆抗体。应用：“生物导弹”2.2动物细胞工程的研究内容细胞工程原理常用的技术手段：大规模细胞培养，细胞器移植、细胞融合、基因工程菌构建大规模细胞培养：极限条件下的细胞培养、筛选与应用（环保）、具有生物活性和医用价值的代谢产物高效生物合成；细胞器移植：细胞拆合，染色体工程，染色体组工程；细胞融合：创造新的种质资源；基因工程菌株构建2.3微生物细胞工程的研究内容2019/10/825课程的目的和要求学科研究的内容及意义学科的发展关键技术及研究热点细胞的结构与细胞器的功能细胞工程原理绪论2019/10/826细胞工程原理3.学科的发展植物细胞工程动物细胞工程微生物细胞工程当前的关键技术及研究热点2019/10/827细胞工程原理（1）植物无性繁殖系的建立和植物细胞全能性假说1934年，WhiteP．R.，番茄种子发芽至根长2厘米，切取0.5～1.5厘米根尖进行无菌液体培养，根段发生并迅速生长。10天后再从后者切取根段进行培养也可发生生长。如此不断切取培养发现可无限制地繁殖，即从一个根段，可以获得许多完全相同的离体根，建立了世界上第一个植物无性繁殖系。提出：植物体的每一个细胞，包括体细胞，都具有发育成完整个体的潜能－－植物细胞全能性假说：每一个植物细胞都含有该物种所具有的全套基因，全套基因的表达才能产生完整的植物体。但此后很长时间，植物细胞全能性假说一直未得到试验的证明。3.1植物细胞工程学的发展2019/10/828细胞工程原理（2）植物细胞全能性学说的证明1952～1953年，美国，StewardF．C.，胡萝卜根的人工悬浮培养细胞系，发现单个细胞能象受精卵发育成胚一样的途径发育成完整植株。这是一种细胞工程水平上的无性繁殖系，证实了植物细胞全能性学说植物细胞全能性学说的广泛应用：可以植物体的任何一种活的细胞、组织、器官，经过体外人工培养获得完整植株，并产生许多植物体。己用于工厂化生产花卉、作物(如甘蔗)的试管苗，并用于选育新品种。2019/10/829细胞工程原理（3）从单个体细胞培养成完整植株Steward不是采用单个体细胞，因此存在缺陷。1954年，MuirM．R.，将烟草愈伤组织置于固体培养基上，在其上放一片滤纸，然后再在滤纸片上放上一个烟草体细胞，经培养获得了完整植物体，在单个细胞水平上证明了植物细胞的全能性学说。1971年，Takebe，采用酶解法获得烟草叶肉细胞的原生质体，并培养再生出完整植株，首次证实植物原生质体的全能性。植物细胞的全能性被彻底证实2019/10/830细胞工程原理（4）单细胞无性繁殖系的获得1972年，SharpW.R.等，用番茄花粉粒，采用看护培养法，获得了单倍体无性繁殖系（5）植物原生质体分离和细胞杂交1960年，英国，CockingE.C.,用酶水解植物细胞壁分离原生质体成功，使植物细胞可以象动物细胞一样进行细胞融合。此后进行了许多植物种间、属间的细胞融合，获得了一些杂种植物：地上结番茄＋地下生马铃薯的杂种植物。但果实和块茎都很小，无法用于生产。其他的细胞杂交工作至今未获得预想结果。2019/10/831细胞工程原理（6）转基因植物：细胞融合牵涉到两套染色质的整合，获得杂种细胞十分困难从80年代，转向将1个或数个有用基因（包括动、植物，微生物）转移到植物细胞中去，然后再将细胞培养成完整植株，从而获得转基因植物，培育新品种方法：是将目的基因构建重组质粒，然后将重组质粒引入土壤农杆菌，并将目的基因交换到农杆菌质粒上。再用该农杆菌感染植物细胞，使目的基因整合到植物细胞的染色体组中，最后将细胞培养成完整转基因植物全世界已获得数百种转基因植物：1994年，抗虫(已转入苏云金杆菌毒蛋白基因)的棉花、抗病毒(已转入病毒外壳蛋白基因)的水稻、延缓果实成熟(已转入乙烯合成酶、ACC合成酶反义DNA)的番茄等用于生产；抗除草剂的大豆、改良品质的玉米、抗真菌的马铃薯等即将用于生产。正在研究动物、人体中的抗体基因转入植物，如香蕉。2019/10/832细胞工程原理2019/10/833细胞工程原理细胞工程原理May11th,2006，日本大阪，世界玫瑰花大会蓝色翠雀花素需“黄酮类化合物3'5'-氢氧化酶”2019/10/835细胞工程原理（1）卵细胞培养成成体1951～1959年，我国细胞生物学家朱冼等，用直径10～13微米的玻璃针刺激去卵膜的蟾蜍卵细胞（生殖细胞），在世界上首次培养出25只蟾蜍成体，即没有父亲的癞蛤蟆。它们最长的可活8个月体细胞能否通过培养获得动物体呢？－－动物细胞是否也具有全能性？每个动物细胞，包括体细胞都具有