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细胞工程学CellEngineering授课人：程华（硕士）E-mail:xibaogongcheng2006@yahoo.cnTel:13523725670\n学习态度：才+学+识:“才如箭簇，学如弓弩，识以领之，方能中鹄”才：才华学：知识识：见识思考：为什么要学，学什么，怎样学？Youbecomewhatyoubelieve.Youarewhereyouaretodayinyourlifebasedoneverythingyouhavebelieved.—OprahWinfrey\n考试办法：考试范围考试方式试卷题型：1.名词解释：英文名词/中文解释2.选择题：3.简答题：4.论述题：\n绪论细胞工程在现代生物技术中的地位细胞工程学的概念及研究范畴细胞工程的发展历史实践意义\n一、细胞工程在现代生物技术中的地位（1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性变化。（2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因：\n一、细胞工程在现代生物技术中的地位生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命信息技术扩增人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身\n一、细胞工程在现代生物技术中的地位生物技术的概念“New”Biotechnology—theuseofcellularandbiomolecularprocessestosolveproblemsormakeusefulproducts.(CB.Feldbaum,2004)应用生物科学和工程原理发展相应的科学理论与工程技术按照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域\n现代生物技术的的主要领域发酵工程酶工程基因工程蛋白质工程生物化学工程细胞工程利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在生物反应器中生产有用物质的技术。如：当前的食品、医用和农用抗生素绝大部分是发酵产品，此外还包括氨基酸、工业用酶，日常生活中的味精、维生素B2等。利用酶的催化作用，采用适当的生物反应器工业化的生产人类所需的产品或是达到某一特殊目的的一门生物工程技术。如：α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶三酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革脱毛、脱胶和洗涤剂工业等；日常生活中的加酶洗衣粉，嫩肉粉等。根据人们的意愿对不同生物的遗传基因进行切割、拼接或重新组合，再转入生物体内产生出人们所期望的产物，或创造出具有新遗传性状的生物类型的一门技术，又称重组DNA技术。如：单克隆抗体、疫苗、基因治疗药物、干扰素、生长因子等药物。利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列进行有目的的改造并分离、纯化蛋白质，从而获取自然界没有的、具有优良性状或适用于工业生产条件的全新蛋白质的技术。又称“第二代基因工程”。如：提高葡萄糖异构酶热稳定性、速效胰岛素、嵌合抗体、治癌酶的改造等。应用化学工程的原理和方法，研究解决生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。如：新型生物反应器系统及相关培养和放大技术、工艺的研究与开发，新型分离方法和设备的研究开发，描述生物反应过程的数学模型的建立，生产过程在线检测和控制手段的完善等。地位：细胞工程是现代生物技术的桥梁和纽带。\n\n二、细胞工程学的概念及研究范畴1、概念和分类概念：以生物细胞、组织或器官为研究对象，运用生命科学理论，以及工程学原理与技术，有目的的利用和改造生物遗传特性或生物学特性，以获得特定的细胞、组织产品或新型物种的一门综合性科学技术。分类：根据研究对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程\n请以你现在所学的生物学相关知识，描述一下细胞工程学的范畴。\n2、细胞工程学的研究领域原生质体培养（protoplastculture）组织、器官或细胞培养（tissue,organorcellculture）植物胚胎培养(embryoculture)染色体工程（chromosomeengineering）转基因动植物（transgeneticanimalandplant）动物胚胎移植、胚胎培养和试管动物（embryotransfer,embryoculture,tubeanimal）克隆动物（clonedanimal）\n3、细胞工程学的研究任务细胞、组织或器官的形态发生规律；研究离体培养条件下，细胞、组织或器官所需营养条件和环境条件；细胞融合方法和机理；植物材料的快速大量繁殖方法；种质资源的离体保存机理和方法；动物胚胎移植、胚胎体外生产及动物克隆技术等；再生个体的遗传和变异；改良生物品种，创造新的生物种类，为人类造福。\n三、细胞工程学发展历史19世纪末和20世纪初探索期、成熟期和迅速发展期理论基础：生物细胞的全能性(totipotency）：个体或组织、器官已经分化的细胞在适宜的培养条件下具有再生成完整个体的遗传潜能。\n一）植物细胞工程发展史1、探索期(1859-1929)1902年GottlichHaberlandt（德.哈泊兰德）根据细胞理论提出植物可以不断分割至单个细胞，在适当的条件下单细胞具有发育成完整植株的能力。（1854-1945）ThefatherofplanttissuecultureisconsideredtobetheGermanBotanistHABERLANDTwhoconceivedtheconceptofcellculturein1902.Didnotculturethemhimself.\ncelltheory\ncelltheoryAlllifeformsaremadefromoneormorecells.Thecellisthesmallestformoflife.Cellsonlyarisefrompre-existingcells.“如果具有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该可以独立生活和发展”(《细胞学》Schwann,1839)——这一论点成为组织培养研究的思想基础。\n随后，许多科学家从事组织培养研究。1904年，德国植物胚胎学家Hanning（汉宁）用萝卜和辣根的胚进行离体培养，提早长成了小植株。常规：幼胚种子植株组织培养：幼胚植株首次获得植物器官（胚）离体培养成功。成熟培养发芽\n1922年，Kotte（德，科特）和Robbins（美，罗宾斯）对豌豆、玉米、棉花等的茎尖、根尖进行了离体培养，发现了培养的分生组织能进行有限的生长。首次植物组织培养。1925年，Laibach（德，莱巴赫）进行亚麻种间杂种幼胚培养，成功得到了杂种植物。证明了胚培养在植物远缘杂交中利用的可能性。\n2、成熟期ItwasWHITE（美，怀特）in1934whowasthefirsttoobtainindefinitecultureswithrootsfromthedicotyledonousplanttomatausingthesamemedium.Thusthewaytorootculturewasopened.ItwaslaterdiscoveredbyBONNER（1937）thattheimportantconstituentsoftheyeastextractwerethiamine,vitaminBandsubsequentlyWHITEfoundthattheeffectoftheyeastextractcouldobtainedbysubstitutingtheB-group,thiamine（维生素B1），pyridoxine（吡哆醇）andniacin（烟酸）instead.\nThenextstridesforwardinthecultureofplanttissuecamewiththeadventofsuccessfulcultureofwoundtissueorcallusfromtheexcisedcambia（形成层）tissueofSalix（柳属）byGAUTHERETin1934.Heusednutrientmediasolidifiedwithagarbutfoundthatafter6monthstheactivityoftheculturesceased.In1929WENTdiscoveredthegrowthregulatorindoleaceticacidIAAwhichwasshownbySNOWin1935tostimulatecambialactivity.ByincludingIAAandthevitaminsBinhismediaGAUTHERETextendedthecultureperiodoftheSalixcallusto18monthsandwasabletosubculture.\nTheinvitrocultivationofplanttissuesforindefiniteperiodsoftimewassimultaneouslyachievedbyWHITEworkingwithaNicotiana（烟草）hybridandGAUTHERET（法，高斯莱特）andNOBECOURT（法，诺比考特）workingwithcarrotDaucuscarota（胡萝卜）in1939.Thisachievementinbothcaseswasduetoafortunatechoiceofplantmaterialasbothareconsideredtoberelativelyeasytoculturenowincomparisonwithmanyotherspeciesbythisinnowaynegatesthemagnitudeoftheirefforts.\nWhite、Gautheret、Nobecourt等科学家被誉为植物组织培养的奠基人。\n40年代末开始，从脱分化细胞组织培养进入探讨器官再分化的研究。细胞（组织、器官）愈伤组织（分生细胞）不定芽、根（双极性胚状体）植株脱分化再分化\n1957年Skoog（美，史库克）和Miller（米勒）提出了植物激素控制器官形成的概念，首次证实IAA/BA的比例是组织培养中控制根和芽形成的重要条件。1958年Steward（英，斯图尔德）和Reinert（德，雷那特）从胡萝卜根的悬浮细胞中成功从单个细胞诱导出成熟的体细胞胚，首次证实了细胞全能性学说。\n3、迅速发展期（1960年至今）1）原生质体培养和细胞融合1971年，Takebe（日，塔克伯）等从烟草原生质体得到再生植株，首次获得原生质体植株再生成功。1972年，Carlson（美，卡尔森）等通过两个烟草物种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种植株。1978年，Melchers（梅尔彻斯）进行了马铃薯和番茄的融合实验，获得了第一个属间杂种植株。\n2）微繁技术1952年，Morel和Martin首次证实通过茎尖分生组织的培养，可以由已受病毒侵染的大丽花中获得无病毒植株。1960年，Morel（法，莫里尔）提出了利用茎尖离体快速无性繁殖兰花的方法，在此基础上，国际上建立了兰花工业，取得了巨大的经济效益和社会效益。\n3）花药培养技术1973年，Nitsch（利希）采用烟草花药预培养的方法，首次获得了单倍体植株。4）次生代谢产物生产1959年，Tulecke（图莱克）和Nickell（尼克尔）首先进行了较大规模细胞培养，在一个20L的植物细胞封闭式悬浮培养系统中，成功培养了银杏、冬青等细胞。\n1973年，农杆菌Ti质粒的发现极大促进了植物转基因的研究。1985年首批转基因植物（抗虫/抗病毒）开始进行田间试验，1986年美国EPA批准了转基因烟草的释放。1994年美国FDA批准了第一个转基因食品FlavrSavrTM西红柿。5）植物基因转化技术\n6）植物多倍体育种1916年，Winkler（温克勒）在番茄与龙葵的嫁接试验中发现有番茄的四倍体。1937年，美国学者Blakslee（勃莱克斯利）等用秋水仙素加倍曼陀罗等植物的染色体数获得成功。1947年，HitoshiKihara（日，木原均）等选育成功三倍体无籽西瓜。\n6）植物多倍体育种二倍体和四倍体葡萄2n=2x=16\n二）动物细胞工程发展史萌芽时期：细胞融合现象的发现19世纪30年代，Muller，Schwann，Virchow等相继在肺结核、天花、水痘、麻疹等病理组织中观察到多核细胞现象；1849年Lobing在骨髓中也发现了多核现象的存在；1855年~1858年，科学家在肺组织和各种正常组织的发炎和坏死部位发现了多核细胞；1859年，A.Barli在研究黏虫的生活史时发现，某些黏虫存在着由单个细胞核融合形成多核的原生质团的情况。据此，他认为多核细胞是由单个细胞彼此融合而形成的。至此，自然界中广泛存在着多核细胞的事实，才被生命科学工作者接受。\n二）动物细胞工程发展史1、培养技术1907年，Harrison（哈里森）首先培养了蛙胚神经管细胞，并观察到有新的神经细胞生成。这标志着动物细胞培养的开始。1911年，Carrel（卡雷尔）发现了鸡胚浸出液对于培养细胞的生长促进作用，并首次把无菌技术引入组织培养技术中。\n1914年，Thomson（汤姆森）建立了器官培养技术。1940年，1951年，Earle（厄尔）和Gey（吉恩）分别建立了C3H小鼠结缔组织细胞系的L系和人体细胞系—人体宫颈癌Hela细胞系。\n2、细胞融合技术1958年，Okada（冈田）发现紫外灭活仙台病毒可引起艾氏腹水瘤细胞彼此融合。1965年，Harris（哈里斯）诱导不同动物体细胞融合获得成功并培养存活。1964年，Lifflefield根据亲本细胞的酶缺陷型，利用HAT选择性培养基使亲本细胞死亡而只留下异型融合细胞，并能不断增殖，从此形成了细胞融合到杂种细胞选择、培养的一整套技术。\n1975年，免疫学家Kohler（科勒）和Milstein（米尔斯坦）利用仙台病毒诱导绵羊红细胞免疫的小鼠脾细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合，选择到能分泌单一抗体的杂种细胞。该杂种细胞具有在小鼠体内和体外培养条件下大量繁殖的能力，并能长期地分泌单克隆抗体，从而建立了小鼠淋巴细胞杂交瘤技术。\n3、多倍体诱导技术1959年，Swarup（斯沃尔）用低温处理三棘刺鱼获得了三倍体，并饲养至性成熟。现在人工诱导多倍体已成为经济水生动物育种的主要技术。\n\n4、胚胎移植和试管动物1891年，Heape（英，希普）等人首次报道了家兔胚胎移植成功。1959年，张民觉首次获得了世界上第一个胚胎体外受精的哺乳动物——试管小兔。\n5、转基因动物1983年，Palmiter（帕尔米特）和Brinster（布林斯特）将大鼠生长素基因转入小鼠培育出生长快的超级小鼠。1987年，Gordon（戈登）获得分泌组织纤溶酶激活因子tPA的转基因小鼠。之后，转基因羊、牛、猪的乳腺生物反应器相继获得成功。利用动物细胞大规模培养制备凝血因子、抗胰蛋白酶、干扰素、疫苗、单克隆抗体等。\n2007年，英国宣布批准进行人类与动物细胞混合制造嵌合胚胎并用于医学研究。美国内华达州大学E.Zanjani（扎加尼）研究小组成功培育出世界上第一只人兽混种绵羊。拥有15％的人类细胞和85％的动物细胞，由它们长出的器官将更加接近于人类器官。\n6、克隆技术首例克隆动物成功的报道是在1962年，英国学者Gurdon（格登）非洲爪蟾小肠上皮细胞的核注入同种或异种非洲爪蟾受精卵（经紫外线照射杀死卵细胞核）中，约有1%的重组卵发育成为成熟蛙，证明了动物细胞核全能性。\n1997年2月，Wilmut（英·威尔穆特）在《Nature》报道了世界第一只克隆羊的诞生。多利出生于1996年7月5日，2003年2月14日死于肺部感染。\n\n全球首只克隆猫CC和妈妈在一起\n北京第2头克隆牛诞生生命源于牛耳细胞\n韩国科学家克隆出皮肤可发红光的荧光猫\n克隆人？\n塞缪尔•伍德成为世界上第一个克隆自己的人晶胚从成年人皮肤细胞能够克隆人体晶胚细胞\n伍德博士克隆人类晶胚细胞的过程示意图\n7、干细胞20世纪50~60年代的动物实验研究证实，正常骨髓可以修复已严重破坏的骨髓。1998年，美国科学家成功分离建立了人的胚胎干细胞系，极大地促进了干细胞研究热点的形成。\n曹谊林教授在一只裸鼠身上培育的人耳培育的人造心脏器官\n2007年11月，美国和日本科学家分别在《科学》、《细胞》杂志上同时宣告成功利用人类皮肤细胞培养出类似胚胎干细胞的干细胞。