细胞生物学/细胞生物学与其他学科的联系

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绪论 - 细胞生物学概述 - 细胞生物学的形成与发展趋势 - 细胞生物学与其他学科的联系
生命科学有两大应用领域——医学和农学。医学以人体为对象,主要研究人体生老病死的机制,研究疾病的发生、发展规律,从而对疾病进行诊断、治疗和预防;农林科学则以动植物、环境系统为研究对象,研究动植物的生长发育、产量和品质形成规律及其与环境系统的关系等,以达到提高农作物产量和品质、保护生态环境的目的。细胞是一切生命体生命活动的基础,其研究成果必然与医学和农林科学等其他生命学科的理论和实践密切相关。

细胞生物学与医学[编辑]

细胞生物学是研究细胞生命活动规律及其机制的基础性学科。现代细胞生物学研究主要从分子水平揭示生物在生理或病理状态下细胞层面上所表现出的特征和行为。目前细胞生物学的主要研究领域包括:细胞结构与功能的信号基础,蛋白质的分选和运输,染色质的结构和功能,细胞结构体系的组装与去组装,细胞极性与细胞迁移,细胞增殖周期调控,细胞分化与干细胞特性,受精与生殖,细胞的衰老与死亡,细胞社会学,细胞与组织工程等。细胞生物学中许多领域的研究进展很快,这可能会成为推动医学向前发展的一个新的基础。
细胞生物学是现代医学的基础和支柱学科。医学要解决的问题,是阐明人的生、老、病、死等生命现象的机制和规律,并对疾病进行诊断、治疗和预防。人类生命是从受精卵开始的,经过了胎儿、新生儿、幼年、成年、老年直至死亡的过程,这些过程都是以细胞为单位进行的。细胞正常结构的损伤和功能紊乱,必然导致人体组织器官的病变,并由此引起疾病。例如,严重危害人类健康的癌症,就是正常细胞癌变的结果;心血管疾病,如动脉粥样硬化的发生与动脉壁内皮细胞的特性改变有关;老年性痴呆等神经退行性疾病是神经元选择性变性死亡的结果。因此,细胞是体现人类生、老、病、死之单位,细胞生物学与医学的关系极为密切。细胞生物学的理论与技术的研究成果不断向医学领域渗透,在很大程度上促进了医学的进步。
细胞生物学的研究内容在不断地加深与医学科学的结合,形成了细胞生物学的分支学科——医学细胞生物学(medical cell biology)。医学细胞生物学以揭示人体各种细胞在生理和病理过程中的生命活动规律为目的,期望能对人体各种疾病的发病机制予以深入阐明,为疾病的诊断、治疗和预防提供理论依据和策略。

细胞间信息传递与细胞的信号转导[编辑]

在高等动物和人类,各种生命活动,如神经系统、内分泌系统、免疫系统的运行都离不开细胞与细胞间的信息联系。细胞间的信息联系主要是通过神经递质、激素和旁分泌因子(paracrine)等信号分子来完成的,这些信号分子与细胞表面或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,实现对细胞调节的过程称为信号转导(signal transduction), 其中整个信息传递过程的路径谓之信号转导通路(signaling pathway)。近年发现,细胞间的信息传递也可通过细胞分泌的包含复杂RNA和蛋白质的小膜泡——外泌体(exosome)来完成。
细胞的信号转导研究是细胞生物学领域一个很活跃的研究前沿,其主要研究内容是了解信号转 导通路中各信号分子之间的相互关系,包括蛋白质的互作、修饰、降解、转位的生物学效应,以及不同信号转导通路间的相互应答(cross-talk)。细胞信号转导的生物学效应几乎涵盖了细胞所有的生命现象。因此,通过对细胞信号转导机制的研究,可了解到细胞的运动、增殖、分化及死亡等活动的机制和规律。
细胞信号转导的研究让我们了解到某些疾病的发病机制。例如,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病入的发病原因。在家族性高胆固醇血症病入,其肝细胞膜上的低密度脂蛋白(LDL)受体减少,致使肝细胞对血液中LDL的摄入能力降低,从而引起高胆固醇血症。在重症肌无力患者的体内产生了抗乙酰胆碱受体的抗体,抗体与乙酰胆碱受体结合,使通过受体进行的信号转导过程受阻,出现重症肌无力症。霍乱弧菌所致的剧烈腹泻也是细胞信号转导通路受阻的典型例子。霍乱毒素能够糖基化肠黏膜细胞中的G蛋白的α亚基,使G蛋白持续失活,导致细胞的离子代谢紊乱和细胞内外渗透压失衡,大量水分进入肠腔。此外,信号转导通路中的蛋白激酶功能异常与肿瘤发生发展有关。

细胞分化与干细胞研究[编辑]

脊椎动物和人类的机体由200多种不同类型的细胞组成。这些细胞的结构和功能各异,是细胞分化的结果。细胞分化(cell differentiation)是指在个体发育中,由单个受精卵产生的细胞在形态结构、生化组成和功能等方面形成明显的稳定性差异的过程。由一个受精卵来源的细胞为什么会变得如此多样与不同?这是细胞分化的研究内容。细胞分化的机制,是数百年来许多生命科学家付出毕生精力而至今尚未完全解决的难题。目前,人们认识到细胞分化的实质是基因的选择性表达,是胚胎细胞逐渐由“全能”到“多能”“单能”,最后成为“终末细胞”的发育过程。 人类胚胎早期的囊胚内细胞团(inner cell mass, ICM)细胞是多能性干细胞,它具有分化为成熟个体中所有细胞类型的潜能,已在体外成功建系,称为胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESC)。而来源于成体组织的单能性干细胞则称为成体干细胞(adult stem cell)或组织干细胞。干细胞是生物个体发育和细胞分化的基础,对于细胞生物学特性的研究将有助于对生命的基本现象,即发育和细胞分化以及机体衰老机制的认识。
胚胎干细胞可以在体外培养、传代,且保持其无限增殖能力和多向分化潜能,特别是近年通过细 胞重编程(cellular reprogramming)技术获得的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS细胞),显示出与胚胎干细胞相同特征,这使人们看到了彻底修复和再生人体病变器官的前景。理论上,干细胞经特定因子刺激后,可发育成特化的细胞,用于治疗由细胞功能障碍或组织受损引起的疾病,这就是所谓的细胞治疗;而利用胚胎干细胞,克隆人体组织器官,以治疗(替代病变器官)为目的的克隆技术称为治疗性克隆。因此,目前干细胞已成为生命医学研究领域的热点。

细胞增殖与细胞周期调控[编辑]

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。组成人体的细胞多达2×1014个,是细胞增殖的结果。细胞增殖以周期性循环的方式进行。一个细胞经过一系列生化事件而复制它的组分,然后一分为二,这种周期性的复制和分裂过程即为细胞(增殖)周期(cell cycle)。 在个体发育中,胚胎期细胞分裂增殖极为活跃,成体期除部分细胞不断分裂增殖之外,大多数细胞的增殖速度减慢,有的甚至停止分裂。细胞是如何知道什么时候分裂,什么时候停止分裂的,以及细胞不对称分裂的机制等是目前细胞增殖周期调控研究的主要内容。细胞增殖与细胞周期的调控一直是细胞生物学研究的重要领域,目前已发现了真核细胞内操纵细胞周期进程的三类细胞周期调控因子,它们是细胞周期蛋白、细胞周期蛋白依赖性激酶和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子;也发现了若干个监控细胞周期进程的反馈调控机制,即细胞周期检查点(cell cycle checkpoint)。
细胞的增殖失控与人类的某些疾病,如肿瘤的发生等密切相关。肿瘤细胞的主要特性是细胞的无休止和无序的分裂并形成肿块。因此,研究细胞增殖与细胞周期的调控机制,也是了解肿瘤发生机制和控制肿瘤生长的重要途径。肿瘤的发生机制与防治研究是医学领域的重要研究课题,其中基因与肿瘤发生的关系、细胞信号转导与肿瘤、肿瘤干细胞特性以及癌细胞诱导分化研究等是目前肿瘤细胞生物学的主要研究领域。癌基因、抑癌基因的发现,以及其介导的信号转导机制的阐明,极大地丰富了人们对细胞增殖规律与细胞周期调控机制的认识。

细胞衰老与细胞死亡[编辑]

细胞衰老与细胞死亡是生物界的普遍规律。
细胞衰老(cellular aging, cell senescence)是指细胞的形态结构和生理功能逐渐衰退的现象。在人类和高等动物,细胞总体的衰老将导致个体的老化。因此,细胞衰老是机体的衰老和老年病发病的基础。迄今在细胞衰老机制研究上已取得了一些进展,如发现随着细胞分裂次数的增加,染色体端粒的末端不断缩短;在低等生物线虫中,发现了影响线虫寿命的衰老基因和抗衰老基因(也称长寿基因);在过早老化的Werner综合征病人,由于DNA复制时解旋障碍,其体外培养的细胞与正常人的细胞相比,只分裂了较少的次数就发生了衰老和死亡。可以想象,随着细胞衰老的规律和机制的阐明,人类延缓个体衰老的愿望将可能实现。
细胞死亡(cell death)是指细胞生命活动的结束,传统上区分为坏死和凋亡两大类,新近发现细胞焦亡是又一种形式的细胞死亡。细胞凋亡(apoptosis)是指细胞在特定条件下遵循自身的程序而结束自己生命的过程,它是由基因控制的主动性死亡,因此也称为程序性细胞死亡。细胞凋亡是个体发育过程中必不可少的生物学事件,细胞凋亡异常,将引起发育畸形,如并指(趾)、肛门闭锁、两性畸形和神经管发育缺陷等。一些神经退行性疾病,如帕金森(Parkinson)病、阿尔茨海默(Alzheimer)病等与神经元凋亡密切相关。研究细胞凋亡的机制不仅对揭示生命活动的规律,也对了解疾病的发生、发展有重要意义。细胞凋亡研究领域非常活跃,继发现引起凋亡的基因家族(如caspase,bcl-2,p53 )和诱导细胞凋亡的信号转导途径(如细胞表面死亡受体途径,线粒体途径)之后,又发现了一些新的凋亡形式,如细胞失巢凋亡(anoikis)和自噬性凋亡(autophagic apoptosis)。 细胞焦亡(pyroptosis)是一种新的程序性细胞死亡,表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂,导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞凋亡的本质是细胞的程序性坏死,广泛参与感染性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发生发展。随着研究的深入,将会对细胞死亡的机制有更深入的了解,并有可能为细胞死亡相关性疾病的治疗提供有效手段。

细胞的基因组学与蛋白质组学[编辑]

继入类基因组序列分析完成之后,逐渐形成的基因组学和蛋白质组学将细胞生物学研究推向一个新的领域。
基因组(genome)是指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质,是所有不同染色体上全部基 因和基因间的DNA的总和。基因组学是研究生物基因的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的学科。基因的表达调控研究是近年来细胞生物学中十分活跃的领域,其中关于表观遗传调控的研究,即表观遗传学(epigenetics)是该领域新的研究热点。表观遗传学是研究没有DNA序列变化并且可以遗传的基因功能变化的学科,如DNA甲基化,组蛋白密码(histone code, 指组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化和跋基化等影响转录因子与DNA结合的动态转录调控),基因组印记(genomic imprinting)以及表观基因组学(epigenomics)等。此外,控制基因信息流向的小RNA和长链非编码RNA的不断发现又将为阐明细胞的生命活动规律打开新窗口。可以相信,细胞基因组学研究的医学意义将不可估量。
蛋白质组"proteome"源于"protein"与"genome"杂合,是指由一个细胞、一个组织或生物的基因组所表达的全部蛋白质。细胞的蛋白质组学以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象,从整体角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平与修饰状态,进而了解蛋白质之间的相互作用与联系,揭示蛋白质功能与细胞生命活动的规律。蛋白质的亚细胞定位对蛋白质功能的发挥起关键性作用,蛋白质亚细胞定位信息暗示着其生物学功能。目前基于亚细胞成分(如细胞膜、线粒体、溶酶体、内质网、高尔基复合体、细胞核等)分离技术的亚细胞蛋白质组学(subcellular proteomics)已成为蛋白质组学研究的重要内容。蛋白质组学研究的另一途径是,着重于寻找和筛选引起2个样本之间的差异蛋白质谱产生的有意义的因素,揭示细胞生理和病理过程的本质、对外界环境刺激的反应途径以及细胞调控机制,同时获得对某些蛋白质的功能分析,此即比较蛋白质组学。因此,蛋白质组学的研究不仅能为阐明细胞生命活动的规律提供物质基础,也能为探讨疾病的机制、疾病诊治和新药开 发等提供重要的理论依据和实际解决途径。

细胞生物学与农林科学[编辑]

目前,利用细胞工程技术,人们已经实现了植物花药培养、植物种苗的工厂化生产、细胞及原生质培养生产有用物质、细胞融合技术育种、动物家畜胚胎工程以及单克隆抗体技术的应用、转基因技术产生抗病优质品种等。这些均是在细胞生物学的基础上运用现代最新的技术将理论运用到改造动植物的实践中的结果。
在植物的应用方面,人们除了利用新的技术研究植物的生理生化反应、环境对植物的影响与互作、信号转导及途径外,还通过一系列的技术手段达到了有效改造植物的目的。例如,根据细胞的全能型进行原生质体培养获得再生植株;利用细胞融合及体细胞杂交克服种属间的不亲和开发出植物新品种;利用胚胎培养、试管受精再生新植株;利用组织及细胞培养获得名贵难得的次生代谢产物等有效成分并实现工厂化生产;单倍体育种、突变体筛选技术等获得特异性植株;通过转基因技术,人们克服了植物种属间的界限,按照人们的意愿将有益的基因转入不同的植物中获得了具有较强抗病、抗逆、高产、优质的植物新品种。
在动物方面,以细胞生物学和分子生物学为基础进行家畜等的品种改良、畜产品结构改善、疫苗及生长激素研究等。其中的研究热点主要包括动物胚胎工程、动物细胞融合技术、动物单克隆抗体技术以及动物转基因等。