细胞生物学/细胞生物学的形成与发展趋势

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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
细胞生物学的形成和发展经过了漫长的历程。细胞生物学是随着研究手段的逐步改进和理论上的不断创新而逐渐形成和发展起来的。

细胞的发现与细胞学说的创立[编辑]

细胞的发现与显微镜的发明是分不开的。第一台显微镜是荷兰眼镜匠H.和Z.Janssen兄弟于1590年试制的。1665年英国人Hooke应用自制的放大倍数不太高的显微镜,在观察植物软木组织时,发现了许多蜂窝状排列的小室称为“细胞”(cell, 小室之意)。当时他所看到的细胞只是植物死细胞的细胞壁。1673年和1677年荷兰科学家A.Van Leeuwenhoek使用能放大300倍的显微镜,观察到了池塘中的原生动物纤毛虫、细菌、人和哺乳动物的精子,后来又观察到鲤鱼红细胞及其核(1695)。 1827年K.E.V.Bear 在蛙的卵中看到了细胞核。1831年R.Brown 在植物的叶片细胞中也看到了细胞核。1835年,E.Dujardin在根足虫和多孔虫细胞内观察到胶液状物质,称为肉样质(sarcode)。1839年J.Purkinje将动物神经细胞中的胶状液描述为原生质(protoplasm)。至此,细胞的一些主要结构被发现了。
德国植物学家M.J.Schleiden(1838)和动物学家T.Schwann (1839)根据自己的研究并总结前人的工作,提出了细胞学说(cell theory), 肯定“一切生物,从单细胞生物到高等动物和植物均由细胞组成,细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位”。 后来,德国科学家R.Virchow(1855)明确提出“一切细胞只能来自原来的细胞”的论点。他还指出,机体的一切病理现象都基于细胞的损伤。他的这些观点是对细胞学说的重要补充。细胞学说的建立,对生命科学的许多领域的研究和发展起到了积极的推动作用,恩格斯评价细胞学说为19世纪自然科学的三大发现之一(与物理学的能量转换定律和达尔文的进化论学说并列)。

细胞学的经典时期[编辑]

从19世纪中叶到20世纪初期,细胞学得到了蓬勃发展。细胞研究的主要内容是应用固定和染色技术,在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动。
在细胞形态结构上,认为动物细胞内的“肉样质”和植物细胞内的原生质(1864年由H.Von Mohl 提出)具有同样意义,并提出原生质理论。从此,细胞被看作是由细胞膜包围的一大团原生质。 原生质理论建立之后,又明确地把细胞核周围的原生质称为细胞质(cytoplasm), 把细胞核内的原生质叫做核质( karyoplasm)。
1841年R.Remak 观察到鸡胚血细胞的直接分裂。W.Flemming经过钻研,改进了细胞的固定和染色技术,于1882年首先说明细胞的间接分裂过程,并把该细胞分裂命名为有丝分裂(mitosis), 把细胞的直接分裂称之为无丝分裂(amitosis)。E.Straburger依据染色体在细胞分裂中的行为把有丝分裂过程分为四个期,即前期、中期、晚期和末期。他和Flemming分别通过植物材料和动物材料研究表明,细胞核从上一代细胞到后一代细胞一直保持着其物质上的连续性。K.Schneider(1878)发现,细胞在分裂中能把纵裂为二的染色体平均地分配到两个子细胞中,将此过程称为核分裂(karyokinesis)。19世纪80年代末,T.Boveri报道,动物体在形成配子过程中,染色体数目减少了一半。之后,Straburger在植物中也观察到了同一现象。1905年J.B.Farmer和J.E.More把生物体有性生殖过程中,生殖细胞通过分裂使染色体数目减少一半的分裂方式称为减数分裂(meiosis)。减数分裂为细胞分裂的主要类型之一。染色体数目在减数分裂中减少了一半,但通过受精过程在子一代又恢复了原有的数目,使核在两代个体间保持着连续性。
1890年Van Beneden和Boveri在观察细胞分裂时发现了中心体。随后,线粒体(R. Altmann, 1894;C.Benda,1897)高尔基复合体(C. Golgi, 1898)也相继被发现。

实验细胞学时期[编辑]

从20世纪初期到 20世纪中叶为实验细胞学阶段。这一阶段的主要特点是,细胞学的研究不只是借助光学显微镜着重于形态学结构的观察,而且还采用了多种实验手段对细胞的各种生化代谢和 生理功能进行研究。同时细胞学还与相邻学科相互渗透形成一些重要的分支学科。
1902年Boveri和W.Sutton把染色体的行为与G.Mendel的遗传因子联系起来,提出“染色体遗传 理论”。同年,W.Cannon认为遗传因子在染色体上,并提出“遗传的染色体学说”。1909年 W. Johannsen把遗传因子命名为gene(基因)。1910年T. Morgan根据他和合作者的大量实验工作,建立了“基因学说”,证明基因是遗传性状的基本单位,且直线地排列在染色体上并成为连锁群。由此,细胞学与遗传学结合起来形成了细胞遗传学。
1909年,R. Harrison建立了组织培养技术,直接观察和分析细胞的形态和生理活动。1943年, A. Claude应用高速离心机从活细胞中分离出细胞核和各种细胞器,如线粒体、叶绿体和微粒体(内质网的碎片),然后再进一步研究它们的生理功能、化学组成和各种酶类在细胞器中的定位等,由此使细 胞学与生理学相融合形成了细胞生理学。
R. Feulgan于1921年发明了Feulgan染色法来测定细胞核内的DNA。之后,J.Brachet(1940)建立 了Unna染色技术,检测细胞中的RNA。T. Casperson(1940)采用紫外线显微分光光度法检验细胞中的DNA含量,他们的工作还证明蛋白质的合成可能与RNA有关。

细胞生物学的形成和发展[编辑]

光学显微镜受到其分辨率和放大倍率的限制,不可能对细胞作进一步精细研究。1933年德国E.Ruska等人研制出第一台电子显微镜(electron microscope)。电子显微镜的发明和20世纪中叶分子生物学的发展,标志着亚显微结构与分子水平相结合的细胞生物学的开端。

电子显微镜的应用使细胞学研究深入到亚显微水平[编辑]

Ruska最初研制的电子显微镜的放大倍率达10 000倍。之后,由于技术上的不断革新,电子显微镜的放大倍率达到几十万倍,分辨率由最初的50nm提高到零点几个纳米。同时用于电镜标本制作的超薄切片技术也在不断改进。从20世纪40年代,特别是50年代中期到60年代末期,电子显微镜的应用使细胞的形态学研究深入到亚显微水平,发现了过去在光镜下看不到的细胞器,如内质网(K. R. Porter, 1945)、溶酶体(De duve, 1956)、核糖体(Robe1tis, 1958) ;明确了过去在光镜下看到的高尔基复合体(A. J. Dalton等,1953)和线粒体(G.E. Palade, 1953)等细胞器及其微细结构。随着电子显微镜技术的进展,除对细胞进行超微结构观察之外,也逐步深入到结构与功能相结合的探索,即应用生物化学与生物物理学手段对分离出的细胞器进行化学组分分析。这些工作的积累为细胞生物学的形成打下基础。20世纪70年代,超高压电子显微镜的出现,又相继发现了细胞质中纵横交错的网状细胞骨架结构(Porter,1976)和细胞核基质内的网状核骨架结构(E. G. Fey, 1984)。20世纪80年代初期,扫描隧道显微镜(G.Binning和H.Rohrer, 1981)和原子力显微镜(Binning)的发明,使细胞的亚显微结构观测深入到超微(大分子)结构层次,可用于研究 DNA和蛋白质等生物大分子的表面立体结构。

分子生物学的研究进展促进了细胞生物学的形成与发展[编辑]

自20世纪50年代始,分子生物学进入一个快速的发展时期。1953年J.Watson和F.Crick提出 DNA双螺旋结构模型。1958年,M.Meselson和F.Stahl通过DNA复制研究,证明DNA复制为半保留 复制。同年,Crick发表了“中心法则”(central dogma) , 指出遗传信息的流向是DNA→RNA→蛋白质。G. Gamow(1955)发表了三联体密码假说。M.Nirenberg和Mathaei(1961)依据从核糖核酸实验获得的结果确定了DNA中编码每一种氨基酸的密码。这些研究成果及后来建立的分子生物学研究技术,如DNA重组技术(P. Berg, 1968)、DNA序列分析技术(F.Sanger和W.Gilbert, 1975)等不断地渗透到细胞学各领域,使细胞的形态结构和生理功能研究深入到分子水平。这样,在20世纪60年代,形成了从分子水平、亚细胞水平和细胞整体水平来探讨细胞各种生命活动的学科,即细胞生物学。
20世纪70年代特别是80年代以后,细胞生物学在分子水平研究上获得了快速发展。在细胞膜结构与功能研究领域,提出了细胞膜结构的液态镶嵌模型 (fluid mosaic model) (S. J. Singer 和G. L. Nicolson, 1972)这成为目前研究细胞许多生物学行为的基础。在蛋白质合成、分选和定向运输方面,提出了信号肤引导核糖体结合到内质网膜的信号肽假说(signal hypothesis)(G. Blobel, 1975), 鉴定出新合成的细胞核蛋白靶向运输的核定位信号(nuclear localization signal) (A. E. Smith, 1984)。在线粒体与细胞的能量转换研究上,继1961年P.Mitchell建立的线粒体氧化磷酸化耦联机制的化学渗透假说之后,提出了线粒体基粒的ATP酶复合体通过结合变构机制(binding-change mechanism)合成ATP的模型(P. D. Boyer, 1989)。在细胞骨架与细胞运动研究方面,鉴定出基于微管的介导细胞内运动的驱动蛋白(kinesin)(M. P. Sheetz和 S. Brady, 1985), 接着相继了解到细胞内物质运输、细胞器定位和分布以及细胞分裂过程中染色体运动的机制。在基因表达调控研究中,相继发现了真核细胞基因中内含子(intron)的存在(P.A.Sharp和 R. Roberts , 1977)和免疫球蛋白基因重排机制(S. Tonegawa, 1976) , 揭示了小核RNA(small nuclear RNA)与蛋白质组成的复合体在pre-mRNA加工中的作用(J. A. Steitz, 1979) , 分离出DNA序列特异性的真核细胞转录因子(R. Tjian, 1986)。在细胞的社会性研究方面,整联蛋白(integrin)的发现(R. 0. Hynes, 1986)导致了对细胞连接的分子基础的认识,也揭示了细胞外基质与细胞骨架的联系;Src蛋白的酪氨酸激酶活性及其与细胞增殖关系的发现(T. Hunter和B.M. Sefton, 1980), 使人们认识到酶活性在细胞信号转导中的中心作用。在细胞增殖周期研究中,相继发现了MPF(maturation promoting factor) (Y. Masui和C.L. Marke1t, 1971)和细胞周期素(cyclin)(T. Hunt,1983); 原癌基因(proto-oncogene)的发现(J. M. Bishop和H. E. Varmus,1976)在催生人类肿瘤基因的发现的同时,也丰富了对细胞周期调节机制的认识。在细胞分化研究方面,继20世纪60年代J.Gurdon在非洲爪赡的细胞核移植实验中证明已分化的蝌蚪肠上皮细胞的细胞核仍然保持着能分化成为成体爪赡的能力之后,英国爱丁堡Roslin研究所I.Wilmut和其同事将成年绵羊乳腺上皮细胞的核移植到另一只羊的去核的卵细胞中,成功地克隆出绵羊多莉(Dolly)(1997), 证明细胞分化的本质是基因的选择性表达;1983年,瑞士Gehring实验室工作人员在绘制果蝇触角足复合体基因图谱过程中发现了同源异形框基因(homeobox gene)。在细胞衰老与死亡研究领域,提出了细胞衰老的“端粒钟(telomere clock)”学说(C. Harley, 1990), 鉴定出控制程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD)的基因(H. R. Horviz, 1986)。在干细胞与细胞工程研究领域,率先建立的小鼠胚胎干细胞系(G. R. Martin, M. Evans和M.Kaufman, 1981), 促进了整体水平的基因操作(如转基因小鼠)技术在细胞分化与发育及人类疾病(动物模型)的研究进展;之后,人类胚胎干细胞建系也获得成功(J. A. Thomson和J.D. Gearhart, 1998)。这些研究成果奠定了现代细胞生物学的基础。

细胞生物学的发展趋势[编辑]

纵观细胞生物学的发展历史,可以得出理论的提出和研究技术的进步是推动细胞生物学快速发展的结论。19世纪“细胞学说”的提出回答了生物界的统一性和生命活动的本质,奠定了包括细胞生物学在内的生命科学发展的基础;20世纪30年代电子显微镜的发明让入们看到了结构复杂和分工协作的细胞世界;20世纪50年代建立的DNA双螺旋结构模型和遗传信息传递的“中心法则”将细胞学研究带入分子水平,成为分子细胞生物学或细胞分子生物学。我们相信,21世纪初期完成的包括人类在内的生物体基因组序列分析的完成,将引领细胞生物学的快速发展。
1990年人类基因组计划(human genome project, HGP)启动,在这一世界性范围内的科学大合作中,中国科学家于1993年加入,承担其中1%的序列分析任务。2000年美、英、日、法、德、中6国学者共同绘制了人类基因组框架图,2003年人类基因组序列分析完成。人们发现包括人类在内的哺乳动物基因组中近98%的序列不与蛋白质编码基因相对应。随后发现,非编码DNA并非垃圾序列,它们均可被转录加工为非编码小RNA或长链非编码RNA。同时不依赖于DNA序列的可遗传信息——表观遗传现象的发现,使人类基因组信息更加复杂。可以认为,为诠释这些基因组结构及生物学意义的基因组学、转录组学、蛋白质组学、细胞组学等新兴领域生命信息和新技术体系的引入,将会像“20世纪50年代建立的DNA双螺旋结构模型和遗传信息传递的中心法则将细胞生物学研究带入分子水平”那样,细胞生物学又将进入一个新的快速发展时期。
目前,细胞生物学已经从专注“单个细胞”的显微、亚显微和分子水平的常规研究扩展到更深的层次:一方面关注在生物个体水平研究细胞结构和功能的分子基础,研究细胞间相互作用、分工协作的社会关系,研究微环境细胞间相互联系的信息机制和功能取向;另一方面,基于多细胞生物的单个细胞测序技术精准解析不同身份细胞的功能基础。果蝇(Drosophila melanogaster )、线虫(Caenorhabditis elegans )、爪赡(Xenopus laevis )、斑马鱼(Danio rerio )和小鼠(Mus musculus )等是开展这方面研究的常用模型动物。这方面工作的有效开展,尚需要诸如活体成像技术等新的研究手段的不断进步,也包括不局限定性描述更多地开展定量测定和定量研究等技术的建立和不断革新。
人类认识世界的目的是为了更好地改造世界,更好地造福人类。因此,细胞生物学理论及技术的转化和应用研究应该是细胞生物学发展的终极目标。该研究领域与医学关系十分密切,其中疾病的(干)细胞治疗研究及基于基因编辑技术纠正细胞功能缺陷研究将会成为突出的亮点。