關(guān)于我們
書單推薦
新書推薦
|
工程細胞生物學 讀者對象:生命科學、基礎(chǔ)醫(yī)學相關(guān)專業(yè)本科生、研究生,其他相關(guān)領(lǐng)域工作人員
工程細胞生物學是細胞生物學的重要分支學科,是細胞生物學和細胞工程學的新興交叉邊緣學科。它以細胞生物學的理論和技術(shù)體系為基礎(chǔ),以細胞工程學中工程細胞為對象,在分子、細胞等不同層面上,揭示工程細胞的各種生命活動規(guī)律,以期按照人們的意圖對工程細胞的遺傳物質(zhì)、細胞組分及遺傳表型進行重組改造,從而獲得有重要應(yīng)用價值的新型工程細胞表達產(chǎn)物(產(chǎn)品)。可以說,工程細胞生物學是細胞生物學的應(yīng)用和拓展,同時又為細胞工程學的發(fā)展提供重要的理論和技術(shù)支撐。因此,工程細胞生物學不僅涉及細胞生物學的基本內(nèi)容,如生長分化、增殖調(diào)控、運輸分泌、信號轉(zhuǎn)導和衰老凋亡等基本生命現(xiàn)象,又涵蓋細胞工程相關(guān)內(nèi)容,如工程細胞改造及篩選、高密度培養(yǎng)條件、培養(yǎng)體系微環(huán)境中的代謝變化等。
《工程細胞生物學》著重介紹工程細胞生物學基本概念、主要內(nèi)容、研究方法和技術(shù)以及應(yīng)用現(xiàn)狀,并拓展介紹了部分重點實驗操作和工程知識。書中設(shè)計了部分知識拓展框,以豐富學科進展方面的內(nèi)容。 《工程細胞生物學》可作為生命科學、基礎(chǔ)醫(yī)學相關(guān)專業(yè)本科生、研究生教材,也可供其他相關(guān)領(lǐng)域工作人員參考使用。 更多科學出版社服務(wù),請掃碼獲取。
陳志南主編的《工程細胞生物學》在內(nèi)容上分為三個部分,第一部分從總體上介紹工程細胞研究涉及的各種技術(shù);第二部分著重闡述與工程細胞緊密相關(guān)的基礎(chǔ)知識;第三部分系統(tǒng)論述細胞工程的實際操作和應(yīng)用技術(shù)。本書力圖體現(xiàn)的特色是:其一,基礎(chǔ)知識與實際應(yīng)用緊密結(jié)合;其二,基本知識與研究進展有機整合;其三,多學科、多層面的系統(tǒng)融合。因此可以說,本教材既體現(xiàn)了生命科學迅猛發(fā)展的現(xiàn)實要求,又顯示出編寫者在理論和技術(shù)體系創(chuàng)新上的積極探索。教學過程中,可依據(jù)教學對象和學時要求選擇相關(guān)內(nèi)容。同時,本書詳細的技術(shù)規(guī)程、操作程序及莢鍵環(huán)節(jié)參數(shù)控制等內(nèi)容,也可作為相關(guān)研究人員手邊的工作指南。書中部分研究成果也反映了編者所在單位,在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究以及“863”計劃等國家課題支持下,在細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)體系建立方面的研究工作進展。
陳志南、邊惠潔、邢金良、蔣建利、劉宏頎
總目錄
前言 第一章 緒論 1 1.1 工程細胞生物學的基本概念 1 1.2 工程細胞學與細胞生物學的聯(lián)系和發(fā)展 5 1.3 工程細胞生物學研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 11 第二章 工程細胞生物學的研究方法和技術(shù) 15 2.1 細胞形態(tài)學觀察技術(shù) 15 2.2 免疫細胞化學技術(shù) 30 2.3 細胞的分離與培養(yǎng)技術(shù) 45 2.4 工程細胞的構(gòu)建技術(shù) 63 2.5 細胞的三維培養(yǎng)技術(shù) 84 2.6 工程細胞無血清懸浮培養(yǎng)技術(shù) 88 第三章 工程細胞生物學基礎(chǔ) 97 3.1 細胞的基本概念 97 3.2 細胞核與遺傳信息傳遞 106 3.3 核糖體與蛋白質(zhì)的生物合成 127 3.4 細胞物質(zhì)的代謝 143 3.5 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)與蛋白質(zhì)合成分泌 192 3.6 細胞膜與細胞間或細胞基質(zhì)間相互作用 212 3.7 線粒體與能量代謝 256 3.8 細胞骨架與細胞遷徙、伸展和運動 277 3.9 蛋白酶體與細胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解 290 3.10 細胞周期及其調(diào)控 304 3.11 細胞分化與基因表達調(diào)控 330 3.12 細胞衰老與凋亡 341 第四章 工程細胞生物學 359 4.1 工程細胞的概念和分類 359 4.2 動物工程細胞基礎(chǔ) 368 4.3 植物工程細胞基礎(chǔ) 426 4.4 工程細胞的構(gòu)建及改良 445 4.5 高效表達載體構(gòu)建 455 4.6 工程細胞庫與質(zhì)量控制 487 4.7 工程細胞的增殖及代謝特征 506 4.8 工程細胞高密度培養(yǎng)工藝與目標產(chǎn)品 547 4.9 工程細胞表達產(chǎn)品的分離純化 594 4.10 工程細胞表達產(chǎn)品的質(zhì)量控制 628 4.11 干細胞工程 647 4.12 基于工程細胞的研究及應(yīng)用 672 4.13 工程細胞工業(yè)化放大及應(yīng)用 694 附錄一漢英名詞對照 713 附錄二英漢名詞對照 730 目錄 前言 第一章 緒論 1.1 工程細胞生物學的基本概念 1 1.1.1 細胞工程和工程細胞的基本概念和分類 1 1.1.2 工程細胞生物學的概念、內(nèi)涵和研究范疇 4 1.2 工程細胞學與細胞生物學的聯(lián)系和發(fā)展 5 1.2.1 細胞生物學的歷史發(fā)展 5 1.2.2 細胞工程的歷史發(fā)展 8 1.2.3 工程細胞生物學的提出 9 1.3 工程細胞生物學研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 11 小結(jié) 12 思考題 12 參考文獻 13 第二章 工程細胞生物學的研究方法和技術(shù) 2.1 細胞形態(tài)學觀察技術(shù) 15 2.1.1 普通光學顯微鏡技術(shù) 15 2.1.2 倒置相差顯微鏡技術(shù) 18 2.1.3 顯微電影攝影術(shù) 19 2.1.4 熒光顯微鏡技術(shù) 20 2.1.5 共聚焦激光掃描顯微鏡技術(shù) 22 2.1.6 原子力顯微鏡技術(shù) 26 2.1.7 電子顯微鏡技術(shù) 27 小結(jié) 29 思考題 30 參考文獻 30 2.2 免疫細胞化學技術(shù) 30 2.2.1 免疫細胞/組織化學技術(shù) 31 2.2.2 流式細胞術(shù) 39 2.2.3 免疫磁珠細胞分離技術(shù) 43 小結(jié) 44 思考題 45 參考文獻 45 2.3 細胞的分離與培養(yǎng)技術(shù) 45 2.3.1 細胞分離技術(shù) 45 2.3.2 亞細胞分離技術(shù) 47 2.3.3 細胞培養(yǎng)技術(shù) 51 2.3.4 細胞內(nèi)分子示蹤技術(shù) 58 小結(jié) 61 思考題 62 參考文獻 62 2.4 工程細胞的構(gòu)建技術(shù) 63 2.4.1 細胞融合技術(shù) 63 2.4.2 基因克隆技術(shù) 65 2.4.3 基因?qū)思夹g(shù) 68 2.4.4 基因表達技術(shù) 69 2.4.5 基因突變技術(shù) 76 2.4.6 基因敲除技術(shù) 77 小結(jié) 82 思考題 82 參考文獻 82 2.5 細胞的三維培養(yǎng)技術(shù) 84 2.5.1 三維細胞培養(yǎng)概念 84 2.5.2 三維細胞培養(yǎng)技術(shù) 84 2.5.3 三維培養(yǎng)介質(zhì) 85 2.5.4 三維培養(yǎng)應(yīng)用 85 小結(jié) 87 3.1 細胞的基本概念 97 3.1.1 細胞是認識生命的一個重要層次 97 3.1.2 細胞生物學的研究進展 103 小結(jié) 104 思考題 105 參考文獻 105 3.2 細胞核與遺傳信息傳遞 106 3.2.1 細胞核的結(jié)構(gòu)與組成 106 3.2.2 染色質(zhì)與染色體 110 3.2.3 核仁的結(jié)構(gòu)和功能 114 3.2.4 遺傳信息的復制 115 3.2.5 基因的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后加工 117 3.2.6 遺傳信息的翻譯及加工 120 3.2.7 基因表達調(diào)控 123 小結(jié) 126 思考題 127 參考文獻 127 3.3 核糖體與蛋白質(zhì)的生物合成 127 3.3.1 蛋白質(zhì)生物合成體系 128 3.3.2 蛋白質(zhì)生物合成過程 132 3.3.3 蛋白質(zhì)合成后的分泌及加工修飾 139 小結(jié) 142 思考題 143 參考文獻 143 3.4 細胞物質(zhì)的代謝 143 3.4.1 糖代謝 144 3.4.2 脂類代謝 151 3.4.3 氨基酸代謝 167 3.4.4 核苷酸代謝 182 小結(jié) 191 思考題 192 參考文獻 192 3.5 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)與蛋白質(zhì)合成分泌 192 3.5.1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 192 3.5.2 高爾基復合體 198 3.5.3 溶酶體 202 3.5.4 過氧化物酶體 205 3.5.5 蛋白質(zhì)的分選與細胞結(jié)構(gòu)的裝配 207 小結(jié) 211 思考題 211 參考文獻 212 3.6 細胞膜與細胞間或細胞基質(zhì)間相互作用 212 3.6.1 質(zhì)膜的化學組成 212 3.6.2 質(zhì)膜的結(jié)構(gòu) 216 3.6.3 質(zhì)膜的流動鑲嵌模型 216 3.6.4 細胞表面的分化 218 3.6.5 細胞外基質(zhì) 220 3.6.6 跨膜運輸 226 3.6.7 細胞連接 237 3.6.8 細胞通信 241 小結(jié) 255 思考題 255 參考文獻 255 3.7 線粒體與能量代謝 256 3.7.1 線粒體的形態(tài)、數(shù)量和分布 256 3.7.2 線粒體的結(jié)構(gòu) 257 3.7.3 線粒體的化學組成和酶的定位 259 3.7.4 線粒體的功能 260 3.7.5 線粒體的半自主性 268 3.7.6 核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運 271 3.7.7 線粒體的起源與發(fā)生 274 小結(jié) 思考題 參考文獻 3.8 細胞骨架與細胞遷徙、伸展和運動 277 3.8.1 細胞骨架的概念 278 3.8.2 細胞質(zhì)骨架 279 3.8.3 細胞核骨架 281 3.8.4 細胞膜骨架與細胞外基質(zhì)的關(guān)系 282 3.8.5 細胞骨架及其相關(guān)蛋白 284 3.8.6 細胞骨架與信號轉(zhuǎn)導 285 3.8.7 細胞骨架與細胞遷移運動 287 3.8.8 細胞骨架間的相互作用 288 3.8.9 細胞骨架與疾病 289 小結(jié) 289 思考題 290 參考文獻 290 3.9 蛋白酶體與細胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解 290 3.9.1 蛋白酶體的結(jié)構(gòu) 291 3.9.2 泛素-蛋白酶體系統(tǒng) 292 3.9.3 蛋白酶體的功能 293 3.9.4 細胞內(nèi)兩條蛋白質(zhì)降解途徑之間的關(guān)系 298 3.9.5 蛋白酶體與疾病 301 3.9.6 蛋白酶體抑制劑 302 小結(jié) 303 思考題 303 參考文獻 303 3.10 細胞周期及其調(diào)控 304 3.10.1 細胞周期的概念 304 3.10.2 細胞周期的時相 306 3.10.3 細胞分裂 307 3.10.4 細胞周期的調(diào)控 315 小結(jié) 328 思考題 329 參考文獻 329 3.11 細胞分化與基因表達調(diào)控 330 3.11.1 細胞分化的基本概念 330 3.11.2 細胞分化的分子基礎(chǔ) 331 3.11.3 影響細胞分化的因素 332 3.11.4 細胞分化基因表達的調(diào)控過程 333 3.11.5 細胞分化與細胞外基質(zhì)的關(guān)系 334 3.11.6 異常分化與腫瘤發(fā)生 335 小結(jié) 340 思考題 340 參考文獻 340 3.12 細胞衰老與凋亡 341 3.12.1 細胞衰老(aging)的定義與特征 341 3.12.2 細胞衰老發(fā)生的機制 342 3.12.3 細胞凋亡及其主要特征 344 3.12.4 細胞凋亡的分子機制 345 3.12.5 其他細胞死亡形式 348 小結(jié) 356 思考題 357 參考文獻 357 第四章 工程細胞生物學 4.1 工程細胞的概念和分類 359 4.1.1 工程細胞的概念 359 4.1.2 工程細胞的分類 359 小結(jié) 368 思考題 368 參考文獻 368 4.2 動物工程細胞基礎(chǔ) 368 4.2.1 動物工程細胞培養(yǎng)基礎(chǔ) 368 4.2.2 培養(yǎng)液和培養(yǎng)環(huán)境 373 4.2.3 動物細胞培養(yǎng)液和添加劑 378 4.2.4 無血清無蛋白培養(yǎng) 380 4.2.5 培養(yǎng)環(huán)境與細胞發(fā)酵 383 4.2.6 細胞培養(yǎng)的載體 388 4.2.7 生物反應(yīng)器 390 4.2.8 胚胎細胞工程基礎(chǔ) 398 4.2.9 染色體工程基礎(chǔ) 412 小結(jié) 425 思考題 426 參考文獻 426 4.3 植物工程細胞基礎(chǔ) 426 4.3.1 植物細胞工程基本概念 427 4.3.2 植物細胞與組織培養(yǎng) 427 4.3.3 植物原生質(zhì)體培養(yǎng) 430 4.3.4 植物細胞融合工程 432 4.3.5 植物染色體工程 433 4.3.6 植物細胞質(zhì)工程 434 4.3.7 轉(zhuǎn)基因植物 436 4.3.8 植物細胞工程的應(yīng)用 441 小結(jié) 444 思考題 444 參考文獻 445 4.4 工程細胞的構(gòu)建及改良 445 4.4.1 細胞融合技術(shù) 446 4.4.2 雜交瘤細胞的制備 448 小結(jié) 454 思考題 454 參考文獻 454 4.5 高效表達載體構(gòu)建 455 4.5.1 典型真核表達載體 455 4.5.2 影響載體表達的控制元件 456 4.5.3 提高真核載體表達水平的策略 458 4.5.4 利用定點整合提高抗體的表達 459 4.5.5 工程細胞研究應(yīng)用現(xiàn)狀 466 4.5.6 工程細胞的穩(wěn)定性 479 小結(jié) 484 思考題 485 參考文獻 485 4.6 工程細胞庫與質(zhì)量控制 487 4.6.1 三級細胞庫 487 4.6.2 工程細胞庫的建立 487 4.6.3 工程細胞庫細胞系(株)歷史資料 489 4.6.4 細胞庫質(zhì)量控制 491 4.6.5 工程細胞維持與培養(yǎng)方法 497 4.6.6 建庫細胞的管理 500 小結(jié) 501 思考題 501 參考文獻 501 附錄一:細胞庫細胞資料樣表 502 附錄二:細胞污染檢測——細菌與霉菌 503 附錄三:支原體檢測方法——DNA熒光染色法 504 4.7 工程細胞的增殖及代謝特征 506 4.7.1 工程細胞的生長增殖與細胞凋亡 506 4.7.2 工程細胞營養(yǎng)代謝特征 526 4.7.3 工程細胞產(chǎn)物合成特征 541 小結(jié) 544 思考題 545 參考文獻 545 4.8 工程細胞高密度培養(yǎng)工藝與目標產(chǎn)品 547 4.8.1 工程細胞培養(yǎng)方式 547 4.8.2 工程細胞培養(yǎng)基 551 4.8.3 工程細胞代謝與控制 563 4.8.4 工程細胞培養(yǎng)工藝——流加培養(yǎng) 566 4.8.5 工程細胞高密度培養(yǎng)工藝優(yōu)化 576 4.8.6 工程細胞培養(yǎng)過程的監(jiān)測與控制 584 4.8.7 過程控制的基本類型 585 4.8.8 細胞環(huán)境在線檢測的應(yīng)用 592 小結(jié) 593 思考題 593 參考文獻 594 4.9 工程細胞表達產(chǎn)品的分離純化 594 4.9.1 工程細胞表達產(chǎn)品回收與純化 594 小結(jié) 627 思考題 627 參考文獻 627 4.10 工程細胞表達產(chǎn)品的質(zhì)量控制 628 4.10.1 工程細胞表達產(chǎn)品的物化指標測定 629 4.10.2 目標產(chǎn)品的生物學活性測定 641 4.10.3 目標產(chǎn)品的安全性評價 644 4.10.4 目標產(chǎn)品的穩(wěn)定性 646 小結(jié) 646 思考題 646 參考文獻 646 4.11 干細胞工程 647 4.11.1 干細胞概念與分類 647 4.11.2 胚胎干細胞建系與定向分化 648 4.11.3 成體干細胞建系與定向分化 655 4.11.4 腫瘤干細胞 660 4.11.5 干細胞的研究與應(yīng)用 667 小結(jié) 670 思考題 670 參考文獻 670 4.12 基于工程細胞的研究及應(yīng)用 672 4.12.1 工程細胞的實驗室研究及應(yīng)用 672 4.12.2 細胞黏附,細胞分泌,物質(zhì)運輸?shù)确肿訖C制研究 672 4.12.3 細胞-細胞共培養(yǎng)體系的建立 682 4.12.4 細胞-細胞外基質(zhì)的模型系統(tǒng) 683 4.12.5 基質(zhì)金屬蛋白酶與細胞外基質(zhì)重建 685 4.12.6 綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)染表達 686 4.12.7 藥物篩選 689 小結(jié) 693 思考題 693 參考文獻 693 4.13 工程細胞工業(yè)化放大及應(yīng)用 694 4.3.1 工程細胞表達重組蛋白藥物及其應(yīng)用 694 4.13.2 工程細胞表達疫苗及其應(yīng)用 701 4.13.3 工程細胞表達抗體及其應(yīng)用 703 4.13.4 工程細胞的發(fā)展前景 709 小結(jié) 711 思考題 711 參考文獻 712 附錄一漢英名詞對照 713 附錄二英漢名詞對照 730
第一章 緒 論
1.1 工程細胞生物學的基本概念 工程細胞生物學是細胞生物學的重要分支學科,是細胞生物學和細胞工程學的新興交叉邊緣學科。工程細胞生物學的研究內(nèi)容不僅涉及細胞生物學的基本內(nèi)容,如細胞的生長分化、增殖調(diào)控、運輸分泌、信號轉(zhuǎn)導和衰老凋亡等基本生命現(xiàn)象;同時又涵蓋細胞工程相關(guān)內(nèi)容,如工程細胞的改造及篩選、高密度培養(yǎng)條件及優(yōu)化、培養(yǎng)體系微環(huán)境中的代謝變化及調(diào)節(jié)等。 1.1.1 細胞工程和工程細胞的基本概念和分類 1.1.1.1 細胞工程的概念和研究范疇 細胞是包含了全部生命信息和體現(xiàn)生命所有基本特點的獨立生命單位,對細胞結(jié)構(gòu)和活動的研究是一切生命科學的重要基礎(chǔ)。20世紀70年代末至80年代初,隨著細胞生物學和分子生物學突飛猛進的發(fā)展,人類已經(jīng)可以在探索細胞生命活動規(guī)律的基礎(chǔ)上,在細胞和基因的水平上干預和改造生物的遺傳性狀,從而依照人類的意愿,設(shè)計出新的生物基因藍圖,然后據(jù)此制造出新的生命體。正如德國著名哲學家尤根?米特斯特拉斯所指出的:“我們的科學知識正在把我們逐漸推到一種不僅能夠知道我們的(生物)本質(zhì),而且還能加以改變的位置上!奔毎こ叹褪沁@樣一門新型學科。 細胞工程,是指應(yīng)用現(xiàn)代細胞生物學、分子生物學、遺傳和發(fā)育生物學等理論與方法,通過類似工程學的步驟,在細胞整體水平和細胞器水平上進行遺傳操作,重組細胞的結(jié)構(gòu)和內(nèi)含物,按照人們的意愿改變生物的結(jié)構(gòu)和功能,即通過細胞融合、核質(zhì)移植、染色體或基因移植以及組織、細胞培養(yǎng)等方法,快速繁殖和培養(yǎng)出人們所需要的新物種、新產(chǎn)品的生物工程技術(shù)。通俗地講,細胞工程是在細胞水平上做手術(shù),也稱細胞操作技術(shù)。例如,細胞融合技術(shù)避免了分離、提純、剪切、拼接等基因操作,只需將細胞遺傳物質(zhì)直接轉(zhuǎn)移到受體細胞中,就能形成雜交細胞,因而能提高基因轉(zhuǎn)移效率。 目前細胞工程的主要研究領(lǐng)域包括:①動、植物細胞和組織培養(yǎng);②細胞融合育種與單克隆抗體;③細胞核移植與克;④染色體工程育種;⑤發(fā)育基因調(diào)控與人體器官培養(yǎng)技術(shù)等。細胞工程涉及的技術(shù)領(lǐng)域是對細胞不同結(jié)構(gòu)層次的改造,包括細胞整體層次,如細胞培養(yǎng)、細胞融合等;細胞器層次,如核移植、細胞拆合、染色體倍性或組成改變等;分子層次,如基因操作技術(shù)等。隨著基因工程技術(shù)、基因轉(zhuǎn)移技術(shù)和干細胞工程技術(shù)的發(fā)展,細胞工程在理論和應(yīng)用兩方面獲得了快速發(fā)展。 根據(jù)細胞類型的不同,細胞工程具體分為動物細胞工程、植物細胞工程和微生物細胞工程。首先,動物細胞與植物細胞相比,在遺傳和生理特性等方面都有很大的不同:①動物細胞沒有葉綠體和細胞壁,其物質(zhì)與能量代謝途徑與植物細胞不同;②高等動物的細胞在動物體內(nèi)生長時,既相互依賴又相互制約,在神經(jīng)及體液調(diào)節(jié)下形成了一種非常復雜的內(nèi)環(huán)境,動物細胞在體內(nèi)受整體調(diào)節(jié)制約的程度和復雜度,都是植物細胞不能相比的;③動物細胞分化的程度和類別也比植物細胞更高、更復雜,脫分化非常困難;④與植物細胞不同,動物細胞除卵細胞外,都只有遺傳上的全能性而沒有細胞上的全能性;⑤在體外培養(yǎng)時,除癌細胞和血細胞外,正常的動物細胞都有貼附于支持物生長的特性,并且發(fā)生接觸抑制,而停止分裂和增殖;⑥所有高等動物細胞都是有壽限的,細胞分裂最多不能超過50代次分化,而植物細胞沒有壽限。隨著細胞生物學、分子生物學和細胞遺傳學研究的日益深入及相關(guān)技術(shù)的長足發(fā)展,動物細胞工程得到了迅速發(fā)展,并且在醫(yī)學研究和實踐應(yīng)用中應(yīng)用日益廣泛。當今,動物細胞工程對提高人類的生活質(zhì)量和健康水平,發(fā)揮著越來越重要的作用。 微生物作為可以獨立存在的個體,其生長代謝的特點與植物、動物有著顯著的區(qū)別,可由其自身完成其基本功能。微生物細胞工程以微生物細胞為研究對象,利用微生物發(fā)酵作用,通過現(xiàn)代工程技術(shù)手段來生產(chǎn)有用物質(zhì),或者把微生物直接應(yīng)用于生物反應(yīng)器技術(shù)。此外,對微生物細胞的改造也屬于微生物細胞工程的研究內(nèi)容,在遺傳育種、微生物發(fā)酵、環(huán)境保護和農(nóng)藥生產(chǎn)工業(yè)上具有重要意義。其應(yīng)用從人們?nèi)粘o嬘玫木啤⑷樗、調(diào)味的醋、醬油,到抗生素、激素、疫苗等,無一不是微生物發(fā)酵的產(chǎn)物;在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護方面,用于土壤改良,減少土壤里的殘毒,增加土壤肥力和制造對人無毒副作用的微生物農(nóng)藥、微生物肥料和微生物飼料;在農(nóng)藥生產(chǎn)方面,利用細菌、病毒、真菌等病原微生物防治作物的病蟲害本身就是一種無污染的新興生物農(nóng)藥。 1.1.1.2 細胞工程的主要研究內(nèi)容 細胞工程依遺傳操作的不同,可分為細胞融合工程、基因工程、細胞拆合工程、染色體及染色體組工程;依培養(yǎng)技術(shù)的不同,可分為大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術(shù)和干細胞工程。 1) 細胞融合工程 細胞融合(cellfusion)又稱細胞雜交(cellhybridization)。它是指在自然條件下或用人工方法(生物的、物理的、化學的),使兩種或兩種以上的體細胞合并形成一個細胞,這是一種不經(jīng)過有性生殖過程而得到雜種細胞的方法。在多細胞生物中,它是一種基本的發(fā)育與生理活動。 自發(fā)的動物細胞融合概率很低,1962年日本學者岡田善雄發(fā)現(xiàn)滅活的仙臺病毒可誘導小鼠艾氏腹水癌細胞彼此融合。20世紀60年代后期,研究人員發(fā)明了只讓雜種細胞存活并傳代的技術(shù),該技術(shù)使未發(fā)生融合的親本細胞及非兩親本融合的細胞在傳代過程中被淘汰。1975年,Milstein和Kohler將小鼠骨髓瘤細胞與羊紅細胞免疫過的小鼠淋巴細胞融合,形成雜種細胞,能分泌抗羊紅細胞抗體,用于制備單克隆抗體。細胞融合可實現(xiàn)任意細胞間的融合而不受親緣關(guān)系的限制,這就拓寬了遺傳變異的范圍。細胞融合技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,如醫(yī)學上的單克隆抗體的生產(chǎn)和植物界新物種的培育等。盡管細胞融合的重要性如此之大,但細胞的融合過程是如何在基因控制下發(fā)生和發(fā)展的,人們一直沒有搞清楚。 2) 基因工程 基因工程即重組DNA技術(shù),是從基因水平改造生物遺傳組成,進而改變細胞的表型,所以將其納入細胞工程的范疇。它是一種按照人類的意愿,定向改變生物遺傳性狀的技術(shù)工程,即采用類似工程設(shè)計的方法,按照預先設(shè)計將不同來源的目的基因在體外切割、拼接和重新組合,形成重組基因,然后通過運載體導入宿主細胞,使其在宿主細胞內(nèi)復制和表達以獲得新生物產(chǎn)品、改變生物原有的遺傳特性或創(chuàng)造出具有新遺傳性狀的生物新品種。 3) 染色體工程和染色體組工程 染色體工程是按照預先的設(shè)計,添加、消除或替代同種或異種染色體的全部或一部分,從而達到定向改變生物遺傳性狀或選育新品種的目的。它是從染色體水平改變細胞遺傳組成的細胞工程技術(shù),主要分為動物染色體工程和植物染色體工程兩種。動物染色體工程主要采用對細胞進行顯微操作的方法來達到轉(zhuǎn)移基因的目的;而植物染色體工程目前主要是利用傳統(tǒng)的雜交、回交等方法來達到改變?nèi)旧w的目的。染色體工程目前主要應(yīng)用于植物遺傳育種領(lǐng)域。 染色體組工程是在人為設(shè)計的技術(shù)路線下添加、消除同種或異種染色體組以達到定向改變生物遺傳性狀的目的。 4) 細胞拆合工程 細胞拆合工程又稱細胞質(zhì)工程,研究真核細胞的核、質(zhì)相互關(guān)系,以及細胞器,細胞胞質(zhì)基因的轉(zhuǎn)移等細胞拆合的技術(shù)。該技術(shù)主要研究內(nèi)容是進行細胞組分的分離和融合,研究細胞質(zhì)和細胞器的添加和替代。具體操作方法是通過物理或化學方法將細胞質(zhì)與細胞核分開,再進行不同細胞間核質(zhì)的重新組合,重建成新細胞。常用的技術(shù)就是細胞核移植、胞質(zhì)體(去核細胞)與完整細胞的融合、細胞器導入完整細胞及大分子直接導入細胞等。其目的是創(chuàng)造出細胞質(zhì)與細胞核的雜種細胞,這種雜種細胞便有可能出現(xiàn)遺傳的變異,出現(xiàn)胞質(zhì)遺傳與胞核遺傳的重新組合。細胞拆合最成功的例子是克隆羊“多莉”的誕生。它是通過無性繁殖制備與母體在遺傳上一致的克隆動物,即將其母體體細胞的核與去核卵子的細胞質(zhì)人工重組,借助于卵子的發(fā)育能力,制造成的高等動物克隆。 5) 干細胞工程 干細胞工程是在細胞培養(yǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新的細胞工程。它是利用干細胞的增殖特性、多分化潛能及其增殖分化的高度有序性,通過體外培養(yǎng)干細胞、誘導干細胞定向分化或利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)處理干細胞改變其特性的方法,以達到利用干細胞為人類服務(wù)的目的。 其主要研究內(nèi)容,一方面,胚胎干細胞的研究,如建立胚胎干細胞(embryonicstemcell,ES)系,并利用ES細胞的發(fā)育多能性即環(huán)境因素對細胞分化發(fā)育的影響,定向誘導細胞分化為特定的細胞,如肌細胞、神經(jīng)細胞等,作為細胞移植的新來源。另一方面,成體干細胞的研究主要包括:成體組織干細胞的分離培養(yǎng)和植入體內(nèi),更新機體病變的組織器官恢復正常功能;成體組織干細胞作為基因治療的靶細胞;研究體內(nèi)有效激活成體組織干細胞的方法,增強其功能。 6) 大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術(shù) 大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術(shù)是細胞工程中重要的組成部分,是在人工條件下高密度大規(guī)模培養(yǎng)動、植物細胞,用來生產(chǎn)生物技術(shù)產(chǎn)品的技術(shù)。如今這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生物制藥的研究和生產(chǎn)中。它的應(yīng)用大大減少了用于疾病預防、治療和診斷的實驗動物,為生產(chǎn)疫苗、細胞因子、生物產(chǎn)品乃至人造組織等產(chǎn)品提供了強有力的工具。 根據(jù)細胞的生長特性,可分為貼壁細胞和懸浮細胞。就其培養(yǎng)方法而言可概括為懸浮培養(yǎng)和固定化培養(yǎng)。就操作方式而言,可分為分批式、補料?分批或流加式、半連續(xù)式、連續(xù)灌流式4種操作方式。大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的建立,使各種生物制品,如單抗、紅細胞生成素、疫苗和病毒殺蟲劑等的生產(chǎn)得到了很大的發(fā)展。 1.1.1.3 工程細胞的概念和分類 經(jīng)典意義上,工程細胞即基因工程細胞,是經(jīng)過改造并被轉(zhuǎn)入了基因的細胞。具體地講,是指采用基因工程技術(shù)或細胞融合技術(shù)對宿主細胞的遺傳物質(zhì)進行修飾改造或重組,獲得具有穩(wěn)定遺傳的獨特性狀的細胞系。通過改造的工程細胞獲得或提高了重組蛋白類藥物表達的產(chǎn)量和質(zhì)量。從細胞工程這個大的概念上講,凡是由細胞工程技術(shù)包括細胞融合工程、基因工程、細胞拆合工程和染色體工程構(gòu)建的細胞,或用于細胞工程培養(yǎng)技術(shù)如干細胞工程、大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的細胞均屬于工程細胞的概念范疇。在本書中,工程細胞主要指后者,即用于大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)制備生物技術(shù)藥物的動物細胞。 工程細胞依據(jù)組織器官來源包括原核細胞、動物細胞、植物細胞、酵母細胞、昆蟲細胞和干細胞等;依據(jù)構(gòu)建方法和應(yīng)用分為基因工程細胞、組織工程細胞等;依據(jù)生長方式可分為貼壁細胞和懸浮細胞;依據(jù)生存期分為有限細胞系和永生化細胞系。 盡管近年來工程細胞的構(gòu)建取得了重大進展,但目前工程細胞的構(gòu)建都沿襲經(jīng)驗的方法。例如,在工業(yè)生物制藥領(lǐng)域普遍采用的工程細胞系構(gòu)建策略仍然需要費時費力的克隆篩選,常常耗時幾個月。更為主要的是,沒有可靠的預測或模擬克隆株在大規(guī)模生物反應(yīng)器條件下細胞生長特性和產(chǎn)物分泌能力的辦法,致使篩選的克隆株在大規(guī)模生產(chǎn)條件下難以再現(xiàn)小規(guī)模實驗條件下相同的細胞生長和產(chǎn)物分泌能力。因而,這些策略都存在很大程度的可變性和不穩(wěn)定性。究其根本原因在于,缺乏對哺乳動物細胞培養(yǎng)過程變化最本質(zhì)的理解,缺乏對細胞遺傳學機制的理解,缺乏對工程細胞的生物學和生理學行為的理解,特別是缺乏對如何獲得能夠分泌高產(chǎn)率、高質(zhì)量蛋白質(zhì)的工程細胞的細胞與分子生物學機制的理解。 分泌抗體或重組蛋白的工程細胞不同于自然來源的體內(nèi)細胞,含有有意識的人為的改造,因而其表型及其應(yīng)用均具有定向性和目的性。另外,工程細胞的獲得也是有一定的選擇性的。其篩選條件是多種多樣的,除了細胞本身的改造以適應(yīng)細胞的高密度、高產(chǎn)率培養(yǎng)外,還包括培養(yǎng)條件、培養(yǎng)規(guī)模、生產(chǎn)和市場需求等。因此隨著細胞工程的不斷發(fā)展,工程細胞的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究也不斷擴展和深入。因而,對工程細胞生物學行為研究的需求也日益迫切。 1.1.2 工程細胞生物學的概念、內(nèi)涵和研究范疇 1.1.2.1 工程細胞生物學的概念和內(nèi)涵 工程細胞生物學以細胞生物學的理論和技術(shù)體系為基礎(chǔ),以細胞工程學中的工程細胞為對象,在分子、細胞等不同層面上,揭示工程細胞的各種生命活動規(guī)律,以期按照人們的意圖對工程細胞的遺傳物質(zhì)、細胞組分及遺傳表型進行重組改造,從而獲得有重要應(yīng)用價值的新型工程細胞表達產(chǎn)物(產(chǎn)品)?梢哉f,工程細胞生物學是細胞生物學的應(yīng)用和拓展,同時又為細胞工程學的發(fā)展提供重要的理論和技術(shù)支撐。目前,工程細胞生物學這一領(lǐng)域所涉及的研究內(nèi)容已成為國外細胞工程及生物制藥尤其是抗體制藥領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和趨勢。 1.1.2.2 工程細胞生物學研究范疇 工程細胞生物學主要對于工程細胞在體外長期培養(yǎng)條件下的生物學行為的適應(yīng)與調(diào)控機制進行研究。 (1)研究工程細胞在體外規(guī);囵B(yǎng)條件下的細胞生長代謝等分子細胞生物學行為的改變及其調(diào)節(jié)機制,包括:工程細胞的永生化,工程細胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運及代謝、脂代謝及其調(diào)節(jié),細胞的氨基酸代謝調(diào)節(jié)與細胞生長凋亡的關(guān)系,無血清培養(yǎng)條件下的細胞體積變大、液泡出現(xiàn)等適應(yīng)性改變、細胞抵抗“失巢”而黏附聚集成團,以及細胞高密度生長代謝的營養(yǎng)需求等規(guī);囵B(yǎng)中的關(guān)鍵問題。闡明這些現(xiàn)象本質(zhì)與分子機制,為工程細胞的規(guī);囵B(yǎng)提供全面性、系統(tǒng)性、新穎性和可操作性的理論指導。 (2)研究工程細胞在體外規(guī)模化培養(yǎng)條件下的蛋白質(zhì)合成分泌生物學行為的改變及其調(diào)控機制。體外培養(yǎng)條件下的工程細胞其重組蛋白、抗體等合成分泌的生物學行為不同于自然來源的體內(nèi)B淋巴細胞等,有其特殊性,如體外長期培養(yǎng)和高產(chǎn)率分泌常常導致產(chǎn)物發(fā)生質(zhì)與量的改變,尤其是在進行生物反應(yīng)器培養(yǎng)時,各種理化參數(shù),如攪拌通氣、工藝放大,以及不同培養(yǎng)批次間細胞培養(yǎng)環(huán)境及生物反應(yīng)器操作條件的改變可對抗體的分泌量、分泌抗體的質(zhì)量均產(chǎn)生重要的影響。闡明這些現(xiàn)象本質(zhì)與分子機制,為提高工程細胞抗體分泌量及產(chǎn)率提供重要的理論指導。 1.2 工程細胞學與細胞生物學的聯(lián)系和發(fā)展 由于工程細胞生物學是細胞生物學的重要分支學科,是細胞生物學和細胞工程學的新興交叉邊緣學科,因而,細胞生物學和細胞工程學的歷史發(fā)展即生動展現(xiàn)了工程細胞生物學的歷史發(fā)展。在其各自的歷史發(fā)展中,二者交互影響,相互推動,最終形成了一門新興學科――工程細胞生物學。 1.2.1 細胞生物學的歷史發(fā)展 從研究內(nèi)容來看細胞生物學的發(fā)展可分為3個層次,即顯微水平、超微水平和分子水平。從時間縱軸來看細胞生物學的歷史大致可以劃分為4個主要的階段。 第一階段:細胞的發(fā)現(xiàn)及細胞學說的創(chuàng)立。從16世紀后期到19世紀30年代,是細胞發(fā)現(xiàn)和細胞知識的積累階段。通過對大量動、植物的觀察,人們逐漸意識到不同的生物都是由形形色色的細胞構(gòu)成的。 第二階段:實驗細胞學(experimentalcytology)時期。從19世紀30年代到20世紀初期,細胞學說形成后,開辟了一個新的研究領(lǐng)域,在顯微水平研究細胞的結(jié)構(gòu)與功能是這一時期的主要特點。形態(tài)學、胚胎學和染色體知識的積累,使人們認識了細胞在生命活動中的重要作用。細胞學的發(fā)展主要是采用實驗的手段研究細胞學的問題,其特點是從形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察深入到生理功能、生物化學、遺傳發(fā)育機理的研究。由于實驗研究不斷同相鄰學科結(jié)合、相互滲透,導致了一些重要分支學科的建立和發(fā)展:細胞遺傳學(cytogenetics)、細胞生理學(cytophysiology)、細胞化學(cytochemistry)。1893年Hertwig的專著《細胞與組織》(DieZelleunddieGewebe)出版,標志著細胞學的誕生。其后1896年哥倫比亞大學Wilson編著的《發(fā)育與遺傳學中的細胞》(TheCellinDevelopmentandHeredity)、1920年墨爾本大學Agar編著的《細胞學》(Cytology)都是這一領(lǐng)域最早的教科書。 第三階段:細胞生物學的誕生。20世紀30~70年代,電子顯微鏡技術(shù)出現(xiàn)后,把細胞學帶入了第三個發(fā)展時期,這短短40年間不僅發(fā)現(xiàn)了細胞的各類超微結(jié)構(gòu),而且也認識了細胞膜、線粒體、葉綠體等不同結(jié)構(gòu)的功能,使細胞學發(fā)展為細胞生物學。Robertis等1924年出版的《普通細胞學》(GeneralCytology)在1965年第四版的時候定名為《細胞生物學》(CellBiology),這是最早的細胞生物學教材之一。 第四階段:分子細胞生物學時期。從20世紀70年代基因重組技術(shù)的出現(xiàn)到當前,細胞生物學與分子生物學的結(jié)合越來越緊密,研究細胞的分子結(jié)構(gòu)及其在生命活動中的作用成為主要任務(wù),基因調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導、腫瘤生物學、細胞分化和凋亡是當代分子細胞生物學的研究熱點。 1.2.1.1 顯微鏡的發(fā)明與細胞的發(fā)現(xiàn)沒有顯微鏡就不可能有細胞學誕生。 (1)1590年,荷蘭眼鏡制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一臺復式顯微鏡。 (2)1665年,英國人Hook首次描述了植物細胞(木栓),命名cella。 (3)1680年,荷蘭人Leeuwenhoek當選為英國皇家學會會員,他一生中制作了200多臺顯微鏡和400多個鏡頭,用設(shè)計較好的顯微鏡觀察了許多動植物的活細胞與原生動物。 (4)1752年,英國人Dollond發(fā)明消色差顯微鏡。 (5)1812年,蘇格蘭人Brewster發(fā)明油浸物鏡,改進了體視顯微鏡。 (6)1886年,德國人Abbe發(fā)明復消差顯微鏡,并改進了油浸物鏡,至此普通光學顯微鏡技術(shù)基本成熟。 (7)1932年,荷蘭籍德國人Zernike成功設(shè)計了相差顯微鏡(phasecontrastmicroscope),并因此獲1953年度諾貝爾物理學獎。 (8)1932年,德國人Knoll和Ruska發(fā)明電子顯微鏡,1940年,美國、德國制造出分辨力為0.2nm的商品電子顯微鏡。 (9)1981年,瑞士人Binnig和Rohrer在IBM蘇黎世實驗中心(ZurichResearchCenter)發(fā)明了掃描隧道顯微鏡而與電子顯微鏡發(fā)明者Ruska同獲1986年度的諾貝爾物理學獎。 1.2.1.2 細胞學說 (1)1809年,法國人Lamark提出:“一切生物體都是由細胞構(gòu)成的。只有具有細胞的機體,才有生命! (2)1802年,法國植物學家BrisseauMilbel指出:“植物的每一部分都有細胞存在! (3)1824年,法國生理學家Dutrochet進一步描述了細胞的原理。 (4)1838年,德國植物學教授Schleiden發(fā)表“植物發(fā)生論”,認為無論怎樣復雜的植物都由形形色色的細胞構(gòu)成。 (5)1838年,德國解剖學教授Schwann通過研究Schleiden的細胞形成學說,提出了“細胞學說”(celltheory)這個術(shù)語;并于1939年發(fā)表了“關(guān)于動植物結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究”。Schwann提出:有機體是由細胞構(gòu)成的;細胞是構(gòu)成有機體的基本單位。 (6)1855年,德國人Virchow提出“一切細胞來源于細胞”的著名論斷,進一步完善了細胞學說。把細胞作為生命的一般單位,以及作為動、植物界生命現(xiàn)象的共同基礎(chǔ)的這種概念立即得到了普遍的接受。 1.2.1.3 細胞學的發(fā)展 (1)1839年,捷克人Pukinye用protoplasm這一術(shù)語描述細胞物質(zhì),“Protoplast”為神學用語,指人類始祖亞當。 (2)1879年,德國人Flemming觀察了蠑螈細胞的有絲分裂,于1882年提出了mitosis這一
你還可能感興趣
我要評論
|