细胞工程 Cell Engineering 主讲教师：康美玲 联系方式：15006792662 枣庄学院生命科学学院 kmling006@126.com 枣庄学院生命科学学院

教学大纲 细胞工程属专业必修课（2学分） 理论课学时 (34学时)+实验课学时(17学时) 考核形式（考试＋平时成绩）

考试和平时成绩均采用百分制记分。 期末以考试（闭卷）的形式进行，占总评成绩的70%； 平时成绩以实验报告和考勤为主，学生考勤满分以100分计，旷课一次扣5分，事假一次扣4分，病假一次扣3分，迟到一次扣2分，最后的考勤分占总评成绩的10%。 实验报告成绩占总评成绩的20%.

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： (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的变化。 (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 扩展人的大脑 第三次技术革命 生物技术 改造生命本身

生物技术的定义 生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将生物材料进行加工以提供产品为社会服务的技术。 1982年，国际合作与发展组织的定义为： 生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将生物材料进行加工以提供产品为社会服务的技术。 美国政府技术顾问委员会(OAT) 的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其中还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性。

生物技术是指人们运用现代生物科学、工程学和其他基础学科的知识，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。

生物技术的研究领域 基 因 工 程 细 胞 工 程 酶 工 程 发 酵 工 程 蛋白质工程

0.1 细胞工程简介 0.1.1 细胞工程 (cell engineering)是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组 织培养等方法或技术，在细胞、亚细胞和组织水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新性状的细胞系或生物体以及生物的次生代谢产物的学科。 细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖 目的：获得新性状、新个体、新物质

细胞工程在生物技术领域中的地位 细胞工程是现代生物技术的桥梁和纽带 蛋白质工程 基因工程 生物制药 酶工程 动植物改良 组织工程 细胞工程

细胞工程技术为微生物工程、酶工程及工程产业化提供充足的经过遗传改良和性状稳定的微生物、动植物细胞原料。 细胞工程与其它生物工程的关系： 生物化学工程为基因工程、细胞工程、微生物工程、蛋白质工程、酶工程、代谢工程提供产业化技术支持。 基因工程技术为细胞工程提供转基因细胞。 细胞工程技术为微生物工程、酶工程及工程产业化提供充足的经过遗传改良和性状稳定的微生物、动植物细胞原料。

0.1.2 细胞工程的研究范畴 根据实验操作对象可分为： 动、植物细胞与组织培养 细胞融合 细胞核移植 染色体工程 胚胎工程 0.1.2 细胞工程的研究范畴 动、植物细胞与组织培养 细胞融合 细胞核移植 染色体工程 胚胎工程 干细胞与组织工程 转基因生物与生物反应器 根据实验操作对象可分为：

动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程。 根据研究生物类型不同，细胞工程可分为: 动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程。 动物细胞工程包括：细胞培养 (包括组织培养和器官培养)、细胞融合、胚胎工程（核移植、胚胎分割等）、克隆（单细胞系克隆、器官克隆、个体克隆）等技术。 植物细胞工程包括：植物细胞、组织、器官培养技术、原生质体融合与体细胞杂交技术等。 微生物细胞工程包括：细胞融合、核移植、克隆技术等。

1、细胞与组织培养 细胞培养（cell culture）和组织培养（tissue culture）都属于体外培养(in vitro culture)，是指生物细胞和组织在离体条件下的生长和增殖，是细胞工程的最基本技术。

试管植物

试管植物

组织培养：胡萝卜根的横切面

2、细胞融合 细胞融合（cell fusion）又称细胞杂交（cell hybridization），是指两个或两个以上的细胞融合形成一个细胞的过程。

3、细胞核移植(nuclear transplantation) 利用显微操作技术将细胞核与细胞质分离，然后再将不同来源的核与质重组，形成杂种细胞。

体细胞克隆羊—多莉 例如

例如 全球首只克隆猫ＣＣ和“妈妈”在一起

例子 克隆人

4、染色体工程(chromosome engineering ) 把单个的染色体或染色体组转入或移出受体细胞，从而形成新的染色体组合和遗传构成。

三倍体无籽西瓜果实的胚珠不能发育成种子。 例子 三倍体无籽西瓜果实的胚珠不能发育成种子。 胚珠不能发育为种子，而果实则正常发育

例子 三倍体无籽西瓜的培育过程图解

5、胚胎工程(embryonic engineering) 以生殖细胞和胚胎细胞为对象进行的操作，主要技术包括体外受精、胚胎切割、胚胎移植等。

世界首例冷冻克隆牛胚胎移植犊牛在莱阳农学院降生                                                                                世界首例冷冻克隆牛胚胎移植犊牛在莱阳农学院降生 2003年10月10日 ，“蓓蓓”

6、干细胞与组织工程 干细胞（stem cell）是动物体内具有分化潜能，并能自我更新的细胞，分为胚胎干细胞和组织干细胞。 胚胎干细胞来自囊胚期的细胞团，属于全能干细胞，每个细胞可以发育成为完整的个体。 组织干细胞存在于成体组织中，属单能或多能干细胞，可以定向分化为一种或几种不同的组织。

组织工程 组织工程是在干细胞的基础上发展起来的，主要工作是将干细胞与材料科学相结合，将自体或异体的干细胞经体外扩增后种植在预先构建好的聚合物骨架上，在适宜的生长条件下干细胞沿聚合物骨架迁移、铺展、生长和分化，最终发育具有特定形态及功能的工程组织。

曹谊林教授在小鼠身上培育的人耳 世界上第一个于裸鼠背上复制了一只惟妙惟肖“人耳”的上海第二医科大学附属第九医院组织工程研究中心主任曹谊林教授

曹谊林教授

0.2 细胞工程的发展历史 0.2.1 植物细胞工程的发展 0.2.2 动物细胞工程的发展

0.2.1植物细胞工程的发展 细胞学说和细胞全能性学说的提出是植物细胞工程发展的理论基础。 细胞学说：施来登（Schleiden）和施旺（Schwann）分别在1838和1839年提出。 细胞全能性学说：德国著名植物学家哈泊兰德（G. Haberlandt）在1902年提出此观点，虽首次尝试分离培养植物未能成功，但哈仍被誉为“植物组织培养之父”。

1943年美国科学家怀特（White）正式提出了植物细胞具有全能性的学说，认为每个植物细胞都具有该植物的全部遗传信息和发育成完整植株的能力。

植物细胞工程三个研究方向的发展： （1）植物组织培养的发展 （2）植物细胞融合研究 （3）单倍体植株培养研究

0.2.2动物细胞工程的发展 三项关键技术的发展: （1）动物细胞融合、 （2）动物细胞组织培养、 （3）动物克隆

0.3 细胞工程的应用及其实践意义 0.3.1优良和濒危动植物的快速培育与繁殖： 0.3.2新型动植物品种的培育： 0.3 细胞工程的应用及其实践意义 0.3.1优良和濒危动植物的快速培育与繁殖： 0.3.2新型动植物品种的培育： 细胞、细胞器、染色体（植物单倍体、多倍体育种）、细胞核或组织水平上的遗传性状改良或培育； 0.3.3细胞工程生物制品生产： 利用动植物细胞等培养生产活性产物、药品（单克隆抗体、疫苗、生长因子），转基因动植物的生物反应器工程，微生物利用纤维素等原料生产乙醇； 0.3.4细胞疗法与组织器官修复： 癌症、糖尿病、白血病和血友病等细胞疗法。

细胞工程对于在细胞学、遗传学、发育学等领域的基础理论研究也极具价值。 对改善农业生产技术；保护自然资源，维护生态平衡；推进生物医药研究、开拓能源资源等多方面均具有积极意义。

植物细胞工程三个研究方向的发展： （1）植物组织培养的发展 （2）植物细胞融合研究 （3）单倍体植株培养研究

（1）植物组织培养的发展 1934年荷兰植物学家温特（F. W. Went）发现生长素（吲哚乙酸），并证实了其在植物细胞培养中的作用。 1937年法国科学家高特里特（R. J. Gantheret）和诺比考特（Nobercourt）几乎同时离体培养了胡萝卜组织，并使细胞增殖。

1948年斯库格（Skoog）等较好解决了从离体组织或器官中诱导植物再生的问题，确定腺嘌呤/生长素的比例为调控芽和根形成的一个重要条件。 1953年，缪尔（Muir）由无菌冠瘿组织的悬浮培养物及易碎的愈伤组织中分离得到单个细胞，并通过看守培养使细胞分裂生长，开创了单细胞无性繁殖的工作。

1958年施图尔德（Steward）等从胡萝卜根韧皮部愈伤组织获得单细胞，并且经诱导形成胚状体再生了植株，成为世界首次通过实验证实了植物细胞具有全能性的科学家。

（2）植物细胞融合研究 1960年英国诺丁汉大学科金教授创造性应用酶解方法首次成功从番茄幼苗根部制备到大量的原生质体。 1972年美国的卡尔森等人用NaNO3作为融合诱导剂将来自不同种的两个烟草原生质体进行融合，获得了世界上第一个细胞杂种植株。

（3）单倍体植株培养研究 1974年格雷沙夫（Greshoff）从葡萄花药培养中得到单倍体愈伤组织。 1975年罗萨蒂（Rosati）从草莓花药培养中获得小孢子发育的单倍体植株。

曼陀罗花药培养获得单倍体植株 小麦的单倍体育种 小麦花药培养 小麦单倍体植株 通过单倍体育种选育的小麦新品种

0.2.2动物细胞工程的发展 三项关键技术的发展: （1）动物细胞融合、 （2）动物细胞组织培养、 （3）动物克隆

（1）细胞融合现象的发现和发展 1838年马勒（Muller）在脊椎动物肿瘤细胞中观察到了多核现象。在此间前后，施旺（Schwann）在天花、水痘等病理组织中观察到了多核现象； 1849年罗宾（Lobing）在骨髓中也发现了多核现象的存在； 1855-1858年科学家在肺组织等多种正常组织和坏死部位都发现了多核现象。 多核的产生？

1859年巴里（A. Barli）在研究黏虫生活时发现，某些黏虫存在着由单个细胞融合形成多核原生质团的情况。 另外，1965年哈里斯和沃特金斯证明了某些灭活的病毒在一定条件下可用来诱导动物细胞融合。 这些发现为细胞融合研究提供了初步的研究线索、依据和方法。 当前细胞融合技术已日渐成熟。例，单克隆抗体。

1975年，英国剑桥大学分子生物学研究室的科莱尔（Kohler）和米尔斯坦（Milstein）合作将体外培养的小鼠骨髓瘤细胞与绵羊红细胞免疫的小鼠脾细胞（B淋巴细胞）进行融合，发现融合形成了的杂交瘤细胞具有双亲细胞的特征：像骨髓瘤细胞体外无限快速增殖，又持续分泌特异性抗体，通过克隆化可使杂交细胞成为单纯的细胞系，由此可获得特性完全相同的高纯度抗体--单克隆抗体(McAb)。两位科学家因此贡献，荣获1984年诺贝尔医学和生理学奖。 单克隆抗体

（2）动物组织细胞培养技术的建立 1885年，卢克斯（Roux）发现鸡的神经元在生理盐水中可以存活，并使用了组织培养一词。 1907年美国胚胎学家哈里森（R. Harrison）采用盖玻璃片悬滴培养蛙胚神经管区组织于蛙的淋巴组织液凝块中，存活数周，且观察到细胞生长现象（从细胞中长出了神经纤维细胞）。 表明了利用体外培养存活的动物组织进行实验研究的可能性。

1911年卡雷尔（Carrel）发现鸡胚浸出液对某些细胞生长具有很强的促进效应，并将无菌操作引入组织培养技术中。他在不含抗菌素的培养条件下使鸡胚心脏细胞维持生存了34年，先后继代3400次。 证明了动物细胞有可能在体外无限地生长。 并与1923年设计了卡氏动物细胞培养瓶。

1951年葛瑞（Gay）建立了第一个人体细胞系——人体宫颈癌细胞系Hela细胞系。至今，各国还常用此种细胞株系进行实验研究，如研制抗癌药物等。

（3）动物克隆技术的建立 1891年希普（Heape）等人首次报道了家兔胚胎移植成功的结果，他们将安哥拉家兔的胚胎移植到比利时兔，得到了4只安哥拉家兔。 国际上首例冷冻克隆牛胚胎移植犊牛“蓓蓓”在山东省莱阳农学院出生

1952年，美国费城癌症研究院的2名生物学家布里格斯（RW Briggs）和金(TJ King) 等成功将豹蛙的胚胎细胞核移植到同种蛙的成熟去核卵子中，并获得了发育正常的胚胎。 豹蛙移核实验的操作步骤和实验结果图解

1962年，英国学者格鲁登（Grudon）报道了首例动物克隆成功，他把非洲爪蟾小肠上皮细胞的核注入同种或异种非洲爪蟾未受精卵（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。 从而实验证明了分化的动物细胞仍然具有全能性；并初步建立了体细胞核移植的实验体系。

1997年2月，英国科学家伊恩·威尔穆特 （I. Wilmut）等在世界权威杂志《Nature》上首例报道了世界第一只克隆羊的诞生。 实验证明了哺乳动物高度分化的细胞同样含有全套的遗传物质。

威尔穆特领导培育的世界上第一只体细胞克隆动物-克隆羊“多利”于1996年7月5日出生，于2003年2月因肺部感染而死亡。

二十世纪七十年代开始，随着细胞生物学、生物化学、分子生物学、发育生物学、遗传学等学科发展；基因工程技术，细胞融合技术等各方面相关技术领域的迅速发展，细胞工程生产各种特殊生物制品在人类生活特别是在医学中发挥着越来越大的作用。 其中，植物组织培养和动物细胞培养为其基础技术，得到广泛应用。

部分参考书刊： 《细胞工程》陈志南等.科学出版社.2005年. 《细胞工程》王蒂.中国农业出版社.2003年. 《细胞工程》李志勇主编.科学出版社.2003年. 《植物细胞工程》谢从华主编.高等教育出版社2004年. 《植物细胞工程实验技术》孙敬三等.化学工业出版社.2006年. 《Cell Research》中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所主办、中国科学院上海生命科学信息中心编辑出版的，1990年创刊。 《细胞生物学杂志》由中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所和中国细胞生物学学会共同主办，为中国细胞生物学学会会刊，创刊于1979年。 《生物工程学报》中国科学院微生物研究所主办。

思考题 1.细胞工程的概念、研究内容。 2.细胞工程与其它学科的关系，举例说明其它学 科的发展对细胞工程推动作用。 2.细胞工程与其它学科的关系，举例说明其它学 科的发展对细胞工程推动作用。 3.细胞工程的应用领域和应用前景，试举例说明。