细胞工程绪论

细胞工程绪论

摘要：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。可见：细胞工程技术是现代生物工程技术各领域连接的桥梁和纽带；与其它生物工程技术是密切联系，不可分割的有机整体。

关键词：植物细胞工程动物细胞工程发展历程应用

前言：细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过类似于工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或一定细胞产品的一门综合性科学技术。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。

1.细胞工程的研究范畴

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、亚细胞水平的操作技术等。

微生物细胞工程包括：细胞融合、核移植、克隆技术等。

1.1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。

1.2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。

1.3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。

1.4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。

1.5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。

1.6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。

2.细胞工程的形成与发展现状

传统细胞工程:利用非纯种微生物自然发酵工艺为标志的生物技术，如酿酒。近代细胞工程：1857，Pasteur L发现发酵是微生物作用的结果，而后形成的采用纯种微生物的发酵工艺。

现代细胞工程：1973基因工程和1975年单克隆抗体技术建立为标志的生物工艺。

3.细胞工程的发展历史

3.1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3.1.1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。

3.1.2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。

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。

3.1.3单倍体植株培养研究

1921年，伯格纳在曼陀罗中发现了单倍体植株。

60年代，许多人工诱导单倍体植株的方法问世，大大地缩短了杂交育种的时间。

从1970年开始中国应用单倍体育种方法，已成功地培育出小麦、小黑麦、小冰麦、玉米、辣椒、油菜等花粉植株。

3.2动物细胞工程的发展

3.2.1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。

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

3.2.2生物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。

1914年汤姆森（Thomson）创立了体外组织器官培养方法。

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。

3.2.3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。其后陆续有家畜胚胎移植成功地报道。

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。

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。

1978年，童第周等将黑斑蛙成体红细胞的细胞核移入未受精的去核卵内，卵子也发育成正常的蝌蚪。

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。

4.细胞工程的应用

?优良和濒危动植物的快速培育与繁殖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；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；

?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。

4.1脱毒和快速繁殖

?许多植物，特别是无性繁殖植物，带有病毒，并直接传给子代，严重影响产量和质量。一般茎尖生长点不带病毒。所以，利用茎尖培养再生的植株，可能不带病毒，再进行大量繁殖生产脱毒苗。脱毒苗用于生产可明显提高

产量、质量和商品价值。目前已在许多植物上得到应用，如甘薯、马铃薯、草莓、果树、花卉等。

?许多名贵植物，之所以名贵，是因为繁殖系数太低，种子结实率低或者不结种子，而营养繁殖又很慢。利用组织培养再生植株，进行大量繁殖，可

以大大提高繁殖系数。

4.2细胞工程育种

4.2.1利用细胞融合技术，克服远缘杂交不亲和性

野生种往往有许多优良性状，如抗干旱、抗病虫害、耐涝、耐瘠薄、耐盐碱、抗冻等特性。但大部分野生种与栽培种杂交不亲和，严重影响了野生种优良遗传基因的应用。利用细胞融合，可以克服这种杂交不亲和性，获得体细胞杂种，使野生种的利用成为可能。

4.2.2利用培养变异，筛选优良突变体

植物离体培养，能够明显提高突变率，并且会有各种各样的生理和形态突变，如株高、花色、植株形态、生育期、耐性等等。可以从中选择优良突变体，培育新品种。

5.发展前景

进入新世纪以来，细胞工程的研究进展及其在生产实践中的应用产生的效益，已是举世瞩目。它已成为高新技术开发的重要领域。加拿大植物学家在一篇研究报告中谈到：“单个植物细胞，运用细胞工程技术（如在一加仑培养基里）可以快速地培育出300万株优良品种克隆云杉植株来。”美国宾夕法尼亚州立大学的园艺学家认为：“利用植物细胞和组织培养技术培育植物不但在技术上已证明可行，而且具有巨大的经济效益。”它的主要优势是可以得到纯系，避免种子繁殖时发生后代变异，可以快速繁育，一年之内就可以生产数十万株植物，而且是无病害的。还有，植物细胞本身体积小，运输方便，在一个小小的温室瓶中就可进行培养，其经济效益之巨大是可以想象的。展望未来，我们可以满怀信心地说，细胞工程的研究、开发与应用必然会在21世纪初叶有一个更快速的发展。我们必须抓住这一契机，促进我国在农业、林业、畜牧业以及医药业等方面的高速发展。

参考文献：

[1]细胞工程安利国主编，科学出版社出版，2005

[2]植物细胞工程原理与技术，中国农业大学出版社，2001

[3]《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。

[4]组织工程，杨志明，化学工业出版社，2002

[5]植物细胞工程谢从华柳俊主编,高等教育出版社，2004

[6]《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。