现代生命科学基础

介绍生态学（生命学院：郭聪）
生态学什么是生态学
生态学（ecology）是研究有机体与其周围环境相互关系的科学。

环境包括非生物和生物环境，前者如温度、可利用水、风，而后者包括同种或异种其它有机体。

显然，Haeckel（1866）的定义在此强调的是相互关系，或叫相互作用（interaction），即有机体与非生物环境的相互作用，和有机体之间的相互作用。

生态学与人类的关系
有益生物的种群（如最适持续产量）
控制有害生物的危害（如害虫的综合防治）人口资源环境温室效应臭氧层酸雨荒漠化人类健康生物多样性与生态系统服务生物多样性保护
生态学的主要研究内容
基础生态学的主要内容：
1、个体生态学（生理生态学、生物与环境）内容：各种生态因子
2、种群生态学内容：种群动态
影响种群动态的主要因子（内部原因，外部原因）
为什么大熊猫濒临灭绝（长期种群动态）
为什么有些生物常常大暴发（举例：新疆小家鼠、成都蜘蛛）
3、群落生态学内容：群落结构、群落动态、生物多样性
影响群落结构、群落动态的生态因子
关于生物多样性：内容、时间空间上的变化规律、干扰对多样性的影响物种的分布与环境
4、生态系统生态学内容：食物链与食物网
能量流动与物质循环
生态系统的服务功能（现在的生态系统是否完美）
5、应用生态学：农业保育and so on
思考题：基础生态学的主要研究内容是什么？请对每个主要内容进行简单的陈述。

Why rich in Biodiversity?
Climate 温度Landform 地形，地貌Low population density Behavior of local people (Living requirement and Religions)
细胞重大生命活动与疾病
细胞分化看家基因（house-keeping gene）与组织特异性基因（luxury gene）
细胞分化是发育的核心问题；
细胞分化的实质在于细胞合成特异性蛋白；
特异性蛋白合成的基础在于细胞基因的选择性表达。

细胞分化（cell differentiation）的概念是指结构与功能相同的细胞发生一系列的变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。

分化过程涉及：形态结构的变化、基因活性状态的变化、细胞物质组成的变化、细胞功能的变化。

细胞分化的主要特点:
基因表达上的变化，导致细胞/组织特异性蛋白的产生；
不同细胞在蛋白质组成上的差异导致细胞结构的不同, 改变其组成就可改变其形状；
在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测，分化是一个渐进的过程；
进入终端分化的细胞往往不再分裂，而终端分化后能够继续分裂的细胞可以维持和传递终端分化状态；
细胞分化往往由细胞外信号控制，但细胞质因子的不对称分布也能导致子细胞的不同分化。

细胞分化的机制同一个体的不同分化的细胞带有相同的DNA(不包括红细胞，部分免疫细胞)→同一个体的不同分化的细胞带有不同的mRNA(miRNA)→同一个体的不同分化的细胞带有不同的蛋白质→同一个体的不同分化的细胞呈现不同的形态和功能.
细胞分化的组合调控：几种基因调节蛋白以不同的组合调节不同的专一基因表达，产生不同的细胞分化。

分化细胞具有个体全部遗传信息的证明——细胞全能型的证明
植物组织培养动物克隆干细胞植物组织培养/植株再生
细胞核移植实验证明：1. 细胞分化中遗传物质没有发生不可逆改变；
2. 细胞质中含有决定核内基因活性的控制因子。

组合信号是细胞分化调控的重要手段细胞分化是一个渐进的过程！胚胎发育可以看作是一团细胞的逐级区域化的过程！
细胞分化的调控机制1，分化的起始：细胞质成分的不对称分布，感受到不同的胞外信号，
2，分化的继续/维持：级联调控分化状态的维持
干细胞是指功能还没有特化，能够自我复制、自我更新(self-renewal)，并且在一定的条件下分化成多种细胞类型的多能性细胞。

细胞的分化潜能
①受精卵，具有真正的全能性(totipotency)，能分化成三个胚层的所有细胞(包括胚胎干细胞) 和胎盘组织等，
②胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES cell)，应该说具有多能性(pluripotency)，但实际上往往被叫作“全能”，在体外培养中能几乎无限制增殖，能分化成三个胚层的所有细胞,
③成体干细胞(adult stem cell), 位于成体各组织中，能分化成多种特异组织细胞。

包括造血干细胞，神经干细胞，小肠干细胞等，被叫作“具有多能性”。

细胞分化可以看成是一个细胞分化全能性逐渐丧失的过程。

受精卵——胚胎干细胞——组织特异干细胞——终末分化细胞前体细胞——终末分化细胞
干细胞的关键特性自我更新（Selfrenewal）分化（differentiation）
为什么研究干细胞？
①细胞分化研究系统
②潜在的临床应用前景：糖尿病，老年痴呆症，帕金森症，组织损伤，器官置换
癌细胞动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞。

具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤；皮组织的恶性肿瘤称为癌。

目前癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。

癌细胞与正常分化细胞明显不同的一点是，分化细胞的细胞类型各异，但都具有相同的基因组；而癌细胞的细胞类型相近，但基因组却发生不同形式的改变。

癌细胞的基本特征：细胞生长与分裂失去控制，具有侵润性和扩散性，细胞间相互作用改变，mRNA转录谱改变，蛋白表达谱或蛋白活性改变，体外培养的恶性转化细胞不同于非转化细胞：可以无限传代，贴壁性下降，丧失接触抑制，注入易感生物体（免疫抑制小鼠）内，会形成肿瘤。

癌基因与抑癌基因
癌基因(oncogene), 是控制细胞生长和分裂的正常基因的突变形式，能引起细胞癌变。

这种突变通常是使之处于持续活化状态，因而促进细胞增殖。

如：src, ras, smads, myc 等。

其中包括：生长因子生长因子受体信号通路介导因子转录因子细胞周期调控蛋白
抑癌基因(tumor-suppressor gene), 是指如果丧失功能，则导致细胞增殖失控而癌变的基因。

通常是正常细胞增殖中的负调节因子，在细胞周期的检验点上起阻止周期进程的作用。

如果失活，细胞周期会失去控制。

如p53, Rb 等。

多细胞有机体是由受控于严格调控机制的不同类型细胞形成的细胞社会。

癌细胞(cancer cell)脱离了细胞社会赖以构建和维持的规则的制约，表现出细胞增殖失控和侵袭并转移到机体的其它部位生长这两个基本特征。

大多数癌衍生于单个的畸变细胞（abnormal cell）
肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果根据DNA复制过程中的基因突变率（10-6）及人的一生中细胞分裂次数（1016）推测，在人的一生中，其基因组中每个基因都可能发生1010次的突变。

如果再考虑生活环境中的致癌因素（如辐射等物理因素，化学诱变剂等化学因素和肿瘤病毒感染等生物因素），令人们感到惊奇的并不是细胞为什么会癌变，而是肿瘤的发生频率为什么如此之低!
不受控制的干细胞增殖可能引发癌
Can we treat cancer?
Keep away from the carcinogens
Early detection, remove by Surgery is still the bestway,
We need more info on cancer development,
Drugs to block over-activated oncogenes,therefore prevent over-proliferation of cancer cells,
Growth of cancer can be (partially) blocked bydepriving their blood supply.
基础分子生物学－－从DNA到蛋白质
一、DNA的结构和功能
1、DNA是遗传物质
遗传物质必须具备的几个条件
(1)自我复制的能力。

(2)储存、传递信息的能力。

(3)稳定性强，变异罕见。

(4)细胞分裂时把遗传信息有规律分配到子细胞中。

2. DNA是遗传物质的直接证据
(1)转化实验
1928年，英国微生物学家Griffith.F做了肺炎双球菌的转化实验。

(2) 细菌噬菌体的侵染实验
1952年Hersey and Chase 的同位素标记侵染实验
3. DNA结构的确定
4.DNA分子构成及特点
5.DNA提供了一种遗传机制
6. DNA是如何复制的
①复制起始点②复制叉
③DNA聚合酶的特性催化合成磷酸二酯键的方向在已有链的３’－OH 末端添加dNTP具有纠正错误的“校读能力”
④RNA充当引物
二、DNA修复1.突变的发生2.DNA 错配的修复3.基因的稳定性与变异性
三、从DNA到蛋白质
1. 遗传信息的流向：分子生物学的中心法则
(1)部分DNA序列被转录成RNA
(2)RNA的分子结构特点
(3)转录的一般过程要点：①核糖核苷酸②尿嘧啶取代胸腺嘧啶③不需引物④选择性转录⑤RNA聚合酶无校读活性
(4)细胞内产生RNA的种类
(5)转录的起始和终止信号启动子终止子转录方向
(6)真核细胞RNA的加工
(7)真核细胞基因存在间隔区
四、蛋白质的合成（翻译）
五、遗传性变异
生物体的防卫系统—免疫(immunity)
一、非特异性免疫和特异性免疫
抗原（antigen）及其性质
抗原的概念抗原是一类能诱导免疫系统发生免疫应答反应（免疫原性），并能与免疫应答产物（抗体或效应细胞）发生特异性结合（反应原性）的非己异物。

抗原的性质和类型抗原性质：蛋白质或多糖类大分子物质；
抗原的分类：外源性和内源性
外源性抗原如细菌、病毒、花粉、各类毒素以及小型动植物；
内源性抗原为非己异物或构象发生改变的自身成分，如变性的IgG 重链等。

二、人体免疫器官和免疫细胞
⒈中枢淋巴器官——免疫细胞发育为免疫活性细胞的场所
骨髓（bone marrow）：包括淋巴细胞，巨噬细胞在内各种血细胞生成场所。

胸腺（thymus）：T-淋巴细胞发生与成熟场所。

淋巴结（lymphnodes）：人体有500-600个淋巴结，淋巴细胞储存、分化场所。

脾脏（spleen）：淋巴细胞储存、分化场所。

粘膜相关淋巴组织（MALT）：淋巴细胞储存、活化场所。

⒉免疫细胞泛指所有参与免疫应答或与免疫应答有关的细胞，均源于造血干细胞。

包括吞噬细胞（单核-巨噬细胞和粒细胞）、淋巴细胞（T-淋巴细胞、B-淋巴细胞、NK-细胞等）。

巨噬细胞的主要功能：吞噬功能；抗原呈递作用；分泌免疫活性因子；免疫调节作用。

三、细胞免疫和体液免疫
细胞免疫应答反应过程
蛋白类抗原→ 抗原呈递细胞处理→（MHC ＋抗原）复合物→ APC 表面信号→ Tc细胞表面受体（TCR）→Tc细胞活化→扩增→大量Tc细胞和记忆T细胞→ Tc 细胞分泌穿孔素杀伤靶细胞。

B-淋巴细胞介导的体液免疫B-淋巴细胞在抗原刺激下产生浆细胞和记忆细胞
抗原呈递细胞（APC）和TH细胞参与B细胞活化
浆细胞产生抗体抗体的作用：（1）中和反应、聚集反应、沉淀反应
（2）补体反应补体是血清中一组球蛋白（多酶体系）
生物学作用：①以杀伤手段补充和完善抗体的功能；②补体的酶解片段以炎症反应动员机体各种防御因素；③在抗体产生前，补体先被激活，及时起辅助防御作用。

四、免疫学的应用
①人工免疫和生物制品
②免疫技术用于疾病治疗
③免疫技术用作研究手段单克隆抗体——B-淋巴细胞杂交瘤技术，应用混合抗原制备单一同质抗体。

④免疫性疾病
自身免疫疾病包括：红斑狼疮风湿性关节炎依赖胰岛素的糖尿病综合症硬化病肌无力症等等。

艾滋病（AIDS）获得性免疫缺失综合症HIV攻击T细胞破坏人体免疫系统
二十一世纪生命科学的特点 1. 各种组学分析与综合的结合2. 由描述性的定性科学走向精确定量的科学3. 多学科的交叉
生物技术产业的三个浪潮
1. 医药生物技术：生物技术药物生物技术疫苗基因治疗组织工程与再生医学生物芯片与诊断试剂生物技术在制药产业中的应用
2. 农业生物技术
3. 工业生物技术：生物催化技术材料生物技术能源生物技术环境生物技术
最有望改善全球健康状况的十大关键生物技术
1. 针对传染病的分子诊断技术
2. 利用基因工程手段开发重组疫苗的技术；
3. 除注射之外，更有效的药物和疫苗输送技术；
4. 利用微生物和植物等检测或清除污染的环保生物技术；
5. 病原体基因组测序技术；
6. 使妇女能有效防御性传播疾病的新技术；
7. 可用于识别药物靶标等的生物信息技术；
8. 营养价值更高、可对付营养不良的转基因作物技术；
9. 可降低激素、干扰素等治疗性蛋白质成本的转基因技术；
10.可有效促进新药研制开发的组合化学技术。

我国生物技术产业发展的优势和劣势巨大的潜在市场和高增长率基因资源与知识产权比重大资金投入不足缺乏发展高技术产业的人才、机制和环境转基因生物安全性评价食品安全生态安全
人类文明发展的三次技术革命1. 工业革命2. 信息革命3. 生物技术革命
专题一——踏进生命科学的殿堂
一、生命的本质及其基本特征
1.生命的本质
从系统论的观点考察生命的本质
生命是一个高度复杂的动力学系统：
信息流具有方向性：DNA RNA蛋白质；
高度有序（结构和活动）；
开放系统（新陈代谢）；
具耗散特征（维持生命需消耗物质与能量）；
远离平衡态（生长、发育、世代交替、生态演替过程中，生命不断否定自己）。

在生命有序性提高过程中，同时呈现出层次递进、多态发展的分形演进趋势。

2.生命的基本特征
细胞是生物体结构与功能的基本单位；
新陈代谢（metabolism）是生命的基本功能；
生命过程具有自组装（self-assembly）的能力；
生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质；
生物对外界环境具有应激（irritability）和适应性(adaptation)
生物体的自我调节机制，确保生命系统的稳态（homeostasis）；
生物具有个体发育和系统演化的历史。

二、生命科学的研究内容及其发展趋势
1.生命科学（life science/bioscience/Biology）
生命科学是研究生命现象，揭示生命活动规律和生命本质的科学。

生命科学的发展－－经历2次分析与综合
达尔文进化论的前后
20世纪的生物学是分析的世纪
21世纪的生物学从分析重新走向综合
综合以分析为基础，分析利于更好地综合
2. 生命科学导论内容
MIT 的“生物学导论”课程的“生物学概念框架”（Biology Concept Framework，BCF,2004）
第一级“BCF中的顶级概念”18个，分别是：
⒈生物学是基于观察和实验的科学
２．在所有的分子水平上，生物学都是基于三维的全曲面相互作用
３．细胞是生命的基本单位
４．所有的细胞都具有相同的过程/机理
５．细胞之间相互作用
６．细胞从其他细胞分裂而成
７．DNA是细胞内遗传信息来源
８．基因是遗传的功能单位
９．DNA结构决定核酸和蛋白质产生机制
10．有性繁殖是变异的重要来源
11．生命过程是化学反应调节的结果
12．蛋白质在细胞中具有完成各种功能
13．重组DNA技术使科学家能够控制细胞中的基因组成
14．基因的表达受到调节
15．所有含碳的生物量都是由CO2制造的
16．生物体种群由于突变和选择而进化
17．生物体和环境相互适应
18．在多细胞生物中，各种类型细胞能够协同工作形成组织，组织形成器官
《生物2010：为培养未来的生物学家改革大学教育》（BIO2010: Transforming UndergraduateEducation for Future Research Biologists）“生物学概念”部分所包括的18个“中心主题”（central themes）：
（1）有的生物都是由共同的祖先进化而来，这个过程包括自然选择、遗传漂变；
（2）生命系统遵守物理和化学定律；
（3）通过简单亚组分的自组装形成复杂的复合体，可建立结构复杂性和赋予信息内容；
（4）对生物系统的理解要求归结论和整体思维；
（5）生命系统并不平衡，它们利用能量，这些能量主要来自于光合作用，能量以高能键或离子浓度梯度的形式存在，能量的释放伴随着驱动生物过程的热力学相反的反应；
（6）生物系统通过复杂的调节系统保持稳态，这个系统是一个交互连接的网络，使机体对来自体内或外界的变化保持稳定；
（7）尽管基本的分子和细胞过程是保守的，生命系统和生物体是极为多样化的，与在物理和化学中学习到的原子和简单分子不同，没有两个细胞是完全一样的；
（8）细胞是生命系统的基本单位，在进化过程中形成了三种基本细胞类型：细菌、古细菌、真核细胞；
（9）生物体有行为，行为在很多物种是可以通过经验而改变的；
（10）编码在DNA中的信息组织成为基因，这些遗传单位通过RNA作为信息中间体编码蛋白质序列，蛋白质序列通过折叠成特定的三维结构而具有功能，在某些情况下，RNA本身具有催化活性；
（11）大部分的生物过程是由多种蛋白质控制的，这些蛋白质组成模块，完成及协调复杂的功能；
（12）脂类与蛋白质组装成为细胞膜，细胞膜包围着细胞将其与环境隔开，在真核细胞中，生物膜形成一定的区域；
（13）细胞内部、细胞之间、生物体之间通过网络系统相互交流，使多细胞生物能协同其发育和功能；
（14）多细胞生物中，细胞通过分裂、分化形成组织、器官和具有特定功能的器官系统，这些分化最初主要是由差别基因表达引起的；
（15）许多疾病来源于因感染、突变、化学物质损伤或外伤引起的细胞间通讯和协作的破坏；
（16）生物群体以物种的形式存在，物种包括共享一个基因库的杂交繁殖种群；
（17）种群之间及种群与环境之间相互作用，形成了相互依赖的生态系统，在这个系统的多水平上有能量和物质的流动；
（18）和其他物种一样，人类是多样性生态系统成员，他们有能力破坏或保护其赖以生存的生态系统。

3. 生命科学发展趋势
（1）生命科学是21世纪自然科学的前沿学科
（2）由描述性的定性的科学走向定量的精确的科学
（3）在21世纪的自然学科各个领域中，生命科学是最有可能取得重大突破的学科。

（4）生命科学快速发展基本问题: 遗传发育进化主要内容: 细胞的生命活动切入点: 功能基因组
（5）生物学研究的特点与趋势
动物学植物学（微生物学）----整体水平
细胞生物学----细胞水平
分子生物学----分子水平
总的趋势：从分子水平→细胞水平
（6）多学科交叉促进生命科学的飞速发展
（7）以基因工程为核心的生物技术正在形成多元化综合型的高新产业
（8）生命科学的发展可能带来对人类思想和观念的重大冲击
三、新世纪的大学生不能没有生命科学基础知识
如何学习生命科学：①兴趣是最好的老师②提出问题和设想③实验是开启生命王国大门的钥匙④把握生命的层次。