细胞信号传导的研究方法与工具

⑴ 细胞生物学的研究方法

细胞生物学广泛地利用相邻学科的成就，在技术方法上是博采众长，凡是能够解决问题的都会被使用。例如用分子生物学的方法研究基因的结构，用生物化学、分子生物学的方法研究染色体上的各种非组蛋白和它们对基因活动的调节和控制或者利用免疫学的方法研究细胞骨架的各种蛋白（微管蛋白、微丝蛋白、各种中等纤维蛋白）在细胞中的分布以及在生命活动中的变化。起源于分子遗传学的重组DNA技术和起源于免疫学的产生单克隆抗体的杂交瘤技术，也成了细胞生物学的有力工具。显然，一种方法所解决的问题不一定属于原来建立这一方法的学科。例如用分子生物学的方法解决了核小体的结构，严格地说这应是形态学的范畴。这样的例子并不少见，在这里学科的界限也被抹掉了。也许可以说细胞核移植、微量注射和细胞融合是细胞生物学自身发展起来的方法，但是用这些方法进行的实验往往也需要其他方法配合来做进一步分析。 细胞生物学与其说是一个学科，倒不如说它是一个领域。这可以从两个方面来理解：一是它的核心问题的性质──把发育与遗传在细胞水平结合起来，这就不局限于一个学科的范围。二是它和许多学科都有交叉，甚至界限难分。例如，就研究材料而言，单细胞的原生动物既是最简单的动物，也是最复杂的细胞，因为它们集许多功能于一身；尤其是其中的纤毛虫，不仅对于研究某些问题，例如纤毛和鞭毛的运动，特别有利，关于发育和遗传的研究也积累了大量有价值的资料。但是这类研究也可以列入原生动物学的范畴。其次，就研究的问题而言，免疫性是细胞的重要功能之一，细胞免疫应属细胞生物学的范畴，但这也是免疫学的基本问题。
由于广泛的学科交叉，细胞生物学虽然范围广阔，却不能像有些学科那样再划分一些分支学科──如象细胞学那样，根据从哪个角度研究细胞而分为细胞形态学、细胞化学等。如果要把它的内容再适当地划分，可以首先分为两个方面：一是研究细胞的各种组分的结构和功能（按具体的研究对象），这应是进一步研究的基础，把它们罗列出来，例如基因组和基因表达、染色质和染色体、各种细胞器、细胞的表面膜和膜系、细胞骨架、细胞外间质等等。其次是根据研究细胞的哪些生命活动划分，例如细胞分裂、生长、运动、兴奋性、分化、衰老与病变等，研究细胞在这些过程中的变化，产生这些过程的机制等。
当然这仅是人为地划分，这些方面都不是各自孤立的，而是相互有关连的。从细胞的各个组分讲，例如表面膜与细胞外间质有密切关系，表面膜又不是简单地覆盖着细胞质的一层膜，而是通过一些细微结构──已经知道其中之一是肌动蛋白分子，这又联系到细胞骨架了──与细胞质密切相连。这样，表面膜才能和细胞内部息息相关。另一方面，从研究的问题出发，研究分裂、分化等生命现象，离不开结构的基础。例如研究细胞分裂就涉及到染色质怎样包扎成染色体，染色体的分裂和运动，细胞骨架的变化包括微管蛋白的聚合和解聚，与表面膜有关的分裂沟的形成，还有细胞分裂的调节与控制。再如研究细胞分化除去要了解某种细胞在分化过程中细胞器的变化、它们所特有的结构蛋白质的变化，主要地还要了解导致分化的物质基础以及这些物质怎样作用于基因调控的水平，导致有关的基因被激活。可见研究的重点尽管可以人为地划分，但一定要把细胞作为一个整体看待，一定要把生命过程和细胞组分的结构和功能联系起来。 既然细胞生物学的主要任务是把发育和遗传联系起来，细胞分化这个问题的重要性就不言而喻。因为就整个有机体而言，遗传特点不仅显示在长成的个体，而是在整个生命过程不断地显示出来。在细胞水平，细胞的分化也就是显示遗传特征的过程，例如鸟类、爬行类的水晶体，其中所含的晶体蛋白是α、β、δ三种，不同于哺乳类，后者含有α、β、γ三种。在鸟类的晶体分化中首先出现大量的δ晶体蛋白，但是在哺乳类晶体分化中却找不到这种蛋白。可见某种细胞的分化特征的出现，也就是它们的遗传特征的出现。但是这仅是在细胞水平就一种生化性状（特异的蛋白质）在一种特化细胞中的出现而言，情况当然还比较简单，如果涉及到一个由多细胞组成的形态学性状，情况会复杂得多，但是性状发生的过程仍然是遗传表现的过程。
像晶体细胞分化这样的例子，细胞生物学的术语称之为终末分化，也就是走向成熟的分化，其分化的产物就是这种细胞的终末产物。由于取材方便，产物比较单一易于分析等原因，细胞分化的研究中关于终末分化的研究占很大的比重，研究得比较多的是红细胞、肌细胞、胰脏细胞、晶体细胞、黑色素细胞、软骨细胞等。
一个经常被引用的例子是红细胞中血红素的转换。人类胚胎早期的红细胞中首先出现胚期血红素，后来逐渐被胎儿期血红素所代替，胎儿三个月之后，后者又被成体型血红素所代替。关于这些血红素已经有很多研究。例如它们各自由那些肽链组成，这些肽链在个体发育中交互出现的情况，它们各自的氨基酸组成和排列顺序，各个肽链的基因位点，以至基因的结构都已比较清楚，工作可以说是相当深入了。
但是，追根到底有些问题依然没有得到明确的解答，甚至没有解答──这也适用于关于其他细胞的终末分化的研究。例如，为什么胚期血红素会在红细胞而不在其他细胞中出现？为什么会发生血红素的转换？关于前一问题，有人曾分别地从鸡的输卵管细胞（不产生血红素）和红细胞（产生血红素）提取染色质，用酶来切割，观察到两种来源的染色质对酶的抵抗力不同。来自红细胞的易于受到酶的攻击，推测这可能由于核小体的构型不同。红细胞中含有珠蛋白基因段落的核小体构型较松弛，因而易于受到影响；构型较松弛也就为RNA聚合酶在上面转录产生信使RNA提供了条件。但是如果追问下去，为什么单单在红细胞里核小体的构型比较松弛？RNA聚合酶怎样识别出这样的段落？这些问题还需进一步研究。其次，关于胚期血红素向胎儿期血红素的转换。用两种荧光染料标记两种免疫抗体，观察到在同一红细胞中有两种血红素的存在，说明转换不是由于出现不同的细胞，而是由于同一细胞相继地产生了不同的血红素。是什么原因使得血细胞停止生产原有的而产生出新的血红素？也许可以说是发育的“程序”，但还要回答发育程序得以实现的物质基础是什么。所有这些问题的解答，将使我们对基因选择性表达的认识有极大的迈进。 实现了终末分化的细胞，已经失去了转变为其他细胞类型的潜能，只能向一个方面分化。例如红细胞，虽然发生血红素的转换，但不能转变为其他类型的正常细胞，与胚胎细胞相比，它们的情况要简单些，因为胚胎细胞在尚未获得决定的时候是具有广泛潜能的。拿中胚层细胞来说，它们既可以分化为肌细胞，也可以分化为前肾细胞、血细胞、间质细胞等。已经初步知道，外界因素可以影响中胚层细胞向肌细胞或红细胞的方向分化，但是这因素是什么，怎样作用，都一无所知。在这里，首先要使中胚层细胞向某一方向分化，然后那一方向（例如红细胞）所特有的一套终末分化的步骤才得以进行下去。形象化地说，中胚层细胞中似乎存在着向不同方向分化的开关，打开某一个开关（例如红细胞的），才能进行那一方向的分化，这当然比终末分化更复杂些，对此还一无所知。

⑵ 细胞生物学中常用的实验技术或者方法

第二节 细胞生物学实验方法与技术
当前细胞生物学与医药保健事业联系的较为紧密的热点问题主要有以下几种：1）真核细胞基因结构及其表达调控；2）细胞膜、膜系、受体与信号传递研究；3）细胞生长、分化、衰老、癌变、死亡，尤其是程序性细胞死亡的研究；4) 细胞工程，包括基因工程及体细胞核移植的研究。
一、细胞培养常用方法
1、细胞原代培养（primay culture） 又称初代培养，即直接从机体取下细胞、组织、或器官、让他们在体外维持与生长。原代细胞的特点是细胞或组织刚离开机体，他们的生物状态尚未发生很大的改变，一定程度上可反映他们在体内的状态，表现出来源组织或细胞的特性，因此用于药物实验尤其是药物对细胞活动、结构、代谢、有无毒性或杀伤作用等研究是极好工具。常用的原代培养方法有组织快培养法及消化培养法。前者方法简单，细胞也较易生长，尤其是培养心肌有时能观察到心肌组织块的搏动。细胞从组织块外长并铺满培养皿或培养瓶后即可进行传代。2、细胞的传代培养 当细胞生长至单层汇合时，便需要进行分离培养否则会因无繁殖空间、营养耗竭而影响生长，甚至整片细胞脱离基质悬浮起来直至死亡。为此当细胞达到一定密度时必须传代或再次培养，目的是借此繁殖更多的细胞，另一方面是防止细胞的退化死亡。
二、器官培养方法
器官培养（organ culture）是指用特殊的装置使器官、器官原基或它们的一部分在体外存活，幷保持其原有的结构和功能。器官培养可模拟体内的三维结构，用于观察组织间的相互反应、组织与细胞的分化以及外界因子包括药物对组织细胞的作用。
器官培养方法很多，最经典的方法即表玻皿器官培养法；一种最常用的方法是不锈钢金属网格法及Wolff培养法和扩散盒培养法，实验者可根据情况选择采用。
三、放射自显影术测定
放射自显影术（autoradiography）是利用放射性同位素电离辐射对核子乳胶的感光作用，显示标本或样品中放射物的分布、定量以及定位的方法。放射性同位素能在紧密接触的感光乳胶中记录下它存在的部位和强度，准确显示出形态与功能的定位关系。现已可将放射自显影术与电镜以及生物分子结合起来。不但可以研究放射性物质在组织和细胞内的分布代谢，而且可以揭示核酸合成及其损伤等改变，目前已在生命科学各领域被广泛应用。
四、染色体分析技术
染色质或染色体是遗传物质在细胞水平的形态特征。前者是指当细胞处于合成期时遗传物质经碱性染料着色后，呈现出细丝状弥漫结构；当细胞进入分裂期时，染色质细丝高度螺旋化凝聚为形态有特征的染色体。特别是在分裂中期，复制后的染色体达到最高程度的凝聚，称为中期染色，是进行染色体形态观察分析的最佳时期。染色体分析应用领域越来越广，主要用于以下几方面：1）为临床诊断提供新手段；2）研究不育和习惯性流产发生的遗传基础；3) 通过检查胎儿的染色体，预防有染色体异常患儿出生（先天愚型）；4）根据染色体的多肽性进行亲子和异型配子的起源研究；结合DNA重组技术可以将基因定位于染色体的具体区带上。
五、电镜技术
早在1940年，英国剑桥大学首先试制成功扫描电子显微镜，但因分辨率低无实用价值。1965年英国剑桥科学仪器有限公司开始生产出商品扫描电镜，其以显着优点广泛用于生物学、医学、物理学、化学、电子学及勘探、冶金、国防、公安、机械与轻工业等诸多领域，并已成为非常有用的研究工具。

⑶ 细胞工程的研究对象及方法有哪些

细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。
细胞工程(Cell engineering)：

是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。

细胞工程与基因工程一起代表着生物技术最新的发展前沿，伴随着试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世，细胞工程在生命科学、农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。

21世纪合成生物学的发展，采用计算机辅助设计、DNA或基因合成技术，人工设计细胞的信号传导与基因表达调控网络，乃至整个基因组与细胞的人工设计与合成，从而刷新了基因工程与细胞工程技术，并将带来生物计算机、细胞制药厂、生物炼制石油等技术与产业革命。

⑷ 细胞间信号转导的主要四种方式

以高中的教材为依据只有三种：
1．通过体液的作用来完成的间接交流。
如内分泌细胞分泌→激素进入→体液体液运输→靶细胞受体信息→靶细胞，（即激素→靶细胞。如胰岛素作用于体细胞）
2．相邻细胞间直接接触，通过与细胞膜结合的信号分子（糖蛋白）影响其他细胞，即细胞←→细胞。
如精子和卵细胞之间的识别和结合。
3．相邻细胞间形成通道使细胞相互沟通，通过携带信息的物质来交流信息。即细胞←通道→细胞。如高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，进行细胞间的信息交流。
例子很重要，要记住！

⑸ 脑科学的主要研究方法

①运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。
②细胞外记录：30年代后期发展起来的。用金属丝电极1-5微米记录幅度较大的瞬间性动作电位，对神经元的功能起了重要作用。
③细胞内记录：0.1～0.5微米的玻璃电极，内充高浓度氯化钾或醋酸钾以导电。能记录动作电位，小的分级电位，同时能监视膜电位的变化。此外，能注入物质，进行形态学分析。缺点是造成细胞损伤，记录时间、小细胞受限。
④膜片钳技术：70年代后期，Neher 和Sakmann 发展了一种新的纪录方法，可以用来记录单个离子通道的活动。 ①重组DNA技术：分析离子通道蛋白的结构和功能、生理特性；
②应用单克隆抗体和遗传突变体。 20世纪中页贝塔朗菲创立了一般系统论，1993年Zieglgansberger W和Tolle TR发表神经系统疾病研究的系统生物学方法，随着生物信息学的发展、基因组计划的成功，以及神经系统的细胞信号传导与基因表达调控的研究，系统生物学采用实验、计算与工程的系统论方法，成为脑科学研究的发展现代趋势。