《生物医学--细胞与分子》课件

生物医学细胞与分子--欢迎参加《生物医学细胞与分子》课程本课程专为医学与生命科学专业学--生设计，旨在探索细胞结构与分子机制的奥秘，建立对生命科学基础知识的深入理解绪论细胞与分子生物学简介细胞学与分子生物学概念细胞生物学研究细胞结构与功能，而分子生物学则关注分子层面的生命活动，包括、和蛋白质的合成与调控两者DNA RNA共同构成了理解生命本质的基础科学与医学的关系细胞与分子生物学是现代医学的基石，从疾病诊断到药物开发，从遗传咨询到个体化治疗，都离不开对细胞和分子机制的深入理解发展简史细胞理论与现代意义细胞作为生命基本单位细胞理论三大要点细胞是生命的基本结构和功能现代细胞理论包括所有生物单位，所有生物体都由一个或由细胞组成；细胞是生命的基多个细胞组成单细胞生物体本单位；细胞只能由现有细胞如细菌可独立生存，而多细胞分裂产生这一理论由施莱登生物体如人类则由数万亿个高和施旺于世纪提出，后经维19度分化的细胞构成复杂系统尔肖补充完善组织器官与疾病基础细胞与分子的研究方法光学电子显微镜/光学显微镜分辨率约，可观察活细胞；电子显微镜分

0.2μm辨率可达，能够观察细胞超微结构和大分子复合物

0.1nm共聚焦显微镜则可进行三维成像和活细胞动态观察流式细胞术通过荧光标记特定分子，流式细胞仪可快速分析和分选大量细胞，广泛应用于免疫学、肿瘤学和血液学研究与诊断，每秒可分析数千个细胞分子杂交标记技术/细胞的基本结构总览原核细胞真核细胞体积小，结构简单，无膜包围的细胞核，裸露于体积较大，结构复杂，具有膜包围的真正细胞1-10μm DNA10-100μm细胞质中形成拟核区无膜包围的细胞器，只有核糖体、内膜核，染色体线性排列拥有多种膜包围的细胞器，如线粒体、系统和质粒等结构内质网、高尔基体等代表生物包括细菌和古菌，它们虽然结构简单但适应性强，能在极端环境中生存，在医学上与感染性疾病密切相关细胞膜结构与功能流动镶嵌模型描述细胞膜动态流动性的经典模型磷脂双层形成细胞屏障的基本结构膜蛋白作用3执行转运、识别、信号传递等功能细胞膜是一层约厚的动态结构，由磷脂双分子层形成基本骨架，其中嵌有各种蛋白质和糖脂磷脂分子具有亲水性头部和疏水7-8nm性尾部，自发形成双层结构，为细胞提供了选择性屏障细胞膜的运输功能被动运输主动运输无需能量，顺浓度梯度，包括简单扩散和需消耗，逆浓度梯度，如钠钾泵ATP易化扩散受体信号转导离子通道/识别外界信号并转化为细胞内部响应特异性跨膜蛋白，控制离子快速通过细胞膜是选择性屏障，控制物质进出细胞小分子如氧气、二氧化碳可通过简单扩散穿过磷脂双层；水和甘油则通过水通道蛋白实现易化扩散；葡萄糖和氨基酸需要特定载体蛋白转运细胞质与细胞骨架微管微丝中间纤维直径约的中空管直径约的细丝结25nm7nm状结构，由和微管构，由肌动蛋白分子αβ蛋白二聚体聚合而聚合形成参与细胞成负责细胞内物质运动、细胞分裂时的运输、细胞分裂时纺胞质分裂、肌肉收缩锤体形成，以及细胞和细胞皮质支持与形态维持是染色体肌球蛋白相互作用产分离和细胞器定位的生收缩力关键结构细胞器线粒体与能量代谢结构特点双层膜系统形成特殊区室合成ATP通过电子传递链和合酶产生能量ATP氧化磷酸化过程氧气作为最终电子受体完成能量转换线粒体是细胞的能量工厂，直径约，长度可达其特殊的双层膜结构中，外膜平滑，内膜折叠形成嵴，极大增加了表面

0.5-1μm10μm积内膜上分布着呼吸链复合体和合酶，是能量产生的主要场所ATP在氧化磷酸化过程中，三羧酸循环产生的和将电子传递给呼吸链，电子沿着复合体传递并最终被氧接受形成水这一过程NADH FADH2I-IV产生的能量用于将质子泵出内膜，形成质子梯度合酶利用质子回流的能量合成，一个葡萄糖分子可产生约个分子ATP ATP30-32ATP细胞器内质网、高尔基体、溶酶体1内质网分为粗面内质网和滑面内质网粗面内质网表面附着核糖体，负责合成分泌蛋白和膜蛋白；滑面内质网则主要参与脂质合成、药物解毒和钙离子储存是蛋白质合成后第一个加工站2高尔基体由个扁平囊泡堆叠组成，具有顺面（靠近内质网）和反面（靠近4-6细胞膜）主要功能是对来自内质网的蛋白质进行进一步修饰，如糖基化、硫酸化，并将其分选至不同目的地3溶酶体含多种水解酶的膜包围结构，内部约为，是细胞消化系统pH

4.5负责分解衰老细胞器、外源物质和自噬吞入的细胞质成分，参与细胞更新和防御功能细胞核的结构与功能核膜染色质双层膜结构，含核孔复合体与组蛋白结合形成DNA•控制物质进出细胞核•常染色质转录活跃区域2•连接细胞质和核内骨架•异染色质紧密包装，转录不活跃核基质核仁维持核内空间组织核糖体合成工厂RNA•支持染色体结构•转录rRNA基因•参与DNA复制和转录•组装核糖体亚基染色体与细胞分裂染色体结构染色体是与蛋白质（主要是组蛋白）结合形成的复合物，负责遗传信息的DNA储存和传递在细胞分裂间期，染色体以松散的染色质形式存在；在分裂期则高度浓缩成形体人类体细胞含对染色体，包括对常染色体和对性染色X23221体有丝分裂有丝分裂确保体细胞分裂时染色体数目保持不变，包括前期、中期、后期和末期四个阶段在前期染色体浓缩，核膜解体；中期染色体排列在赤道板上；后期姐妹染色单体分离；末期形成两个新核，完成胞质分裂减数分裂减数分裂是配子形成的特殊分裂方式，包括两次连续分裂但只复制一次，最终形成染色体数目减半的配子第一次分裂中，同源染色体配DNA对并交换遗传物质（交叉互换），增加了遗传多样性，对于生物进化和适应性至关重要细胞凋亡与自噬细胞凋亡细胞自噬是一种程序性死亡方式，具有精确的基因调控机制凋亡过程是细胞自我消化部分胞质成分的过程，通过双层膜结构（自噬中，细胞呈现特征性形态变化细胞皱缩、染色质浓缩、核碎小体）包裹细胞质区域，与溶酶体融合后降解内容物并回收利裂、形成凋亡小体，最终被周围细胞或巨噬细胞吞噬，不引起用自噬在营养缺乏时提供能量和代谢底物，并清除受损细胞炎症反应器和蛋白质聚集体凋亡由两条主要途径激活外源性途径（死亡受体途径）和内自噬受通路等多条信号通路严格调控，异常可导致神经mTOR源性途径（线粒体途径），最终都会激活执行者蛋白退行性疾病、感染和肿瘤等多种疾病自噬与凋亡相互调控，caspase酶，导致细胞自我消化凋亡对机体发育、免疫系统功能和组共同参与细胞命运决定，自噬可能既促进细胞生存也可能在某织稳态维持至关重要些情况下促进细胞死亡分子生物学基础核酸结构结构结构DNA RNA由脱氧核糖、磷酸和四种通常为单链结构，由核糖、DNA RNA碱基（、、、）组成，形磷酸和四种碱基（、、、）A TG CA UG C成双螺旋结构两条链通过碱组成，其中尿嘧啶替代了胸U基间的氢键相连，遵循互补配腺嘧啶可形成复杂的T RNA对原则配对形成两个氢键，二级结构，如发卡、茎环等，A T配对形成三个氢键直使其具有更多功能多样性主G C DNA径约，每转一圈约个碱要包括信使、转运2nm10RNAmRNA基对和核糖体RNAtRNARNArRNA碱基配对原则沃森克里克配对是核酸功能的分子基础严格的碱基配对原则确保了遗传-信息的准确复制和表达A=T或A=U和G≡C配对的专一性使DNA能够作为遗传信息的稳定载体，并保证转录和蛋白质合成的精确性RNA的复制DNA复制是半保留式的，即新合成的两条链各包含一条原有链和一条新合成链复制从特定的起始位点开始，双向进行DNA DNA解旋酶打开双螺旋，单链结合蛋白稳定暴露的单链，复制叉沿着模板链移动DNA聚合酶只能在方向合成，因此前导链可连续合成，而滞后链则以短片段（冈崎片段）形式不连续合成，后由连DNA5→3DNA DNA接酶连接复制过程中还有多种酶参与，如引物酶合成引物，校对酶确保复制准确性人类复制错误率约为，DNA RNA DNA10^-9保证了遗传信息的稳定传递的转录过程RNA3主要聚合酶类型RNA真核生物有RNA聚合酶I、II、III，分别转录不同RNA5转录起始位置从DNA模板链5端开始转录8加工步骤mRNA包括加帽、加尾、剪接等修饰过程20,000+人类基因总数每个基因转录受严格调控转录是遗传信息从DNA传递到RNA的过程，由RNA聚合酶催化在真核生物中，RNA聚合酶II负责合成mRNA，过程包括起始、延伸和终止三个阶段转录起始需要多种转录因子和RNA聚合酶结合到启动子区域，形成转录起始复合物前体mRNA经过一系列加工修饰5端加帽（保护mRNA免受降解并辅助核糖体结合）；3端加poly-A尾（增加稳定性）；内含子剪接（移除非编码区域，连接外显子）选择性剪接使一个基因可产生多种mRNA和蛋白质，极大增加了基因组的编码能力真核生物转录和翻译在空间上分离，加工完成的成熟mRNA通过核孔复合体转运到细胞质进行翻译遗传密码与蛋白质合成三联体密码信使RNA遗传密码由三个连续的核苷酸携带从转录的遗传信mRNA DNA（密码子）组成，共有种组合息，是蛋白质合成的模板其645编码种氨基酸和终止信号密端非编码区含有核糖体结合位20码具有简并性，即多个密码子可点，中间是编码区，端是非编3编码同一氨基酸起始密码子通码区和尾成熟被poly-A mRNA常是（编码甲硫氨酸），终运至细胞质中的核糖体进行翻AUG止密码子有、和译UAA UAGUGA转运与核糖体RNA是适配器分子，一端识别密码子，另一端携带相应氨基酸核糖体tRNA是由和蛋白质组成的复合体，包含大小两个亚基，提供翻译的结构平rRNA台它有三个位点位点（接受位点）、位点（肽基位点）和位点A PE（退出位点）原核真核生物蛋白质翻译流程/原核生物翻译真核生物翻译原核生物翻译过程在细胞质中进行，与转录同步进行一个真核生物翻译在细胞质中进行，与转录在空间上分离需要更可同时被多个核糖体翻译，形成多核糖体起始因子较多起始因子（至少个）和能量，识别端的帽结构mRNA12mRNA5少，通常识别序列，这是上位于起始起始通常需要扫描机制，从端开始搜索第一个密码子Shine-Dalgarno mRNA5AUG密码子上游的特定序列原核生物翻译速度快，约每秒个氨基酸终止后核糖体真核生物翻译速度较慢，约每秒个氨基酸翻译后的蛋白10-202-3迅速释放，可立即参与新一轮翻译蛋白质合成完成后几乎不质常需进一步修饰，如糖基化、磷酸化、蛋白酶切割等，才能需后续修饰，可直接发挥功能整个过程效率高，适应原核生获得完全功能膜蛋白和分泌蛋白的翻译通常在内质网上进物快速生长的需要行，有信号肽引导真核翻译调控更为复杂，涉及多层次机制蛋白质的结构与功能四级结构多个多肽链相互作用形成功能复合体三级结构多肽链折叠成特定三维构象二级结构3局部区域形成α螺旋和β折叠等结构一级结构氨基酸按特定顺序连接形成多肽链蛋白质是由20种氨基酸通过肽键连接形成的大分子，其空间结构决定了功能一级结构是氨基酸序列；二级结构是氢键稳定的局部构象，主要包括α螺旋和β折叠；三级结构是整个多肽链的空间折叠，由多种非共价键（氢键、离子键、疏水相互作用和二硫键）维持；四级结构是多个多肽亚基的组合蛋白质折叠受疏水核心和表面亲水残基分布的驱动，是一个自发过程，但也需分子伴侣辅助变性条件（如高温、极端）会破坏非共价键，导致蛋白质结构pH和功能丧失酶是一类特殊蛋白质，通过降低反应活化能加速生化反应，具有高度特异性和催化效率，其活性受底物浓度、温度、和抑制剂等因素影响pH蛋白质的修饰及运输翻译后修饰增加蛋白质结构和功能多样性膜蛋白定位信号序列引导蛋白质准确靶向分泌机制通过内质网高尔基体分泌途径-翻译后修饰是蛋白质合成后的化学改变，极大丰富了蛋白质组的多样性常见修饰包括磷酸化（调节酶活性和信号传导）、糖基化（影响蛋白PTM质折叠和稳定性）、泛素化（标记蛋白质降解）、乙酰化（调节基因表达）和蛋白水解（活化前体蛋白）这些修饰可以快速、可逆地调节蛋白质功能，响应细胞内外环境变化蛋白质的细胞内定位依赖于特定信号序列分泌蛋白和膜蛋白含有端信号肽，合成时被信号识别颗粒识别并引导至内质网，通过转位通道进N SRP入内质网腔之后经高尔基体处理和分选，通过囊泡运输至目的地线粒体和叶绿体蛋白则含有特定靶向序列，通过蛋白质转运复合体进入相应细胞器蛋白质错误定位可导致多种疾病，如囊性纤维化和阿尔茨海默病遗传信息的表达调控操纵子模型原核生物基因表达调控的经典模型，由雅各布和莫诺提出典型操纵子包含调控基因、启动子、操纵子和结构基因以大肠杆菌乳糖操纵子为例，当无乳糖时，阻遏蛋白结合操纵子阻止转录；有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合使其构象改变，释放操纵子，允许转录进行甲基化DNA甲基化是表观遗传修饰的主要形式，通常发生在岛的胞嘧啶上高度DNA CpG甲基化通常与基因沉默相关，而低甲基化则与基因激活相关甲基化模式在发育过程中动态变化，对细胞分化和组织特异性基因表达至关重要异常甲基化与多种疾病有关，尤其是肿瘤发生组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰基转移酶催化，主要发生在赖氨酸残基上HATs乙酰化减弱了组蛋白与的相互作用，使染色质结构松散，有利于转录因子DNA结合和基因表达相反，组蛋白去乙酰化酶移除乙酰基，促进染色质HDACs压缩和基因沉默多种抑制剂已用于肿瘤治疗HDAC真核基因表达调控非编码RNA转录因子调控基因表达的分子RNA结合特定序列的蛋白质DNA•microRNA抑制mRNA翻译•激活或抑制基因转录•长链非编码RNA参与染色质修增强子与启动子组蛋白修饰饰•招募RNA聚合酶及辅助因子序列决定转录起始•圆环RNA作为miRNA海绵•常形成多蛋白复合物改变染色质结构的化学修饰DNA•启动子位于转录起始点附近•乙酰化通常激活基因•增强子可远离基因数千碱基•甲基化效果依赖于位置•通过DNA环化相互接触•形成组蛋白密码24基因组结构与功能外显子内含子转座子简单重复序列基因间DNA调控序列核酸杂交与分子检测聚合酶链式反应是一种体外扩增技术，通过温度循环和聚合酶作用，使特定片段指数级扩增基本步骤包括变性（，双链分PCR DNA DNA DNA95°C DNA离）、退火（，引物与单链结合）和延伸（，聚合酶合成新链）实时荧光定量通过荧光信号实时监测产物积累，可用于基因表达50-60°C DNA72°CDNAPCR分析和病原体检测基因芯片技术利用核酸杂交原理，在固相支持物上排列数千至数百万个探针，用于大规模基因表达分析、基因分型和突变检测原位杂交则直接在细胞或DNA组织切片上进行，通过标记的核酸探针检测特定基因的表达或定位这些技术广泛应用于分子诊断、科研和法医学，为精准医疗提供了重要工具分子诊断与技术前沿1基因测序2单细胞测序RNA从测序到下一代测序传统基因表达分析反映细胞群体Sanger NGS和第三代测序技术，测序经平均水平，掩盖了单细胞差异DNA历了革命性发展可同时测序单细胞测序可分析单个细胞NGS RNA数百万片段，大幅提高通量的转录组，揭示细胞异质性、亚DNA并降低成本全基因组测序、全群鉴定和发育轨迹该技术已用外显子组测序和靶向测序应用于于肿瘤微环境研究、免疫细胞分遗传病诊断、肿瘤精准医疗和药类和神经元多样性分析，为理解物反应预测，成为个体化医疗的复杂疾病提供新视角基础基因诊断与个体化治疗分子诊断已融入临床实践，包括产前诊断、新生儿筛查、肿瘤分子分型和感染性疾病检测液体活检技术通过检测循环肿瘤实现无创癌症监测药物基DNA因组学指导个体化用药，预测药效和不良反应，如突变检测指导肺癌靶向EGFR治疗，检测预防抗药物过敏HLA-B*5701HIV信号传导基础受体配体结合-信号传导始于细胞外信号分子（如激素、生长因子、神经递质）与特异性细胞膜受体结合受体类型多样，包括蛋白偶联受体、离子通道型受体、G GPCR酶联受体（如受体酪氨酸激酶）和胞内受体（如甾体激素受体）配体结RTK合诱导受体构象变化，启动胞内信号级联第二信使系统第二信使是胞内小分子，放大和传递最初信号主要第二信使包括环磷酸腺苷，由腺苷酸环化酶产生，激活蛋白激酶；肌醇三磷酸和cAMP AIP3甘油二酯，由磷脂酶产生，分别释放钙离子和激活蛋白激酶；钙离DAG CC子本身也是重要第二信使，通过钙调蛋白调节多种酶活性信号级联与终止信号通过蛋白激酶级联放大和整合，最终调控基因表达、细胞代谢、增殖和分化等过程信号通路间存在交叉对话，形成复杂网络信号终止同样重要，包括受体内化、配体降解、蛋白磷酸酶活化和抑制蛋白作用等机制，防止过度或持续激活造成细胞损伤细胞间的信号网络自分泌调节旁分泌调节内分泌调节缝隙连接细胞产生的信号分子作用于自信号分子作用于邻近细胞，影内分泌腺分泌激素进入血液循相邻细胞通过缝隙连接直接交身或同种细胞如肿瘤细胞分响范围受分子扩散限制这是环，影响远处靶器官如胰岛换小分子和离子，形成功能性泌生长因子刺激自身增殖，形组织微环境中最常见的细胞通素由胰腺β细胞分泌，调节全合胞体这种直接通讯在心成自我维持的增殖环路这种讯方式，维持局部组织稳态身葡萄糖代谢；甲状腺激素调肌、平滑肌和某些上皮组织中机制在免疫应答、组织修复和例如，内皮细胞分泌一氧化氮控多种组织代谢率；性激素影尤为重要，确保电信号快速传肿瘤进展中发挥重要作用许影响邻近平滑肌细胞舒张；肿响生殖器官发育和功能内分导和代谢同步缝隙连接由连多癌症治疗药物靶向阻断这种瘤微环境中，肿瘤细胞与基质泌系统通过反馈环路精密调接蛋白形成通道，可通过磷酸自分泌信号环路，如表皮生长细胞通过旁分泌因子相互调控，失衡可导致多种内分泌疾化等机制动态调控，在胚胎发因子受体抑制剂节，促进肿瘤进展病，如糖尿病和甲状腺功能异育和组织稳态中发挥关键作EGFR常用生长因子与受体表皮生长因子与受体其他关键生长因子EGF是一种多功能生长因子，通过结合刺激细胞神经生长因子支持神经元生存和轴突生长，通过受EGF EGFRErbB1NGF TrkA增殖和分化属于受体酪氨酸激酶家族，配体结合导致体和发挥作用，在神经系统发育和疼痛感知中起关键EGFR p75NTR受体二聚化和自磷酸化，激活多条下游信号通路，包括作用抑制剂已用于慢性疼痛治疗研究NGF、和途径MAPK PI3K/Akt STAT成纤维细胞生长因子家族包含个成员，调控细胞增FGF23过度激活与多种肿瘤相关，如非小细胞肺癌、结直肠癌殖、存活、迁移和分化通过与结合激活和EGFR FGFRRAS-MAPK和头颈部肿瘤抑制剂如吉非替尼和厄洛替尼，以及抗途径信号在胚胎发育、血管生成和组织EGFR PI3K-Akt FGF-FGFR单抗如西妥昔单抗已成为靶向治疗的重要药物，尤其对修复中发挥核心作用，基因改变与多种发育异常和肿瘤EGFR FGFR突变肺癌患者疗效显著相关，成为药物研发靶点EGFR稳态失衡与信号异常信号通路正常功能异常后果相关疾病调控细胞增殖与分化持续激活导致无限增殖胰腺癌、结直肠癌Ras-MAPK促进细胞存活与代谢抑制凋亡，促进肿瘤生乳腺癌、前列腺癌PI3K-Akt长Wnt-β-catenin调控发育与干细胞更新导致干细胞功能异常结直肠癌、肝癌介导细胞因子信号传导免疫调节失衡白血病、淋巴瘤JAK-STATNotch调控细胞命运决定发育异常与组织分化障T细胞急性白血病碍癌变过程中，关键信号通路常发生异常激活或抑制原癌基因如RAS、MYC常因突变而持续激活，导致无控制细胞增殖；抑癌基因如TP

53、PTEN则因突变或表观遗传沉默而失去功能，无法抑制异常生长这些变化共同导致肿瘤细胞获得持续增殖信号、逃避生长抑制、抵抗细胞死亡、无限复制潜能、促进血管生成和激活侵袭转移能力代谢异常也常由信号通路紊乱引起胰岛素信号通路异常导致葡萄糖转运和代谢障碍，是2型糖尿病的核心机制胰岛素受体底物IRS蛋白丝氨酸磷酸化增加和酪氨酸磷酸化减少导致胰岛素抵抗，进而影响肝脏糖异生、肌肉葡萄糖摄取和脂肪组织脂解了解这些信号异常机制对开发靶向治疗至关重要细胞周期的分子调控期G1期S生长准备阶段，细胞合成和蛋白质，为RNA合成期，染色体复制，核仁增大DNA复制做准备DNA期期M G2有丝分裂期，染色体分离，细胞质分裂形成两个分裂前准备阶段，细胞继续生长，合成分裂所需子细胞蛋白细胞周期由细胞周期蛋白依赖性激酶和细胞周期蛋白精密调控不同复合物在周期特定阶段激活期主要由和CDK CyclinCDK-Cyclin G1CDK4/6-CyclinD调控；期由驱动；期则依赖这些复合物通过磷酸化底物蛋白推动细胞周期进程CDK2-CyclinE SCDK2-CyclinA G2/M CDK1-CyclinB细胞周期检查点确保完整性和染色体正确分配检查点限制点决定细胞是否进入分裂周期，受途径调控；检查点确保复制完成无损DNA G1/SRb-E2F G2/M DNA伤；有丝分裂检查点确保染色体正确连接纺锤体抑制蛋白如、和家族成员通过抑制活性阻止周期进程，响应损伤或其他应激信号CDK p21p27INK4CDK DNA周期调控失败是肿瘤发生的关键机制细胞周期失控与肿瘤癌变表型持续增殖、抗凋亡、侵袭转移典型基因变异2突变、失活、端粒酶激活p53Rb细胞周期调控异常检查点功能丧失、周期蛋白过表达基因（编码蛋白）是最常见的突变抑癌基因，约人类肿瘤中发生改变被称为基因组守护者，在损伤后激活，诱导细胞周期阻滞、TP53p5350%p53DNA修复或凋亡突变导致细胞失去这一保护机制，积累遗传损伤并持续增殖综合征患者因携带胚系突变，高度易感多种癌症DNA p53Li-Fraumeni TP53视网膜母细胞瘤蛋白是另一关键抑癌基因，通过与转录因子结合阻止到期转换正常情况下，生长信号触发磷酸化，释放启动复制Rb E2F G1S Rb E2F DNA基因突变或其调控蛋白如过表达、缺失等改变，破坏这一调控，导致无控制细胞增殖人类肿瘤中常见周期调控基因改变包括编Rb Cyclin D1p16CCND1码扩增、扩增和编码缺失，已成为癌症治疗靶点，如抑制剂在乳腺癌治疗中显示显著疗效CyclinD1CDK4CDKN2A p16CDK4/6细胞分化与发育干细胞阶段全能性或多能性细胞，具有自我更新能力，可分化为多种细胞类型受、、等转录因子调控，这些因子维持干细胞特性胚胎Oct4Sox2Nanog干细胞来源于囊胚内细胞团，可分化为三个胚层的所有细胞类型；成体干细胞则存在于特定组织，具有更受限的分化潜能诱导分化特定生长因子和信号分子触发干细胞分化为前体细胞和特定细胞类型如骨形态发生蛋白促进中胚层和骨组织分化；神经生长因子BMP NGF诱导神经元分化；红细胞生成素促进造血干细胞向红系分化分化EPO过程伴随基因表达谱重编程，部分基因激活，部分基因沉默组织形成分化细胞组织形成过程涉及细胞迁移、细胞黏附和细胞间相互作用形态发生素如、和配体通过浓度梯度指导Sonic hedgehogShhWnt Notch细胞位置和组织结构上皮间质转化和间质上皮转化在组织EMT MET形成中起关键作用，允许细胞改变特性并重新排列干细胞与再生医学多能性干细胞定向分化包括胚胎干细胞和诱导多能性通过模拟胚胎发育信号环境，诱导干ESCs干细胞来源于囊胚内细细胞分化为特定细胞类型如添加iPSCs ESCs胞团，具有分化为所有体细胞类型的和诱导内胚层分化；加Activin AWnt能力；是通过重编程技术将成入和促进心肌细胞分化；iPSCs BMP4VEGF体体细胞转化为类似的多能性细神经生长因子和维甲酸诱导神经细胞ESCs胞，避免了伦理争议山中伸弥因发分化这些定向分化方案已实现高纯现技术获得年诺贝尔生理度特定细胞类型的体外生成，为疾病iPSCs2012学或医学奖建模和细胞治疗奠定基础再生医学应用干细胞已应用于多种疾病治疗研究造血干细胞移植用于血液系统疾病；间充质干细胞用于自身免疫性疾病和组织修复；神经干细胞用于神经退行性疾病；衍iPSCs生细胞用于帕金森病、视网膜变性和脊髓损伤等组织工程结合干细胞和生物材料，构建功能性组织和器官，如人工皮肤、软骨和迷你器官organoids细胞老化与衰亡端粒缩短机制衰老生物标志物端粒是染色体末端的重复序列，保护染色体不细胞衰老伴随多种生物标记变化端粒缩短、染色质重组形成DNA TTAGGGn被降解和融合由于聚合酶无法完全复制线性末端衰老相关异染色质灶、损伤反应持续激活、线粒DNADNASAHF DNA（末端复制问题），每次细胞分裂端粒缩短个碱基体功能障碍、自噬活性降低、蛋白质稳态失衡最显著的是衰50-200对当端粒长度缩短到临界值，细胞进入衰老状态，停止分老相关分泌表型，衰老细胞分泌细胞因子、趋化因子、SASP裂，这一现象被称为海弗里克极限生长因子和蛋白酶，影响周围组织微环境端粒酶是一种特殊的逆转录酶，能够添加端粒重复序列，在生组织水平的衰老表现为干细胞功能下降、再生能力减弱、慢性殖细胞、干细胞和的癌细胞中活跃端粒酶活性与细胞炎症和损伤修复能力降低免疫系统衰老免疫衰老导致感染90%永生化相关，端粒酶基因的激活是癌变的常见特征易感性增加和疫苗效果降低新兴的衰老干预策略包括清除衰TERT相反，端粒功能障碍与早衰综合征如先天性发育不良和老细胞的衰老溶解药物、端粒酶激活、补充剂和间歇NAD+综合征相关性禁食等，旨在延缓衰老相关疾病Werner细胞应激和损伤反应氧化应激当活性氧簇产生超过细胞抗氧化防御能力时，引起氧化应激主要包ROS ROS括超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基，主要来源于线粒体电子传递链泄漏、细胞质氧化酶活化和内质网应激过量导致脂质过氧化、蛋白质氧化NADPH ROS修饰和损伤，与多种疾病如神经退行性病变、心血管疾病和癌症相关DNA热休克反应高温等应激条件激活热休克因子，诱导热休克蛋白表达作为HSF HSPHSPs分子伴侣，帮助受损蛋白质正确折叠，防止蛋白质聚集，保护细胞免受应激损伤和家族成员在蛋白质稳态维持中发挥核心作用，也参与细胞凋亡调HSP70HSP90控和抗原呈递抑制剂已成为癌症治疗新靶点HSP损伤修复DNA损伤激活激酶，启动损伤反应通路协调细胞周DNA ATM/ATR DNADDR DDR期检查点激活、修复和必要时的细胞凋亡主要修复机制包括碱基切除修复DNA、核苷酸切除修复、错配修复、同源重组修复和非同源末BER NERMMR HR端连接修复缺陷导致基因组不稳定和癌症易感性，如缺陷与乳NHEJ BRCA1/2腺癌和卵巢癌风险增加相关病毒与细胞相互作用病毒基因组整合逆转录病毒的生活周期特点宿主细胞利用2劫持细胞机器进行病毒复制病毒致癌机制通过激活原癌基因或抑制抑癌基因逆转录病毒如和含基因组，感染后通过逆转录酶转化为并整合到宿主基因组中、等病毒也可整合到宿主染色体HIV HTLVRNADNAHPV HBVDNA整合可导致插入突变，激活原癌基因或灭活抑癌基因优先整合到转录活跃区域，而整合常伴随病毒致癌基因的保留和宿主基因破HIV HPV E6/E7坏致癌病毒通过多种机制促进肿瘤发生蛋白促进降解，与结合使释放，导致无控制细胞增殖；蛋白激活多种信号通路并HPVE6p53E7RbE2F HBVX抑制p53功能；EBV潜伏膜蛋白1LMP1模拟持续活化的CD40受体，激活NF-κB通路抗病毒疫苗如HPV疫苗已证明有效预防相关癌症理解病毒-宿主相互作用对抗病毒药物和疫苗开发至关重要基因突变与疾病点突变缺失单个核苷酸改变，包括错义突变片段丢失，范围从单个核苷DNA（改变氨基酸）、无义突变（产酸到整个基因或染色体区域杜生终止密码子）和同义突变（不氏肌营养不良是连锁隐性疾病，X改变氨基酸）镰状细胞贫血症由肌营养不良蛋白基因缺失导致是经典例子，由β-珠蛋白基因第6肌肉变性囊性纤维化患者约位密码子单核苷酸变异携带基因第位苯丨GAG→GTG70%CFTR508导致谷氨酸被缬氨酸替代，使血丙氨酸缺失，导致蛋白质ΔF508红蛋白在低氧条件下聚合，形成错误折叠和降解，引起多器官功镰刀状红细胞能障碍插入序列添加，可导致移码突变改变其后所有氨基酸亨廷顿舞蹈病是由DNA HTT基因中三核苷酸重复异常扩增导致的常染色体显性疾病，正常人有CAG10-35个重复，患者超过个重复，导致含异常多谷氨酰胺链的蛋白聚集，引起神经40元退化脆性综合征则由基因重复扩增导致基因沉默X FMR1CGG分子病与临床意义地中海贫血囊性纤维化地中海贫血是一组由珠蛋白基因突变导致的遗传性血红蛋白囊性纤维化是常染色体隐性遗传病，由基因突变导致CFTR病地贫由珠蛋白基因突变引起，人类有编码跨膜氯离子通道，调节上皮细胞表面液体分泌超α-α-HBA1/HBA24CFTR个珠蛋白基因拷贝，缺失数目不同导致症状严重程度不同过种突变被报道，按功能缺陷分为类类蛋白质α-2000CFTR6I-地贫由珠蛋白基因突变导致，包括点突变、小缺失合成缺陷；类加工运输异常；类调节功能障碍；类离β-β-HBB II-III-IV-和剪接异常子通透缺陷；类合成减少；类稳定性降低RNA V-VI-分子机制为珠蛋白链合成不平衡地贫患者过量链沉积导分子病理为氯离子转运障碍导致黏液增稠，引起多器官功能损β-α致红细胞前体细胞凋亡；地贫则因过量链形成异常四聚害，主要影响肺、胰腺、肠和生殖系统精准医疗取得突破α-β体基因诊断可通过、和测序等方法鉴定特异性突根据特定突变类型开发靶向药物，如增强类突变PCR RFLPivacaftor III变基因治疗成为新希望，通过慢病毒载体介导功能性珠蛋白功能，和修复类突变蛋白质折CFTR lumacaftortezacaftor II基因转移或基因编辑修复突变叠，三药联合疗法可有效治疗约患者新生儿筛查结合分CRISPR-Cas990%子诊断实现早期干预分子治疗的前景基因治疗已从理论走向临床实践，成功案例包括治疗遗传性视网膜病变的、脊髓性肌萎缩症的和细胞恶性肿瘤的细胞疗法基因Luxturna ZolgensmaB CAR-T递送系统不断改进，包括优化的病毒载体（如腺相关病毒）和非病毒载体（如脂质纳米颗粒）基因替代适用于隐性疾病；而基因修饰或沉默更适合AAV LNP显性疾病干扰技术利用或特异性降解靶已上市药物包括治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性的和遗传性淀粉样变性的RNA siRNAshRNA mRNAsiRNA patisiranATTRvutrisiran CRISPR-Cas9基因编辑技术因其简便高效而革命性，已用于治疗镰状细胞病和β-地贫临床试验，通过编辑造血干细胞恢复正常珠蛋白表达该技术仍面临脱靶效应和免疫原性等挑战，但改进的高保真变体和递送系统正不断提高其安全性和有效性Cas9药物作用的分子机制小分子抑制剂小分子药物通过与蛋白质特定位点结合，抑制其功能伊马替尼Gleevec是革命性的BCR-ABL酪氨酸激酶抑制剂，通过结合ABL激酶结构中的ATP结合口袋，阻断其激活，有效治疗慢性粒细胞白血病EGFR抑制剂如吉非替尼Iressa针对EGFR基因突变的非小细胞肺癌，显著提高响应率和生存期单克隆抗体单抗通过特异性识别并结合细胞表面抗原，发挥治疗作用曲妥珠单抗Herceptin靶向HER2过表达的乳腺癌，不仅阻断受体激活，还通过抗体依赖性细胞毒性ADCC介导肿瘤细胞杀伤PD-1/PD-L1抑制剂如帕博利珠单抗Keytruda阻断肿瘤免疫逃逸通路，恢复T细胞抗肿瘤功能，成为免疫治疗里程碑新型分子机制蛋白质降解靶向嵌合体PROTACs是新兴药物模式，通过双功能分子同时结合靶蛋白和E3泛素连接酶，诱导靶蛋白泛素化和降解与传统抑制剂相比，PROTACs可靶向不可成药蛋白，且作用具催化性信使RNA疗法通过直接递送编码治疗蛋白的mRNA，已成功应用于COVID-19疫苗，开创基于核酸的精准治疗新时代细胞生物学技术进展

0.2nm~20nm电子显微镜分辨率超分辨显微镜分辨率可观察细胞超微结构突破传统光学衍射极限1000+10,000+单细胞测序基因数空间转录组分辨率揭示单个细胞转录组特征每平方毫米可检测的基因表达点超分辨率显微成像技术突破了传统光学衍射极限~200nm，代表技术包括结构光照明显微镜SIM、受激发射损耗显微镜STED和单分子定位显微镜STORM/PALM这些技术实现了20-50nm的分辨率，使研究者能观察亚细胞结构精细组织和动态变化，如突触结构、膜蛋白分布和细胞骨架组织荧光共振能量转移FRET和荧光恢复后漂白FRAP等技术则用于研究蛋白质相互作用和分子动力学单细胞测序技术革新了细胞研究，可同时分析数千个单细胞的基因表达谱10x Genomics等平台结合微流控技术和条形码标记，实现高通量单细胞RNA测序空间转录组学保留了组织空间信息，如Visium和MERFISH技术可将基因表达与组织结构关联多组学集成分析结合转录组、表观组和蛋白质组数据，提供细胞状态的全面视图这些技术正重塑我们对细胞异质性、发育轨迹和疾病机制的理解分子生物学技术前沿干扰技术蛋白互作网络分析多组学整合分析RNARNA干扰RNAi是一种序列特蛋白质-蛋白质相互作用PPI是整合基因组、转录组、蛋白质异性的基因沉默技术，通过小细胞功能的基础酵母双杂组和代谢组数据，提供细胞功干扰RNAsiRNA或短发夹交、免疫共沉淀-质谱和近邻标能的全景视图单细胞多组学RNAshRNA降解靶mRNA高记BioID/APEX等技术可系统同时分析单个细胞的基因组、通量RNAi筛选可系统研究基因鉴定蛋白质相互作用结合计转录组和表观组，揭示细胞异功能，鉴定疾病相关基因和药算生物学构建的PPI网络揭示蛋质性人工智能和机器学习算物靶点全基因组CRISPR-白质功能模块和疾病机制，促法助力大数据分析，预测基因Cas9筛选与RNAi互补，提供更进药物靶点发现和系统生物学功能和疾病风险，为精准医疗全面的功能基因组学研究平研究提供决策支持台体外器官模型类器官Organoids是体外3D培养的微型器官，保持组织特异性结构和功能源自干细胞的类器官可模拟发育过程和疾病状态，为药物筛选和个体化医疗提供新平台器官芯片Organ-on-a-chip结合微流控技术模拟器官生理环境，用于药物毒性评估和疾病建模临床分子诊断案例癌症基因检测液体活检技术非小细胞肺癌精准治疗已成循环肿瘤检测实现无创NSCLC DNActDNA为肿瘤学范例突变检测指导癌症诊断和监测数字和技EGFR PCRNGS酪氨酸激酶抑制剂使用，不同术可检测血液中极低丰度的肿瘤TKI突变类型对应不同代次临床应用包括早期癌症筛TKI T790M DNA突变患者适用奥希替尼，外显子缺查；治疗耐药机制监测，如19EGFR失和突变患者适用厄洛替尼突变出现提示一代耐药；L858R T790M TKI等融合基因检测指导抑制微小残留病灶检测，评估手术ALK ALKMRD剂使用；、、等驱动基后复发风险；实时监测肿瘤基因组ROS1RET MET因检测也有对应靶向药物变化，指导治疗调整产前分子诊断无创产前检测分析母血中胎儿游离，筛查、、三体综合征，准NIPT DNA211813确率对高风险孕妇，可通过羊水或绒毛取样进行全外显子组测序或染色99%体微阵列分析，诊断单基因遗传病和染色体异常胚胎植入前基因诊断可PGT在试管婴儿过程中筛选健康胚胎，预防严重遗传病传递细胞与分子医学热点免疫检查点抑制剂肿瘤免疫治疗的突破性进展，通过阻断肿瘤细胞与免疫细胞间的抑制性信号，恢复细T胞抗肿瘤功能代表药物包括抗抗体如和、抗PD-1pembrolizumab nivolumabPD-抗体如和抗抗体如这类药物已在黑色素瘤、L1atezolizumab CTLA-4ipilimumab肺癌、肾癌等多种实体瘤和血液肿瘤中显示显著疗效，部分患者可达到长期缓解甚至治愈细胞疗法CAR-T嵌合抗原受体细胞疗法是细胞免疫治疗的代表，将患者细胞基因工程改T CAR-T T造表达靶向肿瘤抗原的嵌合受体后回输体内已上市产品主要靶向，CAR-T CD19用于治疗细胞恶性肿瘤，如复发难治性急性淋巴细胞白血病和弥漫大细胞淋巴B/B瘤，完全缓解率可达新一代技术聚焦克服实体瘤微环境抑制、减40-90%CAR-T少毒性和提高持久性细胞外囊泡与疾病细胞外囊泡，特别是外泌体，是细胞间通讯的重要媒介，携EVs30-150nm带蛋白质、核酸和脂质等生物活性分子在肿瘤进展中，肿瘤源性外泌体促进血管生成、免疫逃逸和转移前微环境形成也参与神经退行性疾病中错误EVs折叠蛋白的传播作为生物标志物，血液中可用于癌症早期诊断；作为药EVs物递送载体，具有生物相容性好、靶向性强和免疫原性低等优势EVs人类基因组计划与医学表观遗传医学甲基化与肿瘤DNA表观遗传药物异常甲基化模式是肿瘤发生的特征DNA靶向表观遗传修饰的治疗策略•全基因组低甲基化促进基因组不稳定•DNA甲基转移酶抑制剂阿扎胞苷•抑癌基因启动子高甲基化导致基因沉1•组蛋白去乙酰化酶抑制剂伏立诺他默•IDH抑制剂艾伏尼达•甲基化标志物用于早期诊断和预后组蛋白修饰与自免病神经精神疾病组蛋白修饰对免疫功能的影响表观遗传在神经系统疾病中的作用•系统性红斑狼疮与组蛋白乙酰化改变•精神分裂症与组蛋白甲基化异常•类风湿关节炎与表观遗传重编程•阿尔茨海默病与DNA甲基化改变•环境因素通过表观修饰影响免疫•Rett综合征与MeCP2基因突变个体化医学与未来1精准医疗概念基因编辑技术精准医疗是基于个体基因组、环境和生基因编辑技术是生物医学CRISPR-Cas9活方式的个性化预防和治疗策略它超革命性突破，可精确修改基因组越一刀切医疗模式，实现正确的治年，和因此2020Doudna Charpentier疗，正确的患者，正确的时间肿瘤获诺贝尔化学奖首个基于的治CRISPR学是精准医疗的前沿领域，根据分子亚疗（）已在镰状CRISPR-Cas9CTX001型选择靶向治疗，如HER2阳性乳腺癌细胞病和β-地贫临床试验中显示令人鼓使用曲妥珠单抗，突变肺癌使用舞的结果，通过编辑患者造血干细胞中EGFR抑制剂，大大提高了治疗效果并减基因，重新激活胎儿血红蛋白表TKI BCL11A少不必要毒性达基因编辑已扩展到眼部疾病、代谢病和神经肌肉疾病等领域伦理与社会挑战基因编辑尤其是生殖系编辑引发深刻伦理争议年基因编辑婴儿事件凸显监管缺失2018和伦理界限模糊的危险主要伦理关切包括意外脱靶效应的安全风险；编辑改变可能世代相传；基因增强可能导致设计婴儿和新形式优生学；可能加剧社会不平等，创造基因贵族国际社会呼吁建立全球监管框架，平衡科学进步与伦理底线，确保技术惠及全人类而非少数人总结与展望科学前沿推动医学革命的尖端技术临床转化从基础研究到临床应用核心理论理解生命本质的基础知识细胞与分子生物学是现代医学的基石，从细菌感染的抗生素治疗到肿瘤的精准靶向治疗，从遗传病基因诊断到干细胞再生医学，所有医学进步都源于对细胞结构和分子机制的深入理解本课程系统介绍了从细胞器功能到信号转导，从基因表达到蛋白质合成的核心知识，这些内容构成了理解疾病机制和治疗原理的理论基础未来医学发展将更加依赖细胞与分子层面的创新人工智能辅助的多组学分析将揭示疾病的分子网络；单细胞技术将精确刻画疾病微环境；基因编辑和细胞疗法将实现精准干预；类器官和器官芯片将变革药物研发模式医学生应建立扎实的细胞与分子生物学基础，培养跨学科思维，关注前沿技术发展，才能在未来医学实践中游刃有余，为患者提供最先进的诊疗服务推荐阅读与资源经典教材学术期刊在线资源《分子生物学原理》沃森等著是经典入门教顶级期刊如《自然》、《科学》、基因组浏览器和提供Nature NCBIUCSC Ensemble材，全面介绍分子生物学基础；《细胞生物学》和《细胞》刊登生命科学重大基因组数据库；提供世界顶级科学家Science CelliBiology艾伯特等著提供细胞结构与功能详尽描述；突破；专业期刊如《自然综述分子细胞生物视频讲座；和平台有麻省理工、-Coursera edX《生物化学》施特莱尔著深入讲解生物分子学》、《趋势细胞生物学》和《当前意见生哈佛等名校在线课程；生物谷和丁香园提供中--代谢和调控；《遗传学的概念》克拉克等著物技术》提供高质量综述；中文期刊如《中国文生物医学资讯；各大数据库如蛋白质数据库系统介绍现代遗传学理论这些教材均有中文科学生命科学》和《生物化学与生物物理进、基因表达数据库和人类蛋白质PDB GEO译本，是建立专业知识体系的基础展》介绍国内研究进展定期阅读这些期刊可图谱为研究提供数据支持这些资源多HPA了解学科前沿动态为免费或部分免费访问谢谢聆听课后问答与讨论学习资料获取欢迎提出与课程内容相关的本课件将通过学校教学平台问题，分享你的见解或困惑发布，供大家复习参考推本课程涵盖内容广泛，从基荐阅读书目清单和扩展学习础理论到前沿应用，如有特资料也将一并提供课程相定领域需要深入讨论，可在关的实验视频、案例分析和课后单独交流对于实验技习题将在线上学习平台更新，术和临床应用的具体问题，帮助巩固知识点和应用能力将在后续实验课和临床课程中详细介绍学习交流群欢迎扫描二维码加入课程学习交流群，群内将分享学习资料、前沿文献和学习心得定期组织线上讨论和答疑，优秀讨论内容将作为课程补充材料对有研究兴趣的同学，也可了解实验室科研项目和实习机会，为未来深造做准备。