第七卷 細胞生物學
第37章 序
細胞是生物的形態結構和功能活動的基本單位。從十九世紀施旺和施萊登提出細胞學說以來，細胞學一直是生物學的基礎，尤其對遺傳和發育的研究起了很大的推動作用。近三十多年來，隨著分子生物學的發展，人們從細胞水平進一步深入到分子水平來研究細胞生命活動的規律，細胞學研究範圍更加擴大、深入，並演變為細胞生物學。
細胞生物學主要是從細胞的整體、亞細胞水平和分子水平三方麵來研究細胞生命活動--生長、分化、遺傳變異、運動和興奮傳導等的基本規律。從生命結構的層次看來，細胞生物學位於分子生物學和個體生物學之間，和它們互相銜接、互相滲透。因此，細胞生物學是一門承上啟下的學科，和分子生物學一起同是現代生命科學的基礎。
舊中國細胞學基礎十分薄弱，中國科學院成立後才逐漸得到發展。在動物細胞方麵，原來較有基礎的工作主要是結合胚胎發育問題（如卵球成熟、受精和單性生殖，胚胎誘導和細胞分化，卵發育能力的分析等）分別在實驗生物研究所（上海）、海洋研究所實驗動物研究室（青島）、動物研究所（北京）等研究單位進行的。在植物細胞方麵，植物生理研究所（上海）、植物研究所（北京）等在植物組織培養、細胞核穿壁和核更新等方麵也有較好的基礎。此外，在亞顯微形態學、細胞遺傳、細胞化學等方麵也進行過一些零星的工作。""文化大革命""期間，細胞學基礎研究大部中斷。然而，在七十年代中期十分艱難的條件下，細胞核移植、癌細胞株培養及其生物學特性的研究，細胞融合、花藥培養和單倍體育種等個別領域仍取得一定的進展。但總的說來，這一時期的研究水平、規模、設備條件和人員隊伍與國際先進水平的差距更加拉大了，許多飛速發展的重要領域（尤其是分子水平的研究）幾乎是空白。
從一九七七年全國自然科學規劃會議製定第一個細胞生物學規劃以來，原上海實驗生物所改建為專業的上海細胞生物學研究所，幾個研究所內的原來較有基礎的實驗室（動物所、植物所、上海植生所的細胞室、海洋所實驗動物研究室）和一九七九年成立的發育生物學研究所均逐漸恢複並開展細胞生物學方麵的工作。重要的空白領域（如細胞表麵、細胞骨架、細胞免疫、染色體分子生物學等）開始有人工作，實驗裝備有了初步改善，重要的新技術（重組脫氧核糖核酸技術，雜交瘤技術等）陸續引進並開始在工作中應用，特別是在植物細胞工程方麵進展尤為顯著，花藥培養和單倍體育種在國際上已進入先進行列。此外，還在一九八○年成立了全國細胞生物學會，促進了國內的學術活動和國際學術交流。總之，近七、八年來中國科學院細胞生物學的發展形勢是好的，無論在基礎研究和應用方麵都取得較大的進展。
第38章 動物細胞
一、細胞核和染色體
生物物理所施履吉一九五九年將大量同源脫氧核糖核酸蛋白質注射入黑斑蛙卵內時，觀察到可形成形態上與休止核相似的""擬核""。
八十年代初期，施履吉在上海細胞所利用從硬皮病人血清中篩選出的專一抗著絲粒抗體，作間接免疫熒光染色，顯示兩棲類精子頭部有著絲粒存在。其數目相等於或小於單倍染色體數目，從而表明著絲粒不但在細胞周期內，而且在世代之間也保持連續性。這一結論在魚類、鳥類和哺乳類的體細胞和精子也得到證實，表明了著絲粒的抗原性在進化中是保守的。通過離體和活體實驗還證明高等動物核膜是細胞質微管蛋白進入核內的有效屏障，核膜破裂因而是染色質微管形成的必要條件。此外，還對核仁形成機製、核仁物質與中期染色體形成的關係提供了實驗資料。
赤麂（Muntiacusmuntjak）是脊椎動物中已知染色體數目最少的動物（2n=♂7，♀6，NF＝12），其同源種或近緣種小麂（M·reevesi）的染色體數目則為2n＝46，NF＝46。昆明動物所施立明等發現這兩個核型差別如此明顯的動物種間可以雜交。根據赤麂、小麂及其F1雜種的比較細胞遺傳學研究闡明，兩親本染色體的帶紋有一定的同源性，結合染色體帶紋分析和18S，28SrDNA分布資料，可以把雜種麂細胞的23條小麂染色體組合成赤麂的3條染色體。這說明小麂染色體可能通過串聯易位方式演變為赤麂的染色體。在哺乳類動物核型進化和物種起源研究中，這是一條值得注意的核型進化途徑。
甲藻是在係統發生上位於原核生物和真核生物之間的原始生物，其染色體構造具有某些原核生物的特征，以往認為它們的染色體不含堿性蛋白質，因而其脫氧核糖核酸也不能形成核小體結構。然而，昆明動物所和上海細胞所合作，用生化和細胞化學方法證明，在一種海生甲藻--尖尾藻（Oxyrrhismarina）的染色體中，存在一種電泳行為類似H的堿性蛋白，並能形成核小體結構。這一結果提示在染色體進化過程中，核小體結構在低等真核生物中就已經出現，並且可能是由一種堿性蛋白質構成的。
上海細胞所施履吉等對黑斑蛙（Rananigromaculata）和中華大蟾蜍（Bufobufoasiaticus）精子染色質的堿性蛋白和超微結構進行比較研究，觀察到黑斑蛙精子含有五種組蛋白（H，H，HA，HB，H）並能形成核小體結構；蟾蜍精子的堿性蛋白主要類似魚精蛋白，沒有核小體結構。
上海細胞所還研究了染色質結構與基因表達的關係，注意到雞β-蛋白基因在活躍表達的細胞（雞紅血球）和不活躍表達的細胞（輸卵管）細胞核內，染色質結構有區別。基因處於活躍表達狀態的活性染色質的結構比較鬆散，核小體內的排列也較不規則。
二、細胞核和細胞質在發育中的關係
細胞核和細胞質的關係是細胞生物學和發育生物學共同關心的問題。一九五二年國際上核移植技術建立後不久，動物研究所和青島海洋所實驗動物研究室童第周工作組利用這一技術在兩棲類、魚類和海鞘上進行了係統的研究。
在兩棲類上證明中華蟾蜍胚胎發育時，內胚層細胞核的發育能力隨胚胎年齡增長而逐漸改變。但是在時間進度上要比豹蛙來得慢，可能與爪蟾相近，或者介乎兩者之間。
對魚類不同亞科間細胞核移植實驗，進一步說明了細胞質對發育的影響，把金魚（Carassiusauratus）囊胚細胞核移至魚（Rhodeussinensis）去核卵內，發育到囊胚期，再回移到金魚的去核卵，這樣得到的一部份胚胎表現出雜交胚胎的性狀。這提示金魚細胞核在異種細胞質內居留期間，經過多次分裂和複製後，在性質或功能上可能發生變化。海洋所實驗動物研究室對不同品係金魚細胞核的多代移植實驗還表明，細胞質能影響性狀發育（如雙尾的核和單尾的細胞質多次配合能產生單尾的個體），這種影響能傳給下一代，並且是可以積累的。
不同屬間的核移植，如鯉魚（Cyprinuscarpio）胚胎細胞核移植到鯽魚（Carassiusauratus）的去核卵，比較容易成活，並能夠長大到性成熟。對於這些""核質雜種魚""研究的結果，發現其成體有些性狀（例如口須和咽喉齒式）類似鯉魚，有些性狀（例如側線鱗片和脊椎骨數目等）則為中間型，介於兩種魚之間。關於這些""核質雜種魚""和它們的子代的某些生化特征，目前發育生物學研究所正在繼續深入研究中。這些理論成果已開始應用來探索魚類育種的新途徑。
三、卵球成熟、受精和單性生殖
上海細胞所（原實驗生物所）朱洗實驗室對兩棲類卵球成熟、受精和人工單性生殖進行了係統的研究。朱洗創建了用激素誘發蟾蜍卵巢體外排卵和成熟的實驗體係，並證實體外排出的成熟的卵球有完善的發育能力。這就為分析卵球成熟機製以及成熟程度和發育的關係創造了條件。他們發現輸卵管分泌物是兩棲類卵球受精的必要條件，從而提出受精的三元論，認為精卵結合尚需要體細胞分泌物的媒介。卵球的成熟程度與受精後的發育有密切關係，隻有在適當成熟時期的卵球受精後才能正常發育。用塗血的針刺體外排出的成熟卵球，能引起單性發育，達到性成熟的個體。這些無父的雌蟾蜍經低溫休眠和人工催產，繁殖出""沒有外祖父的癩蛤蟆""，在脊椎動物上證明人工單性生殖的個體仍具有傳種接代的能力。
朱洗還發現低溫休眠是中華大蟾蜍卵球成熟的必要條件，人為調控環境溫度可以改變其自然生殖時序。在常年高溫條件下，卵巢內的卵可以一批又一批長大，但不能成熟，終歸不免於退化，這種蟾蜍在中國自然分布於溫帶地區，向南不能越過大庾嶺，由於嶺南地區冬季沒有低溫，它們的生殖細胞不能成熟和繁衍後代，正說明了物種地理分布對生殖適應的依賴關係。
朱洗開創的卵球成熟研究方向，目前已向分子水平發展，一九八○年以來的研究結果，闡明孕酮對卵母細胞的作用部位可能是在卵內膜層係統上，否定了國外長期認為唯一的作用部位是在質膜表麵的觀點。還發現冬眠蟾蜍卵母細胞的細胞質中存在""冬眠因子""，而未經冬眠的高溫蟾蜍的細胞質中存在""依賴冬眠因子的促成熟物質""，加深了對卵球成熟分子機製的理解。
家蠶是多精子受精的。傳統看法認為，隻有同卵核結合的精子才能影響子代的遺傳性，而未結合的逾數精子對遺傳不起作用。五十年代初，朱洗等選擇了性狀穩定的14個家蠶品種，進行一係列混精雜交實驗，發現混精雜交子代中出現比任何一組單交結果更為複雜的變異（包括皮斑、繭色、繭形等）。根據交配和細胞學研究結果，證明逾數精子不僅有本身一定的發育途徑，而且還能影響子代的遺傳性。
八十年代，水生所發現黑龍江地區兩性型銀鯽種群是天然三倍體，並以雌核發育方式生殖的。以銀鯽為母本、紅鯉為父本，受精後經異精雌核發育繁殖的子代，既保持銀鯽的性狀，又有明顯的生長優勢（平均生長速度為銀鯽的134%）。這一結果證明異源精子對銀鯽雌核發育子代也有明顯的生物效應。
四、文昌魚和魚類卵子的發育能力
文昌魚（Amphioxus）由於其分類地位介於無脊椎動物和脊椎動物之間，其胚胎發育曆來受到重視。青島海洋所童第周實驗室對文昌魚的早期胚胎發育進行了獨樹一幟的研究。他們先用活體染色法確定了文昌魚卵的器官預定圖譜，並用各裂球層配合、移植等實驗方法證明文昌魚卵具有相當強的調整能力，而不是一向認為的鑲嵌式的。進一步還證明文昌魚早期發育中還存在同兩棲類相似的神經誘導現象，這些研究結果不僅修正了過去一些經典胚胎學家的不正確觀點，而且證明了脊椎動物在發育機製上的統一性。
對文昌魚和海鞘卵的實驗分析提示它們的未受精卵的細胞質已存在區域分化。用免疫熒光法證實文昌魚卵成熟過程中便有原肌球蛋白出現，並呈區域性分布。
對金魚卵發育能力的實驗分析證明，組織中心在受精後不久就建立起來了，但在空間位置上卻和第一次分裂麵沒有固定的關係。與原腸形成有關的物質在分裂之前位於卵的赤道線以下，可能在4細胞時期或以後進入裂球中。