细胞状态观点的提出及其生命科学意义

The Origination of Cell State Hypothesis and Its Significance to Life Science (link>>

王海波提出的细胞状态观点及相应的调控方法,使组织与细胞培养找到了自身的规律,突破了“不可预见”、“无法推理”的局限。组织及细胞培养面对的主要问题有两个,一个是“衰老”,另一个是“癌变”。他寻找组织和细胞培养机理的道路就是围绕解决这两个要害问题展开的。他的发现不仅找到了组织及细胞培养的一般规律,而且对揭示衰老与癌变的机理以及对衰老与癌变的防控也非常有意义。为了便于浏览,本网站要求作者在前面发表的FLASH版本基础上做了调整,以中英文分开的方式发表。FLASH版本依然保留,以方便下载和打印。欢迎各相关研究人员点击和点评。

本文最初版本发表于《科技导报》2008,26(4):41~46,应一些读者的要求,征得编辑部同意,在原文基础上增写了详细的图解和英文大摘要,并对一些表述做了进一步的修改,在线发表于www.pgec.org的“科学观点与思想火花文萃”栏目。

细胞状态观点的提出及其生命科学意义

王海波

河北省农林科学院遗传生理研究所,石家庄,050051

摘 要 本文提出的细胞状态观点,用一种新的思路揭示了细胞的活动与变化规律,并形成了较完整的理论体系。主要内容体现于:一个概念,即细胞状态概念;一个公式,即细胞状态公式;三张关系图,即几种典型的细胞类型及其相互间的关系、细胞状态在生物及生命物质体系中的地位与作用、不同细胞状态在二维“海豚图”中的分布。这一观点使植物细胞及组织培养突破了不可预见、无法推理的局限,并为动物细胞培养与克隆技术的改进,以及生物衰老、癌变等的机理揭示和防控提供了重要启迪。

关键词 细胞状态;植物组织和细胞培养;衰老;癌变;保健

中图分类号  Q23           文献标识码 A 文章编号 1000-7857(2008)04-041-06

0 引言

尽管生命科学已经发展到分子水平,但分子不是生物,而只是生物的组成部分。就目前的知识来看,具有完整“生命现象”的最小生命单元仍然是“活细胞”。离开了活细胞,人们只能看到部分的生命现象或与生命活动有关的一些生化过程。对细胞是“最小生命单位”地位提出疑义的依据是人们发现病毒没有细胞结构[1]。不过仔细推敲起来,病毒实在难以称得上是真正意义上的“生物”或“生命体”,其所具有的生物学功能与特性,只有在活细胞内才能展现出来。严格说来,“生物”或“生命体”应是一种在热力学第一、第二定律支配的物质世界中能够形成负熵和能自我走向繁荣的物质体系[2],而病毒是达不到这种要求的。假如地球上只有病毒没有活着的细胞,是不会有生命现象表现出来的。病毒是一种不完整的生命物质体系。

最简单的“生命体”至少相当于一个活细胞,认识真正的“生命”必须以活细胞为基础。半个多世纪以来,人们把生命科学的焦点聚在了DNA上,但细胞体系中DNA以外的物质系统以及它们内部和相互间的关系,人们还知之甚少。目前,人们对细胞的研究多是采用破坏性的做法,往往是将一个活的细胞分解,然后在“非活”状态下测试其特性、推测其功能,而对于如何在不破坏细胞结构的情况下认识“完整的活细胞”,尚无适当的思路与办法。关于生物体的研究,情况也大致如此。

随着分子生物学的发展,生命科学的“分解法”已经有了很大的发展,但生命科学的“整体分析法”还存在着巨大的差距。生命科学研究只有将“分解法”与“整体分析法”结合起来才能走向深入。在此,笔者提出一种“细胞状态观点”。这一观点使植物组织及细胞培养突破了不可预见、无法推理的局限,但其更重要的意义是在完整的、活体的情况下,从整体、动态、多层次、多尺度水平上,揭示和表示生命的规律,理解、认识、操作、控制细胞与生物体,为解决生命科学中许多重要而又令人困惑的问题提供了新的方法与思路。需说明的是,此文不是一般的实验报告,也不是文献综述,而是笔者以自己近20年来一系列细胞培养实验的结果为基础,结合当今生命科学相关领域的进展,对生命科学中一些重要问题的理论思考与总结。

1 来自植物组织与细胞培养的发现

植物组织培养的流程是:先由植物组织(即外植体)诱导出愈伤组织,然后从愈伤组织分化出植株(即再生植株)。植物细胞培养的流程是:首先从植物组织或从植物的愈伤组织分离出细胞,然后对其进行培养,将细胞再生成愈伤组织(即再生愈伤组织),进而从“再生愈伤组织”分化出植株。植物花药或花粉培养是以小孢子为对象的细胞培养,植物原生质体培养是以去掉细胞壁的细胞为对象的细胞培养。另外,植物组织与细胞培养还有一种重要功用,即生产人们所需的次生代谢物质,但实现此目标与再生植株相比相对容易。

自20世纪后半叶以来,植物体细胞、性细胞(如小孢子)、原生质体、融合细胞(原生质体融合)[3],以及外源基因转化细胞[4-5]的全能性,都得到了证实。但所有这些都仅停留在经验水平,而且最主要的经验就是选择合适的基因型[6-7]。现实中,许多人们想要培养的植物对象往往不是这种合适的类型。一般情况下,只要选取了合适的外植体,诱导出愈伤组织并不难,难的是再生植株。为了探寻植物组织及细胞培养的机理,笔者在1987-1993年以小麦为对象进行了大量的研究。起初按照当时报道的方法[8-15]大多数基因型都不能再生出植株。为此,笔者设计了一系列旨在揭示培养效果与培养因子之间对应关系的试验(称为“对话试验”)。根据对话试验的结果,以能再生植株的愈伤组织为参照,通过改变培养基成分,把不能再生植株的愈伤组织改造成与能再生植株的愈伤组织相同或相近的样子,然后再做分化处理,结果均都再生出了植株[16]。用此思路解决其他不同类型植物的组织及细胞培养中的问题,也都证明了其可行性。

植物愈伤组织能否再生出植株,取决于其所属的类型。而愈伤组织的类型又取决于其细胞组成中大多数细胞所属的类型。通过对大量培养细胞的观察,笔者发现多种多样的细胞类型其实表现的是一系列的“细胞状态”,并从中确定出了7种有助于揭示细胞状态间变化规律的典型类型,即:1)胚性细胞(Se),2)保守型细胞(Sa),3)亢进型细胞(Sb),4)增生型细胞(St),5)保守型衰败细胞(Da),6)亢进型衰败细胞(Db),7)强分裂型细胞(Sc)。胚性、保守型、亢进型、增生型细胞可以互变,并可从保守型、亢进型两个方向分别衰败成保守型和亢进型衰败细胞(图1 )。衰败细胞的共同特点是细胞质降解、变空。强分裂型细胞的特点和增生型细胞有些相似,但其分裂能力要比增生型细胞强得多。其他类型的细胞,则是这几种类型细胞间的过渡态。

当愈伤组织主要由衰败型细胞组成(图2 )(图2a,图2A,图2b,图2B)或主要由强分裂型细胞组成(图2c,图2C)时,都不能再生出植株。当愈伤组织中保守分裂型细胞占主导地位时(图2d,图2D),若衰败型细胞少则愈伤组织生长较快,并以器官发生的方式再生丛生植株,若衰败型细胞较多则愈伤组织生长较慢,再生植株的数量也较少(参见图2平皿中不同愈伤组织分化植株的情况)。当组成愈伤组织的细胞大部分为质较浓、核较大、壁较薄的类型,即比较接近受精卵的细胞状态时,才会以胚状体发生的方式再生植株(图2e,图2E)。与细胞类型对应,愈伤组织也存在着胚性、保守型、亢进型、衰败型、增生型、强分裂型等类型(依据愈伤组织主要组成细胞的类型而定),也有着与上述细胞类型之间相类似的变化关系。

植物组织及细胞培养的实质是:通过调控细胞分裂及其能力与潜力,转变培养对象的细胞状态,表达细胞的全能性(再生植株)或生产大量的次生代谢物。其中的关键是遵循本文第2、3部分所揭示的规律。

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One Response to “细胞状态观点的提出及其生命科学意义”

  1. admin on 五月 28th, 2013 at 11:00

    《细胞状态观点的提出及其生命科学意义》一文已经更新,并增加评论模块,欢迎各位童鞋们点评。

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