体细胞重编程（精选三篇）
体细胞重编程 篇1
当受精卵发育成为成熟的个体时, 特定类型的细胞是沿“单行道”的形式分化。随着发育的进行, 这些细胞会逐渐丧失可塑性, 不可逆的成为某一特定类型的细胞。例如, 一个皮肤细胞不会自然而然的转变成一个肝细胞, 而小肠细胞也不会发育为脑细胞。然而, 利用细胞重编程技术就可使不同类型细胞之间的转换成为可能。介导细胞重编程的方法主要有4种, 分别为体细胞核移植、细胞融合、特定因子转导及体外培养筛选等。目前, 科学家们通过前三种方法均成功获得了多能性干细胞系, 并通过核移植技术培育出了克隆动物;而利用体外培养筛选技术只在精原干细胞中获得成功, 具体机制尚待进一步探讨。细胞重编程有着非常广泛的应用前景, 不仅在基础理论研究中, 而且在应用研究中, 例如家畜繁殖、动物保护以及人口健康等领域都有着重要作用。值得关注的是, 细胞重编程可能为避免异体移植产生的免疫排斥反应提供理论及技术支持。
1. 体细胞核移植
是指将体细胞核移入去核卵母细胞中构成重组胚, 并在代孕母亲的体内重新形成与供体核遗传物质完全一致的新个体 (不包括线粒体DNA) 的一门技术。早在2世纪50年代, 科学家就成功将囊胚期细胞核移植到去核的豹纹蛙的卵母细胞内;1997年, 多莉羊的诞生说明末端分化细胞表观遗传状态的不可逆改变对正常发育来说并不是必须的, 也就是说虽然体细胞具有稳定且不可逆的特性, 但在胚胎的状态下仍可被重编程, 并有能力直接发育为新的个体。2002年, 研究同样证实终末分化的细胞对核多能性的无限制性, 只是分化程度与效率成反比。
目前, 科学家们已着手采用体细胞核移植技术保存濒危物种及特种动物的基因型, 并扩展到转基因、基因敲除等多个领域。研究表明, 体细胞核移植技术在牛、羊、猪等多个物种上均成功获得了克隆后代, 但克隆效率极低, 且大多存在一系列的综合症, 与供体核不完全重编程有很大关系。核完全重编程的表现为供体核基因发生表观遗传学的改变, 并指导重构胚正常发育直至足月出生。体细胞核移植技术除用于胚胎克隆外, 还可用于胚胎干细胞系的建立。由于建立起的胚胎干细胞系来源于供体核, 除线粒体D N A外, 遗传背景基本与供体细胞一致, 这就为今后的临床治疗提供了更为便捷的途径。相信在不久的将来, 免疫排斥等医学难题将不再是人类疾病的克星, 更多的人们将能够获得更加及时、有效的救治。
2. 细胞融合
1976年, 胸腺细胞与胚胎癌细胞进行融合, 获得了可以表现分化多能性的体细胞;随后, 小鼠胚胎干细胞与体细胞相融合, 也获得了同样具有多能性的干细胞, 克隆胚胎在体内外发育无显著差别, 细胞融合法成为克隆小鼠的可行方法。但细胞融合存在着重大缺陷, 重编程后的多能干细胞是四倍体, 且融合率很低, 移植后有排斥反应的发生。2007年, 有研究报道指出采用措施可以选择性的将融合细胞中染色体去除, 且不影响融合细胞的多能性, 但去除率尚不清楚, 具体机制尚待进一步的研究。
3. 特定转录因子诱导重编程
2006年, 体细胞重编程领域取得了突破性的进展, 科学家找到了体外“直接重编程”体细胞的方法。科学家利用反转录病毒载体将4个转录因子 (O c t-4、Sox2、C-myc和Klf4) 导入小鼠皮肤成纤维细胞中, 获得了具有类似胚胎干细胞的多能性细胞—诱导多能干细胞。研究证明, 诱导多能干细胞与胚胎干细胞非常相似。随后, 科学家利用不同的体外诱导方法将人体皮肤细胞成功诱导生成诱导多能干细胞。自此, 诱导多能干细胞技术获得了广泛关注。运用诱导多能干细胞技术建立患者体细胞来源的患者特异性诱导多能干细胞系, 大大促进了干细胞技术在再生医学上的广泛应用。研究发现, 成熟的B细胞需要过表达骨髓细胞特异转录因子C/EBPa, 或抑制B细胞特异转录因子Pax5, 才能重编程为诱导多能干细胞。这说明虽然所有细胞都具有通过重编程形成诱导多能干细胞的潜力, 但细胞类型及分化状态对重编程的影响同样很大。
4. 表观遗传修饰与重编程
早在1939年, Waddington于《现代遗传学导论》中首先提出了“表观遗传学”一词, 认为表观遗传学是遗传学领域中探讨基因型与表型间相互关系的新的研究方向。随着对表观遗传学进一步认识, 科学家们做出了“表观遗传是没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达的改变”这一系统论断。目前, 对表观遗传的研究主要着重D N A甲基化、组蛋白乙酰化、X染色体失活、基因印迹等几个方面。通过DNA甲基化使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态, 在不改变DNA分子一级结构的情况下调节基因功能。在基因组中, DNA甲基化程度越高, D N A被转录成RNA并翻译成蛋白质的可能性越小。组蛋白修饰主要包括组蛋白乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化及蛋白质构象改变和染色质重塑等几个方面, 其中组蛋白乙酰化和甲基化修饰尤为重要, 且相互抑制。一般来说, 组蛋白乙酰化修饰是暂时的, 能选择性地使某些染色质区域的结构从紧密变得松散, 为某些基因的转录提供前提, 增强其表达水平;而组蛋白甲基化修饰比较稳固, 特别是三甲基化修饰。通常认为, 组蛋白甲基化使染色质失活, 而乙酰化使染色质活化。组蛋白已不再是简单的DNA包装蛋白, 也是基因活性动态调控因子。X染色体失活是指雌性哺乳动物胚胎发育早期的两条X染色体之一丧失遗传性状表达功能, 属于与性别相关的基因调控。在哺乳动物中, 由于性别差异, 雌雄个体细胞中的X染色体数目不同, 为平衡不同X染色体数目细胞中X连锁基因的表达量, 生物体在进化过程中引入了剂量补偿机制。剂量补偿作用是通过雌性胚胎一条X染色体的失活和异染化获得。基因组印迹是表观遗传学上又一重要的修饰方法, 来源于亲本的等位基因不对称修饰后导致单等位基因的表达。印迹基因在哺乳动物配子中优先表达, 基因印记的完整性是原始生殖细胞的细胞核具有全能性的重要前提, 同时也是配子成熟过程的必需步骤。
5. 不同细胞周期对重编程的影响
正常的细胞周期分为细胞间期和有丝分裂期两大阶段。其中, 细胞间期以D N A合成为标志, 又可分为G0期 (静止期) , G1期 (D N A合成前期) , S期 (D N A合成期) 和G2期 (合成其他必需物质) 。细胞周期的内源性调控主要是通过“CyclinsC D K s-C K I s”调控网络来实现。其中CDKs (细胞周期蛋白依赖性激酶) 为该调控网络的核心, Cyclins (细胞周期蛋白) 对CDKs具有正性调控作用, 而CKIs (细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子) 具有负性调控作用。Cyclins-CDKs-CKIs调控网络必须在一系列称为检验点的严格检控下调控细胞周期运行。这些检验点分别为G1/S检验点、S期检验点、G2/M检验点、纺锤体组装检验点。研究表明, 生长因子、环核苷酸类、某些离子等都可诱发细胞从G1期进入S期, 使DNA开始复制。在S期, 细胞内脱氧核糖核苷三磷酸和D N A聚合酶活性达到高峰。当D N A发生损伤、复制不完全或纺锤体形成不正常时, 细胞周期将被阻断。
给细胞编程 篇2
什么是合成生物学?
地球上的每种生物体(人、植物、动物、微生物)都能追根溯源到36亿年前地球尘土中出现的一个极微小的活细胞，它出现后不断地自我复制、变异、组合，最后生成了现在地球上千变万化的生物体。但是，近些年来科学家们已经不再局限于对现在生物体的改良，而想通过“合成生物学”的方法，扮演一次创造新生命的“上帝”：在实验室内创造出完全不同于自然生物体的全新人造生物体。
虽然听起来很玄，但“合成生物学”的思路很简单，它利用计算机工作原理，将细菌作为硬件，基因作为软件，来组装成一个人工的全新生物体。这个生物体软件中的可编程的“生物组件”是从生物公司就可以买到的、两端可连接的、人工合成的DNA片断，生物工程师就像组装一个玩具一样，将“生物组件”直接与细胞中的DNA组装连接，一旦连接后，每个“生物组件”就会像计算机的程序一样，修改、控制细胞的功能。人们可以通过放入和组合不同的DNA片段来“命令”细胞，使它产生不同的功能。例如，使用“生物组件”让某种细菌产生芳香或发光。
合成生物学被美国评为全球九个开拓性新兴科技领域之一，它所创造的这种有生命的、具有计算机功能的活细胞可以解决现在人们很难解决的问题。例如，把基因网络同简单的细胞相结合，可提高生物敏感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置；在基因网络中加入人体细胞，制成一个完整器官，用于器官移植等。
合成生物学的领军人物是美国麻省理工学院的计算机工程师让·维斯。他早在读研究生时就迷上了生物学，并开始为细胞“编程”，他所领导的科研小组已经做出了生物组件，可以十分容易地组装成不同的生物“产品”。
合成生物学的进展
虽然“合成生物学”是一个近几年来才提出的新学科，但已经取得很多可喜的成果。目前，在一些大学和独立的实验室里，正在进行有关细胞编程的研究。他们已经使用在实验室里制造的合成DNA，制造出自然界中不存在的病毒和细菌。这些生物被指定执行各种有益于人类和地球的任务。如进入血液循环以探查和破坏肿瘤，消灭导致地球变热的有害气体等。
为了合成一个新的生物体，要有三步曲。第一步是为细胞“编程”，第二步是将编程的基因安装到细胞中，第三步是进行复杂的细胞组合，使它产生不同的功能。2002年，纽约大学的病毒学专家埃卡德·维默尔研究小组从生物技术公司购买了DNA短小片断，并在DNA合成公司的协助下将它们连接起来，制造出了人工合成的脊髓灰质炎病毒。这项研究的成功为合成新的生命奠定了基础。
2005年，维斯领导的小组进行了为细胞编程的研究。他们首先为大肠杆菌编程，使它在高浓度的化学物质中发出了绿光，而在感受到较低浓度时发出红色的光。这样，它们就可以作为一种生物传感器来检测人体或一些化学物质中所需要检测物质的浓度，例如，当一些大肠杆菌发生变化时，可以引起这些人工合成的大肠杆菌发出红色或绿色的荧光，人们就可以根据所发出光的颜色，知道这些大肠杆菌发生了什么样的变化。
威斯康星大学的研究人员进行了大肠杆菌基因组组合工作。大肠杆菌的基因组中一些多余的DNA会干扰实验室研究和工业生产的利用。因此，他们拆掉大肠杆菌中大片的遗传物质，将一些具有特殊功能的人造基因插入，这种变瘦的大肠杆菌基因组可以使细菌无需在实验室中接受特殊的照顾和培养，只需要少量的食糖作为食物，就能生产出大量的生物产品。新的基因组像计算机的软件一样，人们可以通过控制它的程序。达到不同的目的。例如，可以命令它大量产生有用的蛋白质和药物。
美国科学家最近宣布，他们首次试验成功使细菌大“变心”的创举，实现了在物种间进行完整基因组的“移植”手术。文特尔和他领导的研究小组先利用特殊生物酶，将一种蛋白质破坏，得到完整的“裸DNA”。然后将这个基因组注入另一种剔出了遗传物质的近亲细胞中，并加入一种化学物质帮助“裸DNA”与它的“寄主”更好地融合。“移植手术”后，经过改造的细胞开始在植入基因组的控制下，产出其特定的蛋白质。这一“罩程碑式”技术的成功为首个“人造物种”的降生奏响了序曲。
目前，合成生物学研究已经取得了一些令人瞩目的成就，最值得一提的是在制造特效抗疟药方面取得的突破。每年全世界因患疟疾死亡人数多达300万，原来的抗疟药喹宁由于长期使用，药效一降再降。1972年发现的有效抗疟药青蒿素是从中药艾蒿中提取的，由于提取成本高，无法大规模普及。2003年，加州大学的杰伊·凯阿斯林运用生物合成的方法将一个青蒿基因植入大肠杆菌，改造后的大肠杆菌制造出一种中间化合物，它经过数步处理就能成为青蒿素的原料——青蒿酸。2005年，杰伊把一种特殊的酶植入酵母后，酵母把前面提到的中间化合物改造成了青蒿酸。现在，通过微生物工业生产青蒿素的技术链条已经基本成形，估计在2009年就可以实现人工生产青蒿素，那时青蒿素的成本将下降90％。
目前，加州大学旧金山分校克里斯领导的小组正在设计一种将4种功能不同的“生物部件”植入细胞的实验，将这种细胞注入人体后，它可以主动承担起发现癌细胞、杀死癌细胞和保护正常细胞的功能。这样，在病人毫无察觉的情况下就可以将癌症治愈。这一研究目前正处于初期研究阶段。
维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程，以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。
合成生物学带来的喜和忧
合成生物学的成功将意味着科学的极大进步。科学家预言人类不久将进入自己制造新生命的时代，人们将依赖于目前重要的研究成果——纳米技术，在分子水平上制造出新的生命，这种新生命将按照人类的意志为人类造福。合成生物学通过修复细胞功能、消除肿瘤、刺激细胞生长和使某些决定性细胞再生等方式，实现治疗各种疾病的目的；它可以制造出一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化；它可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等；制造一种生物机器来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告；它甚至可以从太阳中获取能量，用来制造清洁燃料。
然而，一切新事物的出现都会存在一些问题和反对的呼声。一些科学家担心存在潜在的生物恐怖和环境问题，由于目前还没有生物合成监管的相关规定，生物恐怖主义分子可能利用生物合成技术制造致命病毒或生化武器，实验室中炮制的人造细菌也可能给环境和人类带来更大的风险。对于这些问题是应该引起注意的，也是容易解决的。例如，这些实验室合成的细菌极其脆弱，流失到野外将难以生存，不会污染环境。
另有一些人认为合成生物学创造新的生命是违背“上帝是唯一造物主”的伦理。从事合成生物学研究的科学家们对这种看法嗤之以鼻，他们认为生命并非魔法，怀有宗教情结的老一代生物学家已经跟不上科学的发展。DNA双螺旋结构的发现者沃森教授说得更加大胆：“如果我们不扮演上帝，谁能扮演呢?”
体细胞重编程 篇3
船载吊重负荷控制系统是专门为大型的起吊船、打桩船等船栽起吊设备定制安装的集显示、报警、控制等于一体的智能检测系统。该系统可以让装载有起吊设备的船只在作业时更安全, 并提高了工作效率。目前多数的起重设备根本没有该类的负荷检测控制系统或者该类系统已经老化或损毁。随着起吊负荷吨位的提高, 作业时由于对重物具体吨位的未知, 因此带来了很大的安全隐患。对于已有的吊重设备来说, 改造中直接安装非常困难, 因此常需要根据设备的现场情况进行独立的设计。本设计既解决了弱小信号的采集, 远传问题, 同时采用在线编程技术, 让系统在安装、调试、标定时更加简单和方便, 提高了可操作性。
2 控制模块总体方案与设计
2.1 模块硬件总体规划
控制模块由一个主控版 (中央处理单元) 、4个前向通道组成。前向通道包括3个拉力传感器和一个角度传感器。三个拉力传感器远程采集重物信号, 角度传感器采集角度信号, 通过传输线送到主控板, 然后进行A/D转化, MCU利用转换后的数据进行计算。主控板是监控系统的核心, 其主要的功能有如下几方面:实时对各路传器信号进行采样, 取得起重机的某些工作参数, 如拉力传感器信号、主臂或副臂仰角信号等, 经过计算得出相应工况下的实际起重重量和负荷率。当负荷率大于90%时预报警, 大于100%时报警, 并完成强制停止控制。这时起重机不能继续向危险方向动作, 如伸臂、起升等;实现其它的对起重机的测控功能, 使起重机的工作符合某些工况下的特殊规定和安全要求;提供友好的人机界面, 完成特定的参数设置, 及调试标定等辅助功能。计算并显主臂仰角、实际载荷等操作者关心的参数。
模块硬件是完成整个系统功能的基础, 作为软件运行的载体, 硬件从物理上实现了软件规定的功能, 例如计算、控制、人机交流, 数据保存等。系统功能如下图1所示。
从本系统的要完成的安全监控的要求出发, 系统硬件主要包含以下几个部分:信号采集电路;主控板电路;输出及人机交互电路。
2.2 核心部件选型及控制模块设计
单片机是控制模块的核心, 它的选用直接决定了整个系统的性能的优劣。它处理外部送来的数据, 按照内部程序设计进行比较, 从而向外部发送相应的控制信号。它的运算速度、程序存储量、程序存储方式对整个系统都有很大的影响。本系统选用美国ATMEL公司生产的AT89S51单片机。AT89S51单片机是一种低功耗, 高性能CMOS8位单片机, 片内含4K bytes的可在系统编程的Flash只读程序存储器, 器件采用ATMEL公司的高速度、非易失性存储技术生产, 兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程 (ISP) 也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中, 这款ATMEL公司的功能强大低价位的单片机优较高的性价比, 完全可以胜任本系统的要求。
测量的很多信号一般都是模拟量, 如上面的高度信号和起重臂的角度信号, 须先转换成数字量, 才能输入到单片机系统中进行处理。需要把起重臂的角度信号进行转换, 由于角度传感器离控制室很近, 只需进行简单的A/D转换即可。这里的起重臂的工作量程为60度, 要求测量精确到0.1度, 所以采用8位以上的A/D转换芯片才能达到精度要求。AD7715是美国Analog-Devices公司生产的高精度模数转换芯片。片内含有可编程增益放大器、可编程数字滤波器和寄存器, 采用Σ-Δ转换技术实现16位的精确测量。芯片可通过3线串行接口与外部进行数据交换, 很适合于灵敏的基于微控制和DSP的系统。AD7715的内部结构如图2所示。它是由缓冲器、可编程增益放大器、电荷平衡A/D转换单元 (由Σ-Δ调制器和三阶数字滤波器组成) 、内部寄存器组、时钟发生器构成。
虽然7715采用Σ-Δ转换方式, 速度不是很快, 但是精度很高;又由于它和单片机接口方便, 占用的端口资源少, 在实际的工程运用比较多, 技术成熟;在本系统中选用AD7715作为A/D转换芯片。图3是AD7715与AT89S51链接的实际电路。
2.3 人机交互的实现
在单片机系统中实现人机交互就是要实现实时显示和键盘输入。数码管显示和键盘的输入都要用到并口资源。而CPU的并口资源又是有限的, 所以要同时实现键盘和显示两种功能, 就必须进行并口扩展。采用8279一类的专用芯片具有自动分时扫描功能, 所以它可与CPU同时工作, 减轻CPU的负担而且接口方便, 内置去抖动功能, 显示稳定, 可靠性高, 使用方便。还具有动态显示驱动电路简单、可自动进行键盘扫描、与计算机接口方便、编程容易、系统灵活等特点。图4所示是89S51单片机应用系统的键盘显示驱动电路8279的A、B口显示数据输出线分别与2个7447译码/驱动器的输入端相连。SLo~S扫描输出线接在3~8线译码74LSI38的输入端, 输出经8位驱动电路后, 每位同时驱动2位七段数码管.因此该电路可同时驱动16路七段十进制数码管.图中74l S47的消隐输入BI端与8279的BD端连, 当8279的显示数据切换时, 13D端输出低电平, 使74LS47的输出均为低电平, 将显示熄灭.由于74LS47的输出驱动电流可达20 m A, 能直驱动七段数码管。
2.4 看门狗
抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗 (watchdog) 电路是自行监测系统运行的重要保证, 几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。在本系统中, 利用X25045芯片来实现这项功能。X25045是美国xicor公司的生产的标准化8脚集成电路, 它将EEPROM器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内, 大大简化了硬件设计, 提高了系统的可靠性, 减少了对印制电路板的空间要求, 降低了成本和系统功耗, 是一种理想的单片机外围芯片。
X25045硬件连接图如图5所示。x25045芯片内包含有一个看门狗定时器, 可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动, 则x25045将从reset输出一个高电平信号, 经过微分电路c2、r3输出一个正脉冲, 使cpu复位。图2电路中, cpu的复位信号共有3个:上电复位 (c1、r2) , 人工复位 (s、r1、r2) 和watchdog复位 (c2、r3) , 通过或门综合后加到reset端。c2、r3的时间常数不必太大, 有数百微秒即可, 因为这时cpu的振荡器已经在工作。
3 结论
AT89S51作为我们的核心处理器对整个系统进行控制, 并拥有4K字节Flash实现了系统编程;系统外扩32K字节程序存储器62256, 用于满足比较大的程序量;远程控制模块6017采集远程拉力模拟信号并进行A/D转换, 转换后的信号再通过MAX48送入MCU进行处理;X25045提供多种复位方式起到看门狗的作用;采集的角度信号通过AD7715进行A/D转换后直接送入MCU;8279提供3X3的键盘输入和5位数码显示, 通过74LS47驱动数码管显示, 利用74L13进行译码完成键盘输入功能和数码管选通功能;过载保护电路对起重机实现过载保护。总之设计电路已经满足了设计之初的各项要求。但在很多方面多还可以在以后的研究中得到改进: (1) 可以采用更高性能的单片机, 以获取更高的运算速度和更准确的计算结果, 并且具有更好的可扩展性; (2) 随着芯片集成度的日益增高, 可以选用集成度更高的芯片, 这样可以使得整个硬件系统更加简单。
参考文献
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