发育与再生绪论

发育生物学与再生医学-绪论AintroductionofDevelopmentalBiology&RegenerativeMedicine,陈誉华中国医科大学细胞生物学系,发育细胞生物学教研室教育部医学细胞生物学重点实验室,PartI.AnintroductiontoDevelopmentalBiology,Developmentalhistoryofarepresentativeanimal,frog,1.Thecontentsofdevelopmentalbiology,Celldifferentiation：一个单细胞受精卵，如何变成结构和功能各异的数百种类型细胞，如肌肉细胞、表皮细胞、神经元、淋巴细胞、血细胞、脂肪细胞等，尽管它们都含有相同的基因组DNA。Morphogenesis：构成生物体的数百种细胞并不是随机分布的，它们组织成结构复杂的组织和器官，器官被安派在特定的部位，如头排列在末端（顶部）而不是在中部、眼在头上而不是在脚下或内脏。细胞如何组织成器官并安排在特定位置？Controlofanimalgrowthandsize:细胞是如何知道什么时候该停止分裂的？如果我们脸面上的每个细胞分裂均衡，将导致丑态百出乃至畸形。（面部表型及对称性控制：Super-enhance的作用）。Reproduction:精子和卵子是特化了的细胞，为什么只有它们能够传递形成有机体的指令、并从一代到下一代。细胞核和细胞质中执行这种指令的分子基础是什么？,Evolutionanddevelopment:这是自人类基因组计划开展以来（1990年以来）再度成为热点的领域，为什么早期发育过程中，不论是低等的还是高等的生物都呈现相似的形态，尔后却大不相同，仅比果蝇多两倍的基因如何设计并构筑出复杂的人体？Agingandregeneration:衰老的原因是什么，衰老基因如何发挥作用，有没有长寿基因，能否返老还童，损坏的器官能否通过再生修复，为什么的低等生物容易再生修复？Stemcellbiology:是1998年人类胚胎干细胞成功分离以来逐步形成的热点和前沿领域。由于干细胞具有分化成机体各种类型细胞的潜能，不仅使它成为研究有机体细胞分化与发育研究的模式材料，也使它成为机体特别是人体器官再生修复的种子细胞。胚胎干细胞研究的伦理学争论推动了干细胞研究进展（如iPS细胞的发现），催生了再生医学概念的形成与发展。,Theconceptofdevelopmentalbiology,Developmentalbiologyisadisciplinewhichstudiesthedevelopmentmechanismoforganism.Itshiftsresearchfromearlymorphologyobservationofembryotowardsthemolecularmechanismofcelldifferentiation,organogenesis,morphogenesisandevolutioncurrently.Moleculardevelopmentalbiologyisthemaintrendnow.Itfocusedonhowthegeneexpressioniscontrolledtemporallyandspatiallyinordertoregulatecelldifferentiationandindividualdevelopment.Modelorganismiswidelyusedinmoderndevelopmentalresearch.,2.Thehistoryofdevelopmentalbiology,（1）Depictionstageofmorphologyinembryodevelopment（384BC.-1885）公元前384-322年：MacedoniumAristotle观察了小鸡在鸡蛋内的发育过程，写了第一本与生殖和发育有关的教科书以及相关文章。这是发育生物学的开端。1514-1576：VolcherCoiter详细地研究了鸡胚的发育，提出了卵子在卵巢中发生的观点。他被视为胚胎生物学之父。1792-1876：CarlErnstvonBaer首先发现了脊索、哺乳动物和人的卵细胞，通过比较多种脊椎动物的胚胎发育之后，提出了“种系特征性发育阶段”(早期胚胎)相似性的法则。冯贝尔被视为比较胚胎学之父。,冯贝尔发现不同种类的脊椎动物在特定的早期胚胎发育阶段,(2)Experimentalembryologystage(1885-1970),1885年:AugustWeismann预见到了基因的重要性，提出了生殖质理论，但错误地认为在发育过程中的细胞分化是由于细胞中遗传信息的减少。1888年:WilhelmRoux开创了实验胚胎学研究领域，他通过对早期胚胎细胞的损坏来观察发育结果。可能因操作手段的原因，得到了似乎能证实Weismann想法的错误结果。1890年:TheodorBoveri和SvenHorstadius意识到细胞核与细胞质间的相互作用，提出了有机体发育的梯度理论。1892年:HansDriech发现两个和四个分裂时期的海胆胚胎细胞均能发育成完整的胚胎，对Weismann的理论提出了挑战。1896年：EdmundBeecherWilson证明了胞质决定的重要性；发现了昆虫的性染色体；并著成一本非常有影响的教科书细胞的发育和遗传。1901年：遗传学家ThomasHuntMorgan著成了现在仍值得一读的水螅再生研究纲要。1924年：HansSpemann发现了胚胎中的组织元效应（胚胎诱导，因该发现获得了1935年的诺贝尔奖）1952-1962：RobertBriggs,ThomasKing,JonBGurdon开展了核移植实验。在检测体细胞核于发育过程中是否仍然保持全能性、遗传信息是否不可逆地丢失或灭活过程中克隆了蛙。(Gurdon后来因Yamanaka的研究进展而获诺贝尔奖)。我国学者朱洗先生于1961年培育出了世界上第一个没有外祖父的蟾蜍。,汉斯斯佩曼（HansSpemann，1869年1941年）是德国的一位生物学家，同时也是实验胚胎学领域的先驱。他因发现了胚胎的发育过程而获得了1935年的诺贝尔生理学或医学奖。他创新的“胚胎诱导”理念为发育生物学分支的确立作出了很大贡献。,(3)Theformationofmoderndevelopmentalbiologywaspromotedbytheprogressofmolecularbiology(1970-1990),1970年：先躯人物W.Beermann和A.Ashburner（双翅目的巨大染色体），AlfredKuhn(昆虫的酶链与基因活性)，JeanBrachet（两栖类的卵中的RNA），Heiz和HildegardTiedemann（诱导因子）等人开创了分子发育生物学研究领域。1978年：E.B.Lewis将同源异型基因复合体（Hox基因）引入到果蝇，ChristianeNusslein-Volhard和EricWieschaus进行了特异性控制发育基因的基因诱变研究，DavidS.Hogness,GaryStruhl,WalterJ.Gehring等对分子生物学新工具在果蝇中的应用研究，使果蝇成为发育生物学研究最重要的模式材料（Lewis,Volhard,Wieschaus获得了1995年诺贝尔奖）。,同期Brenner建立了另一个模型系统线虫。许多工作重返传统研究，以分子生物学方法来深化研究工作，包括EricDavidson(海胆)，JohnBGurdon、MarcKirschner(爪蟾)，和LewisWolpert(小鸡，位置信息与鸟肢芽的形态形成)。从此，发育生物学进入一个飞速发展阶段。,1981年：M.J.Evans,M.H.Kaufman,G.B.Martin从小鼠的囊胚中获得多潜能胚胎干细胞。1989年：Geneknock-out和knock-in技术的建立，使得在个体水平(小鼠)确定基因的功能成为可能。(马里奥卡佩基、马丁埃文斯、奥利弗史密斯2007年获诺贝尔奖),埃德华刘易斯克里斯蒂纳福尔哈德埃里克威斯乔斯,刘易斯、福尔哈德和威斯乔斯以果蝇为实验材料，通过喂食诱变剂的方法，获得了大量的果蝇突变体，发现了上百个控制胚胎早期发育的基因，揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官,如脑和腿的遗传秘密，因而获得了1995年诺贝尔生理学或医学奖。这一成就敲开了人类发育遗传秘密的大门，将有助于解释人类先天性畸型的成因。,马里奥卡佩基,马丁埃文斯,奥利弗史密斯,埃文斯在国际上首次建立了小鼠的胚胎干细胞，并证明了胚胎干细胞可形成生殖细胞；卡佩基和史密斯建立了哺乳动物细胞的同源重组技术；1989年三者共同努力建立了基因打靶技术，获得了第一只基因剔除小鼠。此后该技术在生物医药领域得到了广泛应用，目前已获得500多种不同的人类疾病小鼠模型，包括心血管疾病和神经退化类疾病、糖尿病和癌症等。正是由于这一开创性的工作，他们共同获得了2007年诺贝尔生理学或医学奖。,3.Theadvanceofdevelopmentalbiology(1990-),（1）Functionalgenomicsisthemajorresearchdirectionofdevelopmentbiology1990年：人类基因组计划(HumanGenomicProject)开始启动。此后：包括人类在内的多种生物基因组测序工作的完成，以及基因敲除技术的普遍开展，发育生物学进入一个新阶段。,（2）Animalcloneisoneoftheimportantdirectionofthedevelopmentbiology1997年：英国爱丁堡Roslin研究所的Wilmut和其同事向全世界宣布：他们将成年绵羊的乳腺上皮细胞的细胞核移植到成熟卵母细胞中，成功地生下了绵羊Dolly，首次证明已分化的成年体细胞的细胞核仍具有发育成完整个体的能力。2004年：日本科学家获得了第一个由卵细胞来源的孤雌生殖的小鼠（能正常繁殖下一代）,（3）Regenerativemedicineisakeyresearchfieldofdevelopmentalbiology(whichisbaseontheestablishmentofhumanstemcellline)1998年：约翰霍普金斯大学的JohnGearhart和其同事从流产的人胎儿材料（生殖脊）中建立了人胚胎干细胞系；威斯康辛大学的Thomson等人从体外受精的囊胚内细胞团中获得了人胚胎干细胞。,1998-2004：证明人胚胎干细胞可以在体外培养的条件下分化为神经细胞、精子和卵细胞等；证明不同胚层来源的干细胞之间可以发生转分化干细胞成功修复病变心脏（机制不清）。2005年:韩国科学家HangWooSuk(黄禹锡)宣布克隆了11例病人的胚胎干细胞，后经证实是丑闻。2006年:美国WakeForest大学的Atala领导的研究小组从人胚胎发育期的羊水中分离出胚胎干细胞：称为羊水中的第二生命。2006-2007:日本（京都大学）的S.Yamanaka借助逆转录病毒载体，将Oct3/4,Sox2,c-Myc,Klf4四个转录因子的基因转染整合到小鼠胚胎成纤维细胞和小鼠尾尖成纤维细胞，这些细胞被“诱导”成了像ES细胞一样具有多向分化潜能的干细胞，称iPS细胞。继之，Yamanaka课题组和美国（威斯康星大学）两个独立的研究小组利用人体皮肤细胞“仿制”出胚胎干细胞，即iPS细胞。（S.Yamanaka与动物克隆先驱JohnBGurdon获得2012年诺贝尔奖）。2010年：加拿大科学家绕过胚胎干细胞过程，直接将皮肤纤维母细胞转化为血液细胞。2010年以来:将体细胞（通常是皮肤成纤维细胞）重编程为组织干细胞的研究成果层出不穷。,UniversityofCambridge,UnitedKingdom（Reprogrammingofgeneexpressionbynucleartransfer）,2012,JohnGurdon,ShinyaYamanaka（山中伸弥）日本京都大学,细胞核重编程：通过4个转录子成功改变细胞基因组，成功诱导成体细胞回复干细胞状态,目前认识到的细胞分化及人为(细胞重编程）研究成果,PartII.AnintroductiontoRegenerativeMedicine,1.Whatisregeneration,Regenerationisthemorphogenicprocessesthatmulti-cellularorganismstorepairandmaintaintheintegrityoftheirphysiologicalandmorphologicalstates.Itistheprocessofreactivationofdevelopmentalprogram,isthere-developmentofmultipotentundifferentiatedcell.,2.WhatisRegenerativeMedicine,Regenerativemedicineisabranchoftranslationalresearchintissueengineeringandmolecularbiologywhichdealswiththeprocessofreplacing,engineeringorregeneratinghumancells,tissuesororganstorestoreorestablishnormalfunction.Thisfieldholdsthepromiseofengineeringdamagedtissuesandorgansviastimulatingthebodysownrepairmechanismstofunctionallyhealpreviouslyirreparabletissuesororgans.whetherwecanselectivelyanddirectlyinducestemcelltransformintodamagedtissueororganinsituandinvivo.,PartIII.TherelationshipbetweenDevelopmentalBiologyandRegenerativeMedicine,Theformationofregenerativemedicineisbaseontheprogressofdevelopmentalbiology,2.Theelucidationoftheintrinsicvalueofdevelopmentisthenecessarypreconditiontosolveregenerativemedicineproblem.,图.引导iPS细胞发现的三股发育研究基础,3.Thereisatightlinkbetweencel