模式生物和技术方法

1、发育(fy)生物学Developmental Biology模式生物和技术(jsh)方法共七十页一、发育的主要特征和基本规律 二、模式(msh)生物的研究概况三、常见的发育生物学研究方法共七十页第二节 动物(dngw)发育的主要特征和基本规律 一、发育的主要特征在遗传程序控制下，发育具有严格的时间次序性和空间次序性。 发育是有机体的各种细胞协同作用的结果，也是一系列基因网络性调控的结果。在发育的过程中涉及多种生命现象，如细胞分裂、细胞分化、细胞迁移、细胞凋亡、生长、衰老(shuilo)和死亡等。共七十页二、发育的细胞共性(gngxng)事件动植物的发育从细胞水平，共性事件主要包括有：(1) 细

2、胞分裂：满足了细胞的快速增殖和发育进程；(2) 细胞分化：为机体(jt)细胞的多样性提供了保证；(3) 模式形成：使细胞分化按一定的时、空顺序发生，确立了机体的统一性；(4) 细胞迁移：为器官发生提供了细胞来源；(5) 细胞凋亡：抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及时清除。 共七十页(1). Cell division: Cleavage: 细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而新生(xnshng)细胞的体积比母细胞小。共七十页(2) 细胞(xbo)分化细胞后代在形态、结构和功能上发生(fshng)差异的过程。每个人的一生中都在进行着细胞分化。共七十页全能性：一个细胞可分化为机体的所有(suyu)

3、细胞，如受精卵、植物细胞。成熟动物细胞不具备全能性。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的DNA。共七十页共七十页细胞(xbo)分化胚胎干细胞(xbo)胚胎(piti)干细胞鼠的受精卵细胞经卵裂4天半，形成囊胚，将此时的内细胞团分离培养在饲喂细胞上。共七十页细胞(xbo)分化成体干细胞共七十页细胞分化(fnhu)的机理（一）细胞分裂的不对称性（二）细胞(xbo)间的相互作用共七十页细胞分化(fnhu)的机理（一）细胞分裂的不对称性共七十页体细胞与生殖细胞的分化(fnhu)共七十页核对质的决定(judng)作用共七十页（二）细胞(xbo)之间的相互

4、作用1、胚胎(piti)诱导2、分化抑制3、细胞数量效应共七十页1、胚胎(piti)诱导(embryonic induction) ：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：（二）细胞(xbo)间的相互作用典型诱导作用：脊索诱导神经管的形成；视泡诱导晶状体的形成；两者共同诱导角膜的形成。共七十页诱导信号(xnho)的相互作用可改变发育命运胚胎发育(fy)早期，细胞的发育(fy)潜力更大！诱导信号的相互作用可改变发育命运。诱导信号实质是一些具有独特功能的蛋白因子。共七十页Fate of cells:指正常发育(fy)情

5、况下细胞将发育(fy)的方向，这种方向可因条件的改变而改变。Determination:指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。发育(fy)是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育(fy)时间共七十页2、分化抑制分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织(zzh)的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生(fshng)同样的分化。共七十页3、细胞数量效应小鼠胚胎(piti)胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有

6、功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。推测可能是细胞数量不足，导致自分泌或旁分泌信号不足，使增殖和分化受到抑制。共七十页（3）. 图式形成（pattern formation）：胚胎(piti)细胞形成不同组织、器官和构成有序空间结构的过程。如胚轴形成、三胚层形成、体节形成、肢芽和器官原基形成等事件。 躯体轴线的制定共七十页形态发生素(morphogen)假说：细胞如何得知已经迁至适当位置并应该开始参与形成不同的组织和器官? 有人提出形态发生素假说来解释处于胚胎不同部位的细胞在发育过程的形态建成行为：形态发生素在胚胎

7、的特定部位合成和分泌，然后扩散到周围组织，形成一种(y zhn)浓度递减的梯度。细胞通过适当的受体“感知”自身部位的形态发生素的浓度，细胞就可以估测自己离形态发生素产生源有多远，并决定分化的方向。实际上，形态发生素假说强调的就是位置信息对形态建成的影响。科学家通过对鸡的肢芽（limb buds）发育的研究，肯定了位置信息在形态建成中的作用。（4）细胞(xbo)迁移共七十页鸡胚胎的腿和翅开始是由一小团中胚层发育形成肢芽，肢芽早期为舌形突起, 内部为中胚层来源的间叶组织, 表面覆盖着外胚层表皮。当肢芽逐渐长长时，肢芽就会发育成适当的骨组织，并在肢芽的末端形成指。指导肢芽形成的位置信息是由中胚层组织

8、的一小块区域发出的，该区域称为极性激活带(zone of polarizing activity, ZAP),它位于肢芽的后端附近。如果将此处的组织移植到另一个肢芽的前端，其结果会发育成正常个体的两倍数量的指（图E13-2），这就是位置信息对发育的影响。 图E13-2 在鸡胚翅形成过程中后中胚层位置信息的的作共七十页三、发育的基本(jbn)过程配子形成受精作用卵裂：具有细胞分裂期而没有细胞生长期。原肠胚期：细胞运动，细胞之间的位置发生改变。神经胚形成阶段：形成脑和脊髓的原基神经管。胚轴主要指从胚胎前端到后端之间的前后轴和背侧到腹侧之间的背腹轴。器官发生。变态和成熟 共七十页共七十页发育生物学研

9、究中的主要模式动物(dngw) 各种模式动物各有优点，其研究成果不仅可以揭示特定物种的特点，还有助于动物发育的一些普遍规律和机制。 (一) Invertebrate Models共七十页美国著名遗传学家摩尔根创立(chungl)的遗传的染色体理论Drosophila melanogaster: Insect model共七十页果蝇与辐射(fsh)遗传学的诞生共七十页果蝇Hox基因的研究(ynji)发现导致了分子发育生物学新的热潮共七十页共七十页共七十页 主要优点1. 体积小(0.6cm)，易于繁殖(30代）；2. 产卵力强；3. 性成熟短(10d)；4. 易于遗传操作： 如诱变(yu bin)

10、；5. 基因组序列已全 部测出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)1. Drosophila melanogaster: Insect model共七十页Sydney BrennerJohn SulstonRobert Horvitz共七十页2、Caenorhabditis elegans: Worm model 主要优点1. 易于(yy)养殖：成虫 体长1mm，易冷 冻保存；2. 性成熟短：2.5-3 天，两种成虫；3. 细胞数量少，谱 系清楚；4. 易于诱变；5. 基因组序列已全部测出 (Science, Dec

11、. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.)共七十页共七十页RNA induced silencing complex共七十页中国在重要科学领域缺席反映的科技体制和文化问题(wnt)诺贝尔奖引发的思考 中国科技文化中的非科学因素共七十页(二)、Vertebrate Models共七十页1. Xenopus laevis: Amphibian model 主要(zhyo)优点1. 性成熟短； 2. 卵体大，易于操作；3. 抗感染力强，易于组织移植；共七十页1. Xenopus laevis and Xenopus tropicalis 共七十页共七十页

12、主要优点1. 体积小，易于饲 养殖；2. 产卵力强；3. 性成熟短；4. 易于遗传操作： 如诱变；5. 体外受精(t wi shu jn)和发育，易于观察；6. 基因组序列已全 部测出。2. Danio rerio (zebrafish)共七十页共七十页3. Mus musculus (Mouse)共七十页urchin共七十页共七十页4. Gallus gallus (Chicken)共七十页共七十页鸡基因组图谱(tp)的建立2004年，由中国、英国、瑞典、荷兰、德国和美国科学家组成的联合研究小组，利用从国际基因组计划获得的基因组序列原始数据，通过生物信息学方法，对红原鸡基因组和现代生产鸡种基

13、因组作对照研究，寻找优良生产鸡种的基因组多态性特征，构建优良生产鸡种基因组的分子标记图谱。后来，6国科学家组成的联合研究小组宣布绘成一张鸡的遗传差异图谱，即鸡基因组多态图谱。这张图谱以红原鸡基因组序列草图为参考框架，分别(fnbi)对来自英国的肉鸡、瑞典的蛋鸡和中国的乌鸡的基因组进行了测序分析，并在此基础上识别出约200万个遗传差异，其中绝大多数为单核苷酸多态性位点。共七十页其他具有潜力(qinl)的模式动物Amphioxus共七十页“最后的马希坎人”“在所有已灭绝动物(dngw)中惟有文昌鱼能使我们勾画出志留纪最早的脊椎动物(dngw)祖先”“文昌鱼的发现(fxin)使人们看到了5亿年前脊椎

14、动物的模样”“文昌鱼是伟大的发现，它提供了指示脊椎动物起源的钥匙”共七十页作为模式生物必备条件：生理特征能够代表生物界的某一大类群；容易获得并易于在实验室内饲养繁殖(fnzh)；容易进行实验操作,特别是遗传学分析。共七十页发育生物学实验方法(fngf)和技术1、 在试管中分析发育：体外授精和胚胎(piti)移植 共七十页2、细胞谱系研究发育命运图谱的绘制方法(fngf)一：标记法活体染料染色法 共七十页方法二：细胞(xbo)移植法共七十页寻找与发育有关的基因（经典遗传学）差式筛选技术（differential screening）：分离不同发育阶段或身体(shnt)各部分的mRNA，查明为发育

15、阶段或身体部分独特的基因，进行后续研究。共七十页Northern blotRT-PCR in situ hybridization发育相关基因的功能 研究(ynji)- 基因表达共七十页Northern blot探针(tn zhn)的制备探针效率(xio l)的检测Total RNA的提取琼脂糖凝胶电泳转膜杂交合适的探针浓度加入探针Northern blot探针的制备探针效率的检测Total RNA的提取琼脂糖凝胶电泳转膜杂交合适的探针浓度加入探针显色抗体孵育共七十页Northern杂交的作用：检测基因的转录物的存在及是否发生(fshng)了选择性拼接。共七十页第一天：RNAase free

16、环境第二天：不必RNAase free 胚胎预处理 ProK处理 预杂交杂交杂交后水洗 封闭抗体反应第三天水洗抗体显色反应 照相原位杂交(in situ hybridization)共七十页原位杂交(in situ hybridization)共七十页利用(lyng)原位杂交技术研究基因表达的时空谱共七十页发育相关基因的功能 研究RNA 干扰实验(shyn)/过表达共七十页共七十页转基因动物-基因敲除 完全剔除某一基因（功能丧失的突变(tbin)）在小鼠、果蝇、斑马鱼和线虫等模式动物中已开展这类研究共七十页基因功能研究(ynji)-转基因动物共七十页共七十页共七十页3、显微(xin wi)注射技术是指在高倍倒置显微镜下，利用(lyng)显微操作器，控制显微注射针在显微镜视野内移动的机械装置，用来进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。应用：转基因/基因敲除动物的制备（基因打靶载体转入ES细胞）；核移植技术；DNA/RNA/蛋白质的细胞内注入共七十页内容摘要发育生物学。在遗传程序控制下，发育具有严格的时间次序性和空间次序性。(3) 模式形成：使细胞分化按一定的时、空顺序发生，确立了机体的