《发育生物学》第3版课件002-模式生物

1

多细胞生物在胚胎期复杂的发育变化和调控一直是困扰生命科学的未解之迷。个体生命诞生自精卵结合形成合子，经过细胞的不断分裂、迁移、分化并发生巨大形态变化，构建出未来身体的雏形。越是出生后形态复杂的生物，其发育中细胞间关系的变化也就越剧烈。此外，虽然所有细胞都来自于同一个受精卵，但从发育早期开始，它们就走上了不同的分化道路，越到后期，要精确的说出每个特定位置上细胞的来历就越困难。发育过程从本质上讲是一部生命发展的细胞史。2成体中每个细胞都有一段自己独特的历史，总括起来就构成了个体生命。对复杂生物发育的解读类似于对有悠久历史的古文明所进行的研究，史料千头万绪，细节纷繁，难以把握，有时甚至无从下手。显然，如何选取恰当的切入点，找出诸种复杂现象背后潜藏的共同规律就成为洞悉这部生命史的关键。3如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量和种类更少，胚胎在体外发育，变化也较容易观察。由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共同规律是可能的。尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态发生和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。

4模式生物应具备特点：1）其生理特征能够代表生物界的某一大类群；2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析。长久以来在进化支流的港湾中休憩的小生命——酵母、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、拟南芥，获得了前所未有的青睐。5发育生物学研究中的主要模式动物

6

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，还有助于动物发育中的一些普遍规律和机制揭示。7主要优点

1.体积小，生命周期短，易于繁殖；（卵、幼虫、蛹、成虫）

2.产卵力强；

3.性成熟短；

4.易于遗传操作；

5.基因组序列已全部测出(Science,Mar.24,2000),(120Mbencodes13,601proteins)

1.果蝇(Drosophilamelanogaster):Insectmodel8

果蝇（fruitfly,Drosophilamelanogaster）。它在近代生物学史上的地位显赫，这红眼睛黑肚皮的小东西曾经三度飞进卡罗林斯卡医学院的颁奖大厅，为主人取回诺贝尔生物医学奖桂冠（1933年摩尔根，1946年缪勒，1995年刘易斯、尼尔森－沃哈德和维斯郝斯）。由于它们繁殖迅速、染色体巨大且易于进行基因定位，因此自1909年摩尔根（Morgan，1866－1945）将之用作研究遗传变异和染色体关系的材料之后，果蝇就成为经典遗传学家揭示遗传规律的一张王牌。9虽然1940年后的30年中，更易进行分子生物学操作的大肠杆菌、酵母菌和噬菌体等微生物一度取代了它的辉煌地位，但1970年开始人们发现果蝇在胚胎发育图式的构建中具有特殊优点：它由14个体节构成的躯干完全对称，一套基因控制了这些体节从上到下的发生过程，后来的研究证明，这套基因普遍存在于从昆虫到人的基因组中，是决定机体左右对称布局形成的最基本因素。由此，果蝇再次引起人们的高度兴趣，其在遗传和发育研究中的地位又变得举足轻重起来。1011卵母细胞滋养细胞滤泡细胞果蝇的卵子发生16个细胞1个细胞卵母细胞15个细胞滋养细胞合成核糖体蛋白颗粒运入卵母细胞12果蝇的卵裂13果蝇的表面裂果蝇受精卵的合子核位于卵黄中央，胞质已被挤在卵黄与细胞膜之间成为卵周质。第9次卵裂后形成极细胞，然后剩下的核迁移到胚胎周围进行几次较慢的分裂（仅为细胞核的分裂），在前13次分裂这期间的胚叫合胞体胚盘(syncytialblastoderm)。之后发生细胞化，在第14次分裂时，已移至外周的核之间的卵膜内陷，将每个核围成一个细胞，形成细胞化胚盘(celluarblastoderm)。细胞化过程需75min－175min。原肠胚形成开始时，果蝇的胚胎由一个细胞化胚盘包围中间的卵黄而成。7234561891011121314151614SuperficialcleavageinaDrosophilaembryo.Theearlydivisionsoccurcentrally.Thenumbersrefertothecellcycle.Atthetenthcellcycle(512-nucleusstage2hoursafterfertilization),thepolecellsformintheposterior,andthenucleiandtheircytoplasmicislands("energids")migratetotheperipheryofthecell.Thiscreatesthesyncytialblastoderm.Aftercycle13,theoocytemembranesingressbetweenthenucleitoformthecellularblastoderm.(LaserconfocalimagesofstainedchromatincourtesyofW.BakerandG.Schubiger.)1516

果蝇卵子在产出之前受精，受精后细胞核立即进行快速的连续分裂，但细胞质不分裂，形成一个合胞体胚盘。在细胞核的第9次分裂过程中，约有5个核迁移到胚胎后极，开始具有细胞膜包围形成第一批细胞，称为极细胞，这些细胞将发育为生殖细胞。前13次分裂仅为细胞核的分裂，这期间的胚叫多核胚(syncytialblastoderm)。在第14次分裂时，已移至外周的核之间的卵膜内陷，将每个核围成一个细胞，形成细胞化胚。17中胚层形成及神经系统的决定cephalicfurrowventralfurrow细胞生成后，果蝇胚胎就进行gastrulation(如右图)，一开始胚胎在腹面有沟，称为ventralfurrow，而等这个沟并合的时候，同时在靠近这沟的前端产生了另一横沟，叫做cephalicfurrow，这可以区别头部和胸腹部的构造。而在之后，胸腹部的地方，产生了胚带germband，而这时头部开始渐渐的发育，而胸腹部也开始分节，胸部分成三个体节，腹部分成八个体节而最后一个成体因此而产生。18中胚层形成19中肠形成过程20

腹侧出现沟状内陷构成中胚层，它初与表层组织脱离时形成管状结构，以后通过细胞迁移扩散至外胚层下的各部分发育成肌肉、结缔组织等中胚层来源的结构；胚胎两端向内陷入构成内胚层和原肠，其中段为中胚层介入并通连形成消化道；来自囊胚腹侧外胚层发生区域的细胞散在性地向内迁入，在外胚层和中胚层之间形成神经母细胞层，进而发育成一腹侧神经索为主体的神经系统；滞留在胚体表面的细胞构成外胚层。21原肠胚的发生从受精后3h开始，大约10h左右完成。原肠形成后期果蝇体节开始形成，奠定了未来头胸腹和各器官系统发生的基础，并继之完成了这些结构或者他们原基（成虫盘）的建设，经过幼虫期和变态，最后发育为成虫。22果蝇原肠形成232.线虫(Caenorhabditiselegans):Wormmodel24

秀丽隐杆线虫(nematode,Caenorhabditiselegans)都是一种名副其实的美丽生物。显微镜下，它通身透明，纤细的身躯优雅的摆动，每一块肌肉的收缩与松弛的一览无余。这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。不过，线虫本身和人关系不大，它生活在土壤中，以细菌为食，被称为“自由线虫”。在有着多达2000万同宗兄弟的线虫家族中，它们一直默默无闻的过着无人打扰的幸福生活，千百万年来，除了少数线虫分类学家，我们对它们也不闻不问。然而，当进入20世纪70年代时，秀丽线虫的平静生活被一群发育生物学家打破。线虫之所以能在经典模式生物的名单中占有一个重要位置和它的形态特点有密切关系，它是唯一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。25它的幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞，成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞，而较少见的雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。此外，线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有3天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。26只要把线虫浸泡到含有核酸的溶液中，就可以用这种最简单的方式实现基因导入。线虫还可以被冻在冰箱里储存，复苏之后继续研究。通过20年的努力，到90年代中期，人们已经建立了完整的线虫从受精卵到所有成体细胞的谱系图。这意味着，它机体里每一个细胞的来龙去脉都处于我们的视野中，清晰并且无所遗漏。27

细胞凋亡现象及其机理最早是在线虫中被揭示的。凋亡(apoptosis)是一个希腊文来源的词语，这个字眼表达的是花儿凋谢，树叶飘零的景色。“梧桐叶落而知天下秋”的意象恐怕正是说的这种意境：优雅，含蓄，还带点淡淡的忧伤，更因为飘落时那种虽然有些无奈却坦然以受之的美。由于线虫研究开创了一个对今日生物医学发展具有举足轻重的全新领域，同时也因为以线虫为基础的凋亡研究对基础和应用生物学产生的巨大推动作用，卡罗林斯卡医学院的诺贝尔奖评选委员会将年2002年生理和医学奖授予了线虫生物学的开拓者：西德尼·布雷纳(SydneyBrenner)、约翰·萨尔斯顿(JohnSulston)）和线虫凋亡之父罗伯特·霍维茨(RobertHorvitz)。

28主要优点:

1.易于养殖：成体长1mm;

2.性成熟短：2.5-3天，

两种成虫

（雌雄同体和雄性）；

3.细胞数量少，谱系清楚；

4.易于遗传操作；

5.基因组序列已全部测出(Science,Dec.11,1998)。29线虫胚胎的卵裂过程30秀丽新小杆线虫313233

线虫孵化时有556个体细胞和2个原始生殖细胞。经过四个蜕皮期的幼虫，持续3天时间，发育结束。

发育结束时，若是雌雄同体，成虫有959个体细胞和约2000个生殖细胞；若是雄性个体则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。成虫神经系统由302个神经细胞组成，这些细胞来自407个前体细胞，这些前体细胞中有105个发生了细胞凋亡。343.爪蟾（Xenopuslaevis）:Amphibianmodel主要优点

1.性成熟短，取卵方便，产卵量大，可人工授精；

2.卵体积大1.4mm，易于操作；

3.抗感染力强，易于组织移植；

35

斑马鱼(zebrafish,Daniorerio)和非洲爪蟾(southAfricanclawedtoad,Xenopuslaevis)是目前最常用的两种模式低等脊椎动物。斑马鱼产卵量多，繁殖迅速，胚胎通体透明，是进行胚胎发育机理和基因组研究的好材料。非洲爪蟾的卵母细胞体积大、数量多，易于显微操作，还可制成具有生物活性的无细胞体系，易于生化分析，在卵母细胞减数分裂机理研究中具有不可替代的作用。参与调节哺乳动物卵母细胞减数分裂的重要蛋白激酶，其作用最初大都是在非洲爪蟾卵子中发现的，开启了细胞周期调控的分子机理之门。就象安徒生笔下的童话，丑陋的青蛙摇身一变，变成了发育生物学的王子。36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；

5.体外受精和发育，易于观察；

6.基因组序列已全

部测出。4.斑马鱼Daniorerio

（zebrafish)375.小鼠Musmusculus(Mouse)38

小鼠(Mouse，Musmusculus)来源于野生鼷鼠，从17世纪开始用于解剖学研究及动物实验，经长期人工饲养选择培育，已育成多达千余个独立的远交群和近交系。由于小鼠繁殖快，饲养管理费用低，所以成为生物医学研究中广泛使用的模式生物，也是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物。目前全世界每天约有2500万只小鼠被用于生物医学研究，以小鼠为对象的研究已经获得了17项诺贝尔奖。小鼠胚胎干细胞的分离和基因敲除技术的应用，更为以小鼠为对象的发育生物学研究起了推波助澜的作用。1999年，美英几家大型科研机构成立了老鼠基因组测序的合作团体，2002年8月，他们公布了老鼠基因组物理图谱的框架。完整的老鼠基因组图谱预计于2005年完成。394041It’samammal,andoneofthesmallest(25-40g)Shortgestationtime(20days)Enterspubertyrelativelyearly(within6-8weeks)LargelittersizesLongreproductivelifespan(1.5-2.5years)MalesdonotharmthepupsEasytohandleFordevelopmentstudies,pregnanciesareeasilytimedfrominsemination(vaginalplugs)Placentationandearlydevelopm