课件1发育生物学

发育生物学DevelopmentalBiology2015.4.29生命既丰富多彩又非常奇妙绪论Metamorphosis胚后发育:两栖类变态鲆鲽类发育变态Whenthesummerflounder(Paralichthysdentatus)

larvaisabout10mmlong,therighteyebeginstomigrateovertotheleftsideofthefishviaaprocessthatinvolvesboneresorptionandrotationofthefish’sneurocranium.

Theentiremetamorphosingprocessoccursquickly,overabouta5-dayperiodinstarryflounders,inlessthan1dayinsomespecies.DevelopmentalProcesses什么是发育发育是生命活动的共同属性。从单细胞生物到多细胞生物，从原核生物到真核生物，任何生物体都有一个发生、发展、终结的有序变化过程，其体制、结构和功能亦随之经历由简单到复杂然后衰退的变化。发育产生细胞的多样性并使各种细胞在本世代有机体中有严格的时间和空间的次序性，世代重复出现，保证生物世代的交替和生命的连续。本课程的主要讲授内容序言：发育生物学中的一些基本原理；发育生物学中的动物模型；发育生物学中的现代技术。胚胎的早期发育：卵裂、原肠作用、神经胚作用。细胞分化的机制：侧重基因表达的调控对组织器官形成和分化的影响。发育过程中的细胞互相作用经典而重要的热点问题：性别决定与生殖细胞，老化与寿命，体重肥胖与疾病，干细胞培养与动物克隆教材及参考书LewisWolpert主编：《PrinciplesofDevelopment》，1998.KlausKalthoff:《AnalysisofBiologicalDevelopment》，2ndedition,2001.BruceM.Carlson:《HumanEmbryology&DevelopmentalBiology》,2ndEdition,1999.ScottGilbert编:《DevelopmentalBiology》，6thEditions,2000.发育生物学，尤永隆,林丹军,张彥定主编，科学出版社2011发育生物学，王方海，金立培编著，中山大学出版社2011发育生物学，安利国主编，科学出版社2010发育生物学，张红卫主编，高等教育出版社，2005年10月，第二版发育生物学，桂建芳主编，科学出版社，2005年8月，第一版发育生物学相关期刊DevelopmentalBiologyWebResourcesDevelopmentalBiologyOnLine(Univ.ofWis.)

TheVirtualEmbryo(Univ.ofAlberta,Canada)

TheVisibleEmbryo(U.C.SanFran.)

TheHumanEmbryo(Univ.Penn.)

DevelopmentalMarkers(Univ.ofTexas)

SocietyforDevelop.Biology(PurdueUniv.)

Develop.BiologyResources(PurdueUniv.)

DrosophilaWWWLibrary(StanfordUniv.)

RandallMoon'sLab(U.Washington)

PaulMacdonaldsLab(StanfordUniv.)

FlyBaseDrosophilaDatabase(IndianaUniv.)

SeaUrchinEmbryology(StanfordUniv.)

FishScope(Univ.ofWashington)

Zygote(Swarthmore)

ZebrafishDevelop.Database(Univ.ofOregon)第一篇基本原理与研究技术第一章 发育生物学的发展简史一、发育生物学是研究生物发育本质的科学。发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学、生化与分子生物学。同一受精卵分裂产生的细胞怎样变得不同？这些不同的细胞如何构成不同组织器官？受到哪些基因调控？这些基因间如何相互作用？这些相互作用如何导致生理效应？是什么在控制细胞的行为，以至出现高度有序的发育模式？发育组织者及其作用要素如何隐含在受精卵之内，特别是遗传物质-DNA之内？胚胎学从动物受精到出生之间有机体的发育，即胚胎发育。有机体的发育在出生后并未停止，大多数成年生物体依然继续发育。因此，发育生物学研究内容包括胚后发育。发育生物学与胚胎学发育生物学应用现代生物学技术研究生物发育现象与本质。主要研究多细胞生物从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长、衰老和死亡即生物个体发育(ontogeny)中生命过程发展变化的机制。研究生物种群系统发生(phylogeny)的机制。LifeTree二、发育生物学发展简史1、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争希腊哲学家Aristotle在公元前第4世纪在对鸡胚和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种假设：

Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存在于胚胎中，各个部分随着胚胎的发育而长大。Epigenesis:

在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的。17世纪，精原学说的代表人物NicholasHartsoeker所想像的精子中的微型人

法国科学家Bonnet(1745)提出胚胎发育套装论:动物卵子包含由它生出的所有后代个体。(卵原学说)17世纪，意大利胚胎学家MarcelloMalpighi观察到的鸡胚19世纪30年代末：MathiasSchleiden和TheodorSchwann提出细胞学说(celltheory)。1840,AugustWeismann提出了生殖细胞论，认为后代个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化出不同组织，从而否定了preformation论。19世纪对SeaUrchin受精卵的观察发现，受精卵含有两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含有遗传的物质基础。19世纪末，染色体的发现和发现染色体数目在发育中的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念3、遗传学、分子生物学与发育生物学相伴而来1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。1909年荷兰植物学家WilhelmJohannsen提出基因型和表现型的概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。20世纪40年代证明：DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成。20世纪50年代发现：DNA为双螺旋结构。20世纪60年代：三联体密码被破解。20世纪70年代：DNA重组技术出现。20世纪80年代：转基因技术出现。20世纪90年代：动物克隆技术出现。世纪之交：HGP(humangenomeproject)。新的突破：stemcells,proteomics,conditionalgeneknockout,mutagenesis第二章发育的细胞和分子基础

发育是物种遗传特性的表达和展现,是遗传信息按照特定的时间和空间表达的结果,是生物体基因型(genotype)与内外环境因子相互作用,并逐步转化为表型(phenotype)的过程.

细胞分化（Celldifferentiation）QuestionI形态发生（Morphogenesis）QuestionII区域特化（Regionalspecification）器官发生（organogenesis）生长（Growth）QuestionIII繁殖（Reproduction）QuestionIV进化（Evolution）QuestionV与环境的关系（Environmentalintegration）QuestionVI

二、发育生物学的疑难问题QuestionI-分化（Differentiation）Restrictionofcellpotency全能细胞-多能细胞-终极分化细胞*

(1014cells/250typesofcellsinthehumanbody)QuestionII-形态发生（Morphogenesis）最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。*QuestionIII-生长（Growth）体积会显著增长，原因在于细胞数量增加、细胞体积增加和胞外物质的积累。不同组织器官生长速度各异。*QuestionIV-繁殖（Reproduction）SexDeterminationandGametogenesis*QuestionV-进化(Evolution）Howdochangesindevelopmentcreatenewbodyforms?鸟翼由四足动物前肢演化而来。*QuestionVI-环境（Environmentalintegration）EnvironmentalregulationofanimaldevelopmentPredator-induceddefensesGenotypevsPhenotype*发育生物学成为生命科学研究的前沿和主战场Science2005,309:78-102.Whatdon’tweknow?Whatisthebiologicalbasisofconsciousness?Whydohumanshavesofewgenes?Towhatextentaregeneticvariationandpersonalhealthlinked?Howmuchcanhumanlifespanbeextended?Whatcontrolsorganregeneration?Howcanaskincellbecomeanervecell?Howdoesasinglesomaticcellbecomeawholeplant?Arewealoneintheuniverse?Howandwheredidlifeoneartharise?Whatdeterminesspeciesdiversity?Whatgeneticchangesmadeusuniquelyhuman?Howarememoriesstoredandretrieved?Howdidcooperativebehaviourevolve?Howwillbigpicturesemergefromaseaofbiologicaldata?Howfarcanwepushchemicalself-assembly?Canweselectivelyshutoffimmuneresponses?IsaneffectiveHIVvaccinefeasible?Howhotwillthegreenhouseworldbe?Howdoorgansandwholeorganismsknowwhentostopgrowing?Howcangenomechangesbeinherited?Howisasymmetrydeterminedintheembryo?Howdolimbs,fins,andfacesdevelopandevolve?Howmuchdovertebratesdependontheinnateimmunesystemtofightinfection?Whattriggerspuberty?Arestemcellsattheheartofallcancers?Whydoesn’tapregnantwomanrejectherfetus?Dopheromonesinfluencehumanbehavior?Whatisthebiologicalrootofsexualorientation?Whatdon’tweknow?

(60outof100questionsarebiology-related;and10development-related)发育生物学对社会的影响Invitrofertilization试管婴儿Artificialinseminationbydonor人工授精异常发育机制：Teratology(Developmentaltoxicology)畸形CancerHIV●胎儿酒精综合征(fetalalcoholsyndrome;FAS)●FAS患者身体和心理发育迟缓-头小,人中模糊不清,上唇狭窄,鼻梁较低.平均智商68左右;足龄16.5岁FAS患者所掌握词汇与6.5岁正常儿童相当,数学能力只有4年级水平.●嗜酒母亲所生婴儿30-40%患FAS.三、发育的细胞基础(一)、发育的基本阶段（majordevelopmentalprocesses）受精（fertilization）、卵裂（cleavage）、原肠形成（gastrulation）、器官发生（organogenesis）、变态（metamorphosis）和成熟（maturity）一般来说，前四个阶段统称为胚胎发生期（embryogenesis），然后为变态期和成体期。动物发育的基本阶段及其主要特征（二）、发育的细胞共性事件细胞分裂（celldivision):

满足了细胞的快速增殖和发育进程细胞分化（celldifferentiation）:为机体细胞的多样性提供了保证模式形成（patternformation）:使细胞分化按一定的时空顺序发生，确立了机体的统一性细胞迁移（cellmigration）:为器官发生提供了细胞来源细胞凋亡（apoptosis）:抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及时清除1.细胞分裂Celldivision:

受精，是2个单倍体配子—精子和卵子，融合形成二倍体合子的过程，此过程刺激了卵子的发育。卵裂同时开始。Cleavage:细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而新生细胞的体积比母细胞小。2.模式形成Patternformation:

(1)原肠胚形成（gastrulation).2.模式形成Patternformation:

(2)躯体轴线的制定发育的分子基础是基因的特异表达，是基因按照特定的时间和空间表达的结果，是生物体基因型（genotype）与内外环境因子相互作用，并逐步转化为表型（phenotype）的过程。（一）基因控制细胞行为

是通过控制细胞中的蛋

白质的生成而实现的四、发育的分子基础(二)、发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间细胞命运Fateofcells:指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变。细胞决定Determination:指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。细胞特化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。(三)、诱导信号的相互作用可使细胞互为不同，改变发育命运

扩散性信号分子

跨膜蛋白的直接互作

间隙连接(gapjunction)信号传导特点传递距离有限并非所有细胞都能对某种信号发生反应。不同类型细胞可对同一信号发生不同反应,e.g.,乙酰胆碱使心肌收缩频率下降，但促使唾液腺分泌唾液。

Autonomouscellfatenon-autonomouscellfate诱导信号实质上是一些具有独特功能的蛋白因子(四)、胞质决定子（determinant）的不均匀分布及细胞的不对称分裂使细胞具有不同的特性第三章发育生物学研究技术和方法

发育是物种遗传特性的表达和展现,是遗传信息按照特定的时间和空间表达的结果,是生物体基因型(genotype)与内外环境因子相互作用,

并逐步转化为表型(phenotype)的过程.一、显微注射（microinjection）【实验原理】

显微注射技术是利用显微操作系统将外源目的基因直接注入到受精卵的原核中，使外源基因整合到受体细胞的基因组内，再通过胚胎移植技术将整合有外源基因的受精卵移植到受体动物的子宫内发育，从而获得转基因动物。可直接用不含有原核载体DNA片段的外源基因进行转移；外源基因的长度不受限制,可达100kb；实验周期相对比较短。不足：设备昂贵；操作复杂；导入外源基因整合位点和拷贝数无法控制；常导致插入位点附近宿主DNA片段缺失、重组等突变，可造成动物严重的生理缺陷。二、原位杂交核酸原位杂交技术就是利用放射性或非放射性标记的已知核酸探针，通过放射自显影或非放射检测系统在组织、细胞及染色体上检测特异DNA或RNA序列的一种技术，是一种直接、简便的研究基因定位和表达的方法。核酸探针是指用放射性同位素、非放射性荧光染料直接或间接标记的，能与特定的核酸序列发生特异性互补的已知DNA或RNA片段。根据其来源和性质可分为cDNA探针、基因组DNA探针、寡核苷酸探针、RNA探针等。基本原理当溶液中的DNA分子经高温或高PH处理后，DNA双链分子会变性产生两条单链，如果将温度逐渐下降或PH恢复到中性，单链会按照碱基互补配对的原则，重新形成氢键恢复到原来的双链结构。如果两条单链的来源不同，只要它们之间的碱基顺序同源互补或者部分同源互补，在条件适宜时，就可以全部或部分复性，产生分子杂交。全胚原位杂交（wholemountinsituhybridization,WISH）广泛用于胚胎发育调控基因表达研究的一种技术【实验原理】用各种标记物标记与体内特定mRNA互补的RNA分子（反义RNA），以它们作为探针与动物的整体胚胎进行原位杂交，然后用相应的抗体来检查特异探针的分布情况。2.胚胎组织切片原位杂交解决了探针不能渗入到胚胎内部的问题

mRNA的检测原位杂交(insituhybridization)利用原位杂交技术研究基因表达的时空谱mRNA的检测第四章发育生物学研究中的主要模式动物

由于地球上的生物体具有共同的进化祖先，在生命的基本模式上具有相同的特征，因此生物学家在研究生命活动的基本规律和人类自身生理病理的过程中，为了研究的方便和可行，常常选用一些特定的物种或者有别于研究主体的生物，这些被选用的生物称为模式生物。

模式生物的特点有:1)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.

主要优点

1.体积小，易于繁

殖；

2.产卵力强；

3.性成熟短；

4.易于遗传操作：

如诱变；

1.黑腹果蝇Drosophilamelanogaster:Insectmodel(一)InvertebrateModels果蝇优势：5.基因组序列已全

部测出(Science,

Mar.24,2000)。(120Mbencodes13,601proteins)

6.染色体巨大，易于定位是目前遗传背景最清楚的物种。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，普遍存在于昆虫到人的基因组中，是决定体轴形成的最基本因素。2、秀丽隐杆线虫

Caenorhabditiselegans:Wormmodel

主要优点

1.易于养殖：成虫

体长1mm，易冷

冻保存；

2.生命周期短：2.5-3

天，两种成虫；

3.通体透明；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.11,1998)。(97MBencodes19,099proteins.)秀丽隐杆线虫优势：体长1mm，构造简单，全身透明，细胞数目少，发育中细胞谱系几乎固定，并且易于追踪。是第一个完成基因组测序的多细胞动物(二)、Vertebrate