《发育生物学》研究热点.ppt

1、Developmental Biology,第七章 发育生物学新研究领域,孝感学院生命科学技术学院,发育与进化的相互关系。,本章重点,干细胞及其分类；,环境对发育的调控方式；,一、干细胞的概述,第一节 干细胞,哺乳动物个体发育的不同阶段都存在着发育潜能 参差不同的干细胞。,干细胞最终演变为独特结构和功能的体细胞和成熟生殖细胞。,干细胞增殖和分化问题仍是今天发育生物学研究的主题内容之一。,1、干细胞与个体发育,2.干细胞的定义和分类,成体干细胞：成年组织或器官内尚未分化的、具有自我更新潜能并负有构建和补充某种组织的各种类型细胞的干细胞。,干细胞：是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,干细胞分类：

2、胚胎性干细胞和成体干细胞。,胚胎性干细胞是全能的，具有分化为几乎全部 组织和器官的能力。（包括早期囊胚内细胞团和胚胎生殖细胞）,3. 干细胞研究简史,1967年，美国华多纳尔托马斯发表报告称，如果将正常人的骨髓移植到病人体内，可以治疗造血功能障碍。 1998年11月，美国威斯康星大学的科学家在美国科学杂志报告说，他们已成功地使人类胚胎干细胞在体外生长和增殖。 1999年12月，美国科学家在美国科学院院刊报告说，小鼠肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化”为血液细胞。随后，世界各国的科学家相继证实，成体干细胞，包括人类的成体干细胞具有可塑性。 1999年12月，干细胞研究进展被科学杂志评选为该年度世

3、界十大科学进展之首。,2001年1月，英国议会上院通过法案，允许科学家克隆人类早期胚胎，并利用它进行医疗研究。 2001年4月，美国科学家发现，从病人臀部和大腿处抽取的脂肪中，含有大量类似干细胞的细胞，这些细胞可以发育成健康的软骨和肌肉等。 2001年4月，美国国立卫生研究院决定取消原定举行的人类胚胎干细胞研究经费申请案的审查会议。该申请案是美国第一例人类胚胎干细胞研究经费申请案。有关方面认为，这意味着布什政府将不对人类胚胎干细胞研究进行资助。,二、胚胎干细胞（ES细胞）,ES细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干 细胞（EC细胞）的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。,当受精卵分裂发

4、育成囊胚时，内 层细胞团的细胞即为胚胎干细胞。,进一步说，胚胎干细胞（ES细胞）是一种高度未分化细胞。它,具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。,三、成体干细胞,成年动物的许多组织和器官具有修复和再生的能 力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条 件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一 定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和 器官保持生长和衰退的动态平衡。,干细胞的可塑性：成体干细胞具有跨越组织或胚层分化的特性。,1. 成体干细胞存在的可塑性,(1) 骨髓干细胞,将其注射入早期囊胚，然移植入假孕母鼠，可参与大多数体细胞类型的分化。,间质干细胞,具有分

5、化骨细胞、软骨细胞、腱、脂肪细胞和肌细胞的潜能。也能分化成内皮细胞和内胚层的肝细胞。,移植至脑可分化为神经元、神经胶质细胞。,在20世纪五十年代，临床上就开始应用骨髓移（BMT） 方法来治疗血液系统疾病。,造血干细胞,造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要 存在于骨髓、外周血、脐带血中。,(2) 神经干细胞,理论上讲，任何一种中枢 神经系统疾病都可归结为神 经干细胞功能的紊乱。,神经干细胞的研究仍处于 初级阶段;,(3) 肝干细胞,在1958年，Wilson等人认为肝组织中存在干细胞，依据是肝组织因营养损伤或部分切除时仍能再生，但已存在的肝细胞不能分裂和再生，而是来源于肝干细胞。,化学致

6、癌实验时，位于门管周围的小细胞发生增殖，这种细胞具有卵形细胞核、少细胞质，被称卵圆形细胞。具有分化为肝细胞和胆管上皮细胞的双潜能性。,从肌肉分离干细胞不仅能分化出肌肉，还能产生血液细胞成分。,肝组织外的来源（骨髓和血液）； 肝组织内处于休眠的肝干细胞。,(4) 骨骼肌干细胞,肝干细胞来源有两条途径：,目前还不能确定成体干细胞的可塑性是否因干细胞 异质性直接所致，要明确一种干细胞与其组织来源及 归宿之间的确切关系，还得进行大量的研究。,2. 成体干细胞研究中的问题,(1) 异质性,是指由于不同遗传机制而产生相同或类似的表型；,异质性在某种程度上是干细胞固有的特性；, 另一方面受到成体干细胞本身对

7、这类外来信号做 出的固有特性即内源性因子调控。,（2）干细胞所处的环境,干细胞所处环境的信号对干细胞分化有重要影响。,（3）成体干细胞可塑性的调控, 一方面与其所处微环境密切相关，即受到外源性因素调控；,（4）分化细胞的功能,目前成体干细胞的研究结果大多是检测新生组织中终 末分化细胞的特定蛋白或标记的表达，很少直接论及到 终末分化细胞的生理功能。,细胞表面标志鉴别和细胞功能确定。只有这样，才 能确定干细胞的分化细胞的物性和功能。,对于确定干细胞终末分化状态应包括两个方面：,（5） 体外增殖,成体干细胞从某一组织分离、纯化后，目前尚不能 较长期在体外维持其未分化状态并大量增殖的方法。,将分离的成

8、体干细胞直接移植入动物或患者的损害组 织器官，以期在受损组织原位分化出该组织中成熟的功 能性的细胞。,在体外将干细胞诱导分化为所需要的成熟细胞，而后 将细胞移植入损害组织或器官。,成体干细胞用于再生医学细胞治疗的方法:,四、干细胞在再生医学中的应用,（一）哺乳类发育的体外模型,（二）介导改造动物的基因,将人胚胎干细胞体外实验，用于研究人类胚胎在体内所不能分析的发育、分化和调节信号等事件。,利用体外培养的体细胞经外源基因转染后，取其细胞核显微注射至去核卵细胞，从而获得转基因动物。,（三）人体的基因和细胞治疗,（四）组织工程的种子细胞来源,用遗传改造过的人体细胞直接移植或输入患者体内，达到控制和治

9、愈疾病为目的的治疗手段。,组织工程的核心是由种子细胞和生物活性材料构成的三维空间复合体，构建成一个完整的器官，具有生物学活性的种子细胞是组织工程最基本的要素。,1.什么是胚胎干细胞？ 2.从干细胞的组织发生分为哪两类？ 3.肝干细胞来源可能有哪两种途径？,思考题,第二节 动物发育的环境调控,一、环境对正常发育的调控,1. 动物发育有关的环境因子,(1) 基质和幼虫附着,环境因素参与正常发育在海洋生物幼虫附着过程中最为明显。,大部分裸鳃类幼虫只有在活的食物有机体激发下才发生变态。例如，红鲍幼虫接触到珊瑚红藻时才定居；墨蚊幼虫在高速水流区的硬物表面附着。,附着物或基质可能释放某些可溶性分子，幼虫利

10、用这些分子作为开始附着的因子。船蛆幼虫在木材释放的化合物诱导下附着。,浮游幼虫常在食物丰富处或坚固的基质上附着进行变态。,在软体动物中常常存在许多特异性的附着分子。,(2) 吸食血液和卵黄形成,雌蚊吸血后的消化产物刺激脑细胞分泌卵子发育神经分泌激素,这种激素刺激卵巢产生蜕皮类固醇, 促进脂肪体产生卵黄蛋白原。雌蚊不吸食血液，便不能产生卵黄蛋白原，也就没有卵细胞的发育。,在许多蚊子中，产卵由吸血引发。,是吸食的血液使腹部膨大，产生的物理性牵拉作用，激活咽侧体产生保幼激素。保幼激素促进卵巢和脂肪体内卵黄蛋白原的合成。,吸血虫的雌性成体每吸食一次血，便产生一批新卵。,吸食血液有两种作用：,是血液中的

11、蛋白降解物为卵黄蛋白原的合成提供氨基酸；,腹部膨大，产生的物理性牵拉作用还能诱导蜕皮发生，使虫体生长。,() 发育共生,一种动物的发育有时在另一种动物存在时才成为可能。在有些有机体中，这种关系已发展成为共生关系；有时，共生体和宿主关系如此紧密，以至于共生体不存在时，宿主便不能发育。共生体和宿主之间形成的这种关系称为发育共生性。,2、动物发育中可预测的环境因子,（1）季节与性别：蚜虫,雌雄个体交配，所形成的卵子能够越冬。当越冬卵孵化时，产生新一代行无性生殖繁殖雌体。,孤雌生殖的蚜虫的生活方式：,孵化的卵产生的雌体能连续几代行无性生殖。,秋天来临时，蚜虫产生出一种特殊的雌体，其卵子能产生有性雌、雄

12、体；,温度和种群密度则能决定雌性个体是有翅还是无翅。,蚜虫（Megoura viciae）:,极端高温或低温均有利于产生雌性个体；,光周期和温度又能决定雌体是行有性生殖还是无性生殖；,(2) 光周期和昆虫滞育,不同种类的昆虫可在胚胎、幼虫、蛹或成虫阶段发生滞育；,滞育: 有些昆虫在发育的某个阶段可以暂时停止下来，过一段进间之后开始发育。,滞育是进化的产物，是一种生存策略；,（如家蚕胚胎形成12000细胞时进入滞育状态，滞育激素；吉普塞蛾幼虫，促前胸腺激素）,兼性滞育:只有在环境诱导下才能发生; 专性滞育:成为昆虫生活史不可分割的一个部分(温 带昆虫)。,滞育有兼性和专性之分;,温度和日照长度的

13、变化可能影响昆虫内分泌，进而使昆虫进入滞育状态。,3、表型可塑性,个体在一种环境中表达一种表型，而在另一种环境中表达另一种表型的能力称为表型可塑性。,表型可塑性分类：非遗传多型性和反应规范,非遗传多型性：是指不可遗传的、由环境导致的非连续表型。,反应规范:在一定环境条件范围内由一个基因型所表达的一系列连续表型。,定义:,(1) 季节性非遗传多型性,(2)营养性非遗传多型性,(3) 环境依赖型性别决定,非遗传多型性,反应规范能够遗传的限度构成了表型可塑性进化的基础。,反应规范,反应规范是基因组的一个属性，是可选择的；,不同基因型能够表达的可塑性的方向和程度各不相同。,4、动物发育中不可预知的环境

14、因子,有些动物幼虫可以随天敌释放的化学物质的不同而改变发育方式，从而使幼虫更好躲避捕食者。这种现象称为为天敌诱导的防御。,（）天敌和动物的诱导防御,胚胎可以向胚胎内或者胚胎周围分泌有毒物，保护自己不被其他动物吞食；,胚胎在不利环境中可以不按正常途径发育，通过特定发育途径保护自己。,（2）环境变化和幼体变态,5、环境和发育的连续可塑性,抗体的特异性与B细胞表面抗体分子的特异性完全一样。,（）成人免疫系统的发育,1959年提出克隆选择学说，阐明了免疫应答的基础。克隆选择学说的要点：,每个B淋巴细胞都能且只能产生一种抗体；,每个B细胞携带自己产生的抗体，置于细胞膜上；,抗原被递呈给B细胞；,只有与抗

15、原结合的B细胞能发育成分泌抗体的浆细胞；,（）学习和新神经元的形成,学习活动是影响人保留哪种神经元突触的关键因素。新的经历能改变原有神经元的联系，形成新神经元或在现有神经元之间形成新突触。神经元一旦形成，便不再分裂。,神经系统在成年后仍能继续发育，神经元联系的型式是先天遗传和后天经历两者共同作用的结果。,这种先天发育和后天发育之间的相互影响也存在于哺乳动物视觉系统中。,二、环境对正常发育的干扰,1、畸形和干扰作用,由遗传事件（突变、非整倍性、易位）引起的异常称畸形。 多数胚胎或胎儿的死亡是由染色体异常所致。,由外源因素（化学物质、病毒、放射性或高温）引起的异常称为干扰。,引起干扰作用的因子称致

16、畸剂。,研究环境因子如何干扰正常发育的学科称畸胎学。,2、致畸剂与先天畸形,天然存在的某些化学物质可导致先天畸形。,致畸剂主要包括药物和环境中的化学物质。,高山原始草地上生长的一种臭菘，能给胚胎的神经发育造成严重损伤，如独眼畸形； 奎宁能导致耳聋； 酒精能导致婴儿生理和心理障碍； 尼古丁、咖啡因可导致胎儿先天异常。,杀虫剂、有机汞化合物等导致胎儿神经和行为异常。,药物和人工合成的化合物。,使用视黄酸引起的畸形胎儿典型特征是缺少耳朵或耳朵有缺 陷，缺少下巴或下巴较小、腭裂、主动脉弓异常、胸腺有缺 陷和中枢神经系统异常。,视黄酸(维生素A酸),酞咪哌啶酮（反应停）,一粒反应停导致婴儿四肢异常；包括

17、心脏缺陷、外耳缺失和消化管畸形。,病毒和电离辐射,环境中的雌激素,病毒性风疹：导致婴儿患白内障、心脏畸形和耳聋；巨细胞病毒和单纯疱疹病毒：是胎儿致畸剂；弓形体：导致胎儿大脑和眼睛发育受损；梅毒可导致先天性耳聋；X射线。,杀虫剂代谢物、PVC塑料水管和原料聚苯乙烯塑料中的稳固剂壬基酚，另外洗涤剂和家用清洁剂的降解产物，都具有类似雌激素的功能，可以刺激对雌激素敏感的肿瘤细胞增殖。,1.蚊虫吸食血液可能有哪些作用？ 2.举例说明发育共生现象。,思考题,名词解释:,发育共生、反应规范、滞育、表型可塑性、非遗传 多型性,简答题：,第三节 发育机制的进化,目前，发育生物学和进化生物学在彼此分离将一个世纪之

18、后又在分子生物学上汇合起来，形成了进化发育生物学。,在达尔文时代，发育和进化就是彼此联系的统一体；,在十九世纪末叶开始彼此分离；,一、达尔文的发育和进化观,Von Baer 于1828年提出了著名的“生物发生律”，认为：较高一级动物的胚胎并不重现相关的较低一级动物的成体形式，但较高一级的动物的胚胎发育存在着相关的较低一级动物胚胎相似的阶段。,达尔文意识到胚胎发育对于了解生物进化的重要性，并把胚胎视为推测动物彼此之间进化关系的可靠线索。,达尔文还认为动物胚胎早期可以发现统一性，而胚胎发育后期则发生歧异以适应特定环境，发育发生变化。,达尔文还认为应从两个方面观察“变异的世代”：,世代共同性；,强调

19、变异。,二、胚胎起源,3种原生生物不仅形成多细胞聚合体，还分化出特定细胞类型，由特定类型细胞构成的多细胞聚合体即最早的胚胎。,多细胞生物起源于单细胞生物，多细胞生物的出现是形成新的复杂有机体的关键一步；,有17种原生生物可以形成多细胞生命结构，在这17种多细胞原生生物中，只有3 种分别进化为今天的真菌、植物、动物；,最早的胚胎可能以镶嵌方式发育。不过，诱导作用使胚胎形成一种保证全能的裂球维系在一起，形成一个协调一致的细胞共同体即动物个体。,最早的胚胎形成必须解决一个基本问题，即在保存每个组成细胞分裂能力的同时，分化出一组可行使特定功能的细胞。,早期胚胎通过保留或产生无纤毛细胞解决分裂与分化的矛

20、盾。无纤毛细胞分裂产生新细胞，具纤毛细胞使胚胎能够运动。,三、新门类的形成,现有的动物可分为35个门类，每一门类动物都具有独特的形体模式，都是从大约5亿年前的寒武纪末进化而来。但从寒武纪以来，再没有进化出新的基本的形体模式。,多细胞生物体可能是在15亿年前产生的，最早的多细胞动物化石可追溯到6 亿年前。,新门或新纲形成的另一机制可能是幼虫期发育产生改变，接着再经变态形成新型组织结构。,产生新的形体模式可能改变早期的胚胎发育阶段而发生。早期的发育变化可能受细胞质决定子、改变细胞分裂速度、改变细胞分裂后的排列位置的影响。,四、模块论,模块论主要通过分离、复制和变异以及征用三个 过程改变胚胎发育。,胚胎像有机体成体一样，有彼此相互作用的一系列元件或模块构成；,发育通过各自独立的不同模块之间一系列相互作用来完成的；,模块单元能使身体不同部分在不影响其他功能的情况下发生变化；,1、分离：异时性和异速生长,异时性：是指与亲代相比，子代胚胎发育中两个发育事件的相对时序的改变。,分离：指组成胚胎的各个部分的发育并非彼此紧密联系，而是可以分开进行的。,原因：异速生长不同的生长速度变化可能与靶细胞对生长因子敏感性改变或生长因子产生数量有关。,异速生长：有机体不同部分相对生长速度