發(fā)育與再生緒論課件

1、發(fā)育生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)-緒論A introduction of Developmental Biology & Regenerative Medicine陳譽華中國醫(yī)科大學(xué)細胞生物學(xué)系,發(fā)育細胞生物學(xué)教研室教育部醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)重點實驗室Part I. An introduction to Developmental BiologyDevelopmental history of a representative animal, frog 1. The contents of developmental biology Cell differentiation：一個單細胞受精卵，如何變成結(jié)構(gòu)和功能

2、各異的數(shù)百種類型細胞，如肌肉細胞、表皮細胞、神經(jīng)元、淋巴細胞、血細胞、脂肪細胞等，盡管它們都含有相同的基因組DNA。Morphogenesis：構(gòu)成生物體的數(shù)百種細胞并不是隨機分布的，它們組織成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織和器官，器官被安派在特定的部位，如頭排列在末端（頂部）而不是在中部、眼在頭上而不是在腳下或內(nèi)臟。細胞如何組織成器官并安排在特定位置？Control of animal growth and size: 細胞是如何知道什么時候該停止分裂的？如果我們臉面上的每個細胞分裂均衡，將導(dǎo)致丑態(tài)百出乃至畸形。（面部表型及對稱性控制：Super-enhance的作用）。Reproduction: 精子和卵

3、子是特化了的細胞，為什么只有它們能夠傳遞形成有機體的指令、并從一代到下一代。細胞核和細胞質(zhì)中執(zhí)行這種指令的分子基礎(chǔ)是什么？ Evolution and development:這是自人類基因組計劃開展以來（1990年以來）再度成為熱點的領(lǐng)域，為什么早期發(fā)育過程中，不論是低等的還是高等的生物都呈現(xiàn)相似的形態(tài)，爾后卻大不相同，僅比果蠅多兩倍的基因如何設(shè)計并構(gòu)筑出復(fù)雜的人體？Aging and regeneration: 衰老的原因是什么，衰老基因如何發(fā)揮作用，有沒有長壽基因，能否返老還童，損壞的器官能否通過再生修復(fù)，為什么的低等生物容易再生修復(fù)？Stem cell biology: 是1998年人

4、類胚胎干細胞成功分離以來逐步形成的熱點和前沿領(lǐng)域。由于干細胞具有分化成機體各種類型細胞的潛能，不僅使它成為研究有機體細胞分化與發(fā)育研究的模式材料，也使它成為機體特別是人體器官再生修復(fù)的種子細胞。 胚胎干細胞研究的倫理學(xué)爭論推動了干細胞研究進展（如iPS細胞的發(fā)現(xiàn)），催生了再生醫(yī)學(xué)概念的形成與發(fā)展。The concept of developmental biology Developmental biology is a discipline which studies the development mechanism of organism. It shifts research from

5、 early morphology observation of embryo towards the molecular mechanism of cell differentiation, organogenesis, morphogenesis and evolution currently. Molecular developmental biology is the main trend now. It focused on how the gene expression is controlled temporally and spatially in order to regul

6、ate cell differentiation and individual development. Model organism is widely used in modern developmental research.馮貝爾發(fā)現(xiàn)不同種類的脊椎動物在特定的早期胚胎發(fā)育階段(2) Experimental embryology stage(1885-1970)1885年: August Weismann 預(yù)見到了基因的重要性，提出了生殖質(zhì)理論，但 錯誤地認為在發(fā)育過程中的細胞分化是由于細胞中遺傳信息的減少。1888年: Wilhelm Roux 開創(chuàng)了實驗胚胎學(xué)研究領(lǐng)域，他通過對早期

7、胚胎細胞 的損壞來觀察發(fā)育結(jié)果?？赡芤虿僮魇侄蔚脑?，得到了似乎能證實 Weismann想法的錯誤結(jié)果。1890年: Theodor Boveri 和Sven Horstadius意識到細胞核與細胞質(zhì)間的相互 作用，提出了有機體發(fā)育的梯度理論。1892年: Hans Driech 發(fā)現(xiàn)兩個和四個分裂時期的海膽胚胎細胞均能發(fā)育成完 整的胚胎，對Weismann的理論提出了挑戰(zhàn)。1896年：Edmund Beecher Wilson 證明了胞質(zhì)決定的重要性；發(fā)現(xiàn)了昆蟲的 性染色體；并著成一本非常有影響的教科書細胞的發(fā)育和遺傳。1901年：遺傳學(xué)家 Thomas Hunt Morgan著成了現(xiàn)在仍值

8、得一讀的水螅再生 研究綱要。1924年：Hans Spemann 發(fā)現(xiàn)了胚胎中的組織元效應(yīng)（胚胎誘導(dǎo)，因該發(fā)現(xiàn)獲 得了1935年的諾貝爾獎）1952-1962：Robert Briggs, Thomas King, Jon B Gurdon開展了核移植實 驗。在檢測體細胞核于發(fā)育過程中是否仍然保持全能性、遺傳信息是否 不可逆地丟失或滅活過程中克隆了蛙。( Gurdon后來因Yamanaka 的研究進展而獲諾貝爾獎)。 我國學(xué)者朱洗先生于1961年培育出了世界上第一個沒有外祖父的蟾蜍。(3) The formation of modern developmental biology was pr

9、omoted by the progress of molecular biology (1970-1990)1970年：先軀人物 W.Beermann和 A.Ashburner（雙翅目的巨大染色體）， Alfred Kuhn(昆蟲的酶鏈與基因活性)，Jean Brachet（兩棲類的卵 中的RNA），Heiz和 Hildegard Tiedemann（誘導(dǎo)因子）等人開創(chuàng) 了分子發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域。1978年：E.B.Lewis將同源異型基因復(fù)合體（Hox 基因）引入到果蠅， Christiane Nusslein-Volhard 和 Eric Wieschaus 進行了特異性控 制發(fā)育基因的

10、基因誘變研究，David S.Hogness, Gary Struhl, Walter J.Gehring等對分子生物學(xué)新工具在果蠅中的應(yīng)用研究，使果 蠅成為發(fā)育生物學(xué)研究最重要的模式材料（Lewis, Volhard, Wieschaus獲得了1995年諾貝爾獎）。 同期Brenner建立了另一個模型系統(tǒng)線蟲。許多工作重返傳統(tǒng)研究，以分子生物學(xué)方法來深化研究工作，包括Eric Davidson(海膽)， John B Gurdon 、Marc Kirschner(爪蟾)，和Lewis Wolpert(小雞，位置信息與鳥肢芽的形態(tài)形成)。從此，發(fā)育生物學(xué)進入一個飛速發(fā)展階段。1981年： M.

11、J.Evans, M.H.Kaufman, G.B.Martin從小鼠的囊胚中獲得多潛能胚 胎干細胞。1989年： Gene knock-out 和 knock-in 技術(shù)的建立，使得在個體水平(小鼠) 確定基因的功能成為可能。(馬里奧卡佩基 、馬丁埃文斯 、奧利弗史密 斯2007年獲諾貝爾獎) 埃德華劉易斯 克里斯蒂納福爾哈德 埃里克威斯喬斯劉易斯、福爾哈德和威斯喬斯以果蠅為實驗材料，通過喂食誘變劑的方法，獲得了大量的果蠅突變體，發(fā)現(xiàn)了上百個控制胚胎早期發(fā)育的基因，揭開了胚胎如何由一個細胞發(fā)育成完美的特化器官,如腦和腿的遺傳秘密，因而獲得了1995年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。這一成就敲開了人類發(fā)

12、育遺傳秘密的大門，將有助于解釋人類先天性畸型的成因。 馬里奧卡佩基 馬丁埃文斯 奧利弗史密斯 埃文斯在國際上首次建立了小鼠的胚胎干細胞，并證明了胚胎干細胞可形成生殖細胞；卡佩基和史密斯建立了哺乳動物細胞的同源重組技術(shù)；1989年三者共同努力建立了基因打靶技術(shù)，獲得了第一只基因剔除小鼠。此后該技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前已獲得500多種不同的人類疾病小鼠模型，包括心血管疾病和神經(jīng)退化類疾病、糖尿病和癌癥等。正是由于這一開創(chuàng)性的工作，他們共同獲得了2007年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。 1998-2004：證明人胚胎干細胞可以在體外培養(yǎng)的條件下分化為神經(jīng)細胞、 精子和卵細胞等；證明不同胚層來源

13、的干細胞之間可以發(fā)生轉(zhuǎn) 分化干細胞成功修復(fù)病變心臟（機制不清）。2005年: 韓國科學(xué)家Hang Woo Suk(黃禹錫)宣布克隆了11例病人的胚胎 干細胞，后經(jīng)證實是丑聞。2006年: 美國Wake Forest大學(xué)的Atala 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組從人胚胎發(fā)育期的 羊水中分離出胚胎干細胞：稱為羊水中的第二生命。2006-2007: 日本（京都大學(xué)）的 S.Yamanaka 借助逆轉(zhuǎn)錄病毒載體，將 Oct3/4, Sox2, c-Myc, Klf4 四個轉(zhuǎn)錄因子的基因轉(zhuǎn)染整合到小鼠 胚胎成纖維細胞和小鼠尾尖成纖維細胞，這些細胞被“誘導(dǎo)”成了像 ES細胞一樣具有多向分化潛能的干細胞，稱iPS細胞。

14、繼之，Yamanaka課題組和美國（威斯康星大學(xué)）兩個獨立的研究 小組利用人體皮膚細胞“仿制”出胚胎干細胞，即iPS細胞。 （ S.Yamanaka 與動物克隆先驅(qū)John B Gurdon獲得2012年諾貝 爾獎）。2010年： 加拿大科學(xué)家繞過胚胎干細胞過程，直接將皮膚纖維母細胞轉(zhuǎn)化為 血液細胞。2010年以來: 將體細胞（通常是皮膚成纖維細胞）重編程為組織干細胞的研究成 果層出不窮。University of Cambridge, United Kingdom（Reprogramming of gene expression by nuclear transfer）2012John Gu

15、rdonShinyaYamanaka（山中伸彌）日本京都大學(xué)細胞核重編程：通過4個轉(zhuǎn)錄子成功改變細胞基因組，成功誘導(dǎo)成體細胞回復(fù)干細胞狀態(tài)Part II. An introduction to Regenerative Medicine1. What is regenerationRegeneration is the morphogenic processes that multi-cellular organisms to repair and maintain the integrity of their physiological and morphological states.It

16、 is the process of reactivation of developmental program, is the re-development of multipotent undifferentiated cell.2. What is Regenerative MedicineRegenerative medicine is a branch of translational research in tissue engineering and molecular biology which deals with the process of replacing, engi

17、neering or regenerating human cells, tissues or organs to restore or establish normal function. This field holds the promise of engineering damaged tissues and organs via stimulating the bodys own repair mechanisms to functionally heal previously irreparable tissues or organs.whether we can selectiv

18、ely and directly induce stem cell transform intodamaged tissue or organ in situ and in vivo.Part III. The relationship between Developmental Biology and Regenerative MedicineThe formation of regenerative medicine is base on the progress of developmental biology 2. The elucidation of the intrinsic value of development is the necessary precondition to solve regenerative medicine