發(fā)育生物學概論

發(fā)育生物學概論第1頁/共36頁一、引言三、發(fā)育生物學研究中的主要動物模型及方法四、醫(yī)學發(fā)育生物學的研究熱點二、研究內(nèi)容、基本概念、與其他學科的關系、意義五、未解難題和參考資料第2頁/共36頁一、引言

發(fā)育生物學是一門從分子水平、亞細胞水平和細胞水平研究分析生物體的精子和卵子的發(fā)生、受精、胚胎發(fā)育、生長、衰老直至死亡的過程及其規(guī)律的科學。

發(fā)育是有機體以遺傳信息為基礎進行自我構建和自我組織。第3頁/共36頁1.先成論(preformation)和后成論(epigenesis)Preformation:生物體的各個組成部分存在于胚胎中，隨胚胎發(fā)育而長大。馬爾比基（M．Malpighi）勒文虎克（A．Leeuwenhoek）J．SwammerdamC．Bonnet

Epigenesis:胚胎的各個部分是在發(fā)育中逐漸形成的。亞里士多德（Aristoteles）

W．HarveyC．F．Woff(研究雞胚腸等器官的發(fā)生)馮·貝爾（K·E·VonBaer）:比較胚胎學Waddington’sEquation:Epigenesis+Genetics=Epigenetics后成律遺傳學表觀遺傳學第4頁/共36頁2.細胞學說改變了胚胎發(fā)育和遺傳的概念

19世紀有關的重要發(fā)現(xiàn)和理論：細胞學說（一切生物體都是由細胞構成的，細胞來自于細胞）。四種細胞功能：增殖、移動、改變性質(zhì)、傳遞訊息。

三種最重要的細胞構造：細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核。最重要的兩類分子：核酸和蛋白質(zhì)。擺脫靈魂學細胞的發(fā)育和核酸遺傳第5頁/共36頁3.Mosaicandregulativedevelopment

Mosaicdevelopment:合子核中的特殊因子在細胞分裂中的不均等分裂導致不同細胞的產(chǎn)生，這些細胞有各自的發(fā)育命運。

Regulativedevelopment:胚胎在局部被排除或受損后仍能正常發(fā)育。第6頁/共36頁自主特異化條件特異化AEACEABCDEABCDE自主和條件特異化鑲嵌發(fā)育：調(diào)節(jié)發(fā)育：形成體原基分布圖ABCDEABCDE第7頁/共36頁4.誘導(induction)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1924年，Spemann和HildeMangold發(fā)現(xiàn)一種組織能夠指導另一種組織的發(fā)育。誘導者（inducer）或組織者;反應細胞（respondingcell）;兩棲類原腸胚和實驗中首先發(fā)現(xiàn)的;發(fā)育過程中的一個普遍現(xiàn)象;分級誘導;誘導物質(zhì)可能是蛋白質(zhì)及核酸.第8頁/共36頁5.遺傳學和發(fā)育學的結合

1909年WilhelmJohannsen提出基因型和表現(xiàn)型的概念，使遺傳學和胚胎發(fā)育學首次發(fā)生關系；1934年，摩爾根首次提出了富于魅力的基因調(diào)控概念。1980年沃哈德（C·Nǘsslein-Volhard）和韋喬斯（EricWieschaus）的工作首次證實，果蠅發(fā)育所涉及到的基因（發(fā)育基因）能被分成若干不同的功能區(qū)域。隨后的研究表明，相似或相同基因也存在于高等生物乃至人類當中，并且證明它們也控制著胚胎發(fā)育過程中體節(jié)的形成。

間隙基因、成對基因、節(jié)段極性基因、同源異形基因

(Hox基因)發(fā)育基因表觀遺傳學epigenetics第9頁/共36頁研究內(nèi)容1.生殖細胞：2.早期胚胎細胞分化的決定與基因調(diào)控3.細胞增殖、分化與細胞微環(huán)境4.細胞增殖、分化與基因表達的時序、空間分布5.器官發(fā)生與成熟：形態(tài)變化基于功能要求。6.細胞和組織工程：無性細胞繁殖，生殖細胞工程，基因敲除，干細胞擴增和馴化等。其中細胞分化是發(fā)育生物學中的核心問題。二、研究內(nèi)容、基本概念與其他學科的關系、意義所有的發(fā)育過程都涉及到基因調(diào)控。第10頁/共36頁基因調(diào)控操縱子學說：莫諾（J·L·Monod）與雅可布（F·Jacob）結構基因同時受兩個開關基因——操縱基因與啟動基因的調(diào)控。只有當這兩個開關都處于開啟狀態(tài)時，結構基因才能活化。表觀遺傳：指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變。這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞。表觀遺傳的現(xiàn)象很多，已知的有DNA甲基化，組蛋白修飾

，基因組印記（genomicimpriting）和RNA編輯（RNAediting）、基因沉默、核仁顯性和休眠轉座子激活等。第11頁/共36頁第12頁/共36頁DNA甲基化分布圖

利用高通量亞硫酸氫鹽測序與單分子測序相結合的方法，以核苷酸分辨率獲得了在胚胎干細胞中和在由它們形成的各種不同的細胞類型中DNA甲基化的一個分布圖。2008年Nature第13頁/共36頁基本概念六個主要的developmentalprocesses

1.Celldivision:早期胚胎發(fā)育中的細胞分離不同于后期。

2.Patternformation:指胚胎形成有序的結構。

三條軸線的形成：A－Paxis;D-Vaxis;L-Raxis;三個胚層的形成：endoderm(腸、肝、肺)，mesoderm(肌、骨、心、腎)，ectoderm(神經(jīng)系統(tǒng)和表皮)。

3.Morphogenesis:胚胎的立體形態(tài)發(fā)生顯著改變的過程。

4.Celldifferentiation:同一來源的細胞發(fā)展為結構和功能不同的細胞。

5.Growth：胚胎在基本的pattern形成之后在體積上顯著增加，原因包括細胞數(shù)量的增加、細胞體積的增加、胞外基質(zhì)的增加。6.程序化細胞死亡（apoptosis）。第14頁/共36頁Patterning常常涉及位置信息(positionalinformation)的翻譯第15頁/共36頁組織化學、生物化學遺傳學分子生物學發(fā)育生物學細胞生物學胚胎學：描述胚胎學，實驗胚胎學，比較胚胎學醫(yī)學發(fā)育生物學與其他學科的關系第16頁/共36頁

發(fā)育原則的一致性：例如形成各個胚層時的細胞運動、各種器官原基的發(fā)育中的細胞間相互關系等，都是大同小異。

最具挑戰(zhàn)性的學科之一：從上個世紀八、九十年代迄今，生物學領域的重大進展可以說就是發(fā)育生物學的進展。

應用前景非常廣泛的學科：動、植物人工繁殖、遺傳育種、動物胚胎與生殖工程，癌癥的防治，以及器官與組織培養(yǎng)，基因工程等的基礎。意義第17頁/共36頁(一)Invertebratemodels

1.Drosophilamelanogaster(fruitfly)---insectmodel

2.Caenorhabditiselegans(nematode)---wormmodel

(二)Vertebratemodels

1.

Xenopuslaevis(Africafrog)---Amphibianmodel

2.

Chick---birdmodel

3.

Mouse---mammalianmodel

4.

Zebrafish---fishmodel三、發(fā)育生物學研究中的主要動物模型及技術方法秀麗線蟲黑腹果蠅第18頁/共36頁第19頁/共36頁發(fā)育生物學的主要研究方法1.細胞譜系的跟蹤2.誘變和基因敲除小鼠3.轉基因動物4.差式篩選技術5.原位標記技術6.RNA干涉技術RNA干涉(RNAi)技術是利用一些小的雙鏈RNA來高效、特異地阻斷體內(nèi)特定基因的表達,并促使mRNA降解,從而誘使細胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型。第20頁/共36頁dsRNA:雙鏈RNADicer:特異性核酸內(nèi)切酶siRNA:小干擾RNA.RISC:基因沉默復合體第21頁/共36頁四、醫(yī)學發(fā)育生物學的研究熱點(一)干細胞分化(二)治療性克隆(三)發(fā)育中的細胞轉型(四)腫瘤與干細胞第22頁/共36頁(一)干細胞分化自我復制多向分化多能干細胞：如胚胎干細胞，ES專能干細胞：如間充質(zhì)細胞，MS定向干細胞：如造血祖細胞，HP第23頁/共36頁第24頁/共36頁體外分化研究多能干細胞,環(huán)境因素如IL-6,γ干擾素,M-CSF等。探索人為控制的各種條件。體內(nèi)分化研究形成組織和器官：2003年Dekel等的驚人發(fā)現(xiàn)。人胚腎干細胞能生成尿液的腎小體Spees等：人MS，修復受損的上皮細胞?？绶只喝缭煅杉毎只癁楦渭毎?，內(nèi)皮祖細胞分化為心肌細胞等。鼠體內(nèi)第25頁/共36頁(二)治療性克隆成體細胞核移植第26頁/共36頁克隆先鋒黃禹錫：從民族英雄到國恥第27頁/共36頁盧光繡:繼續(xù)推進治療性克隆第28頁/共36頁2008年，TheLancet發(fā)表PaoloMacchiarini博士文章：自身干細胞培養(yǎng)的氣管（5cm）移植成功。自身干細胞氣管第29頁/共36頁(三)發(fā)育中的細胞轉型細胞轉型與胚胎發(fā)育細胞轉型與腫瘤上皮細胞變得類似于成纖維細胞.下調(diào)黏附相關基因,丟失細胞相互作用,改變角蛋白外形等.調(diào)節(jié):器官形成,胚層分化,神經(jīng)系統(tǒng)分化等.腫瘤的原位侵襲,遠處轉移,新轉移灶形成.第30頁/共36頁(四)腫瘤與干細胞白血病腦瘤干細胞起源還是祖細胞起源?維持干細胞的遺傳途徑?干細胞表型：超甲基化與低甲基化（表觀遺傳）.第31頁/共36頁發(fā)育生物學五大未解難題

1分化難題：開始為單細胞的受精卵經(jīng)不斷分裂可以產(chǎn)生上百種（人至少有250種）諸如：肌肉細胞、表皮細胞、神經(jīng)細胞、淋巴細胞、血細胞和脂肪細胞等不同類型的細胞。由于體內(nèi)每一個細胞都含有相同的基因組，因此必須了解相同的基因組怎樣產(chǎn)生不同類型的細胞。

2形態(tài)發(fā)生難題：分化的各種類型的細胞并不隨機分布，而是構成復雜的組織和器官，器官又按照一定的方式排列。如手指長在手的頂端，而不是長在手中間；眼睛長在臉上，而不是長在肚皮上，細胞是如何組建自己又如何形成恰當?shù)呐判蛞彩情L期困惑發(fā)育生物學家的難題。

3生長難題：如果某人臉上的細胞多分裂一次，他的臉肯定會嚴重變形；如果我們手臂上的每一個細胞多分裂一次，我們在系鞋帶時就不用彎腰，生物體內(nèi)的細胞知道它何時該長，何時該停？

4生殖難題：精子和卵子都是非常特化的細胞，只有它們才能將創(chuàng)造生命的指令代代相傳。而這些生殖細胞時如何發(fā)出指令形成下一代呢？在細胞核和細胞質(zhì)中允許它們完成這一使命的指令又是什么呢？5進化難題：進化涉及發(fā)育中的遺傳變化。當我們說今天的一趾馬有一個五趾的祖先，我們是說這匹馬的祖先在多代的胚胎發(fā)育過程中其軟骨和肌肉發(fā)生了變化。在發(fā)育中的變化怎樣創(chuàng)造新體型呢？哪些變化能夠起到進化的作用？這是發(fā)育生物學家最近重新強調(diào)的進化難題。第32頁/共36頁展望

1.在胚層的基礎上產(chǎn)生出組織和器官。

2.基因的開動機制。

3.關于起調(diào)節(jié)作用的蛋白質(zhì)，在真核生物還很少了解，研究發(fā)育中基因的時間、空間調(diào)節(jié)，這應是重要的方向。

4.進一步發(fā)掘研究對象和充分利用已有的材料，在各個水平上進一步分析過去尚不甚了解的現(xiàn)象，才有利于發(fā)育生物學的發(fā)展。

5.表觀遺傳與發(fā)育：第33頁/共36頁參考資料：

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LINDAVANSPEYBROECK，F(xiàn)romEpigenesistoEpigenetics。Ann.N.Y.Acad.Sci.981:61–81(2002).第34頁/共36頁有關的主要