發(fā)育生物學(xué)概論精課件

1、發(fā)育生物學(xué) 一、引言 三、發(fā)育生物學(xué)研究中的主要動物模型及方法四、醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)的研究熱點二、研究內(nèi)容、基本概念、 與其他學(xué)科的關(guān)系、意義 五、未解難題和參考資料 一、引言 發(fā)育生物學(xué)是一門從分子水平、亞細(xì)胞水平和細(xì)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(xué)。 發(fā)育是有機(jī)體以遺傳信息為基礎(chǔ)進(jìn)行自我構(gòu)建和自我組織。發(fā)：弓旁，“放箭”。髮育：養(yǎng)子使作善也。社會學(xué)意義上的人類的自我復(fù)制。 散開，擴(kuò)大，膨脹；通“廢” ：崩壞;停止。1.先成論(preformation)和后成論(epigenesis)Preformation:生物體的各個組成部分存在

2、于胚胎中，隨胚胎發(fā)育而長大。馬爾比基（MMalpighi）勒文虎克（ALeeuwenhoek）JSwammerdamCBonnet 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） WHarvey CFWoff (研究雞胚腸等器官的發(fā)生)馮貝爾（KEVonBaer）:比較胚胎學(xué) Waddingtons Equation: Epigenesis + Genetics = Epigenetics后成律遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)2. 細(xì)胞學(xué)說改變了胚胎發(fā)育和遺傳的概念 19世紀(jì)有關(guān)的重要發(fā)現(xiàn)和理論：細(xì)胞學(xué)說（一切生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成的，細(xì)胞來自于細(xì)胞）。四種細(xì)胞功

3、能：增殖、移動、改變性質(zhì)、傳遞訊息。 三種最重要的細(xì)胞構(gòu)造：細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核 。最重要的兩類分子：核酸和蛋白質(zhì) 。擺脫靈魂學(xué)細(xì)胞的發(fā)育和核酸遺傳4. 誘導(dǎo)(induction)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1924年，Spemann和Hilde Mangold發(fā)現(xiàn)一種組織能夠指導(dǎo)另一種組織的發(fā)育。 誘導(dǎo)者（inducer）或組織者;反應(yīng)細(xì)胞（responding cell）;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(dǎo);誘導(dǎo)物質(zhì)可能是蛋白質(zhì)及核酸.5. 遺傳學(xué)和發(fā)育學(xué)的結(jié)合 1909年Wilhelm Johannsen提出基因型和表現(xiàn)型的概念，使遺傳學(xué)和胚胎發(fā)育學(xué) 首次發(fā)生關(guān)系；19

4、34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（CNsslein-Volhard）和韋喬斯（Eric Wieschaus）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(dāng)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(xué)epigenetics研究內(nèi)容1. 生殖細(xì)胞：2. 早期胚胎細(xì)胞分化的決定與基因調(diào)控3. 細(xì)胞增殖、分化與細(xì)胞微環(huán)境4. 細(xì)胞增殖、分化與基因表達(dá)的時序、空間分布5. 器官發(fā)生與成熟：形態(tài)變化

5、基于功能要求。6. 細(xì)胞和組織工程：無性細(xì)胞繁殖，生殖細(xì)胞工程， 基因敲除，干細(xì)胞擴(kuò)增和馴化等。其中細(xì)胞分化是發(fā)育生物學(xué)中的核心問題。二、研究內(nèi)容、基本概念 與其他學(xué)科的關(guān)系、意義 所有的發(fā)育過程都涉及到基因調(diào)控。基因調(diào)控操縱子學(xué)說 ： 莫諾（JLMonod）與雅可布（FJacob） 結(jié)構(gòu)基因同時受兩個開關(guān)基因操縱基因與啟動基因的調(diào)控。只有當(dāng)這兩個開關(guān)都處于開啟狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)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(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變。這種改變在發(fā)育和細(xì)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（genomic impriti

6、ng）和RNA編輯（RNA editing）、基因沉默、核仁顯性和休眠轉(zhuǎn)座子激活等。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(jié)合的方法，以核苷酸分辨率獲得了在胚胎干細(xì)胞中和在由它們形成的各種不同的細(xì)胞類型中DNA甲基化的一個分布圖。 2008年 Nature基本概念六個主要的developmental processes1. Cell division: 早期胚胎發(fā)育中的細(xì)胞分離不同于后期。2. Pattern formation: 指胚胎形成有序的結(jié)構(gòu)。三條軸線的形成：AP axis; D - V axis; L - R axis; 三個胚層的形成：endoderm(腸、肝

7、、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. Cell differentiation:同一來源的細(xì)胞發(fā)展為結(jié)構(gòu)和功能不同的細(xì)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(xì)胞數(shù)量的增加、細(xì)胞體積的增加、胞外基質(zhì)的增加。 6.程序化細(xì)胞死亡（apoptosis）。 Patterning常常涉及位置信息(positional information)的翻譯 組織化學(xué)、生物化學(xué)遺傳學(xué)分子生物學(xué)發(fā)育生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)胚胎學(xué)：描述胚胎學(xué)，實驗胚胎學(xué)，比

8、較胚胎學(xué)醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系 發(fā)育原則的一致性：例如形成各個胚層時的細(xì)胞運動、各種器官原基的發(fā)育中的細(xì)胞間相互關(guān)系等，都是大同小異。 最具挑戰(zhàn)性的學(xué)科之一：從上個世紀(jì)八、九十年代迄今，生物學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展可以說就是發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)展。 應(yīng)用前景非常廣泛的學(xué)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(chǔ)。意義(一) Invertebrate models1. Drosophila melanogaster (fruit fly) -insect model2. Caenorhabditis elegans (nematode)- w

9、orm model(二) Vertebrate models1. Xenopus laevis (Africa frog) - Amphibian model2. Chick- bird model3. Mouse- mammalian model4. Zebrafish - fish model 三、發(fā)育生物學(xué)研究中的主要動物模型及技術(shù)方法秀麗線蟲 黑腹果蠅 發(fā)育生物學(xué)的主要研究方法1.細(xì)胞譜系的跟蹤2.誘變和基因敲除小鼠3.轉(zhuǎn)基因動物4.差式篩選技術(shù)5.原位標(biāo)記技術(shù)6.RNA干涉技術(shù)RNA干涉(RNAi)技術(shù)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(dá),并促使mRNA降解,

10、從而誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型。 dsRNA:雙鏈RNADicer:特異性核酸內(nèi)切酶siRNA:小干擾RNA.RISC:基因沉默復(fù)合體四、醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)的研究熱點(一) 干細(xì)胞分化 (二) 治療性克隆 (三)發(fā)育中的細(xì)胞轉(zhuǎn)型(四)腫瘤與干細(xì)胞(一) 干細(xì)胞分化 自我復(fù)制多向分化多能干細(xì)胞：如胚胎干細(xì)胞，ES專能干細(xì)胞：如間充質(zhì)細(xì)胞，MS定向干細(xì)胞：如造血祖細(xì)胞，HP體外分化研究多能干細(xì)胞, 環(huán)境因素如IL-6,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(xì)胞 能生成尿液的腎小體Spees等：人MS，修復(fù)受損的上皮細(xì)

11、胞。跨分化：如造血干細(xì)胞分化為肝細(xì)胞，內(nèi)皮祖細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞等。鼠體內(nèi)(二) 治療性克隆 成體細(xì)胞核移植克隆先鋒黃禹錫：從民族英雄到國恥 盧光繡:繼續(xù)推進(jìn)治療性克隆2008年，The Lancet 發(fā)表 Paolo Macchiarini博士文章：自身干細(xì)胞培養(yǎng)的氣管（5cm ）移植成功。自身干細(xì)胞氣管(三)發(fā)育中的細(xì)胞轉(zhuǎn)型細(xì)胞轉(zhuǎn)型與胚胎發(fā)育細(xì)胞轉(zhuǎn)型與腫瘤上皮細(xì)胞變得類似于成纖維細(xì)胞.下調(diào)黏附相關(guān)基因,丟失細(xì)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(yuǎn)處轉(zhuǎn)移,新轉(zhuǎn)移灶形成.(四)腫瘤與干細(xì)胞白血病腦瘤干細(xì)胞起源還是祖細(xì)胞起源?維持干細(xì)胞的遺傳途

12、徑?干細(xì)胞表型：超甲基化與低甲基化（表觀遺傳）.發(fā)育生物學(xué)五大未解難題 1 分化難題：開始為單細(xì)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(xì)胞、表皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、血細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等不同類型的細(xì)胞。由于體內(nèi)每一個細(xì)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(xì)胞。2 形態(tài)發(fā)生難題：分化的各種類型的細(xì)胞并不隨機(jī)分布，而是構(gòu)成復(fù)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(xì)胞是如何組建自己又如何形成恰當(dāng)?shù)呐判蛞彩情L期困惑發(fā)育生物學(xué)家的難題。3 生長難題：如果某人臉上的細(xì)胞多分裂一

13、次，他的臉肯定會嚴(yán)重變形；如果我們手臂上的每一個細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞時如何發(fā)出指令形成下一代呢？在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中允許它們完成這一使命的指令又是什么呢？ 5 進(jìn)化難題：進(jìn)化涉及發(fā)育中的遺傳變化。當(dāng)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(jìn)化的作用？這是發(fā)育生物學(xué)家最近重新強(qiáng)調(diào)的進(jìn)化難題。 展望 1.在胚層的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出組織和器官。

14、 2.基因的開動機(jī)制。 3.關(guān)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(yīng)是重要的方向。 4.進(jìn)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(jìn)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(xué)的發(fā)展。 5.表觀遺傳與發(fā)育： 參考資料：劉厚奇等主編，醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)，科學(xué)出版社，2004年。張衛(wèi)東主編，發(fā)育生物學(xué)，高等教育出版社，2001年。薛京倫主編，表觀遺傳學(xué)原理技術(shù)與實踐，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006年。Scott Gilbert:Developmental Biology，7th Editions, 2002.Klaus Kalthoff:Analy

15、sis of Biological Development，2nd edition, 2001.LINDA VAN SPEYBROECK，F(xiàn)rom Epigenesis to Epigenetics。Ann. N.Y. Acad. Sci. 981: 6181 (2002).有關(guān)的主要學(xué)術(shù)期刊：CELLNATURESCIENCEGENES &. DEVELOPMENTDEVELOPMENTDEVELOPMENTAL BIOLOGYMECHANISMS OF DEVELOPMENTNATURE CELL BIOLOGYDEVELOPMENTAL CELLDEVELOPMENTAL DYNAMICSGENESIS (DEVELOPMENTAL GENETICS)DEVELOPMENT GROWTH & DIFFERENTIATIONDEVELOPMENT GENES AND EVOLUTIONINTERNATIONAL JOURNAL OF DEVELOPMENTAL BIOLOGYREPRODUCTION FERTILITY AND DEVELOPMENTMOLECULAR REPRODUCTION AND DEVELOPMENTSEMINARS IN CELL & DEVELOPMENTAL BIOLOGYDEVELOP