發(fā)育生物學(xué)概論

發(fā)育生物學(xué)概論第1頁/共36頁一、引言三、發(fā)育生物學(xué)研究中的主要?jiǎng)游锬Ｐ图胺椒ㄋ摹⑨t(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)的研究熱點(diǎn)二、研究?jī)?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第2頁/共36頁一、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(zhǎng)、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。第3頁/共36頁1.先成論(preformation)和后成論(epigenesis)Preformation:生物體的各個(gè)組成部分存在于胚胎中，隨胚胎發(fā)育而長(zhǎng)大。馬爾比基（M．Malpighi）勒文虎克（A．Leeuwenhoek）J．SwammerdamC．Bonnet

Epigenesis:胚胎的各個(gè)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(xué)Waddington’sEquation:Epigenesis+Genetics=Epigenetics后成律遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)第4頁/共36頁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)胞功能：增殖、移動(dòng)、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)育和核酸遺傳第5頁/共36頁3.Mosaicandregulativedevelopment

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

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(dǎo)(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(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（respondingcell）;兩棲類原腸胚和實(shí)驗(yàn)中首先發(fā)現(xiàn)的;發(fā)育過程中的一個(gè)普遍現(xiàn)象;分級(jí)誘導(dǎo);誘導(dǎo)物質(zhì)可能是蛋白質(zhì)及核酸.第8頁/共36頁5.遺傳學(xué)和發(fā)育學(xué)的結(jié)合

1909年WilhelmJohannsen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；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(shí)，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(duì)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第9頁/共36頁研究?jī)?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(shí)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(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?jī)?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。第10頁/共36頁基因調(diào)控操縱子學(xué)說：莫諾（J·L·Monod）與雅可布（F·Jacob）結(jié)構(gòu)基因同時(shí)受兩個(gè)開關(guān)基因——操縱基因與啟動(dòng)基因的調(diào)控。只有當(dāng)這兩個(gè)開關(guān)都處于開啟狀態(tài)時(shí)，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?cè)诎l(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（genomicimpriting）和RNA編輯（RNAediting）、基因沉默、核仁顯性和休眠轉(zhuǎn)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(cè)序與單分子測(cè)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(gè)分布圖。2008年Nature第13頁/共36頁基本概念六個(gè)主要的developmentalprocesses

1.Celldivision:早期胚胎發(fā)育中的細(xì)胞分離不同于后期。

2.Patternformation:指胚胎形成有序的結(jié)構(gòu)。

三條軸線的形成：A－Paxis;D-Vaxis;L-Raxis;三個(gè)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(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）。第14頁/共36頁P(yáng)atterning常常涉及位置信息(positionalinformation)的翻譯第15頁/共36頁組織化學(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(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)，比較胚胎學(xué)醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系第16頁/共36頁

發(fā)育原則的一致性：例如形成各個(gè)胚層時(shí)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、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(gè)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(dòng)、植物人工繁殖、遺傳育種、動(dòng)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(xué)研究中的主要?jiǎng)游锬Ｐ图凹夹g(shù)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(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(dòng)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,從而誘使細(xì)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(fù)合體第21頁/共36頁四、醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)的研究熱點(diǎn)(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)胞第22頁/共36頁(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第23頁/共36頁第24頁/共36頁體外分化研究多能干細(xì)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(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)胞?？绶只喝缭煅杉?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)第25頁/共36頁(二)治療性克隆成體細(xì)胞核移植第26頁/共36頁克隆先鋒黃禹錫：從民族英雄到國(guó)恥第27頁/共36頁盧光繡:繼續(xù)推進(jìn)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(xì)胞培養(yǎng)的氣管（5cm）移植成功。自身干細(xì)胞氣管第29頁/共36頁(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.第30頁/共36頁(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)胞的遺傳途徑?干細(xì)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(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(gè)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(zhǎng)在手的頂端，而不是長(zhǎng)在手中間；眼睛長(zhǎng)在臉上，而不是長(zhǎng)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(zhǎng)期困惑發(fā)育生物學(xué)家的難題。

3生長(zhǎng)難題：如果某人臉上的細(xì)胞多分裂一次，他的臉肯定會(huì)嚴(yán)重變形；如果我們手臂上的每一個(gè)細(xì)胞多分裂一次，我們?cè)谙敌瑤r(shí)就不用彎腰，生物體內(nèi)的細(xì)胞知道它何時(shí)該長(zhǎng)，何時(shí)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(shí)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(gè)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。第32頁/共36頁展望

1.在胚層的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出組織和器官。

2.基因的開動(dòng)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(shí)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(duì)象和充分利用已有的材料，在各個(gè)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：第33頁/共36頁參考資料：

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(shí)踐，上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006年。ScottGilbert:《DevelopmentalBiology》，7thEditions,2002.

KlausKalthoff:《AnalysisofBiologicalDevelopment》，2ndedition,2001.

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