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1、Development al Biology发育生物学Development al Biology第一章 序 言 一、前言 (一) 概念 发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学。 发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学。 发展过程：形态 机理 组织器官 细胞 分子Development al Biology本课程的主要讲授内容H 序言：发育生物学中的一些基本原理；发育生物学中的动物模型；发育生物学中的现代技术。H 胚胎的早期发育：卵裂、原肠作用、神经胚作用。H 细胞分化的机制：侧重基因表达的调控对组织器官形成和分化的影响。H 果蝇躯体轮廓发育的分子机制
2、H 四肢动物的肢体的发育H 性别决定与生殖细胞Development al Biology主要参考书H Scott Gilbert编:Developmental Biology，6th Editions, 2000.H Lewis Wolpert主编： Principles of Development，1998.H Klaus Kalthoff:Analysis of Biological Development，2nd edition, 2001.H Bruce M. Carlson: Human Embryology & Developmental Biology, 2nd Editio
3、n,1999.Development al Biology发育生物学相关期刊Development al Biology (二)、发展历史 1、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争 希腊哲学家Aristotle在公元前第4世纪在对鸡胚和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种假设： Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存在于胚胎中，各个部分随着胚胎的发育而长大。 Epigenesis: 在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的。Development al Biology17世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的
4、鸡胚Development al Biology17世纪，精原学说的代表人 物Nicholas Hartsoeker所想 像的精子中的微型人法国科学家Bonnet(1745)提 出胚胎发育套装论Development al BiologyH 19世纪30年代末：Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出细胞学说。H 1840, August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化 出不同组织，从而否定了preformation论。H 19世纪对Sea Urchin受精卵的观察发
5、现，受精卵含有两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含有遗传的物质基础。H 19世纪末，染色体的发现和发现染色体数目在发育中的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念Development al Biology3、Mosaic and Regulative Development19世纪80年代，Weismann提出了mosaic development 学说：合子中的大量特殊因子在细胞分裂中不均等分配， 导致了不同细胞向不同命运的发育。Development al Biology3、Mosaic and Regulative Developmen
6、t(续)支持嵌合体学说的实验证据：Wilhelm Roux的实验：Development al Biology3、Mosaic and Regulative Development(续)Wilhelm Roux的同事Hans Driesch的下述实验表明，胚 胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即胚 胎发育是可调节的。Development al Biology4、Discovery of Induction1924年，Hans Spemann和Hilde mangold的移植实验表 明，胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育。Development al Biology5、遗传
7、学、分子生物学与发育生物学的结合H1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。 H1909年荷兰植物学家Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的 概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。 H20世纪40年代证明：DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成。 H20世纪50年代发现：DNA为双螺旋结构。 H20世纪60年代：三联体密码被破解。 H20世纪70年代：DNA重组技术出现。 H20世纪80年代：转基因技术出现。 H20世纪90年代：动物克隆技术出现。 H世纪之交：HGP。 H新的突破：stem cells, proteomics, conditional gene kn
8、ockout, mutagenesisDevelopment al Biology二、发育生物学研究中的主要模式动物 各种模式动物各有优点，其研究成果不仅可以揭示特定 物种的特点，还有助于动物发育的一些普遍规律和机制。(一) Invertebrate ModelsDevelopment al Biology主要优点1. 体积小，易于繁 殖；2. 产卵力强；3. 性成熟短；4. 易于遗传操作：如诱变；5. 基因组序列已全部测出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)1. Drosophila melanogaster: I
9、nsect modelDevelopment al Biology2、Caenorhabditis elegans: Worm model主要优点 1. 易于养殖：成虫体长1mm，易冷冻保存； 2. 性成熟短：2.5-3天，两种成虫； 3. 细胞数量少，谱系清楚； 4. 易于诱变； 5. 基因组序列已全部 测出 (Science, Dec. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.)Development al Biology(二)、Vertebrate ModelsDevelopment al Biology1. Xenopus laevis: Amp
10、hibian model主要优点1. 性成熟短； 2. 卵体大，易于操作；3. 抗感染力强，易于组织移植；Development al Biology主要优点1. 体积小，易于饲 养殖；2. 产卵力强；3. 性成熟短；4. 易于遗传操作：如诱变；5. 体外受精和发育，易于观察；6. 基因组序列已全部测出。2. Danio rerio (zebrafish)Development al Biology3. Mus musculus (Mouse)Development al Biology4. Gallus gallus (Chicken)Development al Biology三、发育生物
11、学中的基本概念及规律 (一)、Five major developmental processes 1. Cell division: Cleavage: 细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而 新生细胞的体积比母细胞小。Development al Biology 2. Pattern formation: (1) 躯体轴线的制定Development al Biology2. Pattern formation: (2) 胚层的形成Development al Biology 3. Morphogenesi s 最突出的形态变 化发生在原肠作 用开始之后。Development al Bi
12、ology4. Cell dif- ferentiatio n: 人类胚胎可最 后发育出至少 250种不同细 胞类型，分化 通常是不可逆 的。Development al Biology5. Growth胚胎在基本的pattern形成之后，其体 积会显著增长，原因在于细胞数量增 加、细胞体积增加、胞外物质的积累 。不同组织器官的生长速度也各异。Development al Biology(二)、Cell BehaviourCell behaviorGene Embryonic development 细胞行为主要包括： Cell state: 指基因活性状况。 Cell-to-cell sig
13、naling: 细胞间信号的传送、接受、反应。 Cell movement and cell-shape changes:细胞通过形态改变及运动产生的机械动力，导致特殊结构的形成。 Cell proliferation: 躯体不同部位的细胞增生速度不一，可导致整体结构的改变。 Cell death: 在特定的发育时期，特定部位的细胞的死亡是形成正确结构所必需的。Development al Biology(三)、基因控制细胞行为是通过控制细胞中的蛋白质的产生而实现的House-keeping proteins:几乎存 在于所有类型细胞中，通常用于 产生能量、在代谢途径中生成或 降解产物，如组蛋
14、白及转录或翻 译中所必需的蛋白因子。 Tissue-specific proteins: 存在于 特殊类型细胞中，从而赋予细胞 特定的活性。如血细胞中的血红 蛋白输氧、肌肉细胞合成 myosin、actin、tropomyosin为 收缩提供能量。包括酶、生长因 子、受体蛋白、结构分子。细胞可从多个方面来控制蛋 白质的合成。Development al Biology(四)、发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间Fate of cells:指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件 的改变而改变(see next slide)。 Determination:指细胞特性发生了不可逆
15、的改变，发育潜力已经单一化 。 Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运 图谱发育。Development al Biology两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变原肠胚中眼区将发育 为眼睛。将原肠胚中眼区细胞移 植到神经胚的躯干区， 它们将按新部位的命运 发育为体节和脊索。将神经胚中眼区细胞移 植到神经胚的躯干区， 它们仍将发育为类似于 眼的结构。胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！Development al Biology(五)、诱导作用可使细胞互为不同扩散性信号分子跨膜蛋白的直接互作间隙连接(gap junction)信号传导特点H 传递距离有限 H 并非所有细胞都能对某种信号 发生反应。 H 不同类型细胞可对同一信号发 生不同反应,e.g., 乙酰胆碱使心 肌收缩频率下降，但促使唾液 腺分泌唾液。 Autonomous cell fate non-autonomous cell fateDevelopment al Biology(六)、Patterning常涉及positional information的翻译Development al Biology(六)、Patterning常涉及positional information的翻译(续)Development al Biology(七)、间距模式(
