五多细胞生物与发育课件

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1、第五章 多细胞生物与发育,本章主要内容,多细胞生物的起源 细胞分化 发育程序与发育模式 结构演化与新功能 表观遗传,5.1 多细胞生物的起源,5.1.1从单细胞到多细胞的证据 细胞分裂后保持连接而不分离，依赖分裂的规则性和朝向性，形成各种各样的形状。 单细胞个体集合成特定的形状或行为，主要是环境影响。 证据：衣藻盘藻实球藻空球藻团藻,衣藻是单细胞生物。 盘藻由4、16或32个细胞组成，每个细胞都和衣藻相似。散开也能独立生活。同配生殖的方式繁殖。 实球藻由8、16或32个细胞组成，已有前端和后端之分，单个细胞不能独立生活，有性生殖是异配。 空球藻由16、32或64个细胞组成,中央充满胶质液体。雌

2、雄配子大小不同，雌配子比雄配子大好多倍。 团藻由50050000个细胞组成的空心球群体，按功能分化为营养细胞和生殖细胞。有性生殖是卵配。,移植前，肢芽（长出大腿）和翼芽（长出翅膀）两处细胞形态相同，均未分化。,肢芽,翼芽,分化,长出翅膀，翼尖为脚趾。,肢芽组织块移植至翼芽部位,鸡胚的细胞决定,5.1.2 细胞决定 细胞决定: 细胞在发生可识别的形态特征变化之前，分化方向就已得到决定。,细胞分化 由同源细胞逐渐变为在形态结构、生理功能和生化特征等方面具有稳定差异的另一类型细胞的过程。,5. 2 细胞分化,成纤维细胞分化为其他类型的细胞,5.2.1 细胞分化的主要机制,（1）不对称分裂：母细胞（如

3、卵细胞）中的某些分子不均等地分配到两个子细胞中，造成子细胞向不同方向分化。 （2）细胞间相互诱导：外部信号使一群细胞各个成员进入不同的发育途径。 （3）侧向抑制：已分化的细胞可以产生抑制临近细胞朝相同方向分化的物质，阻止它们成为和自己一样。 （4）信号分子的梯度效应：信号分子从源头向外形成信号浓度梯度，细胞根据自己周围的浓度，表现出不同行为。 （5）细胞的内在程序：细胞内在的程序常常决定了其发育的时间进程和空间位置，基因删除、重排、甲基化等。,不对称分裂生成不同的子细胞,细胞间的相互接触和侧向抑制,细胞间诱导式的相互作用,成形素蛋白浓度梯度在小鸡四肢发育,5.2.2 细胞分化的潜能,细胞分化能

4、力的强弱称为分化潜能。 动物受精卵的分化潜能称为全能性。 干细胞有分化潜能，分为：全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞。 单能细胞：仅具有分化形成某一种类型细胞的能力，也称为祖细胞，自我更新能力有限。,1、细胞的全能性： 生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有能力重新形成完整的个体，或者分化形成该个体任何种类的细胞。此特性称为“细胞全能性”。 受精卵 、8细胞期前的胚胎细胞是全能细胞。,细胞的全能性,植物细胞全能性,克隆 是指由一个细胞祖先经过分裂、增殖而形成的纯细胞系,细胞系中每一个细胞的遗传特性都是相同的,亦称为无性繁殖细胞系。,动物细胞全能性,细胞核的全能性,1938年，德国科学

5、家Hans Spemann建议用成年的细胞核植卵子的方法进行哺乳动物克隆。 1952年，英国的Briggs和King开始克隆青蛙，虽未能成功，但开始寻找克隆技术。 1962年，英国剑桥大学的Gurdon宣布他用1个成年蛙细胞克隆出1只蝌蚪，从而引发了关于克隆的第一轮辩论。 1965年，中国实验胚胎学家童第周完成了金鱼核移植并获得成功。 1983年，美国科学家Mcgrath和Solter克隆出小鼠。 1984年，丹麦科学家Willadsen用胚胎细胞克隆出1只羊，这是第一例证实的通过核移植技术克隆出的哺乳动物。 1993年，美国的First用牛胚团细胞成功获得克隆牛。,但是这些克隆动物,供体细胞

6、用的都是胚胎细胞。在1997年前,体细胞克隆一直处于徘徊阶段,没有什么特别令人鼓舞的成果出现。 直到1997年才有了改变,英国罗斯林研究所的科学家培育出了世界上第一只用体细胞克隆的绵羊“多利”。这是Wilmut用6岁成年绵羊高度分化的乳腺细胞进行核移植所获得的首例体细胞克隆羊。,克隆羊“多利”的产生,2000年，美国科学家成功地克隆出首例灵长类动物一只恒河短尾猴“泰特拉”（Tetra）。与其它动物克隆不同的是，“泰特拉”未用细胞核移植技术，而是采用胚胎分解的方法，将受精卵培育卵裂至8个细胞时将其分离，每2个细胞分为一部分，共分为4部分，并分别植入4个“代理母亲”子宫中，结果有一个“代理母亲”成

7、功生下了“泰特拉”，这意味着克隆人类已没有技术障碍。,2000年6月22日，我国生物胚胎专家张涌在西北农林科技大学种羊场顺利接生了1只雌性体细胞克隆山羊“阳阳”。“阳阳”经与世界首批胚胎克隆山羊自然交配受孕后，于2001年8月8日产下一对混血儿女，雄性叫“欢欢”，雌性叫“庆庆” 。“阳阳”的生产可以证明体细胞克隆山羊和胚胎克隆山羊具有与普通山羊一样的生育繁殖能力。 2001年，美、意科学家联手展开克隆人的工作，但遭到国际社会的普遍反对。,2002年2月14日，美国得克萨斯州AM大学科学家宣布，他们已经培育出世界上第一只克隆猫。 这只小猫的毛色花白，看上去完全不像生养它的花斑猫妈妈，也不完全像它

8、的基因妈妈。科学家解释说，CC的皮毛颜色很特别，因为除了基因对毛皮斑纹起作用外，子宫内的情况也会有一定影响。,克隆猫CC两个月大时的照片科学家称“看上去完全正常”,2004年1月21日中国首例异种克隆动物 克隆北山羊在新疆乌鲁木齐降生,将北山羊的体细胞与山羊的卵母细胞结合组成新的胚胎，待胚胎发育到一定阶段移植到发情的母山羊体内。北山羊是濒危动物合作者都希望通过克隆技术来保护它。,克隆动物产生的意义,（1）从理论上证明了已分化的动物细胞是具有全能性的，在适当条件下，通过基因组的重新组织就可能发育成新个体。 （2）从实际应用角度讲，克隆动物对动物资源的种质保存，保存地球生物圈内的生物多样性具有重要

9、意义。 （3）克隆动物对培育优良物种、生产移植器官、作为生物反应器生产药物和提供实验动物等都将造福人类。,动物克隆的争论,多利“安乐”辞世再度引发了克隆动物是否早衰的争论 正常羊的寿命应为12-13岁,这只羊是从一只6岁母羊的乳腺细胞中克隆出来的,问题的焦点就在于克隆出来的个体不仅继承了原来的性状,也继承了原来的年龄? 生命的长短取决于染色体分裂次数。按普通绵羊十一二岁的寿命，这头供体绵羊体细胞中的染色体已经分裂了六七年，因此，它们在多莉羊体内当然也只能再持续分裂六七年，这说明克隆技术无法让细胞返老还童。,克隆技术对人类是一把“双刃剑”。 一方面，它能给人类带来许多益处； 另一方面，存在很多问

10、题，例如： （1） 体细胞克隆成功率只有2-3%，克隆产生的动物 常带有严重的先天缺陷； （2）它将对生物多样性提出挑战，而生物多样性是自然进化的结果，也是进化的动力；有性繁殖是形成生物多样性的重要基础，“克隆动物”则会导致生物品系减少，个体生存能力下降； （3）更让人不寒而栗的是，克隆技术一旦被滥用于克隆人类自身，将不可避免地失去控制，带来空前的生态混乱，并引发一系列严重的伦理道德冲突。,克隆人问题 芝加哥理查德锡德于 1998 年 1月宣布: 要组成一个小组，做克隆人实验 。 1.5 年内完成第一个克隆人。 再用 1.5 年完成 500 个克隆人。,可否克隆人的部分器官？,反响一：几天后克

11、林顿要求国会立法，加以阻止。 反响二：加州等许多州通过立法，对克隆人实验处以25100万美金罚款,人们反对克隆人实验的示威,克隆技术可能成为濒危物种(如中国的大熊猫)延续种族的唯一希望吗？,专家学者不支持：克隆大熊猫只是个体的复制，根本无利物种本身的遗传多样性保护。 多利羊是同种克隆，大熊猫生育率和数量低，应该采用异种克隆。但异种动物的克隆技术困难更多，不很完善、成熟。,从大熊猫身上获取细胞, 与兔卵母细胞融合, 通过这种克隆生出的大熊猫和正常会有所不同。因为兔子卵母细胞的细胞质中含有大量的线粒体, 这些线粒体基因极有可能影响到大熊猫的毛色,也就是说出生的大熊猫可能是灰色的。,长期以来，人类一

12、直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。 随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研 究使人类的这些幻想正在逐步变成现实。 1998年，美国科学杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。,2、干细胞,在哺乳动物体内，许多已分化的组织和器官中都保留了一些能够分裂形成该组织或器官的未分化原始细胞，这些细胞称为干细胞。 体内干细胞的意义在于源源不断地补充体内一些短命组织的细胞来源，如血液细胞、皮肤细胞以及精巢等，或者组织或器官受到局部损伤时，它们可以再分裂形成新的该组织和器官，是体内的一种自我修复机制。,干细胞按发育状态分为成体干细胞和胚胎干细胞 成体干细胞在特定条件下，按一定程序

13、分化形成新的功能细胞，使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。比如，成年动物的表皮和造血系统具有修复和再生能力，成体干细胞在其中起着关键的作用。 胚胎干细胞是正常二倍体型，像早期胚胎细胞一样具有发育全能性。广泛地分化成各种组织，包括生殖细胞；可以在体外进行人工培养、扩增，并能以克隆的形式保存；胚胎干细胞移植有可能治疗各种疾病。（可以培养出与患者基因完全相同的组织，毫无免疫排斥反应。）,上世纪80年代，大量的实验研究发现，脐带血中含有丰富的造血干细胞。 1988年，法国人Gluckman 成功地对一名5岁先天性再生障碍性贫血患儿进行了世界上首例脐带血移植，供者是HLA相合的同胞，此后，法、美、澳等

14、相继成功完成了几例脐带血移植。 1992年，美国纽约血液中心建立了全世界第一家脐带血库，次年分别成功完成HLA相合的非血缘的和HLA不相合的同胞间的脐带血移植。,2004年，首例自体脐带血移植在美国芝加哥完成，效果非常理想，从而进一步证实了脐带血移植的应用价值。 迄今为止全世界建立起的规模化的脐带血库已超过100个，提供临床脐带血移植近10000例。 我国脐带血库的建设开始于上世纪末，目前正式通过卫生部执业验收的脐带血库有北京、天津、广州、上海和沈阳脐带血库。,临床移植情况证明脐带血移植与骨髓和外周血造血干细胞移植相比，具有来源丰富、实物保存、对HLA配型要求低、配型成功率高、术后风险小以及移

15、植费用低等特点。随着干细胞的研究和发展日益广泛深入，作为干细胞重要来源之一的脐带血也将越来越受到重视和青睐，被用于临床治疗的比例将越来越大。,5.2.3 细胞分化与基因表达的时空调节,1、不同类型的细胞合成不同的蛋白,管家基因（huose keeping gene）：编码维持细胞最低限度的功能所不可缺少的蛋白质的基因，如组蛋白、细胞周期蛋白的基因，这些基因不参与细胞分化的定向，对细胞分化只有协助作用。 奢侈基因(luxury gene)：有些蛋白和分化细胞的特殊性状密切相关，但不是细胞基本生命活动必不可少的，编码此类蛋白的基因称为奢侈基因，与各种分化细胞的特殊性状有直接关系。 细胞分化是奢侈基

16、因按一定时空顺序表达的结果,细胞分化是基因按一定时空顺序表达的结果，这种在个体发育过程中不同的基因按照一定的时空顺序被激活的现象称为“基因的差异表达”。,胰脏细胞 眼晶体细胞 神经细胞,糖酵解酶基因,晶体蛋白基因,胰岛素基因,血红蛋白基因,2、基因组合调控产生多种调节模式,组合调控（combinational control） 一些基因调节蛋白通过一定的组合形成一系列的调节模块，依次结合到调节序列上，在正确的时间和空间，表达正确的基因模式。该机制可以使为数不多的基因调节蛋白产生众多的细胞类型。,基因组合调控对发育的重要作用,3、DNA甲基化是一种可遗传的基因调节模式 基因转录的调节还可以通过DNA自身的共价修饰。DNA甲基化可以从一个细胞世代传到下一代细胞，所以也称“核记忆”。,DNA甲基化可以忠实的得到遗传,4、基因表达的调节是多水平的,真核细胞基因表达调节的多重性,5.2.4 细胞分化与肿瘤,肿瘤发生是细胞去分化或分化阻断的结果，例如白血病是由于多能造血干细胞在某