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1、发 育 生 物 学第一章 序 言一、引言发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老、死亡的规律的科学。1、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)Preformation:生物体的各个组成部分存在于胚胎中，随胚胎发育而长大。Epigenesis: 胚胎的各个部分是在发育中逐渐形成的。2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念19 世纪有关的重要发现和理论：细胞、生殖细胞、细胞核、染色体、3、Mosaic and regulative developmentMosaic development: 合子核中的特殊因子在细胞分裂中的不均等分裂导致不
2、同细胞的产生，这些细胞有各自的发育命运。Regulative development: 胚胎在局部被排除或受损后仍能正常发育。4、诱导(induction)现象的发现1924 年，Spemann 和 Hilde Mangold 发现一种组织能够指导另一种组织的发育。5、遗传学和发育学的结合1909 年 Wilhelm Johannsen 提出基因型和表现型的概念，使遗传学和胚胎发育学 首次发生关系；40年代进一步认识到基因在发育中的决定性作用。二、发育生物学研究中的主要动物模型(一)、 Invertebrate models1. Drosophila melanogaster (fruitfl
3、y) -insect model2. Caenorhabditis elegans (nematode)- worm model(二)、 Vertebrate models1. Xenopus laevis (Africa frog) - Amphibian model2. Chick- bird model3. Mouse- mammalian model4. Zebrafish - fish model三、发育生物学中的基本概念及规律(一)、五个主要的 developmental processes1. Cell division: 早期胚胎发育中的细胞分离不同于后期。2. Pattern
4、 formation: 指胚胎形成有序的结构。三条轴线的形成：AP axis; D - V axis; L - R axis; 三个胚层的形成：endoderm(肠、肝、肺) ， mesoderm (肌、骨、心、肾) ， ectoderm (神经系统和表皮) 。3. Morphogenesis:胚胎的立体形态发生显著改变的过程。4. Cell differentiation:同一来源的细胞发展为结构和功能不同的细胞。5. Growth：胚胎在基本的 pattern 形成之后在体积上显著增加，原因包括细胞数量的增加、细胞体积的增加、胞外基质的增加。(二) 、细胞行为是基因作用与发育进程之间的桥梁
5、即基因影响细胞行为、细胞行为影响发育。主要的细胞行为包括：1. Cell state: 指基因的活性状态。2. Cell-to-cell signaling: 一种细胞产生某种信号物质，而另一种细胞接受该信号而调整 其行为。3. Cell-shape changes/Cell movement: 细胞通过形态的改变及运动产生机械动力， 以形成特殊的构造。4. Cell proliferation: 细胞因 分裂而增加数量，但在躯体的不同部位细胞增生的速度不一，从而也可影响整体结构。5. Cell death: 在特定发育时期，特定部位的细胞的死亡是形成正确结构所必须的。(三) 、基因控制细胞行
6、为是通过控制细胞中的蛋白质的合成来实现的两 类 蛋 白：house-keeping proteins and tissue-specific (luxury) proteins 蛋 白 合 成 控 制 点：tanscription, processing of primary transcripts,transportation of mature RNA, translation, posttranslational modification, etc.(四)、发育是渐进式的，细胞的命运决定于不同的发育时期三个胚层的形成 各胚层内细胞的分化描述细胞分化程度的几个概念： Fate of cel
7、ls：指在正常情况下细胞会分化、 发育为什么；Determination, 指细胞的内部状态已发生不可逆的改变；specification：指一组细胞在中性环境下立体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。胚胎细胞的分化潜力随发育深度而异。胚胎细胞的分化潜力因不同物种而异。(五)、诱导作用可使细胞互为不同诱导作用的证据：蝾螈的 organizer 移植实验。诱导信号的传递方式：胞间隙中自由扩散、细胞表面分子的直接互作、胞间 膜通道的利用。诱导信号的传递距离是有限的。不同细胞对同一诱导信号的反应是不同的。(六)、Patterning 常常涉及位置信息(positional information)的翻
8、译一些信号分子和转录因子(morphogen)沿一定的方向形成一个浓度梯度，处于 不同浓度下的细胞获得不同的发育命运。(七)、间距模式 (spacing pattern)可以通过侧向抑制作用产生当一组细胞具有具有相同发育方向时，其中的一个细胞的分化能抑制其相邻细胞的分化。e.g., feather, neurons.(八)、 胞 质 决 定 成 分 的 区 域 化 及 细 胞 的 不 对 称 分 布 也 使 细胞 具不 同 个 性四、控制发育的基因的克隆及其表达与功能的检测方法(一)、寻找控制发育的新基因的主要方法1、从自然突变体或人工产生的突变体中克隆控制发育的基因产生突变体的方法：自然突变
9、体；化学诱变剂(如亚硝基乙脲乙亚硝 基脲) ； 外源 DNA 插入：DNA 注射、 病毒侵染、转座子利用等；X-射线或 r射 线照射。突变体的种类：隐性突变；半隐性突变； 显性突变。从突变体分离基 因的方法：Positional cloning；Candidate cloning； Direct cloning。2、分离组织特异性或发育阶段特异性表达的基因的方法a. 分离特定组织或器官的方法：直接机械分离；根据细胞表面特定蛋白来识 别、分离；转基因标记法。b. 组织特异性基因表达产物的鉴定及其基因的克隆：从蛋白质到基因标记 不同来源的 mRNA 去与筛选特异 cDNA 文库；mRNA diff
10、erential display ；Subtractive cloning。3、利用基因序列同源性的克隆法接利用异源 cDNA 探针筛选 cDNA 文库从保守区设计引物 同源探针 筛选 cDNA 文库4、利用 DNA-蛋白质或蛋白质蛋白质互作关系分离克隆新的基因(二)、基因表达的检测1、mRNA 的检测:Northern 杂交；斑点杂交；RTPCR ； In situ hybridization。2、蛋白质的检测：Western blot；In situ antibody staining3、启动子活性检测法(三)、基因对发育影响的功能性分析 1、Gene Knockout2、Overexpr
11、ession: mRNA 注射法；DNA 注射法；病毒感染法3、Rescue4、Antisense RNA/Antisense oligos5、Antibody blocking6、Dominant negative receptor mutations7、Dominant interferring alleles第二章 胚胎的早期发育一、卵裂(Cleavage)(一)、卵裂的特点：分裂间期短；细胞变小；转录不活跃；不等裂。(二)、卵裂的类型：经线裂(meridional cleavage)：卵裂面与 AV axis 平行；纬线裂(equatorial cleavage)： 卵裂面与AV ax
12、is 垂直。1. Holoblastic cleavage:卵裂沟穿过整个受精卵，产生两个均等大小的两个 blastomeres. 含卵黄比较少的卵一般采用此种方式, e.g., Sea Urchin, frogs, most mammals 。(1) Radial holoblastic cleavage：卵裂是辐射对称的。Sea cumcumber：经线裂 经线裂纬线裂经线裂纬线裂，其后交替进行 直到产生中空的blastula, 中间的空腔为 blastocoel。产生的细胞大小相同。Sea urchin：前 3 次卵裂(经经纬)为均裂，第 4 次卵裂时 Vegetal pole 的 4
13、个细 胞发生不均等卵裂。Frog：卵裂沟不能完全穿过卵黄。第 1、2 次卵裂为均等经裂，第 3 次不均等纬裂，导致不同大小细胞的产生。植物极的大分裂球分裂快于动物极的小分裂球。(2) Spiral holoblastic cleavage：从第 3 次卵裂开始，卵裂面与 AV axis 呈约 45o 角螺、蚌等软体动物、多毛类环形动物等采用此种方式。形成的 blastula 不具有 blastocoel。(3) Rotational holoblastic cleavage：哺乳动物受精卵采用此种方式。第 1 次经裂产生的两个卵裂球，分别采用不同方向的卵裂；卵裂球的分裂具不同步性；早期卵裂在输
14、卵管中进行。线虫的卵裂也为旋转全卵裂。2. Meroblastic Cleavage (偏裂)卵裂沟只停留在动物极或卵子表面，常发生于端黄卵、多黄卵、中黄卵。(1). Discoidal cleavage：为端黄卵和极端端黄卵所采用的方式。卵裂局限于动 物极。鸡卵的卵裂：受精卵在输卵管中开始卵裂，产出的卵已含约 60000 个细胞， 中间为明区，边缘区为暗区，明区下为胚盘下腔。斑马鱼：前 5 次卵裂为经裂，产生单细胞层，随后有纬裂发生；第 12 次分裂之前，不同细胞的分裂是同步的。(2). Superficial cleavage：以昆虫为代表的中黄卵采用此种方式。其合子核位于卵的中央，周围为
15、卵黄。中央的核发生 8 次卵裂后产生的 256 个核开始移向卵的外周，至第 10 次卵裂后核已全部位于卵周质中，形成合胞体。第 14 次分裂时，核之间的卵膜内陷使之细胞化。(三)、囊胚的类型大多数囊胚为球状空心细胞团，细胞分裂速度已大大下降。1.腔囊胚(1).海鞘囊胚：其囊胚含 256 个细胞，中间的囊胚腔由单层细胞包围。(2).海胆囊胚：含 128 个细胞，单层围裹囊胚腔，细胞表面长出纤毛帮助囊胚在受精膜内转动，动物极的细胞分泌孵化酶降解受精膜。其囊胚腔的形成机制：渗透作用；透明层作用。(3).蛙类囊胚：128 细胞囊胚的囊胚腔位于动物极。2.表面囊胚：昆虫经 14 次卵裂产生 16400
16、细胞实心囊胚。3.盘状囊胚：(1). 斑马鱼：囊胚期始于 128 细胞期，再经 2 次分裂进入 midblastula transition 期，这时细胞分裂变慢。胚胎细胞分三类：与卵黄接触的卵黄多核层(yolk syncytial layer, YSL) 细 胞、位于胚盘最外层的表胚层 (enveloping layer, EVL)细胞和上述二者之 间的深层细胞(deep cells)。仅深层细胞发育为胚胎本体组织。(2).鸡：胚盘座落于卵黄之上，由上胚层和下胚层组成，前者将形成胚胎本体，后者形成胚外结构如卵黄囊柄。4.哺乳动物囊胚的形成(1) 卵裂球的 compaction: 发生在第 3 次卵裂后不久，它伴随细胞粘连分子 E-Cadherin 由均匀分布变为集中分布在卵裂球间的接触部位，其抗体可引起 decompaction。Protein Kinase C 可促进 compaction, 它可能是介导了 E-Cadherin 的 trans
