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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同
2、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 (fruitfly) -inse
3、ct 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 formatio
4、n: 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即基因影响细胞行为、细胞行为
5、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) 、基因控制细胞行为是通过控制细胞中的蛋白质的
6、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 cells：指在正常情况下细胞会分化、
7、 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)的翻译一些信号分子和转录因子(morpho
8、gen)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：自然突变体；化学诱变剂(如亚硝基乙脲乙亚硝
9、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 differential display；Subtractiv
10、e 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、Overexpression: mRNA注射法；DNA注射法；病毒感染法3、Rescue4
11、、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 axis垂直。1. Holoblastic cleavage:卵裂沟穿过整个受精卵，产
12、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
13、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
14、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
15、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
