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1、发育生物学发育生物学第一章第一章 序序 言言一、前言一、前言 (一一) 概念概念 发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受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。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。发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学。 发展过程：发展过程：形态形态 机理机理 组织器官组织器官 细胞细胞 分子分子本课程的主要讲授内容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。中的动物模型；发育生物学
2、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。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。形成和分化的影响。H 果蝇躯体轮廓发育的分子机制果蝇躯体轮廓发育的分子机制H 四肢动物的肢体的发育四肢动物的肢体的发育H 性别决定与生殖细胞性别决定与生殖细胞主要参考书主要参考书H Scott Gilbert编编:Developmental Biology，6th Editions, 2000.H Lewis Wolpert主编：主编： Principles of Developm
3、ent，1998.H Klaus Kalthoff:Analysis of Biological Development，2nd edition, 2001.H Bruce M. Carlson: Human Embryology & Developmental Biology, 2nd Edition,1999.发育生物学相关期刊发育生物学相关期刊 CELL NATURE SCIENCE GENES &. DEVELOPMENT DEVELOPMENT DEVELOPMENTAL BIOLOGY MECHANISMS OF DEVELOPMENT NATURE CELL BIOLOGY DE
4、VELOPMENTAL DYNAMICS DEVELOPMENTAL GENETICS (GENESIS) DEVELOPMENT GROWTH & DIFFERENTIATION DEVELOPMENT GENES AND EVOLUTION REPRODUCTION FERTILITY AND DEVELOPMENT MOLECULAR REPRODUCTION AND DEVELOPMENT SEMINARS IN CELL & DEVELOPMENTAL BIOLOGY DEVELOPMENTAL NEUROSCIENCE DEVELOPMENTAL REVIEW DEVELOPMEN
5、TAL PSYCHOBIOLOGY IN VITRO CELLULAR & DEVELOPMENTAL BIOLOGY-ANIMAL INTERNATIONAL JOURNAL OF DEVELOPMENTAL BIOLOGY(二二)、发展历史、发展历史1、后成论、后成论(epigenesis)和先成论和先成论(preformation)之争之争 希腊哲学家希腊哲学家Aristotle在公元前第在公元前第4世纪在对鸡胚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和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种假设：假设： Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存生物个体
6、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。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，各种结构是逐渐在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的。形成的。17世纪，意大利胚胎学家世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的观察到的鸡胚鸡胚17世纪，精原学说的代表人世纪，精原学说的代表人物物Nicholas Hartsoeker所想所想像的精子中的微型人像的精子中的微型人法国科学家法国科学家Bonnet(1745)提提出胚胎发育套装论出胚胎发育套装论H 19世纪世纪30年代末：年代末：Mathias Schleide
7、n和和Theodor Schwann提出细胞学说。提出细胞学说。H 1840, August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代提出了生殖细胞论，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；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，从而否定了织，从而否定了preformation论。论。H 19世纪对世纪对Sea Urchin受精卵的观察发现，受精卵的观察发现，受精卵含有两受精卵含有两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含细胞核
8、含有遗传的物质基础。有遗传的物质基础。H 19世纪末，染色体世纪末，染色体的发现的发现和发现染色体数目在发育中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。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、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念3、Mosaic and Regulative Development 19世纪世纪80年代，年代，Weismann提出了提出了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，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。导致了不同细
9、胞向不同命运的发育。3、Mosaic and Regulative Development(续续) 支持嵌合体学说的实验证据：支持嵌合体学说的实验证据：Wilhelm Roux的实验：的实验：3、Mosaic and Regulative Development(续续) Wilhelm Roux的同事的同事Hans Driesch的下述实验表明，胚的下述实验表明，胚胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即胚胚胎发育是可调节的胎发育是可调节的。4、Discovery of Induction 1924年，年，Hans Spemann和和Hi
10、lde mangold的移植实验表的移植实验表明，明，胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育。5、遗传学、分子生物学与发育生物学的结合、遗传学、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。年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。H1909年荷兰植物学家年荷兰植物学家Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的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。概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。H20世纪世纪40年代证明：年代证明：DNA是遗传物质是遗传物质，控制蛋白质的合成，控制
11、蛋白质的合成。H20世纪世纪50年代发现：年代发现：DNA为双螺旋结构。为双螺旋结构。H20世纪世纪60年代：三联体密码被破解。年代：三联体密码被破解。H20世纪世纪70年代：年代：DNA重组技术出现。重组技术出现。H20世纪世纪80年代：转基因技术出现。年代：转基因技术出现。H20世纪世纪90年代：动物克隆技术出现。年代：动物克隆技术出现。H世纪之交：世纪之交：HGP。H新的突破：新的突破：stem cells, proteomics, conditional gene knockout, mutagenesis二、发育生物学研究中的主要模式动物二、发育生物学研究中的主要模式动物 各种模式动
12、物各有优点，其研究成果不仅可以揭示特定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。物种的特点，还有助于动物发育的一些普遍规律和机制。 (一一) Invertebrate Models 主要优点主要优点1. 体积小，易于繁体积小，易于繁 殖；殖；2. 产卵力强；产卵力强；3. 性成熟短；性成熟短；4. 易于遗传操作：易于遗传操作： 如诱变；如诱变；5. 基因组序列已全基因组序列已全 部测出部测出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)1. Drosophila mela
13、nogaster: Insect model2、Caenorhabditis elegans: Worm model 主要优点主要优点1. 易于养殖：成虫易于养殖：成虫 体长体长1mm，易冷易冷 冻保存冻保存；2. 性成熟短：性成熟短：2.5-3 天，两种成虫；天，两种成虫；3. 细胞数量少，谱细胞数量少，谱 系清楚；系清楚；4. 易于诱变；易于诱变；5. 基因组序列已全部基因组序列已全部测出测出 (Science, Dec. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.)(二二)、Vertebrate Models1. Xenopus laevis: Am
14、phibian model 主要优点主要优点1. 性成熟短；性成熟短； 2. 卵体大，易于操卵体大，易于操 作；作；3. 抗感染力强，易抗感染力强，易 于组织移植；于组织移植； 主要优点主要优点1. 体积小，易于饲体积小，易于饲 养殖；养殖；2. 产卵力强；产卵力强；3. 性成熟短；性成熟短；4. 易于遗传操作：易于遗传操作： 如诱变；如诱变；5. 体外受精和发育，体外受精和发育， 易于观察；易于观察；6. 基因组序列已全基因组序列已全 部测出。部测出。2. Danio rerio (zebrafish)3. Mus musculus (Mouse)4. Gallus gallus (Chic
15、ken)三、发育生物学中的基本概念及规律三、发育生物学中的基本概念及规律(一一)、Five major developmental processes1. Cell division: Cleavage: 细胞分裂快、细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而新生没有细胞生长的间歇期，因而新生细胞的体积比母细胞小。细胞的体积比母细胞小。2. Pattern formation: (1) 躯体轴线的制定躯体轴线的制定2. Pattern formation: (2) 胚层的形成胚层的形成3. Morphogenesis最突出的形态变化发生最突出的形态变化发生在在原肠作用开始之后。原肠作用开始之后。4
16、. Cell dif-ferentiation: 人类胚胎可最后人类胚胎可最后发育出至少发育出至少250种种不同细胞类型，不同细胞类型，分化通常是不可分化通常是不可逆的。逆的。 5. Growth 胚胎在基本的胚胎在基本的pattern形成之后，其体积形成之后，其体积会显著增长，原因在于会显著增长，原因在于细胞数量增加、细胞数量增加、细胞体积增加、胞外物质的积累。细胞体积增加、胞外物质的积累。不同不同组织器官的生长速度也各异。组织器官的生长速度也各异。(二二)、Cell Behaviour Cell behavior Gene Embryonic development 细胞行为主要包括：细胞行为主要包括：Cell state: 指基因活性状况。指基因活性状况。Cell-to-cell signaling: 细胞间信号的传送、接受、反应。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。动产生的机械动力，导致特殊结构的形成。Cell proliferat
