发育生物学：1 序言.pptx

Developmental Biology,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,试管婴儿 In 1977, Steptoe and Edwards successfully carried out a pioneering conception which resulted in the birth of the worlds first baby to be conceived by IVF,Louise Brownon 25 July 1978 in British. In 2010, Edwards was awarded theNobel Prize in Physiology or Medicinefor the development of in vitro fertilization,Robert Edwards,Reference (I)-Textbooks,Principles of Development (the third edition), edited by Lewis Wolpert Developmental Biology (the ninth edition), edited by Scott F. Gilbert 发育生物学原理, 樊启昶、白书农编著,发育生物学相关期刊,(二)、发展历史 后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争 亚里士多德Aristoteles （前384-322）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17世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的鸡胚,17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,2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念,Robert Hooke,16351703,发明 Microscope,Matthias Jakob Schleiden,Theodor Schwann,1837, Microscopic Investigations on the Accordance in the Structure and Growth of Plants and Animals,All living things are composed of cells and cell products”,19世纪30年代末：Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出细胞学说August Weismann,1834 1914 German， Freiburg evolutionary biologist,Zygote, Germ cells, Somatic cells,Life starts from an egg: zygote,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。

3、Mosaic and Regulative Development 19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3、Mosaic and Regulative Development(续) 支持嵌合体学说的实验证据：Wilhelm Roux的实验：,3、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4、Discovery of Induction 1924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Charles Darwin,Variation Survive struggle Nature selection,1831-1837, as a naturalist aboard in HMS Beagle,Origin of Species, 1869,Gregor Mendel,18221884,Mendel coined the terms “recessive” and “dominant” in reference to certain traits.,In 1900, Erich von Tschermak,Hugo de Vries,Carl Correns, andWilliam Jasper Spillman independently verified several of Mendels experimental findings,1866, the laws ofMendelian inheritance,1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递,1866 1945,Thomas Hunt Morgan,Drosophila,基因是关键的遗传单位,基因连锁和交换,5、遗传学、分子生物学与发育生物学的结合,1909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。

20世纪40年代证明：DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成 20世纪50年代发现：DNA为双螺旋结构 20世纪60年代：三联体密码被破解 20世纪70年代：DNA重组技术出现 20世纪80年代：转基因技术出现 20世纪90年代：动物克隆技术出现 世纪之交：HGP 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 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 Models,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: Insect model,2、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.),(二)、Vertebrate Models,1. Xenopus laevis: Amphibian 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；,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),3. Mus musculus (Mouse),4. Gallus gallus (Chicken),卡内基科学研究院：胚胎学研究所，1913,三、发育生物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2. Pattern formation: (1) 躯体轴线的制定,2. Pattern formation: (2) 胚层的形成,3. Morphogenesis 最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。

4. Cell dif-ferentiation: 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5. 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二)、Cell Behaviour Cell behavior Gene Embryonic development 细胞行为主要包括： Cell state: 指基因活性状况 Cell-to-cell signaling: 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！,(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,传递距离有限 并非所有细胞都能对某种信号发生反应。

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 fate,(六)、Patterning常涉及positional information的翻译,(六)、Patterning常涉及positional information的翻译(续),(七)、间距模式(spacing patterns)可通过侧向抑制作用产生,(八)、胞质决定成分的区域化及细胞的不对称 分裂使细胞具有不同的特性,线虫的不对称卵裂产生不同命运的卵裂球,二、发育生物学研究技术,染料细胞标记,荧光细胞标记,细 胞 移 植,三、控制发育的基因的鉴定。