研究生发育干细胞讲座

动物发育与干细胞概论[e-mail]内容：A、发育概述B、发育的基本过程和主要事件C、发育生物学研究的主要模式动物D、发育生物学技术E、干细胞发育的定义•Development：发育，指生命现象的发展，是一个有机体从其生命开始到成熟的变化过程，是生物有机体的自我构建、自我组织、自我调整的过程。•Developmentalbiology：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。•研究对象是高度动态变化的现象和过程•Phylogeny：系统发育，动物由最低等的形式（原生动物）发展到多细胞结构的后生动物，进而发展成为最高级形式的动物，直至人类的全部种族发展史。可指一个类群的发生和发展历史。动物发育的两大类博物学:naturalhistory1885年W.J.Gordon-OurCountry'sFishes进化生物学神创论拉马克进化学说：•用进废退•获得性遗传达尔文进化学说：•过度繁殖•生存竞争•适者生存•Ontogeny：个体发育，是指多细胞动物从受精卵开始，经过细胞分裂、器官形成直至子代个体形成，成长，性成熟直至死亡的过程。•个体发育按阶段可划分为：1、胚前发育：从亲代生殖细胞形成到成熟的阶段。2、胚胎发育：从受精卵形成开始到幼体形成破卵而出或离开母体之前的阶段。3、胚后发育：从幼体破卵而出或脱离母体以后的阶段。胚后发育可分为直接发育和间接发育。Haeckel，Ernst（1834～1919）生物发生律(biogeneticlaw)，重演律(recapitulationlaw)•胚胎学是研究从动物受精到出生之间有机体的发育，以描述胚胎发育的过程与现象为主。•比较解剖学是用解剖的方法研究比较各物种的器官、系统的形态和结构的一门学科。•发育生物学是研究发育过程与现象的机制,即探讨发育的本质。发育生物学及其历史上相关的学科发育生物学是在20世纪50年代以后，由于分子生物学、细胞生物学、遗传学以及生物化学等其他生命学科的发展，并与胚胎学的相互渗透，才逐渐发展和形成的一门新兴的生命科学。同时，发育生物学的研究制造了一个网络，将分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学、生理学、免疫学等学科整合在一起。•个体发育的基础是细胞分化（celldifferentiation）。从个体发育的角度来说，一个单细胞受精卵如何通过一系列的细胞分裂和细胞分化，产生有机体内所有形态和功能不同的细胞，这些细胞之间又如何通过细胞之间的相互作用共同构建各种组织和器官，建成一个有机体并完成各种发育过程，这些都是发育生物学的研究任务。发育的本质•从另一个角度来讲，发育是遗传信息按一定的时间和空间顺序表达的结果。发育具有严格的次序性，发育并不是个别基因的表达，而是众多基因表达在时间和空间上的联系和配合。•发育生物学的主要任务是研究生物体发育的遗传程序及其调控机制。B、发育的基本过程和主要事件个体发育按阶段可划分为：1、胚前发育：从亲代生殖细胞形成到成熟的阶段。2、胚胎发育：从受精卵形成开始到幼体形成破卵而出或离开母体之前的阶段。3、胚后发育：从幼体破卵而出或脱离母体以后的阶段。胚后发育可分为直接发育和间接发育。一、胚后发育完全变态发育•经历卵→幼虫→蛹→成虫四个胚后发育阶段。不完全变态发育•胚后发育经历卵→若虫→成虫，没有蛹期。二、胚前发育•Gametogenesis：配子形成的过程称为配子发生。•配子分为雄配子和雌配子,动物和植物的雌配子称为卵子（egg）,而将雄配子称为精子（sperm）。•Meiosis：减数分裂，有性生殖的生物产生性细胞（germcell）的细胞分裂行为。•Spermatogenesis：精子发生，起始于精原干细胞（SSC）的分化，终止于成熟的精子形成。•Oogenesis：卵子发生，指从胚胎发育早期开始，经过胚胎期、出生、直至性成熟才完成的由原始生殖细胞（PrimordialGermCell，PGC）形成卵原细胞(oogonia)，再由卵原细胞形成成熟卵细胞的过程。生殖生物学、生殖医学、辅助生殖、试管婴儿、生殖与发育、龙凤工程罗伯特·爱德华兹雄配子发生精子的结构雌配子发生果蝇的雌配子发生世界首例单细胞全基因组测序筛查试管婴儿2014年9月从左至右：谢晓亮、乔杰、闫丽盈、汤富酬Science21December2012:Vol.338no.6114pp.1622-1626“顾孝诚讲座奖”科学中国人2014年度人物全基因组测序筛查gene突变Amazing！•雄雌配子是完全终末分化的细胞，合子是全能的细胞！•减数分裂过程中要产生大量的DNA双链断裂（DNAdoublestrandbreak，DSB）•为什么进化上要用有性生殖代替无性生殖？有性生殖的使用接合作用大肠杆菌酵母交配型转换秀丽线虫C.elegans有雄性及雌雄同体（hermaphrodite）两种性别，雄性有一个单叶性腺(single-lobedgonad），输精管，及一个特化为交配用的尾部。雌雄同体有两个卵巢、输卵管、藏精器，及单一子宫。绝大多数个体为雌雄同体，雄性仅占0.05%。周期性孤雌生殖(cyclicalparthenogenesis)蚜虫的繁殖力很强，一年能繁殖10～30个世代，世代重叠现象突出。雌性蚜虫一生下来就能够生育。而且蚜虫不需要雄性就可以怀孕（即孤雌繁殖）。秋冬季节落叶枯萎，蚜虫则进行有性生殖。蚜虫锤头鲨科莫多龙（蜥蜴）火鸡偶发性孤雌生殖(sporadicparthenogenesis)有性生殖的蚜虫性别与地位黑寡妇蜘蛛果蝇雌雄蜜蜂孔雀灵长类人类Y染色体危机中科院造出“人工精子”李劲松Cell.2012Apr27;149(3):605-17.周琪Nature.2012Oct18;490(7420):407-11.三、胚胎发育Earlyembryonicdevelopment（早期胚胎发育）Organogenesis（器官形成）3.1早期胚胎发育：Fertilization：受精，是卵子和精子融合为一个合子（Zygotes）的过程。Cleavage：卵裂,卵裂形成的细胞称为分裂球（blastomere），经多次有丝分裂形成上千个细胞的囊胚Blastulation：囊胚形成，当卵裂到8和16个分裂球时，细胞间形成腔隙，这个腔隙随着分裂球的增多，成为一个圆形的空腔，这样的胚称为囊胚（blastula），中空的腔为囊胚腔。哺乳动物在8到50个细胞时称为桑椹胚（morula）。Gastrulation：原肠胚形成，囊胚继续发育，形成双胚层的原肠胚。其主要特征是在原肠胚形成中，细胞发生迁移运动。Genesisofthreegermlayers：胚层的分化，动物机体的一切组织和器官都是由胚胎的三个胚层分化而的。受精主要过程雄原核的主动去甲基化徐国良Nature.2011Sep4;477(7366):606-10.表观遗传调控DNA甲基化是最早发现的表观修饰之一基因启动子区的DNA甲基化一般抑制基因表达脊椎动物DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸序列上基因启动子区CpG甲基化一般抑制基因表达DNA甲基化导致转录抑制的机理重亚硫酸盐测序（BisulfateSequencing）早期发育中DNA去甲基化和再甲基化原始生殖细胞的DNA甲基化变化早期发育其他表观遗传修饰水平变化2、卵裂细胞增殖、细胞增生Vs卵裂细胞增殖细胞增生细胞增殖异常Hyperplasia良性肿瘤cancer细胞增生异常Hypertrophy心肌肥大心衰Organsizecontrol器官大小控制Myostatingene突变动物TheHipposignalingpathwayCell.2003Aug22;114(4):445-56.Cell.2005Aug12;122(3):421-34.许田管坤良潘多加发育潜能的概念•全能性（Totipotency）：是指细胞具有的分化成机体所有类型细胞和形成完全胚胎的能力。（个体各种组织+胎盘等胚外组织）•多能性（Pluripotency）：是指细胞具有形成机体内超过一种类型细胞的能力。•单能性（Unipotency）：是指只能发育成为一种细胞的能力。德国科学家Roux的热针杀死细胞实验Roux选择了“自分化”还是“依赖性”分化作为研究的问题，实验模型用两栖类胚胎。1888年，他发表了对蛙胚研究的结果和结论。他集中研究受精卵第一次分裂后成为的两个细胞是自主发育、还是相互依赖。为此，他在受精卵分裂后，用加热的针“杀死”其中一个细胞，观察未受针刺的细胞如何发育，他观察到剩下的细胞本身继续分裂、发育后形成半个胚胎（图3），据此Roux认为最初两个细胞之一的失去并不影响另外一个细胞的发育，所以两个细胞发育是独立的（Roux，1888）Driesch的海胆胚胎细胞分开培养实验Driesch1891哺乳动物的发育潜能变化张毅NatlSciRev.2015June;2(2):217–225.发育的嵌合型和调整型理论之争单细胞的合子如何经过分化产生生物有机体所有形态和功能不同的细胞？细胞的命运实际上是由卵裂时所获得的合子核信息早已预定的，这一类型的发育我们称为嵌合型发育（mosaicdevelopment）。调整型发育（regulativedevelopment）：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。Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。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。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。3、Implantation：胚胎着床，是指哺乳动物的受精卵植入到子宫内膜生长的过程，主要包括游离胚泡定位、黏附和侵入以及胎盘形成。胚胎基因组重新DNA甲基化4、囊胚•细胞经过一系列复杂的运动,导致细胞空间相互关系的改变。•囊胚是胚胎体外培养的终末阶段•Innercellmass:内细胞团（ICM）•Trophoblast：滋养层细胞5、原肠形成Spemannorganizer细胞间信号作用3.2胚胎后期发育：器官形成HedgehogsignalingandLimbdevelopmentHedgehog信号异常与发育畸形Cyclopia独眼畸形Polydactyly多指症Oligodactyly少指症C、发育生物学的主要模式动物模式生物•要认识人体基因的功能，无法直接用人体作为实验对象。但是，生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的，也就是说，这些基因的结构和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。因此，可以用比较容易研究的、技术上更容易操作的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能，由此获得的信息可以使用于其他比较难以研究的生物，特别是推测相似的人体基因的功能。•模式生物学就是利用模式生物来研究生物学问题的学科。模式动物•模式动物共同特征：取材方便、胚胎可操作行强、可进行遗传学研究•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。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)。1.Drosophilamelanogaster:Insectmodel(一)InvertebrateModels2、Caenorhabditiselegans:Wormmodel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)。(二)、VertebrateModels1.Xenopuslaevis:Amphibianmodel主要优点：1.性成熟期短；2.卵体大，易于操作；3.抗感染力强，易于组织移植；缺点：生命周期过长，难以进行遗传学研究主要优点1.体积小，易于饲养；2.产卵力强