发育生物学课件

DevelopmentalBiology发育生物学DevelopmentalBiology第一章序言一、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DevelopmentalBiology本课程的主要讲授内容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。胚胎的早期发育：卵裂、原肠作用、神经胚作用。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。果蝇躯体轮廓发育的分子机制四肢动物的肢体的发育性别决定与生殖细胞DevelopmentalBiology主要参考书ScottGilbert编:《DevelopmentalBiology》，6thEditions,2000.LewisWolpert主编：《PrinciplesofDevelopment》，1998.KlausKalthoff:《AnalysisofBiologicalDevelopment》，2ndedition,2001.BruceM.Carlson:《HumanEmbryology&DevelopmentalBiology》,2ndEdition,1999.DevelopmentalBiology发育生物学相关期刊CELLNATURESCIENCEGENES&.DEVELOPMENTDEVELOPMENTDEVELOPMENTALBIOLOGYMECHANISMSOFDEVELOPMENTNATURECELLBIOLOGYDEVELOPMENTALDYNAMICSDEVELOPMENTALGENETICS(GENESIS)DEVELOPMENTGROWTH&DIFFERENTIATIONDEVELOPMENTGENESANDEVOLUTIONREPRODUCTIONFERTILITYANDDEVELOPMENTMOLECULARREPRODUCTIONANDDEVELOPMENTSEMINARSINCELL&DEVELOPMENTALBIOLOGYDEVELOPMENTALNEUROSCIENCEDEVELOPMENTALREVIEWDEVELOPMENTALPSYCHOBIOLOGYINVITROCELLULAR&DEVELOPMENTALBIOLOGY-ANIMALINTERNATIONALJOURNALOFDEVELOPMENTALBIOLOGYDevelopmentalBiology(二)、发展历史1、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争希腊哲学家Aristotle在公元前第4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。DevelopmentalBiology17世纪，意大利胚胎学家MarcelloMalpighi观察到的鸡胚DevelopmentalBiology17世纪，精原学说的代表人物NicholasHartsoeker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DevelopmentalBiology19世纪30年代末：MathiasSchleiden和TheodorSchwann提出细胞学说。1840,AugustWeismann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。19世纪对SeaUrchin受精卵的观察发现，受精卵含有两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含有遗传的物质基础。19世纪末，染色体的发现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。2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念DevelopmentalBiology3、MosaicandRegulativeDevelopment19世纪80年代，Weismann提出了mosaicdevelopment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。DevelopmentalBiology3、MosaicandRegulativeDevelopment(续)支持嵌合体学说的实验证据：WilhelmRoux的实验：DevelopmentalBiology3、MosaicandRegulativeDevelopment(续)WilhelmRoux的同事HansDriesch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。DevelopmentalBiology4、DiscoveryofInduction1924年，HansSpemann和Hildemangold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。DevelopmentalBiology5、遗传学、分子生物学与发育生物学的结合1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。1909年荷兰植物学家WilhelmJohannsen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：stemcells,proteomics,conditionalgeneknockout,mutagenesisDevelopmentalBiology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)InvertebrateModelsDevelopmentalBiology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)。(120Mbencodes13,601proteins)1.Drosophilamelanogaster:InsectmodelDevelopmentalBiology2、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)。(97MBencodes19,099proteins.)DevelopmentalBiology(二)、VertebrateModelsDevelopmentalBiology1.Xenopuslaevis:Amphibianmodel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；DevelopmentalBiology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.Daniorerio(zebrafish)DevelopmentalBiology3.Musmusculus(Mouse)DevelopmentalBiology4.Gallusgallus(Chicken)DevelopmentalBiology三、发育生物学中的基本概念及规律(一)、Fivemajordevelopmentalprocesses1.Celldivision: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。DevelopmentalBiology2.Patternformation:(1)躯体轴线的制定DevelopmentalBiology2.Patternformation:(2)胚层的形成DevelopmentalBiology3.Morphogenesis最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。DevelopmentalBiology4.Celldif-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。DevelopmentalBiology5.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。DevelopmentalBiology(二)、CellBehaviourCellbehaviorGeneEmbryonicdevelopment细胞行为主要包括：Cellstate:指基因活性状况。Cell-to-cellsignaling:细胞间信号的传送、接受、反应。Cellmovementandcell-shapechanges: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。Cellproliferation: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。Celldeath: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。DevelopmentalBiology(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-keepingproteins: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-specificproteins: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。DevelopmentalBiology(四)、发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间•Fateofcells: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(seenextslide)。•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。DevelopmentalBiology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！DevelopmentalBiology(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(gapjunction)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。Autonomouscellfatenon-autonomouscellfateDevelopmentalBiology(六)、Patterning常涉及positionalinformation的翻译DevelopmentalBiology(六)、Patterning常涉及positionalinformation的翻译(续)DevelopmentalBiology(七)、间距模式(spacingpatterns)可通过侧向抑制作用产生DevelopmentalBiology(八)、胞质决定