發(fā)育緒論的學(xué)習(xí)材料

發(fā)育緒論的學(xué)習(xí)材料第1頁/共25頁第2頁/共25頁第3頁/共25頁本課程的主要講授內(nèi)容緒論發(fā)育生物學(xué)中的模式生物；發(fā)育生物學(xué)中的現(xiàn)代技術(shù)。生殖細(xì)胞發(fā)生

受精與生命的起始胚胎的早期發(fā)育：卵裂、原腸作用、神經(jīng)胚作用。細(xì)胞分化的機(jī)制：側(cè)重基因表達(dá)的調(diào)控對(duì)組織器官形成和分化的影響。果蠅軀體輪廓發(fā)育的分子機(jī)制四肢動(dòng)物的肢體的發(fā)育

變態(tài)

性別決定與生殖細(xì)胞第4頁/共25頁主要參考書ScottGilbert編:《DevelopmentalBiology》，6thEditions,2000.LewisWolpert主編：《PrinciplesofDevelopment》，1998.KlausKalthoff:《AnalysisofBiologicalDevelopment》，2ndedition,2001.BruceM.Carlson:《HumanEmbryology&DevelopmentalBiology》,2ndEdition,1999.第5頁/共25頁發(fā)育生物學(xué)相關(guān)期刊第6頁/共25頁第一章緒論

一概念發(fā)育(development）指生命現(xiàn)象的發(fā)展，生物有機(jī)體的自我構(gòu)建和自我組織。一個(gè)有機(jī)體從生命開始到成熟的變化。

發(fā)育生物學(xué)(developmentalbiology)是應(yīng)用現(xiàn)代生物學(xué)的技術(shù)研究生物發(fā)育本質(zhì)的科學(xué)（張紅衛(wèi)）。它主要研究多細(xì)胞生物體從生殖細(xì)胞的發(fā)生、受精、胚胎發(fā)育、生長(zhǎng)、衰老和死亡，即生物體個(gè)體發(fā)育（ontogeny)中生命過程發(fā)展的機(jī)制。也研究生物種群系統(tǒng)發(fā)生的機(jī)制（systematicsdevelopment).發(fā)展基礎(chǔ)：胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)。是研究生物體發(fā)育過程及其調(diào)控機(jī)制的一門學(xué)科，已成為胚胎學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳及分子生物學(xué)等多門學(xué)科的匯合點(diǎn)（桂建芳）。第7頁/共25頁發(fā)育生物學(xué)不同于傳統(tǒng)的胚胎學(xué)(embry()logy)，而是20世紀(jì)50年代以后，由于分子生物學(xué)、

細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)及生物化學(xué)等其他生命學(xué)科的發(fā)展和與胚胎學(xué)的相互滲透，才逐漸發(fā)展和形成的一門新興的生命科學(xué)。

生物體在整個(gè)生命周期都處于動(dòng)態(tài)的發(fā)育中。發(fā)育(development)指生命現(xiàn)象的發(fā)展，生物有機(jī)體的自我構(gòu)建和自我組織。多細(xì)胞有機(jī)體的生命過程是一個(gè)相對(duì)緩慢和逐漸變化的過程，我們稱這個(gè)過程為個(gè)體發(fā)育。一般情況下，多細(xì)胞有機(jī)體的個(gè)體發(fā)育開始于一個(gè)單細(xì)胞——受精卵(fertilizedegg)，或者稱為合子(zygc)te)。由受精卵通過一系列的分裂和分化形成胚胎(embryo)和產(chǎn)生有機(jī)體的所有細(xì)胞。傳統(tǒng)的胚胎學(xué)是研究動(dòng)物從受精到出生之間有機(jī)體的發(fā)育，即胚胎發(fā)育。但有機(jī)體的發(fā)育在出生以后并未停止，甚至大多數(shù)成年生物體也依然繼續(xù)發(fā)育，如成年人皮膚的表皮細(xì)胞仍在不斷地更新，成體哺乳動(dòng)物骨髓中仍然有大量的造血干細(xì)胞發(fā)生。

第8頁/共25頁發(fā)育生物學(xué)研究的范圍不僅涉及胚胎發(fā)育，還包括幼體、成體的發(fā)育，包括整個(gè)生命過程中其他所有生命現(xiàn)象的發(fā)展，同時(shí)也還包括異常的發(fā)育過程，如腫瘤、畸形等。個(gè)體發(fā)育（胚胎發(fā)育、胚后發(fā)育。正常發(fā)育、異常發(fā)育）、種群系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過程：形態(tài)機(jī)理

細(xì)胞分化生物體第9頁/共25頁發(fā)育生物學(xué)既是重要的基礎(chǔ)生命科學(xué)，其研究成果又具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于解決人口、健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和生物資源的利用都有著重要意義。發(fā)育生物學(xué)的研究不僅涉及正常發(fā)育的機(jī)制，還涉及異常發(fā)育的機(jī)制，對(duì)于腫瘤、艾滋病、畸形發(fā)生機(jī)制的研究是臨床醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。由于人類基因組研究計(jì)劃的順利進(jìn)行，將能夠更清楚地闡明人類正常發(fā)育和異常發(fā)育的分子機(jī)制，這也是攻克癌癥和其他絕癥的必要理論基礎(chǔ)。關(guān)于受精和早期胚胎發(fā)育機(jī)制的研究是計(jì)劃生育、優(yōu)生、優(yōu)育工作的理論根據(jù)。克隆技術(shù)、胚胎切割、轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物等生物技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。學(xué)習(xí)和掌握發(fā)育生物學(xué)的知識(shí)，必須將所學(xué)過的其他相關(guān)生命科學(xué)如分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、解剖學(xué)、免疫學(xué)、胚胎學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)等的知識(shí)融會(huì)貫通，整合起來形成完整的知識(shí)體系。同時(shí)，必須關(guān)注發(fā)育生物學(xué)研究的動(dòng)態(tài)，了解其新進(jìn)展，以彌補(bǔ)教科書的不足。學(xué)習(xí)發(fā)育生物學(xué)的知識(shí)也必須注意理論聯(lián)系實(shí)際，解決科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐問題。第10頁/共25頁二.發(fā)育生物學(xué)(devek~pmentalbiology)研究的任務(wù)及其與其他學(xué)科的關(guān)系發(fā)育生物學(xué)的主要任務(wù)是研究生物體發(fā)育的遺傳程序及其調(diào)控機(jī)制。發(fā)育生物學(xué)能夠成為當(dāng)代最活躍的生命科學(xué)研究領(lǐng)域之一，有兩個(gè)方面的主要原因：一方面是因?yàn)榻陙砣藗冮_始能夠認(rèn)識(shí)動(dòng)物發(fā)育的分子機(jī)制，對(duì)動(dòng)物發(fā)育過程基因水平的分析已經(jīng)全面展開，對(duì)植物發(fā)育分子機(jī)制的研究也已開始；另一方面是由于發(fā)育生物學(xué)的研究制造了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、解剖學(xué)、免疫學(xué)、胚胎學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)甚至生態(tài)學(xué)等多種生命科學(xué)都整合在一起。發(fā)育生物學(xué)的形成和發(fā)展本身是多學(xué)科相互滲透的結(jié)果，它代表了現(xiàn)代生命科學(xué)的結(jié)晶。

第11頁/共25頁二、發(fā)展歷史1、后成論(epigenesis)和先成論(preformation)之爭(zhēng)早在公元前4世紀(jì)，Aristotle(公元前384—322年)對(duì)于動(dòng)物胚胎的不同部分和成體動(dòng)物各種結(jié)構(gòu)形成的原因就提出了自己的觀點(diǎn)。他認(rèn)為只有兩種可能：一種可能是卵子或精子中本來具有微小的結(jié)構(gòu)，在發(fā)育過程中逐漸長(zhǎng)大形成胚胎和成體的結(jié)構(gòu)；另一種可能是卵子或精子中本來并不具有這些結(jié)構(gòu)，而是在發(fā)育過程中逐漸形成的。在觀察雞、星鮫和一些無脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育的基礎(chǔ)上，他首先提出了胚胎是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐漸發(fā)育形成的，這個(gè)理論后來稱為后成論(theoryofepigenesis)。在當(dāng)時(shí)，這個(gè)理論的影響很大。但到了公元17世紀(jì)后期和18世紀(jì)，以精源學(xué)說和卵源學(xué)說為代表的先成論(theoryofpreformation)占統(tǒng)治地位。精源學(xué)說認(rèn)為胚胎預(yù)先存在于精子中，卵源學(xué)說則認(rèn)為卵子中本來就存在微小的胚胎雛形。這兩種學(xué)說的共同點(diǎn)在于都認(rèn)為胚胎是成體的雛形，是配子中固有的結(jié)構(gòu)，胚胎發(fā)育僅僅是原有結(jié)構(gòu)的增大。這兩種學(xué)說還認(rèn)為卵子中含有所有后代的微小胚胎，一個(gè)世代包含下一個(gè)世代，使種族得以延續(xù)。第12頁/共25頁l759年德國(guó)科學(xué)家、Wolff的兩本著作的發(fā)表，再一次提出了后成論的觀點(diǎn)。wolff根據(jù)自己對(duì)雞胚發(fā)育的仔細(xì)觀察，認(rèn)為卵子中并不存在胚胎結(jié)構(gòu)，胚胎與成體并不相同，胚胎發(fā)育是逐漸變化的過程。后成論的觀點(diǎn)直到19世紀(jì)才為人們所接受。希臘哲學(xué)家Aristotle在公元前第4世紀(jì)在對(duì)雞胚和一些無脊椎動(dòng)物胚胎觀察后提出胚胎發(fā)育的兩種假設(shè)：

Preformation:生物個(gè)體的一切組成部分都早就存在于胚胎中，各個(gè)部分隨著胚胎的發(fā)育而長(zhǎng)大。Epigenesis:在胚胎的發(fā)育過程中，各種結(jié)構(gòu)是逐漸形成的。第13頁/共25頁17世紀(jì)，意大利胚胎學(xué)家MarcelloMalpighi觀察到的雞胚第14頁/共25頁17世紀(jì)，精原學(xué)說的代表人物NicholasHartsoeker所想像的精子中的微型人

法國(guó)科學(xué)家Bonnet(1745)提出胚胎發(fā)育套裝論第15頁/共25頁19世紀(jì)30年代末：MathiasSchleiden和TheodorSchwann提出細(xì)胞學(xué)說。1840,AugustWeismann提出了生殖細(xì)胞論，認(rèn)為后代個(gè)體是通過精子和卵子繼承親本描述軀體特征的信息；卵子是一個(gè)細(xì)胞，其分裂產(chǎn)生的細(xì)胞可分化出不同組織，從而否定了preformation論。19世紀(jì)對(duì)SeaUrchin受精卵的觀察發(fā)現(xiàn)，受精卵含有兩個(gè)細(xì)胞核，并最終合并為一個(gè)細(xì)胞核，表明細(xì)胞核含有遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)末，染色體的發(fā)現(xiàn)和發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目在發(fā)育中的變化規(guī)律，使孟德爾遺傳定律有了物質(zhì)基礎(chǔ)。2、細(xì)胞學(xué)說改變了胚胎發(fā)育和遺傳的概念第16頁/共25頁3、MosaicandRegulativeDevelopment

19世紀(jì)80年代，Weismann提出了mosaicdevelopment學(xué)說：合子中的大量特殊因子在細(xì)胞分裂中不均等分配，導(dǎo)致了不同細(xì)胞向不同命運(yùn)的發(fā)育。

第17頁/共25頁細(xì)胞的命運(yùn)實(shí)際上是由卵裂時(shí)所獲得的合子核信息早已預(yù)定的，這一類型的發(fā)育我們稱為嵌合型發(fā)育(mosaicdevelopment)。在嵌合型發(fā)育的卵子中的遺傳信息是分散存在的。Weismann理論的核心強(qiáng)調(diào)早期卵裂必須是不對(duì)稱分裂。由于合子成分的不均勻分布，其卵裂結(jié)果產(chǎn)生的子細(xì)胞彼此之間是完全不同的。胚胎學(xué)家Roux(1887)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也支持weisrnanI的理論。Roux用燒熱的解剖針破壞兩細(xì)胞時(shí)期蛙胚的一個(gè)分裂球，結(jié)果存活的另一個(gè)分裂球只能發(fā)育成為半個(gè)胚胎。由此他認(rèn)為蛙的發(fā)育存在嵌合型發(fā)育機(jī)制，細(xì)胞的特征和命運(yùn)是在卵裂的過程中決定的。但Driesch(1891)用海膽為實(shí)驗(yàn)材料重復(fù)Roux的實(shí)驗(yàn)卻得到了完全不同的結(jié)果。他在海二t胞時(shí)期將兩個(gè)分裂球分開，得到了兩個(gè)發(fā)育正常的、個(gè)體較小的海膽幼體。Driesch的實(shí)驗(yàn)結(jié)果第一次證明發(fā)育過程中存在調(diào)整型發(fā)育(regulativedevelopment)機(jī)制：胚胎為保證正常的發(fā)育，可以產(chǎn)生胚胎細(xì)胞位置的移動(dòng)和重排。第18頁/共25頁3、MosaicandRegulativeDevelopment(續(xù))

支持嵌合體學(xué)說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：WilhelmRoux的實(shí)驗(yàn)：

第19頁/共25頁3、MosaicandRegulativeDevelopment(續(xù))

WilhelmRoux的同事HansDriesch的下述實(shí)驗(yàn)表明，胚胎具有在局部被排除或受損傷后仍正常發(fā)育的能力，即胚胎發(fā)育是可調(diào)節(jié)的。第20頁/共25頁4、DiscoveryofInduction

1924年，HansSpemann和Hildemangold的移植實(shí)驗(yàn)表明，胚胎的一種組織可以指導(dǎo)另一種相鄰組織的發(fā)育。

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盡管Driesch（1876—1941）提出的調(diào)整型發(fā)育機(jī)制已經(jīng)涉及細(xì)胞之間的相互作用，但是一直到誘導(dǎo)(induction)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后，人們才真正認(rèn)識(shí)到細(xì)胞之間的相互作用是胚胎發(fā)育最重要的核心問題。誘導(dǎo)是指一類組織與另一類組織的相互作用，前者稱為誘導(dǎo)者(inductor)，后者稱為反應(yīng)組織，誘導(dǎo)者可指令鄰近反應(yīng)組織的發(fā)育。1924年Spemann(1868--1941)和助手Mangold進(jìn)行了著名的胚孔背唇移植實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將蠑螈(Tritoncristatus)原腸胚早期的胚孔背唇組織移植到另一同期受體胚胎的胚孔側(cè)唇表面，隨著受體胚胎發(fā)育的進(jìn)程，大部分移植組織也內(nèi)陷進(jìn)入胚胎內(nèi)，結(jié)果到原腸胚后期誘導(dǎo)產(chǎn)生了另一個(gè)次生胚。由于胚孔背唇組織具有調(diào)控和組織一個(gè)幾乎完整的胚胎產(chǎn)生的特殊能力，故稱為組織者(organizer)。從此，發(fā)育中誘導(dǎo)和細(xì)胞之間相互作用的重要性才得到充分的重視。由于這項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)，Spemann在1935年獲得醫(yī)學(xué)和生理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。第22頁/共25頁

1900年，孟德爾遺傳定律研究遺傳元素在世代間的傳遞。1909年荷蘭植物學(xué)家WilhelmJohannsen提出基因型和表現(xiàn)型的概念，首次使遺傳學(xué)和胚胎發(fā)育學(xué)發(fā)生關(guān)系。20世紀(jì)40年代證明：DNA是遺傳物質(zhì)，控制蛋白質(zhì)的合成。20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)：DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代：三聯(lián)體密碼被破解。20世紀(jì)70年代：DNA重組技術(shù)出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代：轉(zhuǎn)基因技術(shù)出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代：動(dòng)物克隆技術(shù)出現(xiàn)。世紀(jì)之交：HGP。新的突破：stemcells,proteomics,conditionalgeneknockout,m