發(fā)育生物學(xué)概論市公開(kāi)課獲獎(jiǎng)?wù)n件省名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

發(fā)育生物學(xué)中南大學(xué)?湘雅?組織學(xué)與胚胎學(xué)系伍趕球1/35一、引言三、發(fā)育生物學(xué)研究中主要?jiǎng)游锬Ｐ图胺椒ㄋ?、醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)研究熱點(diǎn)二、研究?jī)?nèi)容、基本概念、與其它學(xué)科關(guān)系、意義五、未解難題和參考資料2/35一、引言發(fā)育生物學(xué)是一門(mén)從分子水平、亞細(xì)胞水平和細(xì)胞水平研究分析生物體精子和卵子發(fā)生、受精、胚胎發(fā)育、生長(zhǎng)、衰老直至死亡過(guò)程及其規(guī)律科學(xué)。發(fā)育是有機(jī)體以遺傳信息為基礎(chǔ)進(jìn)行自我構(gòu)建和自我組織。3/351.先成論(preformation)和后成論(epigenesis)Preformation:生物體各個(gè)組成部分存在于胚胎中，隨胚胎發(fā)育而長(zhǎng)大。馬爾比基（M．Malpighi）勒文虎克（A．Leeuwenhoek）J．SwammerdamC．Bonnet

Epigenesis:胚胎各個(gè)部分是在發(fā)育中逐步形成。亞里士多德（Aristoteles）W．HarveyC．F．Woff(研究雞胚腸等器官發(fā)生)馮·貝爾（K·E·VonBaer）:比較胚胎學(xué)Waddington’sEquation:Epigenesis+Genetics=Epigenetics后成律遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)4/352.細(xì)胞學(xué)說(shuō)改變了胚胎發(fā)育和遺傳概念

19世紀(jì)相關(guān)主要發(fā)覺(jué)和理論：細(xì)胞學(xué)說(shuō)（一切生物體都是由細(xì)胞組成，細(xì)胞來(lái)自于細(xì)胞）。四種細(xì)胞功效：增殖、移動(dòng)、改變性質(zhì)、傳遞訊息。

三種最主要細(xì)胞結(jié)構(gòu)：細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核。最主要兩類(lèi)分子：核酸和蛋白質(zhì)。擺脫靈魂學(xué)細(xì)胞發(fā)育和核酸遺傳5/353.Mosaicandregulativedevelopment

Mosaicdevelopment:合子核中特殊因子在細(xì)胞分裂中不均等分裂造成不一樣細(xì)胞產(chǎn)生，這些細(xì)胞有各自發(fā)育命運(yùn)。

Regulativedevelopment:胚胎在局部被排除或受損后仍能正常發(fā)育。6/35自主特異化條件特異化AEACEABCDEABCDE自主和條件特異化鑲嵌發(fā)育：調(diào)整發(fā)育：形成體原基分布圖ABCDEABCDE7/354.誘導(dǎo)(induction)現(xiàn)象發(fā)覺(jué)

1924年，Spemann和HildeMangold發(fā)覺(jué)一個(gè)組織能夠指導(dǎo)另一個(gè)組織發(fā)育。誘導(dǎo)者（inducer）或組織者;反應(yīng)細(xì)胞（respondingcell）;兩棲類(lèi)原腸胚和試驗(yàn)中首先發(fā)覺(jué);發(fā)育過(guò)程中一個(gè)普遍現(xiàn)象;分級(jí)誘導(dǎo);誘導(dǎo)物質(zhì)可能是蛋白質(zhì)及核酸.8/355.遺傳學(xué)和發(fā)育學(xué)結(jié)合

19WilhelmJohannsen提出基因型和表現(xiàn)型概念，使遺傳學(xué)和胚胎發(fā)育學(xué)首次發(fā)生關(guān)系；1934年，摩爾根首次提出了富于魅力基因調(diào)控概念。1980年沃哈德（C·Nǘsslein-Volhard）和韋喬斯（EricWieschaus）工作首次證實(shí)，果蠅發(fā)育所包括到基因（發(fā)育基因）能被分成若干不一樣功效區(qū)域。隨即研究表明，相同或相同基因也存在于高等生物乃至人類(lèi)當(dāng)中，而且證實(shí)它們也控制著胚胎發(fā)育過(guò)程中體節(jié)形成。間隙基因、成對(duì)基因、節(jié)段極性基因、同源異形基因

(Hox基因)發(fā)育基因表觀遺傳學(xué)epigenetics9/35研究?jī)?nèi)容1.生殖細(xì)胞：2.早期胚胎細(xì)胞分化決定與基因調(diào)控3.細(xì)胞增殖、分化與細(xì)胞微環(huán)境4.細(xì)胞增殖、分化與基因表示時(shí)序、空間分布5.器官發(fā)生與成熟：形態(tài)改變基于功效要求。6.細(xì)胞和組織工程：無(wú)性細(xì)胞繁殖，生殖細(xì)胞工程，基因敲除，干細(xì)胞擴(kuò)增和馴化等。其中細(xì)胞分化是發(fā)育生物學(xué)中關(guān)鍵問(wèn)題。二、研究?jī)?nèi)容、基本概念與其它學(xué)科關(guān)系、意義全部發(fā)育過(guò)程都包括到基因調(diào)控。10/35基因調(diào)控操縱子學(xué)說(shuō)：莫諾（J·L·Monod）與雅可布（F·Jacob）結(jié)構(gòu)基因同時(shí)受兩個(gè)開(kāi)關(guān)基因——操縱基因與開(kāi)啟基因調(diào)控。只有當(dāng)這兩個(gè)開(kāi)關(guān)都處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)基因才能活化。表觀遺傳：指DNA序列不發(fā)生改變，但基因表示卻發(fā)生了可遺傳改變。這種改變?cè)诎l(fā)育和細(xì)胞增殖過(guò)程中能穩(wěn)定傳遞。表觀遺傳現(xiàn)象很多，已知有DNA甲基化，組蛋白修飾

，基因組印記（genomicimpriting）和RNA編輯（RNAediting）、基因緘默、核仁顯性和休眠轉(zhuǎn)座子激活等。11/3512/35DNA甲基化分布圖利用高通量亞硫酸氫鹽測(cè)序與單分子測(cè)序相結(jié)合方法，以核苷酸分辨率取得了在胚胎干細(xì)胞中和在由它們形成各種不一樣細(xì)胞類(lèi)型中DNA甲基化一個(gè)分布圖。Nature13/35基本概念六個(gè)主要developmentalprocesses

1.Celldivision:早期胚胎發(fā)育中細(xì)胞分離不一樣于后期。

2.Patternformation:指胚胎形成有序結(jié)構(gòu)。

三條軸線形成：A－Paxis;D-Vaxis;L-Raxis;三個(gè)胚層形成：endoderm(腸、肝、肺)，mesoderm(肌、骨、心、腎)，ectoderm(神經(jīng)系統(tǒng)和表皮)。

3.Morphogenesis:胚胎立體形態(tài)發(fā)生顯著改變過(guò)程。

4.Celldifferentiation:同一起源細(xì)胞發(fā)展為結(jié)構(gòu)和功效不一樣細(xì)胞。

5.Growth：胚胎在基本pattern形成之后在體積上顯著增加，原因包含細(xì)胞數(shù)量增加、細(xì)胞體積增加、胞外基質(zhì)增加。6.程序化細(xì)胞死亡（apoptosis）。14/35Patterning經(jīng)常包括位置信息(positionalinformation)翻譯15/35組織化學(xué)、生物化學(xué)遺傳學(xué)分子生物學(xué)發(fā)育生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)胚胎學(xué)：描述胚胎學(xué)，試驗(yàn)胚胎學(xué)，比較胚胎學(xué)醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)與其它學(xué)科關(guān)系16/35

發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)一致性：比如形成各個(gè)胚層時(shí)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、各種器官原基發(fā)育中細(xì)胞間相互關(guān)系等，都是大同小異。

最具挑戰(zhàn)性學(xué)科之一：從上個(gè)世紀(jì)八、九十年代迄今，生物學(xué)領(lǐng)域重大進(jìn)展能夠說(shuō)就是發(fā)育生物學(xué)進(jìn)展。

應(yīng)用前景非常廣泛學(xué)科：動(dòng)、植物人工繁殖、遺傳育種、動(dòng)物胚胎與生殖工程，癌癥防治，以及器官與組織培養(yǎng)，基因工程等基礎(chǔ)。意義17/35(一)Invertebratemodels

1.Drosophilamelanogaster(fruitfly)---insectmodel

2.Caenorhabditiselegans(nematode)---wormmodel

(二)Vertebratemodels

1.

Xenopuslaevis(Africafrog)---Amphibianmodel

2.

Chick---birdmodel

3.

Mouse---mammalianmodel

4.

Zebrafish---fishmodel三、發(fā)育生物學(xué)研究中主要?jiǎng)游锬Ｐ图凹夹g(shù)方法秀麗線蟲(chóng)黑腹果蠅18/3519/35發(fā)育生物學(xué)主要研究方法1.細(xì)胞譜系跟蹤2.誘變和基因敲除小鼠3.轉(zhuǎn)基因動(dòng)物4.差式篩選技術(shù)5.原位標(biāo)識(shí)技術(shù)6.RNA干涉技術(shù)RNA干涉(RNAi)技術(shù)是利用一些小雙鏈RNA來(lái)高效、特異地阻斷體內(nèi)特定基因表示,并促使mRNA降解,從而誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基因缺失表型。20/35dsRNA:雙鏈RNADicer:特異性核酸內(nèi)切酶siRNA:小干擾RNA.RISC:基因緘默復(fù)合體21/35四、醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)研究熱點(diǎn)(一)干細(xì)胞分化(二)治療性克隆(三)發(fā)育中細(xì)胞轉(zhuǎn)型(四)腫瘤與干細(xì)胞22/35(一)干細(xì)胞分化自我復(fù)制多向分化多能干細(xì)胞：如胚胎干細(xì)胞，ES專(zhuān)能干細(xì)胞：如間充質(zhì)細(xì)胞，MS定向干細(xì)胞：如造血祖細(xì)胞，HP23/3524/35體外分化研究多能干細(xì)胞,環(huán)境原因如IL-6,γ干擾素,M-CSF等。探索人為控制各種條件。體內(nèi)分化研究形成組織和器官：Dekel等驚人發(fā)覺(jué)。人胚腎干細(xì)胞能生成尿液腎小體Spees等：人MS，修復(fù)受損上皮細(xì)胞?？绶只喝缭煅杉?xì)胞分化為肝細(xì)胞，內(nèi)皮祖細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞等。鼠體內(nèi)25/35(二)治療性克隆成體細(xì)胞核移植26/35克隆先鋒黃禹錫：從民族英雄到國(guó)恥27/35盧光繡:繼續(xù)推進(jìn)治療性克隆28/35，TheLancet發(fā)表PaoloMacchiarini博士文章：本身干細(xì)胞培養(yǎng)氣管（5cm）移植成功。本身干細(xì)胞氣管29/35(三)發(fā)育中細(xì)胞轉(zhuǎn)型細(xì)胞轉(zhuǎn)型與胚胎發(fā)育細(xì)胞轉(zhuǎn)型與腫瘤上皮細(xì)胞變得類(lèi)似于成纖維細(xì)胞.下調(diào)黏附相關(guān)基因,丟失細(xì)胞相互作用,改變角蛋白外形等.調(diào)整:器官形成,胚層分化,神經(jīng)系統(tǒng)分化等.腫瘤原位侵襲,遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移,新轉(zhuǎn)移灶形成.30/35(四)腫瘤與干細(xì)胞白血病腦瘤干細(xì)胞起源還是祖細(xì)胞起源?維持干細(xì)胞遺傳路徑?干細(xì)胞表型：超甲基化與低甲基化（表觀遺傳）.31/35發(fā)育生物學(xué)五大未解難題

1分化難題：開(kāi)始為單細(xì)胞受精卵經(jīng)不停分裂能夠產(chǎn)生上百種（人最少有250種）諸如：肌肉細(xì)胞、表皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、血細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等不一樣類(lèi)型細(xì)胞。因?yàn)轶w內(nèi)每一個(gè)細(xì)胞都含有相同基因組，所以必須了解相同基因組怎樣產(chǎn)生不一樣類(lèi)型細(xì)胞。

2形態(tài)發(fā)生難題：分化各種類(lèi)型細(xì)胞并不隨機(jī)分布，而是組成復(fù)雜組織和器官，器官又按照一定方式排列。如手指長(zhǎng)在手頂端，而不是長(zhǎng)在手中間；眼睛長(zhǎng)在臉上，而不是長(zhǎng)在肚皮上，細(xì)胞是怎樣組建自己又怎樣形成恰當(dāng)排序也是長(zhǎng)久迷惑發(fā)育生物學(xué)家難題。

3生長(zhǎng)難題：假如某人臉上細(xì)胞多分裂一次，他臉必定會(huì)嚴(yán)重變形；假如我們手臂上每一個(gè)細(xì)胞多分裂一次，我們?cè)谙敌瑤r(shí)就不用彎腰，生物體內(nèi)細(xì)胞知道它何時(shí)該長(zhǎng)，何時(shí)該停？

4生殖難題：精子和卵子都是非常特化細(xì)胞，只有它們才能將創(chuàng)造生命指令代代相傳。而這些生殖細(xì)胞時(shí)怎樣發(fā)出指令形成下一代呢？在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中允許它們完成這一使命指令又是什么呢？5進(jìn)化難題：進(jìn)化包括發(fā)育中遺傳改變。當(dāng)我們說(shuō)今天一趾馬有一個(gè)五趾祖先，我們是說(shuō)這匹馬祖先在多代胚胎發(fā)育過(guò)程中其軟骨和肌肉發(fā)生了改變。在發(fā)育中改變?cè)鯓觿?chuàng)造新體型呢？哪些改變能夠起到進(jìn)化作用？這是發(fā)育生物學(xué)家最近重新強(qiáng)調(diào)進(jìn)化難題。32/35展望

1.在胚層基礎(chǔ)上產(chǎn)生出組織和器官。2.基因開(kāi)動(dòng)機(jī)制。3.關(guān)于起調(diào)整作用蛋白質(zhì)，在真核生物還極少了解，研究發(fā)育中基因時(shí)間、空間調(diào)整，這應(yīng)是主要方向。4.深入發(fā)掘研究對(duì)象和充分利用已經(jīng)有材料，在各個(gè)水平上深入分析過(guò)去尚不甚了解現(xiàn)象，才有利于發(fā)育生物學(xué)發(fā)展。5.表觀遺傳與發(fā)育：33/35參考資料：

劉厚奇等主編，醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué)，科學(xué)出版社，年。張衛(wèi)東主編，《發(fā)育生物學(xué)》，高等教育出版社，。薛京倫主編，表觀遺傳學(xué)原理技術(shù)與實(shí)踐，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，20。ScottGilbert:《DevelopmentalBiology》，7thEditions,2002.

KlausKalthoff:《AnalysisofBiologicalDevelopment》，2ndedition,2001.

LINDAVANSPEYBROECK，F(xiàn)romEpigenesistoEpigenetics。Ann.N.Y.Acad.Sci.981:61–81(2002).34/35相關(guān)主要學(xué)術(shù)期刊：

CELL

NATURE

SCIENCE

GENES&.DEVELOPMENT

DEVELOPMENT

DEVELOPMENTALBIOLOGY

MECHANISMSOFDEVELOPMENT

NATURECELLBIOLOGY

DEVELOPMENTALCELL

DEVELOPMENTALDYNAMICS

GENESIS(DEVELOPMENTALGENETICS)

DEVELOPMENTGROWTH&DIFFERENTIATION

DEVELOPMENTGENESANDEVOLUTION

INTERNATIONALJOURNALOFDEVELOPMENTALBIOLOGY

REPRODUCTION