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1、,发育生物学Developmental Biology,出勤要求纪律要求学习要求考试要求,课程要求,发育生物学课程简介,发育生物学是一门既古老又年轻的学科。是在胚胎学的基础上发展起来的，上世纪七十年代才正式形成一个独立的学科。八十年代起，由于遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科的发展，大量新的研究方法的应用，发育生物学取得了巨大的进展。它是生物学领域中最具挑战性的学科之一。从上个世纪八九十年代迄今，生物学领域的重大进展都与发育生物学有着密切的关系。,发育生物学是近年来进展最快的学科之一,Nature 及其分支杂志在1994年1月2004 年8月期间刊登了1200多篇发育方面的论文。Scienc
2、e 1994年1月2004年8月期间刊登了1050多篇发育方面的论文。在Pubmed上可以检索到46.8万篇发育相关的论文。,选用教材,参考书目,樊启昶等主编，发育生物学原理，2002。桂建芳等主编，发育生物学，2002。,教学内容,介绍动物胚胎发育的简要过程。以胚胎发育中形态变化为主，同时也对早期发育中的形态变化的机理进行阐述；介绍发育的机理，主要从细胞生物学和分子生物学角度对发育进行分析,绪 论,第一节 发育生物学的研究对象、任务及 其与其他学科的的关系第二节 动物发育的主要特征和基本规律第三节 发育生物学的发展简史第四节 发育生物学研究中的主要模式动物,重 点,1 掌握发育生物学的概念2
3、 掌握发育生物学研究的对象和任务3 了解动物发育的主要规律4 了解后成论和先成论的基本内容5 常见模式生物的特点,第一节发育生物学的研究对象、任务及其与其他学科的的关系,一 发育生物学的研究对象和任务二 发育生物学与其他学科的关系,1、发育生物学的概念,发育生物学(developmental biology)是应用现代生物学的技术研究生物的生殖、生长和分化等发育机制的科学。发育生物学不同于传统的胚胎学(embryology)，而是20世纪50年代以后，由于分子生物学、细胞生物学、生物化学及遗传学等其他学科的发展和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。,发育生物学是一门研究生
4、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 器官组织细胞分子,2、发育生物学的研究对象,发育生物学主要研究多细胞生物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长、衰老和死亡，即生物个体发育(ontogeny)中生命过程发展的机制；生物种群系统发生(systematics development)的机制。,例 生物个体发育,生物种群系统发生,生物体在整个生命周期都处于动态发育中。发育(development)指生命现象的发展，有机体的自我构建和自我组织。多细胞有机体的生命过程是一个相对缓慢和逐渐变化的过程，这个过程称为个体发
5、育。,有机体的个体发育从受精卵(合子)开始，通过一系列的分裂和分化形成胚胎、产生有机体的所有细胞。传统胚胎学是研究动物从受精到出生之间有机体的发育，即胚胎发育。有机体的发育在出生后并未停止，甚至大多数成年生物体也依然继续发育，如成年人的表皮细胞不断地更新；哺乳动物成体的骨髓仍然有大量的造血细胞发生。,发育生物学与胚胎学,胚胎及胚后发育,发育生物学研究的范围比胚胎学要广，不仅涉及胚胎发育，还包括幼体、成体的发育，以及整个生命过程中其他所有生命现象的发展，同时还包括异常的发育过程，如肿瘤、畸形等。,3、发育生物学的研究任务,细胞是构成多细胞有机体的基本单位，个体发育的基础是细胞分化(cell di
6、fferentiation),任务一：一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的所有形态和功能不同的细胞的，这些细胞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的。,任务二：从另一个角度讲，在生物个体发育过程中的任何生命现象都是遗传信息严格按一定的时间、空间和次序表达的结果，即按照发育的遗传程序展开的结果。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个体发育的遗传程序及其调控机制。,在个体发育中，基因表达的程序、时间、位置和数量是受不同层次的调控机制控制的。
7、因此，阐明个体发育机制的核心问题是弄清遗传信息以何种方式编码在基因组上，DNA上的一维信息又是如何控制生物体的三维形态结构的构建和生命现象的发展。,揭示发育和遗传的本质是生命科学中紧密联系的两大难题。在上个世纪分子生物学的发展使遗传学中的一系列问题取得了重大突破，下一个挑战就是揭示发育的本质。,七、发育生物学五大未解难题,1、分化难题2、形态发生难题3、生长难题4、生殖难题5、进化难题,1、分化难题单细胞的受精卵经不断分裂可以产生上百种（人至少有250种）诸如：肌肉细胞、表皮细胞、神经细胞、淋巴细胞、血细胞和脂肪细胞等不同类型的细胞。由于体内每一个细胞都含有相同的基因组，因此必须了解相同的基因
8、组怎样产生不同类型的细胞。,2、形态发生难题 分化的各种类型的细胞并不随机分布，而是构成复杂的组织和器官，器官又按照一定的方式排列。如手指长在手的顶端，而不是长在手中间；眼睛长在脸上，而不是长在肚皮上，细胞是如何组建自己又如何形成恰当的排序也是长期困惑发育生物学家的难题。,3、生长难题如果某人脸上的细胞多分裂一次，他的脸肯定会严重变形；如果我们手臂上的每一个细胞多分裂一次，我们在系鞋带时就不用弯腰。生物体内的细胞知道它何时该长，何时该停。,4、生殖难题 精子和卵子都是非常特化的细胞，只有它们才能将创造生命的指令代代相传。而这些生殖细胞如何发出指令形成下一代呢？在细胞核和细胞质中允许它们完成这一
9、使命的指令又是什么呢？,5、进化难题进化涉及发育中的遗传变化。当我们说今天的一趾马有一个五趾的祖先，我们是说这匹马的祖先在多代的胚胎发育过程中其软骨和肌肉发生了变化。在发育中的变化怎样创造新体型呢？哪些变化能够起到进化的作用？这是发育生物学家最近重新强调的进化难题。,二 发育生物学与其他学科的关系,1、发育生物学成为最活跃的研究领域的原因1）动物发育过程分子水平的分析已经全面深入开展，植物发育分子机制的研究也已经开始。2）发育生物学研究整合了众多学科。如分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学、生理学、解剖学、免疫学、胚胎学和进化生物学等。胚胎学是发育生物学发展的基础学科。,学习和掌握发育生物
10、学的知识，必须将所学的其他相关生命科学如分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学、生理学、解剖学、免疫学、胚胎学和进化生物学等学科的知识融会贯通，整合起来形成完整的知识体系。,（1）发育学与胚胎学,胚胎学是发育学发展的基础学科。其发展简史：描述胚胎学比较胚胎学细胞胚胎学实验胚胎学分子胚胎学,发育生物学由实验胚胎学发展起来的，用分子生物学、细胞生物学的方法研究个体发育机制的学科。,主要研究发育中的胚胎各部分间的相互关系实质是什么，是什么物质（或哪些物质）在起作用，起作用的物质怎样使胚胎细胞向一定方向分化，分化中的细胞如何构成组织或器官，以保证组织和器官的发育，正常发育的胚胎怎样生长、成熟，成为成
11、长的个体，后者在发育到一定阶段后为什么逐步走向衰老，如何在规定的时间和空间的顺序下完成个体的全部发育，等等。,从学科范围讲：发育生物学比胚胎学大。胚胎学基本上是研究卵的受精和受精后的发育，虽然也包括再生及变态等问题，但主要是胚胎期的发育。发育生物学研究的则是有机体的全部生命过程。从雌雄性生殖细胞的发生、形成，直到个体的衰老。,从研究对象看：实验胚胎学一般专指动物实验胚胎学；发育生物学既研究动物也研究植物的个体发育。,主要研究方法及常用实验材料发育生物学是一个多学科的研究领域，它利用一切有关学科的技术方法，也利用它们的研究成果，来研究和解释发育中的问题。关于发育机制的探索，可以从分子水平，亚显微
12、或细胞水平，直到个体水平。不论哪个水平的发育，追究到底都可以从有关基因的调节、激活去探索。有关基因在何时被激活，它的产物在何时、如何在不同的水平上起作用，导致出现各个水平的形态发生过程，则是发育生物学的重点所在。一些遗传学背景已经充分了解的生物，如果蝇、小鼠和一种自由生活的秀丽隐杆线虫是发育生物学常用的材料。胚胎学的传统材料棘皮动物、两栖类、鸟类等，仍然是重要的，只是用来研究的问题不同。,（2）发育生物学与遗传学,两者密切相关，遗传学的发展促进了发育生物学的研究。自遗传学家提出“遗传的染色体学说”以来，细胞核在发育中的作用受到重视。,Morgan是遗传学家，也为胚胎学家，1926年与合作者提出
13、“基因理论”（the theory of the gene）1972年，Moore把Morgan遗传概念归纳为12点：,1、遗传是由基因从父代传递到子代。2、基因位于染色体上。3、每个基因在染色体上占着一个特定的位置。4、在每个染色体上有很多基因，它们直线排列在染色体上。5、双倍体生物的体细胞中，每一种染色体有两条（同源染色体），因此每个基因位点有2个。6、在有丝分裂周期，每一基因也被复制。7、基因能够以数种不同状态而存在（等位基因），基因从一种状态变为另一种状态就是一个突变。,8、基因在减数分裂时，通过染色体交换能够从一条染色体转移到另一条同源染色体上。9、每个配子获得每对同源染色体的一条，
14、每条染色体是随机分配到配子中的。10、每对同源染色体中的一条分配到配子中，不影响其它各对染色体的分配。11、在受精时，雌雄配子随机结合。合子从两亲本接受每一对同源染色体中的一条染色体。12、在一个有机体细胞中包含着两种不同等位基因时，显性基因比隐性基因有较强的表型。,为了证明此假设，Beedle等人从反面着手，即先认识生化反应，再去找基因。他们选用了红色链孢霉（Neurospora crassa），因这种霉在其生活史主要是单倍体，每种突变基因都能表现出来，而不受显性等位基因的掩盖。他们使用两种培养基：“基本培养基”（水、盐、蔗糖和生物素biotin，在上面能生长）和完全培养基（含20种全部氨基
15、酸和重要有机化合物）。,基因与个体发育有复杂的关系，基因通过控制生化过程而调节个体发育和分化。30年代开始，Beedle等人利用果蝇棕色眼睛的突变种，找到了产生棕色素的突变基因，并证明由于一种酶的作用而产生的这种色素。如切断此酶的作用途径就不能产生棕眼。因此提出了“一种基因一种酶”（one gene one enzyme）的假设。,据上述实验，遗传学家又提出了“一个基因一种蛋白”（one gene one protein）的假说。把概念扩大了，随着对蛋白质认识的不断深入（蛋白由多肽组成等），将此假说改为“一个基因一个多肽”（one gene one polypetide）的假说，从此大量地解了
16、发育中生化过程的遗传控制。,（3）发育生物学与分子生物学,在发现了基因和了解基因的功能后，人们试图搞清基因的本质、组成、分子结构等问题，更想了解遗传信息是怎样通过发育被利用的?也就是说试图搞清发育的遗传调控。50年代初：认识到DNA为遗传的物质基础，1953年Wastson、Crick提出DNA双螺旋结构，60年代发现碱基顺序和氨基酸密码，1961年建立“操纵子学说”，同年又发现遗传密码中信使RNA（mRNA）的作用。1966年证明了三联体密码对合成蛋白的准确性。,由于遗传学和分子生物学的重大成就促进了发育生物学的发展，使发育生物学进入到分子水平的研究层次。从此，特别是近10多年间，发育生物学
17、取得较大进步，主要在两个方面：1、同源异型基因的研究（homeotic gene）（也译为壕门基因）2、胚胎发育初期中胚层诱导形成机制方面的研究。,2、研究发育生物学的意义,发育生物学既是重要的基础生命科学，其研究成果又具有广阔的应用前景，对于解决人口、健康、农林业生产、生物资源的利用等具有重要意义。1）为临床医学提供必要的理论基础：通过研究正常发育的机制和异常发育的机制，为临床医学攻克癌症、绝症、防病保健提供了必要的理论基础。2）提高人类整体素质：关于受精的早期胚胎发育机制的研究为计划生育、优生优育、提高人类整体素质提供理论根据。3）促进国民经济的发展：克隆技术、胚胎切割、转基因动植物等生物
18、技术的应用，对国民经济和农业现代化的可持续发展具有重要意义。,3、发育生物学在生产实践中的应用,1）在医学中的应用:（1）肿瘤的产生为不正常发育，特性改变肿瘤细胞。（2）试管胎儿已应用。（3）掌握排卵和受精机理(如激素的利用)开发避孕方法。（4）将种基因(生长素基因)注射到鼠类的卵子，发育成成体后,生产所需物质(比发酵工程价廉),转基因动物生产工厂(激素的制备),2）在农畜牧养殖业上的应用:（1）鱼类、两栖类、哺乳类等的育种、养殖。人工受精和种苗（如鱼苗等）繁殖。（朱洗先生作了很大贡献）。（2）畜牧业方面：精液和卵子保存、人工授精，受精卵移植被用于育种和推广良畜品种。（3）用胚胎嵌合技术，得到
19、嵌合体动物，如我国山羊绵羊嵌合体具两种羊的特征。（4）转基因技术的成功将优良性状的基因集中于一只动物中，使其传代，为一种最快速的育种方法。,3）转基因小鼠的用途（1）用于免疫学研究的转基因小鼠。（2）用于肿瘤学研究的转基因小鼠（培养细胞不适于癌基因转移的研究，将癌基因或原癌基因注射到胚胎中cmyc 基因注射到卵，产生肿瘤（最大贡献：癌基因致癌是多步骤）假说的支持（3）转基因小鼠作为人类疾病的动物模型（研究新药物、新疗法提供方便）（4）转基因小鼠作为基因治疗的模型（基因转基因动物减轻病症）（5）转基因小鼠在发育遗传学上的应用（了解父母本基因在发育过程中的作用等）,第二节 动物发育的主要特征和基本
20、规律,一、动物发育的主要特征二、动物发育的基本规律,一 动物发育的主要特征,1、个体发育 从受精卵形成胚胎，而后胚胎生长发育成个体的过程称为个体发育。从生长、发育、成熟到形成下代的卵细胞或精子，直至个体逐渐衰老死亡，构成个体发育史。从形态上看，个体发育过程经历生长、分化和形态发生。,2、个体发育的特征,生物个体发育的特征是 具有严格的时间和空间的次序性。这种次序性由发育的遗传程序控制。发育是有机体的各种细胞协同作用的结果，也是一系列基因网络性调控的结果。在发育的过程中涉及多种生命现象，如细胞分裂，细胞分化，细胞迁移，细胞凋亡，生长、衰老和死亡等。,2 个体发育的功能,生物个体发育有两个主要的功
21、能：产生细胞的多样性并使各种细胞在本世代有机体中有严格的时间和空间的次序性；保证世代的交替和生命的连续。,第一个功能涉及有机体全部细胞的产生和组织成为结构，从一个单细胞受精卵通过细胞分裂和分化产生肌肉细胞、皮肤细胞、神经细胞、血细胞等所有的细胞表型，这些细胞差异性产生的过程称为分化(differentiation)。不同表型的细胞构成组织、器官，建立结构的过程叫做形态发生(morphogenesis)。生长(growth)则指生物个体大小的增加。有机体通过生长发育成为成熟个体，再经过衰老，最后死亡。,第二个功能是通过繁殖(reproduction)产生新一代的个体，使世代连续。,二 动物发育的
22、基本规律,1 受精 2 胚胎发育形成幼体3 生长发育成体4 衰老与死亡,新个体的生命开始于两性配子(gamete)精子(sperm)和卵子(ovum)的融合，这个融合过程称为受精(fertilization)。,1、受精,1、精卵识别：精卵结合有种属特性，存在精子和卵子的相互识别，一般只有同种的精子和卵子才能受精。目前已知在卵子透明带上有精子受体，用于识别精子，而在精子表面也有卵子结合蛋白。,受精过程包括如下几个步骤：,2、精子的顶体反应：顶体反应是获能后精子头部顶体帽部分的质膜和顶体外膜在多处融合，产生小泡，形成许多小孔，使原来封存于顶体中的酶从小孔中释放，以溶解卵丘、放射冠和透明带。顶体结
23、构的小孔形成以及顶体内酶的激活和释放的过程称为顶体反应。,3、精子穿过放射冠 经顶体反应的精子，可以释放透明质酸酶溶解放射冠卵丘细胞之间的基质，使精子穿越放射冠，到达透明带（马的卵子没有放射冠，精子直接与透明带接触）。4、精子穿过透明带 穿过放射冠的精子与透明带上的具有种属特性精子受体相结合，并发生透明带反应，防止其余精子再穿入透明带。,5、精卵质膜融合 穿过透明带的精子，附着在卵黄膜表面的微绒毛上，发生精卵融合。在融合过程中，整个精子的质膜都融合到受精卵细胞膜中，而顶体内膜则随精子一起进入卵质中。,6、皮层反应和多精受精的阻止,当精子与卵质膜接触时皮层颗粒首先与质膜融合，发生胞吐，然后以波的
24、形式向卵的四周扩散，波及整个卵表面，即发生皮质反应。皮层反应后其他精子不能穿过透明带。另外，在精卵质膜融合、精子进入卵黄后，卵子质膜立即阻止新的精子进入卵黄，这种现象称多精子入卵阻滞作用。,7、雌、雄原核形成与融合 精子入卵后，核膜崩解，染色质去致密，同时卵母细胞减数分裂恢复，释放第二极体，去致密的精子染色质和卵子染色质周围重新形成核膜，形成雄原核和雌原核。而后两原核逐渐向卵中央移动、相遇、核膜消失，雌雄原核融合，成为双倍体的合子，受精到此结束，准备第一次卵裂，开始新生命的发育。,通过受精激活发育的程序，受精卵开始胚胎发育。从一个单细胞受精卵发育成完整的多细胞有机体需要经过复杂的过程，由于动物
25、形态不同，卵子的也有不同的类型，胚胎发育模式也是多种多样的。不同器官、系统形态发生的图式也各不相同。,2、胚胎发育形成幼体,大多数动物要经过卵裂、原肠胚形成、神经胚形成、器官形成等几个主要的胚胎发育阶段才能发育成为幼体。,在通过生长发育成为成体过程中，有些动物还需要经历变态，如两栖类尾部退化、四肢生长、呼吸系统改变。,1）卵裂(cleavage)受精后，受精卵立即开始一系列迅速的有丝分裂，分裂成许多小细胞即分裂球，这个过程称为卵裂。卵裂不同于其他的细胞分裂，每次卵裂前后，胚胎的体积并不发生变化，细胞周期只包括DNA复制和细胞分裂期，而没有细胞生长期，这些细胞各具有一套完全相同的胚胎基因组拷贝。
26、到卵裂后期，这些分裂球聚集构成圆球形囊泡状的胚胎，称为囊胚(blastula)。,蛙的早期卵裂。A 第一次卵裂，B 第二次卵裂，C 第四次卵裂，动物极和植物极细胞出现差异。,囊胚,囊胚腔,囊胚层,卵裂的速度虽然与环境的温度有关，温度较高，卵裂较快，但主要决定于遗传因素，而且与卵质有关系。如果将海胆卵均分为有核和无核两半个卵分别以同种精子受精，则这两半个卵和正常的受精卵一样同时同速分裂，或者在使两种不同卵裂速度的海胆杂交时，先去掉快速分裂卵的核，再用慢速种的精子受精，则卵裂速度比慢速种的快，这都说明卵裂速度由卵质决定。卵裂的另一特点是卵质中物质的相对空间位置，即卵物质在卵裂前的分布卵和裂后所有分
27、裂球整体的物质分布基本一致,囊胚后期，有丝分裂的频率明显降低，胚胎产生一系列广泛的、戏剧性的细胞运动，细胞之间的位置信息发生改变。这一系列使细胞位置发生重排的、广泛的细胞运动过程称为原肠胚形成。这时胚胎细胞分化成三个胚层：外胚层，内胚层，中胚层。这三个胚层的细胞逐渐获得不同的发育潜能，分化产生不同类型的细胞并建立各种组织和结构。,2）原肠胚形成(gastrulation),外胚层,内胚层,原肠腔,胚孔,原肠胚,外胚层(ectoderm)位于原肠胚胚胎外层的细胞称为外胚层。外胚层细胞主要分化形成皮肤的表皮及附属结构（毛、发、羽、鳞、角）；神经系统（脑、脊髓）和感觉器官。,内胚层(endoderm
28、)位于原肠胚胚胎内层的细胞称为内胚层。内胚层细胞主要分化形成呼吸道的上皮（气管、支气管细支气管的内壁表面的上皮、肺泡上皮）、消化道的上皮（咽、食道、胃、肠的内壁表面的上皮）以及由消化道特化而来的各种腺体（如肝脏、胰腺、胃腺、肠腺）。,中胚层(mesoderm)位于内胚层和外胚层之间的细胞称为中胚层。中胚层细胞产生皮肤的真皮、皮骨骼、肌肉、脊索、内脏器官的外膜以及循环系统（如血液、心脏、淋巴管、淋巴）、排泄系统（如肾脏、膀胱）、生殖系统（如睾丸、卵巢）。,内呼消腺体，外皮感神经，中内生肌排。,3）神经胚形成(neurulation),胚胎在三个胚层建立之后即开始进入神经胚形成阶段，形成脑和脊髓的
29、原基神经管(neural tube)。神经管是在一系列细胞相互作用下由胚胎背中部的细胞形成，这也是脊椎动物器官形成的前奏。,4）器官形成(organogenesis),神经管建立之后，各种器官原基相继形成，多数器官由一种以上的胚层细胞构成。在器官形成的过程中，在些细胞如血细胞、色素细胞、生殖细胞等，必须经历长距离的迁移才能到达最后的位置。,胚胎细胞形成不同组织、器官和构成有序空间结构的过程称为图式形成(pattern formation)。最初的图式形成涉及多细胞生物形体模式(body plan)的建立，主要包括胚轴(embryonic axes)形成、体节形成(segmentation)、肢
30、芽和器官原基形成等事件。胚轴主要指从胚胎前端到后端之间的前后轴和背侧到腹侧之间的背腹轴。,动物胚轴的形成与受精卵内RNA和蛋白质的不均匀分布有密切相关，并且涉及一系列早期发育的事件：卵裂将不同的信息分配给不同的分裂球；在原肠形成中细胞迁移，含不同信息的细胞间发生相互作用并形成三个胚层；随着神经管发生，中胚层细胞分化，胚胎的背腹轴形成；神经管分化，从原脑分节开始整个躯体分节，进而胚胎前后轴形成；沿前后轴进行体节分化，三个胚层细胞进一步分化并构建不同组织和器官原基；形成模式逐渐建立。,3、生长发育成体,从受精卵发育成为有机体，实际上是从一个全能细胞通过一系列的细胞分化产生有机体全部细胞表型的过程。
31、发育必须经历细胞分化，通过细胞分化产生细胞形态结构、生化组分和功能的差异。其结果是形成了一定的细胞表型（血细胞、肌细胞、表皮细胞，人类从受精卵通过细胞分化至少形成250细胞）。细胞分化是逐渐变化的过程，在这个过程中要经过多次细胞有丝分裂。,动物发育中第一次最典型的细胞分化是生殖细胞和体细胞的分化。卵裂中拥有特殊卵质成分生殖质的分裂球，可以分化产生具有生殖功能配子的前体即生殖细胞。配子发生：生殖细胞形成后迁移至性腺中进一步分化成为配子的过程不含生殖质的细胞可分化产生整个有机体的其他细胞，但不能产生生殖细胞，称为体细胞。生长使发育得以保持和发展，发育促进生长。,4、衰老与死亡,成体生物的发育和分化
32、并未停止，伴随发育的进程，成体细胞衰老、死亡，最终引起个体发育的终止即死亡。,衰老是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。人体是由细胞组织起来的,组成细胞的化学物质在运动中不断受到内外环境的影响而发生损伤，造成功能退行性下降而老化。细胞的衰老与死亡是新陈代谢的自然现象。,细胞衰老是客观存在的。同新陈代谢一样,细胞衰老是细胞生命活动的客观规律。对多细胞生物而言,细胞的衰老和死亡与机体的衰老和死亡是两个不同的概念,机体的衰老并不等于所有细胞的衰老,但是细胞的衰老又是同机体的衰老紧密相关的。,机体的衰老和细胞的衰老,研究表明，现代人类面临着3种衰老：第1种是生理性衰老，是指
33、随着年龄增长所出现的生理性退化，这是一切生物的普遍规律。第2种是病理性衰老，即由于内在的或外在的原因使人体发生病理性变化，使衰老现象提前发生，这种衰老又称为早衰。第3种是心理性衰老，人类由于各种原因，常常产生“未老先衰”的心理状态而影响机体的整体功能。,十大衰老原因揭秘 1.慢性炎症。随着年龄增长，人体器官发炎越来越多，例如关节炎。患病的不只是关节，还有脑细胞、动脉壁、心瓣梗死和中风等也跟炎症有关。2.基因突变。许多自然的和人为的因素能引起基因突变。随着年龄增长，细胞“处理”机制越来越不规律，从而引起基因恶性退化变质。3.细胞能量枯竭。细胞的“电站”线粒体需要一定的化学物质来保证细胞的活力和清
34、除细胞的毒素。如果这个“充电”过程减弱，心梗化、肌肉组织衰退、慢性疲劳、神经性疾病等就会发展。,4.激素失衡。我们身体里的亿万个细胞正是有了激素，才能准确地同步工作。随着衰老，这种平衡变得不规则，从而引起各种疾病，包括抑郁症、骨质疏松、冠状动脉硬化。5.钙化作用。通过细胞膜里的特殊管道，钙离子进出细胞。身体衰老，钙离子进出的通道遭到破坏，导致脑细胞、心瓣、血管壁里积聚过多的钙。6.脂肪酸不平衡。为了产生能量，身体需要脂肪酸。年龄越来越大，脂肪酸离不开的酶开始不足，结果，心律不齐、关节退化、容易疲劳、皮肤发干,7.非消化酶不平衡。细胞内经常进行多种同步的酶反应。年复一年，渐渐失去平衡，首先发生在
35、脑部和肝脏。这是造成神经学疾病中毒性组织损伤的原因。8.消化酶不足。胰腺渐渐枯竭，无法产生足够的酶，结果，消化系统慢性机能不全。9.血液循环衰竭。多年之后，毛细血管的渗透性遭到破坏包括大脑、眼睛和皮肤。由此，引起大、小中风，视力减退，出现皱纹。10.氧化应激反应。给任何年龄的人们带来不少麻烦的自由基给已过中年的人带来的麻烦更多。它影响许多生理过程的正常流向，从而加重身体负担，引起各种疾病。只有掌握衰老的规律，才有可能应对各种麻烦。,第三节 发育生物学的发展简史,一 后成论与先成论二 细胞理论对胚胎发育和遗传概念的影响三 发育的嵌合型和调整型四 诱导的发现五 遗传学与胚胎学的结合六 分子生物学与
36、发育生物学的结合七 实验胚胎学八 基因学说和发育,1、后成论(theory of epigenesis)Aristotle(公元前384-322)在观察鸡、星鲛和一些无脊椎动物胚胎发育的基础上，首先提出了胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的，这个理论后来称为后成论。他认为动物胚胎和成体动物各种结构形成的原因有两种可能：一是卵子和精子中本来具有微小的结构，在发育过程中逐渐长大形成胚胎和成体结构；另一是卵子或精子中并不具有这些结构，而是在发育过程中逐渐形成的,一、后成论与先成论,先成论 指胚胎是在卵子或精子内预先存在,而发育只是这种成体雏形的继续扩大的一种发育观。是与渐成论的观点相对立的。,2 先成论
37、,以精源学说和卵源学说为代表的先成论占统治地位。精源学说认为胚胎预先存在于精子中，卵源学说则认为卵细胞中本来就存在微小的胚胎雏形。,1759年德国科学家Wolff发表两本著作，再一次提出了后成论的观点。他根据对鸡胚的仔细观察，认为卵子中并不存在胚胎结构，胚胎与成体并不相同，胚胎发育是逐渐变化的过程。后成论的观点直到19世纪才被人们的接受。,二、细胞理论对胚胎发育和遗传概念的影响,1、细胞理论对胚胎发育的影响 随着细胞生物学的产生和发展，人们逐渐对生殖细胞的特性和重要意义有所认识。1839年 Schleiden和Schwann 提出细胞学说，指出所有生物有机体都由细胞构成，细胞是生命的基本单位；
38、通过细胞分裂产生其他细胞。因此，在胚胎发育发育中，通过受精卵的分裂产生许多新细胞，同时产生新的细胞类型，所以，发育必然是逐渐变化的过程。,2、细胞理论对遗传概念的影响 19世纪后期，人们已认识到合子细胞核的染色体各有一半分别来自双亲，合子的遗传信息在卵裂过程中平均分配到子细胞中。1900年Correns，De Vriess 和Tschermak在报导各自的研究工作时，重新肯定了Mendel早在1865年提出的遗传规律。,人们通过对染色体数目的比较发现，体细胞的染色体数在世代之间保持不变，但在配子形成过程中，二倍体细胞经过减数分裂形成单倍体的配子，单倍体配子通过受精形成二倍体的合子，由合子再产生
39、胚胎。这些发现揭开了生物学发展史的新篇章。,三、发育的嵌合型和调整型,1 嵌合型发育2 调整型发育,19世纪80年代，Weismann提出了关于细胞、染色体和基因与胚胎发育关系的理论。他认为，合子的细胞核含有特殊的信息物质决定子(determinant)，在卵裂过程中这些决定子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。即细胞的命运是由卵裂时所获得的合子核信息所决定的，这一类型的发育称为嵌合型发育。该理论的核心是早期卵裂必须是不对称分裂。由于合子成分的不均匀分布，导致卵裂后的子细胞彼此之间不同。,1 嵌合型发育(mosaic development),2 调整型发育(regulative
40、development),1887年Roux用烧热的解剖针破坏两细胞时期蛙胚的一个分裂球，结果成活的另一分裂球只能发育成为半个胚胎。他认为蛙的发育存在嵌合型发育。1891年Driesch将海胆两细胞期的两个分裂球分开，得到了两发育正常、个体较小的海胆幼体。其实验结果第一次证明发育过程中存在调整型发育机制：胚胎为保证正常的发育，可以产生胚胎细胞位置的移动和重排。,四 诱导的发现,Driesch提出的调整型发育机制已涉及到细胞之间的相互作用，直到诱导现象发现之后，人们才认识到细胞之间的相互作用是胚胎发育最重要的核心问题。,诱导(induction)是指一类组织与另一类组织的相互作用，前者为诱导者(
41、inductor)，后者为反应组织，诱导者可指令邻近反应组织的发育。1924年Spemann将蝾螈原肠胚早期的胚孔背唇组织移植到另一同期受体胚胎的胚孔侧唇表面，随着受体胚胎的发育进程，大部分移植组织内陷进入胚胎内，结果到原肠胚后期诱导产生了另一个次生胚。胚孔背唇组织具有调控和组织一个几乎完整的胚胎产生的特殊能力，故称为组织者(organizer)。,五 遗传学与胚胎学的结合,基因型(genotype)是有机体从双亲获得的遗传信息所赋有的特性，是从受精时所决定的。有机体在不同发育时期表现出来的形态、结构、生化等特征称为表型(phenotype)。由基因型控制发育，表型受环境因子与基因型的共同影响
42、。从基因型到表型的唯一途径是胚胎发育。遗传和发育是个体发生过程中的两个方面，发育受遗传程序的控制，遗传特性通过发育表现出来，没有遗传就没有发育，没有发育也就无所谓遗传。,基因型和表型的差异,六 分子生物学与发育生物学的结合,到20世纪60年代，由于分子生物学与遗传相互结合，使生物学中的一系列重大难题得到了解答。在许多学者的共同努力下，目前对于果蝇和线虫发育的分子控制机制已基本得到阐明，对斑马鱼、爪蟾等模型动物的研究也已取得一系列重大的突破。发育生物学已成为当代生命科学的前沿和热点领域之一,十九世纪末，W.Roux开创了用实验方法研究胚胎发育的方法。1888年，Roux用一支烫的针剌死二细胞期蛙
43、胚的一个细胞。另一个细胞继续发育，形成一个半胚。Roux据此断定蛙的发育是基于一种嵌合的机制。1892年，H.Driesch在海胆的胚胎上做了和Roux相同的实验。Driesch据此认为每一个胚胎细胞都具有与受精卵一样的发育潜能（developmental potential）。,七、实验胚胎学,随后的许多实验都证明了Driesch是正确的，Roux的实验结果是错误的。但是，Roux的工作对发育生物学的影响是巨大的。从此，胚胎学家开始对胚胎进行实验操作，并观察这些实验对发育的影响，以此来研究发育的机制。因此，Roux被人们称为“实验胚胎学之父”。,著名的胚胎学家和遗传学家Morgan第一次指出
44、了位于染色体上基因如何控制正常的胚胎发育。他认为正常的发育有赖于差异的基因表达（differential gene expression）。,八、基因学说和发育,第四节 发育生物学模式生物,主要常用的模式生物有：果蝇、线虫、非洲爪蟾、斑马鱼、鸡和小鼠。我们关于发育的分子机制的认识主要来源于这些模式生物的研究。,一、模式生物的共同特征1、取材方便。实验室条件下，这些动物常年可产卵，随时可以获得胚胎材料，饲养管理简单，维持费用低。2、胚胎具有较强的可操作性。胚胎一般较大，相关实验技术比较完善。3、可进行遗传学研究。果蝇、线虫、斑马鱼均可用于大规模遗传突变研究；小鼠的基因敲除技术完善；非洲爪蟾的转基
45、因技术有优势。,此外，棘皮动物海胆和尾索动物海鞘也常用，文昌鱼是研究进化的模式生物，水螅、涡虫用于研究再生机制；植物拟南芥。,二、脊椎动物模式生物,（一）两栖类：非洲爪蟾（Xenopus laevis）,主要优点1、取卵方便；实验室条件下可以常年取卵，不受季节限制，只要注射激素，第2天就能产卵，而且产卵量很大。2、卵和胚胎个体较大，直径可达1.4mm，易于操作；方便进行研究，如显微注射、胚胎切割、移植等。3、胚胎早期发育快；24下受精2天左右就可以孵化为自由游动的幼体。4、抗感染力强，易于组织移植；5、成熟卵动植物极区分明确。,缺点：很难进行遗传学研究。由于生命周期长，同时又是异源四倍体，多数
46、基因存在4个拷贝，很难进行遗传学突变试验。,（二）鱼类：斑马鱼（Danio rerio）,主要优点1、产卵力强，世代周期短，（约3个月）2、体外受精和发育，胚胎透明，易于观察3、易于饲养，管理较简单，容易进行杂交实验4、基因组序列已全部测出斑马鱼是唯一可以进行大规模遗传突变筛选的脊椎动物，是目前最好的脊椎动物发育遗传学研究体系之一,优点：1、相对更接近哺乳动物；2、胚胎在体外发育，比哺乳动物更容易实验研究；3、研究手段比较成熟，如电转化、病毒感染等；4、是研究肢、体节等器官发育机制的重要模型5、基因组测序全部完成。,（三）鸟类：鸡,小鼠是最重要的哺乳动物发育生物学的研究模型，也是当今世界上研究
47、最详尽的哺乳类实验动物。从17世纪开始用于解剖学研究及动物实验，经长期人工饲养选择培育，已育成多达千余个独立的远交群和近交系。目前全世界每天约有2500万只小鼠被用于生物医学研究，以小鼠为对象的研究已经获得了17项诺贝尔奖。,（四）哺乳类：小鼠,缺点：胚胎在母体内发育，胚胎很小，实验操作比较困难。,优点：1、胚胎发育过程与人类比较接近，作为人类疾病的动物模型；2、繁殖快，世代周期短（2个月）；3、饲养管理容易，费用较低；4、基因组测序全部完成，遗传学背景清楚；5、遗传学使用手段如转基因、基因敲除等比较完善，是唯一可以进行基因敲除的脊椎动物,三、无脊椎动物模式生物,（一）果蝇（Drosophil
48、a melanogaster）,在近代生物学史上的地位显赫，这红眼睛黑肚皮的小东西曾经三度飞进卡罗林斯卡医学院的颁奖大厅，为主人取回诺贝尔生物医学奖桂冠（1933年摩尔根，1946年缪勒，1995年刘易斯、尼尔森沃哈德和维斯郝斯）。由于它们繁殖迅速、染色体巨大且易于进行基因定位，因此自1909年摩尔根（Thomas Hunt Morgan，18661945）将之用作研究遗传变异和染色体关系的材料之后，果蝇就成为经典遗传学家揭示遗传规律的一张王牌。,主要优点1.体积小，易于繁殖；操作简便，成本低廉；2.产卵力强，生命周期短（11天）3.胚胎和成体都具有丰富的表型特征；4.易于遗传操作：如诱变；5
49、.基因组序列已全部测出，遗传学背景最清楚,主要优点1.成虫体长1mm，结构简单，全身透明；2.性成熟短（生命周期仅2.5天）两种成虫；易于养殖，易冷冻（液氮）保存；易于诱变；3.细胞数量少；最常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞，而较少见的雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。4.发育中细胞谱系清楚，易于追踪；5.基因组序列已全部测出。,（二）线虫：秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）,重 点1、掌握发育生物学的概念2、掌握发育生物学研究的对象和任务3、了解动物发育的主要规律4、了解后成论和先成论的基本内容5、模式动物的共同特征及各自优点。,
