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1、发育生物学Developmental Biology,余雪松QQ 563189390生科院227(O),发育与发育生物学,发育(development)又称发生,科学地定义是:一个有机体从其生命的开始到成熟的变化.OR发育是指单细胞逐渐成长为复杂的多细胞生物体的过程,我是从哪儿来的呀?怎样来的？,“生物从何而来？”、“如何来的？”这就是发育生物学所要回答的核心问题。,动物的形态尽管千差万别，但是大多数动物的发育都经历许多共同的阶段,发育生物学是研究生物个体发育过程及其规律的科学,动物的发育与植物的发育,主要内容体系,绪论第一篇：发育生物学基本原理第二篇：动物胚胎的早期发育第三篇：动物胚胎的晚期
2、发育第四篇：发育生物学的新研究领域,发育生物学相关期刊,主要参考教材,张红卫等主编，发育生物学，2006。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。Lewis Wolpert，Principles of Development,Second edition，2002。Scott F Gilbert，Developmental Biology,Seventh edition，2003。,重点内容提示及学习要求,用红色标明相关章节及要求重点掌握的内容；每章课后小结、思考题，未讲述部分自学，不作考试要求；理论性较强，需要理解记忆，要做好课前预习和课后复习。,任课老师
3、及讲授章节,余雪松 绪论，第一至八章，第十七和十八章贾伟章 第九至十六章，第十九至二十一章,课时设置,总共72学时：理论课48学时，实验课24学时。理论课：从第一到第十二周（星期一、星期四上午3-4节）实验课：第6到第9周（星期五下午）,考核方式,理论课：闭卷考试实验课：实验报告平时成绩：考勤(随机不定时点名）和课堂表现（回答问题）,绪论,内容提要,第一节 发育生物学研究对象、任务及与其他学科的关系第二节 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 发育生物学模式生物第五节 发育生物学研究技术,第一节发育生物学研究对象、任务及与其他学科的关系,发育生物学是近年来进展最快的学
4、科之一,Nature、Science及其分支杂志在1994年至今刊登了2500多篇发育方面的论文。在Pubmed上可以检索到50万篇发育相关的论文。,Developmental biology is at the core of all biology.,发育生物学的研究对象,发育生物学（developmental biology）是应用现代生物学的技术研究生物发育本质的科学，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。同时，发育生物学也研究生物种群系统发生（systematics development）的机制
5、。,传统的胚胎学是研究从动物受精到出生之间有机体的发育，描述胚胎发育的过程与现象为主。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。,发育生物学与其他学科的关系,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。,发育生物学在本专业课程体系中的位置,生物化学、微生物学、植物生物学、动物生物学细胞生物学、遗传学、分子生物学、基因工程、发育生物学、生态学、免疫学、
6、生物信息学生物工程下游技术、生物医药研究方法、生物检测技术,发育生物学研究的主要任务,个体发育的基础是细胞分化（cell differentiation）。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。,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
7、序及其调控机制。,发育生物学的研究意义,1、有关细胞分化机理、正常发育的机制和异常发育的分子机制的研究，为临床医学攻克癌症和其他绝症、防病保健提供了必要的理论基础。2、有关生殖细胞发生、受精等早期胚胎发育机制的研究为动植物人工繁殖、计划生育、优生优育、提高人类整体素质等提供理论根据。,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、农业生产的发展和生物资源的利用都有着重要意义。,Basic concepts of Developmental Biology,第二节 动物发育的主要特征和基本规律,动物发育的主要特征,发育的主要特征是具有严格的时间和空间的次序
8、性，这种次序性由发育的遗传程序控制，保持物种的的遗传稳定性。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，涉及发育过程中的细胞分裂、细胞分化、细胞迁移、细胞生长、凋亡、衰老和死亡等。,发育的主要功能,1.产生细胞的多样性，并使各种细胞在本世代有机体内有严格的时间和空间的次序性。不同表型的细胞构成组织、器官，成为成熟的个体，再经衰老，最后死亡。（产生生命）2.通过繁殖产生新一代的个体，保证世代的交替和生命的连续。（繁衍生命）,多细胞有机体的发育有两个主要的功能：,动物发育的基本规律,新个体的生命开始于两性配子（gamete）精子和卵子的融合，其融合过程称为受精（ferti
9、lization）。通过受精激活发育的程序，受精卵开始胚胎发育（embryogenesis）。,动物王国中各种动物形态不同，胚胎发育模式多种多样。大多数动物的胚胎发育要经过受精、卵裂（cleavage）、原肠胚形成（gastrulation）、神经胚形成（neurulation）和器官形成（organogenesis）等几个主要的胚胎发育阶段才能发育成为幼体，通过生长发育成为成体。有些动物如两栖类的个体发育还必需经历变态（metamorphosis），才能发育成为成体。,动物发育的几个主要事件,1.细胞分裂 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。,爪
10、蟾受精卵的卵裂,2.细胞分化,多能造血干细胞形成各种血细胞,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。细胞分化的结果是形成一定的细胞表型。人的受精卵通过细胞分化至少产生 种以上的细胞。,250,3.形态发生形成各种组织和器官，最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。,(1)胚层的形成,4.图式形成（Pattern formation）：胚胎细胞形成不同的组织器官和构成有序的空间结构的过程,所有多细胞有机体至少具有一种主要的胚轴。,(2)躯体轴线的制定,胚胎发育过程中身体的主轴。,5.生长 胚胎在基本的pattern形成之后，其体积会显著增长
11、，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。,第三节 发育生物学的发展简史,Origins and History of Developmental Biology,发育是生物学中古老的话题，而发育生物学是在胚胎学的基础上发展和形成的一门新型的生命科学，它揭示了生物体生命周期动态演变的规律，是生命科学中的新主角。生命科学中最活跃的发育生物学古老而又年轻。,最早试图解释发育问题的是希腊的希波克拉底（Hippocrates）。他用当时时兴的物理学上的热、湿度和凝固等理论来解释发育。,发育生物学的起源,公元前4世纪希腊圣贤亚里士多德（Aristotle）对于动
12、物胚胎的不同部分和成体动物各种结构形成的原因就提出了自己的观点，认为胚胎发育有2种可能性：一种是先成论（preformation），胚胎是成体的雏形，即胚胎中的每件东西从一开始就预先形成好了，发育期间只是简单地放大：精源学说和卵源学说 另一种是后成论（epigenesis），在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的。,1、后成论与先成论,后成论与先成论的争论,直到18世纪，先成论和后成论仍然是科学界争论的焦点。特别是17世纪和18世纪，虽然科学之风已在西欧兴起，但由于长期以来教会神创思想的影响，学界仍然迷恋于有着神创理念的先成论。即使是那些已对动物胚胎发育进行过详细观察的学者也是如此。,精原学
13、说的代表人物Nicholas Hartsoeker所想像的精子中的微型人,17世纪意大利杰出的胚胎学家马尔比基（Marcello Malpighi）对鸡胚的发育作了相当细致的描述，由他描绘的鸡胚发育图是胚胎学和发育生物学的经典，迄今仍被绝大多数教科书所引用，但他仍然不可能以他自己的观察证据从先成论的理念中解放出来。,1759年，德国科学家Wolff根据自己对鸡胚发育的仔细观察，再次提出后成论的观点，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世纪才为人们接受。,1839年，德国著名植物学家施莱登Schleiden和生理学家施万Schwann指出
14、细胞是生命的基本单位；所有生物有机体都是由细胞构成，通过细胞的有丝分裂产生其他的细胞。发育也必然是逐渐变化的过程。在胚胎发育过程中，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。精子和卵子是特殊的细胞，人们对受精以及减数分裂等过程的认识揭开了发育生物学甚至是整个生物学的新篇章。,2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念,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？19世纪80年代，Weismann就提出了关于细胞、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大量特殊的信息物质决定子（determinant），在卵裂的过程中这些决定子被不均匀地分配到子细胞中
15、去控制子细胞的发育命运。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（mosaic development）。,3、发育的嵌合型和调整型,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。,胚胎学家Roux（1887）的实验结果支持Weismannn的理论。蛙的发育存在嵌合型发育机制。,Roux的同事Driesch（1891）首先证明海胆发育过程中存在调整型发育（regulative development）：胚胎具有在局部被
16、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。,1924年Spemann和助手Mangold进行了著名的蝾螈胚孔背唇移植实验，发现胚孔背唇具有调控和组织一个几乎完整的胚胎产生的特殊能力。,4、诱导现象的发现,尽管Driesch提出的调整型发育已经涉及细胞间的相互作用，但是一直到诱导现象的发现人们才真正认识到细胞间的相互作用是胚胎发育最重要的核心问题。,诱导现象（induction）使人们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。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。诱导是指一类组织与另一类组织的相互作用，前者称为诱导者（inducer），后者称为反应组织，
17、诱导者可指令邻近反应组织的发育。发育中诱导和细胞之间相互作用的重要性才得到充分的重视。Spemann在1935年获得诺贝尔奖。,基因型与表型：由基因型（genotype）控制发育，同时有机体的表型（phenotype）又受到环境因子与基因型的共同影响。从基因型到表型的唯一途径是胚胎发育。,5、遗传学与胚胎学相伴而来,1900年Mendel定律的重新发现使科学家们认识到染色体在发育中的作用。细胞分化是基因在时空上选择表达的结果和协同作用，发育受遗传的控制。基因通过其编码产物蛋白质的变化控制发育分化中细胞的性质和习性。基因型是有机体从双亲获得的遗传信息所赋有的特性。因此，发育是从基因型实现表现型的
18、过程，是基因选择表达的结果。,基因型和表型的差异发育实际上可以看作基因型与表型的结合。,遗传和发育是个体发生过程的两个方面：发育受遗传程序的控制，遗传特性通过发育展现出来。没有遗传就没有发育，没有发育也就无所谓遗传。当今发育生物学与遗传学在分子水平上是融会贯通的。遗传学不但与发育生物学相伴而来，而且相伴而兴。,关于发育的研究虽然已有很长的历史，但发育生物学是20世纪50年代后才逐渐形成的。分子生物学的迅速发展促使人们对编码在DNA上的遗传信息如何控制生物体的发育等问题进行了深入的探讨。发育生物学已成为当代生命科学研究的前沿和热点领域之一。,6、分子生物学与发育生物学的结合,目前对于果蝇和线虫发
19、育的分子控制机制已基本得到阐明。在深入了解果蝇和线虫发育机制的基础上，近年来又利用发育调控基因在进化上的保守性，开展了脊椎动物发育分子机制的深入研究，对于斑马鱼、爪蟾等模式动物的研究中取得一系列重大的突破。,第四节 发育生物学主要模式动物,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
20、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.Drosophila melanogaster:Insect model,(一)Invertebrate Models,2、Caenorhabditis elegans:Worm model,主要优点1
21、.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)、Vertebrate Models,1.Xenopus laevis:Amphibian model,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；3.性成熟短；4.易于遗传操作：如诱变；5.体外受精和发育，胚胎透明易于观察；6.基因组序列已全 部测出。,2.Danio rer
22、io(zebrafish),3.Gallus gallus(Chicken),主要优点1.发育过程与哺乳动物更接近2.鸡胚在体外发育，相对于哺乳动物更容易进行研究；3.研究手段已经比较成熟；4.基因组序列已全 部测出。,4.Mus musculus(Mouse),主要优点：1.胚胎发育与人类比较接近，可以作为很多人类疾病的动物模型；2.世代周期短；3.试验手段完善；4.易于遗传操作；5.基因组序列已全部测出。缺点：胚胎在母体内发育，胚胎个体小,第五节 发育生物学研究技术,常规发育生物学研究技术,一、显微镜技术:光学显微镜、荧光显微镜、激光共聚焦显微镜等二、组织切片技术三、分子生物学技术：Nor
23、thern blot、RT-PCR、DNA Microarray、in situ hybridization四、细胞标记技术,原位杂交(in situ hybridization)利用原位杂交技术研究基因表达的时空谱,染料细胞标记,荧光细胞标记,发育遗传学技术,五、正向遗传学技术（功能OR性状-基因）大规模诱变筛选（化学诱变和射线照射诱变）插入诱变筛选（利用转座子或病毒载体诱变）六、反向遗传学技术（基因-功能OR性状）基因敲除技术、条件基因敲除技术、RNA干扰技术、转基因技术、蚂啉代寡聚核苷酸技术（Morpholino oligonucleotides),用基因敲除法研究基因的功能,用转基因技术研究基因的功能,小结,什么叫发育与发育生物学发育生物学的研究内容以及动物发育的基本规律发育生物学的发展历程发育生物学研究的主要模式生物怎样研究发育生物学,谢谢大家！,
