1、发育生物学发育生物学Developmental Biology南通大学生命科学学院南通大学生命科学学院 朱道立朱道立绪绪 论论第一节第一节 发育生物学的研究对象、任务及发育生物学的研究对象、任务及其与其他学科的关系其与其他学科的关系 发育生物学的研究对象、任务发育生物学的研究对象、任务 发育生物学与其他学科的关系发育生物学与其他学科的关系 发育生物学在生命学科中的地位发育生物学在生命学科中的地位一一、发育生物学研究的对象、任务、发育生物学研究的对象、任务（一）对象 发育生物学（developmental biology）：应用现代生物学的技术研究生物发育机制的科学。生物个体发育（ontogen
2、y）：主要研究多细胞生物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡。也研究生物种群系统发生（systematics development）。1.以多细胞生物个体发育为对象 主要研究多细胞生物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育(妊娠、出生)、生长、衰老和死亡,即使生物个体发育（ontogeny）中生命过程发展的机制。2.研究多细胞生物的系统发生 研究生物种群系统发生(systematics development)的机制。（二）发育生物学的疑难问题发育生物学研究任务：分化问题；形态发生难题；生长难题；生殖难题；进化难题 发育生物学的任务：概括讲，即在生物个体层次和系统层次上揭示发育机
3、制问题。二、与其它学科的关系二、与其它学科的关系发育生物学是在胚胎学、细胞生物学、遗传学、生物化学和分子生物学等学科发展的基础上建立起来的一门新兴的学科。特别是胚胎学对其贡献最大。三、了解发育生物学的意义三、了解发育生物学的意义在理论方面：探讨与人类生存、健康密切相关的生命活动的奥秘。了解人类器官发生。在实践应用方面仅举3例：第二节第二节 动物发育的主要特征和动物发育的主要特征和 基本规律基本规律 严格的时间和空间的秩序性严格的时间和空间的秩序性 基本规律基本规律 发育时空秩序性的控制机制发育时空秩序性的控制机制一、主要特征：一、主要特征：具有严格的时间与空间的次序性。这种次序性是由发育的遗传
4、程序控制的。爪蟾个体发育的主要阶段和生活史。这是一个正常的遗传程序控制的例子。但在异常情况下，如受到不良环境刺激，或机体代谢紊乱，产生错误代谢产物，特别是蛋白质、酶类后，会改变细胞基因的表达，导致发育程序紊乱，就会危及动物的生存（如基因突变、遗传缺陷、癌变等）。二、动物发育的基本规律二、动物发育的基本规律 动物共同的发育阶段：一般从受精开始，到最后的组织器官形成，发育为幼体，再通过生长发育成为成体。（一）配子发生（gametogenesis）配子发生是在睾丸生精细管和卵巢内进行的。（二）受精(fertilization)精子与卵子结合形成双倍体合子的过程叫受精。受精是胚胎发育起始。（三）卵裂(
5、cleavage)受精卵体积较大，个体发育由此开始。卵裂过程的明显的特点是：不同于一般的细胞分裂，一般的细胞分裂MG1SG2M，有一个生长过程。而卵裂时，细胞没有生长期，只有MSMS，故卵裂球越分裂越小。（四）囊胚（blastula）桑椹胚细胞分泌液体，使细胞间出现空的腔隙，由小腔隙汇合成大腔隙，细胞向周围排列，形成中空的球体，称囊胚。（五）原肠胚（gastrula）外胚层神经系统（脑、脊髓）、表皮、晶状体、毛、齿、甲、爪等；中胚层骨、软骨、循环系统（心脏、血细胞）、性腺（泌尿生殖系统）、结缔组织等；内胚层呼吸系统、咽（甲状腺和甲状旁腺）、消化道（消化腺、肝、胰等）。（六）神经胚形成（neur
6、ula）在中胚层尚未完全形成时，胚胎背中部的外胚层细胞增殖并加厚，形成神经板，从两侧向上向内卷曲形成神经褶。两侧神经褶在中间汇合形成神经管。（七）组织和器官原基的形成(anlage formation of histogenesis and organogenesis)组织和器官原基的形成牵涉到两个过程，其一是图式形成；其二是细胞分化。1.细胞分化（cell differentiation）。细胞从一个受精卵经过分裂和分化，形成结构形态和功能各不相同的各类型细胞的过程叫细胞分化。图式形成最初涉及多种细胞生物形体模式（body plan）：主要包括胚轴形成(axisation)、体节形成（seg
7、mentation）、肢芽和器官原基（anlage）形成等事件。卵子（卵子（Oocyt）精子精子（Sperm）受精（受精（fertilization）卵裂（卵裂（cleavagecleavage）原肠作用（原肠作用（gastrulationgastrulation）器官形成（器官形成（organogenesisorganogenesis）囊胚（囊胚（Blastula）合子（合子（Zygote）原肠胚（原肠胚（Gastrula）神经胚形成（神经胚形成（neurulation）神经胚（神经胚（Neurula）幼虫（幼虫（Larval）成体（成体（Mature adult）变态变态(metamorp
8、hosis)胚胎胚胎发育发育三、极性在发育过程中的作用三、极性在发育过程中的作用 胚胎发育早期：整体构架即躯体的体轴；卵黄分布不均等性使受精卵分为动物极和植物极；各种蛋白、mRNA等物质的浓度不相同等；两侧对称的动物，胚胎发育首先要决定的是身体的前后、背腹及左右三个体轴。（一）灰色新月为细胞正常发育所必需（空间极性问题）。（二）发育的循序渐进和细胞命运的决定（时间极性）第三节第三节 发育生物学的发展简史（自发育生物学的发展简史（自学）学）后成论与先成论后成论与先成论 细胞理论对胚胎发育和遗传概念的影响细胞理论对胚胎发育和遗传概念的影响 发育的嵌合型和调整型发育的嵌合型和调整型 诱导的发现诱导的
9、发现 遗传学和与胚胎学的结合遗传学和与胚胎学的结合 分子生物学与发育生物学的结合分子生物学与发育生物学的结合 第四节第四节 发育生物学模式生物发育生物学模式生物 脊椎动物模式生物脊椎动物模式生物:非洲爪蟾非洲爪蟾,斑马鱼斑马鱼,鸡鸡,小鼠小鼠 无脊椎动物模式生物无脊椎动物模式生物:果蝇果蝇,线虫线虫发育生物学研究技术发育生物学研究技术 常用发育生物学研究技术常用发育生物学研究技术 发育遗传学技术发育遗传学技术 正向遗传学技术正向遗传学技术 反向遗传学技术反向遗传学技术 一、常用发育生物学研究技术一、常用发育生物学研究技术（一）显微镜技术 显微镜和解剖镜是必备工具，相差显微镜（phase con
10、trast microscope）、微分干涉差显微镜（differential interference contrast microscope）：适用于观察活的或未染色样品的精细结构。激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscope）利用荧光染料标记的特异性抗体或探针，对胚胎或细胞中的特定蛋白或mRNA的分布进行定性和定量研究。（二）组织切片技术 观察到胚胎的内部结构，通常进行组织切片：石蜡切片技术。冷冻切片是利用特殊的低温包埋剂对样品进行包埋，在低温条件下进行切片的技术。振动切片机可以切新鲜的或经过固定的动、植物标本，但切片较厚，不适于精细结构的观
11、察。（三）分子生物学技术 聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR），反转录PCR（RT-PCR），Northern印迹杂交，Western印迹杂交，免疫共沉淀技术常用于检测目的基因或蛋白质在某一发育时期或特定组织中的表达。抑制性差减杂交技术：其基本原理是以抑制PCR为基础的DNA差减杂交。（四）原位杂交技术 胚胎原位杂交：用于胚胎发育调控基因表达研究。原理是用各种标记物标记与体内特定mRNA互补的RNA分子（反义RNA），以它们作探针与动物的整体胚胎进行原位杂交，然后用相应的抗体来检测特异探针的分布。（五）显微注射 显微注射技术常用于将外源DNA、RNA或标
12、记物等导入早期胚胎细胞中。（六）报道基因技术 常用于启动子/增强子的分析研究。常用的报道基因有绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）和lacZ基因。（七）细胞标记技术 在发育生物学实验中经常会用到细胞标记技术，如对胚胎早期卵裂球分化命运图谱的研究，在胚胎移植实验中标记供体或受体组织，在显微注射实验中追踪被注射卵裂球的命运与表型等。细胞内标记物常用的是荧光标记葡聚糖和辣根过氧化酶，通过显微注射导入细胞内，经过荧光显微镜或组织化学方法进行定位。二、发育遗传学技术二、发育遗传学技术（一）正向遗传学技术 1.大规模诱变筛选 射线或化学诱变剂处理父本个体，在生殖细胞产
13、生随机突变，与野生型母本个体杂交，子一代（F1）个体携带基因突变。F1的每一个体再与野生型个体杂交，产生每一子二代（F2）群体内杂交。如F1个体携带基因突变，F2个体中就会有一半个体是杂交突变体，在F3代中有1/4的交配组合后代出现纯合突变个体而表现出某种发育异常。2.插入诱变筛选（insertional mutagenesis screen）利用转座子（transposon）或病毒载体作为诱变剂。在果蝇中常用P-因子转座子，反转录病毒是一类RNA病毒。3.突变基因的克隆 多数情况下采用定位克隆（positional cloning）的办法。较常用的分子标记检测手段包括简单序列长度多态性、限制
14、片段长度多态性和单核苷酸多态性分析。可以将突变基因定位到几百千碱基的范围内。再获取该染色体片段的基因组序列。过去通常要采用染色体步行或染色体跳跃来进行。（二）反向遗传学技术1.基因敲除技术（gene knock-out）基因敲除是获得携带有特定基因突变个体的技术，基因敲除技术是研究基因在发育中的功能的重要方法。2.条件基因敲除技术（conditional knockout）通常采用的是Crelox系统。Cre编码一种重组酶，可以识别并结合loxP位点并切除位于两个loxP位点之间的序列。要进行条件基因敲除技术需要构建两个小鼠品系，在其中一个品系中在靶基因两侧都插入loxP位点，在另一个品系中需
15、要转入由组织特异性启动子控制的cre基因。如果将这两个小鼠品系进行杂交，其后代小鼠中，cre会在特定组织中表达，在这些组织中，靶基因就会被Cre切除而失活，从而实现组织特异性的基因敲除（图绪.16）。3.RNA干扰技术 抑制某一特定基因的表达是研究基因功能的重要方法。RNAi的作用机制如图绪.17所示。在RNAi过程中，长的dsRNA首先被一种RNA酶III（Dicer）裂解为2123个核苷酸的小干扰dsRNA（small interfering RNA，siRNA），这些siRNA带有5端磷酸基团和3端的羟基，3末端带有23个突出的核苷酸。siRNA近而结合到一种蛋白复合体中，形成RNA诱导
16、的沉默复合体（RNA induced silencing complex，RISC）。双链siRNA解旋，RISC利用其反义链识别同源mRNA并在配对区是中间将目标mRNA水解，从而导致特异性的基因表达抑制。4.吗啉代寡聚核苷酸（morpholino oligonucleotides，MO）MO是利用反义寡聚核苷酸抑制特定mRNA的翻译而阻断目的基因功能的方法。5.显性抑制（dominant negative）显性抑制即通过过量表达显性抑制型蛋白以阻断内源蛋白活性，通过某种修饰或加工抑制野生型蛋白功能的缺陷性蛋白。6.转基因技术（1）将外源基因直接注射到受精卵的细胞核中。（2）通过胚胎干细胞介
17、导。7.7.基因捕获（基因捕获（gene trapgene trap）与增强）与增强子捕获（子捕获（enhancer trapenhancer trap）是一种报道基因转基因技术，基因捕获技术采用的转基因结构包含3部分：1个剪切位点、1个报道基因和1个可筛选基因（如抗药性基因，图绪.19）。8.果蝇中的克隆化分析（clonal analysis）克隆化分析用于在胚胎特定组织中诱导产生带有某一基因突变或过表达的细胞群，以精确分析某些基因或信号途径在发育过程中的功能。这一方法常用于果蝇成虫盘研究。克隆化分析是基于FLP重组系统的。主要参考书主要参考书Gilbert S.F.,Development
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19、s in Developmental biology.BIOS Scientific Publishers LimitedBalinsky,B.L.,1975,An Introduction to Embryology,4th Edition,Saunders Company,london.Twyman RM.,2019,Instant Notes in Developmental biology.BIOS Scientific Publishers Limited相关网络资源相关网络资源 ncbi.nlm.nih.gov/ncbi.nlm.nih.gov/Developmental Biol
20、ogy TutorialDevelopmental Biology Tutorial:The Virtual Embryo:The Virtual Embryoucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/db_tutorial.htmlXenbase:a Xenopus web resource Xenbase:a Xenopus web resource xenbase.org/The Zebrafish Information Network:ZIFNThe Zebrafish Information Network:ZIFNzfin.org/The Interactive Fly:A cyberspace guide to Drosophila developmThe Interactive Fly:A cyberspace guide to Drosophila developmententsdb.bio.purdue.edu/fly/aimain/1aahome.htmCaenorhabditis elegans WWW ServerCaenorhabditis elegans WWW Serverelegans.swmed.edu/谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生
