发育生物学-发育前言与发育生物学简史.ppt

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1、Biology 00811900Developmental Biology,Spring,2013,Prof.Sun Fei(孙斐),MD,PhD Rm.:522/515 Telephone:63600847,发育生物学,Course Description,Textbook,张红卫等 2006 发育生物学 高等教育出版社 Wolpert L.2007 Principles of Development 发育的原理 科学出版社,发育(Development),一个细胞(受精卵 zygote)不断分裂和分化,即一个有机体从其生命开始到性成熟的变化过程称为发育。它是从单个细胞演变成复杂的多细胞生物

2、的过程,是生命现象的发展、生物有机体以遗传信息为基础的自我构建和自我组织的过程,是基因按照特定的时间和空间选择性表达并逐步转化为特征表型的过程。,狭义:a single cell(fertilized egg)give rise to a multicellular organism,发育生物学,?,200 different cell types,1 cell type,广义：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,即生物个体发育中生命现象发展的机制。也研究生物种群系统发生的机制。,发育生物学,发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学。发展过程：形态 机理；组织器官

3、细胞 分子,主要内容,Draw out embryonic development from 1-cell stage,cleavage(卵裂),blastula(囊胚),gastrula(原肠胚),germ layer formation(胚层形成),neurulation(神经胚),organogenesis(器官形成),主要内容概图,Unite the disciplines of embryology,cellular and molecular biology,genetics and embryology 借助于分子、细胞、组织器官各个层面上研究所取得的巨大成就，阐明发育的机理，将

4、对揭示生命运动的奥秘和促进生物学基础理论的大综合做出重要贡献。,发育生物学与其它学科关系,与传统的胚胎学（embryology）不同，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。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，即胚胎发育。但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。,一些动物能够再生出失去的器官。一种蜥蜴（South eastern five-lined skink,东南五线石龙子）在防御中丢弃自己的尾巴。,有尾两栖类蝾螈晶状体的再

5、生,Impact on Society 发育工程与基因工程、细胞工程等技术相结合，将渗入农业、畜牧养殖业、制药业、医疗保健业和优生优育等广泛领域，对人类社会的产业结构、经济、法律、伦理等产生深远影响。,发育生物学与其它学科关系,Impact on Society Birth defects,Human reproduction is an inefficient process:50%of concepti do not implant(implant.8-10 dpf).a further 30%die and abort after implantation.,3-4%of all liv

6、e births possess a macroscopically visible congenital defect.,发育生物学与其它学科关系,Impact on Society Birth defects,1%of all babies are born with a heart defect,20%of neonatal deaths are caused by congenital defects,Developmental defects seen at birth are caused by defects in the cellular processes of develo

7、pment.,发育生物学与其它学科关系,Impact on Society IVF Teratology Cancer,发育生物学与其它学科关系,2010 Nobel Prize in Physiology or Medicine,Robert Edwards,gets nod for developing in vitro fertilization,University of Cambridge,1978,the first baby was born through IVF treatment.2010,approximately 4 million babies will be bor

8、n from the procedure.,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，已迅速跃迁为生命科学领域中最活跃的主流学科之一。,迷人的领域,发育生物学与其它学科关系,The principal phenomena of development as illustrated in a variety of model organisms and systems.The cellular and molecular basis of development.Both classical and modern techniques which are employed

9、 in the field.An introduction to the rapidly advancing field of developmental biology.,发育生物学教学内容,第一章 绪论 1.1 动物发育的前言及发育生物学简史1.2 发育生物学模式生物 1.3 发育生物学研究技术 第二章 发育生物学基本原理(13学时)2.1 发育的基本过程 2.2 细胞命运的决定及命运图 2.3 细胞分化的分子机制 2.3.1 基因的转录调节 2.3.2 转录后调控 2.4 发育中的信号传导,发育生物学教学大纲,第三章 动物胚胎的发育 3.1 受精的机制 3.2 哺乳动物胚轴形成与胚层分化

10、 3.3 脊椎动物体节形成与早期神经系统的图式形成 3.4 哺乳动物的生殖系统 3.5 生殖细胞（精子和卵子）发生 3.6 生长与胚后发育第四章 发育生物学的新研究领域(6学时)4.1 干细胞 4.2 microRNA的调控 4.3 考试复习,发育生物学教学大纲,Course Goals,Literacy in the concepts,terminology and methodology of developmental biology An understanding for basic processes of development A knowledge base allowing

11、 for advanced study in development and related fields.,Course Requirements and Evaluation,Participation 10%Assignments or quiz 30%Final exam 60%Total 100%,Brief history of Developmental Biology,发育生物学的发展简史,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

12、。,发展历史一、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争 希腊哲学家Aristotle(384-322 B.C.)在公元前第4世纪在对鸡胚和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种假设：Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存在(performed)于胚胎中，各个部分随着胚胎的发育而长大。Epigenesis:在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的,这个过程叫epigenesis。Aristotle：首先提出胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的,17世纪，精原学说的代表人物Nicholas Hartsoeker所想像的精子中的微型人法国科学家Bon

13、net(1745)提出胚胎发育套装论,精源学说：胚胎预先存在于精子中,Theory of performation,Theory of performation,卵源学说：卵子中本来就存在微小的胚胎图形,17世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的鸡胚,胚胎是成体的雏形，是配子中固有的结构，胚胎发育仅仅是原有结构的增大。,二、细胞理论改变了胚胎发育和遗传的概念,1840：German biologist Weismann A.:动物的细胞可以分为体细胞（somatic cell）和生殖细胞（germ cells）他认为后代的遗传特征不是来自体细胞，而是来自生殖细胞，生殖

14、细胞并不受体细胞的影响。生殖细胞和体细胞不同。,19世纪30年代末：The cell theory:Schleiden and Schwann:cells are the basic units of life,二、细胞理论对胚胎发育和遗传概念的影响,1840,August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化出不同组织，从而否定了preformation论。19世纪对Sea Urchin受精卵观察发现，受精卵含两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含有遗传的物质基础。19世纪末，染色体的发现和

15、发现染色体数目在发育中的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。体细胞的染色体数保持不变，但是在配子形成过程中，二倍体(diploid)的前体细胞经过减数分裂(meiosis)形成单倍体(haploid)，两性单倍体配子通过受精形成二倍体的合子，再由合子产生胚胎。揭开了新篇章。,三、发育的嵌合型和调整型,Mosaic development,19世纪80年代,Weismanns theory:合子的细胞核中含有大量特殊的信息物质-决定子(determinants)，在卵裂过程中这些决定子不对称分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。命运在卵裂时就已由合子核信息决定，决定子在核中的分布是分散存在的

16、。核心：强调早期卵裂必须是不对称分裂。由于合子成分的不均匀，其卵裂的结果产生的子细胞彼此之间完全不同。,三、发育的嵌合型和调整型,Mosaic development,Rouxs experiment to test Weismanns theory：热针破坏蛙胚的一个分裂球，存活的另一个分裂球只能发育成为半个胚胎。“蛙的胚胎发育存在嵌合型发育机制，细胞的体征和命运是在卵裂的过程中决定的。”,三、发育的嵌合型和调整型,Regulatory development,Drieschs(Rouxs fellow countryman)experiment:在海胆两细胞期将两个分裂球分开，得到一个发育

17、正常但个体较小的海胆幼体。首次证明发育过程中存在调整型发育机制。胚胎在局部被排除或受损伤后,可产生胚胎细胞位置的移动或重排,胚胎仍具正常发育的能力，即胚胎发育是可调节的。,四、诱导(induction)现象的发现,1924,Spemann&Mangold 胚孔背唇移植实验：将蝾螈原肠胚早期的胚孔背唇移植到另一同期受体胚胎的胚孔侧唇表明，随着受体胚胎的发育，大部分移植组织也内陷进入胚胎内，在原肠胚后期诱导产生了另一个次生胚。胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育。,四、诱导(induction)现象的发现,诱导：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

18、组织，诱导者可指令临近反应组织的发育。细胞之间的相互作用是胚胎发育的核心问题。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)。,四、诱导(induction)现象,1935 Nobel Prize,五、遗传学和胚胎学相伴而来,1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。1909年:荷兰植物学家Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。基因型(genotype):有机体从双亲获得的遗传信息所赋有的特性。表型(phenotype):有机体在不同发育时期表现出来的形态、结构、生化等特征。,基

19、因型控制发育，有机体的表型又受到环境因子和基因型的共同影响。如twins具有相同的基因型，但环境差异导致表型差异。发育受遗传程序的控制，遗传特性通过发育展现出来。,六、分子生物学和发育生物学的结合,1940s:turning point:DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成。1950s:DNA为双螺旋结构。1960s:三联体密码被破解。蛋白质合成调控机制的操纵子学 20世纪70年代：DNA重组技术出现。20世纪80年代：转基因技术出现。20世纪90年代：动物克隆技术出现。世纪之交：HGP。新的突破：stem cells,proteomics,conditional gene knockout,m

20、utagenesis 有助于回答发育的遗传程序是以何种方式编码在基因组DNA上，编码在DNA上的遗传信息又如何控制生物体的发育等问题。结合模式生物来研究。,Understanding how genes control embryonic development,Summary,2000多年前，Aristotle 认为胚胎不是在卵中预先形成的缩微个体，而身体的形态和结构是随着胚胎的发育逐渐出现的；17、18 世纪先成论占主导地位，19 世纪细胞理论的出现最终支持了后成说。精子和卵子虽然高度特化，但都是单独存在的细胞。非常早期的海胆发育是可以调整的，即使某些细胞被去除，胚胎发育仍可正常进行，提示发育至少部分依赖胚胎细胞间的通讯。细胞间相互作用重要性的直接证据来自1924年Spemann 和 Mangold所作的“组织者”移植实验，实验表明将两栖类组织者区移植到另一个胚胎时，它能够诱导受体组织产生新的部分胚胎。,Summary,基因在调控胚胎发育中的作用直到最近的三十多年才被充分重视，分子生物学技术的介入使得研究发育的遗传基础变得相当容易。发育生物学仍是个新兴的学科，已成为当代生命科学研究的前沿和热点领域之一，发育生物学与其他生命科学的结合，对于医学和农业的发展正发挥重要的作用。,