发育生物学绪论.ppt
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1、发育生物学,(Developmental Biology),发育生物学,一门充满魅力的学科,了解生命,维护健康,培养科学的逻辑思维而认知世界,发育生物学相关期刊,发育生物学的研究内容及基础、发展简史; 动物发育的主要特征和基本规律; 发育生物学中的动物模型及研究技术。,知识点,我是谁? 我是从哪里来?我到哪里去?,佛说:从来出来,到去处去。,什么是发育生物学,保罗 高更,卵子正在静静地等待.,精子已经进入了卵子,两原核融合,人类胚胎发育过程,两细胞期,四细胞期,多细胞期(桑葚胚),囊胚形成, 开始着床,早期胚芽.手和脚的雏形已经出现.,脐带出现, 从母体获得生长所需要的一切:营养,氧气等并且排
2、出废物.,象条鱼,器官分化出现眼睛,耳朵,手和脚,3个月,爪蟾个体发育的主要阶段和生活史,配子产生(gamete) 受精 (fertilization) 卵裂 (cleavage) 囊胚(blastula ) 原肠胚形成(gastrula ) 神经胚形成 neurulation 器官原基形成 (organogenesis) 变态 metamorphosis 成体 maturity,发育的基本过程,1.配子发生:产生成熟的精子和卵子的过程。 2.受精:为精子和卵子相遇并结合的过程。 3.卵裂和囊胚:受精卵连续分裂,产生的细胞称为卵裂球,然后由它们形成多细胞的囊胚。 4.原肠形成:囊胚的细胞经过多
3、种多样的形态发生运动产生由外胚层、中胚层和内胚层组成的原肠胚。 5.器官发生:三胚层的细胞相互作用分化形成各种不同器官的原基。 6.变态:有些动物,如两栖类和昆虫,在发育过程中经历一个幼虫阶段,然后经过“脱胎换骨”的变化发育为成体的过程。,受精卵经发育分化形成3个胚层和多种细胞,绪 论,一、研究对象、研究任务与其他学科间的关系 二、动物发育的主要特征和基本规律 三、发展历史 四、发育生物学模式生物 五、发育生物学研究技术,第一节 发育生物学的研究对象、研究任务及其与其他学科的关系,发育(Development):亦称发生,指生命现象的发展,包括有机体从其生命开始(单个细胞,受精卵)到个体成熟、
4、衰老、死亡的过程。,生物有机体的自我构建和自我组织。,发育生物学(Developmental Biology),研究生物个体发育过程及其调节机制的一门学科;应用现代生物技术研究生物体发育本质的科学。 是胚胎学、细胞生物学、遗传学和分子生物学研究的交汇点。,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生,进化难题,进化涉及发育中的遗传变化。 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。,发育生物学是应用现代生物学的技
5、术研究生物发育本质的科学。 一是研究受精卵怎样发育成生物有机体的过程与机制。 二是研究物种群体系统发生的机制。 此外,异常的发育,如肿瘤、畸形等病态发育亦纳入发育生物学的研究范畴。,发育生物学主要研究内容,发育生物学的研究任务,生命体发育过程: 单细胞多细胞组织、器官完整生物体 出生生长衰老死亡(生命的主题曲) 基础:细胞分化(cell differentiation) (人:250 种细胞类型) 遗传程序及其调控机制 遗传信息在一定的时间、空间上的次序表达。,发育生物学的主要研究热点,体轴决定 中胚层分化与器官发生 细胞分化(干细胞、细胞凋亡、细胞分化决定、基因的重编程、体细胞克隆) 神经发
6、育 发育调节与信号通道 发育与进化,发育生物学与传统胚胎学的区别,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。,发育生物学和胚胎学的区别,*胚胎学(Embryology) 1.对发育过程形态演变的追踪; 2.从受精卵到幼体建立; 3.研究突出:形态比较, 缺乏相互间内在联系;,*发育生物学 发育的分子生物学过程和机制 从生殖细胞形成至个体衰老死亡 将多种多细胞生物个体发育放在 生物进化的总背景下进行考察,遗传学和发育学的结合 1909年Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的概念,使遗传学和
7、胚胎发育学 首次发生关系;1934年,摩尔根首次提出了富于魅力的基因调控概念。 1980年沃哈德(CNsslein-Volhard)和韦乔斯(Eric Wieschaus)的工作首次证实,果蝇发育所涉及到的基因(发育基因)能被分成若干不同的功能区域。随后的研究表明,相似或相同基因也存在于高等生物乃至人类当中,并且证明它们也控制着胚胎发育过程中体节的形成。,间隙基因、成对基因、节段极性基因、同源异形基因 (Hox基因),发育基因,1、严格的时间和空间的次序性 遗传程序的控制和有机体的各种细胞协同作用的结果。 2、发育有两个主要功能 产生细胞的多样性通过繁殖产生新一代的个体,使世代连续。 3、发育
8、过程中的基本机制 主要有细胞分裂、细胞分化、图式形成、形态发生、生长等。,第二节 动物发育的主要特征和基本规律,Five major developmental processes,一、细胞分裂Cell division 有丝分裂/减数分裂 卵裂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。,二、细胞分化 Cell differentiation,人类胚胎可最后发育出至少250种不同细胞类型。 分化通常是不可逆的。,三、 图式形成 Pattern formation,(1) 躯体轴线的制定,Pattern formation (2) 胚层的形成,Patte
9、rning常涉及positional information的翻译,四、形态发生Morphogenesis 最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。,五、生长(Growth) 胚胎在基本的pattern形成之后,其体积会显著增长,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。,人类身体各部分生长的速度并不相同,九周以后身体其他部位的生长速度超过了头部。,发育的细胞基础 发育的分子基础,细胞分裂 增加了细胞个数 满足了细胞的快速增值和发 育进程 细胞分化 为机体细胞的多样性提供了保证 细胞生长 影响了器官体积大小 细胞凋亡 抑制癌变细胞或受损细胞的增值并及时清
10、除。 细胞迁移 为器官发生了提供了细胞来源 模式形成 使细胞分化按一定的时空顺序发生,确定了机 体的统一性,发育的细胞共性事件(细胞行为),Cell state: 指基因活性状况。 Cell-to-cell signaling: 细胞间信号的传送、接受、反应。 Cell movement and cell-shape changes:细胞通 过形态改变及 动产生的机械动力,导致特殊结构的形成。 Cell proliferation: 躯体不同部位的细胞增生速度不一,可导致 整体结构的改变。,发育的细胞共性事件(细胞行为),每个细胞的细胞核中含有相同的,完整的遗传信息,因此细胞核是细胞具有发育全
11、能性的基础。,发育的分子基础,在任何时间一种细胞的基因组只有少部分在活动,大约仅占全部基因的5%到10%,管家基因(House-keeping gene):指在生物体内所有细胞中都表达,并且为维持细胞基本生命活动所需而时刻都在表达的高度保守的基因。最常用的是ACTB和GAPDH。 奢侈基因(Luxury gene):即组织特异性基因(tissue-specificgenes)不同细胞中专一的选择性表达,其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与功能。例如血红蛋白基因只在血细胞内表达 。,基因(gene),(protein),基因通过调控蛋白的生成来控制细胞行为(中心法则),发育学中心问题: 一
12、个个体所有类型的细胞都有一个相同的基因组 ,因此,细胞间的差异必然通过基因活动的差异来体现。在恰当的时间和恰当的细胞中启动恰当的基因是发育的中心问题。,基因,细胞共性事件(细胞行为),发育,蛋白质,第三节 发展历史,希腊哲学家Aristotle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: 先成论(Preformation):生物个体的一切组成部分都早就存在于胚胎中,各个部分随着胚胎的发育而长大。 后成论(Epigenesis): 在胚胎的发育过程中,各种结构是逐渐形成的,1、后成论和先成论,17世纪,精原学说的代表人物Nicholas Hartsoeker所想像的
13、精子中的微型人 法国科学家Bonnet(1745)提出胚胎发育套装论,19世纪30年代末:Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出细胞学说。 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受精卵的观察发现,受精卵含有两个细胞核,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。,2、
14、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念,3、Mosaic and Regulative Development 19世纪80年代,Weismann提出了mosaic development学说: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。,3、Mosaic and Regulative Development(续) 支持嵌合体学说的实验证据:Wilhelm Roux的实验,3、Mosaic and Regulative Development(续) Wilhelm Roux的同事Hans Driesch的下述实验表明,胚胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力,
15、即胚胎发育是可调节的。,自主特异化,条件特异化,A,E,A,C,E,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,自主和条件特异化,镶嵌发育:,调节发育:,形成体,原基分布图,ABCDE,ABCDE,4. 诱导(induction)现象的发现 1924年,Spemann和Hilde Mangold发现一种组织能够指导另一种组织的发育。,诱导者(inducer)或组织者; 反应细胞(responding cell); 两栖类原肠胚和实验中首先发现的; 发育过程中的一个普遍现象; 分级诱导; 诱导物质可能是蛋白质及核酸.,1924年,Hans Spemann和Hilde mangold的移植实验表明,胚
16、胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育。,第三节 研究发育生物学的模式生物,由于进化的原因,细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性,所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。,早在20世纪初,人们就发现,如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量更少,分布相对单一,变化也较好观察。,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
17、可以使用于其他比较难以研究的生物,特别是推测相似的人体基因的功能。,生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究,用于揭示某种具有普遍规律的生命现象,此时,这种被选定的生物物种就是模式生物。,定义,1)其生理特征能够代表生物界的某一大类群;,4)容易进行实验操作,特别是遗传学分析。,2)容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖;,3)世代短、子代多、遗传背景清楚;,一种模式生物应具备的特点,常见的研究发育生物学的模式生物,果蝇:学名黑腹果蝇(fruit fly, Drosophila melanogaster),自1909年摩尔根(Thomas Hunt Morgan,18661945)将之用作研究遗传
18、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。,果蝇,遗传学与分子发育生物学的国王,雌蝇,雄蝇,雄蝇,,果 蝇 作 为 模 式 生 物 的 优 点,生命周期短,个体小,易饲养。,具有几十个易于诱变分析的遗传特征,并保持有大量的突变体。,有比较简单的染色体组成,且涎腺细胞中含有巨大的多线染色体。,卵子发生过程已为早期胚胎发育积累了充分的营养,且产出的卵子大,易于观察。,胚胎发育速度快。,幼虫存在变态过程,是分析器官芽细胞增殖机制的理想模型。,,在世纪生命科学发展的历史长河中,果蝇扮演了十分重要的角色,是十分活跃的模型生物。,Thomas Hunt Morgan 186
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