1、发育生物学绪论1.发育生物学简介 2.发育生物学基本概念 3.发育生物学发展简史 4.发育生物学模式生物5.发育生物学五大未解难题第一节发育生物学简介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 different-iation） 。从个体发育
2、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主要任务。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序及其调控机制。发育生物学的主要研究热点1 体轴决定。2 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）。3 神经发育。4 发育调节与信号通道。5
3、 发育与进化。第 1 节 发育生物学基本概念发育的主要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。多细胞有机体的发育有两个主要的功能：1. 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。2. 通过繁殖（reproduction ）产生新一代的个体，保证世代的交替和生命的连续。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（fertilization） 。通过受精激活发育的程序，受精卵开始胚胎发育（embryogenesis）
4、 。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。发生分化的细胞常常分泌一种抑制性信号作用于相邻的细胞，结果形成侧面抑制。侧面抑制能够形成空间的模式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
5、250 种以上的细胞。发育的细胞共性事件细胞分裂满足细胞快速增殖发育进程。细胞分化机体细胞多样性的保证。模式形成使细胞分化的时空顺序发生，确立机体的统一性。细胞迁移为器官发生提供细胞来源。细胞凋亡抑制癌细胞或受损细胞的增殖，并给予及时的清除。 第 3 节 发育生物学发展简史后成论与先成论的持久论争早在公元前 4 世纪，Aristotle 对于动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。在观察鸡、星鲛和一些无脊椎动物胚胎发育的基础上，他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（theory of epigenesis） ，也称渐成论。他的思想在 1
6、9 世纪末之前一直占有主要地位 。直到公元 17 世纪后期和 18 世纪，以精源学说和卵源学说为代表的先成论（theory of performation）占据了统治地位。两种学说的共同点认为胚胎是成体的雏形，是配子中固有的结构，胚胎发育仅仅是原有结构的增大。这两种学说还认为卵子中含有所有后代的微小胚胎，一个世代包含下一个世代，使种族得以延续。17 世纪意大利杰出的胚胎学家马尔比基（M Malpighi）对鸡胚的发育作了相当细致的描述，但也未能摆脱先成论观点的束缚，他仍然深信胚胎在形成之初就已经存在了。1759 年，德国科学家 Wolff 根据自己对鸡胚发育的仔细观察，认为卵子中并不存在胚胎结
7、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。细胞理论改变了胚胎发育和遗传学的基本原理 1839 年，德国著名植物学家 Schleiden 和生理学家 Schwann 指出细胞是生命的基本单位，通过细胞的有丝分裂产生其他的细胞。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。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。发育的嵌合型合调整型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（determin
8、ant） ，在卵裂的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。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 developmenWeismann 理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。德国生物学家魏斯曼（August Wisman）发现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，生殖细胞并不受体细胞的影响。 Driech（1891）首先证明海胆发育过程中存在调整型发育（ re
9、gulative development）：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。诱导现象的发现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，故称为组织者（organizer） 。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。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。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） ，后者称为发应组织，诱导者可指令邻近反应组织2. 性染色体架起了基因与发育之桥Mor
10、gan 等对果蝇伴性遗传（sex-linked inheritance）性状的鉴定以及由此进行的一系列研究架起了基因与发育之桥。也正是由于基因论的影响，才推动了以描述形态为主的胚胎学向致力于阐明发育机制的发育生物学的进步和发展。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。第四节 发育生物学模式生物发育生物学中的模式动物概念：对某些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，这些生物被称为“模式生物”特点：生理特征能够代表生物界的某一大类群；容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；容易进行实验操作，特别是遗传学分析；常见模式生物：酵母、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠等。线
11、虫秀丽隐杆线虫生物显微镜下，它通身透明，纤细的身躯优雅的摆动，每一块肌肉的收缩与松弛的一览无余。它生活在土壤中，以细菌为食，被称为“自由线虫”。线虫之所以能在经典模式生物的名单中占有一个重要位置和它的形态特点有密切关系，它是唯一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。它的幼虫含有 556 个体细胞和 2 个原始生殖细胞，成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有 3 天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。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 100
12、0 个生殖细胞。第五节发育生物学五大未解难题分化难题。形态发生难题。生长难题生殖难题。进化难题。1、分化难题开始为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。
