1、1绪论定义：发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学。发育生物学研究内容：一个受精卵如何通过一系列的细胞分裂和分化，产生有机体的所有形态和功能不同的细胞，这些细胞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。常用的发育生物学研究技术：显微镜技术，组织切片技术，分子生物学技术，原位杂交技，显微注射技术，报告基因技术，细胞标记技术信号转导是细胞间通讯的主要形式，即由信号细胞产生信号分子，诱导靶细胞发生某种反应，靶细胞通过特异性的受体识别细胞外信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内信号，引起细胞发生反应，称为信号转导。
2、参与早期胚胎发育的主要信号途径包括：Wnt、TGF/BMP、Hedgehog 、RTK、Notch 信号途径等。脊椎动物模式生物：两栖类是非洲爪蟾，鱼类是斑马鱼，鸟类是鸡，哺乳动物是小鼠。无脊椎动物模式生物：果蝇，秀丽隐杆线虫，生殖细胞的发生生殖细胞：指机体用来产生精子和卵子的细胞，它们可以长期存在于机体内而死亡、消失。生殖质：具有一定特殊形态结构的特殊细胞质，由蛋白质和 RNA 构成，可以被嗜碱性染料着色。生殖细胞的分化：原生殖细胞（PGCs) 迁移进入生殖腺原基-生殖嵴 分化生殖细胞哺乳动物生殖细胞的迁移在原肠胚期，小鼠的 PGC 位于上胚层中。在 7 天的小鼠胚胎中，约 8 个 PGC
3、位于原条后部的胚外中胚层中，其后它们迁移经过内胚层、尿囊、卵黄囊到达后肠，再沿后肠背壁向前迁移到达生殖嵴，此时的 PGC 达 25005000 个。生殖细胞定向分化的决定：1、是生殖干细胞进入减数分裂进行配子发生还是继续进行有丝分裂增殖生殖干细胞。2、是进行减数分裂的细胞发育成卵子还是精子。Notch 信号转导在决定生殖干细胞进入减数分裂还是继续有丝分裂中起着重要作用，负责维持末端细胞进行有丝分裂。哺乳动物精子发生的过程：哺乳动物精子的结构顶体，核，线粒体，鞭毛。卵母细胞成熟标志形态学标志 ：核膜破裂，染色体凝聚，纺锤体形成，第一极体排出，停顿在第二减数分裂中期。分子水平： cAMP 浓度下降
4、，Ca 离子浓度上升，蛋白质合成增加，MPF 等生物活性物质出现。受精：两性细胞融合并创造出具有源自双亲遗传潜能的新个体的过程。精子获能：精子在获能因子的作用下，精子膜产生一系列的变化，进而产生生化和运动方式的改变，是顶体反应的前奏。影响因子：蛋白激酶活性：PKA，PKC，酪氨酸激酶，受精促进肽（FPP)精卵识别：精子与滤泡细胞、ZP 和卵质膜在 3 个水平上独立的准确的相互作用。顶体反应：精子顶体水解酶与卵子的 ZP 蛋白相互作用，使精卵相互黏附，同时进行膜的融合。顶体反应的调控机制离子调控，脂质调控，磷酸肌醇调控阻止多精入卵的机制：1、电势改变产生的快速阻止：海胆的第一个精子与卵质膜结合后
5、的13 秒内，因钠离子的流入而导致膜电位的迅速升高，从而阻止其它精子与卵膜的结合。 2、形成受精膜的慢速阻止：海胆卵受精后 2060 秒内，质膜下的皮质颗粒与质膜融合，释放其内含物形成受精膜，阻止其它精子的进入。2卵的激活包括皮层反应，减数分裂恢复，第二极体排出，DNA 复制和第一次卵裂。胚胎的早期发育卵裂指受精卵开始有丝分裂将大量的卵质分配到无数个小的，具有细胞核的细胞中去。卵裂的主要特点包括：分裂周期短;分裂球的体积下降; 早期卵裂中合子基因大多处于休眠状态；卵裂常经历由均等裂向不均等裂变化卵裂方式的决定因素：1、卵质中卵黄的含量及其分布情况。2、卵质中影响纺锤体方位、角度和形成时间的一些
6、因子。卵裂的类型海胆、爪蟾、小鼠、鸡、果蝇卵裂的特点海胆：第四次分裂后将开始不均等分裂，第7 次分裂后产生 128 细胞组成的囊胚 . 植物极的 micromeres 是生骨中胚层命运，具有起动原肠作用、诱导第二胚轴的活性。蛙类：卵黄对卵裂的阻碍作用导致卵裂沟延伸缓慢、第三次纬裂发生不均等分裂。植物极半球分裂的速度始终较慢，所以囊胚的植物极细胞较大。哺乳动物旋转型全卵裂：第 1 次为经线裂，其后的 2 个卵裂球各采不同的卵裂方式。早期卵裂球的卵裂不同步，可产生奇数细胞的胚胎。鸟类的盘状偏裂：胚盘为动物极直径约 23mm 的胞质区，前 3 次卵裂经线裂，发生在输卵管中，胚盘为单细胞层，仍与卵黄相
7、接触昆虫受精卵行表面卵裂。由于大量的卵黄位于卵的中央，因此卵裂被限制在卵的外围卵质中。表面卵裂的特征是，直到核已经分裂，细胞还不能形成。卵裂的分子机制：一、卵裂的周期调控，二、促成熟因子，MPF：由 Cdc2 和 CyclinB 两个亚单位构成，具有恢复减数分裂的能力，在 M 相时活性最高三、cdc2 激酶四、细胞周期蛋白（cyclin）五、cdc25 磷酸酶六、细胞分裂检查点七、细胞静止因子原肠作用的概念和主要特点原肠作用是指囊胚细胞有规则的移动，使细胞重新排列，用来形成内胚层和中胚层器官的细胞迁入胚胎内部，而要形成外胚层的细胞铺展在胚胎表面。原肠作用期的胚胎叫原肠胚。原肠作用中的主要细胞迁
8、移1、外包(epiboly): 表皮层做为一个整体扩展，使胚胎的内层被覆盖。2、内陷(invagination): 指胚胎的局部区域的内陷。3、内卷(involution): 指正在扩展的外层向内卷折，去从内铺盖原来的外层细胞。4、内移(ingression): 指表层的单个细胞迁入胚胎的内部。5、分层(delamination):指一个细胞层分成两层或多或少平行的细胞层。6、会聚伸展(convergent extension): 指细胞间相互插入，使所在组织变窄、变薄，并推动组织一定方向移动。海胆的原肠作用：原植物极中央细胞内陷进入囊胚腔，表皮细胞转变成为初级间质细胞，然后内胚层表皮细胞内陷
9、和扩展，其前端表皮细胞转化为次级间质细胞。两种间质细胞都将长出伪足，后者起定向和驱动细胞移动的作用。爪蟾的原肠作用：缘区内胚层瓶状细胞内陷- 缘区细胞向胚孔背唇迁移- 通过胚唇进行内卷-形成原肠中胚层套膜前沿的内卷细胞沿胚孔顶壁内表面迁移 脊索中胚层;脊索中胚层通过胚胎背部集中延伸；预定外胚层细胞通过细胞分裂和细胞插入混合合并为单层细胞向植物极下包；内、中、外三个胚层位于适当的位置3哺乳动物的原肠作用*：上胚层和下胚层的形成：在原肠作用开始时，内细胞团分裂为两层。与囊胚腔接触的一层为下胚层，将用于形成 yolk sac；另一层为上胚层。上胚层细胞间的缝隙将合并、扩大成为羊膜腔，腔中的液体可防止
10、胚胎脱水和保护胚胎受振荡。上胚层将发育为胚胎的本体。胚胎诱导胚胎诱导在动物胚胎发育过程中，一部分细胞对其邻近细胞的形态发生产生影响，从而决定其命运或分化方向的现象产生影响并引起另一种细胞或组织分化方向变化的细胞或组织称诱导者（inductor）或组织者。Nieuwkoop 中心在两栖类囊胚中最靠近背侧的一群植物半球细胞，对组织者有特殊的诱导能力初级诱导原肠胚的脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经板，神经板形成神经管初级诱导三个阶段：中胚层的形成和分区，神经诱导，中央神经系统的区域化。反应细胞（组织）接受影响（诱导）并改变分化方向的细胞或组织叫反应细胞。特点具有感受性才能接受诱导者的刺激发生分化
11、的变化次级诱导通过一种组织和另一种组织相互特异的制定它的命运三级诱导次级诱导的产物通过与相邻组织的相互作用进行三级诱导单细胞水平的诱导作用果蝇视网膜的 sev 和 boss 基因，秀丽线虫阴门的诱导邻近组织的相互作用1、容许相互作用 需要一个容许潜能表达的环境指令相互作用 2、改变反应组织的细胞类型 ，由于反应组织的发育潜能不稳定，发育方向和过程取决于接受的诱导刺激的类型中胚层的形成的 3 个诱导因子1、囊胚早期来自背部植物极的细胞2、腹部植物极的细胞诱导外胚层细胞形成一圈包括组织者在内的中胚层3、背部植物极细胞上方的组织者 区域性的诱导中胚层的特异结构。外胚层受下方密切接触的原肠顶的诱导形成
12、神经板，继而形成神经管的过程，称为神经诱导神经诱导具有非特异性：1、激活外胚层表面的蛋白激酶 C。2、外胚层细胞内的 cAMP 浓度的增加。神经诱导因子Activin 抑止因子；可溶性因子 Inhibin, Follibtain；激活外胚层表面的蛋白激酶 C，增加外胚层细胞中 cAMP 的浓度；Xhox-3 完成神经板区域的专一性Noggin 蛋白可诱导背部外胚层形成神经组织果蝇胚轴形成 图式形成：胚胎细胞形成不同的组织、器官，构成有序的空间结构的过程。早期的图式形成涉及胚轴形成、体节形成、肢芽和器官原基形成母体效应基因： 在卵子的发生中，由滋养细胞合成的特异性母源 mRNA，分别定位于一定的
13、区域。在受精后立即翻译激活或抑制合子基因的表达调控果蝇胚轴的形成。果蝇前后轴的形成分子机制：BCD 和 HB 调节胚胎前段结构的形成；NOS 和 CDL 调节胚胎后端结构的形成；缺口基因翻译的蛋白质以其浓度效应调控成对控制基因的表达；成对控制基因翻译的蛋白质可激活体节极性基因的转录。果蝇胚胎体节的形成分子机制分节基因 把早期胚胎沿前后轴分为一系列重复的体节原基。分节基因可分为 3 类：缺口基因、成对控制基因、体节极性基因。一个体节是由前一个类体节的后半部和下一个类体节的前半部组成。1、 缺口基因的表达区域与副体节的产生。2、成对控制基因的表达界定胚胎的副体节，把缺口基因确定的区域进一步分节。沿
14、 A-P4轴形成一系列斑马条纹状条带，基因的每个表达横纹由一组 Gap 转录因子控制。3 体节极性基因是指在 pair-rule 基因表达之后立即表达的基因，它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运。这些基因的产物包括扩散分子、受体、转录因子等多种类型。4、同源异型选择基因在体节边界建立之后，用来控制每个体节的结构进一步特化的基因，表达受 Gap 和Pair-rule 基因的控制。果蝇胚胎早期发育机制：1、胚胎的前后轴和背腹轴分别独立的由母体效应基因产物决定。2、母体效应基因转录产物通常形成一定的浓度梯度并产生特异的位置信息，进一步激活一系列的缺口基因的表达胚胎被分成不同的区域。3、每个区域表达
15、特异性基因的组合，沿前后轴形成间隔的图式，即体节的前体形式。4、每一条带的基因活性局部分布的蛋白质因子决定。5、每一体节特征通过 HOM-C 基因的特异性表达确定同源异型基因含有同源异形框的基因，编码同源异形结构域可形成与 DNA 特异性结合螺旋转角螺旋结构，决定蛋白质调节的专一性。脊椎动物胚轴的形成的机制两栖类胚胎的背腹轴和前后轴是由受精时卵质的重新分布决定的。1、背腹轴 受精时由于精子入卵，卵子皮质与卵黄在重力作用下相对移动，在精子入卵处的对面产生有色素差异的灰色新月区，由此标志预定胚胎的背侧，精子进入的一侧发育成为胚胎的腹侧。2、前后轴 在动物极附近的背侧形成头部，而与其相反的一侧形成尾
16、，从而形成胚胎的背腹轴和前后轴。3、中侧轴或左右轴 随着脊索的形成而确定Nieuwkoop 中心在两栖类囊胚中最靠近背侧的一群植物半球细胞，对组织者具有诱导能力，兼具动物极和植物极细胞质的特殊区域，含有背部中胚层诱导信号。神经胚和三胚层分化 三胚层的发育方向外胚层表皮、神经系统；中胚层肌肉、骨骼、心脏、结缔组织、血细胞、生殖腺、泌尿系统；内胚层消化系统、呼吸系统从起源看，神经系统的主要组成成分来源于神经胚的三个部分：神经板，神经嵴和外胚层基板，其中神经板将形成中枢神经系统的主要结构，神经嵴和外胚层基板形成于神经板与表皮外胚层的交界区域，参与周围神经系统。神经管(neural tube)：是中枢
17、神经系统的原基，正在形成神经管的胚胎叫神经胚。神经管的形成有 2 中方式：1、初级神经管的形成，由外胚层细胞增殖、内陷并最终离开外胚层表面而形成中空的神经管。外胚层和中胚层的相互作用。2、次级神经管形成，即神经细胞先形成实心的细胞索，进而中空形成神经管。后脑的分区：脊椎动物后脑一般都再分出多个菱脑原节,每个菱脑原节是一个发育单位，节内的细胞可交换，而节间不能交换。 后脑产生控制面部和颈部的神经，其产生的神经嵴细胞分化出周边神经和面部骨骼和结缔组织。神经嵴细胞发生部位:神经管闭合处的神经管细胞和与神经管相接的外表层细胞，它们间质细胞化而成为神经嵴细胞。特点: 具有迁移性。分化命运：因发生的部位和
18、迁移目的地不同而不同。可分化为感觉、交感及副交感神经系统的神经元和胶质细胞；肾上腺髓质细胞；表皮中的色素细胞；头骨软骨和结缔组织等。神经嵴的迁移和分化：脑神经嵴；躯干神经嵴；迷走神经嵴；尾骶神经嵴；心脏神经嵴躯干神经嵴细胞的迁移：1、进入体节的迁移，有的在体节中形成背根神经节，有的穿越体节的前半区分化为交感神经和肾上腺髓质细胞。2、由背部向侧翼、再向腹部的迁移，位于表皮与体节之间，分化为色素细胞。机制即将迁移前表达 Slug 蛋白, 用反义寡核苷酸抑制 Slug mRNA 导致其不迁移；E-和 N-cadherin 在迁移前表达，在迁移时停止表达。头部神经嵴细胞:向背侧方向移动，分化为面部软骨
19、、骨、头部神经元胶质细胞、肌肉等。5心神经嵴：部分后脑后部的神经嵴细胞产生主动脉内皮细胞和产生主动脉与肺动脉之间的隔膜.脑神经嵴形成头面部的软骨和骨组织，结蹄组织，脑神经节。躯干神经嵴形成色素细胞，肠神经节，交感神经节，肾上腺髓质。迷走神经嵴形成色素细胞，肠神经节，平滑肌尾骶神经嵴形成肠神经节神经胚期中胚层：脊索中胚层脊索背部体节中胚层体节、神经管两侧的中胚层细胞（骨、肌肉、软骨和真皮）居间中胚层泌尿系统和生殖管道侧板中胚层心脏、血管、循环系统和血细胞、四肢中胚层成分及胚胎外膜头部中胚层面部结缔组织和肌肉轴旁中胚层：脊索形成后位于脊索两边的中胚层带。在神经管形成时，进一步断成若干小的组织团块，
20、成为体节体节：原条退化，神经褶开始向胚胎中央合拢，轴旁中胚层被分隔成的细胞块体节形成的机制，是过渡性的结构，形成脊椎、肋骨、背部皮肤真皮、背部骨骼肌以及体壁与四肢骨骼肌体节的分化方向：生骨节，前体细胞，生皮肌节胚外膜的形成 1、体壁中胚层：羊膜、卵膜（胎盘）2、脏壁中胚层：卵黄囊、尿囊心脏的形成：脏壁中胚层与邻近组织相互作用发育而成。内胚层的功能：体内消化管和呼吸道的内表皮形成器官: 咽、扁桃体、甲状腺、胸腺、甲状旁腺、消化管内表皮、肝胰腺、胆囊、肺性别决定性别决定取决于胚胎早期性别决定初级信号对性别决定基因的启动和活化，活化的性别决定基因启动性别分化基因的表达。性别决定在 3 个层次上起作用
21、，一是生殖细胞，决定初始性别的启动；二是性腺，提供生殖细胞发育成熟的环境；三是体细胞，构成躯体的其他部分果蝇的性别决定于 X 染色体的数量 :X 染色体上的性别决定基因叫分子基因(numerator)，而常染色体上的性别决定基因叫分母基因(denominator)。二者之比 0.5 时，个体将发育为雄性。果蝇性别决定是通过平衡 X 染色体上的雌性决定因子和常染色体上的雄性决定因子实现的。Sxl 是决定雌雄分化的关键基因当 X：A 为 l 或更高时，Sxl 被激活产生有活性的 SXL 蛋白。活性 SXL 蛋白与其下游靶基因 transformer(tra)的mRNA 前体结合，tra 的 mRN
22、A 前体发生雌特异的可变剪接产生有功能的 TRA 蛋白。TRA蛋白与 transformer2(tra-2) 基因产物 TRA 一 2 协同控制 doublesex(dsx)基因的表达 。dsx 是一双功能基因，在雌雄中均有活性，但产生不同的产物，起着相反的调节作用。在雌性中，dsx 基因产物与 intersex(ix)基因产物协同促进雌性分化基因的表达，产生雌性分化。在雄性中，Sxl 没有被激活，tra 基因不活化，结果导致 dsx 的雄特异表达，发生雄性分化。雄性剂量补偿效应雄性通过使大多数 x 连锁基因的超转录来进行剂量补偿。参与剂量补偿的基因：msll、msl 一 2、msl 一 3、
23、role 和 mof。在胚胎发生的早期， Sxl 直接控制x 染色体上基因的活性；在胚胎发育的晚期，Sxl 通过调控 rgsl-2 的表达间接调控剂量补偿。6附肢的发育和再生脊椎动物附肢的发育：由体壁中胚层和外部的表皮发育而成。附肢发育期间中胚层和外胚层的互作：1. 中胚层起始附肢芽形成 AER。2. AER 刺激中胚层增殖向外生长分化。3. 附肢芽中胚层提供保持 AER 必需的刺激附肢的起源侧板中胚层的体节部分及外胚层的表皮肢芽形成的分子机制：FGF 是有道中胚层形成的内源信号。tbx4 和 tbx5 在诱导前后肢形成中起重要作用。侧板中胚层中将要产生肢体间质细胞的细胞分泌的 FGF10 诱
24、导了肢芽的形成顶端外胚层嵴（AER）：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层细胞形成突起结构，位于肢芽的远端边缘背腹交界处，是肢体生长的主要信号中心。AER 的作用： 1. 维持其内侧的间质细胞的增生能力，使肢体沿 ProximalDistal 轴线生长。2. 维持 AP 轴线控制因子的表达。3. 与控制 AP 和 DV 轴线的因子互作，以指导细胞的分化含有同源异形框的基因（homebox gene）,它在胚胎发育的表达水平对于组织和器官的形成具有调控作用。由同源异形框编码的同源异型结构域可形成与 DNA 特异结合的螺旋-转角-螺旋结构同源异型结构域对于决定整个蛋白质的调节专一性起作用。广泛的存在与
25、真核生物调节基因中。HOM-C; Xhox; hoxHOM-C 基因结构1、有的基因含有多个启动子和多个转录起始位点，不同的启动子的启动基因在不同细胞表达2、通过不同的 mRNA 的剪切方式形成相关的 1 组蛋白3、有的基因含有巨大的内含子(antp)，在时间上的调控有一定意义4、都含有一段 180bp 序列的保守序列，同源异形框D-V 轴的分化 Homebox,en-1 在附肢腹部外胚层中特异表达，en-1 功能之一是抑制Wnt7a 在腹侧表达。Wnt7a 在背部外胚层表达-激活 lmx1 表达，特化附肢背侧细胞命运；Wnt7a 参与调节 ZPA 中 shh 的表达，间接参与顶嵴的维持。ZP
26、A 调节 A-P 轴特化的模型ZPA 分泌一种可溶性形态发生子向外扩散，由肢芽后向前形成一种由高到底的浓度梯度。(1) ZPA 形态发生子：视黄酸或者其他物质(2) Shh 基因在 ZPA 中特异表达Shh 蛋白作用方式1、Shh 起始和维持像骨形态发生蛋白（BMP）的浓度梯度，BMP的功能特化指2. 调整 Gli3 抑止因子和激活因子的比率， Gli3 调节指的特性细胞死亡区域表达的基因msx-1 同源异形基因；CRBPI；视黄酸受体附肢再生的过程1. 创伤愈合 伤口边缘表皮扩展并覆盖切口表面 2. 组织破坏和去分化 3. 再生芽基形成 4. 形态发生和分化再生作用的调节表皮的作用 顶表皮帽
27、 AEC激素的作用 生长激素 催乳激素和甲状腺素神经的调节 神经促进再生蜕皮与变态变态的概念：动物发育过程中经历一个幼虫期，结束幼虫期，建成成体结构的过程叫变态昆虫变态的生理过程：组织分解和系统重建7昆虫变态的激素调控蜕皮激素（MH）：由前胸腺分泌，促进变态保幼激素（JH）：由咽侧体分泌，抑制变态蜕皮激素对昆虫发育的调节保幼激素对昆虫发育的调节分子机理A 前变态期，低的 T3,T4 浓度，低 T3 受体浓度。B 变态初期 促甲状腺素水平升高， T3,T4 浓度升高；T3 受体浓度升高，T3 受体与转录因子结合，结合导致刺激产生更多的的 T3 受体，促进转录。C 变态高峰期 高的 T3,T4 浓度，高的 T3 受体浓度。
