发育生物学 第一章序言 一、引言
发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老、死 亡的规律的科学。
1、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)
Preformation:生物体的各个组成部分存在于胚胎中，随胚胎发育而长大。 Epigenesis:胚胎的各个部分是在发育中逐渐形成的。 2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念
19世纪有关的重要发现和理论：细胞、生殖细胞、细胞核、染色体、 3、Mosaicandregulativedevelopment
Mosaicdevelopment:合子核中的特殊因子在细胞分裂中的不均等分裂导致不同细胞的 产生，这些细胞有各自的发育命运。
Regulativedevelopment:胚胎在局部被排除或受损后仍能正常发育。 4、诱导(induction)现象的发现
1924年，Spemann和HildeMangold发现一种组织能够指导另一种组织的发育。 5、遗传学和发育学的结合
1909年WilhelmJohannsen提出基因型和表现型的概念，使遗传学和胚胎发育学首次发 生关系；40年代进一步认识到基因在发育中的决定性作用。
二、发育生物学研究中的主要动物模型 (一)、Invertebratemodels
1.Drosophilamelanogaster(fruitfly)---insectmodel 2.Caenorhabditiselegans(nematode)---wormmodel (二)、Vertebratemodels
1.Xenopuslaevis(Africafrog)---Amphibianmodel 2.Chick---birdmodel
3. Mouse---mammalianmodel 4. Zebrafish---fishmodel
三、发育生物学中的基本概念及规律 (一)、五个主要的developmentalprocesses
1.Celldivision:早期胚胎发育中的细胞分离不同于后期。 2.Patternformation:指胚胎形成有序的结构。
三条轴线的形成：A－Paxis;D-Vaxis;L-Raxis;三个胚层的形成：
endoderm(肠、肝、肺)，mesoderm(肌、骨、心、肾)，ectoderm(神经系统和表皮)。 3.Morphogenesis:胚胎的立体形态发生显著改变的过程。
4.Celldifferentiation:同一来源的细胞发展为结构和功能不同的细胞。
5.Growth：胚胎在基本的pattern形成之后在体积上显著增加，原因包括细胞数量的增 加、细胞体积的增加、胞外基质的增加。
(二)、细胞行为是基因作用与发育进程之间的桥梁
即基因影响细胞行为、细胞行为影响发育。主要的细胞行为包括： 1.Cellstate:指基因的活性状态。
2.Cell-to-cellsignaling:一种细胞产生某种信号物质，而另一种细胞接受该信号而
调整其行为。
3.Cell-shapechanges/Cellmovement:细胞通过形态的改变及运动产生机械动力，以 形成特殊的构造。
4.Cellproliferation:细胞因分裂而增加数量，但在躯体的不同部位细胞增生的速度 不一，从而也可影响整体结构。
5.Celldeath:在特定发育时期，特定部位的细胞的死亡是形成正确结构所必须的。 (三)、基因控制细胞行为是通过控制细胞中的蛋白质的合成来实现的 两类蛋白：house-keepingproteinsandtissue-specific(luxury)proteins 蛋白合成控制点：tanscription,processingofprimarytranscripts,
transportationofmatureRNA,translation,posttranslationalmodification, etc..
(四)、发育是渐进式的，细胞的命运决定于不同的发育时期 三个胚层的形成→各胚层内细胞的分化
描述细胞分化程度的几个概念：Fateofcells：指在正常情况下细胞会分化、发育为 什么；Determination,指细胞的内部状态已发生不可逆的改变；specification：指一 组细胞在中性环境下立体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。 胚胎细胞的分化潜力随发育深度而异。 胚胎细胞的分化潜力因不同物种而异。
(五)、诱导作用可使细胞互为不同
诱导作用的证据：蝾螈的organizer移植实验。
诱导信号的传递方式：胞间隙中自由扩散、细胞表面分子的直接互作、胞间膜通道的利 用。
诱导信号的传递距离是有限的。
不同细胞对同一诱导信号的反应是不同的。
(六)、Patterning常常涉及位置信息(positionalinformation)的翻译
一些信号分子和转录因子(morphogen)沿一定的方向形成一个浓度梯度，处于不同浓度 下的细胞获得不同的发育命运。
(七)、间距模式(spacingpattern)可以通过侧向抑制作用产生
当一组细胞具有具有相同发育方向时，其中的一个细胞的分化能抑制其相邻细胞的分化 。e.g.,feather,neurons.
(八)、胞质决定成分的区域化及细胞的不对称分布也使细胞具 不同个性
四、控制发育的基因的克隆及其表达与功能的检测方法 (一)、寻找控制发育的新基因的主要方法
1、从自然突变体或人工产生的突变体中克隆控制发育的基因
产生突变体的方法：自然突变体；化学诱变剂(如亚硝基－乙脲－乙亚硝基脲)；外源 DNA插入：DNA注射、病毒侵染、转座子利用等；X-射线或r－射线照射。 突变体的种类：隐性突变；半隐性突变；显性突变。
从突变体分离基因的方法：Positionalcloning；Candidatecloning； Direct cloning。
2、分离组织特异性或发育阶段特异性表达的基因的方法
a.分离特定组织或器官的方法：直接机械分离；根据细胞表面特定蛋白来识别、分离 ；转基因标记法。
b.组织特异性基因表达产物的鉴定及其基因的克隆：从蛋白质到基因标记不同来源的 mRNA去与筛选特异cDNA文库；mRNAdifferentialdisplay；Subtractivecloning。 3、利用基因序列同源性的克隆法
? 接利用异源cDNA探针筛选cDNA文库
? 从保守区设计引物→同源探针→筛选cDNA文库
4、利用DNA-蛋白质或蛋白质－蛋白质互作关系分离克隆新的基因
(二)、基因表达的检测
1、mRNA的检测:Northern杂交；斑点杂交；RT－PCR；Insituhybridization。 2、蛋白质的检测：Westernblot；Insituantibodystaining 3、启动子活性检测法
(三)、基因对发育影响的功能性分析 1、GeneKnockout
2、Overexpression:mRNA注射法；DNA注射法；病毒感染法 3、Rescue
4、AntisenseRNA/Antisenseoligos 5、Antibodyblocking
6、Dominantnegativereceptormutations 7、Dominantinterferringalleles
第二章胚胎的早期发育
一、卵裂(Cleavage)
(一)、卵裂的特点：分裂间期短；细胞变小；转录不活跃；不等裂。 (二)、卵裂的类型：
经线裂(meridionalcleavage)：卵裂面与A－Vaxis平行；纬线裂(equatorial cleavage)：卵裂面与A－Vaxis垂直。 1.Holoblasticcleavage:
卵裂沟穿过整个受精卵，产生两个均等大小的两个blastomeres.含卵黄比较少的卵一 般采用此种方式,e.g.,SeaUrchin,frogs,mostmammals。 (1)Radialholoblasticcleavage：卵裂是辐射对称的。
Seacumcumber：经线裂－经线裂－纬线裂－经线裂－纬线裂，其后交替进行直到产 生中空的blastula,中间的空腔为blastocoel。产生的细胞大小相同。
Seaurchin：前3次卵裂(经－经－纬)为均裂，第4次卵裂时Vegetalpole的4个细胞发 生不均等卵裂。
Frog：卵裂沟不能完全穿过卵黄。第1、2次卵裂为均等经裂，第3次不均等纬裂，导致不 同大小细胞的产生。植物极的大分裂球分裂快于动物极的小分裂球。
(2)Spiralholoblasticcleavage：从第3次卵裂开始，卵裂面与A－Vaxis呈约45o角 。螺、蚌等软体动物、多毛类环形动物等采用此种方式。形成的blastula不具有 blastocoel。
(3)Rotationalholoblasticcleavage：哺乳动物受精卵采用此种方式。第1次经裂产
生的两个卵裂球，分别采用不同方向的卵裂；卵裂球的分裂具不同步性；早期卵裂在输卵 管中进行。线虫的卵裂也为旋转全卵裂。 2.MeroblasticCleavage(偏裂)
卵裂沟只停留在动物极或卵子表面，常发生于端黄卵、多黄卵、中黄卵。
(1).Discoidalcleavage：为端黄卵和极端端黄卵所采用的方式。卵裂局限于动物极 。
鸡卵的卵裂：受精卵在输卵管中开始卵裂，产出的卵已含约60000个细胞，中间为明区 ，边缘区为暗区，明区下为胚盘下腔。
斑马鱼：前5次卵裂为经裂，产生单细胞层，随后有纬裂发生；第12次分裂之前，不同 细胞的分裂是同步的。
(2).Superficialcleavage：以昆虫为代表的中黄卵采用此种方式。其合子核位于卵
的中央，周围为卵黄。中央的核发生8次卵裂后产生的256个核开始移向卵的外周，至第10
次卵裂后核已全部位于卵周质中，形成合胞体。第14次分裂时，核之间的卵膜内陷使之细 胞化。
(三)、囊胚的类型
大多数囊胚为球状空心细胞团，细胞分裂速度已大大下降。 1.腔囊胚
(1).海鞘囊胚：其囊胚含256个细胞，中间的囊胚腔由单层细胞包围。
(2).海胆囊胚：含128个细胞，单层围裹囊胚腔，细胞表面长出纤毛帮助囊胚在受精膜内 转动，动物极的细胞分泌孵化酶降解受精膜。其囊胚腔的形成机制：渗透作用；透明层作 用。
(3).蛙类囊胚：128细胞囊胚的囊胚腔位于动物极。
2.表面囊胚：昆虫经14次卵裂产生16400细胞实心囊胚。 3.盘状囊胚：
(1).斑马鱼：囊胚期始于128细胞期，再经2次分裂进入midblastulatransition期， 这时细胞分裂变慢。胚胎细胞分三类：与卵黄接触的卵黄多核层(yolksyncytiallayer, YSL)细胞、位于胚盘最外层的表胚层(envelopinglayer,EVL)细胞和上述二者之间的 深层细胞(deepcells)。仅深层细胞发育为胚胎本体组织。
(2).鸡：胚盘座落于卵黄之上，由上胚层和下胚层组成，前者将形成胚胎本体，后者形 成胚外结构如卵黄囊柄。 4.哺乳动物囊胚的形成
(1)卵裂球的compaction:发生在第3次卵裂后不久，它伴随细胞粘连分子E-Cadherin由 均匀分布变为集中分布在卵裂球间的接触部位，其抗体可引起decompaction。Protein KinaseC可促进compaction,它可能是介导了E-Cadherin的transloction。
(2)细胞命运的早期分化：16细胞的morula,其外层细胞产生的绝大部分子细胞发育为 32细胞期时的trophoblast,后者将生成chorion；其内层细胞产生的所有子细胞及外层细 胞产生的小部分子细胞将构成32细胞期时的innercellmass，它们将发育为胚胎本体及 与之相连的卵黄囊、尿囊和羊膜.。两种命运的细胞分泌不同的蛋白。 8细胞期时各细胞有相同的发育潜力，在16细胞期时的分化是随机的。
(3)胚泡着床：胚泡囊胚腔的增大是由于滋胚层细胞的Na+泵的作用及随后的渗透作用 ；透明带防止胚泡与输卵管壁的粘连；胚泡到达子宫后产生类胰蛋白酶Strypsin,使透明 带局部穿孔，释放胚泡与子宫壁接触。
(4)同卵双生：滋胚层形成前的分割；滋胚层形成后而羊膜形成前的分割；羊膜形成后
的分割。
(5)嵌合胚与胚胎干细胞：胚胎干细胞是保持了分化为胚胎本体的潜能的胚胎细胞，来 源于内细胞团。
(6)人工受精和胚胎切割：
二、原肠作用Gastrulation
原肠作用是指囊胚细胞有规则地移动，使未来的内胚层和中胚层细胞迁入胚胎内部，而 未来的外胚层细胞铺展在胚胎的表面，从而形成原肠胚。 (一)、原肠期主要的细胞移动类型：
外包(epiboly)：表皮层作为一个整体扩展，使胚胎的内层被覆盖；内陷(invagination) ：指胚胎局部区域的内陷；内卷(involution)：指正在扩展的外层向内卷折；内移(ingre ssion)：指表层的单个细胞迁入胚胎的内部；分层(delamination)：指一个细胞层分为 两层；汇聚伸展(convergentextension)：指细胞相互插入，使所在组织变窄、变薄， 并推动组织向前移动。
(二)、几种模型动物的原肠作用 1.SeaUrchin
囊胚的fatemap：植物极正中间为预定的中胚层，其相邻两层为预定的内胚层，其余 细胞为预定的外胚层。
原肠作用开始于预定的中胚层表皮细胞转化为间质细胞，这些间质细胞进入囊胚腔；预 定的内胚层细胞内陷和扩展，形成胚胎原肠。
内胚层内陷的机制：细胞外侧变形；伪足(filopodia)的伸展和收缩运动；细胞间汇聚伸 展。
海胆小分裂球启动原肠作用，可诱导第二胚轴的形成，包括使预置外胚层命运细胞分化 为中胚层和内胚层命运的细胞。 2.Drosophila
中胚层的产生：囊胚腹部8－10个细胞宽的长条区内陷，最终产生的中胚层铺展在腹部 的外胚层内；外胚层的产生：当预定的中胚层内陷成管状时，与其相接的腹部外胚层的部 分细胞内移，在中胚层和外胚层之间形成一个成神经细胞层；肠道的产生：囊胚两端的预 定内胚层内陷形成中肠；内陷时附带进入的部分外胚层细胞形成前肠和后肠。在果蝇的原 肠作用中，细胞不发生分裂。 3.Xenopus
Xenopus的囊胚的命运图：囊胚腔上方的细胞为预定的外胚层；预定的内胚层位于赤道 和植物极；预定的中胚层为赤道内胚层的内侧。
原肠作用开始于在囊胚的植物极内胚层背部的几个细胞变为瓶状细胞，随后内突形成胚 孔(blastopore)。
预定的中胚层细胞由胚孔处内卷，赤道边缘区的中胚层细胞通过汇聚扩展向背侧中央沿A －P轴铺展。
预定的内胚层与其背侧的中胚层一起内卷，在胚胎内部形成原肠腔。 预定的外胚层采取下包的方式向植物极扩展并最终覆盖整个胚胎。 4.Daniorerio(zebrafish)
外包：内层细胞与表面细胞互插使胚盘变薄；胚盘细胞向植物极的卵黄下包，其驱动力 可能来自于YSL的微管运动。
胚层的形成：50％外包(epiboly)期时，胚盘细胞在与卵黄交界处增厚形成germring， 它由表皮、上胚层(epiblast)和下胚层(hypoblast)组成；其后在未来的背部处的germ
发育生物学
