發(fā)育生物學(xué)緒論

1、發(fā)育生物學(xué)第一章 緒 論1、發(fā)育生物學(xué)的研究對(duì)象,任務(wù)及其與其它 學(xué)科的關(guān)系。2、發(fā)展歷史3、發(fā)育生物學(xué)研究中的主要模式動(dòng)物。4、傳統(tǒng)的發(fā)育生物學(xué)研究技術(shù)1、發(fā)育生物學(xué)的研究對(duì)象,任務(wù)及其與其它學(xué)科的關(guān)系。發(fā)育(發(fā)生): 一個(gè)有機(jī)體從其生命開始到成熟的變化。發(fā)育生物學(xué)是一門研究生物體從精子和卵子發(fā)生、受精、發(fā)育、生長(zhǎng)到衰老、死亡規(guī)律的科學(xué)。發(fā)育生物學(xué)的研究任務(wù): 單細(xì)胞分裂和分化產(chǎn)生形態(tài)和功能不同的細(xì)胞構(gòu)建組織和器官有機(jī)體發(fā)展基礎(chǔ)：胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)。 發(fā)展過程：形態(tài) 機(jī)理 組織器官 細(xì)胞 分子海膽胚胎發(fā)育的過程動(dòng)植物胚胎發(fā)育的過程雌雄配子的形成-受精-卵裂-原腸運(yùn)動(dòng)-形成三胚層-器官

2、的發(fā)生-生長(zhǎng)個(gè)體發(fā)育的基礎(chǔ)是細(xì)胞分化發(fā)育是眾多基因在時(shí)間和空間上的聯(lián)系和配合TAKE Xenopus FOR EXAMPLECLEAVAGEAdult XenopusGASTRULATIONNEURULATION發(fā)育生物學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系 解剖學(xué) 生理學(xué) 細(xì)胞生物學(xué) 遺傳學(xué) 生化和分子生物學(xué)等主要參考書Scott Gilbert編:Developmental Biology，6th Editions, 2000.Lewis Wolpert主編： Principles of Development，1998.Klaus Kalthoff:Analysis of Biological Develo

3、pment，2nd edition, 2001.Bruce M. Carlson: Human Embryology & Developmental Biology, 2nd Edition,1999.發(fā)育生物學(xué)相關(guān)期刊2、發(fā)展歷史2.1、后成論(epigenesis)和先成論(preformation)之爭(zhēng) 希臘哲學(xué)家Aristotle在公元前第4世紀(jì)在對(duì)雞胚和一些無脊椎動(dòng)物胚胎觀察后提出胚胎發(fā)育的兩種假設(shè)： Preformation:生物個(gè)體的一切組成部分都早就存在于胚胎中，各個(gè)部分隨著胚胎的發(fā)育而長(zhǎng)大。Epigenesis: 在胚胎的發(fā)育過程中，各種結(jié)構(gòu)是逐漸形成的。17世紀(jì)，意大利胚胎

4、學(xué)家 Marcello Malpighi觀察到的雞胚(先成論的代表),他的胚胎圖是發(fā)育生物學(xué)的 經(jīng)典.17世紀(jì)，精原學(xué)說的代表人物Nicholas Hartsoeker所想像的精子中的微型人法國(guó)科學(xué)家Bonnet(1745)提出胚胎發(fā)育套裝論19世紀(jì)30年代末：Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出細(xì)胞學(xué)說。1840, August Weismann提出了生殖細(xì)胞論，認(rèn)為后代個(gè)體是通過精子和卵子繼承親本描述軀體特征的信息；卵子是一個(gè)細(xì)胞，其分裂產(chǎn)生的細(xì)胞可分化出不同組織，從而否定了preformation論。19世紀(jì)對(duì)Sea Urchin受精卵的觀察發(fā)現(xiàn)，受精卵

5、含有兩個(gè)細(xì)胞核，并最終合并為一個(gè)細(xì)胞核，表明細(xì)胞核含有遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)末，染色體的發(fā)現(xiàn)和發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目在發(fā)育中的變化規(guī)律，使孟德爾遺傳定律有了物質(zhì)基礎(chǔ)。2.2、細(xì)胞學(xué)說改變了胚胎發(fā)育和遺傳的概念2.3、Mosaic and Regulative Development 19世紀(jì)80年代，Weismann提出了mosaic development學(xué)說：合子中的大量特殊因子(決定子)在細(xì)胞分裂中不均等分配，導(dǎo)致了不同細(xì)胞向不同命運(yùn)的發(fā)育。2.3、Mosaic and Regulative Development(續(xù)) 支持嵌合體學(xué)說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：Wilhelm Roux的實(shí)驗(yàn)：2.3、Mos

6、aic and Regulative Development(續(xù)) Wilhelm Roux的同事Hans Driesch的下述實(shí)驗(yàn)表明，胚胎具有在局部被排除或受損傷后仍正常發(fā)育的能力，即胚胎發(fā)育是可調(diào)節(jié)的。2.4、Discovery of Induction 1924年，Hans Spemann和Hilde mangold的胚孔背唇移植實(shí)驗(yàn)表明，胚胎的一種組織(誘導(dǎo)者)可以指導(dǎo)另一種相鄰組織的發(fā)育。2.5、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)與發(fā)育生物學(xué)的結(jié)合1900年，孟德爾遺傳定律研究遺傳元素在世代間的傳遞。1909年荷蘭植物學(xué)家Wilhelm Johannsen提出基因型和表現(xiàn)型的概念，首次使遺傳學(xué)和胚

7、胎發(fā)育學(xué)發(fā)生關(guān)系。20世紀(jì)40年代證明：DNA是遺傳物質(zhì)，控制蛋白質(zhì)的合成。20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)：DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代：三聯(lián)體密碼被破解。20世紀(jì)70年代：DNA重組技術(shù)出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代：轉(zhuǎn)基因技術(shù)出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代：動(dòng)物克隆技術(shù)出現(xiàn)。世紀(jì)之交：HGP。新的突破：stem cells, proteomics, conditional gene knockout, mutagenesis3、發(fā)育生物學(xué)研究中的主要模式動(dòng)物 各種模式動(dòng)物各有優(yōu)點(diǎn)，其研究成果不僅可以揭示特定物種的特點(diǎn)，還有助于動(dòng)物發(fā)育的一些普遍規(guī)律和機(jī)制。 3.1 Invertebrate Models1)

8、、Caenorhabditis elegans: Worm model 主要優(yōu)點(diǎn)1. 易于養(yǎng)殖：成蟲 體長(zhǎng)1mm，易冷 凍保存；2. 性成熟短：2.5-3 天，兩種成蟲；3. 細(xì)胞數(shù)量少，譜 系清楚；4. 易于誘變；5. 基因組序列已全部測(cè)出 (Science, Dec. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.) 主要優(yōu)點(diǎn)1. 體積小，易于繁 殖；2. 產(chǎn)卵力強(qiáng)；3. 性成熟短；4. 易于遺傳操作： 如誘變；5. 基因組序列已全 部測(cè)出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)2)

9、. Drosophila melanogaster: Insect model3.2、Vertebrate Models1). Xenopus laevis: Amphibian model 主要優(yōu)點(diǎn)1. 性成熟短； 2. 卵體大，易于操 作；3. 抗感染力強(qiáng)，易 于組織移植； 主要優(yōu)點(diǎn)1. 體積小，易于飼 養(yǎng)殖；2. 產(chǎn)卵力強(qiáng)；3. 性成熟短；4. 易于遺傳操作： 如誘變；5. 體外受精和發(fā)育， 易于觀察；6. 基因組序列已全 部測(cè)出。2). Danio rerio (zebrafish)3). Mus musculus (Mouse)4). Gallus gallus (Chicken)擬

10、南芥：當(dāng)紅的分子遺傳學(xué)的模式植物形體小：1平方米內(nèi)可長(zhǎng)6000株， 每克種子有50，000顆生長(zhǎng)期段，繁殖迅速：一個(gè)月左右即可完成個(gè)體發(fā)育周期（3周開花，6周收籽）能在室內(nèi)光照下良好生長(zhǎng)；能在任何日長(zhǎng)下開花染色體數(shù)少：僅5對(duì)更重要的是它具有被子植物的共性：完全花，有明顯的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)。所以對(duì)它的基因組的結(jié)構(gòu)、功能的分析有可能適合于其他被子植物甚至所有真核生物包括人類。4、傳統(tǒng)的發(fā)育生物學(xué)研究技術(shù)4.1 染料細(xì)胞標(biāo)記4.2 熒光細(xì)胞標(biāo)記4.3 細(xì) 胞 移 植控制發(fā)育的基因的鑒定及其表達(dá)和功能檢測(cè)方法基因組時(shí)代：人類基因組計(jì)劃后基因組時(shí)代功能基因組時(shí)代空間結(jié)構(gòu)？胞內(nèi)分布及靶位？影響器官？基因

11、類型？底物？影響途徑？(一)、鑒定發(fā)育相關(guān)新基因的主要方法從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因；分離時(shí)空特異性表達(dá)基因的方法；利用基因序列同源性的克隆法；利用生物大分子間的相互作用克隆新的基因。從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因隱性突變；半顯性突變；顯性突變突變體的類型從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因突變類型圖示從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因自然群體中的突變體；化學(xué)誘變劑處理，如亞硝基乙脲乙亞硝基脲 (N-nitroso-N-ethylurea ethylnitrosourea, ENU)；外源DNA插入法，如DNA注射、病毒感染、轉(zhuǎn)座子利用等；X射線或 r

12、射線照射獲得突變體的方法從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因DNA插入誘變法反轉(zhuǎn)錄病毒插入引起的突變的鑒定從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因DNA插入誘變法Expression of GFP in virus-infected fishTransientgermline從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因DNA插入誘變法An example of mutational phenotypes從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因DNA插入誘變法從自然或人工突變體中分離鑒定控制發(fā)育的基因Genetic mapping and chromosomal walking；PCR

13、or Southern hybridization；Candidate cloning；Differential display/subtractive cloning從突變體克隆基因的方法分離時(shí)空特異性表達(dá)基因的方法獲取特定組織：直接取材或轉(zhuǎn)基因法取材；構(gòu)建cDNA文庫(kù)；從蛋白質(zhì)到基因；Differentiatial hybridization/differential display/subtractive cloning分離時(shí)空特異性表達(dá)基因的方法基因芯片/核酸雜交法利用大分子間的相互作用克隆新的基因鑒定可與蛋白質(zhì)結(jié)合的DNA序列分離靶蛋白質(zhì)，（可采用gel-shift assay)克隆

14、靶蛋白的表達(dá)基因。利用DNA與蛋白質(zhì)間的相互作用基因表達(dá)的檢測(cè)mRNA的檢測(cè)蛋白質(zhì)的檢測(cè)啟動(dòng)子活性檢測(cè)mRNA的檢測(cè)Northern blotDot blotRT-PCRDNA Microarrayin situ hybridizationNorthern雜交的作用：檢測(cè)基因的轉(zhuǎn)錄物的存在及是否發(fā)生了選擇性拼接。mRNA的檢測(cè)原位雜交(in situ hybridization)利用原位雜交技術(shù)研究基因表達(dá)的時(shí)空譜mRNA的檢測(cè)基因表達(dá)的檢測(cè)mRNA的檢測(cè)蛋白質(zhì)的檢測(cè)啟動(dòng)子活性檢測(cè)蛋白質(zhì)的檢測(cè)電泳法Western blot抗體染色法基因表達(dá)的檢測(cè)mRNA的檢測(cè)蛋白質(zhì)的檢測(cè)啟動(dòng)子活性檢測(cè)啟動(dòng)子活

15、性檢測(cè)法表達(dá)載體的構(gòu)建：基因?qū)Πl(fā)育的影響的功能性研究基因敲除法(gene knockout)異位表達(dá)法(ectopic expression)RescueAntisense RNAAntisense oligosDsRNA interference (RNAi)Antibody blockingDominant negative receptor mutationsDominant interferring allele用基因敲除法研究基因的功能基因?qū)Πl(fā)育的影響的功能性研究基因敲除法(gene knockout)異位表達(dá)法(ectopic expression)RescueAntisense

16、RNAAntisense oligosDsRNA interference (RNAi)Antibody blockingDominant negative receptor mutationsDominant interferring allele轉(zhuǎn)基因動(dòng)物與基因的異位表達(dá)DNA注射；RNA注射；病毒感染。用組織特異性啟動(dòng)子控制外源基因的表達(dá)綠色血液綠色神經(jīng)細(xì)胞基因?qū)Πl(fā)育的影響的功能性研究基因敲除法(gene knockout)異位表達(dá)法(ectopic expression)RescueAntisense RNAAntisense oligosDsRNA interference (RNAi)Antibody blockingDominant negative receptor mutationsDominant interferring allele基因?qū)Πl(fā)育的影響的功能性研究基因敲除法(gene knocko