發(fā)育生物學(xué)模式生物專家講座

模式動(dòng)物發(fā)育生物學(xué)Department

of

Developmental

Biology

SchoolofLifeSciencesCentral

South

Universityzhangjianxiang@1發(fā)育生物學(xué)模式生物第1頁多細(xì)胞生物在胚胎期復(fù)雜發(fā)育改變和調(diào)控一直是困擾生命科學(xué)未解之迷。個(gè)體生命誕生自精卵結(jié)合形成合子,經(jīng)過細(xì)胞不停分裂、遷移、分化并發(fā)生巨大形態(tài)改變,構(gòu)建出未來身體雛形。越是出生后形態(tài)復(fù)雜生物,其發(fā)育中細(xì)胞間關(guān)系改變也就越猛烈。另外,即使全部細(xì)胞都來自于同一個(gè)受精卵,但從發(fā)育早期開始,它們就走上了不一樣分化道路,越到后期,要準(zhǔn)確說出每個(gè)特定位置上細(xì)胞來歷就越困難。發(fā)育過程從本質(zhì)上講是一部生命發(fā)展細(xì)胞史。2發(fā)育生物學(xué)模式生物第2頁成體中每個(gè)細(xì)胞都有一段自己獨(dú)特歷史,總括起來就組成了個(gè)體生命。對(duì)復(fù)雜生物發(fā)育解讀類似于對(duì)有悠久歷史古文明所進(jìn)行研究,史料千頭萬緒,細(xì)節(jié)紛繁,難以把握,有時(shí)甚至無從下手。顯然,怎樣選取恰當(dāng)切入點(diǎn),找出諸種復(fù)雜現(xiàn)象背后潛藏共同規(guī)律就成為洞悉這部生命史關(guān)鍵。3發(fā)育生物學(xué)模式生物第3頁假如把關(guān)注焦點(diǎn)集中在相對(duì)簡(jiǎn)單生物上則發(fā)育難題能夠得到部分解答。因?yàn)檫@些生物細(xì)胞數(shù)量和種類更少,胚胎在體外發(fā)育,改變也較輕易觀察。因?yàn)檫M(jìn)化原因,細(xì)胞生命在發(fā)育基本模式方面含有相當(dāng)大同一性,所以利用位于生物復(fù)雜性階梯較低級(jí)位置上物種來研究發(fā)育共同規(guī)律是可能。尤其是當(dāng)在有不一樣發(fā)育特點(diǎn)生物中發(fā)覺共同形態(tài)發(fā)生和改變特征時(shí),發(fā)育普遍原理也就得以建立。因?yàn)閷?duì)這些生物研究含有幫助我們了解生命世界普通規(guī)律意義,所以它們被稱為“模式生物”。4發(fā)育生物學(xué)模式生物第4頁模式生物應(yīng)具備特點(diǎn):1）其生理特征能夠代表生物界某一大類群；2）輕易取得并易于在試驗(yàn)室內(nèi)喂養(yǎng)、繁殖；3）輕易進(jìn)行試驗(yàn)操作，尤其是遺傳學(xué)分析。長(zhǎng)久以來在進(jìn)化支流港灣中休憩小生命——酵母、線蟲、果蠅、海膽、斑馬魚、非洲爪蟾、小鼠、擬南芥，取得了前所未有青睞。5發(fā)育生物學(xué)模式生物第5頁發(fā)育生物學(xué)研究中主要模式動(dòng)物

6發(fā)育生物學(xué)模式生物第6頁各種模式動(dòng)物各有優(yōu)點(diǎn),其研究結(jié)果不但能夠揭示特定物種特點(diǎn),還有利于動(dòng)物發(fā)育中一些普遍規(guī)律和機(jī)制揭示。7發(fā)育生物學(xué)模式生物第7頁主要優(yōu)點(diǎn)

1.體積小,生命周期短,易于繁殖；（卵、幼蟲、蛹、成蟲）

2.產(chǎn)卵力強(qiáng)；

3.性成熟短；

4.易于遺傳操作；

5.基因組序列已全部測(cè)出(Science,Mar.24,),(120Mbencodes13,601proteins)

1.果蠅(Drosophilamelanogaster):Insectmodel8發(fā)育生物學(xué)模式生物第8頁果蠅（fruitfly,Drosophilamelanogaster）。它在近代生物學(xué)史上地位顯赫,這紅眼睛黑肚皮小東西曾經(jīng)三度飛進(jìn)卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院頒獎(jiǎng)大廳,為主人取回諾貝爾生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)桂冠（1933年摩爾根,1946年繆勒,1995年劉易斯、尼爾森－沃哈德和維斯郝斯）。因?yàn)樗鼈兎敝晨焖佟⑷旧w巨大且易于進(jìn)行基因定位,所以自1909年摩爾根（Morgan,1866－1945）將之用作研究遺傳變異和染色體關(guān)系材料之后,果蠅就成為經(jīng)典遺傳學(xué)家揭示遺傳規(guī)律一張王牌。9發(fā)育生物學(xué)模式生物第9頁即使1940年后30年中，更易進(jìn)行分子生物學(xué)操作大腸桿菌、酵母菌和噬菌體等微生物一度取代了它輝煌地位，但1970年開始人們發(fā)覺果蠅在胚胎發(fā)育圖式構(gòu)建中含有特殊優(yōu)點(diǎn):它由14個(gè)體節(jié)組成軀干完全對(duì)稱，一套基因控制了這些體節(jié)從上到下發(fā)生過程，以后研究證實(shí)，這套基因普遍存在于從昆蟲到人基因組中，是決定機(jī)體左右對(duì)稱布局形成最基本原因。由此，果蠅再次引發(fā)人們高度興趣，其在遺傳和發(fā)育研究中地位又變得舉足輕重起來。10發(fā)育生物學(xué)模式生物第10頁11發(fā)育生物學(xué)模式生物第11頁卵母細(xì)胞滋養(yǎng)細(xì)胞濾泡細(xì)胞果蠅卵子發(fā)生16個(gè)細(xì)胞1個(gè)細(xì)胞卵母細(xì)胞15個(gè)細(xì)胞滋養(yǎng)細(xì)胞合成核糖體蛋白顆粒運(yùn)入卵母細(xì)胞12發(fā)育生物學(xué)模式生物第12頁果蠅卵裂13發(fā)育生物學(xué)模式生物第13頁果蠅表面裂果蠅受精卵合子核位于卵黃中央,胞質(zhì)已被擠在卵黃與細(xì)胞膜之間成為卵周質(zhì)。第9次卵裂后形成極細(xì)胞,然后剩下核遷移到胚胎周圍進(jìn)行幾次較慢分裂（僅為細(xì)胞核分裂）,在前13次分裂這期間胚叫合胞體胚盤(syncytialblastoderm)。之后發(fā)生細(xì)胞化,在第14次分裂時(shí),已移至外周核之間卵膜內(nèi)陷,將每個(gè)核圍成一個(gè)細(xì)胞,形成細(xì)胞化胚盤(celluarblastoderm)。細(xì)胞化過程需75min－175min。原腸胚形成開始時(shí),果蠅胚胎由一個(gè)細(xì)胞化胚盤包圍中間卵黃而成。7234561891011121314151614發(fā)育生物學(xué)模式生物第14頁SuperficialcleavageinaDrosophilaembryo.Theearlydivisionsoccurcentrally.Thenumbersrefertothecellcycle.Atthetenthcellcycle(512-nucleusstage2hoursafterfertilization),thepolecellsformintheposterior,andthenucleiandtheircytoplasmicislands("energids")migratetotheperipheryofthecell.Thiscreatesthesyncytialblastoderm.Aftercycle13,theoocytemembranesingressbetweenthenucleitoformthecellularblastoderm.(LaserconfocalimagesofstainedchromatincourtesyofW.BakerandG.Schubiger.)15發(fā)育生物學(xué)模式生物第15頁16發(fā)育生物學(xué)模式生物第16頁果蠅卵子在產(chǎn)出之前受精,受精后細(xì)胞核馬上進(jìn)行快速連續(xù)分裂,但細(xì)胞質(zhì)不分裂,形成一個(gè)合胞體胚盤。在細(xì)胞核第9次分裂過程中,約有5個(gè)核遷移到胚胎后極,開始含有細(xì)胞膜包圍形成第一批細(xì)胞,稱為極細(xì)胞,這些細(xì)胞將發(fā)育為生殖細(xì)胞。前13次分裂僅為細(xì)胞核分裂,這期間胚叫多核胚(syncytialblastoderm)。在第14次分裂時(shí),已移至外周核之間卵膜內(nèi)陷,將每個(gè)核圍成一個(gè)細(xì)胞,形成細(xì)胞化胚。17發(fā)育生物學(xué)模式生物第17頁中胚層形成及神經(jīng)系統(tǒng)決定cephalicfurrowventralfurrow細(xì)胞生成后,果蠅胚胎就進(jìn)行g(shù)astrulation(如右圖),一開始胚胎在腹面有溝,稱為ventralfurrow,而等這個(gè)溝并合時(shí)候,同時(shí)在靠近這溝前端產(chǎn)生了另一橫溝,叫做cephalicfurrow,這能夠區(qū)分頭部和胸腹部結(jié)構(gòu)。而在之后,胸腹部地方,產(chǎn)生了胚帶germband,而這時(shí)頭部開始漸漸發(fā)育,而胸腹部也開始分節(jié),胸部分成三個(gè)體節(jié),腹部分成八個(gè)體節(jié)而最終一個(gè)成體所以而產(chǎn)生。18發(fā)育生物學(xué)模式生物第18頁中胚層形成19發(fā)育生物學(xué)模式生物第19頁中腸形成過程20發(fā)育生物學(xué)模式生物第20頁腹側(cè)出現(xiàn)溝狀內(nèi)陷組成中胚層,它初與表層組織脫離時(shí)形成管狀結(jié)構(gòu),以后經(jīng)過細(xì)胞遷移擴(kuò)散至外胚層下各部分發(fā)育成肌肉、結(jié)締組織等中胚層起源結(jié)構(gòu)；胚胎兩端向內(nèi)陷入組成內(nèi)胚層和原腸,其中段為中胚層介入并通連形成消化道；來自囊胚腹側(cè)外胚層發(fā)生區(qū)域細(xì)胞散在性地向內(nèi)遷入,在外胚層和中胚層之間形成神經(jīng)母細(xì)胞層,進(jìn)而發(fā)育成一腹側(cè)神經(jīng)索為主體神經(jīng)系統(tǒng)；滯留在胚體表面細(xì)胞組成外胚層。21發(fā)育生物學(xué)模式生物第21頁原腸胚發(fā)生從受精后3h開始,大約10h左右完成。原腸形成后期果蠅體節(jié)開始形成,奠定了未來頭胸腹和各器官系統(tǒng)發(fā)生基礎(chǔ),并繼之完成了這些結(jié)構(gòu)或者他們?cè)ǔ上x盤）建設(shè),經(jīng)過幼蟲期和變態(tài),最終發(fā)育為成蟲。22發(fā)育生物學(xué)模式生物第22頁果蠅原腸形成23發(fā)育生物學(xué)模式生物第23頁2.線蟲(Caenorhabditiselegans):Wormmodel24發(fā)育生物學(xué)模式生物第24頁秀麗隱桿線蟲(nematode,Caenorhabditiselegans)都是一個(gè)名副其實(shí)漂亮生物。顯微鏡下，它通身透明，纖細(xì)身軀優(yōu)雅擺動(dòng)，每一塊肌肉收縮與松弛一覽無余。這種長(zhǎng)不過1毫米小生物有幾個(gè)和人類關(guān)系親密親戚:蛔蟲和蟯蟲就是其中最大名鼎鼎兩個(gè)。不過，線蟲本身和人關(guān)系不大，它生活在土壤中，以細(xì)菌為食，被稱為“自由線蟲”。在有著多達(dá)萬同宗弟兄線蟲家族中，它們一直默默無聞過著無人打攪幸福生活，千百萬年來，除了少數(shù)線蟲分類學(xué)家，我們對(duì)它們也不聞不問。然而，當(dāng)進(jìn)入20世紀(jì)70年代時(shí)，秀麗線蟲平靜生活被一群發(fā)育生物學(xué)家打破。線蟲之所以能在經(jīng)典模式生物名單中占有一個(gè)主要位置和它形態(tài)特點(diǎn)有親密關(guān)系，它是唯一一個(gè)身體中全部細(xì)胞能被逐一盤點(diǎn)并各歸其類生物。25發(fā)育生物學(xué)模式生物第25頁它幼蟲含有556個(gè)體細(xì)胞和2個(gè)原始生殖細(xì)胞,成蟲則依據(jù)性別不一樣含有不一樣細(xì)胞數(shù)。最常見雌雄同體成蟲成熟后含有959個(gè)體細(xì)胞和個(gè)生殖細(xì)胞,而較少見雄性成蟲則只有1031個(gè)體細(xì)胞和1000個(gè)生殖細(xì)胞。另外,線蟲生命周期很短,它從生到死全過程只有3天半,這就使得不間斷觀察并追蹤每個(gè)細(xì)胞演變成為可能。26發(fā)育生物學(xué)模式生物第26頁只要把線蟲浸泡到含有核酸溶液中,就能夠用這種最簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)基因?qū)搿＞€蟲還能夠被凍在冰箱里儲(chǔ)存,復(fù)蘇之后繼續(xù)研究。經(jīng)過20年努力,到90年代中期,人們已經(jīng)建立了完整線蟲從受精卵到全部成體細(xì)胞譜系圖。這意味著,它機(jī)體里每一個(gè)細(xì)胞來龍去脈都處于我們視野中,清楚而且無所遺漏。27發(fā)育生物學(xué)模式生物第27頁細(xì)胞凋亡現(xiàn)象及其機(jī)理最早是在線蟲中被揭示。凋亡(apoptosis)是一個(gè)希臘文起源詞語，這個(gè)字眼表示是花兒凋謝，樹葉飄零景色?！拔嗤┤~落而知天下秋”意象恐怕正是說這種意境:優(yōu)雅，含蓄，還帶點(diǎn)淡淡憂傷，更因?yàn)轱h落時(shí)那種即使有些無奈卻坦然以受之美。因?yàn)榫€蟲研究開創(chuàng)了一個(gè)對(duì)今日生物醫(yī)學(xué)發(fā)展含有舉足輕重全新領(lǐng)域，同時(shí)也因?yàn)橐跃€蟲為基礎(chǔ)凋亡研究對(duì)基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)產(chǎn)生巨大推進(jìn)作用，卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)將年年生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了線蟲生物學(xué)開拓者:西德尼·布雷納(SydneyBrenner)、約翰·薩爾斯頓(JohnSulston)）和線蟲凋亡之父羅伯特·霍維茨(RobertHorvitz)。28發(fā)育生物學(xué)模式生物第28頁主要優(yōu)點(diǎn):

1.易于養(yǎng)殖:成體長(zhǎng)1mm;

2.性成熟短:2.5-3天，

兩種成蟲

（雌雄同體和雄性）；

3.細(xì)胞數(shù)量少，譜系清楚；

4.易于遺傳操作；

5.基因組序列已全部測(cè)出(Science,Dec.11,1998)。29發(fā)育生物學(xué)模式生物第29頁線蟲胚胎卵裂過程30發(fā)育生物學(xué)模式生物第30頁秀麗新小桿線蟲31發(fā)育生物學(xué)模式生物第31頁32發(fā)育生物學(xué)模式生物第32頁33發(fā)育生物學(xué)模式生物第33頁線蟲孵化時(shí)有556個(gè)體細(xì)胞和2個(gè)原始生殖細(xì)胞。經(jīng)過四個(gè)蛻皮期幼蟲,連續(xù)3天時(shí)間,發(fā)育結(jié)束。發(fā)育結(jié)束時(shí),若是雌雄同體,成蟲有959個(gè)體細(xì)胞和約個(gè)生殖細(xì)胞；若是雄性個(gè)體則有1031個(gè)體細(xì)胞和約1000個(gè)生殖細(xì)胞。成蟲神經(jīng)系統(tǒng)由302個(gè)神經(jīng)細(xì)胞組成,這些細(xì)胞來自407個(gè)前體細(xì)胞,這些前體細(xì)胞中有105個(gè)發(fā)生了細(xì)胞凋亡。34發(fā)育生物學(xué)模式生物第34頁3.爪蟾（Xenopuslaevis）:Amphibianmodel主要優(yōu)點(diǎn)

1.性成熟短,取卵方便,產(chǎn)卵量大,可人工授精；

2.卵體積大1.4mm,易于操作；

3.抗感染力強(qiáng),易于組織移植；

35發(fā)育生物學(xué)模式生物第35頁斑馬魚(zebrafish,Daniorerio)和非洲爪蟾(southAfricanclawedtoad,Xenopuslaevis)是當(dāng)前最慣用兩種模式低等脊椎動(dòng)物。斑馬魚產(chǎn)卵量多,繁殖快速,胚胎通體透明,是進(jìn)行胚胎發(fā)育機(jī)理和基因組研究好材料。非洲爪蟾卵母細(xì)胞體積大、數(shù)量多,易于顯微操作,還可制成含有生物活性無細(xì)胞體系,易于生化分析,在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂機(jī)理研究中含有不可替換作用。參加調(diào)整哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞減數(shù)分裂主要蛋白激酶,其作用最初大都是在非洲爪蟾卵子中發(fā)覺,開啟了細(xì)胞周期調(diào)控分子機(jī)理之門。就象安徒生筆下童話,丑陋青蛙搖身一變,變成了發(fā)育生物學(xué)王子。36發(fā)育生物學(xué)模式生物第36頁主要優(yōu)點(diǎn)

1.體積小,易于

喂養(yǎng)殖；

2.產(chǎn)卵力強(qiáng)；

3.性成熟短；

4.易于遺傳操作；

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。4.斑馬魚Daniorerio（zebrafish)37發(fā)育生物學(xué)模式生物第37頁5.小鼠Musmusculus(Mouse)38發(fā)育生物學(xué)模式生物第38頁小鼠(Mouse,Musmusculus)起源于野生鼷鼠,從17世紀(jì)開始用于解剖學(xué)研究及動(dòng)物試驗(yàn),經(jīng)長(zhǎng)久人工喂養(yǎng)選擇培育,已育成多達(dá)千余個(gè)獨(dú)立遠(yuǎn)交群和近交系。因?yàn)樾∈蠓敝晨?喂養(yǎng)管理費(fèi)用低,所以成為生物醫(yī)學(xué)研究中廣泛使用模式生物,也是當(dāng)今世界上研究最詳盡哺乳類試驗(yàn)動(dòng)物。當(dāng)前全世界天天約有2500萬只小鼠被用于生物醫(yī)學(xué)研究,以小鼠為對(duì)象研究已經(jīng)取得了17項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。小鼠胚胎干細(xì)胞分離和基因敲除技術(shù)應(yīng)用,更為以小鼠為對(duì)象發(fā)育生物學(xué)研究起了推波助瀾作用。1999年,美英幾家大型科研機(jī)組成立了老鼠基因組測(cè)序合作團(tuán)體,年8月,他們公布了老鼠基因組物理圖譜框架。完整老鼠基因組圖譜預(yù)計(jì)于年完成。39發(fā)育生物學(xué)模式生物第39頁40發(fā)育生物學(xué)模式生物第40頁41發(fā)育生物學(xué)模式生物第41頁It’samammal,andoneofthesmallest(25-40g)Shortgestationtime(20days)Enterspubertyrelativelyearly(within6-8weeks)LargelittersizesLongreproductivelifespan(1.5-2.5years)MalesdonotharmthepupsEasytohandleFordevelopmentstudies,pregnanciesareeasilytimedfrominsemination(vaginalplugs)Placentationandearlyde