模式生物和技术方法.

1、模式生物和技术方法一、发育的主要特征和基本规律一、发育的主要特征和基本规律 二、模式生物的研究概况二、模式生物的研究概况三、常见的发育生物学研究方法三、常见的发育生物学研究方法第二节第二节 动物发育的主要特征和基本规律动物发育的主要特征和基本规律 一、发育的主要特征一、发育的主要特征在遗传程序控制下，发育具有严格的在遗传程序控制下，发育具有严格的时间时间次序性次序性和和空间次序性空间次序性。 发育是有机体的各种细胞发育是有机体的各种细胞协同作用协同作用的结果，的结果，也是一系列也是一系列基因网络性调控基因网络性调控的结果。在发的结果。在发育的过程中涉及多种生命现象，如细胞分育的过程中涉及多种生

2、命现象，如细胞分裂、细胞分化、细胞迁移、细胞凋亡、生裂、细胞分化、细胞迁移、细胞凋亡、生长、衰老和死亡等。长、衰老和死亡等。二、发育的细胞共性事件二、发育的细胞共性事件动植物的发育从细胞水平，共性事件主要包括有：动植物的发育从细胞水平，共性事件主要包括有：(1) 细胞分裂：满足了细胞的快速增殖和发育进程；细胞分裂：满足了细胞的快速增殖和发育进程；(2) 细胞分化：为机体细胞的多样性提供了保证；细胞分化：为机体细胞的多样性提供了保证；(3) 模式形成：使细胞分化按一定的时、空顺序发生，模式形成：使细胞分化按一定的时、空顺序发生，确立了机体的统一性；确立了机体的统一性；(4) 细胞迁移：为器官发生

3、提供了细胞来源；细胞迁移：为器官发生提供了细胞来源；(5) 细胞凋亡：抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及细胞凋亡：抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及时清除。时清除。 (1). Cell division: Cleavage: 细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而新生细胞的体积比母细胞小。(2) 细胞分化 细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。 每个人的一生中都在进行着细胞分化。每个人的一生中都在进行着细胞分化。 全能性全能性：一个细胞可分化为机体的所有细胞，如受精：一个细胞可分化为机体的所有细胞，如受精卵、植物细胞。卵、植物细胞。 成熟动物细胞不

4、具备全能性成熟动物细胞不具备全能性。60年代的爪蟾和年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，年代小鼠的核移殖，90年代末多年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的DNA。细胞分化胚胎干细胞胚胎干细胞胚胎干细胞鼠的受精卵细胞经卵裂4天半，形成囊胚，将此时的内细胞团分离培养在饲喂细胞上。细胞分化成体干细胞成体干细胞细胞分化的机理细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性（二）细胞间的相互作用（二）细胞间的相互作用细胞分化的机理细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性体细胞与生殖细胞的分化体细胞与生殖细胞的分化核对质的决定作

5、用核对质的决定作用（二）细胞之间的相互作用1、胚胎诱导、胚胎诱导2、分化抑制、分化抑制3、细胞数量效应、细胞数量效应 1、胚胎诱导、胚胎诱导(embryonic induction) ：胚胎发育过程：胚胎发育过程中，中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。 诱导者诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：对其它细胞起诱导作用的细胞：（二）细胞间的相互作用（二）细胞间的相互作用典型诱导作用：典型诱导作用：脊索诱导神经管脊索诱导神经管的形成；的形成；视泡诱导晶状体视泡诱导晶状体的形成；两者共的形成；两者共同诱导角膜的形同诱导角膜的

6、形成。成。诱导信号的相互作用可改变发育命运诱导信号的相互作用可改变发育命运胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！诱导信号的相互作用可改变发育命运。诱导信号实质是一些具有独特功能的蛋白因子。Fate of cells:指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变。改变而改变。Determination:指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运图指一组细胞在中性环

7、境下离体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。谱发育。发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间2、分化抑制、分化抑制分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。常的心脏。分化抑制：分化抑制：分化成熟的细胞可以分化成熟的细胞可以产生抑素，产生抑素，抑制相邻细胞发生抑制相邻细胞发生同样的分化。同样的分化。3、细胞数量效应、细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发

8、育小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。推测可能是细的小块合起来，又可形成胰腺组织。推测可能是细胞数量不足，导致自分泌或旁分泌信号不足，使增胞数量不足，导致自分泌或旁分泌信号不足，使增殖和分化受到抑制。殖和分化受到抑制。（3）. 图式形成（图式形成（pattern formation）：胚胎细胞形成）：胚胎细胞形成不同组织、器官和构成有序空间结构的过程。如胚轴形不同组织、器官和构成

9、有序空间结构的过程。如胚轴形成、三胚层形成、体节形成、肢芽和器官原基形成等事成、三胚层形成、体节形成、肢芽和器官原基形成等事件。件。 躯体轴线的制定形态发生素(morphogen)假说：细胞如何得知已经迁至适当位置并应该开始参与形成不同的组织和器官? 有人提出形态发生素假说来解释处于胚胎不同部位的细胞在发育过程的形态建成行为：形态发生素在胚胎的特定部位合成和分泌，然后扩散到周围组织，形成一种浓度递减的梯度。细胞通过适当的受体“感知”自身部位的形态发生素的浓度，细胞就可以估测自己离形态发生素产生源有多远，并决定分化的方向。实际上，形态发生素假说强调的就是位置信息对形态建成的影响。科学家通过对鸡的

10、肢芽（limb buds）发育的研究，肯定了位置信息在形态建成中的作用。（4）细胞迁移）细胞迁移鸡胚胎的腿和翅开始是由一小团中胚层发育形成肢芽，肢芽早期为舌形突起鸡胚胎的腿和翅开始是由一小团中胚层发育形成肢芽，肢芽早期为舌形突起, 内部为内部为中胚层来源的间叶组织中胚层来源的间叶组织, 表面覆盖着外胚层表皮。当肢芽逐渐长长时，肢芽就会发育表面覆盖着外胚层表皮。当肢芽逐渐长长时，肢芽就会发育成适当的骨组织，并在肢芽的末端形成指。指导肢芽形成的位置信息是由中胚层组成适当的骨组织，并在肢芽的末端形成指。指导肢芽形成的位置信息是由中胚层组织的一小块区域发出的，该区域称为极性激活带织的一小块区域发出的，

11、该区域称为极性激活带(zone of polarizing activity, ZAP),它它位于肢芽的后端附近。如果将此处的组织移植到另一个肢芽的前端，其结果会发育位于肢芽的后端附近。如果将此处的组织移植到另一个肢芽的前端，其结果会发育成正常个体的两倍数量的指（图成正常个体的两倍数量的指（图E13-2），这就是位置信息对发育的影响。），这就是位置信息对发育的影响。 图图E13-2 在鸡胚翅形成过程中后中胚层位置信息的的作在鸡胚翅形成过程中后中胚层位置信息的的作三、发育的基本过程三、发育的基本过程1.配子形成配子形成2.受精作用受精作用3.卵裂：具有细胞分裂期而没有细胞生长期。卵裂：具有细胞分

12、裂期而没有细胞生长期。4.原肠胚期：细胞运动，细胞之间的位置发生改变。原肠胚期：细胞运动，细胞之间的位置发生改变。5.神经胚形成阶段：形成脑和脊髓的原基神经管。神经胚形成阶段：形成脑和脊髓的原基神经管。6.胚轴主要指从胚胎前端到后端之间的前后轴和背胚轴主要指从胚胎前端到后端之间的前后轴和背侧到腹侧之间的背腹轴。侧到腹侧之间的背腹轴。7.器官发生。器官发生。8.变态和成熟变态和成熟 发育生物学研究中的主要模式动物 各种模式动物各有优点，其研究成果不仅可以揭示特定物种的特点，还有助于动物发育的一些普遍规律和机制。 (一) Invertebrate Models美国著名遗传学家摩尔根创立的遗传的染色

13、体理论美国著名遗传学家摩尔根创立的遗传的染色体理论1.1.Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster: : Insect model Insect model果蝇与辐射遗传学的诞生果蝇Hox基因的研究发现导致了分子发育生物学新的热潮 主要优点主要优点1. 1. 体积小体积小(0.6cm)(0.6cm)，易于，易于繁殖繁殖(30(30代）；代）；2. 2. 产卵力强；产卵力强；3. 3. 性成熟短性成熟短(10d)；4. 4. 易于遗传操作：易于遗传操作： 如诱变；如诱变；5. 5. 基因组序列已全基因组序列已全 部测出部测出 (Science,

14、 (Science, Mar. 24, 2000) Mar. 24, 2000)。(120Mb (120Mb encodes 13,601 proteins)encodes 13,601 proteins)1. 1. Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster: : Insect modelInsect modelSydney BrennerJohn SulstonRobert Horvitz2 2、Caenorhabditis elegans: Caenorhabditis elegans: Worm modelWorm model 主要优点

15、主要优点1. 1. 易于养殖：成虫易于养殖：成虫 体长体长1mm1mm，易冷易冷 冻保存冻保存；2. 2. 性成熟短：性成熟短：2.5-32.5-3 天，两种成虫；天，两种成虫；3. 3. 细胞数量少，谱细胞数量少，谱 系清楚；系清楚；4. 4. 易于诱变；易于诱变；5. 5. 基因组序列已全部基因组序列已全部测出测出 (Science, (Science, Dec. 11, 1998)Dec. 11, 1998)。(97MB encodes (97MB encodes 19,099 proteins.)19,099 proteins.)RNA induced silencing comple

16、x中国在重要科学领域缺席反映的科技体制和文化问题诺贝尔奖引发的思考 中国科技文化中的非科学因素中国科技文化中的非科学因素( (二二) )、Vertebrate ModelsVertebrate Models1. 1. Xenopus laevisXenopus laevis: Amphibian model: Amphibian model 主要优点主要优点1. 1. 性成熟短；性成熟短； 2. 2. 卵体大，易于卵体大，易于操作；操作；3. 3. 抗感染力强，抗感染力强，易于组织移植；易于组织移植；1. 1. Xenopus laevis and Xenopus laevis and Xen

17、opus tropicalis 主要优点主要优点1. 1. 体积小，易于饲体积小，易于饲 养殖；养殖；2. 2. 产卵力强；产卵力强；3. 3. 性成熟短；性成熟短；4. 4. 易于遗传操作：易于遗传操作： 如诱变；如诱变；5. 5. 体外受精和发育，体外受精和发育，易于观察；易于观察；6. 6. 基因组序列已全基因组序列已全 部测出。部测出。2. 2. Danio rerioDanio rerio (zebrafish) (zebrafish)3. 3. Mus musculusMus musculus (Mouse) (Mouse)urchin4. 4. Gallus gallusGall

18、us gallus (Chicken) (Chicken)鸡基因组图谱的建立2004年，由中国、英国、瑞典、荷兰、德国和美国科学家组成的联合研究小组，利用从国际基因组计划获得的基因组序列原始数据，通过生物信息学方法，对红原鸡基因组和现代生产鸡种基因组作对照研究，寻找优良生产鸡种的基因组多态性特征，构建优良生产鸡种基因组的分子标记图谱。后来，6国科学家组成的联合研究小组宣布绘成一张鸡的遗传差异图谱，即鸡基因组多态图谱。这张图谱以红原鸡基因组序列草图为参考框架，分别对来自英国的肉鸡、瑞典的蛋鸡和中国的乌鸡的基因组进行了测序分析，并在此基础上识别出约200万个遗传差异，其中绝大多数为单核苷酸多态性位

19、点。其他具有潜力的模式动物其他具有潜力的模式动物Amphioxusl“最后的马希坎人最后的马希坎人”l“在所有已灭绝动物中惟有文在所有已灭绝动物中惟有文昌鱼能使我们勾画出志留纪最早昌鱼能使我们勾画出志留纪最早的脊椎动物祖先的脊椎动物祖先”v“文昌鱼的发现使人们看到了文昌鱼的发现使人们看到了5 5亿年前脊椎动物的模样亿年前脊椎动物的模样”v“文昌鱼是伟大的发现，它提文昌鱼是伟大的发现，它提供了指示脊椎动物起源的钥匙供了指示脊椎动物起源的钥匙”作为模式生物必备条件：u生理特征能够代表生物界的某一大类群；u容易获得并易于在实验室内饲养繁殖；u容易进行实验操作,特别是遗传学分析。发育生物学实验方法和技

20、术发育生物学实验方法和技术1、 在试管中分析发育在试管中分析发育：体外授精和胚胎移植：体外授精和胚胎移植 2、细胞谱系研究、细胞谱系研究发育命运图谱的绘制发育命运图谱的绘制方法一：标记法方法一：标记法活体染料染色法活体染料染色法 方法二：方法二：细胞移植法细胞移植法4 4寻找与发育有关的基因（经典遗传学）寻找与发育有关的基因（经典遗传学）差式筛选技术差式筛选技术（differential screeningdifferential screening）：分离不同发育阶段或身体各部）：分离不同发育阶段或身体各部分的分的mRNAmRNA，查明为发育阶段或身体部分独特的基因，进行后续研究。，查明为发育阶段或身体部分独特的基因，进行后续研究。Northern blotRT-PCR in situ hybridization发育相关基因的功能 研究- 基因表达Northern blot探针的制备探针的制备探针效率的检测探针效率的检测Total RNA的提取的提取琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳转转膜膜杂交杂交合适的探针浓度合适的探针浓度加加入入探探针针Northern blot探针的制备探针的制备探针效率的检测探针效率的检测T