发育生物学模式生物专家讲座

模式动物发育生物学Department

of

Developmental

Biology

SchoolofLifeSciencesCentral

South

Universityzhangjianxiang@1发育生物学模式生物第1页多细胞生物在胚胎期复杂发育改变和调控一直是困扰生命科学未解之迷。个体生命诞生自精卵结合形成合子,经过细胞不停分裂、迁移、分化并发生巨大形态改变,构建出未来身体雏形。越是出生后形态复杂生物,其发育中细胞间关系改变也就越猛烈。另外,即使全部细胞都来自于同一个受精卵,但从发育早期开始,它们就走上了不一样分化道路,越到后期,要准确说出每个特定位置上细胞来历就越困难。发育过程从本质上讲是一部生命发展细胞史。2发育生物学模式生物第2页成体中每个细胞都有一段自己独特历史,总括起来就组成了个体生命。对复杂生物发育解读类似于对有悠久历史古文明所进行研究,史料千头万绪,细节纷繁,难以把握,有时甚至无从下手。显然,怎样选取恰当切入点,找出诸种复杂现象背后潜藏共同规律就成为洞悉这部生命史关键。3发育生物学模式生物第3页假如把关注焦点集中在相对简单生物上则发育难题能够得到部分解答。因为这些生物细胞数量和种类更少,胚胎在体外发育,改变也较轻易观察。因为进化原因,细胞生命在发育基本模式方面含有相当大同一性,所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上物种来研究发育共同规律是可能。尤其是当在有不一样发育特点生物中发觉共同形态发生和改变特征时,发育普遍原理也就得以建立。因为对这些生物研究含有帮助我们了解生命世界普通规律意义,所以它们被称为“模式生物”。4发育生物学模式生物第4页模式生物应具备特点:1）其生理特征能够代表生物界某一大类群；2）轻易取得并易于在试验室内喂养、繁殖；3）轻易进行试验操作，尤其是遗传学分析。长久以来在进化支流港湾中休憩小生命——酵母、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、拟南芥，取得了前所未有青睐。5发育生物学模式生物第5页发育生物学研究中主要模式动物

6发育生物学模式生物第6页各种模式动物各有优点,其研究结果不但能够揭示特定物种特点,还有利于动物发育中一些普遍规律和机制揭示。7发育生物学模式生物第7页主要优点

1.体积小,生命周期短,易于繁殖；（卵、幼虫、蛹、成虫）

2.产卵力强；

3.性成熟短；

4.易于遗传操作；

5.基因组序列已全部测出(Science,Mar.24,),(120Mbencodes13,601proteins)

1.果蝇(Drosophilamelanogaster):Insectmodel8发育生物学模式生物第8页果蝇（fruitfly,Drosophilamelanogaster）。它在近代生物学史上地位显赫,这红眼睛黑肚皮小东西曾经三度飞进卡罗林斯卡医学院颁奖大厅,为主人取回诺贝尔生物医学奖桂冠（1933年摩尔根,1946年缪勒,1995年刘易斯、尼尔森－沃哈德和维斯郝斯）。因为它们繁殖快速、染色体巨大且易于进行基因定位,所以自1909年摩尔根（Morgan,1866－1945）将之用作研究遗传变异和染色体关系材料之后,果蝇就成为经典遗传学家揭示遗传规律一张王牌。9发育生物学模式生物第9页即使1940年后30年中，更易进行分子生物学操作大肠杆菌、酵母菌和噬菌体等微生物一度取代了它辉煌地位，但1970年开始人们发觉果蝇在胚胎发育图式构建中含有特殊优点:它由14个体节组成躯干完全对称，一套基因控制了这些体节从上到下发生过程，以后研究证实，这套基因普遍存在于从昆虫到人基因组中，是决定机体左右对称布局形成最基本原因。由此，果蝇再次引发人们高度兴趣，其在遗传和发育研究中地位又变得举足轻重起来。10发育生物学模式生物第10页11发育生物学模式生物第11页卵母细胞滋养细胞滤泡细胞果蝇卵子发生16个细胞1个细胞卵母细胞15个细胞滋养细胞合成核糖体蛋白颗粒运入卵母细胞12发育生物学模式生物第12页果蝇卵裂13发育生物学模式生物第13页果蝇表面裂果蝇受精卵合子核位于卵黄中央,胞质已被挤在卵黄与细胞膜之间成为卵周质。第9次卵裂后形成极细胞,然后剩下核迁移到胚胎周围进行几次较慢分裂（仅为细胞核分裂）,在前13次分裂这期间胚叫合胞体胚盘(syncytialblastoderm)。之后发生细胞化,在第14次分裂时,已移至外周核之间卵膜内陷,将每个核围成一个细胞,形成细胞化胚盘(celluarblastoderm)。细胞化过程需75min－175min。原肠胚形成开始时,果蝇胚胎由一个细胞化胚盘包围中间卵黄而成。7234561891011121314151614发育生物学模式生物第14页SuperficialcleavageinaDrosophilaembryo.Theearlydivisionsoccurcentrally.Thenumbersrefertothecellcycle.Atthetenthcellcycle(512-nucleusstage2hoursafterfertilization),thepolecellsformintheposterior,andthenucleiandtheircytoplasmicislands("energids")migratetotheperipheryofthecell.Thiscreatesthesyncytialblastoderm.Aftercycle13,theoocytemembranesingressbetweenthenucleitoformthecellularblastoderm.(LaserconfocalimagesofstainedchromatincourtesyofW.BakerandG.Schubiger.)15发育生物学模式生物第15页16发育生物学模式生物第16页果蝇卵子在产出之前受精,受精后细胞核马上进行快速连续分裂,但细胞质不分裂,形成一个合胞体胚盘。在细胞核第9次分裂过程中,约有5个核迁移到胚胎后极,开始含有细胞膜包围形成第一批细胞,称为极细胞,这些细胞将发育为生殖细胞。前13次分裂仅为细胞核分裂,这期间胚叫多核胚(syncytialblastoderm)。在第14次分裂时,已移至外周核之间卵膜内陷,将每个核围成一个细胞,形成细胞化胚。17发育生物学模式生物第17页中胚层形成及神经系统决定cephalicfurrowventralfurrow细胞生成后,果蝇胚胎就进行gastrulation(如右图),一开始胚胎在腹面有沟,称为ventralfurrow,而等这个沟并合时候,同时在靠近这沟前端产生了另一横沟,叫做cephalicfurrow,这能够区分头部和胸腹部结构。而在之后,胸腹部地方,产生了胚带germband,而这时头部开始渐渐发育,而胸腹部也开始分节,胸部分成三个体节,腹部分成八个体节而最终一个成体所以而产生。18发育生物学模式生物第18页中胚层形成19发育生物学模式生物第19页中肠形成过程20发育生物学模式生物第20页腹侧出现沟状内陷组成中胚层,它初与表层组织脱离时形成管状结构,以后经过细胞迁移扩散至外胚层下各部分发育成肌肉、结缔组织等中胚层起源结构；胚胎两端向内陷入组成内胚层和原肠,其中段为中胚层介入并通连形成消化道；来自囊胚腹侧外胚层发生区域细胞散在性地向内迁入,在外胚层和中胚层之间形成神经母细胞层,进而发育成一腹侧神经索为主体神经系统；滞留在胚体表面细胞组成外胚层。21发育生物学模式生物第21页原肠胚发生从受精后3h开始,大约10h左右完成。原肠形成后期果蝇体节开始形成,奠定了未来头胸腹和各器官系统发生基础,并继之完成了这些结构或者他们原基（成虫盘）建设,经过幼虫期和变态,最终发育为成虫。22发育生物学模式生物第22页果蝇原肠形成23发育生物学模式生物第23页2.线虫(Caenorhabditiselegans):Wormmodel24发育生物学模式生物第24页秀丽隐杆线虫(nematode,Caenorhabditiselegans)都是一个名副其实漂亮生物。显微镜下，它通身透明，纤细身躯优雅摆动，每一块肌肉收缩与松弛一览无余。这种长不过1毫米小生物有几个和人类关系亲密亲戚:蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎两个。不过，线虫本身和人关系不大，它生活在土壤中，以细菌为食，被称为“自由线虫”。在有着多达万同宗弟兄线虫家族中，它们一直默默无闻过着无人打搅幸福生活，千百万年来，除了少数线虫分类学家，我们对它们也不闻不问。然而，当进入20世纪70年代时，秀丽线虫平静生活被一群发育生物学家打破。线虫之所以能在经典模式生物名单中占有一个主要位置和它形态特点有亲密关系，它是唯一一个身体中全部细胞能被逐一盘点并各归其类生物。25发育生物学模式生物第25页它幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞,成虫则依据性别不一样含有不一样细胞数。最常见雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和个生殖细胞,而较少见雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。另外,线虫生命周期很短,它从生到死全过程只有3天半,这就使得不间断观察并追踪每个细胞演变成为可能。26发育生物学模式生物第26页只要把线虫浸泡到含有核酸溶液中,就能够用这种最简单方式实现基因导入。线虫还能够被冻在冰箱里储存,复苏之后继续研究。经过20年努力,到90年代中期,人们已经建立了完整线虫从受精卵到全部成体细胞谱系图。这意味着,它机体里每一个细胞来龙去脉都处于我们视野中,清楚而且无所遗漏。27发育生物学模式生物第27页细胞凋亡现象及其机理最早是在线虫中被揭示。凋亡(apoptosis)是一个希腊文起源词语，这个字眼表示是花儿凋谢，树叶飘零景色。“梧桐叶落而知天下秋”意象恐怕正是说这种意境:优雅，含蓄，还带点淡淡忧伤，更因为飘落时那种即使有些无奈却坦然以受之美。因为线虫研究开创了一个对今日生物医学发展含有举足轻重全新领域，同时也因为以线虫为基础凋亡研究对基础和应用生物学产生巨大推进作用，卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖评选委员会将年年生理和医学奖授予了线虫生物学开拓者:西德尼·布雷纳(SydneyBrenner)、约翰·萨尔斯顿(JohnSulston)）和线虫凋亡之父罗伯特·霍维茨(RobertHorvitz)。28发育生物学模式生物第28页主要优点:

1.易于养殖:成体长1mm;

2.性成熟短:2.5-3天，

两种成虫

（雌雄同体和雄性）；

3.细胞数量少，谱系清楚；

4.易于遗传操作；

5.基因组序列已全部测出(Science,Dec.11,1998)。29发育生物学模式生物第29页线虫胚胎卵裂过程30发育生物学模式生物第30页秀丽新小杆线虫31发育生物学模式生物第31页32发育生物学模式生物第32页33发育生物学模式生物第33页线虫孵化时有556个体细胞和2个原始生殖细胞。经过四个蜕皮期幼虫,连续3天时间,发育结束。发育结束时,若是雌雄同体,成虫有959个体细胞和约个生殖细胞；若是雄性个体则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。成虫神经系统由302个神经细胞组成,这些细胞来自407个前体细胞,这些前体细胞中有105个发生了细胞凋亡。34发育生物学模式生物第34页3.爪蟾（Xenopuslaevis）:Amphibianmodel主要优点

1.性成熟短,取卵方便,产卵量大,可人工授精；

2.卵体积大1.4mm,易于操作；

3.抗感染力强,易于组织移植；

35发育生物学模式生物第35页斑马鱼(zebrafish,Daniorerio)和非洲爪蟾(southAfricanclawedtoad,Xenopuslaevis)是当前最惯用两种模式低等脊椎动物。斑马鱼产卵量多,繁殖快速,胚胎通体透明,是进行胚胎发育机理和基因组研究好材料。非洲爪蟾卵母细胞体积大、数量多,易于显微操作,还可制成含有生物活性无细胞体系,易于生化分析,在卵母细胞减数分裂机理研究中含有不可替换作用。参加调整哺乳动物卵母细胞减数分裂主要蛋白激酶,其作用最初大都是在非洲爪蟾卵子中发觉,开启了细胞周期调控分子机理之门。就象安徒生笔下童话,丑陋青蛙摇身一变,变成了发育生物学王子。36发育生物学模式生物第36页主要优点

1.体积小,易于

喂养殖；

2.产卵力强；

3.性成熟短；

4.易于遗传操作；

5.体外受精和发育,易于观察；

6.基因组序列已全

部测出。4.斑马鱼Daniorerio（zebrafish)37发育生物学模式生物第37页5.小鼠Musmusculus(Mouse)38发育生物学模式生物第38页小鼠(Mouse,Musmusculus)起源于野生鼷鼠,从17世纪开始用于解剖学研究及动物试验,经长久人工喂养选择培育,已育成多达千余个独立远交群和近交系。因为小鼠繁殖快,喂养管理费用低,所以成为生物医学研究中广泛使用模式生物,也是当今世界上研究最详尽哺乳类试验动物。当前全世界天天约有2500万只小鼠被用于生物医学研究,以小鼠为对象研究已经取得了17项诺贝尔奖。小鼠胚胎干细胞分离和基因敲除技术应用,更为以小鼠为对象发育生物学研究起了推波助澜作用。1999年,美英几家大型科研机组成立了老鼠基因组测序合作团体,年8月,他们公布了老鼠基因组物理图谱框架。完整老鼠基因组图谱预计于年完成。39发育生物学模式生物第39页40发育生物学模式生物第40页41发育生物学模式生物第41页It’samammal,andoneofthesmallest(25-40g)Shortgestationtime(20days)Enterspubertyrelativelyearly(within6-8weeks)LargelittersizesLongreproductivelifespan(1.5-2.5years)MalesdonotharmthepupsEasytohandleFordevelopmentstudies,pregnanciesareeasilytimedfrominsemination(vaginalplugs)Placentationandearlyde