01 第一章 发育生物学绪论.ppt

第1页：发育生物学课程封面

发育生物学Developmental Biology

第2页：第一章目录页

• Introduction
• Basic concepts
• Origins and HistoryChapter 1 Introduction to Developmental Biology

第3页：第一部分 发育生物学导论

Part 1Introduction to Developmental Biology

第4页：发育生物学的学科进展

发育生物学是近年来进展最快的学科之一

• 《Nature》及其分支杂志在1994年1月—2004 年8月期间刊登了1200多篇发育方面的论文。
• 《Science》1994年1月—2004年8月期间刊登了1050多篇发育方面的论文。
• 在Pubmed上可以检索到46.8万篇发育相关的论文。

第5页：发育生物学英文定义

Developmentalbiologyisatthecoreofallbiology.Itdealswiththeprocessbywhichthegenesinthefertilizedeggcontrolcellbehaviorintheembryoandsodetermineitspattern,itsform,andmuchofitsbehavior.Theprogressindevelopmentalbiologyinrecentyearswiththeapplicationsofadvancesincellandmolecularbiology,hasbeenremarkableandanenormousamountofinformationisnowavailable.

第6页：主要参考教材

• 张红卫等主编，发育生物学，2001。
• 樊启昶等主编，发育生物学原理，2002。
• 桂建芳等主编，发育生物学，2002 。
• Lewis Wolpert，Principles of Development, Second edition，2002。
• Scott F Gilbert，Developmental Biology, Seventh edition，2003。主要参考教材

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第11页：刊登发育论文的主要杂志

刊登发育方面论文的主要杂志

• Genes and Development，
• Developmental Cell，
• Development,
• Developmental Biology,
• Mechnisms of Development,
• Annual Reviews of Cell and Developmental Biology,
• Current Opinion in Genetics and Development.

第12页：发育生物学的研究对象

发育生物学的研究对象

发育生物学（developmental biology）是应用现代生物学的技术研究生物发育本质的科学，主要研究多细胞生物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长、衰老和死亡即生物个体发育（ontogeny）中生命过程发展的机制。同时，发育生物学也研究生物种群系统发生（systematics development）的机制。

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第15页：发育生物学与胚胎学的区别

• 与传统的胚胎学（embryology）不同，发育生物学是在20世纪50年代以后，由于分子生物学、细胞生物学、遗传学以及生物化学等其他生命学科的发展，并与胚胎学的相互渗透，才逐渐发展和形成的一门新兴的生命科学。
• 传统的胚胎学是研究从动物受精到出生之间有机体的发育，即胚胎发育。但有机体的发育在出生后并未停止，甚至大多数成年生物体也依然继续发育。

第16页：人类胚胎的生长变化

随着生长的进行，人类胚胎在大小和形态上都发生显著的变化。

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第18页：蜥蜴尾部再生

一些动物能够再生出失去的器官。一种蜥蜴（South eastern five-lined skink,东南五线石龙子）在防御中丢弃自己的尾巴。

第19页：蝾螈晶状体的再生

有尾两栖类蝾螈晶状体的再生

第20页：发育生物学的学科地位

• 发育生物学的形成和发展本身是多学科相互渗透的结果，代表了现代生命科学的结晶。
• 发育生物学既是重要的基础生命科学，其研究成果又具有广阔的应用前景，已经成为当代最活跃的生命科学研究领域之一。

第21页：发育生物学研究的主要任务

发育生物学研究的主要任务

个体发育的基础是细胞分化（cell different-iation）。从个体发育的角度来说，一个单细胞受精卵如何通过一系列的细胞分裂和细胞分化，产生有机体内所有形态和功能不同的细胞，这些细胞之间又如何通过细胞之间的相互作用共同构建各种组织和器官，建成一个有机体并完成各种发育过程，这些都是发育生物学的主要任务。

第22页：发育的遗传程序

• 从另一个角度来讲，发育是遗传信息按一定的时间和空间顺序表达的结果。发育具有严格的次序性，发育并不是个别基因的表达，而是众多基因表达在时间和空间上的联系和配合。
• 发育生物学的主要任务是研究生物体发育的遗传程序及其调控机制。

第23页：体节极性基因的表达区域

体节极性基因的不同表达区域表明果蝇体节的前后轴由不同基因共同控制

第24页：体节分界处的基因相互作用

hedgehog，wingless和engrailed基因在体节分界处相互作用决定果蝇腹部刚毛（小齿）的模式。

第25页：基因控制前后体轴模式图

基因控制前后体轴形成的模式图

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第27页：发育生物学的主要研究热点

发育生物学的主要研究热点

• 体轴决定
• 中胚层分化与器官发生
• 细胞分化（干细胞、细胞凋亡、细胞分化决定、基因的重编程、体细胞克隆）
• 神经发育
• 发育调节与信号通道
• 发育与进化

第28页：第二部分 基本概念

Part 2Basic concepts of Developmental Biology

第29页：动物发育的主要特征

动物发育的主要特征

• 发育的主要特征是具有严格的时间和空间的次序性，这种次序性由发育的遗传程序控制。
• 发育是有机体的各种细胞协同作用的结果，也是一系列基因网络性调控的结果。

第30页：发育的主要功能

发育的主要功能

多细胞有机体的发育有两个主要的功能：1. 产生细胞的多样性，并使各种细胞在本世代有机体种有严格的时间和空间的次序性。2. 通过繁殖（reproduction）产生新一代的个体，保证世代的交替和生命的连续。

第31页：动物发育的基本规律

动物发育的基本规律

新个体的生命开始于两性配子（gamete）—精子和卵子的融合，其融合过程称为受精（fertilization）。通过受精激活发育的程序，受精卵开始胚胎发育（embryogenesis）。

第32页：海胆卵子Bindin受体分布

海胆卵子细胞表面Bindin受体的不均匀分布

第33页：胚胎发育的主要阶段

• 大多数动物的胚胎发育要经过受精、卵裂（cleavage）、原肠胚形成（gastrulation）、神经胚形成（neurulation）和器官形成（organogenesis）等几个主要的胚胎发育阶段才能发育成为幼体，通过生长发育成为成体。
• 有些动物如两栖类的个体发育还必需经历变态（metamorphosis），才能发育成为成体。

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第35页：哺乳动物卵细胞的受精

哺乳动物卵细胞的受精

第36页：爪蟾受精卵的卵裂

爪蟾受精卵的卵裂

第37页：胚胎发育中身体的主轴

胚胎发育过程中身体的主轴

第38页：海胆的原肠作用

海胆的原肠作用

第39页：细胞局部收缩形成褶

某些特殊细胞的局部收缩导致整个片层的细胞形成褶。细胞行为建立起基因活性和发育过程之间的联系。

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第41页：胚层的形成

胚层的形成

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第44页：胞质决定子与不对称分裂

胞质决定子的位置和不对称细胞分裂使细胞之间产生差异。

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第46页：脊椎动物骨骼肌的分化

脊椎动物骨骼肌的分化主要特征

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第48页：法国国旗与位置信息诠释

法国国旗用于说明模式建成过程中包括对位置信息的诠释。

第49页：侧面抑制形成空间模式

发生分化的细胞常常分泌一种抑制性信号作用于相邻的细胞，结果形成侧面抑制。侧面抑制能够形成空间的模式。

第50页：鸡胚的肢芽

鸡胚的肢芽

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第52页：精子形成的时间

精子形成(spermiogenesis)人约需74天

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第54页：细胞分化产生细胞表型

从受精卵发育成为有机体，实际上是从一个全能细胞通过一系列的细胞分化产生有机体全部细胞表型的过程。细胞分化的结果是形成一定的细胞表型。人的受精卵通过细胞分化至少产生250种以上的细胞。

第55页：第三部分 起源与历史

Part 3Origins and History of Developmental Biology

第56页：发育生物学的发展简史

发育生物学的发展简史

• 发育是生物学中古老的话题，而发育生物学是在胚胎学的基础上发展和形成的一门新型的生命科学，它揭示了生物体生命周期动态演变的规律，是生命科学中的新主角。
• 生命科学中最活跃的发育生物学古老而又年轻。

第57页：发育生物学的起源

发育生物学的起源

最早试图解释发育问题的是公元前5世纪希腊的希波克拉底（Hippocrates）。他用当时时兴的物理学上的热、湿度和凝固等理论来解释发育。

第58页：后成论与先成论的论争

后成论与先成论的持久论争早在公元前4世纪，Aristotle对于动物胚胎的不同部分和成体动物各种结构形成的原因就提出了自己的观点。在观察鸡、星鲛和一些无脊椎动物胚胎发育的基础上，他首先提出了胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的，这个理论后来称为后成论（theory of epigenesis），也称渐成论。他的思想在19世纪末之前一直占有主要地位。

第59页：William Harvey与鸡胚观察

William Harvey(1578-1657)

• Little progress has been made in the next 2000 years after Aristotle.
• 1st one saw the blastodermof the chick embryo and noticing the “island”of blood cells.
• Ex ovo ominia (All from the egg.)

第60页：先成论的精源与卵源学说

直到公元17世纪后期和18世纪，以精源学说和卵源学说为代表的先成论（theory of performation）占据了统治地位。两种学说的共同点认为胚胎是成体的雏形，是配子中固有的结构，胚胎发育仅仅是原有结构的增大。这两种学说还认为卵子中含有所有后代的微小胚胎，一个世代包含下一个世代，使种族得以延续。

第61页：马尔比基的鸡胚描述

Malpighi’s description of chick embryo in 1673。Early embryo (top) and 2 days’ incubation (bottom) 17世纪意大利杰出的胚胎学家马尔比基（M Malpighi）对鸡胚的发育作了相当细致的描述，但也未能摆脱后成论观点的束缚，他仍然深信胚胎在形成之初就已经存在了。

第62页：精子中的小人假说

Some performationists believed that a homunculuswas curled up in the head of each sperm.

第63页：Wolff与后成论的确立

1759年，德国科学家Wolff根据自己对鸡胚发育的仔细观察，认为卵子中并不存在胚胎结构，胚胎与成体并不相同，胚胎发育是逐渐变化的过程。后成论的观点直到19世纪才为人们接受。

第64页：细胞理论改变发育原理

细胞理论改变了胚胎发育和遗传学的基本原理1839年，德国著名植物学家Schleiden和生理学家Schwann指出细胞是生命的基本单位；通过细胞的有丝分裂产生其他的细胞。发育也必然是逐渐变化的过程。在胚胎发育过程中，通过受精卵的分裂产生许多新细胞，同时产生新的细胞类型。人们对受精以及减数分裂等过程的认识揭开了发育生物学甚至是整个生物学的新篇章。

第65页：嵌合型发育与调整型发育

发育的嵌合型合调整型19世纪80年代，Weismann就提出了关于细胞、染色体和基因与胚胎发育关系的理论。他认为合子的细胞核含有大量特殊的信息物质——决定子（determinant），在卵裂的过程中这些决定子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。细胞的命运实际上是由卵裂时所获得的合子核信息早已预定的，这一类型的发育我们称为嵌合型发育（mosaic development）。

第66页：Weismann的不对称卵裂

Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。

第67页：体细胞与生殖细胞的区分

德国生物学家魏斯曼（August Wisman）发现动物的细胞可以分为体细胞（somatic cell）和生殖细胞（germ cells）他认为后代的遗传特征不是来自体细胞，而是来自生殖细胞，生殖细胞并不受体细胞的影响。

第68页：Roux的蛙胚实验

胚胎学家Roux（1887）的实验结果支持Weismannn的理论。蛙的发育存在嵌合型发育机制。

第69页：Driesch的调整型发育

Driech（1891）首先证明海胆发育过程中存在调整型发育（regulative development）：胚胎为保证正常的发育，可以产生胚胎细胞位置的移动和重排。

第70页：诱导现象的发现

诱导现象的发现1924年Spemann和助手Mangold进行了著名的蝾螈胚孔背唇移植实验，发现胚孔背唇具有调控和组织一个几乎完整的胚胎产生的特殊能力，故称为组织者（organizer）。发育中诱导和细胞之间相互作用的重要性才得到充分的重视。

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第74页：诱导现象的定义

诱导现象（induction）使人们认识到细胞之间的相互作用是胚胎发育最重要的核心问题。诱导是指一类组织与另一类组织的相互作用，前者称为诱导者（inducer），后者称为发应组织，诱导者可指令邻近反应组织的发育。

第75页：基因论源于胚胎学

遗传学与胚胎学相伴而来1. 基因论源于胚胎学由基因型（genotype）控制发育，同时有机体的表型（phenotype）又受到环境因子与基因型的共同影响。从基因型到表型的唯一途径是胚胎发育。遗传学和发育生物学相伴而生。

第76页：基因型和表型的差异

基因型和表型的差异

第77页：性染色体架起基因与发育之桥

2. 性染色体架起了基因与发育之桥Morgan等对果蝇伴性遗传（sex-linked inheritance）性状的鉴定以及由此进行的一系列研究架起了基因与发育之桥。也正是由于基因论的影响，才推动了以描述形态为主的胚胎学向致力于阐明发育机制的发育生物学的进步和发展。

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第79页：发育遗传学的出现

3. 发育遗传学的出现遗传学家和胚胎学家对发育的争论促进了发育遗传学理论的建立。遗传和发育是个体发生过程的两个方面：发育受遗传程序的控制，遗传特性通过发育展现出来。遗传学不但与发育生物学相伴而来，而且相伴而兴。

第80页：分子生物学与发育生物学结合

分子生物学与发育生物学的结合关于发育的研究虽然已有很长的历史，但发育生物学是20世纪50年代后才逐渐形成的。分子生物学的迅速发展促使人们对编码在DNA上的遗传信息如何控制生物体的发育等问题进行了深入的探讨。发育生物学已成为当代生命科学研究的前沿和热点领域之一。

第81页：果蝇与线虫发育的分子机制

在许多学者的共同努力下，目前对于果蝇和线虫发育的分子控制机制已基本得到阐明。在深入了解果蝇和线虫发育机制的基础上，近年来又利用发育调控基因在进化上的保守性，开展了脊椎动物发育分子机制的深入研究，对于斑马鱼、爪蟾等模式动物的研究叶取得一系列重大的突破。