Developmental Biology
发育生物学
Developmental Biology
第一章 序 言
一、前言
(一 ) 概念
发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受
精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学。
发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学。
发展过程,形态 机理
组织器官 细胞 分子
Developmental Biology
本课程的主要讲授内容
? 序言：发育生物学中的一些基本原理；发育生物学
中的动物模型；发育生物学中的现代技术。
? 胚胎的早期发育：卵裂、原肠作用、神经胚作用。
? 细胞分化的机制：侧重基因表达的调控对组织器官
形成和分化的影响。
? 果蝇躯体轮廓发育的分子机制
? 四肢动物的肢体的发育
? 性别决定与生殖细胞
Developmental Biology
主要参考书
? Scott Gilbert编,,Developmental Biology》, 6th
Editions,2000.
? Lewis Wolpert主编：,Principles of
Development》, 1998.
? Klaus Kalthoff:,Analysis of Biological
Development》, 2nd edition,2001.
? Bruce M,Carlson:, Human Embryology &
Developmental Biology》,2nd Edition,1999.
Developmental Biology
发育生物学相关期刊
? CEL L
? NA T UR E
? S CIENCE
? GE NES &, DEVE L O P M E NT
? DEVEL O P M E NT
? DEVEL O P M E NT AL B I OL OG Y
? M E CHAN IS M S O F DEVE L O P M E NT
? NA T UR E CEL L B IO L OG Y
? DEVEL O P M E NT AL DY NA M ICS
? DEVEL O P M E NT AL G E NET ICS ( GE NE S IS )
? DEVEL O P M E NT G ROWT H & DIFF E RENT IA T IO N
? DEVEL O P M E NT G E NE S AN D EV OL UT IO N
? REP RODU CTIO N F E R T I L IT Y A ND DEVE L O P M E NT
? M OL E CU L AR REP RODU CTIO N A ND DEVE L O P M E NT
? S E M INA RS IN CEL L & DEVE L O P M E NT AL B IO L OG Y
? DEVEL O P M E NT AL NE UR OS CI E NC E
? DEVEL O P M E NT AL RE VIEW
? DEVEL O P M E NT AL P S YC HO B IO L OG Y
? IN V IT RO CEL L ULAR & DEVE L O P M E NT AL B IO L O GY- AN IM AL
? INTE RN A T IO NA L JO UR NA L O F DEV E L O P M E NT AL B IO L OG Y
Developmental Biology
(二 )、发展历史
1、后成论 (epigenesis)和先成论 (preformation)之争
希腊哲学家 Aristotle在公元前第 4世纪在对鸡胚
和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种
假设：
? Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存
在于胚胎中，各个部分随着胚胎的发育而长大。
?Epigenesis,在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐
形成的。
Developmental Biology
17世纪，意大利胚胎学家
Marcello Malpighi观察到的
鸡胚
Developmental Biology
17世纪，精原学说的代表人
物 Nicholas Hartsoeker所想
像的精子中的微型人
法国科学家 Bonnet(1745)提
出胚胎发育套装论
Developmental Biology
? 19世纪 30年代末,Mathias Schleiden和 Theodor
Schwann提出细胞学说。
? 1840,August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代
个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；
卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化出不同组
织，从而否定了 preformation论。
? 19世纪对 Sea Urchin受精卵的观察发现,受精卵含有两
个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明 细胞核含
有遗传的物质基础。
? 19世纪末，染色体 的发现 和发现染色体数目在发育中
的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。
2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念
Developmental Biology
3,Mosaic and Regulative Development
19世纪 80年代,Weismann提出了 mosaic development
学说：合子中的大量特殊因子在细胞分裂中不均等分配，
导致了不同细胞向不同命运的发育。
Developmental Biology
3,Mosaic and Regulative Development(续 )
支持嵌合体学说的实验证据,Wilhelm Roux的实验：
Developmental Biology
3,Mosaic and Regulative Development(续 )
Wilhelm Roux的同事 Hans Driesch的下述实验表明，胚
胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即 胚
胎发育是可调节的 。
Developmental Biology
4,Discovery of Induction
1924年,Hans Spemann和 Hilde mangold的移植实验表
明,胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育 。
Developmental Biology
5、遗传学、分子生物学与发育生物学的结合
?1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。
?1909年荷兰植物学家 Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的
概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。
?20世纪 40年代证明,DNA是遗传物质,控制蛋白质的合成 。
?20世纪 50年代发现,DNA为双螺旋结构。
?20世纪 60年代：三联体密码被破解。
?20世纪 70年代,DNA重组技术出现。
?20世纪 80年代：转基因技术出现。
?20世纪 90年代：动物克隆技术出现。
?世纪之交,HGP。
?新的突破,stem cells,proteomics,conditional gene
knockout,mutagenesis
Developmental Biology
二、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
Developmental Biology
主要优点
1,体积小，易于繁
殖；
2,产卵力强；
3,性成熟短；
4,易于遗传操作：
如诱变；
5,基因组序列已全
部测出 (Science,
Mar,24,2000)。
(120Mb encodes
13,601 proteins)
1,Drosophila melanogaster,Insect model
Developmental Biology
2,Caenorhabditis elegans,Worm model
主要优点
1,易于养殖：成虫
体长 1mm,易冷
冻保存 ；
2,性成熟短,2.5-3
天，两种成虫；
3,细胞数量少，谱
系清楚；
4,易于诱变；
5,基因组序列已全部
测出 (Science,Dec,11,
1998)。 (97MB
encodes 19,099
proteins.)
Developmental Biology
(二 ),Vertebrate Models
Developmental Biology
1,Xenopus laevis,Amphibian model
主要优点
1,性成熟短；
2,卵体大，易于操
作；
3,抗感染力强，易
于组织移植；
Developmental Biology
主要优点
1,体积小，易于饲
养殖；
2,产卵力强；
3,性成熟短；
4,易于遗传操作：
如诱变；
5,体外受精和发育，
易于观察；
6,基因组序列已全
部测出。
2,Danio rerio (zebrafish)
Developmental Biology
3,Mus musculus (Mouse)
Developmental Biology
4,Gallus gallus (Chicken)
Developmental Biology
三、发育生物学中的基本概念及规律
(一 ),Five major developmental processes
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。
Developmental Biology
2,Pattern formation:
(1) 躯体轴线的制定
Developmental Biology
2,Pattern formation:
(2) 胚层的形成
Developmental Biology
3,Morphogenesis
最突出的形态变化发生
在 原肠作用开始之后。
Developmental Biology
4,Cell dif-
ferentiation:
人类胚胎可最后
发育出至少 250种
不同细胞类型，
分化通常是不可
逆的。
Developmental Biology
5,Growth
胚胎在基本的 pattern形成之后，其体积
会显著增长，原因在于 细胞数量增加、
细胞体积增加、胞外物质的积累。 不同
组织器官的生长速度也各异。
Developmental Biology
(二 ),Cell Behaviour
Cell behavior
Gene Embryonic development
细胞行为主要包括：
Cell state,指基因活性状况。
Cell-to-cell signaling,细胞间信号的传送、接受、反应。
Cell movement and cell-shape changes:细胞通过形态改变及运
动产生的机械动力，导致特殊结构的形成。
Cell proliferation,躯体不同部位的细胞增生速度不一，可导致
整体结构的改变。
Cell death,在特定的发育时期，特定部位的细胞的死亡是形成
正确结构所必需的。
Developmental Biology
(三 )、基因控制细胞行为
是通过控制细胞中的蛋
白质的产生而实现的
? House-keeping proteins:几乎存在于
所有类型细胞中，通常用于产生能
量、在代谢途径中生成或降解产物，
如组蛋白及转录或翻译中所必需的
蛋白因子。
? Tissue-specific proteins,存在于特殊
类型细胞中，从而赋予细胞特定的
活性。如血细胞中的血红蛋白－输
氧、肌肉细胞合成 myosin,actin、
tropomyosin为收缩提供能量。包括
酶、生长因子、受体蛋白、结构分
子。
细胞可从多个方面来控制蛋白质
的合成。
Developmental Biology
(四 )、发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间
? 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改
变而改变 (see next slide)。
? Determination: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
谱发育。
Developmental Biology
两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变
原肠胚中眼区将发育
为眼睛。
将原肠胚中眼区细胞移
植到神经胚的躯干区，
它们将按新部位的命运
发育为体节和脊索。
将神经胚中眼区细胞移
植到神经胚的躯干区，
它们仍将发育为类似于
眼的结构。
胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！
Developmental Biology
(五 )、诱导作用可使细胞互为不同
扩散性信号分子
跨膜蛋白的直接互作
间隙连接 (gap junction)
信号传导特点
? 传递距离有限
? 并非所有细胞都能对某种信号
发生反应。
? 不同类型细胞可对同一信号发
生不同反应,e.g.,乙酰胆碱使心
肌收缩频率下降，但促使唾液
腺分泌唾液。
Autonomous cell fate
non-autonomous cell fate
Developmental Biology
(六 ),Patterning常涉及 positional information的翻译
Developmental Biology
(六 ),Patterning常涉及 positional information的翻译 (续 )
Developmental Biology
(七 )、间距模式 (spacing patterns)可通过侧向抑制作用产生
Developmental Biology
(八 )、胞质决定成分的区域化及细胞的不对称
分裂使细胞具有不同的特性
Developmental Biology
线虫的不对称卵裂产生不同命运的卵裂球
Developmental Biology
二、传统的发育生物学研究技术
Developmental Biology
染料细胞标记
Developmental Biology
荧光细胞标记
Developmental Biology
细 胞 移 植
Developmental Biology
三、控制发育的基因的鉴定
及其表达和功能检测方法
Developmental Biology
基因组时代：人类基因组计划
Developmental Biology
Developmental Biology
DNA序列已经告诉了我们什么？
Y east Nem atode Fruitfly Hum an chr 22 Hum an chr21
Genom e size 12,068 k b 97,000 k b 120,000 k b 34491 k b 33827 k b
Gene nos,5,885 19,099 13,601 545 225
Gene density 1 in 2 k b 1 in 5 k b 1 in 9 k b 1 in 63 k b 1 in 150 k b
T ranscript length
per gene
1400 bp 1,371 bp 3,058 bp > 1,523 bp
Ex on nos,<1 5 4 5,4
Developmental Biology后基因组时代＝功能基因组时代
空间结构？
胞内分布及靶位？
影响器官？
基因类型？
底物？影响途径？
Developmental Biology
(一 )、鉴定发育相关新基因的主要方法
?从自然或人工突变体中分离鉴定控制发
育的基因；
?分离时空特异性表达基因的方法；
?利用基因序列同源性的克隆法；
?利用生物大分子间的相互作用克隆新的
基因。
Developmental Biology
(一 )、鉴定发育相关新基因的主要方法
?从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的
基因；
?分离时空特异性表达基因的方法；
?利用基因序列同源性的克隆法；
?利用生物大分子间的相互作用克隆新的基因。
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
?隐性突变；
?半显性突变；
?显性突变
突变体的类型
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
突变类型图示
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
?自然群体中的突变体；
?化学诱变剂处理，如亚硝基－乙脲－乙亚硝基脲
(N-nitroso-N-ethylurea ethylnitrosourea,ENU)；
?外源 DNA插入法，如 DNA注射、病毒感染、转座
子利用等；
?X－ 射线或 r－ 射线照射
获得突变体的方法
Developmental Biology
斑马鱼上 ENU化学突变研究的成就 (1996)
德国 T ubin g en 美国 Harvard
初选突变体总数
4 264 2 383
保存的突变体总数
1 163 6 95
已确认的不同基因数
3 72 2 20
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
化学诱变法
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
隐性突变体的鉴定方法
化学诱变法
Developmental Biology
由含 GFP 基因的反转录病毒插入引起突变
正常胚胎 突变胚胎
X 基因 GFP 基因
完整的 X 基因使胚胎正常发育 X 基因被 G FP 基因破坏后胚胎异常发育
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology
反转录病毒插入引起的突变的鉴定
病毒注射 F
0
W T
F
1
F
2
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology
Expression of GFP in virus-infected fishTransient germline
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology
An example of
mutational phenotypes
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
?Genetic mapping and chromosomal
walking；
?PCR or Southern hybridization；
?Candidate cloning；
?Differential display/subtractive cloning
从突变体克隆基因的方法
Developmental Biology
(一 )、鉴定发育相关新基因的主要方法
?从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的
基因；
?分离时空特异性表达基因的方法；
?利用基因序列同源性的克隆法；
?利用生物大分子间的相互作用克隆新的基因。
Developmental Biology分离时空特异性表达基因的方法
?获取特定组织：直接取材或转基因法取材；
?构建 cDNA文库 ；
?从蛋白质到基因 ；
?Differentiatial hybridization/differential
display/subtractive cloning
Developmental Biology分离时空特异性表达基因的方法
基因芯片 /
核酸杂交
法
Developmental Biology
Subtractive cloning
分离时空特异性表达基因的方法
Developmental Biology
利用基因序列同源性的克隆法
?用一个物种的基因直接做探针分离另一个物种的同源基因；
?根据多个物种的蛋白序列分离另一个物种的同源基因 ；
?根据同一基因家族的不同成员间的保守序列分离新的家族成员 ；
Developmental Biology
利用大分子间的相互作用克隆新的基因
?鉴定可与蛋白质结合的 DNA序列
?分离靶蛋白质，（可采用 gel-shift assay)
?克隆靶蛋白的表达基因。
利用 DNA与蛋白质间的相互作用
Developmental Biology分离时空特异性表达基因的方法
利用蛋白质之间的相互作用
酵
母
双
杂
交
法
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental BiologymRNA的检测
?Northern blot
?Dot blot
?RT-PCR
?DNA Microarray
?in situ hybridization
Developmental Biology
Northern杂交的
作用,检测基因
的转录物的存在
及是否发生了选
择性拼接。
Developmental BiologymRNA的检测
原位杂交 (in situ hybridization)
Developmental Biology
利用原位杂交技术研究基因表达的时空谱
mRNA的检测
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental Biology蛋白质 的检测
?电泳法
?Western blot
?抗体染色法
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental Biology启动子活性检测法
P r o m o t e r / e n h a n c e r s G F P p A
表达载体的构建：
Developmental Biology
(三 )、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
用基因敲除法研究基因的功能
Developmental Biology
三、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
转
基
因
动
物
与
基
因
的
异
位
表
达
?
DNA
注
射；
?
RNA
注
射；
?
病
毒
感
染
。
Developmental Biology
用组织特异性启动子控制外源基因的表达
绿色血液
绿色神经细胞
Developmental Biology
(三 )、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
(三 )、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
Dominant Negative Receptor Mutations
细胞膜 受体胞外区
受体跨膜区
突变
受体胞内区缺失导致
信号传导的中断
受体胞内区
配体配体
下游信号分子
Developmental Biology
Dominant Interferring allele
Engr ai l ed R D X ’ D B pA
发育生物学
Developmental Biology
第一章 序 言
一、前言
(一 ) 概念
发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受
精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学。
发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学。
发展过程,形态 机理
组织器官 细胞 分子
Developmental Biology
本课程的主要讲授内容
? 序言：发育生物学中的一些基本原理；发育生物学
中的动物模型；发育生物学中的现代技术。
? 胚胎的早期发育：卵裂、原肠作用、神经胚作用。
? 细胞分化的机制：侧重基因表达的调控对组织器官
形成和分化的影响。
? 果蝇躯体轮廓发育的分子机制
? 四肢动物的肢体的发育
? 性别决定与生殖细胞
Developmental Biology
主要参考书
? Scott Gilbert编,,Developmental Biology》, 6th
Editions,2000.
? Lewis Wolpert主编：,Principles of
Development》, 1998.
? Klaus Kalthoff:,Analysis of Biological
Development》, 2nd edition,2001.
? Bruce M,Carlson:, Human Embryology &
Developmental Biology》,2nd Edition,1999.
Developmental Biology
发育生物学相关期刊
? CEL L
? NA T UR E
? S CIENCE
? GE NES &, DEVE L O P M E NT
? DEVEL O P M E NT
? DEVEL O P M E NT AL B I OL OG Y
? M E CHAN IS M S O F DEVE L O P M E NT
? NA T UR E CEL L B IO L OG Y
? DEVEL O P M E NT AL DY NA M ICS
? DEVEL O P M E NT AL G E NET ICS ( GE NE S IS )
? DEVEL O P M E NT G ROWT H & DIFF E RENT IA T IO N
? DEVEL O P M E NT G E NE S AN D EV OL UT IO N
? REP RODU CTIO N F E R T I L IT Y A ND DEVE L O P M E NT
? M OL E CU L AR REP RODU CTIO N A ND DEVE L O P M E NT
? S E M INA RS IN CEL L & DEVE L O P M E NT AL B IO L OG Y
? DEVEL O P M E NT AL NE UR OS CI E NC E
? DEVEL O P M E NT AL RE VIEW
? DEVEL O P M E NT AL P S YC HO B IO L OG Y
? IN V IT RO CEL L ULAR & DEVE L O P M E NT AL B IO L O GY- AN IM AL
? INTE RN A T IO NA L JO UR NA L O F DEV E L O P M E NT AL B IO L OG Y
Developmental Biology
(二 )、发展历史
1、后成论 (epigenesis)和先成论 (preformation)之争
希腊哲学家 Aristotle在公元前第 4世纪在对鸡胚
和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种
假设：
? Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存
在于胚胎中，各个部分随着胚胎的发育而长大。
?Epigenesis,在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐
形成的。
Developmental Biology
17世纪，意大利胚胎学家
Marcello Malpighi观察到的
鸡胚
Developmental Biology
17世纪，精原学说的代表人
物 Nicholas Hartsoeker所想
像的精子中的微型人
法国科学家 Bonnet(1745)提
出胚胎发育套装论
Developmental Biology
? 19世纪 30年代末,Mathias Schleiden和 Theodor
Schwann提出细胞学说。
? 1840,August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代
个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；
卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化出不同组
织，从而否定了 preformation论。
? 19世纪对 Sea Urchin受精卵的观察发现,受精卵含有两
个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明 细胞核含
有遗传的物质基础。
? 19世纪末，染色体 的发现 和发现染色体数目在发育中
的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。
2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念
Developmental Biology
3,Mosaic and Regulative Development
19世纪 80年代,Weismann提出了 mosaic development
学说：合子中的大量特殊因子在细胞分裂中不均等分配，
导致了不同细胞向不同命运的发育。
Developmental Biology
3,Mosaic and Regulative Development(续 )
支持嵌合体学说的实验证据,Wilhelm Roux的实验：
Developmental Biology
3,Mosaic and Regulative Development(续 )
Wilhelm Roux的同事 Hans Driesch的下述实验表明，胚
胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即 胚
胎发育是可调节的 。
Developmental Biology
4,Discovery of Induction
1924年,Hans Spemann和 Hilde mangold的移植实验表
明,胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育 。
Developmental Biology
5、遗传学、分子生物学与发育生物学的结合
?1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。
?1909年荷兰植物学家 Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的
概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。
?20世纪 40年代证明,DNA是遗传物质,控制蛋白质的合成 。
?20世纪 50年代发现,DNA为双螺旋结构。
?20世纪 60年代：三联体密码被破解。
?20世纪 70年代,DNA重组技术出现。
?20世纪 80年代：转基因技术出现。
?20世纪 90年代：动物克隆技术出现。
?世纪之交,HGP。
?新的突破,stem cells,proteomics,conditional gene
knockout,mutagenesis
Developmental Biology
二、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
Developmental Biology
主要优点
1,体积小，易于繁
殖；
2,产卵力强；
3,性成熟短；
4,易于遗传操作：
如诱变；
5,基因组序列已全
部测出 (Science,
Mar,24,2000)。
(120Mb encodes
13,601 proteins)
1,Drosophila melanogaster,Insect model
Developmental Biology
2,Caenorhabditis elegans,Worm model
主要优点
1,易于养殖：成虫
体长 1mm,易冷
冻保存 ；
2,性成熟短,2.5-3
天，两种成虫；
3,细胞数量少，谱
系清楚；
4,易于诱变；
5,基因组序列已全部
测出 (Science,Dec,11,
1998)。 (97MB
encodes 19,099
proteins.)
Developmental Biology
(二 ),Vertebrate Models
Developmental Biology
1,Xenopus laevis,Amphibian model
主要优点
1,性成熟短；
2,卵体大，易于操
作；
3,抗感染力强，易
于组织移植；
Developmental Biology
主要优点
1,体积小，易于饲
养殖；
2,产卵力强；
3,性成熟短；
4,易于遗传操作：
如诱变；
5,体外受精和发育，
易于观察；
6,基因组序列已全
部测出。
2,Danio rerio (zebrafish)
Developmental Biology
3,Mus musculus (Mouse)
Developmental Biology
4,Gallus gallus (Chicken)
Developmental Biology
三、发育生物学中的基本概念及规律
(一 ),Five major developmental processes
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。
Developmental Biology
2,Pattern formation:
(1) 躯体轴线的制定
Developmental Biology
2,Pattern formation:
(2) 胚层的形成
Developmental Biology
3,Morphogenesis
最突出的形态变化发生
在 原肠作用开始之后。
Developmental Biology
4,Cell dif-
ferentiation:
人类胚胎可最后
发育出至少 250种
不同细胞类型，
分化通常是不可
逆的。
Developmental Biology
5,Growth
胚胎在基本的 pattern形成之后，其体积
会显著增长，原因在于 细胞数量增加、
细胞体积增加、胞外物质的积累。 不同
组织器官的生长速度也各异。
Developmental Biology
(二 ),Cell Behaviour
Cell behavior
Gene Embryonic development
细胞行为主要包括：
Cell state,指基因活性状况。
Cell-to-cell signaling,细胞间信号的传送、接受、反应。
Cell movement and cell-shape changes:细胞通过形态改变及运
动产生的机械动力，导致特殊结构的形成。
Cell proliferation,躯体不同部位的细胞增生速度不一，可导致
整体结构的改变。
Cell death,在特定的发育时期，特定部位的细胞的死亡是形成
正确结构所必需的。
Developmental Biology
(三 )、基因控制细胞行为
是通过控制细胞中的蛋
白质的产生而实现的
? House-keeping proteins:几乎存在于
所有类型细胞中，通常用于产生能
量、在代谢途径中生成或降解产物，
如组蛋白及转录或翻译中所必需的
蛋白因子。
? Tissue-specific proteins,存在于特殊
类型细胞中，从而赋予细胞特定的
活性。如血细胞中的血红蛋白－输
氧、肌肉细胞合成 myosin,actin、
tropomyosin为收缩提供能量。包括
酶、生长因子、受体蛋白、结构分
子。
细胞可从多个方面来控制蛋白质
的合成。
Developmental Biology
(四 )、发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间
? 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改
变而改变 (see next slide)。
? Determination: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
谱发育。
Developmental Biology
两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变
原肠胚中眼区将发育
为眼睛。
将原肠胚中眼区细胞移
植到神经胚的躯干区，
它们将按新部位的命运
发育为体节和脊索。
将神经胚中眼区细胞移
植到神经胚的躯干区，
它们仍将发育为类似于
眼的结构。
胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！
Developmental Biology
(五 )、诱导作用可使细胞互为不同
扩散性信号分子
跨膜蛋白的直接互作
间隙连接 (gap junction)
信号传导特点
? 传递距离有限
? 并非所有细胞都能对某种信号
发生反应。
? 不同类型细胞可对同一信号发
生不同反应,e.g.,乙酰胆碱使心
肌收缩频率下降，但促使唾液
腺分泌唾液。
Autonomous cell fate
non-autonomous cell fate
Developmental Biology
(六 ),Patterning常涉及 positional information的翻译
Developmental Biology
(六 ),Patterning常涉及 positional information的翻译 (续 )
Developmental Biology
(七 )、间距模式 (spacing patterns)可通过侧向抑制作用产生
Developmental Biology
(八 )、胞质决定成分的区域化及细胞的不对称
分裂使细胞具有不同的特性
Developmental Biology
线虫的不对称卵裂产生不同命运的卵裂球
Developmental Biology
二、传统的发育生物学研究技术
Developmental Biology
染料细胞标记
Developmental Biology
荧光细胞标记
Developmental Biology
细 胞 移 植
Developmental Biology
三、控制发育的基因的鉴定
及其表达和功能检测方法
Developmental Biology
基因组时代：人类基因组计划
Developmental Biology
Developmental Biology
DNA序列已经告诉了我们什么？
Y east Nem atode Fruitfly Hum an chr 22 Hum an chr21
Genom e size 12,068 k b 97,000 k b 120,000 k b 34491 k b 33827 k b
Gene nos,5,885 19,099 13,601 545 225
Gene density 1 in 2 k b 1 in 5 k b 1 in 9 k b 1 in 63 k b 1 in 150 k b
T ranscript length
per gene
1400 bp 1,371 bp 3,058 bp > 1,523 bp
Ex on nos,<1 5 4 5,4
Developmental Biology后基因组时代＝功能基因组时代
空间结构？
胞内分布及靶位？
影响器官？
基因类型？
底物？影响途径？
Developmental Biology
(一 )、鉴定发育相关新基因的主要方法
?从自然或人工突变体中分离鉴定控制发
育的基因；
?分离时空特异性表达基因的方法；
?利用基因序列同源性的克隆法；
?利用生物大分子间的相互作用克隆新的
基因。
Developmental Biology
(一 )、鉴定发育相关新基因的主要方法
?从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的
基因；
?分离时空特异性表达基因的方法；
?利用基因序列同源性的克隆法；
?利用生物大分子间的相互作用克隆新的基因。
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
?隐性突变；
?半显性突变；
?显性突变
突变体的类型
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
突变类型图示
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
?自然群体中的突变体；
?化学诱变剂处理，如亚硝基－乙脲－乙亚硝基脲
(N-nitroso-N-ethylurea ethylnitrosourea,ENU)；
?外源 DNA插入法，如 DNA注射、病毒感染、转座
子利用等；
?X－ 射线或 r－ 射线照射
获得突变体的方法
Developmental Biology
斑马鱼上 ENU化学突变研究的成就 (1996)
德国 T ubin g en 美国 Harvard
初选突变体总数
4 264 2 383
保存的突变体总数
1 163 6 95
已确认的不同基因数
3 72 2 20
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
化学诱变法
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
隐性突变体的鉴定方法
化学诱变法
Developmental Biology
由含 GFP 基因的反转录病毒插入引起突变
正常胚胎 突变胚胎
X 基因 GFP 基因
完整的 X 基因使胚胎正常发育 X 基因被 G FP 基因破坏后胚胎异常发育
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology
反转录病毒插入引起的突变的鉴定
病毒注射 F
0
W T
F
1
F
2
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology
Expression of GFP in virus-infected fishTransient germline
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology
An example of
mutational phenotypes
从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
DNA插入诱变法
Developmental Biology从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因
?Genetic mapping and chromosomal
walking；
?PCR or Southern hybridization；
?Candidate cloning；
?Differential display/subtractive cloning
从突变体克隆基因的方法
Developmental Biology
(一 )、鉴定发育相关新基因的主要方法
?从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的
基因；
?分离时空特异性表达基因的方法；
?利用基因序列同源性的克隆法；
?利用生物大分子间的相互作用克隆新的基因。
Developmental Biology分离时空特异性表达基因的方法
?获取特定组织：直接取材或转基因法取材；
?构建 cDNA文库 ；
?从蛋白质到基因 ；
?Differentiatial hybridization/differential
display/subtractive cloning
Developmental Biology分离时空特异性表达基因的方法
基因芯片 /
核酸杂交
法
Developmental Biology
Subtractive cloning
分离时空特异性表达基因的方法
Developmental Biology
利用基因序列同源性的克隆法
?用一个物种的基因直接做探针分离另一个物种的同源基因；
?根据多个物种的蛋白序列分离另一个物种的同源基因 ；
?根据同一基因家族的不同成员间的保守序列分离新的家族成员 ；
Developmental Biology
利用大分子间的相互作用克隆新的基因
?鉴定可与蛋白质结合的 DNA序列
?分离靶蛋白质，（可采用 gel-shift assay)
?克隆靶蛋白的表达基因。
利用 DNA与蛋白质间的相互作用
Developmental Biology分离时空特异性表达基因的方法
利用蛋白质之间的相互作用
酵
母
双
杂
交
法
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental BiologymRNA的检测
?Northern blot
?Dot blot
?RT-PCR
?DNA Microarray
?in situ hybridization
Developmental Biology
Northern杂交的
作用,检测基因
的转录物的存在
及是否发生了选
择性拼接。
Developmental BiologymRNA的检测
原位杂交 (in situ hybridization)
Developmental Biology
利用原位杂交技术研究基因表达的时空谱
mRNA的检测
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental Biology蛋白质 的检测
?电泳法
?Western blot
?抗体染色法
Developmental Biology
(二 )、基因表达的检测
?mRNA的检测
?蛋白质的检测
?启动子活性检测
Developmental Biology启动子活性检测法
P r o m o t e r / e n h a n c e r s G F P p A
表达载体的构建：
Developmental Biology
(三 )、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
用基因敲除法研究基因的功能
Developmental Biology
三、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
转
基
因
动
物
与
基
因
的
异
位
表
达
?
DNA
注
射；
?
RNA
注
射；
?
病
毒
感
染
。
Developmental Biology
用组织特异性启动子控制外源基因的表达
绿色血液
绿色神经细胞
Developmental Biology
(三 )、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
(三 )、基因对发育的影响的功能性研究
?基因敲除法 (gene knockout)
?异位表达法 (ectopic expression)
?Rescue
?Antisense RNA
?Antisense oligos
?DsRNA interference (RNAi)
?Antibody blocking
?Dominant negative receptor mutations
?Dominant interferring allele
Developmental Biology
Dominant Negative Receptor Mutations
细胞膜 受体胞外区
受体跨膜区
突变
受体胞内区缺失导致
信号传导的中断
受体胞内区
配体配体
下游信号分子
Developmental Biology
Dominant Interferring allele
Engr ai l ed R D X ’ D B pA
