发 育 生 物 学
主讲教师:范喜顺
目 录
? 第一章 绪论
? 第二章 生殖细胞的发生
? 第三章 精卵识别的分子基础
? 第四章 卵裂
? 第五章 原肠作用
? 第六章 脊椎动物的早期发育
? 第七章 神经系统的发育
? 第八章 附肢的发育和再生
? 第九章 眼的发育
? 第十章 激素调节发育和细胞分化
? 第十一章 性腺发育和性别决定
? 第十二章 动物发育的环境调控
? 第十三章 发育与进化
第一章 绪 论
第一节 研究对象、任务
及其与其它学科的关系
1,发育的概念 (development ),发育指生命现象的发展,
是一个有机体从其生命开始到成熟的变化,是生物
有机体的自我构建和自我组织的过程。
2,发育生物学 (development biology)是应用现代生物学
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,也研究生物种群系统发生
(systematics development)的机制。
3,个体发育与系统发展
个体发育:生物个体的发育历史或发育历程。
例如:青蛙的个体发育过程
受精卵 囊胚 原肠胚 三胚层胚
无腿蝌蚪 有腿蝌蚪 成体青蛙
系统发展:由同一起源所产生的生物群的发展历史。
单细胞动物 单细胞的球状群体 腔肠
动物 原始三胚层动物 低等脊椎动物
鱼类动物 两栖动物
4,研究对象:
?涉及胚胎发育;
?幼体、成体的发育;
?异常的发育过程,如肿瘤、畸形等。
5,研究任务:
?生命发育的历程、模式,遗传程序及其调控机制 。
?由同一受精卵分裂产生的细胞是如何分化的?
?不同的细胞是如何构成不同组织器官的?
?控制细胞高度有序的发育模式的内在机理?
?发育的组织者及其作用要素如何隐含在受精卵之内,
之内?
?各个发育过程受到哪些基因的控制?基因间有哪些相
互作用?这些相互作用又是如何导致生理效应?
6,发育生物学的学科基础
胚胎学 分子生物学 细胞生物学
生物化学 遗传学
发育生物学
生态学 生理学
免疫学 进化生物学 解剖学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
发育生物学的学科基础
分子生物学 细胞生物学
生物化学
发育生物学
7.发育生物学的应用前景
?人类学:人口质量、人类健康;如人类基因组
计划。
?农业:农作物品种改良、家畜新品种培育;如
水稻基因组计划、家畜胚胎切割技术。
?医学:肿瘤、艾滋病、畸形发生机制。
第二节 动物发育的主要特征和基本规律
一、发育的主要特征
?在遗传程序控制下,发育具有严格的 时间次序性
和 空间次序性 。
?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。在发育的过程中
涉及多种生命现象,如细胞分裂、细胞分化、细
胞迁移、细胞凋亡、生长、衰老和死亡等。
?多细胞有机体的发育具有两个主要的功能,
① 产生细胞多样性,并使各种细胞具有严格的时间和空
间的次序性,导致细胞分化和组织形成。
?分化 (differentiation):从一个单细胞受精卵通过细胞
分裂,产生出所有的细胞表型差异性的过程。
例如,人的受精卵 通过细胞分化至少产生 250种
细胞 。动物发育过程中第一次最典型的细胞分化是 生
殖细胞 (germ cell)与 体细胞 的分化。
?形态发生 (morphogenesis):不同表型的细胞构成组织、
器官,建立结构的过程。
?生长( growth):指生物个体大小的增加。
② 保证世代交替和生命的连续。
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:
(1) 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;
(3) 模式形成:使细胞分化按一定的时、空顺序发生
体的统一性;
(4) 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
时清除。
三、发育的基本过程
1,配子形成
2,受精作用
3,卵裂:具有细胞分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。
5,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
侧到腹侧之间的背-腹轴。
7,器官发生。8.
变态和成熟
图式形成( pattern formation):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
成、体节形成、肢芽和器官原基形成等事件。
第三节 发育生物学的发展简史
一、先成论与后成论的持久论争
Aristotle(公元前 384~ 322年 ),后成论。
?卵子或精子中不具有这些结构,而是在 发育过程 中逐渐
形成的。提出胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的。
公元 17世纪后期~ 18世纪:先成论盛行
? 精源学说(♂):胚胎 预先 存在于精子中;
? 卵源学说(♀):卵子中 本来 就存在微小的胚胎雏形。
§ 其共同点:胚胎是成体的雏形,是配子中的固有结构;
胚胎发育仅仅是原有结构的增大。
二、细胞理论的提出与胚胎学起源
1,细胞学说( 19世纪 30年代末,施莱登、施旺):
?所有生命有机体都是由细胞组成的,细胞是生命的基本单位,
且细胞只能由其它细胞通过分裂产生。在胚胎发育中,通过
受精卵的分裂产生许多新的细胞类型。
2,到 19世纪 40年代:卵子也是一个特殊的细胞。
Weismann:提出后代所具有的双亲遗传特性来自于生殖
细胞-精子和卵子,来自两性配子所携带的遗传特性。
3,19世纪 70~ 80年代,Oscar Hertwig:在海胆发现受精过程。
4,Edouard van Beneden:马蛔虫配子发生中染色体数减半。
?20世纪初:减数分裂命名,奠定了胚胎学的理论基石 。
三、发育的嵌合型和调整型
# 嵌合型发育( Weismann,19世纪 80年代):合子的细胞核
含有大量特殊的信息物质 —— 决定子,卵裂过程中这些决定
子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。
细胞的命运是由卵裂时所获得的合子核信息早已 预定 的。
在嵌合型发育的卵子中的遗传信息是分散存在的;强调早期
卵裂是 不对称分裂 。由于合子成分的不均匀分布,其卵裂产
生的子细胞彼此之间是完全不同的。
Roux( 1887):蛙胚发育:证实细胞的特征和命运是在
卵裂过程 中决定的。
# 调整型发育 (Driesch,1891):海胆实验表明:胚胎发育过程
中,为保证正常发育,发生了 胚胎细胞位置的移动和重排 。
四、诱导的发现
诱导( induction):指一类组织与另一类组织的 相互
作用,前者称为诱导者 (inductor),后者称为反应组
织,诱导者可指令邻近反应组织的发育。
例证:
胚孔背唇移植实验 (1924,Spemann,1868~ 1941),将
蝾螈原肠胚早期的胚孔 背唇组织 移植到另一同期受
体胚胎的胚孔 侧唇 表面,随着受体胚胎发育的进程,
大部分移植组织也内陷进入胚胎内,结果到原肠胚
后期诱导产生了另一个 次生胚 。
五、分子生物学与发育生物学的结合
分子生物学迅速发展:
?Watson和 Crick(1953):提出 DNA分子双螺旋模型;
?Nirenberg (1960),对 DNA遗传密码的破译;
?Jacob和 Monod(1960)提出蛋白质合成调控机制的操纵子学说。
结论,遗传信息是编码在细胞核内基因组 DNA的一级序列;
发育受遗传信息的控制。
? 遗传程序是如何编附在基因组 DNA上?
? 编码在 DNA上的遗传信息又如何控制生物体的发育?
? 果蝇和线虫发育的分子控制机制已基本得到阐明。
? 近年来又利用发育调控基因在进化上的保守性,开展对脊椎
动物发育分子机制的深人研究。
分子遗传学的兴起
Watson和 Crick关于 DNA双螺旋结构的模型:
? 阐明 DNA作为遗传信息载体复制和代代相传的分子基础
? 将遗传学和对基因真相的认识坚定地联系在一起
在此结构模型的推动下,分子遗传学迅猛发展:
? 遗传密码 的破译,中心法则 的建立、基因的 分离和克隆,
基因的 体外重组 和基因工程 质粒的构建 等等。
? 个体所有类型的细胞都有一个相同的基因组,基因组中各
个基因在时间和空间上选择性表达形成了不同细胞类型、
组织和器官,是许多基因一系列反应协同作用的结果。
? 发育是从基因型实现表型的过程,是基因组内的基因选择
性表达的结果。
第四节 发育的细胞和分子基础
?胚胎是动植物从受精卵发育到成体的必经之途,
因而胚胎是遗传基因和成体之间的 过渡体 。
一、发育生物学的疑难问题
?发育生物学的 2个基本问题及 5个难题:
① 受精卵是如何形成成体的?
② 成体又是如何产生另一个成体的?
(1) 分化难题:受精卵细胞是怎样产生不同类型的细胞的?
(2) 形态发生难题:分化的各种类型的细胞又是如何构成复
杂的组织和器官的?
(3) 生长难题:如果某人脸上的细胞多分裂一次,他的脸肯
定会严重变形,另人可怖。即细胞是如何生长的?
(4) 生殖难题:精子和卵子是如何发出指令形成下一代呢?
在细胞核、质中使它们完成这一使命的指令又是什么呢?
(5) 进化难题:发育中的变化怎样创造新的体型呢?哪些变
化是可遗传的呢? 哪些变化能够起到进化作用呢?
二、发育的分子基础
(一)、通过调控蛋白的生成来控制细胞行为
骨骼肌中可收缩的蛋白,如肌球蛋白、肌动蛋白和其
它肌肉特异的蛋白,可产生特定的功能。
基因 是一个 间接 的参与者,通过 调控 哪些细胞在哪个时
候生成哪些蛋白来控制发育。
(二)、参与胚胎发育的基因数
发育生物学家感兴趣的基因主要是:
?编码转录因子或调节蛋白的基因,因为调节蛋白可
激活或抑制转录,转录因子可以结合到基因的控制
区或与其它 DNA结合蛋白互作而控制发育。
?基因组中到底有多少基因参与了胚胎发育呢?
? 果蝇:参与的基因约有 60个;
? 线虫:需要 50个基因参与;
? 哺乳动物,40 000基因
(三)、基因的差异表达控制发育
?多细胞生物中众多的细胞都是由一个受精卵通过一
系列的细胞分裂产生,只要分裂正常,所有的细胞
一般都含有等同的遗传信息,即基因组是一致的。
?细胞间的差异必然通过基因活动的差异来体现。在
恰当的时间和细胞中启动恰当的基因是发育的中心
问题,其差异表达程序是在细胞决定过程中设计好
了的。
(四)、发育的循序渐进和细胞命运的决定
* 随着发育进程延伸,胚胎结构逐步复杂,不同类型
的细胞形成、空间模式出现,胚胎的形态也发生了
变化。
* 首先是分区:外胚层、中胚层和内胚层;接着是区
域内的细胞进行分化。
* 决定意味着细胞的发育命运发生了稳定的不可逆的
变化,命运决定了的细胞即使处在胚胎的另-区域,
仍不受周围其它细胞或组织的影响,仍按原已指定
的命运自主地进行分化。
第五节 研究发育生物学的模式生物
一、华美广杆线虫 (Caenorhabditis elegans):
线形动物门 — 线虫纲 — 小杆线虫目 — 广杆线虫属。
① 可在实验室用培养皿培养;
② 生命周期短 (一般为 3.5d),胚胎发育速度快(在培养温度
为 25℃ 时,胚胎发育期为 12h);
③ 存在雌雄同体和雄性两类不同生物型,主要是雌雄同体
生物型;
④ 体细胞数量少,透明可见,易于追踪细胞分裂谱系(产
出的幼虫含有 556个体细胞和 2个原始生殖细胞);
⑤ 能观察到生殖细胞的发生过程。
二,果 蝇 (黑腹果蝇, Drosophila melanogaster Meigen)
节肢动物门-昆虫纲-双翅目-果蝇科-果蝇属
(1)生命周期短 (2周 ),实验室中 12d就可完成一次世代交替;
(2)个体小 (长度仅为 2mm),宜于饲养;
(3) 具有易于诱变分析的遗传特征,并保特有大量的突变体;
(4) 染色体组成简单 (4对染色体 ),具唾腺巨大的多线染色体;
(5) 产出的卵子大,易于观察;
(6) 胚胎发育速度快,前 13次卵裂每次只间隔 9min;
(7) 幼虫有变态期,是分析器官芽细胞增殖机制的理想模型。
三、爪 蟾 (光滑爪蟾、非洲爪蟾, Xenopus laevis)
脊椎动物门 — 两栖纲 — 无尾目 — 负子蟾科 — 爪赡属。
① 易于在实验室人工养殖、观察分析;
② 易于进行人工繁育;
③ 卵子较大 (直径为 1~ 2mm),易于显微操作。
④ 其透明卵壳可用手术或化学方法脱去,从胚胎上切
下来的细胞团可以依靠细胞中的卵黄提供营养,在无
菌的生理盐水中继续发育。
四、斑马鱼 (Danio rerio)
(1) 孵出后约 3个月可达性成熟;
(2) 成熟的雌鱼每隔一周可产几百粒卵子;
(3) 胚胎发育同步且速度快;
(4) 胚体完全透明,便于跟踪观察发育异常的突变体;
(5) 斑马鱼个体小,养殖花费少,能大规模繁育;
(6) 斑马鱼的精子还可通过冷冻来保存,给遗传操作和
人工诱变提供了极为有利的条件,加之胚体透明。
五、小鼠 (Mus musculus)
哺乳纲 — 啮齿目 — 鼠科
(1) 易于繁殖和饲养,具有较为价廉和方便操作;
(2) 小鼠的繁殖不受季节影响:
? 6周后性成熟;
? 排卵周期每 4d一次,每次排出 8~ 12个成熟卵子;
? 从交配受精开始,经 19~ 20 d的发育产出胎儿。
六、拟南芥 (Arabidopsis thaliana)
(1)分布地域广泛 (欧洲、亚洲和北美有广泛的自然分布 );
(2)生命周期短 (可在 6周内完成 );
(3)可自体受粉,也可进行人工杂交;
(4)在温室或实验室日光灯下,能在培养皿和花钵中生
长;出苗 3周后,即可长出层层花蕾;成熟植株可产
生 5000多粒种子;根的结构简单,培养中易于观察。