发育生物学绪论课件.ppt

1、发育生物学发育生物学张玮玮zhangwwmailu.eduTel:68909575-605实验楼703室本课程的主要讲授内容本课程的主要讲授内容 序言：序言：发育生物学的研究对象、任务;发育生物学的发展简史;实验发育生物学：实验发育生物学：发育生物学研究技术；发育模式动物。发育的基本过程：发育的基本过程：精子、卵子的发生以及受精；胚胎的发育；生长发育及衰老。发育原理：发育原理：细胞分化以及细胞分化的分子机制（主要以干细胞为例）。发育异常和肿瘤发育异常和肿瘤主要参考书主要参考书l发育生物学（2019年）桂建芳 易梅生，科学出版社 l发育生物学（2019年）R.M.Twyman/王英典，科学出版社

2、 动物胚胎发育概论动物胚胎发育概论1.发育生物学的研究对象、任务发育生物学的研究对象、任务;2.发育生物学的发展简史发育生物学的发展简史;3.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。l 发育是指多细胞生物最初由一个单发育是指多细胞生物最初由一个单细胞成长起来的过程。细胞成长起来的过程。什么是发育？什么是发育？l 发育生物学是生命科学的前沿学科，发育生物学是生命科学的前沿学科，是一门研究生物体从精子和卵子的发生、是一门研究生物体从精子和卵子的发生、受精、发育、生长到衰老死亡的生命过受精、发育、生长到衰老死亡的生命过程中的变化机理的科学。程中的变化机理的科学。什么是发育生物学？

3、什么是发育生物学？l1、研究个体发育的机制，即生命个体的生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、成熟、衰老和死亡的发展过程的机制；l2、研究生物种群系统发生的机理；l3、异常的发育，如肿瘤、畸形等病态发育。发育生物学的研究范畴发育生物学的研究范畴l1、依赖：将分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学、生理学、免疫学、胚胎学、进化生物学及生态学等多种学科汇集一起，综合运用，揭示生命发育的本质规律；l2、促进：发育研究已存在于生物学的各个领域，成为其他学科的基本要素，发育生物学研究发展必将促进其他学科领域的发展。发育生物学与其他发育生物学与其他学科的关系学科的关系l1、有关生殖细胞发生、受精等过程的研究是

4、动、植物人工繁殖、遗传育种、动物胚胎与生殖工程等生产应用技术发展的理论基础；l2、有关细胞分化机理、基因表达调控与形态模式形成及生物功能的关系研究，是解决人类面临的许多医学难题（如癌症的防治）以及器官与组织培养等新兴的医学产业工程发展的基础，也是基因工程发展为成熟的实用技术的基础。发育生物学广泛发育生物学广泛的的应用前景应用前景发育生物学的发展简史发育生物学的发展简史l先成论和后成论之争先成论和后成论之争l 希腊哲学家亚历十多德在公元前4世纪在对鸡胚和一些无脊椎动物胚胎观察后提出两种假设：先成论先成论:胚胎中的每件东西从一开始就预先形成好了，发育期间只是简单的放大。后成论后成论:在胚胎的发育过

5、程中，新的结构是在发育期间逐渐产生的。先成论先成论后成论的确立 十七世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的鸡胚，并对其进行了精确的描绘 十八世纪中叶，CFWoff研究了鸡的早期发生，明确了肠等器官并不是于发生最初就已存在，而是在同样的胚层中逐渐形成的，从而为后成论提供了切实的根据。十九世纪，冯贝尔（KEVonBaer）等奠定了比较胚胎学基础，特别是通过胚层概念的确立，而古典的先成论基本被否定了。细胞学说的建立细胞学说的建立I1665年，英国物理学家胡克（Robert Hook）创造了第一架放大倍数可达40140倍的显微镜，发现木栓是由许多蜂巢状小室排成，并描绘了细胞学

6、史上第一个细胞模式图，从而成为细胞的发现者。细胞学说的建立细胞学说的建立II1677年，荷兰科学家列文虎克（Antony Van）用自制的、放大倍数为270的显微镜看到了活细胞(细菌)。细胞学说的建立细胞学说的建立III1830s年，德国植物学家施莱登（J.Schleiden）和德国动物学家施旺（T.Shwann）在前人发现细胞的基础上,提出了细胞学说。其主要内容为：1、细胞是生物体的基本结构单位；、细胞是生物体的基本结构单位；2、细胞是生物体最基本的代谢功能单位；、细胞是生物体最基本的代谢功能单位；3、细胞只能通过细胞分裂而来。、细胞只能通过细胞分裂而来。l细胞学说与胚胎学细胞学说与胚胎学

7、l 1.细胞学说对胚胎学的关键影响是将卵子本身仅仅认作为一个细胞。基于这一点,德国胚胎学家Weismann认为后代的遗传特征仅源于双亲的配子细胞（germ cells），即卵子和精子。2.19世纪70-80年代，Oscar Hertwig在海胆上发现受精。3.Edouard van Beneden在马蛔虫配子的发生过程中发现了减数分裂，从而奠定了胚胎学的理论基石。细胞学说导致了胚胎学的产生；细胞学说导致了胚胎学的产生；胚胎学的研究促进了实验生物学的发展。胚胎学的研究促进了实验生物学的发展。发育生物学的产生与胚胎学、遗传学相结合发育生物学的产生与胚胎学、遗传学相结合 1900年，孟德尔遗传定律研

8、究遗传元素在世代间的传递。年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。1909年荷兰植物学家年荷兰植物学家Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的概念，首次使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。遗传学和胚胎发育学发生关系。20世纪世纪40年代证明：年代证明：DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成。是遗传物质，控制蛋白质的合成。20世纪世纪50年代发现：年代发现：DNA为双螺旋结构。为双螺旋结构。20世纪世纪60年代：三联体密码被破解。年代：三联体密码被破解。20世纪世纪70年代：年代：DNA重组技术出现。重组技术出现。20世纪世纪80年代：转基因技术出现。年

9、代：转基因技术出现。20世纪世纪90年代：动物克隆技术出现。年代：动物克隆技术出现。新的突破：干细胞新的突破：干细胞发育生物学研究技术和方法发育生物学研究技术和方法1.发育基因的启动子分析发育基因的启动子分析（重点）（重点）2.原位杂交技术原位杂交技术 3.免疫组织化学技术免疫组织化学技术4.显微注射技术显微注射技术 5.基因表达的核糖核酸酶保护分析基因表达的核糖核酸酶保护分析6.抑制性减差杂交技术抑制性减差杂交技术发育基因的启动子分析发育基因的启动子分析 物种不是一成不变的，而是随着客观条件的不同而相应变异物竞天择，适者生存 1859年出版 Q：变异和选择的基础是什么？孟德尔的发现孟德尔的发

10、现Robert H.Tamarin,Principles of Genetics,7th edition,P17 提出控制生物性状的为提出控制生物性状的为“遗遗传因子传因子”，但三十年无人问津！，但三十年无人问津！基因的发现基因的发现l1869年，梅肖尔首次从鱼的精子细胞中分离出了DNA分子，但功能未知；l1882年，德国科学家弗来明发现染色体；l1909年，丹麦遗传学家约翰逊用“基因”一词代替“遗传因子”l1910年的时候，美国科学家摩尔根通过研究果蝇突变，将基因定位到染色体上。l1930s,加拿大生物化学家艾弗里确定了基因的化学本质是核酸（DNA）基因的概念基因的概念 基因是控制生物性状的

11、基本遗传单位，它基因是控制生物性状的基本遗传单位，它携带有特殊的遗传信息，这类遗传信息或者被携带有特殊的遗传信息，这类遗传信息或者被转录为转录为RNA(包括包括mRNA、tRNA、rRNA)或者或者被翻译成多肽链被翻译成多肽链(指指mRNA)真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异活性的特异DNADNA序列，称为顺式作用元件。序列，称为顺式作用元件。顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。结合，从而影响基因表达活性。启动子启动子 顺式作用元件顺式作用元件 增强子增强子 沉默子沉

12、默子特异特异DNA序列序列（1）启动子启动子 是是RNARNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件（包括转录起始点以及典型的件（包括转录起始点以及典型的TATATATA盒）。盒）。（2 2）增强子）增强子 是增强启动子转录活性的是增强启动子转录活性的DNADNA序列，并决定组织特序列，并决定组织特异性表达。异性表达。（3 3）沉默子）沉默子 能够对基因转录起阻遏作用的能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于负性片段，属于负性调控元件。调控元件。能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类

13、调节蛋白，统称为反式作用因子。录的一类调节蛋白，统称为反式作用因子。按其功能不同，常有以下三类：按其功能不同，常有以下三类：1 1、基本转录因子：识别、基本转录因子：识别promoterpromoter 2 2、转录调节因子：识别、转录调节因子：识别enhancerenhancer或或silencersilencer 3 3、共调节因子：不和、共调节因子：不和DNADNA直接结合，但协助蛋白质与直接结合，但协助蛋白质与DNADNA的结合的结合 反式作用元件反式作用元件 分析启动子的常用策略分析启动子的常用策略分析启动子的常用策略分析启动子的常用策略Regulation of POU5F1 pr

14、omoter activity by Oct4 and Sox2.Chew J et al.Mol.Cell.Biol.2019;25:6031-6046 Regulation of POU5F1 promoter activity by Oct4 and Sox2.(A)Schematic of the luciferase reporter constructs used to measure the effects of RNAi.Construct I contains the Pou5f1 ORF fused downstream of the luciferase reporter

15、,while construct II contains the Sox2 ORF fused downstream of the luciferase reporter.Construct III comprises the POU5F1 promoter containing the sox-oct composite element driving a luciferase reporter.(B and C)Specificity of Pou5f1(B)and Sox2(C)RNAi was tested by cotransfection of these constructs w

16、ith their respective Luc-ORF reporter constructs into 293T cells.(D)Effect of Pou5f1 or Sox2 RNAi on POU5F1 promoter activity was tested by cotransfecting each RNAi plasmid along with the POU5F1-Luc construct into mouse ESCs.In all,luciferase activity was analyzed 2 days after transfection and was e

17、xpressed relative to the empty RNAi vector control.A Gfp RNAi was used as a nonspecific control.Standard deviations are shown.显微注射技术显微注射技术 显微注射技术是利用显微操作系统和显微注射技术将外显微注射技术是利用显微操作系统和显微注射技术将外源目的基因直接注入到受精卵的原核中，使外源基因整合到源目的基因直接注入到受精卵的原核中，使外源基因整合到受体细胞的基因组内，再通过胚胎移植技术将整合有外源基受体细胞的基因组内，再通过胚胎移植技术将整合有外源基因的受精卵移植到受

18、体动物的子宫内发育，从而获得转基因因的受精卵移植到受体动物的子宫内发育，从而获得转基因动物。动物。原位杂交技术原位杂交技术 技术基础：技术基础：DNA分子（细胞遗传信息的载体）是由两条长链组成，在人工高温下两链分子（细胞遗传信息的载体）是由两条长链组成，在人工高温下两链分离，降温时又能按分离，降温时又能按AT,GC互相配对而复原。互相配对而复原。原位杂交技术：原位杂交技术：原位核酸分子杂交技术简称原位杂交原位核酸分子杂交技术简称原位杂交(in situ hybridization ISH)是应用已知碱基顺是应用已知碱基顺序并带有标记物（放射性同位素，荧光素生物素、地高辛等非放射性物质序并带有标

19、记物（放射性同位素，荧光素生物素、地高辛等非放射性物质)的核酸探的核酸探针与组织、细胞中待检测的核酸按碱基配对的原则进行特异性结合而形成杂交体，针与组织、细胞中待检测的核酸按碱基配对的原则进行特异性结合而形成杂交体，然后再应用与标记物相应的检测系统，通过组织化学或免疫组织化学方法在被检测然后再应用与标记物相应的检测系统，通过组织化学或免疫组织化学方法在被检测的核酸原位形成带颜色的杂交信号，在显微镜或电子显微镜下进行细胞内定位。的核酸原位形成带颜色的杂交信号，在显微镜或电子显微镜下进行细胞内定位。v原位杂交技术包括有：原位杂交技术包括有：菌落原位杂交（菌落原位杂交（colony in situ

20、hybridization）斑点杂交法（斑点杂交法（Dot blot）Southern印迹杂交（印迹杂交（Southern blot）Northern印迹杂交（印迹杂交（Northern blot）组织原位杂交（组织原位杂交（Tissue in situ hybridization）基因组原位杂交（基因组原位杂交（Genome in situ hybridization)以特异序列为探针鉴定以特异序列为探针鉴定rDNA在染色体上的分布在染色体上的分布 原位杂交技术的应用原位杂交技术的应用l原位杂交技术已应用于基础研究如基因组图原位杂交技术已应用于基础研究如基因组图(Gene mapping),

21、转基因检测转基因检测,基因表达定位基因表达定位(localization of gene expression),核核DNA和和RNA的的mRNA的排列和运输的排列和运输(arrangement and transport of mNA),复制复制(replication)和细胞的分类和细胞的分类(Sorting of cells)。临床研究应用在细胞遗传。临床研究应用在细胞遗传学学,产前诊断产前诊断,肿瘤和传染性疾病的诊断肿瘤和传染性疾病的诊断,生物学剂量测定和病毒学的病原学生物学剂量测定和病毒学的病原学诊断等。诊断等。重点重点l发育生物学的概念发育生物学的概念l理解启动子分析理解启动子分析