发育生物学概述

定义与研究内容

  • 发育生物学：应用现代生物学技术，研究生物发育机制的科学
  • 发育：生命现象的发展，生物有机体的自我构建和自我组织
  • 研究对象：个体发育（ontogenesis）的机制，从生殖细胞发生到衰老死亡的整个过程
  • 核心内容：基因、细胞与发育的关系

发育的基本阶段

  • 胚前期：配子发生（gametogenesis）
  • 胚胎期：受精、卵裂、囊胚、原肠胚、神经胚、器官发生
  • 胚后期：性成熟前期、性成熟期、衰老期、死亡
  • 变态：有些动物的幼体与成体有明显差异，需经过形态结构变化的时期（如两栖类蝌蚪期）

发育的特征与规律

五个主要发育过程

  • 细胞增殖 (cell division)：伴随整个发育过程，不同时期速度不同
  • 细胞分化 (cell differentiation)：从受精卵产生各种类型细胞的过程，人类胚胎可发育出至少250种细胞类型
  • 图式形成 (pattern formation)：胚胎细胞形成不同组织、器官和有序空间结构的过程
  • 形态发生 (morphogenesis)：不同表型细胞构成组织、器官，建立结构的过程
  • 生长 (growth)：胚胎在基本pattern形成后体积显著增长

发育的主要特征

  • 严格的时间和空间次序性
  • 由发育的遗传程序控制
  • 细胞活动（分裂、分化、迁移、凋亡等）由基因网络控制
  • 渐进式发育，细胞命运决定于不同的发育时间
  • 诱导作用使细胞互为不同
  • 胞质决定成分的区域化及细胞的不对称分裂

细胞命运的决定

  • 细胞命运 (Fate of cells)：正常发育情况下细胞将发育的方向
  • 决定 (Determination)：细胞特性发生不可逆改变，发育潜力单一化
  • 特化 (Specification)：一组细胞在中性环境下离体培养仍按正常命运发育
  • 胚胎发育早期，细胞间发育潜力更大

诱导作用

  • 一种组织可以指导另一种相邻组织的发育（Spemann和Mangold的移植实验）
  • 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
  • 信号传递方式：扩散性信号分子、跨膜蛋白直接互作、间隙连接

发育生物学模式生物

模式生物的定义与特征

  • 定义：选定的用于揭示普遍生命现象的生物物种
  • 主要特征：
    • 取材方便
    • 胚胎可操作性强
    • 可进行遗传学研究
    • 基因组信息完整
非洲爪蟾 (Xenopus laevis)
  • 两栖类模式生物
  • 主要优点：
    • 取卵方便，不受季节限制
    • 卵大（1-2mm），体外受精发育
    • 发育速度快，抗感染力强
  • 主要缺点：异源四倍体，突变困难
斑马鱼 (Danio rerio)
  • 鱼类模式生物
  • 主要优点：
    • 易于饲养，性成熟短（3个月）
    • 体外受精发育，胚胎透明
    • 易于遗传操作
    • 基因组测序已完成
鸡 (Gallus gallus)
  • 鸟类模式生物
  • 主要优点：
    • 胚胎发育与哺乳动物接近
    • 体外发育，易于实验
    • 器官（肢、体节）发育的重要模型
小鼠 (Mus musculus)
  • 哺乳动物模式生物
  • 主要优点：
    • 世代周期短（2个月）
    • 人类疾病的动物模型
    • 基因组测序已完成
果蝇 (Drosophila melanogaster)
  • 无脊椎模式生物
  • 主要优点：
    • 个体小，生命周期短，易于繁殖
    • 染色体巨大，易于基因定位
    • 基因组测序已完成
线虫 (Caenorhabditis elegans)
  • 无脊椎模式生物
  • 主要优点：
    • 成虫体长1mm，结构简单
    • 细胞数目少，谱系清楚
    • 基因组测序已完成
  • 细胞组成：
    • 幼虫：556个体细胞 + 12个原始生殖细胞
    • 成虫（雌雄同体）：959个体细胞 + 2000个生殖细胞
海胆 (Sea urchin)
  • 无脊椎模式生物
  • 主要优点：
    • 最早的发育生物学模式动物
    • 早期发育和受精研究的理想模型
    • 基因组已完成破译

发育生物学发展简史

后成论与先成论之争

  • 后成论 (Epigenesis)：亚里士多德提出，胚胎由简单到复杂逐渐发育形成
  • 先成论 (Preformation)：生物个体的一切组成部分早已存在于胚胎中
    • 精原学说：精子中有微型人
    • 卵原学说
    • 套装学说
  • Wolff（1759）为后成论奠基，19世纪被接受

细胞学说的影响

  • 19世纪30年代末：Schleiden和Schwann提出细胞学说
  • 1840年：Weismann提出生殖细胞论，否定先成论
  • 19世纪末：染色体发现及减数分裂规律阐明，为遗传学奠定基础

嵌合型与调整型发育

  • Weismann的镶嵌发育学说：合子核中的决定子在细胞分裂中不均等分配
  • Roux的实验（1887）：支持嵌合体学说
  • Driesch的实验（1891）：证明胚胎发育是可调节的

里程碑事件

1924年
Spemann和Mangold的组织者移植实验
1929年
命运图谱研究
1952年
核重编程与克隆技术
1978年
同源异型基因与共线性
1980年
果蝇遗传筛选
1981年
胚胎干细胞
1990年
人类基因组计划启动

发育生物学研究方法

显微镜技术

一般光学显微镜

  • 正置显微镜：染色的细胞、组织切片
  • 倒置显微镜：培养皿内的活体细胞
  • 体视显微镜：实体标本观察

特殊光学显微镜

  • 荧光显微镜：观察荧光标记结构
  • 相差显微镜：观察活细胞形态
  • 暗视野显微镜：观察未染色透明样品
  • 微分干涉显微镜：增强非染色样品反差
  • 激光共聚焦显微镜：高分辨率亚细胞研究

电子显微镜

  • 透射电镜（TEM）：观察超微结构
  • 扫描电镜（SEM）：观察表面形貌

组织学技术

  • 基本流程：取材→固定→脱水→透明→包埋→切片→染色
  • 常用染色：苏木精-伊红（H-E）染色
  • 切片类型：
    • 石蜡切片
    • 冰冻切片
    • 超薄切片（50nm以下）

分子生物学技术

mRNA检测

  • Northern blot：检测转录物存在与含量
  • Real-Time PCR：定量分析基因表达
  • Microarray：高通量基因表达分析
  • 原位杂交：检测mRNA在组织中的分布

蛋白质检测

  • Western blot：检测特定蛋白质
  • 免疫组织化学：定位组织中的蛋白质

启动子分析

  • 使用报道基因（如GFP）研究调控序列
  • 组织特异性启动子控制外源基因表达

遗传学技术

正向遗传学

  • 大规模随机诱变
  • 产生发育异常突变体
  • 寻找突变基因

反向遗传学

  • 基因敲除（gene knockout）
  • RNA干扰（RNAi）技术
  • 转基因技术

突变体获得方法

  • 化学诱变剂（如ENU）
  • 外源DNA插入法
  • 辐射诱变