动物发育生物学 绪论 讲师：陈晶 QQ：354275129

推荐教材 张红卫编，《发育生物学》（第3版），高等教育出版社，2013年 参考资料： 1）Essential Developmental Biology(发育生物学基础) 影印版 高等教育出社，2002年第1版 2）Instant Note  DEVELOPMENTAL BIOLOGY  (发育生物学) 影印版 By R.M.Twyman. 科学出版社，2002年 3）Developmental Biology. 6th ed. Gilbert, Scott F. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc., 2000年

目 录 发育生物学概念 动物发育基本过程 动物发育主要特征 发育生物学的发展简史 现代发育生物学研究的技术 发育生物学在生产实践中的应用

§1 发育生物学概念 一 发育生物学是研究多细胞生物从生殖细胞的发生、受精到胚胎发育、生长、衰老和死亡等生命现象发展的机制。

二 经典动物发育研究对象 无脊椎动物 果蝇 Drosophila melanogaster  线虫 nematode

脊椎动物 爪蟾 Xenopus laevis 斑马鱼 zebrafish

小鼠 mouse 鸡 chicken

三 发育的基本概念 Five major developmental processes 1. Cell division (细胞分裂): 是由受精卵细胞不断进行有丝分裂, 通过细胞的快速增殖, 为发育过程持续提供新细胞的过程。 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。

2. Pattern formation (图式形成): 胚胎细胞形成不同组织、器官和构成有序空间结构的过程。在整个有机体发育过程中,细胞在时间和空间上有秩序的分化,导致有机体的器官组织等结构有序的空间排列,形成有机体特定形态的统一性。胚胎内细胞行为的时空模式得到组织信息发育成高度有序的结构过程。 Cuticle：角质层

2. Pattern formation (图式形成): 躯体模式 (body plan)：躯体轴线的制定-描绘出胚胎的主体轴以区分头尾轴，并确定机体的背腹轴。图式形成的第一步是要确定身体平面,这要求确定位置的基本坐标系包括胚胎的主轴。脊椎动物一般是左右对称的，中枢神经系统沿对称平面，定义了前后轴，另一个轴是背腹轴，背朝上，腹朝下，按右手坐标系确定第三个轴，左右轴三个坐标轴的确定，意味极化，卵中RNA 和蛋白质的不对称分布。

2. Pattern formation (图式形成): (2) 胚层的形成：细胞发生相互作用形成3个胚层。神经管发生，中胚层细胞分化背-腹轴形成；神经管分化，从原脑的分节开始整个躯体分节，进而胚胎前-后轴形成；沿前-后轴进行体节分化，3胚层进一步分化并构建不同组织和器官原基；躯体模式逐渐建立。细胞获得不同的身份信息，分化成有组织的空间模式。 A somite is a division of the body of an animal. Somites are bilaterally paired blocks of mesoderm that form along the anterior-posterior axis of the developing embryo in segmented animals. In vertebrates, somites give rise to the vertebral bones of thespine and ribcage（胸廓； 脊肋；肋廓）, (and part of the occipital bone枕骨；后脑骨), skeletal muscle, cartilage软骨, tendons肌腱, and dermis真皮.

2. Pattern formation (图式形成): 区域划分 (regional specification)：是一种机制告诉一个细胞, 相对于胚胎中的其它细胞, 它应在什么位置, 然后它可在指令下被组织到空间结构的适当区域. 区域划分是图式形成中最基本的过程。 位置信息 (positional value, positional identity) ：一旦胚胎中主轴得到确定, 任何细胞在胚胎中的位置就可按它沿主轴 的位置而得到确定, 每个细胞就有它的地址, 即位置值。发育生物学家要说明的重要问题是细胞如何知道它们的positional identity?

Hox基因家族在从头到尾不同体节的特异表达，帮助胚胎发育过程中每个体节的定位。

3. Morphogenesis (形态发生): 不同表型的细胞构成组织、器官，建立结构的过程。最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。change in form; cell migration (e.g., face from neural crest (on the back of the embryo) Gastrulation in the sea urchin

4. Cell differentiation (细胞分化): 从单一受精卵分化产生肌肉, 神经, 皮肤, 血液等所有的细胞表型的过程。这一时期细胞之间的结构和功能变得各部相同，并且最终成为彼此不同的细胞类型。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。

细胞分化 受精卵 多细胞发育的起点__________

5. Growth (生长): 生物个体大小的增加。 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。 Human embryo growth

6. 细胞行为 (cell behavior)：细胞的社会性-每个细胞都是躯体的一分子，细胞间相互作用，相互影响。 Localized contraction of particular cells can cause a whole sheet of cells to fold: cytoskeleton element

细胞行为 (cell behavior)：connect gene activity with developmental process —— Early, pattern formation; Late, growth, apoptosis 主要包括： Cell state: 指细胞活性状况。 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。

Post-translational modification Cell behavior: regulated by specific proteins translated from gene: development genes RNA splicing microRNA Post-translational modification

cis-regulatory modules Developmental genes: controlled by complex regulatory regions Transcription factors- switch genes on or off at the right time and place in development Control regions- cis-regulatory modules Genetic feedback loops

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。

§2 发育的基本过程

1. 胚胎发育 (embryogenesis or embryonic development): 从一个受精卵开始, 经过细胞的分裂、分化、相互诱导, 最终形成生物雏形即胚胎 (embryo) 的过程。

非洲爪蟾生活史 动物极 成体 植物极 蝌蚪 囊胚 原肠胚 尾牙 神经胚

Developmental stages of Xenopus laevis

Stages of Xenopus development Oocytes in the ovary. Note blood vessels Unfertilized eggs, in jelly coats Grey crescent Sperm entry point 4-cell stage, 2.5 hr Fertilized egg, 30 min.

Stages of Xenopus development Animal pole view Blastopore almost closed Late blastula, 9 hr. About 8000 cells Late gastrula, 16 hr Neural folds The major distinctions between deuterostomes and protostomes are found in embryonic development: Mouth/anus In protostome development, the first opening in development, the blastopore, becomes the animal's mouth. In deuterostome development, the blastopore becomes the animal's anus. 后口动物指在胚胎的原肠胚期其原口形成为肛门而与之相对的后口形成嘴部的动物总称。 脊索动物门 Chordata （脊椎动物和其同类） 棘皮动物门 Echinodermata （海星、海胆和海参等） 半索动物门 Hemichordata （肠鳃，笔石可能也是） 异涡动物门 Xenoturbellida （两个外表似虫的物种） 无腔动物门 Acoelomorpha 毛颚动物门可能也属于后口动物，已灭绝的类群还包括古虫动物门。 原口动物（Protostomia）是在胚胎发育中由原肠胚的胚孔形成口的动物。1908年，格罗本根据胚孔在胚胎中发育的不同，把两侧对称动物归纳为原口动物和后口动物两大类。原口动物的胚胎发育为螺旋定型卵裂，中胚层形成是在原口两侧的内、外胚层交界处各有一个细胞分裂为很多细胞，形成索状伸入内、外胚层之间，形成中胚层；原口动物这种形成中胚层的方法称为端细胞法（又称裂体腔法）。扁形动物门、纽形动物门、线形动物门、环节动物门、软体动物门、节肢动物门均属原口动物，它们在整个动物进化中组成一个大的分支。 Tadpoles, 2 weeks old, feeding Late neurula, 30 hr

2. 动物发育的共同步骤 受精 (fertilization) 卵裂 (cleavage) 形成裂球 原肠胚重组(gastrulation),形成三个胚层: 外胚层,中胚层, 内胚层 神经胚形成 (neurulation) 器官形成 (organogenesis) (变态) (metamorphosis) :两栖类的尾部退化 成体

卵裂：受精后，受精卵立即开始一系列迅速的有丝分裂，分裂成许多小细胞形成分裂球 (blastomeres) 的过程。 特点：胚胎的体积不变，细胞周期处在DNA复制期和细胞分裂期而没有细胞生长期。卵裂后期，分裂球聚集构成圆球形囊泡状的胚胎，称为囊胚(blastula)。 Xenopus eggs after 4-cell divisions

原肠胚：囊胚后期, mitosis降低, 胚胎细胞广泛的运动、位置发生重排，囊胚细胞重新组合的形成三个胚层 (germ layer): 外胚层 (ectoderm),中胚层(mesoderm), 内胚层 (endoderm)过程。 上皮细胞伸展 中胚层细胞迁移 内陷的上皮细胞弯曲 迁移的区域伸展

原肠胚：细胞运动形式 内陷：胚胎某一区域细胞同时向内陷入形成凹陷。

原肠胚：细胞运动形式 内卷：胚胎表面细胞连续向内部卷入，并沿表层细胞内表面扩展。

原肠胚：细胞运动形式 内移：胚胎表层细胞单个独立向内部迁移。

原肠胚：细胞运动形式 分层：单层细胞形成两层或-多层相互平行的细胞层。

原肠胚：细胞运动形式 外包：以表层细胞(通常指外胚层细胞)整体为单位向外周扩展将胚胎深层细胞包绕起来。

原肠胚：三个胚层(germ layer): 外胚层(ectoderm),中胚层(mesoderm), 内胚层(endoderm)

神经胚形成：胚胎在3个胚层建立之后进入神经胚形成阶段，形成脑和脊髓的原基-神经管(neural tube), 是脊椎动物器官形成的前奏。随后各种器官原基相继形成。

原肠胚形成

胚胎的发 育过程 囊胚 原肠胚 消化道 的上皮 外胚层 内胚层 腺体 胚胎肠道 脑和神经系 统（感受器） 表皮及其附属结构（毛发、指甲） （肝和脾） 胚胎肠道 脑和神经系 统（感受器） 表皮及其附属结构（毛发、指甲） 呼吸道的上皮 （气管、支气管、 肺上皮） 其他：尿道和 膀胱的上皮 脊索 中胚层 肌肉（骨骼肌、平滑肌） 内脏器官的外膜 真皮 （皮肤） 的内层 排泄系统（肾、输尿管） 生殖系统（睾丸、卵巢、 输卵管、子宫） 循环系统（心脏、 血管淋巴系统等）

神经胚形成 神经沟 神经褶 神经管 神经嵴 神经板 Neural folds Neural groove 神经管

器官形成：各种器官原基相继形成，多数器官由一种以上的胚层细胞构成。有些细胞如生殖细胞、血细胞和色素细胞等必须经历长距离的迁移才能到达最后的位置。

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。 发育是机体各细胞协同作用的结果, 是一系列基因网络性控制的结果。细胞分裂、分化、迁移、凋亡、生长、衰老和死亡等。

§3 动物发育的主要特征 发育的本质核心: 遗传信息如何控制生物体三维形态结构的形成 1012－1013个脑细胞， 1014－1015个突触， 1018－1024个突触连接

发育的基本功能 产生细胞的多样性并使各种细胞在本世代有机体中有严格的时间和空间的次序性，保证世代的交替和生命的延续; 通过繁殖(reproduction)产生新一代的个体, 使世代延续。

§4 发育生物学的发展简史 Aristotle：首先提出胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的 一、后成论 (epigenesis) 和先成论 (preformation) 之争 希腊哲学家Aristotle (384-322 B.C.)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(performed)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, 这个过程叫epigenesis 。 Aristotle：首先提出胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的

Theory of performation 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 精源学说：胚胎预先存在于精子中

17世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的鸡胚 Theory of performation 17世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的鸡胚 卵源学说：卵子中本来就存在微小的胚胎图形 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。

二、细胞理论改变了胚胎发育和遗传的概念 19世纪30年代末：The cell theory: Schleiden and Schwann: cells are the basic units of life 1840：German biologist Weismann A.: 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。生殖细胞和体细胞不同。

19世纪对Sea Urchin受精卵观察发现，受精卵含两个细胞核，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。 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受精卵观察发现，受精卵含两个细胞核，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。体细胞的染色体数保持不变，但是在配子形成过程中，二倍体 (diploid) 的前体细胞经过减数分裂 (meiosis) 形成单倍体 (haploid)，两性单倍体配子通过受精形成二倍体的合子，再由合子产生胚胎。揭开了新篇章。 Sea urchin：海胆

三、发育的嵌合型和调整型 Mosaic development 19世纪80年代, Weismann’s theory: 合子的细胞核中含有大量特殊的信息物质-决定子 (determinants)，在卵裂过程中这些决定子不对称分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。命运在卵裂时就已由合子核信息决定，决定子在核中的分布是分散存在的。核心：强调早期卵裂必须是不对称分裂。由于合子成分的不均匀，其卵裂的结果产生的子细胞彼此之间完全不同。

三、发育的嵌合型和调整型 Mosaic development Roux’s experiment to test Weismann’s theory：热针破坏蛙胚的一个分裂球，存活的另一个分裂球只能发育成为半个胚胎。“蛙的胚胎发育存在嵌合型发育机制，细胞的体征和命运是在卵裂的过程中决定的。”

三、发育的嵌合型和调整型 Regulatory development Driesch’s (Roux’s fellow countryman) experiment: 在海胆两细胞期将两个分裂球分开，得到一个发育正常但个体较小的海胆幼体。首次证明发育过程中存在调整型发育机制。胚胎在局部被排除或受损伤后,可产生胚胎细胞位置的移动或重排, 胚胎仍具正常发育的能力，即胚胎发育是可调节的。

四、诱导 (induction) 现象的发现 1924, Spemann & Mangold 胚孔背唇移植实验：将蝾螈原肠胚早期的胚孔背唇移植到另一同期受体胚胎的胚孔侧唇表明，随着受体胚胎的发育，大部分移植组织也内陷进入胚胎内，在原肠胚后期诱导产生了另一个次生胚。胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育。

四、诱导 (induction) 现象的发现 V 诱导：指一类组织与另一类组织的相互作用，前者称为诱导者(inducer);后者称为反应组织，诱导者可指令临近反应组织的发育。细胞之间的相互作用是胚胎发育的核心问题。 胚孔背唇组织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)。

四、诱导 (induction) 现象 1935 Nobel Prize

五、遗传学和胚胎学相伴而来 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。基因型 (genotype): 有机体从双亲获得的遗传信息所赋有的特性。表型 (phenotype): 有机体在不同发育时期表现出来的形态、结构、生化等特征。 基因型控制发育，有机体的表型又受到环境因子和基因型的共同影响。如twins具有相同的基因型，但环境差异导致表型差异。 发育受遗传程序的控制，遗传特性通过发育展现出来。

六、分子生物学和发育生物学的结合 1940s: turning point: DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成。 1950s: DNA为双螺旋结构。 1960s: 三联体密码被破解。蛋白质合成调控机制的操纵子学 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 有助于回答发育的遗传程序是以何种方式编码在基因组DNA上，编码在DNA上的遗传信息又如何控制生物体的发育等问题。结合模式生物来研究。 Understanding how genes control embryonic development

nuclear reprogramming and cloning：Somatic-cell nuclear transfer Sperry’s chenoaffinity hypothesis:The Chemoaffinity hypothesis states that neurons make connections with their targets based on interactions with specific molecular markers[1] and, therefore, that the initial wiring diagram of an organism is (indirectly) determined by its genotype. The markers are generated during cellular differentiation and aid not only with synaptogenesis, but also act as guidance cues for their respective axon.[1Roger Wolcott Sperry pioneered the inception of the Chemoaffinity Hypothesis following his 1960's experiments on the African Clawed Frog.[2] He removed the eye of a frog and rotated it 180°, Sperry then replaced the eye and the visual nervous system repaired itself.[3] However, the frog now had inverted vision. Initial eye orientation gives that the top of the eye is Dorsal, and the bottom is Ventral. Post-operation, the "top" of the eye is now Ventral, and the bottom is Dorsal. When a food source was above the frog, it extended its tongue downwards; meaning that the Dorsal-Ventral orientation of the eye still remained. [4] In follow up experiments, the eye was detached and rotated 180º and the optic nerve was also cut to see if this would affect the Dorsal-Ventral orientation. The results were identical.[citation needed] Sperry concluded that each individual optic nerve and tectal neuron视顶盖 used some form of chemical marker which dictated their connectivity during development. He reasoned that when the eye had been rotated, each optic fiber and each tectal neuron possessed cytochemical labels that uniquely denoted their neuronal type and position and that optic fibers could utilize these labels to selectively navigate to their matching target cell, hence the visuomotor impairment.[2] Caenorhabditis elegans cell lineage:秀丽隐杆线虫的细胞谱系 Homeotic genes and colinearity:同源异型基因的共线性 Hox gene

G

七、发育生物学五大未解决难题 1、分化难题 2、形态发生难题 3、生长难题 4、生殖难题 5、进化难题

§5 现代发育生物学研究的技术 1、显微镜技术 2、组织切片技术 3、分子生物学技术 4、原位杂交技术 5、显微注射 6、报道基因技术 7、细胞标记技术

发育遗传学技术 2、反向遗传学技术 1、正向遗传学技术 ①.大规模诱变筛选 ②.插入诱变筛选 ③.突变基因克隆 ①.基因敲除技术 ②.条件基因敲除技术 ③.RNA干扰技术 ④.吗啉代寡核苷酸 ⑤.显性抑制 ⑥.转基因技术 ⑦.基因捕获 ⑧.果蝇中的克隆化分析 发育遗传学技术 1、正向遗传学技术 ①.大规模诱变筛选 ②.插入诱变筛选 ③.突变基因克隆

发育生物学研究技术 （1）试管胎儿技术 即把卵从输卵管中取出，放在试管中进行受精和早期发育，并作各种实验和观察。所谓胚胎移植、试管婴儿，就是这种技术的应用。 2010年诺贝尔奖：Robert Geoffrey Edward 。第一个试管婴儿1978年降生：Louise Joy Brown.400万降生。15%育龄妇女患有不育症。多胞胎。剩余胚胎。

(2)超微结构分析技术 主要运用各种电子显微镜：如透射电镜、扫描电镜等对细胞的超微结构进行观察和分析的技术。

(3)示踪技术 就是运用各种放射性同位素或发光的荧光素来标记某些化学分子或氨基酸中某些元素，然后追踪它们在发育过程中的变化情况。

4h 6h 8h 10h 12h 彩鲫卵母细胞体外诱导成熟过程中周期蛋白合成的变化

荧光细胞标记

(4)免疫化学及原位杂交技术 基于免疫学研究中抗原和抗体间特异性反应及分子杂交的原理，在显微和亚显微结构水平上，对某些特异性物质（蛋白质和核酸等）进行定位研究的技术。

Ftz基因在果蝇早期胚胎中的表达 （Dig-标记原位杂交）

免疫化学技术 （CyclinE staining)

(5)转基因技术 将特定的基因导入动物受精卵或胚胎，使之稳定整合于动物的染色体基因组并能遗传给后代。

转基因动物与基因的异位表达 DNA注射； RNA注射； 病毒感染。 Tropoblast：滋养层细胞

a.鱼卵人工受精；b.用胰蛋白酶去除卵壳；c.裸卵移至适当培养液中；d.显微注射法将外源基因引入鱼卵胚盘中 鱼受精卵显微注射模式图 a.鱼卵人工受精；b.用胰蛋白酶去除卵壳；c.裸卵移至适当培养液中；d.显微注射法将外源基因引入鱼卵胚盘中

 转基因鱼  对照组鱼 转人生长激素基因（hGH）鲫鱼外部形态的变化

(6)克隆技术

（7）诱导突变技术 要对特定基因的功能和意义进行追踪，有效的手段是设法将该基因完全剔除（Loss-of-function）或者使其过量表达（Gain-of-function）。

从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因 获得突变体的方法 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

化学诱变法 隐性突变体的鉴定方法 Spermatogonia精原细胞 gametes配子的结合

§6 发育生物学在生产实践中的应用 发育生物学在医学上的应用 发育生物学在畜牧养殖业上的应用 未来的影响 （一）医药卫生方面 避免畸胎和肿瘤的发生 “ 试管婴儿” 的产生可为某些不孕夫妻带来福音 基因疗法 干细胞治疗 转基因及胚胎移植等技术可使奶牛、奶山羊等为人类生产珍贵的药物 发育生物学在医学上的应用 发育生物学在畜牧养殖业上的应用 未来的影响

（二）农业方面 应用激素注射促使动物同步排卵，进行人工授精，可提高经济动物的繁殖量 利用人工授精和胚胎移植等技术可加速优质禽畜的发展 转基因植物不仅可快速选育优良生物品种，还可以生产食用疫苗