研究发育生物学的模式生物优秀PPT.ppt
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1、Developmental Biology 志向的探讨系统是科学发展的关键。在发育生物学的形成和发展过程中,志向的探讨系统是科学发展的关键。在发育生物学的形成和发展过程中,很多划时代的突破往往与一些模式物种相关。很多划时代的突破往往与一些模式物种相关。今日,当我们回顾精子和卵子的发觉及精卵受精这一重大发育生物学问题今日,当我们回顾精子和卵子的发觉及精卵受精这一重大发育生物学问题的诠释时,就会想起的诠释时,就会想起1 9世纪后期一批欧洲胚胎学家用海胆世纪后期一批欧洲胚胎学家用海胆(seaurchin)所进行所进行的一系列视察;的一系列视察;当我们津津乐道当我们津津乐道1 995年度的诺贝尔奖获得
2、者年度的诺贝尔奖获得者Ed,ward BLewis、Christiane NussleinVolhard和和Eric FWieschaus关于早期胚胎发育基因调关于早期胚胎发育基因调控的重大发觉时,无不艳羡他们继承了基因学说的创建者控的重大发觉时,无不艳羡他们继承了基因学说的创建者FhomlaS Hunt Morgaln等的优良传统,选用果蝇这一绝好的模式动物;等的优良传统,选用果蝇这一绝好的模式动物;当当1 997年和年和1 998年全世界的人们惊羡克隆羊、克隆牛和克隆鼠的诞生及年全世界的人们惊羡克隆羊、克隆牛和克隆鼠的诞生及体细胞克隆技术日臻成熟时,发育生物学探讨者所思索的则是体细胞克隆技
3、术日臻成熟时,发育生物学探讨者所思索的则是20世纪六七十世纪六七十年头英国发育生物学家年头英国发育生物学家John Gurdon用非洲爪蟾这一有着王者之称的模式用非洲爪蟾这一有着王者之称的模式脊椎动物所进行的有关体细胞核移植的开创性探讨工作。脊椎动物所进行的有关体细胞核移植的开创性探讨工作。特殊是特殊是20世纪世纪90年头分子发育生物学兴起后,模式生物显得更为重要。年头分子发育生物学兴起后,模式生物显得更为重要。Developmental Biology第一节第一节 华美广杆线虫华美广杆线虫Developmental Biology一华美广杆线虫的分类地位一华美广杆线虫的分类地位 华美广杆线虫
4、是一种长为华美广杆线虫是一种长为1 mm,自由生活于土壤,自由生活于土壤中的小线虫,隶属于线形动物门中的小线虫,隶属于线形动物门(Nemathelminthes)线线虫纲虫纲(Nematoda)小杆线虫目小杆线虫目(Rhabditida)广杆线虫属广杆线虫属(Caenorhabditis)。就其与人类的关系来说,华美广杆。就其与人类的关系来说,华美广杆线虫在现已记录的大约线虫在现已记录的大约2万种万种(估计可能有估计可能有4万万1 000万万种种)线虫中,并不是最重要的线虫,所以在我国,即使线虫中,并不是最重要的线虫,所以在我国,即使是从事生命科学探讨的学者对其还相当生疏。然而,线是从事生命科
5、学探讨的学者对其还相当生疏。然而,线虫的确与人类生活亲密相关。一提起寄生于人类肠道中虫的确与人类生活亲密相关。一提起寄生于人类肠道中的蛔虫、钩虫和蛲虫及寄生于人的淋巴系统内的丝虫曾的蛔虫、钩虫和蛲虫及寄生于人的淋巴系统内的丝虫曾经给人类带来的危害和苦痛,有谁会不为之惧怕呢经给人类带来的危害和苦痛,有谁会不为之惧怕呢?其其实这些病原寄生虫都属于线虫一类。不同的是,华美广实这些病原寄生虫都属于线虫一类。不同的是,华美广杆线虫不是寄生线虫,而是生活于土壤中、以细菌为食杆线虫不是寄生线虫,而是生活于土壤中、以细菌为食的一种自由线虫。的一种自由线虫。Developmental Biology二作为模式生
6、物的优点二作为模式生物的优点近30年来的探讨表明,华美广杆线虫的确是分子发育生物学及细胞生物学、分子生物学和神经生物学探讨的极好模型。Developmental Biology作为模式生物,华美广杆线虫的主要优点如下:可在试验室用培育皿培育。由于以细菌为食,在试验室培育时,一般是先让琼脂培育皿长满细菌,再接种线虫。生命周期短(一般为3.5d),胚胎发育速度快。在培育温度为16度,胚胎发育期为18h;在培育温度为25度,胚胎发育期为12h。Developmental Biology 存在雌雄同体存在雌雄同体(1lermaphrodite)和雄性两类不同生物和雄性两类不同生物型,主要是雌雄同体生物
7、型。型,主要是雌雄同体生物型。在雌雄同体生物型中,每尾线虫既含有卵子又含有精在雌雄同体生物型中,每尾线虫既含有卵子又含有精子,精卵在体内受精,胚胎在生殖腺管内发育,幼虫由子,精卵在体内受精,胚胎在生殖腺管内发育,幼虫由阴门阴门(vulva)产出。雌雄同体个体自体受精的结果可产生产出。雌雄同体个体自体受精的结果可产生特别纯合的基因型。雌雄同体个体性别确定的染色体机特别纯合的基因型。雌雄同体个体性别确定的染色体机制为制为XX型。在偶然状况下,可产生大约型。在偶然状况下,可产生大约O2的的XO雄性个体。雄性个体。XO雄性个体可与雌雄同体个体交配产生后代,雄性个体可与雌雄同体个体交配产生后代,从而增加
8、了基因重组和新等位基因引入的机会。从而增加了基因重组和新等位基因引入的机会。体细胞数量少,由于透亮可见,易于追踪细胞分裂体细胞数量少,由于透亮可见,易于追踪细胞分裂谱系。产出的幼虫含有谱系。产出的幼虫含有556个体细胞和个体细胞和2个原始生殖细胞,个原始生殖细胞,幼虫经幼虫经4次蜕皮后变为成虫。若成虫为雌雄同体个体,则次蜕皮后变为成虫。若成虫为雌雄同体个体,则含有含有959个体细胞和大约个体细胞和大约2000个生殖细胞;若成虫为雄性个生殖细胞;若成虫为雄性个体,则含有个体,则含有103 1个体细胞和大约个体细胞和大约1 000个生殖细胞。个生殖细胞。Developmental BiologyD
9、evelopmental Biology能视察到生殖细胞的发生及种质颗粒的传递过程。胚胎发能视察到生殖细胞的发生及种质颗粒的传递过程。胚胎发育的细胞分裂为不对称分裂,种系育的细胞分裂为不对称分裂,种系(germ 1ine)细胞中的种质细胞中的种质颗粒颗粒(germ line granule)或或P颗粒。颗粒。(P granule)在细胞分裂过程在细胞分裂过程中仅安排到形成种系细胞的细胞质中。细胞谱系探讨表明,中仅安排到形成种系细胞的细胞质中。细胞谱系探讨表明,受精卵受精卵(又称为又称为P0种系细胞种系细胞)的第一次卵裂产生的第一次卵裂产生AB创建者细胞创建者细胞和种系细胞和种系细胞P1,种系细
10、胞,种系细胞P1再次分裂后形成创建者细胞再次分裂后形成创建者细胞EMS和种系细胞和种系细胞P2,P2进一步分裂后形成创建者细胞进一步分裂后形成创建者细胞C和和P3种系种系细胞,细胞,P3种系细胞再分后形成种系细胞再分后形成D创建者细胞和创建者细胞和P4种系细胞。种系细胞。到幼虫产出时,到幼虫产出时,AB细胞经分裂和进一步分化产生包括皮下细细胞经分裂和进一步分化产生包括皮下细胞、神经细,胞、咽肌细胞、分泌腺细胞和胞、神经细,胞、咽肌细胞、分泌腺细胞和1个体肌细胞在内个体肌细胞在内的共的共389个细胞;个细胞;EMS细胞经分裂为细胞经分裂为MS和和E2个创建者细胞后,个创建者细胞后,MS细胞再经分
11、裂和分化出包括体肌细胞、咽肌细胞、神经细细胞再经分裂和分化出包括体肌细胞、咽肌细胞、神经细胞和分泌腺细胞在内的胞和分泌腺细胞在内的80个细胞,个细胞,E细胞则形成构成肠子的细胞则形成构成肠子的20个细胞;个细胞;C细胞经分裂和分化出包括皮下细胞、体肌细胞和细胞经分裂和分化出包括皮下细胞、体肌细胞和2个神经细胞在内的个神经细胞在内的47个细胞;个细胞;D细胞则形成细胞则形成20个体肌细胞;而个体肌细胞;而此时种系细胞此时种系细胞P4才起先分裂出才起先分裂出2个生殖细胞个生殖细胞Z2和和Z3。Developmental Biology三基因组大小及其基因组成三基因组大小及其基因组成华美广杆线虫是继
12、病毒、细菌和酿酒酵母之后基因组已经被完整测序了的第一个多细胞动物,其基因组由97兆碱基组成。在这97兆碱基中,预料含有19099个编码蛋白的基因,即平均每5kb含有1个基因。每个基因平均含有5个内含子,基因组的27被预期的外显子占据。与以前基于部分少量序列所作的估计相比,由完整基因组序列所预料的基因数要多得多。其基因量大约是酿酒酵母的3倍,是人类的1513。Developmental Biology将华美广杆线虫中的18891个蛋白与酿酒酵母的6217蛋白、大肠杆菌的4289个蛋白及目前可利用的人类的4979个蛋白进行比较分析后发觉,人的4979个蛋白中有74可在线虫中找到对应蛋白,线虫有36
13、的蛋白可在现知的人类蛋白中找到相关蛋白。总的比较结果表明,较小的基因组有较多的组分与较大的基因组相匹配,且较大的基因组含有更多可与之对应的蛋白。好玩的是,线虫中没有发觉在酿酒酵母和大肠杆菌中都能与之匹配的蛋白。当然,尽管线虫的基因组已全部测序,但已做过遗传分析的蛋白基因还只占其基因总数的1025。因此,有关线虫基因的真正探讨可以说是刚刚起先,前面还有很长的路要走。Developmental BiologyDevelopmental Biology黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)果蝇的分类地位归属于节肢动物门、昆虫纲、双翅目、果蝇科、果蝇属,其学名全称为黑腹果蝇,现一般简
14、称果蝇。其名字源于它喜好腐烂的水果以及发酵的果汁,是一种原产于热带或亚热带的蝇种。它和人类一样分布于全世界,并且在人类的居室内过冬。其次节果蝇Developmental Biology一果蝇的两个重大贡献一果蝇的两个重大贡献谈起果蝇,已学过遗传学的人或许无人不知。自谈起果蝇,已学过遗传学的人或许无人不知。自1 9 1 0年遗传学泰斗年遗传学泰斗Thomas Hunt Morgan发觉其第发觉其第一个突变体白眼果蝇以来,其作为模式生物的历一个突变体白眼果蝇以来,其作为模式生物的历史已有史已有90多年。正是以它为模式生物,多年。正是以它为模式生物,Morgan和和他的一批弟子们才从有关性连锁、性染
15、色体、多他的一批弟子们才从有关性连锁、性染色体、多线染色体和伴性遗传等遗传规律的发觉中提出了线染色体和伴性遗传等遗传规律的发觉中提出了基因论,奠定了现代遗传学的基础,并由此使基因论,奠定了现代遗传学的基础,并由此使Morgan获得了获得了1 933年的诺贝尔生理和医学奖。年的诺贝尔生理和医学奖。也就是从那时起先,生物学家才普遍相识到模式也就是从那时起先,生物学家才普遍相识到模式生物在生命科学探讨中的重要作用。生物在生命科学探讨中的重要作用。Developmental Biology1978年长期在美国加州理工学院从事果蝇遗传和发育探讨的EdwardBIewis接受饱和诱变的方法随机破坏近一半的
16、果蝇基因,然后通过显微视察来探讨和分析影响体轴形成和分节模式的基因,并由此鉴定出15种不同的由于突变引起体节缺陷的基因。很快,人们在其他高等生物和人类细胞中发觉了同样的或类似的基因,并证明这些基因在发育过程中执行了相像的功能。这两位用果蝇作为模式生物开创分子发育生物学探讨的学者就是1995年与LewiS一起共享诺贝尔生理和医学奖的ChristianeNussleinV01hard和EricWieschaus.Developmental Biology二、果蝇的生命周期果蝇的生命周期在室温下一般为2周左右。成虫产出的受精卵只经ld的胚胎发育就孵化出幼虫;幼虫经验两次蜕皮,由第一期幼虫经其次期幼虫
17、约3d时间发育成第三期幼虫,第三期幼虫再经23d的化蛹过程形成蛹;在蛹中约经过历时5d的变态,然后孵出成虫。成虫孵出后在1214h内起先交配产卵,产出的受精卵又起先进入下一个生命周期(图43)。果蝇成虫的长度为2mm,大约可存活9d左右。Developmental BiologyDevelopmental BiologyDevelopmental Biology三果蝇作为模式生物的优点三果蝇作为模式生物的优点(1)果蝇的生命周期短,在试验室条件下,一般)果蝇的生命周期短,在试验室条件下,一般12 d就就可完成一次世代交替。可完成一次世代交替。(2)个体小)个体小(成虫的长度仅为成虫的长度仅为2
18、 mm),赐予很少一点适宜,赐予很少一点适宜食物在试验室就能饲养一大群。食物在试验室就能饲养一大群。(3)具有几十个易于诱变分析的遗传特征,并保持有大)具有几十个易于诱变分析的遗传特征,并保持有大量的突变体。量的突变体。(4)有比较简洁的染色体组成,只有)有比较简洁的染色体组成,只有4对染色体,且唾腺对染色体,且唾腺细胞中含有巨大的多线染色细胞中含有巨大的多线染色(p01ytenic chromosome)o ,(5)卵子发生过程中已为早期胚胎发育积累了充分的养料,卵子发生过程中已为早期胚胎发育积累了充分的养料,且产出的卵子大,易于又见察。且产出的卵子大,易于又见察。(6)胚胎发育速度快,前胚
19、胎发育速度快,前13次卵裂每次只间隔次卵裂每次只间隔9min,细胞,细胞核成倍增加成为一个合胞体核成倍增加成为一个合胞体(syncytium),其胚胎发育过,其胚胎发育过程是视察分析卵裂、早期胚胎发生和躯体模式形成等发育程是视察分析卵裂、早期胚胎发生和躯体模式形成等发育调控机制的绝佳材料。调控机制的绝佳材料。,(7)幼虫存在变态过程,是分析器官芽幼虫存在变态过程,是分析器官芽(imaginal disc)细胞细胞增殖机制的志向模型。增殖机制的志向模型。Developmental Biology主要优点主要优点1.体积小,易于繁体积小,易于繁 殖;殖;2.产卵力强;产卵力强;3.性成熟短;性成熟
20、短;4.易于遗传操作:易于遗传操作:如诱变;如诱变;5.基因组序列已全基因组序列已全 部测出部测出(Science,Mar.24,2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)Developmental Biology由于果蝇具有以上优点,近年来仍旧被广泛用做分子发育生物学探讨的模型。在其胚胎发育的梯度假说被证明后,已鉴定出了几个在卵子中形成梯度、调整细胞定位和分化并确定胚胎发育方式的成形因子;在位于卵子后极和种质(germplasm)中发觉了为种系细胞导向的蛋白因子好玩的是,在1997和1998连续两年被科学杂志称为当年十大重要突破成就之一。关于调控生物昼夜节律生
21、物钟基因的探讨也多半是在果蝇中完成的(Bloom1998)。果蝇的基因组大约为180Mb,其常染色质部分约为120Mb。到2000年3月,常染色质部分的全部碱基序列已基本确定,其基因组大约编码13600个基因,在数量上比线虫还要少,但这些基因具有明显的功能多样性(Adamseta12000)。Developmental Biology第三节第三节 爪爪 蟾蟾一、爪蟾的分类地位及其作为模式生物的意义一、爪蟾的分类地位及其作为模式生物的意义爪蟾的全称为光滑爪蟾爪蟾的全称为光滑爪蟾(Xenopus laevis),它属于脊椎动物,它属于脊椎动物两栖纲两栖纲(Amphibia)、无尾目、无尾目(Anu
22、ra)、负子蟾科、负子蟾科(Pipidae)、爪蟾属爪蟾属(Xenopus)。因产于非洲,又名非洲爪蟾,现一般。因产于非洲,又名非洲爪蟾,现一般简称为爪蟾。简称为爪蟾。Developmental Biology负子蟾科学名:Xenopuslaevis属名:Xenopus食性:由于没有舌头只能利用其前肢搅食水中的无脊椎动物。人工饲养条件下,可以喂饲植物性饲料和动物性饲料,如动物肝脏和植物类的水藻。分布:由南非的热带草原起,北至肯尼亚,乌干达西至喀麦隆。人工饲养方面。Developmental Biology由于爪蟾是脊椎动物,与人类及其他经济动物具有更为亲密的关系,其发育模型及调控机制与人类及其
23、他高等动物更相像,且与其他两栖动物一样,具有较大的、易于视察分析的卵子,因而有关脊椎动物的卵子发生、体轴确定、受精激活、卵裂与中囊胚转换(midblastulatransition)、原肠形成、神经胚形成、器官发生、核移植及体细胞克隆等有关发育生物学原理和学问基本上都是来自于爪蟾这一模式动物和其他相关两栖动物的探讨成果。正是在这些探讨成果基础上的演绎、推断和扩展;构成了脊椎动物发育生物学的基本原型。因而,爪蟾是脊椎动物发育生物学探讨中一个最重要而又最典型的代表,是脊椎动物胚胎学和发育生物学的奠基者。下图是光滑爪蟾的生命周期示意图。Developmental BiologyDevelopment
24、al Biology二、爪蟾及两栖动物作为模式生物的优点二、爪蟾及两栖动物作为模式生物的优点爪蟾作为模式动物除了其显著的科学意义外,同时也具有明显爪蟾作为模式动物除了其显著的科学意义外,同时也具有明显的优点。的优点。爪蟾生活在水中,成体约长爪蟾生活在水中,成体约长7 cm,易于在试验室人工养殖。,易于在试验室人工养殖。易于进行人工繁育,特殊是通过注射促性腺激素,可以诱导易于进行人工繁育,特殊是通过注射促性腺激素,可以诱导其在任何时候产卵。其在任何时候产卵。爪蟾的卵子较大,直径约为爪蟾的卵子较大,直径约为12 mm,且在体外受精、体,且在体外受精、体外发育,因而无需困难昂贵的仪器,就可在试验室进
25、行显微操外发育,因而无需困难昂贵的仪器,就可在试验室进行显微操作等各种试验。作等各种试验。发育早期通过辐射状完全卵裂产生囊胚。其透亮的卵壳可以发育早期通过辐射状完全卵裂产生囊胚。其透亮的卵壳可以接受手术或化学方法脱去,从胚胎上切下来的细胞团可以依靠接受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供应养分,在无菌的生理盐水中接着发育。因而,细胞中的卵黄供应养分,在无菌的生理盐水中接着发育。因而,很多早期有关发育生物学的重大突破,如以胚胎学大师很多早期有关发育生物学的重大突破,如以胚胎学大师Hans Spemann为首的一批发育生物学开创者在为首的一批发育生物学开创者在20世纪世
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