发育生物学论文-干细胞和发育生物学
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发育生物学的研究进展发育生物学作为一个新兴的研究领域,其研究对象是生命的起源和生长发育过程。
它主要关注的是生命过程中的各种细胞、组织和器官的发育、分化、成熟和功能,因此在医学、农业、动植物保护和生命科学等方面都有广泛的应用。
近年来,随着基因工程、新技术和新手段的不断出现,发育生物学也取得了一系列重要的研究成果和进展。
一、干细胞技术的发展干细胞是体内最基本的一类细胞,具有自我复制和分化为其他类型细胞的潜能。
在干细胞的分化和分裂方面有许多未知的细节和机理,因此探索干细胞的生物学特性和分化规律可以加深对生命起源和生长发育的理解。
近年来,随着干细胞技术的不断进步和发展,干细胞从单纯存在的概念变成了实验室重要的研究工具。
现在干细胞能够体外分化成很多细胞类型,例如神经细胞、心肌细胞等,这种体外分化也有可能成为可再生医学的治疗手段。
二、单细胞转录组技术的出现对学者而言,解析细胞之间的异同和细胞发育过程是一项重要的工作。
而现在单细胞测序和转录组分析技术,使受精卵和胚胎发育过程的相关数据产生了质的飞跃。
这些数据能够提供大量的细胞发育变化图,同时也能够进一步了解和探索生命起源和进化方面的信息。
三、组织工程学的可移植性与替代性的探索经过多年的发展,组织工程学技术已经发展到了能够研究和制备人工组织和器官的能力,例如血管组织、心肌组织、关节软骨等。
这种人造组织和器官可以应用于移植手术和疾病模型中,使科学家们能够在低风险的环境下进行医疗实验和药物研究,同时也有助于未来机器人发展领域的技术探索。
此外,个性化医疗的必要性越来越强,组织工程学组织的成功制备为此提供了方向和参考。
四、外源DNA在转录和翻译中的角色外源DNA在生物体内的作用一直是发育生物的热门话题。
由于特殊的基因序列和基因调控机制,外源DNA可以在生物体内发挥重要的生理生化学作用。
例如,外源DNA可以直接转录成RNA,从而参与造血、免疫防御等重要生理过程。
此外,外源DNA还能够变异,从而导致一些严重疾病的产生。
动物发育生物学中的胚胎干细胞动物发育生物学是研究动物个体生长发育的科学领域,其中胚胎发育过程是一个重要的研究方向。
近年来,胚胎干细胞的发现和研究引起了科学界的广泛关注。
胚胎干细胞是具有自我更新和多向分化潜能的细胞,被认为可以用于再生医学和疾病治疗等方面的研究。
本文将介绍动物发育生物学中的胚胎干细胞的基本概念、特性以及应用前景。
一、胚胎干细胞的定义和来源胚胎干细胞是指从早期胚胎中获得的具有自我更新和多向分化潜能的细胞。
它们具有两个基本特征:第一,能够自我更新,不断产生新的干细胞;第二,可以分化为多种细胞类型。
胚胎干细胞的最初来源是胚胎内细胞团的内细胞团,这些细胞在早期胚胎发育过程中未分化为任何特定细胞类型。
目前,胚胎干细胞也可以通过人工诱导或转染等方式获得。
二、胚胎干细胞的特性胚胎干细胞具有独特的特性,使其成为研究的热点。
首先,胚胎干细胞能够无限制地自我更新,可以持续不断地分裂产生新的细胞,保持其干细胞状态。
其次,胚胎干细胞可以分化为多种细胞类型,包括神经细胞、心肌细胞、血液细胞等。
这种多向分化潜能为再生医学和组织工程提供了重要的研究基础。
另外,胚胎干细胞具有较高的增殖能力和较低的分化状态,这使得它们在移植和扩增方面具有重要的应用潜力。
三、胚胎干细胞在再生医学中的应用胚胎干细胞在再生医学领域具有广阔的应用前景。
首先,胚胎干细胞可以用于组织工程,通过体外培养和诱导分化,生成特定类型的细胞,用于修复和替代受损组织。
其次,胚胎干细胞可以用于疾病模型的建立和药物筛选。
将患者的细胞重新诱导成为胚胎干细胞,然后通过诱导分化成目标细胞,可以用于疾病发生机制的研究以及药物的研发和筛选。
此外,胚胎干细胞还可以用于治疗某些疾病,比如心脏病和神经退行性疾病等,可以通过将特定类型的胚胎干细胞移植到患者体内,实现组织的再生和功能的恢复。
四、胚胎干细胞的伦理和法律问题胚胎干细胞的研究和应用涉及到伦理和法律问题,引起了社会的广泛关注和讨论。
发育生物学在干细胞治疗中的应用发育生物学是研究生命的起源、成长和发展等基础性问题的一门学科。
干细胞治疗,顾名思义,就是应用干细胞进行治疗的一种方法。
那么,发育生物学在干细胞治疗中的应用又是什么呢?本文将就这一话题进行探讨。
一、干细胞治疗简介干细胞,是一种未分化的细胞,拥有自我复制和分化为各种类型细胞的特性。
基于这种特性,人们一直在积极探索干细胞的临床应用。
干细胞治疗是应用干细胞来治疗疾病或缺陷的一种方法。
通常来说,干细胞治疗主要分为两大类,即干细胞移植和干细胞工程。
干细胞移植,是指将干细胞从捐献者(或病人自身)体内取出并经过特殊加工处理之后,再通过不同的途径转移到病人体内,以达到修复受损或缺陷部位的目的。
干细胞移植最早应用于造血系统病,如白血病、淋巴瘤等,后来又逐渐扩展到其他系统的疾病,如神经、心血管、骨科等。
干细胞移植的一个重要应用领域就是造血干细胞移植。
目前,造血干细胞移植已经成为治疗某些血液疾病和血液恶性肿瘤的有效方法。
干细胞工程,则是指将干细胞进行体外扩增、定向分化和体内重构等工程化操作,最终用于细胞、组织或器官的替代和修复。
干细胞工程主要应用于如心肌损伤、神经系统退行性疾病、肝脏疾病等需要大规模修复或替代的疾病等领域。
干细胞治疗具有广泛的应用前景,但同时也面临着诸多挑战。
其中,干细胞定向分化成为特定类型细胞的问题尤为突出。
这就需要在干细胞治疗中,应用发育生物学的研究成果,为干细胞定向分化提供方向和理论支持。
二、发育生物学在干细胞治疗中的应用发育生物学为干细胞治疗提供了重要的理论和技术支撑,如:1. 细胞命运的规划细胞命运是细胞进化过程中形成的一个重要标志。
发育生物学通过研究不同类型细胞的命运规划和分化途径等,揭示了细胞命运的多样性和复杂性。
在干细胞治疗中,正是在借鉴发育生物学的这些研究成果,为干细胞定向分化提供指导和方法。
比如,在体外分化过程中,通过对发育生物模型中成熟细胞的分化轨迹进行分析,可以为干细胞分化为成熟细胞提供方向。
发育生物学论文摘要:发育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。
发育是有机体的各个细胞协同作用的结果,也是一系列基因网络性调控的结果。
DNA上的一维信息是如何控制生物体三维形态结构构建和生命现象的发展是目前研究的热点之一。
文章从早期胚胎细胞全能性、胚胎空间结构定位、发育程序的控制、形状变化、胚胎血液的形成以及胚胎发育的调控因子等,对近几年胚胎发育与形成机理的研究进展做了简要综述。
关键词:发育;调控因子;胚胎一个有机体的发生,从简单到复杂,从单细胞到功能多样的多细胞,里面隐含着极其精妙的发育调控机制。
发育的核心问题是细胞分化,而导致细胞分化的则是基因的作用。
发育是物种遗传特性的表达,是遗传信息按照特定的时间和空间表达的结果是生物体基因型与内外环境因子相互作用,并逐步转化为表型的过程,它产生了生命机体内的细胞多样性和时序性,同时又保证了生命代代相传的连续性。
胚胎发育的遗传程序及其形成机理已经成为目前生命科学领域的研究重点之一。
1、早期胚胎基因组的活化胚胎生长发育初始需要的所有物质都是由成熟卵母细胞提供的,因此,卵子在充分生长前活跃地转录和翻译其自身特有的基因,在此期间,卵母细胞中合成并积聚了多种RNA、蛋白质、细胞器,这些构成了早期胚胎发育的母源物质。
完全生长的卵子在随后的减数分裂过程中,基因转录完全停止,翻译减少,母源性基因的表达程序可能被消除。
受精以后,母源物质逐渐下降,胚胎基因组的转录表达开始,胚胎的发育逐渐由自身合成的物质来调控,这一过程即发育由母源向胚胎调控的转变(transition from maternal to embryonic control of development, MET),以胚胎基因组的活化(embryonic genome activation,EGA)为主要特征。
在MET之前,DNA一直与来自卵母细胞的组蛋白结合,而来自于胚胎细胞合成的组蛋白一般在MET期与DNA结合,且结合速度与DNA转录和复制活性直接相关。
发育生物学与干细胞研究发育生物学是研究生物在其生命周期中如何发展和成长的科学领域。
它涉及到细胞分化、器官形成和生物体发育的各个方面。
而干细胞研究则是发育生物学中的一个重要分支,它研究的是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞,可以应用于再生医学、组织工程以及疾病治疗等领域。
一、发育生物学的基本概念发育生物学着眼于生物从单个受精卵到多细胞生物体的全过程。
它探究了生物的细胞分裂、细胞分化和器官形成等过程,揭示了生物体内部各种调控机制的细微变化。
通过研究特定发育过程中的遗传和分子基础,发育生物学可以帮助我们更好地理解生命的起源、发展和多样性。
发育生物学以模型生物为研究对象,如果蝇、线虫、小鼠等。
这些模型生物具有短生命周期、易于培养和基因组完整性等特点,使其成为研究发育生物学的理想工具。
二、干细胞的定义与分类干细胞是发育生物学和干细胞研究中的重要概念。
它具有两个主要特性:自我更新和多向分化潜能。
自我更新意味着干细胞可以对自身进行无限制的分裂,而多向分化潜能意味着它可以分化为各种类型的细胞,包括神经细胞、心肌细胞、肝细胞等。
根据来源和潜能的不同,干细胞可以分为胚胎干细胞和成体干细胞。
胚胎干细胞来自于早期胚胎,在发育过程中能够分化为全身各个器官组织的细胞。
成体干细胞则存在于已经成熟的组织和器官中,具有较弱的分化潜能,主要起补充和修复损伤组织的作用。
三、干细胞在再生医学中的应用干细胞研究在再生医学领域具有广阔的应用前景。
通过利用干细胞的多向分化潜能,科学家可以将其分化为各种需要的细胞类型,为疾病治疗和组织工程提供可行的解决方案。
1. 替代治疗:干细胞可以分化为心肌细胞、胰岛细胞、神经细胞等,用于治疗心脏病、糖尿病、神经退行性疾病等。
这种通过细胞替代治疗可以修复受损组织或器官,并恢复其功能。
2. 组织工程:干细胞可以用于构建人工组织和器官。
通过提供生物支架和适宜的环境条件,干细胞可以分化为特定类型的细胞,并形成功能完整的组织结构。
行为as thewas given. was1908年贝尔奖获得者。
在近代发育生物学研究领域中,果蝇的发生遗传学独领风骚。
1995年,诺贝尔奖再次授予三位在果蝇研究中辛勤耕耘的科学家。
果蝇为进一步阐明基因-神经(脑)-行为之间关系的研究提供了理想的动物模型。
专家认为,近一个世纪以来,果蝇遗传学在各个层次的研究中积累了十分丰富的资料。
人们对它的遗传背景有着比其他生物更全面更深入的了解。
作为经典的模式生物,果蝇在21世纪的遗传学研究中将发挥更加巨大而不可替代的作用。
2 以果蝇为实验模型所具有的诸多优势基因、脑与行为的关系是脑与认知科学面临的重大战略性科学问题。
不同物种的脑虽然在形态上迥然不同,但是在基因水平上却有很高的同源性,从而使脑具有相似的基本功能。
在脑与认知科学中选择何种模式生物对于科研非常重要,有助于理解、预防和治疗相关性神经和精神疾病。
诺贝尔奖得主坎德尔教授就曾选择海兔作为模式生物,成功地将各种行为包括将来的学习行为与突触的可塑性结合起来进行研究,确定了短时和长时记忆是如何储存在神经系统中的。
而对于研究学习记忆所选择的主要模式生物就是本文要介绍的果蝇。
这是为什么呢?作为一个重要的模式生物,果蝇是探索生命奥秘的万能钥匙,以果蝇为模型有诸多的优势。
第一,果蝇的生命周期短,繁殖力强。
第二,果蝇具有清晰的遗传背景,在2000年果蝇测序工作已基本完成,果蝇基因组有13000~15000个基因,所有果蝇的遗传密码已经清楚。
根据果蝇的遗传密码以及相关的信息,研究人员已经在互联网上建立了各种各样果蝇的相关数据库,而其相对简单的神经系统也很有助于对其进行研究。
第三,果蝇也具有多种多样的行为,果蝇可以进行学习,有的非常“聪明”,当然也有“傻瓜”。
果蝇也可以发生老年痴呆,还会饮“酒”、吸“毒”并表现出相应的行为。
重要的是果蝇可以睡眠,甚至做梦,还可以唱情歌。
因此,以果蝇为模型,通过基因突变和行为筛选可以确定与学习记忆相关的候选基因,进一步通过反向遗传学方法,可能在不同物种中确定候选基因的调控机制及其学习记忆等行为中的功能。
发育生物学和干细胞技术的研究现状评估和前景展望摘要:本文评估了发育生物学和干细胞技术的研究现状,并探讨了它们未来的前景。
发育生物学是研究生物体从单细胞到多细胞体系发育的过程的科学,而干细胞技术则是使用和研究具有自我复制和分化潜能的细胞。
两者的结合有望在医学和生物科学领域带来革命性的进展。
本文将重点关注发育生物学和干细胞技术在治疗疾病、再生医学和基因疗法方面的应用,并讨论了目前的挑战和创新的机会。
1. 引言发育生物学是生物科学领域中的一个重要分支,它研究从受精卵到成熟个体的生物发育过程。
干细胞技术则是利用具有自我复制和分化潜能的细胞来治疗疾病和促进组织再生。
过去几十年里,这两个领域取得了显著的进展,为科学家们提供了研究和应用的新的机会。
2. 发育生物学的研究现状评估发育生物学的研究通过观察和实验揭示了生物组织和器官形成的机制。
研究者们探究了细胞分化、细胞迁移和胚胎器官发育的过程,同时揭示了生物的遗传信息如何控制这些过程。
最新的研究在单细胞级别上对发育过程进行了深入的分析,从而更好地理解了细胞去向、基因表达和信号通路。
3. 干细胞技术的研究现状评估干细胞具有自我复制和分化的能力,是治疗疾病和组织再生的理想工具。
目前,已开发出多种类型的干细胞,包括胚胎干细胞和成体干细胞。
胚胎干细胞具有最广泛的分化潜能,可以分化成任何细胞类型。
成体干细胞则存在于成年个体的组织中,具有较低的分化潜能。
干细胞的使用已经在组织工程、再生医学和基因疗法方面取得了巨大的突破。
4. 发育生物学和干细胞技术在疾病治疗中的应用发育生物学和干细胞技术在疾病治疗中的应用前景广阔。
通过研究发育过程中细胞分化的机制,科学家们可以开发出更有效的治疗方法,例如干细胞移植和组织工程。
干细胞移植已经显示出治疗白血病和其他血液疾病的潜力。
组织工程利用干细胞和生物支架来修复和再生受损组织,为创伤和疾病的治疗提供了新的途径。
5. 发育生物学和干细胞技术在再生医学中的应用再生医学是利用发育生物学和干细胞技术研究组织再生和器官再生的科学。
干细胞——多细胞生物发育与进化的基础引子干细胞的重要特点是具有某种程度的分化潜能,对于多细胞生物体内的绝大多数成体细胞而言,这种能力在分化发育的过程中部分或完全丧失。
多细胞生物的发育起始于受精卵(一种很典型的干细胞),而后发生的一系列事件如卵裂、原肠胚形成、神经发生等均在干细胞的基础上进一步展开。
干细胞中到底存在着何种奥秘,导致了生物体在基因的精确表达过程中逐渐形成?通过对干细胞的研究,人们已经知道,分化与发育过程中的一系列主要事件是严格按时空顺序发生的。
这一过程十分复杂,对其中具体的细节人们知之甚少。
因此,分化发育的分子机制即成为生命科学研究领域中的重要课题之一。
生命的不断更替与地球的逐渐演化推动了生物的进化。
进化过程中物种间的差异不断加大,种间差距深深刻在了物种各自的发育过程中。
此外,人们也注意到了不同物种在发育过程中具有保守性。
这种保守性在差异颇大的物种表现出的相似性吸引了众多学者的研究热情,其中一个典型实例即同源异型基因的表达。
不同动物发育过程中的保守性隐含了一种原则,即发育的保守性对生物的生存可能至关重要,因此在漫长的生物演化过程中被保留。
据此可知,生物在发育过程中的差异有可能最终导致新物种的形成,但是它们之间存在着的某些惊人的相似之处,是所有生物必须遵循的基本原则。
因此,不难理解多细胞生物在进化过程中,保守性与差异性均以干细胞的分化发育为基础。
由此可推测,多细胞生物的起源与演化和干细胞可能有某种关联,只有多细胞生物才可能涉及干细胞问题。
那么我们会产生这样的疑问:最初的干细胞是怎样产生的?干细胞的分化发育是否折射了进化的基本历程?多细胞生物的起源问题仍不清楚,人们只知道多细胞生物的出现要晚于单细胞生物。
或进一步推测,多细胞生物的产生以干细胞为基础。
因此,了解干细胞分化发育的具体机制或许可窥见多细胞生物的早期演化历程。
1干细胞、分化与发育:1.1干细胞概述什么是干细胞(stem cell)?多年来科学家们一直在努力寻求准确答案。
Oct4在小鼠和猪植入前胚胎的表达情况摘要 Oct-4这种传统的多能因子在小鼠中研究较多,而猪中Oct-4的表达情况与传统表达模式有差别。
搞清猪多能因子的表达情况及其机制可对猪的ES的建立提供切入点。
关键词 Oct-4 小鼠猪Oct-4属于POU转录因子家族的一员[1~3]。
POU家族转录因子都有一个保守的DNA结合结构域—POU结合域。
它由于最先在转录因子Pit-1, Oct-1, Oct-2和Unc-86中发现而命名[4] 。
POU结合域分为两部分:N端大约74~82个氨基酸构成POU家族特有的保守结构域,POUs结构域;C端大约60个氨基酸构成传统的同源异型结构域,POUHD 结构域。
POUs和POUHD结构域间有连接肽连接。
根据POU结构域的同源性和连接肽的长度,POU 转录因子家族被分为7个亚族,Oct-4属于第V亚族[5,6]。
Oct-4转录因子是因能与含八聚体模体(octamer motif)的DNA结合而命名的,除Oct-4外还有大量蛋白质能与这种八聚体模体结合,分别从Oct-1命名到Oct-10,它们有专一的细胞和组织的表达模式,但都属于POU家族[7]。
Oct 转录因子结合的八聚体模体的保守序列是ATGCAAAT[8] ,Oct-4转录因子正是通过结合到八聚体模体上而调节基因的转录的。
小鼠在小鼠胚胎发育过程中,卵细胞中有母体oct-4转录产物和蛋白质的表达,受精后在2细胞和4细胞胚胎阶段,在所有卵裂球胞质中有相对低水平的Oct-4蛋白的表达[9~11]。
合子oct-4的表达在4细胞胚胎阶段被激活,随后直到桑椹胚,在所有胚胎细胞核中可观察到高水平的Oct-4蛋白的表达[11] 。
到囊胚时期,oct-4 RNA和蛋白质只在内细胞团中维持先前的表达水平,而在滋胚层细胞中表达下降[9]。
随后oct-4 RNA和蛋白质在ICM形成的上胚层细胞中一直维持表达,在下胚层细胞中的表达有暂时性升高,但随着其分化成脏壁、体壁内胚层细胞而消失[7,9]。
干细胞在发育生物学中的应用干细胞在发育生物学中的应用干细胞作为一种具有自我再生和分化能力的细胞,一直是生物医学领域研究的重点之一。
随着生命科学的发展,干细胞在发育生物学中的应用也逐渐得到了广泛关注。
一、胚胎干细胞对发育生物学的贡献胚胎干细胞是从早期胚胎中生长出来的细胞,具有自我复制和分化为各种类型细胞的能力。
研究表明,胚胎干细胞能够模拟胚胎发育过程中各种细化和定向发育现象,从而揭示出生物的发育规律。
二、成体干细胞对发育生物学的贡献成体干细胞具有自我更新和分化为特定类型细胞的能力,成为治疗多种疾病的重要工具。
发育生物学中,成体干细胞可用于研究生长和分化的动态过程,揭示细胞的转化原理。
同时,成体干细胞可以分化为多种类型细胞,如神经元、心肌细胞等,这些细胞的研究也为疾病治疗提供了新思路。
三、干细胞在生殖医学中的应用干细胞在生殖医学中也有广泛应用。
目前,研究人员已经成功地通过人类胚胎干细胞和成体干细胞分化出了生殖细胞,并实现了一些类似于体外受精的实验。
这为解决不孕不育等生殖问题提供了新途径。
四、干细胞在再生医学中的应用再生医学是近年来非常热门的领域,而干细胞的应用在这方面也是非常重要的。
通过成体干细胞的治疗,已经成功治愈了许多疾病,如瘢痕组织、心肌病、糖尿病等。
总之,干细胞的应用非常广泛,而在发育生物学中的应用则更是令人感到振奋。
通过干细胞可以揭示生物的发育规律,实现体外跟踪和研究生物的发育;同时,在生殖医学和再生医学中的应用也需要我们的关注。
未来,干细胞领域的发展将会持续深入,对我们了解生命规律和治疗疾病的未来提供巨大的助力。
干细胞与发育生物学莫肇勇2009574201 09生本2班摘要:发育生物学是研究有机体从胚胎发生、生长发育至衰老死亡的生命过程所发生的变化和规律的科学,它是传统胚胎学的深入和发展。
它研究的主要内容是生殖细胞的产生以及受精机理,受精卵的分裂、分化, 组织和器官发生、生长以及机体的衰老等, 在这些生命现象中, 基因调控是其最基本的机制。
干细胞的决定、分化、机体细胞的衰老、凋亡和细胞间的信号传导是其非常重要的研究内容。
关键字:发育生物学;干细胞;发展;基因我理解的生命科学,是破译密码的过程。
就像计算机被输入程序一样,我们每个人的机体都被编好了程序,每一分每一秒所发生的事情都是按照程序进行的,甚至可以精确到我们无法识别的程度。
生命科学的目的,就是要解开生命背后的密码。
虽然说生命科学不同于其他很多理论性的基础学科,但他们都是相互紧密联系,也可以说生命科学是用数学、化学和物理的语言来还原生命活动的本质。
生物学没有真正的公理,随着技术一天天的更新,理论一次次的被推翻,新理论不断建立。
正因为如此,一张纸、一本书和一支笔对于生物学研究是远远不够的。
因此在纸上完全推到成立的结论,在实验上很有可能不能实现。
相反的,也许我只是个新手,可是如果用事实证明了我自己的假说,我也可以取得很大的发现。
另一方面,当今生物学的研究对技术有非常高的要求,可以说,技术的发展决定了生命科学前进的速度。
发育生物学的迅速兴起和在各个领域的发展、应用就是一个最好的例子。
同时,学科的交叉也为生命科学发展提供了广阔的空间。
如:干细胞生物学与发育生物学。
可以肯定地说,随着技术的进步和相关学科的结合,未来的生命科学将会飞速发展,生命的奥秘将一个个被解开。
下面我就具体谈谈这次的主题:干细胞与发育生物学。
发育生物学(developmental biology)是应用现代生物学的技术研究生物发育机制的科学。
它主要研究多细胞生物的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡,即生物个体发育(ontogent)中生命现象发展的机制。
同时,也研究生物种群系统发生(systematics development)的机制。
发育生物学不同于传统的胚胎学(embryology),而是20世纪50年代以后,由于分子生物学、细胞生物学、遗传学及生物化学等其他生命学科的发展和与胚胎学的相互渗透,才逐渐发展和形成的一门新兴的生命科学。
一、细胞理论对发育生物学和遗传学的影响关于生殖细胞的特性和重要意义是随着细胞生物学的发展人们才逐渐认识到的。
1839年德国著名植物学家Schleiden和生理学家Schwann指出,所有生物有机体都由细胞构成,细胞是生命的基本单位;通过细胞的有丝分裂产生其他细胞。
因此,发育也必然是逐渐变化的过程。
在胚胎发育中,通过受精卵的分裂产生许多新细胞,同时产生新的细胞类型。
到19世纪40年代,对于卵子的特性开始有所认识,认识到卵子也是一个细胞,是一个特殊的细胞。
Weismann进一步提出后代所具有双亲的遗传特性来自于生殖细胞——精子和卵子,来自于两性配子所携带的遗传特性。
之后,虽与海胆等的研究进一步显示,在受精初期受精卵中包含两个细胞核,其中一个来在来源于精子,另一个来源于卵子,在受精过程中两个细胞核融合。
到19世纪后期,人们通过一系列研究认识到,合子细胞核的染色体中各有一半分别来源于两个亲代,而合子的遗传信息在卵裂过程中平均分配到子细胞中去,这就为遗传特性的传递提供了物质基础。
细胞核的重要性和染色体在遗传中重要作用的发现,证明了孟德尔遗传定律的正确性。
人们通过对染色体数目的比较发现,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形成单倍体(haploid)的配子,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。
这些发现揭开了生物学发展史的新篇章。
二、发育生物学的热点问题发育生物学在分子生物学和遗传学的推进下不断向前发展,近些年来研究的热点主要集中在性别决定与性染色体进化、细胞核全能性与克隆、细胞凋亡、再生与细胞治疗、发育进化生物学、干细胞生物学等方面。
下面就我比较了解的几方面作介绍。
2.1动物的再生与其进化地位通常意义上的再生是指成体生物对身体缺失的本分(器官或组织)的重建,广义再生包括生命的所有水平。
有分子水平上的再生,如细胞中的蛋白质随着时间的推移发生了不可逆的变性,必须再生新的蛋白质代替;细胞水平上的再生,如身体内从未停止过的正常生理性的细胞代谢。
少数生物如海绵和水螅可以更新组成身体的所有细胞类型,在我们体内,血细胞的寿命较短,更新速度也快。
如果没有血细胞的及时更新,人将只能存活几个星期。
失去再生能力或再生受到限制是生命终结的根源。
一般来说,在动物界无脊椎动物的再生能力强于脊椎动物,许多无脊椎动物的再生能力与它们的无性生殖方式有关。
再生能力最强的例子是海鞘,它的一个血细胞就可以再产生一个完整的个体。
节肢动物在蜕皮时能修复不完整的腿,有尾两栖类能重建丢失的部分器官。
相比之下哺乳动物的再生能力最低。
从总的趋势看,虽然动物再生能力表现出随着进化地位从低到高而逐渐下降,但是各种动物的再生能力与它们在系统发育的等级地位没有严格对应关系。
如涡虫纲的Mesostoma不能再生,线虫组织结构并不比涡虫复杂,也几乎没有再生能力。
2.2细胞凋亡细胞凋亡(细胞程序性死亡)是发育中的基本生命现象。
在多细胞生物体的发育过程中,体内各类细胞的数量和功能必须处于恒定状态,程序性死亡对于维持细胞数量的生物稳态具有非常重要的作用。
以线虫为实验材料,科学家们在细胞凋亡的基因调控的研究中取得了重大的进展,已经发现了几个关键的基因,如ced-3,4,9 等。
现在认为细胞凋亡也象细胞生存一样是受分子调控的,在进化中也是保守的。
细胞凋亡在有机体的正常发生、组织重建、老化和应答不可恢复的损害中具有重要意义;细胞凋亡的失控,可能成为肿瘤、神经退化性疾病及免疫缺陷等多种疾病的病因。
现在细胞凋亡的调控机制研究仍处在一个方兴未艾的阶段,相信这一研究仍然会是未来发育生物学研究的主流之一。
三、发育生物学热点——干细胞生物学3.1干细胞研究的起源与进展“干细胞”一词最早出现于19世纪的生物学文献中,像许多其他的生物学名词一样被引用至今,并随着研究的深入被赋予新的内涵。
1896年,E. B. Wilson 在一篇论述细胞生物学的文献中第一次使用这个名词,专门用来描述存在于寄生虫(如蠕虫、线虫、蛔虫等)生殖系的祖细胞。
当时认为干细胞只是能够产生子代细胞的一种较原始的细胞。
但1983年Sulston等的研究清楚的表明,线虫生殖系祖细胞的发育潜能在每个细胞连续分裂的过程中发生了明显的改变,只有早期的细胞分裂的产物仍能够保持亲代分裂球的特性,具有自我更新的能力,而并非所有的祖细胞均具有这种干细胞的特性。
1967年,美国华盛顿大学的多纳尔·托马斯发表报告称,如果将正常人的骨髓移植到患者体内,可以治疗造血功能障碍。
自此,便从血液系统开始了对干细胞临床应用的研究。
1981年英国剑桥大学的Evans和Kanfman成功地从小鼠延迟着床的囊胚中分离获得了小鼠的内细胞团细胞并建立了胚胎干细胞系,从此胚胎干细胞的研究不断地拓展和深入。
1998年威斯康星大学的Thomson等分离人的内细胞团细胞并成功建立了人的胚胎干细胞系,与此同时Gearhart等从人的原始生殖细胞中建立了胚胎生殖细胞系,随后以色列、澳大利亚、日本、新加坡等也先后从体外受精卵分离获得了人胚胎干细胞系,并诱导胚胎干细胞生成神经细胞、造血细胞、肌肉细胞、胰岛细胞等。
这使胚胎干细胞的研究更加令人关注,并带动了世界范围内的干细胞研究热潮。
此项研究使科学家们看到干细胞生物工程的曙光:可以在体外培育所需的细胞、组织甚至是器官,用来修复患者体内的坏损的组织器官。
2001年11月25日,美国马萨诸塞州先进细胞技术公司利用克隆技术培育出人类早期胚胎,该公司宣称是为了利用干细胞治疗疾病。
这是治疗性克隆研究中的重大突破,将有望帮助研究人员找到治疗帕金森病(Parkinson disease)、糖尿病和阿尔茨海默病(Alzheimer disease)(老年性痴呆)等疾病的方法。
1999年12月,美国科学家在《美国科学院院刊》(Proceeding of National Academy of Science of the United Stated of America,PNAS)上发表报告说,小鼠肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化”为血液细胞。
随后,世界各国的科学家相继证实,来自于成年动物和人的骨髓、脐带血等组织的成体干细胞,具有跨系甚至是跨胚层分化的能力,可以分化为骨、软骨、肌肉、神经、肝、脂肪等细胞类型。
此外神经干细胞也可以转变为血液细胞,脂肪基质干细胞也可以变成骨或软骨细胞。
由于胚胎干细胞的研究与应用目前面临伦理、法律及免疫排斥等问题,成体干细胞的这种“可塑性”的发现与研究,为干细胞的临床应用开辟了更为广泛的空间。
干细胞研究受到科学家和世人的广泛关注有其必然性,干细胞在生命科学的基础研究和临床应用中起着越来越重要的作用,干细胞在细胞治疗、组织器官修复、药物学等领域有着广阔的应用前景。
3.2干细胞的进化干细胞在生物界中广泛存在。
不仅在高等的哺乳动物中存在干细胞,低等的后生动物也有干细胞,它们对动物的再生及组织更新有重要作用。
至少有几个方面表明干细胞是生物界长期进化的结果。
3.2.1原始的后生动物也存在干细胞最初的后生动物也发现有干细胞。
例如海绵,又叫做“原始祖细胞”(archaeocyte)的多能干细胞。
水螅纲具有多能的间质细胞(interstitial cell, I-cell, I细胞),始终保持着分化成不同细胞的能力,归类为多能细胞。
在整个生命过程中,I细胞源源不断地形成原始生殖细胞、刺细胞、甚至神经细胞,在水螅中能够延续几个世纪。
因此水螅有很强的再生能力,被称为“永生”的水螅。
涡虫纲具有的新母细胞(neoblast)也是一种干细胞。
然而,线虫和节肢动物最后一次蜕皮后,除了原始生殖细胞和可能某些淋巴细胞外,不再出现干细胞,因此线虫几乎没有再生能力。
3.2.2干细胞的功能特性在不同进化阶层的生物有相似体现干细胞的特性之一是不仅能够自我更新,而且还能产生至少一种分化的后代。
单细胞生物虽然仅有一个细胞构成,但是在其生活周期中,细胞也表现出有规律的形态结构和生理功能上的变化,这种变化就是细胞分化。
然而这种变化似乎也可看成单细胞生物在自我更新的同时也在复制其有功能的后代。
当然形成单细胞生物的单个细胞不能叫做干细胞,但是在多细胞生物,也存在既行使特定功能、又有自我更新功能的细胞。