干细胞和发育生物学.docx

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干细胞和发育生物学

干细胞和发育生物学

发育生物学（developmentalbiology）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（systematicsdevelopment）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、发育生物学的历史回顾

古代哲人的发育理念

用科学方法解释发育可以追溯到公元前5世纪的希腊哲人希波克拉底（Hippocrates）（公元前460～337）。

他是位医生，首次对鸡胚进行了发育观察。

依据当时流行的理念，他试图用热、湿和固化的效应来解释发育。

大约一个世纪后，由于希腊圣贤亚里士多德（Aristotle，公元前384～322）的创造性研究，胚胎学获得了高度发展，研究对象涉及脊椎动物和无脊椎动物，并提出了有性生殖和无性生殖及胚胎的各个部分是如何形成的等千载难解的生物学问题。

他认为胚胎发育有2种可能性：

一种是先成论（preformation），即胚胎中的每件东西从一开始就预先形成好了，发育期间只是简单地放大；另一种是后成论，并形象地比喻为织网（knittingofanet）。

先成论与后成论的持久论战

2000多年前亚里士多德提出的两种发育理念对后来的学者产生了深刻影响，直到18世纪，先成论和后成论仍然是科学界争论的焦点。

特别是17世纪和18世纪，虽然科学之风已在西欧兴起，但由于长期以来教会神创思想的影响，学界仍然迷恋于有着神创理念的先成论。

即使是那些已对动物胚胎发育进行过详细观察的学者也是如此，如17世纪伟大的意大利胚胎学家MarcelloMalpighi虽对鸡胚发育进行过精确描述，由他描绘的鸡胚发育图是胚胎学和发育生物学的经典，迄今仍被绝大多数教科书所引用，但他仍然不可能以他自己的观察证据从先成论的理念中解放出来。

有些先成论者甚至认为精子头部包裹着业已形成的胎儿，并绘出了富有幻想的图画，即一个大头的小人，两臂抱膝，蹲在精子里面（图1）。

直到19世纪，由于生物学上有关生命有机体（包括胚胎）都是由细胞组成的这一重大发现，先成论才销声匿迹，绝大多数胚胎学开始趋同后成论的理念，认为亚里士多德关于后成论的推论和论断时正确的。

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。

发育的嵌合型和调整型

胚胎是由一个单细胞的合子经过一系列的分裂和分化产生的。

自从人们认识到这一点之后，就开始探索单细胞合子如何通过分化，产生有机体所有形态和功能不同的细胞。

早在19世纪80年代，Weismann就提出了关于细胞、染色体和基因与胚胎发育关系得理论。

他认为，合子的细胞核含有大量特殊的信息物质——决定子（determinants），在卵裂的过程中这些决定子被平均分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。

细胞的命运实际上是由卵裂时所获得的合子核信息早已预定的。

这一类型的发育我们称之为嵌合型发育（mosaicdevelopment）（图2）。

在嵌合型发育的卵子中遗传信息是分散存在的。

Weismann理论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分布，其卵裂的结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。

胚胎学家Roux（1887）的实验结果也支持Weismann的理论。

Roux用烧热的解剖针破坏两细胞时期蛙胚的一个分裂球，结果存活的另一个分裂球只能发育成为半个胚胎（图3）。

由此他认为蛙的胚胎发育存在嵌合型发育机制，细胞的特征和命运是在卵裂的过程中决定的。

但是Driesch（1891）用海胆重复Roux实验却得到了完全不同的结果。

他在海胆两细胞时期将两个分裂球分开，得到了两个发育正常的、个体较小的海胆幼体。

Driesch的实验结果第一次证明发育过程中存在调整型发育（regulatorydevelopment）机制。

胚胎为保证正常的发育，可以产生胚胎细胞位置的移动和重排。

诱导现象的发现

尽管Driesch（1876～1941）提出的调整型发育机制已经涉及细胞之间的相互作用，但是一直到诱导（induction）现象发现之后，人们才认识到，细胞之间的相互作用是胚胎发育最重要的核心问题。

诱导是指一类组织和另一类组织的相互作用，前者称为诱导者（inductor），后者称为反应组织，诱导者可以指令邻近反应组织的发育。

1924年Spemann和助手Mangold进行了著名的胚孔被唇移植实验。

这个实验将蝾螈（Trituruscristatus）原肠胚早期的胚孔被唇组织移植到另一同期受体胚胎的胚孔侧唇表面，随着受体胚胎发育的进程，大部分移植组织也陷入胚胎内，他们发现到原肠胚后期诱导产生了另一个次生胚。

由于胚孔被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，故被称为组织者（organizer）。

从此，发育中的诱导和细胞之间相互作用的重要性才得到充分的重视。

由于这项重大的发现，spemann（1868～1941）在1935年获得诺贝尔生理学奖或医学奖。

遗传学与胚胎学的结合

1900年是一个转折点。

Correns、Vriesh和Tschermak分别报道了育种实验的结果，重新肯定了Mendel早在1865年提出的遗传规律。

Boveri（1902）对海胆的研究发现，正常的胚胎发育决定于正常的染色体组型，染色体在正常发育中具有重要作用。

之后的研究进一步提出基因型（genotype）与表型（phenotype）的概念。

基因型是有机体从双亲获得的遗传信息所赋有的特性。

有机体在不同发育时期表现出来的形态、结构、生化等特征成为表型。

由基因型控制发育，同时有机体的表型又受到环境因子与基因型的共同影响。

发育实际上可以看作是基因型与表型的结合。

既然发育受遗传信息的控制，那么在发育过程中合子从双亲获得的遗传信息是如何表达的，一个单细胞的合子又是如何发育成为具有功能的有机体的，要回答这些难题，需要将遗传学和胚胎学的研究结合起来。

随着基因编码蛋白质的发现，不少问题迎刃而解。

科学家们开始认识到细胞的性质是由细胞中所包含的蛋白质决定的，而这些蛋白质由基因编码，由此基因在发育中的基本作用被揭示。

基因通过其编码产物——蛋白质的变化控制发育分化中细胞的性质和习性。

也就是说，遗传和发育是个体发生过程的两个方面，两者的关系十分密切。

对于发育性状的研究，既可以从遗传现象出现的角度进行研究，又可以从发育过程进行研究。

发育受遗传程序的控制，遗传特性通过发育展现出来。

所以，没有遗传就没有发育，没有发育也就无所谓遗传。

当今随着分子生物学的发展，发育生物学与遗传学在分子水平上融会贯通起来。

分子生物学与发育生物学的结合

自从Watson和Crick（1953）根据X衍射和化学分析提出的DNA分子的双螺旋模型以后年，DNA作为遗传物质的基础对于人们已不再是个抽象的概念。

特别是60年代Nirenberg对DNA遗传密码的破译，Jacob和Monod（1960）提出并证明蛋白质合成调控机制的操纵子学说等研究成果，使分子生物学迅速发展。

分子生物学与遗传学的结合，使遗传学的一系列难题得到了解答。

人们逐渐认识到遗传信息主要是编码在细胞核内基因组DNA的一级序列，发育受遗传的控制。

为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，人们开始采用分子生物学方法和各种新兴的生物学技术，进行发育机制的研究，在许多学者的共同努力下，目前对于果蝇和线虫发育的分子控制机制已基本阐明。

在深入了解果蝇和线虫发育机制的基础上，利用发育调控基因在进化上的保守性，开展对脊椎动物发育分子机制的深入研究，对于斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、鸡、和文昌鱼等模式动物的研究已取得一系列重大的突破。

由于发育生物学的迅速发展，发育生物学已成为当代生命科学研究的前沿和热点领域之一。

发育生物学与其他生命学科的结合，对于医学和农业的发展正在发挥着越来越重要的作用。

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。

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（图4）。

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。

发育进化生物学

早在19世纪初，比较胚胎学家就发现硬骨鱼类稚鱼期的尾巴和化石中成体鱼类的尾巴很相似，然后随着稚鱼向成体转变，其尾巴也逐渐变成了今天硬骨鱼的样子，当时称之为“变形”，其实是达尔文之前进化的代名词。

达尔文最早意识到胚胎发育对于了解生物进化的重要性，并视胚胎为推测进化关系的可靠线索。

他在《物种起源》中写道：

“胚胎是动物经过较少修饰的状态，在经过较少修饰这一限度内它昭示其祖先的结构”。

不过在19世纪末随着胚胎学家对系统发育兴趣的减弱，这两个学科彼此分离了。

直到分子生物学的诞生，发育中的基因得到深入研究，同源基因在发育中的作用也得到重视，发育生物学与进化生物学在基因水平上再度融合，形成进化发育生物学（EvolutionaryDevelopmentalbiology,Evo-Devo）。

Gerhart与Kirschner（1997）注意到，属于不同门的