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1、生物科技行业类发育生物学的认识总述 四川大学生命科学院 04级生物技术基地班 佟明明 发育生物学的认识 总述发育生物学是一门研究生物变化的科学。胚胎(embryo)是动植物从受精卵发育到成体的必经之途，因而胚胎是介于基因型和表型即遗传基因和成体之间的过渡体。生物学主要研究成体的结构和功能，而发育生物学则对这一过渡阶段更有兴趣。生物发育的主要特点是每一物种都有特定的发育模式(pattern)，并且循规蹈矩，世代重复。因此，发育是物种遗传特性的展现，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。这一过程的复杂程度是难以想象的，它产生了生命机

2、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。发育生物学家探讨的常常是变而非不变的问题，例如，就珠蛋白(globin)基因来说，遗传学家可能想知道该基因如何时代相传，生理学家可能想了解其在体内的功能是什么，而发育生物学家则要探讨它为什么仅仅在红细胞中才表达，并想知道它如何在发育的特定时期被激活。发育生物学试图综合不同层次的生物学。发育生物学是生物学中发展最快且最令人鼓舞人心的领域之一。发育生物学正在形成综合分子生物学，生理学，细胞生物学，遗传学，解剖学，癌症研究，神经生物学，免疫学，生态学，和进化生物学的基本构架。 发育生物学历史发育生物学是当今生命科学的一个重要分支学科， 它是

3、胚胎学的继承和发扬。 伴随着生命科学的发展， 从胚胎学的酝酿到建立， 再到发育生物学的出现经过了一个漫长的历史过程。一 发育生物学的思想渊源用科学方法来解释发育可以追溯到公元前5世纪的希腊人Hippocrates(B.C.460-B.C.377),Aristotle(B.C.384-B.C.322) 观察了鸡，蜜蜂，乌贼的发育，提出了胚胎发育的概念。发育生物学的研究最早是从胚胎学开始的。18世纪曾有两种关于胚胎发生的假说: 预成论(preformation)和渐成论(epigenesis)。预成论又称先成论, 该假说认为生物体是从预先存在于生殖细胞(卵子或精子)中的雏形发展而来的。发育过程中并

4、没有新的结构产生, 只是原本就存在的雏形的机械性扩大。渐成论又称衍生论或后成论, 是1759年由德国胚胎学家沃尔夫(Caspar Friedrich Wolff, 1733-1794年)首先提出的, 该假说认为从受精卵至新生个体的生长和发育是个渐变的过程, 即生物有机体的各种组织和器官是在胚胎发育过程中由原来未分化的物质发展形成的, 在早期胚胎中并没有预先存在的结构(雏形)。二 胚胎学起源和发展19世纪30年代末，德国植物学家施来登(Matthias Jakob Schleiden,1804-1881)和生理学家施旺在前人发现细胞基础上提出细胞学说(cell theory),细胞学说导致了胚胎

5、学的产生，胚胎学创始人以及他们的代表著作和主要的学术贡献是Wolff(1733-1794) 的发生学，肠的形成出版， 开始了对动物胚胎发生的系统研究；1827年, 德裔俄国胚胎学家冯.贝尔(Karl Ernst von Baer, 1792-1876 年)观察到人和各种脊椎动物的早期胚胎极为相似, 提出了胚层的概念， 并指出动物发育的共性；经过对脊椎动物胚胎发育进行长期研究后，于1828年提出了著名的“生物发生律”(biogenetic),阐明了胚胎发育和进化的联系。其要点是：较高一级动物的胚胎并不重现相关的较低一级动物的成体形式；但是，较高一级动物的胚胎发育存在着相关的较低一级动物胚胎相似的

6、阶段。此规律在1842年被德国比较解剖学家穆勒(JohannesMller,1801-1858年)总结为冯.贝尔定律(von Baers laws)。冯.贝尔的研究成果彻底否定了预成论, 并创立了比较胚胎学(comparative embryology)。1859 年, 英国博物学家达尔文(Charles Robert Darwin, 1809-1882年)在On the Origin of Species一书中提出了以自然选择(natural selection)为基础的进化学说(Darwin, 1859), 这标志着科学的生物进化论的诞生。其间, 达尔文提出了生物进化的机制, 他解释动物在

7、形态上的相似是由于它们均来自共同的祖先, 而形态上的差异是在不同环境中受自然选择结果。他受冯.贝尔定律的影响, 指出不同动物早期胚胎的相似性反映了物种起源的共祖性,而后期的相异则是由各种动物所处外界环境的不同所引起的(Gilbert, 2003)。他强调胚胎的相似性可以为不同生物类群的共祖性提供证据, 胚胎发育是探索生物进化的可靠线索。Muller(1863), 对Haeckel(1866)提出生物重演律，引入了从发育现象对生物进化的思考。Whitman对扁蛭卵裂过程进行了观察，建立了发育中的细胞谱系概念，将发育过程与细胞学研究更紧密地联系在一起, Beneden (1883)发现马蛔虫减数分

8、裂，奠定了认识生物有性生殖过程的遗传学基础；Weisman (1892) 的种质论发表，确立了遗传基因组在发育中重要地位，并提到种质延续的思想。19 世纪80-90 年代, 描述胚胎学(descriptive embryology)在解释一些发育现象时遇到了困难。但胚胎学的发展并没有因此而停滞不前, 德国胚胎学家韦尔海姆.鲁克斯(Wilhelm Roux, 1850-1924年)和汉斯.杜里舒(Hans Driesch, 1867-1941年)等人分别将实验手段用于胚胎发育的研究, 由此胚胎学进入了实验胚胎学(experimental embryology)阶段。韦尔海姆.鲁克斯预言: (1)

9、 个体胚胎发育(个体发育)机制的研究将比系统发育(进化)的研究进展得快; (2) 发育与进化最终将会通过个体发育再次将注意力投向系统发育来实现二者的整合(Gilbert, 2003)。他的第一个预言很快得到了验证, 因为从20世纪初开始, 胚胎学家对胚胎是如何发育的就比对胚胎是如何进化的更感兴趣, 所以他们进行了大量有关胚胎发育的实验研究, 而对系统发育的研究则逐渐减弱(Raft, 1996)。虽然, 这大大促进了实验胚胎学的发展, 但也导致了发育研究与进化研究的隔离, 进而使进化发育生物学的发展趋于停滞。因此, 韦尔海姆.鲁克斯的第二个预言用了将近一个世纪才得以证实。三 遗传学和发育生物学相

10、伴而来 从20世纪初开始，胚胎学家对胚胎如何发育比对胚胎如何进化更感兴趣，因而对胚胎发育本身进行了大量实验研究。随后，在细胞学，遗传学，分子生物学发展的推动下，胚胎学开始向发育生物学转化，主要来自于以下的成就和进展： 1900年, 被“埋没”了35年之久的孟德尔(Johann Gregor Mendel, 1822-1884年)遗传定律, 由荷兰的植物学家德弗里斯(Hugo de Vries, 1848-1935年)、德国植物学家柯灵斯(Carl Erich Correns, 1864-1933年)、奥地利植物学家丘歇马克(Erich von Tschermak, 1871-1962 年)各自

11、重新发现。孟德尔遗传定律的再度问世, 标志着遗传学的诞生。E.B.Wilson(1856-1939)以果蝇为材料，将染色体行为与发育联系起来，并开始了性别决定的研究；T.H.Morgan(1866-1945)对果蝇遗传学做出了重要的贡献，奠定了果蝇发育研究的遗传学和分子生物学基础； 1915年, 美国遗传学家摩尔根(Thomas Hunt Morgan, 1866-1945年)出版了The Mechanism of Mendelian Heredity一书,提出了基因在染色体上线性排列的理论, 而后又在1926年发表了名著The Theory of the Gene, 提出基因学说,进而使遗传

12、学与胚胎学正式分离开来(Gilbert, 1988)。此外, 正是摩尔根对果蝇Drosophila melanogaster 的研究, 开创了遗传学研究的模式系统, 并使该学科迅速发展起来。F.Lillie(1930)开展了对海洋生物受精与生殖内分泌的研究，将对发育现象的研究进一步推到了分子生物学的水平：1953年, 沃森(James Watson, 1928 年)和克里克(Francis Crick, 1916-2004年)提出了DNA的双螺旋结构模型, 使生物学进入了一个新的时代分子生物学时代。由此，遗传学和对基因真相的认识坚定地联系在一起，生物学家们才普遍认识到遗传，发育和进化的共同基础

13、是基因。 一个有机体的发生，从简单到复杂，从单细胞到功能的多样的多细胞，里面隐含着及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。随着分子遗传学和发育生物学的发展，人们已普遍认识到一个个体所有类型的细胞都有一个相同的基因组，细胞之所以分化成各种不同类型，则是各个基因在时间和空间上选择性表达的结果。细胞按照一定形式形成组织和器官，也是许多基因通过一系列反应协同作用的结果。因此，发育是从基因型实现表型的过程，是基因组内的基因选择性表达的结果。 发育生物学与遗传学不但相伴而来，而且相伴而兴。12发育生物学现状目前，发育生物学作为生命科学的一个重要分支学科正处在迅速发

14、展的阶段，它的特点是：1).广泛吸收和容纳各方面的生物学知识，推动自身也同时促进其他生物学分支学科的发展；2). 当今生命科学研究的许多热点和生长点来自于发育生物学或者与其有着密切的关系；3). 发育生物学强烈地表现出对生命现象进行完整，动态，历史地研究的特点，提出了许多极富启发性的课题；4).作为一个生命科学的分支学科，与其他分支学科比较，应该说目前它自身还很不完整，还没有形成一个为人普遍接受的学科框架。基于以上特点，分别对不同领域现状进行讨论一.发育机制的进化1999年, 整合与比较生物学学会(The Society for Integrative and Comparative Biol

15、ogy, SICB)正式确定进化发育生物学成为一个独立的学科领域(Goodman and Coughlin, 2000)。生物在时间上有两种改变: 单个生物体的一生(个体发育)和生物谱系的进化历史(系统发育)。进化发育生物学的关键点在于其认为第一类改变可为第二类改变提供重要的启示。新性状的进化大多源于新的遗传突变的获得与固定(Irish, 2002)。此外, 基因重复也可为新性状的产生提供可能。通过基因重复( gene duplication)产生的新的位点可能有不同的命运: (1) 新功能化(neofunctionalization), 即获得不同于祖先基因的新的功能(function-ga

16、in); (2) 亚功能化(subfunctionalization),即与原有的祖先基因的功能部分冗余(partial redundancy); (3) 假基因化(pseudogenization),即失去基因功能, 成为假基因(pseudogenes)(Moore and Purugganan, 2005)。对于生物体而言, 发育调控基因(developmental regulatory genes)可能是形态进化过程中的关键起始点,理解发育调控基因的系统发育对理解动植物形态的进化十分有益。进化发育生物学的主要目的是对生物进化过程中的关键创新(key innovation)性状和相关发育调

17、控基因的进化进行研究, 了解进化过程中新性状产生的发育和遗传背景, 分析主要相关基因的进化与发育途径改变、表型进化之间的关系。个体发育将发育生物学与进化生物学更紧密联系起来，个体发育不但是对胚胎发育机制选择的产物，而且是特定物种进化历史的产物。各门动物都具有区别于其他动物的特有的解剖学特征，这些特有的解剖学结构内在的排列称为形态模式（body plan）。脊椎动物，节支动物都有明显独特的形态模式。各门动物特有的形态模式的产生是由在长期进化过程中发生的形态变化积累形成的，或者说个体发育过程蕴含着系统发育过程中长期积累形成的形态变化。要理解发育和进化之间的关系需要将传统上分开的两个学科-发育生物学

18、和进化生物学综合起来。过去几年中，在基因概念具体化-双螺旋结构和X射线染射技术的基础上，基因克隆和序列测序资料不断增加，使得在发育中起重要作用的基因逐渐得到深入研究。不同的基因序列不但可以从进化角度比较，从而找出同源基因，而且可以研究同源基因在发育中的作用。这样以来，发育生物学和进化生物学在彼此分离将近一个世纪之后又在基因水平上再度汇合起来，形成了进化发育生物学（evolutionary developmental biology）这门新学科。今天，发育生物学家不能忽视进化问题，进化生物学家也必须理解并将发育系统的内在规律纳入到进化伦理之中。二 干细胞的发展和热门 干细胞定义 早在20世纪50

19、年代,科学家们就开始了对干细胞( stem cell, SC)的研究。干细胞是一类具有自我更新( self-renewing)并可分化形成一种以上类型的多潜能细胞,根据其来源及分化潜能的不同分为:全能干细胞。如胚胎干细胞( embryonic stem cell, ES) ,具有向机体各类细胞分化的潜能; 多能干细胞。如成体干细胞( adult stem cell, ASC) ,能分化成除了胚胎外的任何一种细胞; 单能干细胞。如造血干细胞,能分化为特定功能的细胞和特定组织的干细胞 3 。（一）肿瘤干细胞干细胞的增殖具有相对稳定性,其数目保持相对恒定,而肿瘤细胞群体虽可以无限增殖,但却失去了自稳

20、定性的特点。其机制可能是由于基因突变或基因表达异常或干细胞所处的微环境异常导致干细胞增殖分化机制失调造成的。而肿瘤干细胞是存在于肿瘤中的一小部分干细胞性质的细胞群体,它具有自我更新的能力,是形成不同分化程度的肿瘤细胞和肿瘤不断扩大的源泉。肿瘤细胞异质性的现象只有用肿瘤干细胞的理论才能解释,即肿瘤干细胞在不同选择压力下,向不同功能方向分化、成熟,造成肿瘤细胞的群体漂移,从而形成异质性。因此,肿瘤干细胞是肿瘤的根源,消灭了肿瘤干细胞就意味着消灭了肿瘤。肿瘤干细胞的存在 随着各种肿瘤干细胞的成功分离和提取,有利地证明了肿瘤干细胞的存在。如，白血病干细胞，实体瘤干细胞-脑瘤干细胞，人类乳腺肿瘤干细胞，

21、人类肺癌干细胞，卵巢癌干细胞，消化系统肿瘤干细胞等。肿瘤干细胞的可能形成机制1).由正常干细胞转化而来肿瘤干细胞与正常干细胞之间的许多相似点提示,肿瘤干细胞很可能由正常干细胞直接转化而来。正常干细胞有被激活的自我更新机制,且干细胞存活时间较长,而不像终末分化细胞,经过一个比较短的时间后走向死亡 4 ,这就使得干细胞在细胞复制时出错率远远大于终末分化细胞。突变就在干细胞中积累,再加上外部环境刺激使正常干细胞恶化,所以目前最新研究认为肿瘤起源于恶性干细胞。 研究表明,在逆转录病毒作用下,正常造血干细胞会因为MLL2ENL 基因的变异,突变为恶性干细胞,引发白血病。在已明确有干细胞存在的皮肤、胰腺和

22、结肠等组织中,都可能存在由各自干细胞经突变转化而来的肿瘤干细胞。2).由非干细胞转化而来，,某些分化细胞也可能在癌变之前重新获得自我更新能力,突变为肿瘤干细胞。干细胞和肿瘤干细胞的关系1).干细胞和肿瘤细胞的相似点5 。(1) 干细胞和肿瘤细胞都具有自我更新和分裂增殖的能力。 (2) 一些相似的信号通路参与干细胞和肿瘤细胞的自我更新。如2cate2nin 是一种调节细胞间相互作用的蛋白分子,在Wnt 信号通路中起中心作用。在一些上皮组织的干细胞中,2catenin 和转录因子Tcf表达很高,去除2catenin 和Tcf 可以导致上皮组织中干细胞数量锐减。在一些上皮来源的肿瘤如结肠直肠癌、肝癌

23、等细胞中,常因为2catenin 在细胞内积聚而促进细胞异常增生和转化。另外,Notch、Sonic、hedgehog 和Bmi21 的信号对于促进造血干细胞的自我更新功能和保持其多方向分化潜能具有重要作用,它们也参与肿瘤的发生。P53 在干细胞中一般不表达,在许多肿瘤细胞中变异失活或不表达。 (3) 干细胞和肿瘤细胞都具有端粒酶活性端粒酶是含有一段模板的逆转录酶,研究发现,干细胞和大多数恶性肿瘤细胞中都有很高的端粒酶活性以及扩增的端粒重复序列,而人类终末分化的体细胞不具有或具有极低的端粒酶活性。（4）二者都表达高水平的ATP结合元件，有较高的药物和毒物的抵抗性。 研究肿瘤干细胞的意义1） 随

24、着各种实体瘤干细胞的成功分离和提取,有利地证明了肿瘤干细胞的存在。这一新概念的提出必将为肿瘤研究及治疗带来革命性变化,并给肿瘤患者带来曙光。其意义在于将正常干细胞与肿瘤干细胞对比进行研究,找出更多的相似点,真正弄清肿瘤发生、发展的机制; 了解肿瘤干细胞的特性及分布、数量,可为肿瘤治疗提出新的思路与方法,如通过寻找肿瘤干细胞特殊标记,可以更早检查出肿瘤的发生,为治疗赢得宝贵的时间,以及调节放疗时间与化疗药物剂量,减少患者的痛苦; 2） 找到更多肿瘤干细胞的标记物,利用“生物导弹”技术准确杀死靶位点的肿瘤干细胞,还可研发针对肿瘤的特异疫苗;3） 了解Notch和Wnt信号途径有助于选择抗肿瘤药物的

25、靶点,为抗肿瘤药物研究开辟新的领域;4） 了解肿瘤干细胞的耐药机制,有助于肿瘤治疗方法的改进。肿瘤干细胞具有无限增殖能力,且具有正常干细胞的一些耐药机制,如BCL22家族蛋白表达增多及多药耐药等。因此,肿瘤干细胞对化疗相对耐药,对放疗不敏感,这就使遗留足够数量的肿瘤干细胞导致肿瘤复发和转移成为可能。所以肿瘤研究应加强针对这些肿瘤干细胞的研究方法和策略。5） 肿瘤干细胞与普通细胞在基因表达上也可能有不同,应用微序列分析寻找差异,根据这些差异可以鉴别显微镜下不能区分的肿瘤类型,从而检测出不同类别细胞对治疗的敏感性,指导用药。肿瘤干细胞存在的问题如干细胞转化为肿瘤干细胞的具体机制以及各种肿瘤组织中肿

26、瘤干细胞的特异性标志物等。进入临床最大障碍是干细胞跨系统分化率低下，如何提高转化是目前要解决的问题。肿瘤干细胞学说的深入研究,首先要分离和鉴定肿瘤干细胞。它是否在各种肿瘤组织中均存在,是否是肿瘤发生的普遍机制,是否由正常干细胞突变而来,其基因表达上的差异又如何,均是迫切需要解决的问题。目前由于缺乏特异干细胞标记物及有效示踪方法,肿瘤干细胞的生物学特征仍难以具体描述。学者们的观点也只是基于实验现象的分析和理论的推测。展望总之,对肿瘤干细胞的研究已成为当前肿瘤研究的热点。随着对肿瘤干细胞研究的不断深入,可以解释很多肿瘤的生物学特性,如异质性、肿瘤的演进、转移和抗药性等,发现新的诊断手段,提供更确切

27、的预后指标及治疗靶向,并且将肿瘤细胞信号传导、细胞之间分子比较、肿瘤发生途径、基因表达和药物研发等方面的研究重心都转移到对肿瘤干细胞的研究上来。相信通过不懈努力,人类必将攻克癌症这一难题,为肿瘤患者带来希望。（二） 干细胞与个体发育 在哺乳动物个体发育的不同阶段，包括胚胎，幼年和成年个体的各个发育时期，都存在着发育潜能参差不同的干细胞。干细胞最终演变为独特结构和功能的体细胞或成熟生殖细胞，这过程既是所谓细胞分化。干细胞在胚胎和成体组织内部的活动，包括干细胞基本特征的分子机制和调节控制，胚胎细胞的迁移活动，时空程序与相邻胚胎细胞的相互作用，对细胞增殖和分化的关系等，虽已有所了解，但由于技术上的原

28、因，直接证据还很少，因此，干细胞增殖和分化问题仍是今天发育生物学研究的主题内容之一。 但是，必须指出，人胚胎干细胞(embryonic stem cells, 简称ES细胞)和胚胎生殖细胞(embryonic germ cells, 简称EG细胞)的建系及其研究和应用在某些方面涉及社会和伦理道德等诸多问题，应当引起足够的注意和重视。 但近来认识到，ES细胞本身缺乏胚外组织，不可能产生完整的胚胎。因此，许多国家在法律上禁止以克隆或复制人为目的的前提下，已允许将人ES细胞类似于小鼠ES细胞的体外实验那样用于研究人类胚胎在体内所不能分析的发育，分化和调节信号等事件。这无疑将丰富，充实和完善人们对人类

29、早期发育或畸胎发生等认识。三动物发育的调控（一）内在调控-DNA甲基化 一般认为胚胎的发育过程是多种因素共同作用的结果，其中DNA甲基化起重要作用。正常情况下，哺乳动物的甲基化模式在生殖细胞发育期或早期胚胎形成时就已建立，而在成体细胞保持不变。有关DNA甲基化的研究已成为当前胚胎发育学研究的热点。 虽然DNA 甲基化在肿瘤发病机制中的研究已经取得了显著的成绩, 但在胚胎生长和发育中的机制及作用研究的还不是很清楚。分子生物学等技术的发展尤其是荧光实时定量PCR,Methylight 方法及基因芯片的应用, 将拓宽对甲基化在胚胎发育中作用的认识, 发现更多基因的甲基化在生长发育中的作用, 解释一些

30、遗传性疾病或受外因影响而导致胎儿发育异常的发病机理及对其进行基因诊断, 为产前诊断提供简单快速而准确的研究方向。6（二）动物发育的环境调控 虽然胚胎发育所需的全部信息都在于受精卵内，但很多时候，环境在有机体表型决定中起着关键作用。19世纪90年代，Roux认为胚胎发育取决于胚胎内部因素特别是核内因子，并努力试图将实验胚胎学与生理学结合在一起。此后，实验胚胎学便主要集中于研究受精卵内部促使胚胎发育的“力量”。这已经成为并且仍将成为发育生物学研究总体指导思想。然而，进入21世纪，人们出于对生物多样性减少和环境污染的重视，对胚胎发育的环境调控问题再度关注起来。目前，对适应性的多数研究都与动物结构在危

31、险或敌对环境中如何相应地发生改变，并发挥作用，使之生存下去有关。然而，动物胚胎早在成体适应环境之前，就必须在同样危险或敌对的栖息地生存。因而不同的生存环境，动物胚胎进化各种生存策略。四经典而重要的热点问题（一）性别决定基因鉴定及性染色体进化至今，对性别决定机制的研究已经形成了由遗传学，发育生物学，分子生物学及进化等多学科交叉的前沿研究领域。性别发育是一个多基因调控的复杂的分发事件，是对两套可轮换的遗传程序之一的精确决定和执行，而其分子机制及其多样性使得性别决定机制的研究成为有关胚胎发育过程中分子调节开关如何起作用的一个丰富的信息源泉。 发育生物学家的目标是追溯出性别决定和分化的基因通路，并以性

32、别决定机制作为一种模式去理解发育的各个过程。由于线虫和果蝇决定性别分化的基因完全不同，哺乳动物有具有不相关的第三套基因，这使得研究人员还无法应用从简单生物中所获得的信息来指导对高等生物的研究。因此，脊椎动物性别决定基因及其作用机制的研究主要依赖于本身的研究系统。（二）老化与寿命近来，在果蝇，线虫，酵母，小鼠等模式生物获得了单基因突变导致的长寿个体，表明老化和寿命又受到基因的调空，而且有关老化的分子研究也提出了许多控制老化的分子遗传途径。随着分子生物学在老化研究的深入，像大多数的生物过程一样，老化过程受到遗传调空的观点正逐渐被广泛的接受。但是研究也清楚表明，除了遗传因素，环境和其他因素如生活习惯等也对生物个体的老化和寿命异质性有重要影响。因此老化是一个很复杂的过程，还需要做许多基础的研究来阐明老化产生的一系列基本问题。目前。没有一种理论能够很完善地解释老化或者寿命的机制，而且互相矛盾，然而这正是老化和寿命在近几十年成为热点的原因之一。由于它的研究成果可直接影响到人类自身的健康和生活质量，因此对老化的研究无疑也将要继续进行下去。（三）肥胖肥胖发病率的迅速增加及其对人类的巨大危害使其已成为公共健康问题，受到全球的广泛关注。