《發(fā)育與遺傳》PPT課件.ppt

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1、11.遺傳與發(fā)育,11.1 真核生物體細(xì)胞的全能性 11.2 細(xì)胞命運(yùn)定向是發(fā)育的基本模式 11.3 線蟲的發(fā)育模式 11.4 胚胎發(fā)育的遺傳控制,11.遺傳與發(fā)育,一、教學(xué)基本要求 1了解發(fā)育遺傳學(xué)的研究?jī)?nèi)容、方法及特點(diǎn)；了解J.Gurdon的爪蟾核移植實(shí)驗(yàn)及I.Wilmut的克隆羊?qū)嶒?yàn)及其意義；了解控制果蠅胚胎發(fā)育的三類基因及其作用；了解人胚胎發(fā)育的主要階段及特征；了解人工輔助生殖技術(shù)的基本原理。 2. 熟悉細(xì)胞定向的三種途徑；熟悉線蟲和果蠅的發(fā)育模式；熟悉三類干細(xì)胞的主要區(qū)別；理解細(xì)胞核去分化及再分化的定義。 3. 掌握發(fā)育、細(xì)胞分化、細(xì)胞定向、全能性、多能性等名詞概念。,從生物學(xué)角度來

2、說，發(fā)育是生物的細(xì)胞分裂、分化、形態(tài)建成、生長(zhǎng)繁殖的一系列過程。 從遺傳學(xué)角度來說，發(fā)育是基因按照特定的時(shí)間，空間程序表達(dá)的過程。研究基因?qū)Πl(fā)育的調(diào)控作用的學(xué)科就是發(fā)育遺傳學(xué)（Developmental Genetics) 。,什么是發(fā)育？,發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn),發(fā)育是生物的共同屬性 發(fā)育貫穿于每個(gè)生物體的整個(gè)生活史。對(duì)有性生殖生物而言，則是從受精卵開始到個(gè)體正常死亡。其中早期胚胎發(fā)育過程包括受精、卵裂和胚層分化,是發(fā)育的關(guān)鍵階段, 如哺乳類的早期發(fā)育過程。,發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn),發(fā)育是基因型與環(huán)境因子的相互作用 從遺傳控制發(fā)育的圖式（pattern）看，發(fā)育就是基因按嚴(yán)格的時(shí)間和空間順序表達(dá)

3、的結(jié)果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)表型的過程。,發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn),發(fā)育調(diào)控基因具有保守性 無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物，如線蟲、果蠅和人類的發(fā)育途徑基本相同，控制發(fā)育的基因在進(jìn)化上是保守的，在結(jié)構(gòu)和功能上有很高的同源性。,發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn),發(fā)育中基因之間的作用 生物發(fā)育過程中的基因與基因的相互作用執(zhí)行了對(duì)發(fā)育進(jìn)程的調(diào)控。,Ectopic eyes occurred at the base of the antennae, wings and multiple spots on the legs.,The activated genes in these cells were tran

4、splanted from humans! The HUMAN genes for eye formation caused this eye to form on the flys knee!,發(fā)育遺傳學(xué)研究的意義,Thats a human ear!,發(fā)育遺傳學(xué)研究的應(yīng)用,11.1 真核生物體細(xì)胞的全能性,細(xì)胞的全能性生物體的每個(gè)細(xì)胞都具有能重復(fù)個(gè)體的全部發(fā)育階段和產(chǎn)生所有細(xì)胞類型的能力。 植物細(xì)胞的全能性大于動(dòng)物細(xì)胞。,一. 植物細(xì)胞的全能性,植物的細(xì)胞培養(yǎng): 用胡蘿卜的根尖細(xì)胞可培養(yǎng)出一株完整的胡蘿卜 植物細(xì)胞全能性的利用,1950年Robert Briggs和Thomas King建

5、立一種兩棲動(dòng)物的核移植技術(shù)。他們還發(fā)現(xiàn)從蛙的囊胚（blastula）細(xì)胞中分離的核保持著全能性。 John Gurdon（1958）用非洲爪蟾（Xenopus laevis）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了完全不同的結(jié)果。,二. 兩棲動(dòng)物的核移植,(a) A genetic marker first used for Xenopus nuclear transfer experiments. Embryos heterozygous for the complete loss of one set of ribosomal genes have a single nucleolus in their nucle

6、i (left), in contrast to wild-type nuclei (right), which usually have two nucleoli per nucleus representing both nucleolus organizer regions. (b) The first sexually mature adult vertebrate produced by nuclear transplantation. This female frog derived from the transplanted nucleus of a neurula endode

7、rm cell and carried the genetic marker shown in a. From Gurdon et al. (1958).,From Nuclear Transfer to Nuclear Reprogramming: The Reversal of Cell Differentiation http:/cellbio.annualreviews.org,1996年英國(guó)蘇格蘭愛丁堡羅斯林研究所(Roslin Institute)的 Wilmut, I利用綿羊的乳腺細(xì)胞的細(xì)胞核成功地克隆了一只小羊“多利(Dolly)”。,北京時(shí)間10月8日下午5點(diǎn)30分，2012

8、年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉，英國(guó)科學(xué)家約翰戈登（John B. Gurdon）和日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka）獲獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由為“發(fā)現(xiàn)成熟細(xì)胞可被重編程變?yōu)槎嗄苄浴薄?John B. Gurdon，1933年出生于英國(guó)的Dippenhall。1960年他從牛津大學(xué)獲得博士學(xué)位，曾在加州理工學(xué)院做博士后。他于1972年加入劍橋大學(xué)，成為細(xì)胞生物學(xué)教授。目前他供職于劍橋Gurdon研究所。 Shinya Yamanaka，1962年出生于日本大阪。1987年他從神戶大學(xué)獲得MD。在轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研究之前，他曾受訓(xùn)為整形外科醫(yī)生。1993年他從大阪市立大學(xué)獲得博士學(xué)位，之后他曾供職于美

9、國(guó)舊金山Gladstone研究所和日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)。目前他于日本京都大學(xué)擔(dān)任教授。 http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/press.html ,今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給兩位發(fā)現(xiàn)“成熟、特化的細(xì)胞能夠被重編程為可發(fā)育成身體組織的非成熟細(xì)胞”的科學(xué)家。他們的發(fā)現(xiàn)革新了我們對(duì)細(xì)胞和有機(jī)生命體發(fā)育的理解。 1962年，約翰戈登發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的特化（specialisation）是可逆轉(zhuǎn)的。在一項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，他將一個(gè)青蛙卵細(xì)胞的細(xì)胞核替換為成熟腸細(xì)胞的細(xì)胞核。這個(gè)改變了的卵細(xì)胞發(fā)育成為一只正常的蝌蚪。該

10、成熟細(xì)胞的DNA仍含有發(fā)育成青蛙所需的全部信息。 40多年后，山中伸彌在2006年發(fā)現(xiàn)了小鼠的完整成熟細(xì)胞是如何能夠被重編程為非成熟干細(xì)胞。令人驚訝的是，通過導(dǎo)入僅僅少量的基因，就可以將成熟細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞，即可發(fā)育成為身體各種組織的非成熟細(xì)胞。 這兩項(xiàng)突破性的發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對(duì)于發(fā)育和細(xì)胞特化的看法?，F(xiàn)在，我們知道成熟細(xì)胞并不需要永遠(yuǎn)局限在它的特化功能里。歷史被改寫，新的研究領(lǐng)域產(chǎn)生。通過重編程人體細(xì)胞，疾病研究的新機(jī)遇獲得實(shí)現(xiàn)，診斷與治療的新方法獲得發(fā)展。,生命一次不斷特化的旅程 我們所有人都是由受精卵細(xì)胞發(fā)育而來。在受精后的第一天里，這些組成胚胎的非成熟細(xì)胞，每一個(gè)都具有發(fā)育成成

11、熟生命體中各種細(xì)胞類型的能力，這一類細(xì)胞被稱為多能干細(xì)胞。隨著胚胎的進(jìn)一步發(fā)育，這些細(xì)胞發(fā)育成神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、肝臟細(xì)胞以及其他各類細(xì)胞每一種細(xì)胞都肩負(fù)起成熟身體內(nèi)的一項(xiàng)特定使命。之前，這趟從非成熟細(xì)胞到特化細(xì)胞的旅程被認(rèn)為是單一方向的。人們?cè)詾?，?xì)胞在成熟過程中是以這樣的方式發(fā)生著改變，不可能回到非成熟、多能的階段。,青蛙的逆發(fā)育 特化細(xì)胞功能的不可逆轉(zhuǎn)一度被當(dāng)成是教條，約翰戈登向它發(fā)出挑戰(zhàn)。他曾假設(shè)，細(xì)胞的基因組或許仍然含有其發(fā)育成生命體各種類型的細(xì)胞的所需要的全部信息。1962年，為了驗(yàn)證他的這種假設(shè)，他用蝌蚪腸道的成熟特化細(xì)胞的細(xì)胞核替換掉青蛙卵細(xì)胞的細(xì)胞核。該卵細(xì)胞發(fā)育成一只功能

12、完全的克隆蝌蚪并最終長(zhǎng)成如同實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)出的成體青蛙。成熟細(xì)胞的細(xì)胞核并未丟失功能完全的生命體發(fā)育所需的能力。 戈登這次里程碑式的發(fā)現(xiàn)一開始是受到質(zhì)疑的，但經(jīng)過其他科學(xué)家的確認(rèn)，人們接受了他的發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)引起研究熱潮，相關(guān)技術(shù)獲得進(jìn)一步發(fā)展，最終發(fā)展到哺乳動(dòng)物的克隆。戈登的研究告訴我們，一個(gè)成熟特化細(xì)胞的細(xì)胞核是可以被逆轉(zhuǎn)到非成熟、多能化的狀態(tài)。但是他的實(shí)驗(yàn)是將一些細(xì)胞的細(xì)胞核抽出，然后引入另外一些細(xì)胞的細(xì)胞核。有沒有可能讓一個(gè)完整的細(xì)胞回退到多能干細(xì)胞呢？,往返旅程成熟細(xì)胞返回干細(xì)胞狀態(tài) 在戈登的發(fā)現(xiàn)40余年后，山中伸彌在一項(xiàng)突破性的研究中回答了這個(gè)問題。他的研究有關(guān)胚胎干細(xì)胞，分離自胚胎并在

13、實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。這些干細(xì)胞最初是由Martin Evans（2007年諾獎(jiǎng)得主）從小鼠身上分離得到。山中伸彌試圖發(fā)現(xiàn)保持它們未成熟的基因。當(dāng)幾個(gè)這樣的基因被鑒別出來后，他進(jìn)行了測(cè)試，以確定它們是否能夠重編程成熟細(xì)胞變成多能干細(xì)胞。 山中伸彌與合作者用不同的組合方式向成熟細(xì)胞中引入了這些基因，這些成熟細(xì)胞來自于結(jié)締組織和纖維原細(xì)胞。他們?cè)陲@微鏡下檢測(cè)了結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)其中的一個(gè)組合起作用，而其“處方”是驚人的簡(jiǎn)單。通過同時(shí)引入四個(gè)基因，他們可以重編程纖維原細(xì)胞變成未成熟干細(xì)胞！ 由此得到的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）能夠發(fā)育成多種成熟細(xì)胞，例如纖維原細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞以及腸細(xì)胞等。完整、

14、成熟的細(xì)胞可被重編程成多能干細(xì)胞這一發(fā)現(xiàn)在2006年一經(jīng)發(fā)表，立即被認(rèn)為是一個(gè)重大的突破。,從驚人發(fā)現(xiàn)到醫(yī)學(xué)應(yīng)用 戈登和山中伸彌的發(fā)現(xiàn)顯示，在某種情況下，特化的細(xì)胞能夠回?fù)馨l(fā)育的時(shí)鐘。雖然它們的基因組在發(fā)育中經(jīng)受了修改，但這些修改并不是不可逆的。我們就此獲得了對(duì)于細(xì)胞和有機(jī)體發(fā)育的一種新觀點(diǎn)。 近年的研究顯示，iPS細(xì)胞能夠生成機(jī)體所有不同種類的細(xì)胞。這些發(fā)現(xiàn)也為全球科學(xué)家提供了新工具，使得他們?cè)卺t(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域做出了非凡的成就。iPS細(xì)胞也能從人體細(xì)胞中獲得。 例如，可從罹患各種疾病的病人身上獲得皮膚細(xì)胞，進(jìn)行重編程，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)以確定它們與健康人體細(xì)胞的不同。這些細(xì)胞對(duì)于理解疾病機(jī)制提

15、供了無價(jià)的工具，從而為開發(fā)醫(yī)學(xué)療法提供了新機(jī)會(huì)。,三、克隆羊的誕生,1996年7月Ian Wilmut克隆一頭名叫“ Dolly /多利”的小綿羊 用一頭母羊乳腺的細(xì)胞核移植到另一頭母羊的去核卵細(xì)胞中，經(jīng)體外培養(yǎng)后，再移植到假孕母羊的子宮內(nèi)發(fā)育而成。實(shí)驗(yàn)一共移植了247/277（？）個(gè)卵，多利是其中唯一成功的一頭,可見難度是很大的。 1.低血清培養(yǎng)（血清濃度由100%降低到0.5%) 2.綿羊受精卵在第四次卵裂前核基因仍不表達(dá)。,這是世界上第一例成年山羊體細(xì)胞克隆出的“元元”，但由于肺部發(fā)育缺陷，它只存活了36小時(shí)零3分鐘，就因呼吸衰竭而死亡。,這是在日本誕生的克隆牛，是繼“多利”羊后，科學(xué)家

16、利用成年動(dòng)物體細(xì)胞成功克隆的又一動(dòng)物。,世界上第一只克隆猴“泰特拉”在 美國(guó)俄勒岡靈長(zhǎng)類動(dòng)物中心誕生,2002年2月21日nature報(bào)道美國(guó)得克薩斯農(nóng)業(yè)和機(jī)械大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的馬克韋斯特霍欣等成功地克隆出了小貓“茜茜”,茜茜的供體,茜茜和她的 代孕媽媽,茜茜,克隆羊的成功有著極重要的意義：,（1）在理論上充分證明了高等哺乳動(dòng)物的細(xì)胞核有著全能性，發(fā)育是可逆的，從而結(jié)束了幾十年來的爭(zhēng)論； （2）建立了高等哺乳動(dòng)物體細(xì)胞克隆的方法，為搶救頻臨滅絕的珍稀動(dòng)物和大量繁殖優(yōu)良品種奠定了基礎(chǔ)； （3）引發(fā)了人們對(duì)克隆人這一敏感問題的廣泛注意；,11.2 細(xì)胞定向是發(fā)育的基本過程,個(gè)體發(fā)育的生物學(xué)意義： 細(xì)胞

17、分化的多樣性 細(xì)胞分化（細(xì)胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理機(jī)能和生化特性上發(fā)生穩(wěn)定差異的過程）、 形態(tài)建成、 生長(zhǎng) 生命的延續(xù)性 性別分化、 繁殖 個(gè)體發(fā)育中細(xì)胞分化的過程也是細(xì)胞定向的過程,細(xì)胞定向從多能干細(xì)胞單能干細(xì)胞 分化終末細(xì)胞的過程 細(xì)胞定向過程是細(xì)胞分化潛能逐漸喪失/降低(?)的過程 ?,分化終末細(xì)胞,胚胎干細(xì)胞（全能干細(xì)胞） 多能干細(xì)胞 單能干細(xì)胞 分化終末細(xì)胞,2008年8月20日，美國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室培育出人體無核紅細(xì)胞，這意味著人類在人造血液的進(jìn)程上又邁出非常重要的一步。在不久的將來，獻(xiàn)血將成為歷史。 普通人平均每200毫升血液中有2萬億個(gè)紅細(xì)胞。紅細(xì)胞的功能是運(yùn)輸氧、二氧化碳、電解質(zhì)

18、、葡萄糖以及氨基酸這些人體新陳代謝所必須的物質(zhì)。因此，若要制成人造血液，科學(xué)家首先必須大批量培養(yǎng)出紅細(xì)胞。,世界首例人造無核紅細(xì)胞誕生 獻(xiàn)血將成歷史,主持這項(xiàng)研究的羅伯特蘭薩教授和同事首先從人體干細(xì)胞中提取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和合成紅細(xì)胞所必須的物質(zhì)，再將干細(xì)胞培養(yǎng)成血管原細(xì)胞(haemangioblasts，血管原細(xì)胞是紅細(xì)胞的前體細(xì)胞)，最后培育成成熟紅細(xì)胞。 雖然在此之前已有科學(xué)家制造出紅細(xì)胞，但是在很多關(guān)鍵問題上都沒有取得突破，比如無法傳遞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，或者無法完成新陳代謝。但蘭薩教授在這些關(guān)鍵點(diǎn)上都取得了重大突破。結(jié)果證明，他們培育造出的紅細(xì)胞與人體內(nèi)的紅細(xì)胞一樣，都能有效傳遞氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。最重要

19、的是，這種人造紅細(xì)胞是無核的。成熟的紅細(xì)胞必須是無核、紅色的，呈雙凹圓盤形，這種形態(tài)特點(diǎn)的生理意義在于，紅細(xì)胞具有較強(qiáng)的可塑性，能通過管徑微小的毛細(xì)血管和血竇。另一方面，雙凹盤形結(jié)構(gòu)使細(xì)胞表面積增大，擴(kuò)大與血漿之間的交換面積，提高氣體交換效率。,世界首例人造無核紅細(xì)胞誕生 獻(xiàn)血將成歷史,干細(xì)胞(Stem cell),定義 特點(diǎn) 分類 全能干細(xì)胞 多能干細(xì)胞 專能干細(xì)胞,干細(xì)胞（stem cell）,干細(xì)胞：能不斷增殖更新自身，具有分化能力的細(xì)胞。 全能干細(xì)胞（totipotent）:能夠分化產(chǎn)生各種細(xì)胞直至個(gè)體的細(xì)胞，例如胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell）。 多能干細(xì)胞（pl

20、uripotent stem cell）:具有多種分化能力的細(xì)胞。例如不同胚層的特異性細(xì)胞可以分化形成特定的組織和器官。 多效干細(xì)胞（multipotent stem cell）：具有專一分化能力的細(xì)胞。例如骨髓中的造血干細(xì)胞,干細(xì)胞自我更新的方式,不均一分裂，多見于單細(xì)胞生物和無脊椎動(dòng)物 總體不均一，多見于哺乳動(dòng)物 不管是哪一種方式都受到多種反饋調(diào)節(jié)和細(xì)胞間相互作用的調(diào)節(jié),1998年11月，美國(guó)Wisconsin-Medison University的James.A.Thomson從人類胚胎的囊胚期內(nèi)細(xì)胞群中直接分離了多能干細(xì)胞。 同時(shí)美國(guó)John-Hopkins Bayview Hospi

21、tal的John.D.Gearhart從終止妊娠的胎兒組織中原本要發(fā)育成睪丸或卵巢的部位取得細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，得到多能干細(xì)胞。,特異組織中分離出干細(xì)胞,Vincent Tropepe(science vol 287.2000.3) 從成年小鼠的眼睛中鑒定出一種干細(xì)胞。這些細(xì)胞的克隆可以分化出視網(wǎng)膜特異的細(xì)胞類型，包括視桿細(xì)胞，雙極細(xì)胞，Miiller膠質(zhì)細(xì)胞,細(xì)胞核的去分化,高度分化的細(xì)胞核在一定的條件下，可能脫離原有的分化特征，形成具有高度分化能力的全能干細(xì)胞。 例如：蝌蚪的腸壁細(xì)胞核移植到去核的卵中，發(fā)育成蝌蚪。 克隆羊多利等。,原來認(rèn)為的專能干細(xì)胞可以分化成毫不相關(guān)的細(xì)胞類型。,1997年4

22、月,Martin.A.Eglitis Hematopoietic cells-microglia and macroglia in brain 1999年2月,Christopher.R.R.Bjornorson Neural stem cells-blood cells 1999年4月,Mark.F.Pittenger Human mesenchymal stem cells-bone,cartilage,fat,tendon,muscle and stroma 1999年5月,B.E.Petersen bone marrow stem cells-hepatic oval cells,人(

23、胚胎)干細(xì)胞技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的影響。,用于修復(fù)甚至替換喪失功能的組織和器官。 體外研究人(胚胎)的發(fā)育和不正常發(fā)育。 新人類基因的發(fā)現(xiàn)。 藥物篩選和致畸實(shí)驗(yàn)。 基因治療的細(xì)胞源 可自我復(fù)制更新，持久發(fā)揮作用。,人胚胎干細(xì)胞面臨的技術(shù)難題。,胚胎干細(xì)胞極易分化為其他細(xì)胞，如何維持它在體外擴(kuò)增時(shí)不分化？ 如何定向誘導(dǎo)干細(xì)胞分化？ 由胚胎干細(xì)胞在體外發(fā)育成完整的器官尤其是象心、肝、腎、肺等大型精密復(fù)雜的器官還需要技術(shù)上的突破。 如何克服免疫排斥反應(yīng)? 胚胎干細(xì)胞有形成畸胎瘤的傾向，其安全性如何？,2006年，日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)明人工誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞(iPS)技術(shù)后，這一技術(shù)成為干細(xì)胞研究領(lǐng)

24、域的有力工具，激發(fā)了很多研究成果。 2月15日，山中伸彌借助病毒，將4個(gè)基因植入小鼠肝臟細(xì)胞和胃黏膜細(xì)胞，培育出了iPS。與原先用皮膚細(xì)胞培育出的iPS相比，這種iPS引發(fā)癌癥的可能性大為下降。兩個(gè)月后，山中伸彌又與日本理化研究所發(fā)育與再生科學(xué)綜合研究中心的高橋政代合作，利用由小白鼠的皮膚制成iPS，成功制造了視網(wǎng)膜感光細(xì)胞。這一成果可用于治療視網(wǎng)膜色素變性等疾病。而在8月31日，日本科學(xué)家又利用iPS，培育出胰腺。,除了人工誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞研究，傳統(tǒng)的干細(xì)胞研究領(lǐng)域也取得不少進(jìn)展。1月17日，美國(guó)一家生物技術(shù)公司首次通過克隆技術(shù)，由成體皮膚細(xì)胞得到了晶胚，利用克隆得到的晶胚又可以制造胚胎干細(xì)

25、胞系，從而用于糖尿病和帕金森氏癥等疾病的研究和治療。一個(gè)月后，德國(guó)科學(xué)家利用頭發(fā)根部提取的干細(xì)胞，成功培育出皮膚組織。這一技術(shù)的成熟有望用于燒傷患者等需要接受植皮手術(shù)的病人身上。此后，科學(xué)家還取得了一系列重要成果：利用干細(xì)胞再生犬類骨骼、將胚胎干細(xì)胞分化成下丘腦神經(jīng)細(xì)胞、用病人體細(xì)胞制造干細(xì)胞 這些研究成果表明,干細(xì)胞技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用已越來越近。,201112英國(guó)培育出首批公用高純度人類胚胎干細(xì)胞,英國(guó)倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院6日宣布，該校研究人員培育出沒有受動(dòng)物原料污染的純度極高的人類胚胎干細(xì)胞，并已交付給英國(guó)干細(xì)胞庫(kù)，有需求者可直接從庫(kù)中取用。這是培育出的首批供公共用途的高純度胚胎干細(xì)胞。 胚胎干細(xì)

26、胞是指胚胎中一些具有發(fā)育成各種組織和器官能力的細(xì)胞，在醫(yī)學(xué)上具有巨大應(yīng)用前景。但過去培育人類胚胎干細(xì)胞時(shí)往往還要用到一些源于動(dòng)物的材料，比如源于豬的酶和源于牛的血清等。這樣得到的胚胎干細(xì)胞純度不高，如果用于醫(yī)療存在一些風(fēng)險(xiǎn)。 倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院研究人員經(jīng)過近十年的研究，找出了完全不用動(dòng)物原料培育人類胚胎干細(xì)胞的方法，得到的胚胎干細(xì)胞具有極高純度，可以直接供醫(yī)學(xué)使用。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在美國(guó)學(xué)術(shù)刊物細(xì)胞治療上。 2011年12月08日07:42新華網(wǎng)黃堃,細(xì)胞定向的機(jī)制,Morgan (1934): 順序基因活動(dòng)和基因產(chǎn)物相互作用 決定（determination）: 胚胎早期的全能或多能干細(xì)胞

27、在基因的調(diào)控下，確定了特定細(xì)胞的分化趨勢(shì)，即指定了這些細(xì)胞的分化命運(yùn)。 如：受精卵分裂成512個(gè)細(xì)胞時(shí)所有細(xì)胞已經(jīng)定位，并確定了特定細(xì)胞的形態(tài)建成等命運(yùn)。 特化（specification）： 細(xì)胞或組織按照已經(jīng)確定的方向進(jìn)行分化，形成特異性組織或細(xì)胞地過程。 如：被決定命運(yùn)（？）的細(xì)胞，按照指令繼續(xù)分化成特定的組織，形成體節(jié)，器官等不同形態(tài)。,細(xì)胞定向的三種途徑（動(dòng)物的三種發(fā)育模式）：,1）完全程序化的自主特化途徑/鑲嵌發(fā)育模式。以秀麗隱桿線蟲（C.elegans）為代表 2）無程序化的條件特化途徑/調(diào)節(jié)發(fā)育模式。細(xì)胞的命運(yùn)具有一定的隨機(jī)性，如哺乳動(dòng)物。 3）半程序化途徑/自主特化和條件特化

28、相結(jié)合的（合胞特化）發(fā)育模式。如果蠅的成蟲盤（disk）。,自主特化,條件特化,A,E,A,C,E,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,自主和條件特化,鑲嵌發(fā)育：,調(diào)節(jié)發(fā)育：,形成體,原基分布圖,ABCDE,ABCDE,11.3 線蟲（C.elegans）的發(fā)育模式,C.elegans : 體長(zhǎng)僅1mm,生命周期僅3天。 1. 2n=12， 2. 基因組僅有8107bp，約有13,500個(gè)基因。 3. 與原核相似，有25%左右的基因產(chǎn)生多順反子 mRNA（Polycistronic mRNA） 4. 基因組中非重復(fù)序列達(dá)83%（E.coli為100%）， 而高等的真核生物都在50%以下；

29、5.大部分是XX型，為可以自體受精的兩性體（hermaphrodites）,XO 型為雄體(突變型,約占 1/500)。 C.elegans 成體由959個(gè)細(xì)胞組成。,線蟲（C.elegans）的發(fā)育完全程序化的鑲嵌發(fā)育模式,奠基者細(xì)胞 胚胎早期細(xì)胞的分化由母體中卵子細(xì)胞質(zhì)不均等分配決定。如：P 顆粒向合子后端的分配決定該部分細(xì)胞分化為性細(xì)胞。 缺失某類細(xì)胞將不能被其他細(xì)胞取代形成鑲嵌模式。,線蟲（C.elegans）的發(fā)育,11.4胚胎發(fā)育的遺傳控制,胚胎發(fā)育,卵裂（cleavage）:受精卵不斷分裂成較小細(xì)胞，形成l卵裂球或囊胚的過程。 受精卵 2個(gè)細(xì)胞 4個(gè)細(xì)胞 8個(gè)細(xì)胞 桑葚胚 囊胚

30、內(nèi)細(xì)胞團(tuán) 胚泡腔 滋養(yǎng)細(xì)胞 胚 胎,囊胚腔的功能,為原腸胚形成過程中細(xì)胞的遷移提供空間 把將要形成內(nèi)胚層器官的細(xì)胞拖入胚胎內(nèi)部，外胚層細(xì)胞置于四周。,囊胚的發(fā)育,原腸胚（gastrulation） 原始胚層(germlayer) 中胚層(mesoderm):結(jié)締組織，骨，血液，心，平滑肌，睪丸，卵巢 外胚層(ectoderm)：表皮，毛發(fā)，甲 內(nèi)胚層（endoderm）：消化道，尿道，肝，膽，胰腺,人的發(fā)育,人的發(fā)育,胎兒從卵裂到出生的9個(gè)月時(shí)間內(nèi)的發(fā)育過程可分為明顯的3個(gè)階段。每一階段大約持續(xù)12周。 第一階段：?jiǎn)渭?xì)胞受精卵發(fā)育成高度分化的多細(xì)胞胚胎； 第二階段：體積增大和人體特征的精細(xì)化;

31、 第三階段：胎兒迅速成長(zhǎng),神經(jīng)系統(tǒng)和各器官系統(tǒng)基本完善。,輔助生殖技術(shù),體外受精、試管嬰兒、代孕母親 首例試管嬰兒已于1978年問世,體外直接將精子注入卵細(xì)胞技術(shù) 基因工程技術(shù) “預(yù)制胎兒”？人類社會(huì)面臨的新的挑戰(zhàn),2008年1月17日，英國(guó)人工授精與胚胎學(xué)管理局批準(zhǔn)兩個(gè)研究小組展開一項(xiàng)爭(zhēng)議性研究培育人類與動(dòng)物的混合胚胎。 早在2006年，英國(guó)倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的科研人員就希望展開此類研究，但由于英國(guó)政府明令禁止制造人類與動(dòng)物的混合胚胎，這項(xiàng)研究一直停滯不前。獲得人工授精與胚胎學(xué)管理局的許可后，英國(guó)科學(xué)家取得了非常重大的研究進(jìn)展。,英國(guó)科學(xué)家培育出首個(gè)人獸混合胚胎,4月1日，英國(guó)紐

32、卡斯?fàn)柎髮W(xué)宣布，該校約翰伯恩教授帶領(lǐng)的研究小組從人類皮膚細(xì)胞提取細(xì)胞核，植入幾乎完全剔除了遺傳物質(zhì)的牛卵細(xì)胞后，成功培育出了人?；旌吓咛?。這個(gè)胚胎總共存活了3天時(shí)間。 參與這項(xiàng)研究的科學(xué)家表示，他們不會(huì)制造混合動(dòng)物，把人獸混合胚胎放入子宮也是非法的，進(jìn)行這項(xiàng)研究是為了探索帕金森病、肌萎性脊髓側(cè)索硬化癥等疾病的治療方法，提高人們對(duì)胚胎干細(xì)胞發(fā)育過程的認(rèn)識(shí)和理解。,英國(guó)科學(xué)家培育出首個(gè)人獸混合胚胎,5月12日，美國(guó)康奈爾大學(xué)一個(gè)研究小組宣布，他們成功培育出世界上第一個(gè)轉(zhuǎn)基因(GM)人類胚胎，用以研究細(xì)胞和疾病的早期發(fā)展?fàn)顩r。胚胎在存活5天后被銷毀。英國(guó)人工授精與胚胎管理局(HFEA)警告說，這種頗

33、具爭(zhēng)議的實(shí)驗(yàn)勢(shì)必引起“嚴(yán)重的道德和公共利益問題”。人類受精和胚胎學(xué)法案規(guī)定，轉(zhuǎn)基因胚胎僅能用于研究，禁止移植到子宮內(nèi)。,美國(guó)科學(xué)家成功培育出首個(gè)轉(zhuǎn)基因人類胚胎,改變胚胎的影響是永久性的。添加至胚胎或生殖細(xì)胞(如精子)的基因?qū)?huì)影響人體中所有細(xì)胞，同時(shí)還將代代相傳。這項(xiàng)技術(shù)有可能被用于矯正引起囊性纖維變性、血友病、癌癥等疾病的基因。從理論上講，任何已得到鑒別的基因都能添加至胚胎上?？茖W(xué)家強(qiáng)調(diào)，轉(zhuǎn)基因胚胎不僅可用于研究疾病發(fā)展情況，而且在培育干細(xì)胞方面效率更高。,美國(guó)科學(xué)家成功培育出首個(gè)轉(zhuǎn)基因人類胚胎,模式形成（pattern formation）（圖式形成）,胚胎形成不同類型的細(xì)胞，而這些細(xì)胞又

34、分別構(gòu)成不同的組織、器官，并形成有序的空間結(jié)構(gòu)的過程 動(dòng)物最初的模式形成主要涉及胚軸(embryonic axes)形成和相關(guān)細(xì)胞的分化 胚軸：前-后軸(anterior-posterior acis) 背-腹軸(dorsal-ventral axis) 中-側(cè)軸或左-右軸） (mediolateral axis),脊椎動(dòng)物軀體規(guī)劃的第一步是體軸的決定 體軸分: 頭尾軸(antero-posterior axis) 背腹軸(dorso-ventral axis) 遠(yuǎn)近軸(proximo-distal axis）,兩棲類：首先被決定的是動(dòng)植物極（即頭尾）。 鳥類：首先決定背腹極，頭尾軸則根據(jù)重力

35、和排卵時(shí)的旋轉(zhuǎn)決定。 哺乳類：根據(jù)胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（inner cell mass）分隔的位置決定背腹面，頭尾可能是在排卵時(shí)被決定，還不清楚哺乳類是如何決定左右。,果蠅前后軸、背腹軸如何確定？,11.5 果蠅的發(fā)育（半程序化的合胞特化途徑）,果蠅的囊胚前同等卵裂，盤狀囊胚后定向（合胞體胚囊單層細(xì)胞囊胚，最初的胞質(zhì)位置/成分決定了對(duì)應(yīng)囊胚細(xì)胞的發(fā)育定向，如極質(zhì)區(qū)的細(xì)胞發(fā)育為配子）,(a)3小時(shí)的果 蠅胚胎 (b)10小時(shí)的果 蠅胚胎(CL, PC,O,D,Mx, Ml,Lb是頭部 不同的節(jié)) (c)剛孵化出的 幼蟲,控制果蠅胚胎發(fā)育的三類基因：,1. 母體基因(maternal genes) 2.

36、分節(jié)基因(segmentation genes) 3. 同源異型基因/特征形成基因 (homoeotic gene),母體基因在發(fā)育中的作用：,在受精前，發(fā)育已經(jīng)開始，雌性生殖系統(tǒng)基因 的表達(dá)產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和決定因子，轉(zhuǎn)運(yùn)至卵中，為卵的進(jìn)一步發(fā)育打下基礎(chǔ)分子水平的母愛。 在某些物種中，這些來自于母親的基因產(chǎn)物決 定了胚胎發(fā)育的基本結(jié)構(gòu)，例如頭尾，背腹的 確定。稱為 maternal-effect genes。,dl dl,+ +,X,Mutation embryo due to maternal effect,dl dl,X,+ +,Wide-type embryo,dl ,dorsal gen

37、e 是果蠅母系影響基因之一,1、 母體基因(maternal gene) 1) 影響前-后極性的基因 有bicoid (bcd) (兩頭尖)的前部群 有nanos (nos) (侏儒)的后部群 有torso (中段)和caudal的端部群 2) 影響背腹極性的基因 dorsal(dal)和toll,經(jīng)分子雜交bcdmRNA定位于前部,經(jīng)免疫雜交BCD蛋白定位于前部,經(jīng)分子雜交nosmRNA定位于后部,經(jīng)免疫雜交NOS蛋白定位于后部,(a)野生型 (b)bcd母體效應(yīng)致死突變型： 兩端和胸節(jié)缺失,頭溝的位置,bcd 基因及其產(chǎn)物的條件特化作用,在果蠅早期胚中位置信息建立了背腹軸 核梯度和DL蛋白

38、(dosal的產(chǎn)物)的胞質(zhì)定位。SPZ配體和TOLL受體結(jié)合，通過TUB和PLL兩種蛋白激活單個(gè)的傳導(dǎo)級(jí)聯(lián)，使DL磷酸化，并從CACT中釋放出，然后能移入核，在核中它作為DV主要基因的轉(zhuǎn)錄因子。 CACT(cactus仙人掌),(spaetzle),卵周膜,卵周液,Dorsal,cactus,2.分節(jié)基因（合子基因）決定體節(jié)形成, 分節(jié)基因的突變效應(yīng) 裂隙基因(gap gene) 的表達(dá)形成4大體節(jié)區(qū)帶 成對(duì)規(guī)則基因(pair-rule)的表達(dá)形成7對(duì)體節(jié)條紋 體節(jié)極性基因(segment polarity) 的表達(dá)產(chǎn)生 14個(gè)體節(jié)條紋 體節(jié)形成中的遺傳層次（genetic hierarchy

39、）,母性效應(yīng)基因和分節(jié)基因相互作用決定體軸（A-P，D-V）的形成, A-P軸前端由bicoid mRNA及其表達(dá)產(chǎn)物的梯度決定 A-P軸的后端由nanos基因的作用決定 bicoid和nanos基因產(chǎn)物的協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸 D-V軸建成中，腹部結(jié)構(gòu)按背部基因蛋白在核內(nèi)的梯度形成，而背部結(jié)構(gòu)的形成則取決于腹部基因蛋白dpp的梯度,母性效應(yīng)基因（maternal-effect genes）, 母性效應(yīng)基因編碼轉(zhuǎn)錄因子、受體和調(diào)節(jié)翻譯的蛋白，在卵子發(fā)生（oogenesis）中轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物儲(chǔ)存在卵母細(xì)胞中，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。 母性效應(yīng)基因產(chǎn)物的梯度起始胚胎發(fā)育,突變研

40、究指出，調(diào)節(jié)果蠅發(fā)育的母性效應(yīng)基因約40個(gè)。,合子基因（zygotic genes），又稱為分節(jié)基因（segmentation genes）, 分節(jié)基因在受精后依賴于母性效應(yīng)蛋白的分布轉(zhuǎn)錄。 根據(jù)突變分析，分節(jié)基因約有60個(gè),可分為三類，即裂隙基因（gap genes）、成對(duì)規(guī)則基因（pair-rule genes）和體節(jié)極性基因（segment polarity genes）,裂隙基因,受母體效應(yīng)基因的調(diào)控，在胚胎一定區(qū)域內(nèi)表達(dá)（2個(gè)體節(jié)），該基因突變，使得胚胎體節(jié)出現(xiàn)裂隙。 例如： Hunchback基因生成頭胸，抑制腹部的基因。突變時(shí)，不生成口和胸。是受bcd基因調(diào)控的gap gene

41、.,成對(duì)規(guī)則基因,受裂隙基因調(diào)控，體節(jié)間隔的特定基因。突變時(shí)胚胎的體節(jié)有缺失的現(xiàn)象。 例如：ftz基因，轉(zhuǎn)錄1.8kbRNA,突變時(shí)，由于7個(gè)體節(jié)相關(guān)的細(xì)胞死亡，體節(jié)減少了一半。,體節(jié)極性基因,受成對(duì)規(guī)則基因調(diào)控，保持體節(jié)中的重復(fù)結(jié)構(gòu)的一致性。 例如：engrail基因，保持前后體節(jié)的分界，該基因突變時(shí)，缺失每一體節(jié)的后半部分。,同源異形基因 (homoeotic gene)決定特征形成,同源異形基因（homeotic genes）或選擇者基因（selector genes）, 主要包括觸角足復(fù)合體（ Antennapedia complex ANT-C）和雙胸復(fù)合體（Bithorax com

42、plex，BX-C）兩個(gè)基因簇。 胚胎體節(jié)的劃分確定后，同源異形基因負(fù)責(zé)確定每個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)。若發(fā)生突變，會(huì)使一個(gè)體節(jié)上長(zhǎng)出另一個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)，如ANT-C基因的突變使觸須變成腿， BX-C基因的突變使成雙胸四翅果蠅。,ANT-C 突變,BX-C突變,同源異形基因受成對(duì)規(guī)則基因和裂隙基因調(diào)控：同源異形基因序列中有180個(gè)核苷酸的保守序列，稱為同源異形框（homeo box），編碼的60個(gè)氨基酸殘基為同源異形基因編碼的蛋白質(zhì)的同源異形域（homeodomain），是與DNA結(jié)合的motif，起轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。 生物學(xué)功能是保持特定體節(jié)的結(jié)構(gòu)特征。,母體基因： 座標(biāo)基因,前后軸 背復(fù)軸,合子基因:,分節(jié)基因,同源異形 基因,裂缺基因 配對(duì)規(guī)則基因 體節(jié)極性基因,ANT-C BX-C,分化,同源異形基因家族, BX-C 約300kb, 僅含三個(gè)同源異形基因（ubx,abdA,abdB）, 但許多突變影響調(diào)控區(qū) 哺乳類中的同源異形基因復(fù)合體稱為Hox基因簇，與果蠅中的同源異形基因有同源性,？,