发育生物学总结

绪论

发育：有机体以遗传信息为基础进行的自我组织和自我构建。

发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、胚胎发生、生长到衰老、死亡规律及其机制的科学。

发育生物学是胚胎学的继承和发展。

胚胎学和发育生物学的主要区别在于：

① 胚胎学基本是对发育过程形态演变的追踪，如动物胚胎学建立了三胚层的概念，以及囊胚、原肠胚、神经胚、器官发生的基本发育模式，而发育生物学则侧重探索发育的分子生物学过程和机制。

② 胚胎学基本将发育过程限制在从受精卵到幼体建立的阶段，而发育生物学将发育扩展为从生殖细胞的形成到个体衰老死亡的全过程。

③ 胚胎学对各物种发育现象的研究突出的是形态比较，缺乏相互间的内在联系，而发育生物学明确将各种多细胞生物的个体发育放在了生物进化总背景下来进行考查。

发育生物学研究的基本问题：

细胞分化（Cell differentiation） 形态发生（Morphogenesis）

区域特化（Regional specification）器官发生（ organogenesis）

生长（Growth）繁殖（Reproduction）进化（Evolution）与环境的关系（Environmental integration ）

What does developmental biology concerns ?

1简而言之，是研究生物发育机理的学科。

2一个多细胞个体通常都是从受精卵发育来的。

3精卵结合——受精卵——卵裂——囊胚——原肠胚——神经胚—— —— ——胚后发育—— —— 衰老——死亡

4发育生物学研究所有这些过程的机理。发育生物学是胚胎学的发展和继续。

胚胎学是描述性的，而发育生物学要阐明胚胎发育的机理，阐明基因是如何控制发育的。

一个受精卵是如何变成胚胎的？

两大学说：后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争

希腊哲学家Aristotle在公元前第4世纪在对鸡胚和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚

胎发育的两种假设：Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存在于胚胎中，各个部分随着胚胎的发

育而长大。

Epigenesis: 在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的。

亚里士多德(Aristotle, B .C 384-322)

是最早研究胚胎的人，他认为生物体的结构是逐步产生的。他的这一思想统治了近2000年。

16-17世纪，预成论抬头，并最终占据了统治地位。：

1精源论，卵源论

2显微镜的发明使预成论破产——显微观察不支持预成论。

沃尔夫（C. F .Wolff，1733-1794）

18世纪渐成论者的代表, 1759年发表了“发生理论”，被认为是胚胎学史上的一个里程碑。

他说：“我们可以得出结论说，身体上的各个器官并不始终都是象现在这样存在着，

而是逐步形成的，不管形成的过程中采取何种方式。”

魏斯曼关于发育的理论——核决定子的不均匀分配：

鲁（ROUX）的实验看来支持魏斯曼的理论，但不久以海胆为材料的实验否定了它。

支持嵌合体学说的实验证据：Wilhelm Roux的实验：

杜里舒（Driesch）的实验

Wilhelm Roux的同事Hans Driesch的下述实验表明，胚胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即胚胎发育是可调节的。

施佩曼（Spemann）Hilde Mangold (1898-1924)

*卵的头发结扎实验*胚胎诱导实验*最早提出了克隆动物的设想 1935年诺贝尔奖获得者

胚胎诱导：背唇移植——第二胚轴

C. H. Waddington (1905-1974)

·One of the first to bridge developmental biology and genetics.

• Carried out mutagenesis突变形成 on Drosophila果蝇 to identify鉴别 developmental mutants.

1940年英国实验胚胎学家兼遗传学家C.H.沃丁顿在《组织者和基因》一书中首先提出从基因和细胞质环境的相互作用来理解反应能力、诱导和决定等胚胎学基本概念的主张。但限于当时生物学发展水平，还不能对基因控制发育的分子机制作深入的研究。

遗传学和胚胎学的结合:现代的发育生物学：

发育是生物学的一个过程，受遗传的控制，只有研究基因在发育中的行为与其相互作用，才能最终解释发育的机理。

1978年7月25日，世界上第一例试管婴儿路易斯·布朗在英国诞生。

2007年1月10日，她顺利分娩，生下一名男孩，自然方式受孕。

路易丝是世界上第一个试管婴儿，不过第一个做母亲的试管婴儿并不是她，而是她的妹妹纳塔莉。1999年，纳塔莉生下一个女儿，创下第一个试管婴儿生孩子的纪录

１９８８年３月１０日，中国大陆首例试管婴儿在北京医科大学第三医院成功进行接生手术。这个健康女婴出生时体重３９００克，身长５２厘米。她的诞生表明了中国大陆现代医学技术完成了一次重大突破。

模式生物

模式生物：要阐明发育的机理、阐明基因是如何控制发育的使传统的实验材料，需要有比两栖类和鸡胚更容易进行遗传分析的材料——果蝇、线虫、斑马鱼，拟南芥，当然现在还用小鼠。

动物克隆：1、1997年多利轰动整个世界 2、珍惜动物的繁殖，优良个体的扩增

多利的克隆

乳腺细胞体外培养——显微注射——电击融合

克隆动物的意义：优良牲畜的大量获得，珍惜动物的繁殖

胚胎干细胞（ES细胞）：哺乳类的早期发育：受精卵——卵裂——囊胚（滋养层，内细胞团）

小鼠早期囊胚的内细胞团，保持分化的全能性

治疗性克隆：伦理学问题：西方很多人反对对人的胚胎进行操作

发育规律及技术 (一) Five major developmental processes

1. Cell division:

Cleavage: 细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而新生细胞的体积比母细胞小。

2. Pattern formation:

胚胎细胞形成不同组织、器官和构成有序空间结构的过程

(1) 躯体轴线的制定(2) 胚层的形成

3. Morphogenesis：不同表型的细胞构成组织、器官，建立结构的过程

最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。

4. Cell dif-ferentiation: 细胞差异性产生的过程（形态结构、生化组分、功能的差异性）

5. Growth：生物个体大小的增加

胚胎在基本的pattern形成之后，其体积会显著增长，原因在于细胞数量增加、细胞体积增加、胞外物质的积累。不同组织器官的生长速度也各异。

(三) 基因控制细胞行为

是通过控制细胞中的蛋白质的产生而实现的

(四) 发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间

Fate of cells:指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变(see next slide)。

Commitment:细胞在表现出明显的形态和功能变化之前，会发生隐蔽性变化，使细胞命运朝特定方向发展，这一过程称为Commitment

Determination:指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。

Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。发育命运是可逆的

两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变

二、传统的发育生物学研究技术

染料细胞标记 荧光细胞标记 细 胞 移 植

三、控制发育的基因的鉴定及其表达和功能检测方法

基因组时代：人类基因组计划

(一)、鉴定发育相关新基因的主要方法

1从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因；

2分离时空特异性表达基因的方法；

3利用基因序列同源性的克隆法；

4利用生物大分子间的相互作用克隆新的基因。

突变体的类型：

隐性突变recessive mutation；半显性突变semi-dominant mutation；显性突变 dominant mutation

获得突变体的方法：

1自然群体中的突变体；

2化学诱变剂处理，如亚硝基－乙脲－乙亚硝基脲 (N-nitroso-N-ethylurea ethylnitrosourea, ENU)；

3外源DNA插入法，如DNA注射、病毒感染、转座子利用等；

4X－射线或 r－射线照射

化学诱变法：:斑马鱼上ENU化学突变研究的成就(1996) DNA插入诱变法：反转录病毒插入引起的突变的鉴定

从突变体克隆基因的方法：

1Genetic mapping and chromosomal walking； 2PCR or Southern hybridization；

3Candidate cloning； 4Differential display/subtractive cloning

分离时空特异性表达基因的方法：

1获取特定组织：直接取材或转基因法取材； 2构建cDNA文库；

3从蛋白质到基因； 4Differentiatial hybridization/differential

display/subtractive cloning

基因芯片/核酸杂交法

Subtractive cloning

利用基因序列同源性的克隆法

利用大分子间的相互作用克隆新的基因：利用DNA与蛋白质间的相互作用

1鉴定可与蛋白质结合的DNA序列 2分离靶蛋白质，（可采用gel-shift assay)

3克隆靶蛋白的表达基因。

(二)、基因表达的检测

mRNA的检测 蛋白质的检测 启动子活性检测

mRNA的检测 ： Northern blot Dot blot

RT-PCR DNA Microarray in situ hybridization mRNA的检测

利用原位杂交技术研究基因表达的时空谱

蛋白质的检测： 电泳法 Western blot 抗体染色法

(三)、基因对发育的影响的功能性研究

基因敲除法(gene knockout) 异位表达法(ectopic expression) Rescue Antisense RNA

Antisense oligos DsRNA interference (RNAi) Antibody blocking Dominant

negative receptor mutations Dominant interferring allele

三、基因对发育的影响的功能性研究

基因敲除法(gene knockout) 异位表达法(ectopic expression) Rescue Antisense RNA

Antisense oligos DsRNA interference (RNAi) Antibody blocking

Dominant negative receptor mutations Dominant interferring allele

转基因动物与基因的异位表达：

DNA注射； RNA注射； 病毒感染。 用组织特异性启动子控制外源基因的表达

第二部分 受精与早期发育（Fertilization & early development）

第三章 生殖细胞的发生

生殖细胞的起源与分化 精子发生 卵子发生

生殖细胞（germ cells）和体细胞（somatic cells）：

被特化为能够进行减数分裂、生长出配子的细胞为生殖细胞。

生殖系（germ line ）： 指的是那些在胚胎发育中能最后形成生殖细胞的细胞系（lineage ）。

一、生殖细胞的起源与分化

1、生殖细胞的来源

1分化自体细胞：少数；海绵、腔肠、扁虫和苔鲜等动物

2源自含生殖质（种质）或类似性质物质的细胞：昆虫、棘皮动物以及大部分脊椎动物

（1）生殖质（germ plasm）：特殊胞质；蛋白质、RNA；碱性染色

（2）这些细胞称为原生殖细胞（PGCs）：primordial germ cells

生殖细胞的命运可以由卵中特定的生殖质所决定：

线虫：P颗粒（posterior granules)

果蝇：P颗粒（polar granules)

组成：蛋白质+RNA

germ cell-less(gcl)基因-缺失则不育

nanos mRNA-缺失则生殖干细胞 GSC迁移失败

线粒体大核糖体RNA-

Polar granule component (Pgc)-非翻译的RNA分子

其他：7种基因（cappucino, spire, staufen, oskar, vasa, valois, tudor)

两栖动物：原始生殖细胞（primordial ger cells, PGCs)-定位于植物极

迁移与间质组织中纤连蛋白(fibronectin)有关

果蝇 ： 含有P 颗粒（polar granules）的极细胞即为PGCs

P 颗粒由蛋白质和RNA 成分组成，包括：① gcl ( germ cell-less ) mRNA 和蛋自质；② nanos mRNA ；③ 线粒体大核糖体RNA ；④ Pgc(polar granule component）非翻译RNA 分子；⑤ 母源基因cappucino、staufen、oskar、vasa、valois、tudor的产物。上述物质的缺失或突变，都会影响生殖细胞发生。

生殖质：

·1爪蟾(Xenopus)：在卵的植物极

·2果蝇 (Drosophila)：极质 (pole plasm)

·3极质在果蝇卵的后端局限化分布

线虫 (C.elegans)：P颗粒 (P granules)

3、原生殖腺形成和生殖细胞分化

·1髓部：网索（retcords）或原始性索（primitive sex cords )· 2皮层

·3 PGCs 进入生殖嵴的皮层后，由皮层和髓部共同组成胚胎的原始生殖腺。

·脊椎动物雄性胚胎中，在Y 染色体上的性别决定基因Sry指导下，原始生殖腺发育成睾丸，位于皮层的 PGCs离开皮层进入网索，分化成精原细胞（spermatogonium）。

·雌性胚胎中，由于没有Y染色体，因而不存在Sry 基因的作用，原始生殖腺发育成卵巢。留在皮层的 PGCs大最增加，开始分化成卵原细胞（oogonium）。

二、卵的发生 (Oogenesis)

到达原生殖腺的PGCs 很快发生形态学的变化而转化为卵原细胞（oogonia），其转变的特点是细胞内的糖原颗粒急剧减少，碱性磷酸酶活性增强。

1、哺乳动物卵子发生

1）卵子发生的一般过程

哺乳动物卵子的形成经历卵原细胞增殖、初级卵母细胞的形成和生长、减数分裂成熟等过程。

·增殖（proliferation）：

·1卵原细胞通过有丝分裂不断增殖，通过细胞间桥相联系。

·2绝大多数降解

·初级卵母细胞的形成：

·增殖期结束后，（未降解的）卵原细胞开始进入第一次减数分裂期，称为初级卵母细胞（primary oocytes），被一层颗粒细胞包裹，称为原始卵泡 。

·初级卵母细胞经细线期、偶线期（配对、联会）、粗线期到双线期（核网期），停止细胞周期活动。

·哺乳动物出生前后的卵母细胞停滞于核网期（dictyotene stage ）。减数分裂直至性成熟后重新启动。

初级卵母细胞的生长

哺乳动物性成熟后，启动周期性的排卵过程。由于受FSH（follicle stimulating hormone）的刺激，每一周期会有一组卵母细胞启动发育。

·生长期的卵母细胞合成大量的蛋白质、RNA及一些营养物质 ·和卵泡一起生长

·出现透明带（zona pellucida ）·生发泡（germinal vesicle）：生长期卵母细胞的核

成熟 （maturation）

·在生长期，优势卵泡由于有更强的竞争获得FSH的能力而得以存活，其中的初级卵母细胞达到充分生长,获得恢复和完成减数分裂的能力 。

·减数分裂成熟（meiotic maturation）：

在LH（lutenizing hormone）的控制下，充分生长的初级卵母细胞，恢复减数分裂，从第一次减数分裂的核网期进行到第二次减数分裂的中期（MⅡ期），形成一个大细胞即次级卵母细胞（secondary oocyte）和一个小细胞即第一极体（polar bodyⅠ，pbⅠ)。

·减数分裂成熟的特点：

卵丘扩散

排出第一极体

生发泡破裂（GVBD，germinal vesicle breakdown）

皮层颗粒排列在卵膜下

MⅡ期阻滞：

MⅡ期卵母细胞，经受精或孤雌激活，才完成第二次减数分裂的后期和末期，排出第二极体。

2）、卵母细胞生长成熟过程中的转录和翻译

在生长期中，经过积极的转录和翻译活动，产生大量的RNA、蛋白质等对减数分裂恢复、成熟、受精及早期胚胎发育必须的物质。

·生发泡：

核质大量增加

体积增大

核仁增大

生发泡内的染色体呈现灯刷状

·母型RNA (matemal RNA）大量积累

·蛋白质比正常体细胞高出30～50倍

卵的物质积累：肝中合成，内吞入卵

爪蟾卵rDNA的扩增

灯刷染色体(Lampbrush chromosomes) ，活跃转录

3）、卵母细胞的成熟及其调控

·人卵的发育：

·1胚胎期卵母细胞停止于双线期，激素使继续发育

·2生发泡

·3人一生成熟的卵仅400个左右

2、其它动物卵子发生

果蝇卵子的发生有以下几个特点

① 卵原细胞经4次有丝分裂，形成胞质通连的16个细胞克隆单位，其中只有一个将来发育成卵细胞，周围细胞发育成滋养细胞。

② 卵细胞本身不发生基因的转录，滋养细胞制造并为卵细胞提供mRNA、核糖体、中心粒，这些物质通过细胞间的连桥输送，细胞连桥中的胼合体（fusome）和细胞骨架在这些物质的定向运输中发挥作用。

③ 卵细胞通过关键 mRNA ( bicoid mRNA，nanos mRNA）的极性分布设定了未来胚胎的发育体轴。

两栖类卵子发生的特点：

① 卵原细胞的增殖每年都在进行。每年都有一批卵原细胞进入生长期。生长期长，如豹蛙卵子的成熟需3年。

② 卵细胞发育中自身进行细胞器的构建，准备未来合成DNA、RNA、蛋白质所需的酶，积蓄mRNA、结构蛋白和早期胚胎发育的形态发生决定子。

③ 减数分裂的双线期进行积极的基因转录活动，形成灯刷染色体。

④ 卵内胞质成分不均匀分布，形成植物极和动物极。卵黄成分在肝脏合成，通过血液运输到卵细胞，形成卵黄颗粒最后定位在植物极。起源于高尔基体的皮层颗粒（内含蛋白质和多糖）分布于质膜之下的皮层中。线粒体、色素颗粒等分布于卵细胞的周围。

⑤ 卵母细胞的成熟阶段有两次发育停顿：第一次在第一次成熟分裂前期的双线期，第二次在第二次成熟分裂的中期。排出的次级卵母细胞要等到受精后完成第二次成熟分裂。

⑥ 卵母细胞恢复第一次成熟分裂与孕酮的作用有关。在脑垂体分泌的促性腺激素作用下，滤泡细胞合成并分泌孕酮。在孕酮作用下，卵母细胞完成第一次成熟分裂：生发泡破裂，核仁解体，染色体浓缩，第一极体排出。三、精子的发生 (Spermatogenesis)

1、 精子发生（spermatogenesis）：

精原细胞增殖

减数分裂

精子形成

精子：可运动的细胞核

一些精子中，鱼精蛋白替代了组蛋白

头部：顶体 (acrosome)，细胞核

线粒体鞘，鞭毛

哺乳类的精子：合胞体同步发育

生精小管，支持细胞

2、精子发生基因表达的调控

BMP8B DAZ 基因（人）和Rb97D 、boule （ 果蝇） β2-tubulin 和海胆顶体中的bindin

β-1, 4 - 半乳糖转移酶 spe－11 JAM-C ( junctional adhesion molecule-C ）

第四章 受精

 受精（fertilization）是指两性生殖细胞融合并形成具备双亲遗传潜能的新个体的过程。受精作用是发育的开端。

 受精作用的功能：

1、将父母的基因传递给子代

2、激发卵细胞中确保发育正常进展的一系列反应。

受精涉及精卵之间细胞表面的相互作用：

首先是生殖细胞间相互的的识别 然后是质膜的融合 再后是卵的激活，发育开始。

一、海胆卵的受精

海胆为体外受精。海胆的卵和精子很容易用高渗液注射的方法大量得到，故受精的过程研究的十分详细。

海胆体外受精须解决的两个问题：

·精卵如何相遇：趋化作用——卵膜可释放可溶性物质，吸引精子朝之游动。

·如何阻止其他种的精子进入：bindin（结合素）具有种的特异性。

顶体反应（acrosomal reaction）：

·顶体反应：精子与卵膜相接触，引起精子的顶体膜与质膜相融合，释放其内容物的过程。

·顶体（acrosome）：膜围的囊泡，内含大量的水解酶。

·顶体突：一些无脊椎动物（如棘皮动物）受精过程中产生的一种结构，由肌动蛋白单体组装成的微丝束构成。

皮层反应（cortical reaction)：

·皮层颗粒（cortical granules)

·皮层反应（cortical reaction)：精子的刺激引起卵皮层颗粒的膜与质膜融合，释放其内容物。卵黄膜举起，转变为受精膜，阻止精子的再次进入。

二、哺乳类的受精：

哺乳类动物的受精是体内进行的。1950‘以后，发现可以在体外进行受精的操作，使得这方面的研究得以大大加速。

小鼠

·精子的获能 (capacitaion)：精子质膜表面在雌性生殖道里被改变的过程，获得了受精的能力。

·透明带(zona pellucida)有三种主要蛋白：ZP1，ZP2，ZP3。ZP3触发顶体反应(acrosomal reaction)

·精卵的质膜融合与精子表面的fertilin（受精素）有关。卵的相应受体认为是一种整联蛋白（integrin，6,1）。

三、受精时卵膜的变化阻止了多精受精 (polyspermy)

·防止多精受精的两种过程：·快速的——膜电位的变化·稍后发生的——受精膜的形成

多精受精：

一般受精时只允许一个精子进入卵中（少数除外，如鸟类）。多精受精由于引入了多余的染色体和中心体，以后的分裂不能正常进行，胚胎发育停止、死亡。

受精膜的形成：卵黄膜变为受精膜

四、在受精时开始的钙的波动使卵激活

·卵膜的去极化·磷酸肌醇途径的激活·钙离子引起皮质颗粒的释放

卵激活的表现：呼吸强度大增，蛋白合成，DNA复制

两倍体核的重新形成：

·精原核，卵原核

·精子提供了中心体，它复制，并以此形成第一次卵裂的纺锤体。

胚胎的早期发育

(一)、卵裂的特点

卵裂期是指受精卵开始有丝分裂并产生由较小的细胞构成的囊胚(blastula)的过程。

卵裂的主要特点包括：

·分裂周期短;

·分裂球的体积下降：海胆胚胎的质/核比由550降至6;

·早期卵裂中合子基因大多处于休眠状态；

·卵裂常经历由均等裂向不均等裂变化。

(二)、卵裂的类型

卵裂的方式与其卵黄的含量和分布密切相关：

少黄卵，端黄卵，均黄卵

卵裂的方式还与卵自身的特性有关：

• 同为少黄卵，海胆与小鼠的卵裂方式不同

• 海胆：辐射型

• 小鼠：旋转型

经线裂(meridional cleavage):指卵裂面与A－V轴平行的卵裂方式。

纬线裂(equatorial cleavage):指卵裂面与A－V轴垂直的卵裂方式。

完全卵裂：卵裂沟通过整个受精卵，把合子一分为二，称为完全卵裂。完全卵裂多发生在均黄卵或中量卵黄的卵子，如海胆、文昌鱼、蛙和大部分哺乳动物的卵裂。观察以下几种类型：

1.辐射对称型卵裂：

观察海胆及文昌鱼4细胞期和8细胞期的胚胎。注意，卵裂沟有规律地互相垂直，第一次卵裂为经裂；第二次亦为经裂，但卵裂沟与第一次垂直，结果形成四个大小相等的分裂球；第三次卵裂为纬裂，卵裂沟一般在卵子的赤道线，结果分成大小相等，上、下两层排列的八个细胞，称8细胞期。

基本特征：

1）每个卵裂球的有丝分裂器与卵轴垂直或平行。

2）卵裂沟将卵裂球分成对称的两半。

2.螺旋型卵裂：

观察强棘红螺及海蚌等贝类的分裂卵。强棘红螺的卵子受精后，卵质逐渐向动物半

球流动集中，于是在该极形成一盘状的胞质部分，卵裂即在该范围内进行。8细胞期分裂球的排列为上、下两层，上层的四个细胞较小，而下层的四个细胞较大，上层细胞与下层细胞成相互交错排列，因此称为螺旋型卵裂。顺时针旋转为右旋，逆时针旋转为左旋。强棘红螺的卵裂为右旋卵裂

螺旋式的特征：1）卵裂的方向与卵轴成斜角，2）细胞之间采用热力学上最稳定的方式堆叠，3.旋转式卵裂：

观察哺乳动物的分裂卵。哺乳动卵是均黄卵，它的卵裂也是完全卵裂，而且等裂。在第一次卵裂分成2个大小相同的分裂球，但从第二次卵裂起则不规则，卵裂球数量的增加不是呈算术级数的增加，而是逐个地增加。第二次卵裂的一对卵裂球排列在另一对卵裂球的垂直面上

哺乳动物的卵裂方式属于旋转式卵裂，其特征包括：

·1. 卵裂速度缓慢；

·2. 第1次为经裂，其后的2个卵裂球各采用不同的卵裂方式，一个是经裂，一个是纬裂；这种卵裂的方式称为交替旋转对称式卵裂

细胞间接触的面积更大，3）只经过较少次数的卵裂就开始了原肠形成。

·3. 早期卵裂不同步，因此哺乳动物的胚胎常常含有奇数个细胞。

·4. 基因组在卵裂的早期就被激活并表达出进行卵裂所必需的蛋白，如老鼠和山羊在2细胞期就发生了从母性控制到合子控制的转换，在兔子的胚胎中，这个转换发生在8细胞期。

不完全卵裂：在某些含卵黄物质特别多的卵子，如端黄卵和中央黄卵，卵裂时卵裂沟仅停留在动物半球或卵子中无卵黄集聚的细胞质部分，不通过整个的卵的卵裂为不完全卵裂。此类型卵裂又分为盘状卵裂（discoidal cleavage）和表面卵裂（superficialcleavage

4. 盘状卵裂

表面卵裂

·昆虫受精卵行表面卵裂。由于大量的卵黄位于卵的中央，因此卵裂被限制在卵的外围卵质中。表面卵裂的特征是，直到核已经分裂，细胞还不能形成。

·合子型的核于卵的中央部分进行多次的有丝分裂，形成多达256各细胞核。然后细胞核迁移至卵的四周，这时的胚胎称为合胞体层（syncytial blastoderm），意指所有的细胞核都位于同一细胞质中。

·迁移到受精卵后极的核迅速由新形成的膜所包围，形成极细胞，将来发育为成体的生殖细胞。昆虫卵发育的最早事件之一是把未来的生殖细胞与胚胎的其余部分区分开。

·极细胞形成之后，卵膜内陷于核之间，最终把每个核分隔成单一的细胞，这样就形成了细胞胚层，所有的细胞都沿着卵黄核心单层排列。

卵裂的机制：

哺乳动物卵裂球的紧密化（compaction）:发生第三次卵裂后不久

·哺乳动物另外右一个重要的特征是有胚胎的紧密化（compaction）现象。处于8细胞期的胚胎是一个松散的结构，各个卵裂球之间右许多空隙。而在第三次卵裂之后，各卵裂球突然相互靠近，相互之间的接触面积达到最大，形成一个紧密的细胞球。细胞球外层细胞之间有紧密连接，可将球内部的细胞与外环境隔绝，起稳定细胞球的作用。球体的内部细胞之间有间隙连接（gap junction）相连，可以交换小分子和离子。

·紧密化/压缩（campaction）为哺乳动物发育中第一次分化（滋养层与内细胞团的分离）的外部条件。相邻细胞表面之间的相互作用是导致胚胎压缩的原因。

·有些专一性的细胞表面分子在胚胎压缩过程中扮演着重要的角色。其中，在2细胞期合成的糖蛋白E-cadherin主要集中于卵裂球相互接触的表面上。抗E-cadherin的抗体能使桑椹胚细胞散开，该糖蛋白的糖链部分是发挥功能所必需的。

·内细胞团的产生是哺乳动物早期发育的关键步骤之一。通过对活体胚胎的观察研究，发现这种重要决定作用仅仅依赖于细胞于某一正确时间出现在某一正确的位置。紧密化/压缩后位于外层的细胞将形成滋养层细胞，而内部的细胞将发育成胚胎。

·一个细胞是否成为胚胎或滋养层细胞，完全取决于压缩作用后细胞所处的位置是位于外周还是内部。

·内细胞团中的每个分裂球均能产生身体中任何细胞类型。当内细胞团细胞被分离，并在一定条件下生长时，它们会在培养过程中保持为分化的特征，并可持续不断地分裂，这些细胞被称为胚胎干细胞（embryo stem cell）。

·利用胚胎干细胞进行基因敲除（gene knock-out）和构建转基因动物已经成为一种非常重要的、用于研究哺乳动物发育过程中基因功能的手段。

二、原肠作用 Gastrulation

(一)、原肠作用的概念和主要特点

原肠作用是指囊胚细胞有规则的移动，使细胞重新排列，用来形成内胚层和中胚层器官的细胞迁入胚胎内部，而要形成外胚层的细胞铺展在胚胎表面。原肠作用期的胚胎叫原肠胚(gastrula)。

原肠作用中的主要细胞迁移：

外包(epiboly): 表皮层做为一个整体扩展，使胚胎的内层被覆盖。

内陷(invagination): 指胚胎的局部区域的内陷。

内卷(involution): 指正在扩展的外层向内卷折，去从内铺盖原来的外层细胞。

内移(ingression): 指表层的单个细胞迁入胚胎的内部。

分层(delamination):指一个细胞层分成两层或多或少平行的细胞层。

会聚伸展/集中延伸(convergent extension): 指细胞间相互插入，使所在组织变窄、变薄，并推动组织一定方向移动。使前后轴逐渐伸长。

表皮细胞和间质细胞的概念：

·表皮细胞(epithelial cells)：细胞与细胞间紧密连接成管状或片层状结构，局部或整个结构一起运动。

·间质细胞(mesenchymal cells):细胞与细胞间松散相连，每个细胞为一个行动单元。

1、海胆的原肠作用：

·海胆原肠作用过程：原植物极中央细胞内陷进入囊胚腔，表皮细胞转变成为初级间质细胞，初级间质细胞全部来自第4次不对称卵裂所形成的4个小裂球。然后内胚层表皮细胞内陷和扩展，其前端表皮细胞转化为次级间质细胞。两种间质细胞都将长出伪足，后者起定向和驱动细胞移动的作用。

·海胆原肠作用的机制：

内胚层的早期内陷机制：如下图所示，纤丝收缩使细胞变位契形，成为细胞内陷的原动力。

内胚层的晚期内陷机制：伪足的收缩和细胞间的变形重排(会聚伸展)。

·海胆原肠作用过程：初级间质细胞在中胚层和内胚层相交处形成一圈，在腹侧有一分支延伸，它们将用于骨的形成。

2. 果蝇的原肠作用

原肠作用开始于腹部预置中胚层的内陷。(p12)

两栖类的原肠运动：

·动物半球，植物半球

·精子在动物半球进入，卵质皮层旋转30度

·辐射对称→两侧对称

·命运图，染料标记后追踪

·胚孔，背唇，瓶状细胞，内卷，胚孔扩大为环形，卵黄塞

·原肠，外胚层，内胚层，中胚层

3. 爪蟾的原肠作用

原肠作用开始于瓶状细胞的形成和内突。 它们的内突使囊胚表面形成一个小沟，即为胚孔(blastopore)。

4. 斑马鱼的原肠作用

原肠作用开始于胚盘细胞向植物极方向的卵黄下包，由卵黄核胞体层(YSL)驱动，使胚盘变薄。

胚层的形成：50%下包时，与卵黄交界处的deep cells内卷，使交界处形成厚实的一圈，叫胚环 germ ring。内卷的细胞和由上层内移的细胞形成下胚层、上层的deep cells为上胚层。

胚盾(embryonic shield)：因深层细胞的内卷和会聚扩展而在germ ring的某处形成的加厚区。它为胚胎的背部，从此处内卷的细胞将与其它会聚扩展的下胚层细胞一起沿背部中线形成脊索中胚层(chordamesoderm);下胚层细胞还将生成近轴中胚层和内胚层。

上胚层的部分细胞经会聚扩展形成神经板（neural keel），其余的细胞形成皮肤。

·斑马鱼的原肠作用(续)：

内卷和会聚扩展形成脊索中胚层的细胞表达no tail基因，而会聚扩展形成近轴中胚层的细胞表达snail基因。

·鸟类的原肠胚形成

胚盘，明区，暗区

上胚层，下胚层（初级下胚层）

细胞成团迁移，后部边缘的卷入→下胚层（次极）

原来的下胚层→卵黄囊

·鸡胚的原肠作用

• 原条，原沟（相当于胚孔），亨氏结（相当于背唇）

• 细胞从原沟、亨氏结迁移（分散地迁移）

• 迁移的两条路线：内胚层，中胚层

• 原条后撤，神经管和体节从前向后逐渐形成

·哺乳类的原肠胚形成

• 囊胚：滋养层(trophectoderm) ，内细胞团 (inner cell mass)

• 复杂的胚外结构：卵黄膜，羊膜，尿囊膜，绒毛膜

• 胚胎由内细胞团发育而来，原肠运动与鸟类相似

• 人：胚盘平展，小鼠：胚盘为杯状，背部极度凹陷

脊椎动物原肠期以后的胚胎发育

神经胚（neurula）

一、外胚层 (ectoderm)：神经外胚层 表皮外胚层 神经板（neural plate）经褶（neural folds） 神经嵴（neural crest） 神经管（neural tube）

前脑，中脑，后脑：

·前脑：端脑、间脑·后脑：菱脑（菱脑节），小脑，延脑 ·脊髓

神经嵴细胞产生的结构：·脊神经节，交感神经节 ·皮肤色素细胞 等

二、中胚层 (mesoderm)

·两栖类：原肠顶部分层，背面为中胚层，下面为内胚层

·脊索 (notochord): 棒状的临时结构，可诱导其上方的外胚层形成神经板。

近轴中胚层（paraxial mesoderm）： 体节（somite）：

神

·生骨节（sclerotome）·生皮肌节（dermamyotome） ·生皮节（dermatome）

侧板中胚层（lateral plate mesoderm）：

·体腔 ·排泄与生殖系统 ·心脏

生肾索（nephrogenic cord）：前肾 中肾 后肾

心脏的发生 ： 心脏原基心管两侧融合为一

毛细血管形成 ： 血岛 血管内皮 血细胞

三、内胚层（endoderm）

·消化管，消化腺（肝、胰）·肺、支气管

四、冯·贝尔法则（von Baer’s laws)

·是根据大量胚胎的观察和比较得出的结论，共提出四条, 最主要的一条是:在一组动物中，属于所有动物共有的结构总是比用以区分不同种类动物的特征结构优先发生。

·种系特征性发育阶段:即早期胚胎发育的共同阶段

海克尔（Haeckel）的生物发生律：

·个体发育快速重演它的系统(种族)发育过程。

·提出“囊胚虫”、“原肠虫”，但并不存在。

·有人认为海克尔过于狂热，把个体发育与物种进化混淆起来。 但海克尔的生物发生律大体上还是反映了生物发生的规律。

胚轴的形成

• 胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化），而且要由这些细胞构成功能性的组织和器官并形成有序空间结构的形体模式（body plan）。

• 胚胎细胞形成不同组织、器官，构成有序空间结构的过程称为图式形成（pattern formation）

• 在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要涉及胚轴（embryonic axes）形成及其一系列相关的细胞分化过程。胚轴指胚胎的前－后轴（anterior -posterior axes）和背 – 腹轴（dorsal -ventral axis）。

• 胚轴的形成是在一系列基因的多层次、网络性调控下完成的。

果蝇胚轴的形成：

• 现已筛选到与胚胎前后轴和背腹轴形成有关的约50个母体效应基因（maternal

effect gene）和120个合子基因（zygotic gene）。目前，对果蝇胚轴形成的调控机制已有了一个较为清晰的认识。

• 在果蝇最初的发育中，由母体效应基因构建位置信息的基本网络，激活合子基因的表达，控制果蝇形体模式的建立。

一、果蝇胚胎的极性

• 果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确的前-后轴和背-腹轴。

• 果蝇躯体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进行的。果蝇胚胎和幼虫沿前-后轴可分为头节、3个胸节和8个腹节，两末端又分化出前面的原头（acron）和尾端的尾节（telson）；沿背腹轴分化为羊浆膜、背部外胚层、腹侧外胚层和中胚层 二、胚胎躯体轴线的建立由母体基因决定

1. A－P轴线由三类母体基因控制：突变鉴定anterior class, posterior class, terminal class.

调节胚胎前后轴的4个非常重要的形态发生素

这些母体效应基因的蛋白质产物又称为形态发生素（morphogen）

前端组织中心anterior organization center

2. Bicoid基因提供A－P轴线形态素梯度

posterior organization center后端组织中心

A: nanos (nos) inhibiting hb mRNA, inhibiting knirps and giant through hb

B: caudal (cdl)

3. Nanos和Caudal蛋白梯度控制后区结构

Hunchback：母体mRNA在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的Bicoid蛋白激活合子hunchback基因的表达，从而帮助形成hunchback蛋白浓度梯度。

Caudal: 母体mRNA在卵中均匀分布，受精后bicoid蛋白抑制其在前区的表达，因而Caudal蛋白形成类似于nanos的浓度梯度。

末端系统Terminal system

maternal genes

tor + torsolike (tsl): only expressed in follicle cells in terminal and anterior body

4. 卵膜表面受体的激活决定胚胎AP轴的两个端点

背腹系统 Dorsoventral system 20 genes:

dorsal (dl)---突变可导致胚胎部化即产生具有背部结构而没有腹部结构的胚胎

cactus---突变可导致胚胎腹部化产生只具有腹部结构的胚胎。

其他：pipe, nudel, windbentel---可能与Toll配体的产生有关

5. 卵膜中的母体蛋白决定胚胎D－V极性

6. 卵发生过程中母体基因产物的合成及分布

三、受精后合子基因的表达

1. Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因

2. 背部命运决定于Decapentaplegic (dpp)

dpp编码信号蛋白，给胚胎大量注射dpp mRNA导致外胚层全部发育为羊浆膜，一定的高浓度dpp使腹部外胚层命运改变为背部外胚层命运

分节基因segment genes：

·Gap genes 缺口基因· pair-rule genes成对控制基因· segment polarity gene体节极性基因

3. Gap基因的表达使胚胎沿AP轴线区域化

Gap基因是指那些在受精后最早沿AP轴线呈区域性表达的合子基因。

Gap基因的表达特点：

(1). 都编码转录因子；(2). 都在多核胚期开始表达；

(3). 其产物的半衰期一般较短，仅数分钟，因而它们的扩散距离较短；

(4). 其表达局限在一定的区域，其突变会导致胚胎在该区域及附近区域的缺失。

四、Pair-rule基因的表达界定胚胎的副体节

1.副体节(parasegment)由pair-rule基因活性界定

·原肠作用开始后，胚胎表面沿AP轴线出现一些过渡性的浅沟，将胚胎分为14个区域，这些区域即为副体节。

·个副体节受一套特定的基因的控制，做为独立的发育单位，将逐渐获得自身特有的特性。

·原肠期后，胚胎沿AP轴线出现有规则的节段，即体节(segments)，每个体节有不同的特性及发育命运。

·体节是在类/副体节的基础上形成的，即一个体节是由前一个副体节的后半部和下一个副体节的前半部组成。

五、体节极性基因(segment polarity genes)与细胞谱系的建立

·体节极性基因是指在pair-rule基因表达之后立即表达的基因，它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运。这些基因的产物包括扩散分子、受体、转录因子等多种类型。

·副体节之间或体节之间均没有细胞的相互迁移。

·Engrailed是确定副体节和体节边界的关键基因，它在每个副体节的前部表达，占居一行细胞，从而确定了副体节的前部边界。体节出现后，它在每个体节的后部表达，将一个体节分成前后两个区域，两个区域内的细胞不发生交换，各自有不同的发育命运。

六、不同体节的发育命运决定于 同源异形选择者基因homeotic selector genes

Homeotic selector genes是指在体节边界建立之后，用来控制每个体节的特征结构发育的基因，它们编码homeodomain(含60aa)转录因子。

·Homeotic selector genes表达的长程调控

Polycomb Proteins: 与染色质上的homeotic genes基因的调控区结合， 使其处于非活性状态。

Trithorax Proteins: 与已经表达的homeotic genes的调控区结合，维持其活性状态。

四肢动物肢体的发育 一、肢芽的形成

肢体区(limb field): 由有能力形成一个肢体的中胚层细胞所组成的区域。

肢体区细胞的特点：可调节性。

肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和hox基因的控制

肢体细胞的来源：

·肢肌肉细胞前体(limb muscle precursors)：来源于体节的轴下生肌区(hypaxial myotome bud)；

·肢骨细胞前体(limb skeletal precursors)：侧板中胚层的体细胞区间质细胞。

肢芽的形成受来自于间介中胚层(intermediate mesoderm)如肾前体的信号诱导，移

去中肾或在中肾与肢芽细胞间插入不透膜可使肢芽停止增大。

顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge, AER)：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层细胞形成突起结构，位于肢芽的远端边缘背腹交界处，是肢体生长的主要信号中心。

AER的作用：

1. 维持其内侧的间质细胞的增生能力，使肢体沿Proximal－ Distal轴线生长。

2. 维持A－P轴线控制因子的表达。

3. 与控制A－P和D－V轴线的因子互作，以指导细胞的分化。

性别决定Sex determination 1. Primary sex determination:指生殖腺发育为睾丸或卵巢的选择。胚胎生殖腺(gonad)的发育命运决定于其染色体组成，Y染色体的存在使生殖腺的体细胞发育为testis而非ovary。

2. secondary sex determination:指睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响性器官的发育。

在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerian duct)退化，而中肾管(Wolffian duct)分化为输精管、附睾、精囊。在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分化为输卵管、

子宫等。

第27章 神经系统和眼与耳的发生 脊髓发生与脊柱的关系：

 胚胎3个月前：脊髓与脊柱等长

 胚胎3个月后：脊柱、硬脑膜增长快于脊髓，使脊髓的位置相对上移

 出生前：脊髓下端与第3腰椎平齐

（五）常见畸形

1．神经管发育畸形

 无脑畸形（anencephaly）：前神经口未闭引起

 脊髓裂（myeloschisis）：后神经口未闭引起

2．脑积水(hydrocephalus) ：由于颅内脑脊液异常增多的则造成脑积水，多由脑室系统发育障碍、脑脊液生成和吸收平衡失调所致，以中脑导水管和室间孔狭窄或闭锁最常见。