发育生物学(第2版)

本书以模式动物个体发育过程为主线，从分子、细胞、组织、器官多个层面上阐明发育的遗传控制和图式形成的机理。编写注重基本概念清晰、基本原理透彻，既考虑基本知识的普遍性，又顾及实例选择的代表性和实用性。在课程知识结构和编排上我们力求在不失系统性的前提下，更侧重新知识尤其是重大理论的新突破和新生长点的介绍与讨论。编写力求简捷,避免篇章结构臃肿。章后拟添加习题，便于学生复习思考，有利于把握该章知识要点。

前言
第1章绪论1
1.1什么是发育生物学？1
1.2用于发育生物学研究的主要模式生物1
1.2.1线虫2
1.2.2果蝇3
1.2.3斑马鱼3
1.2.4爪蟾3
1.2.5鸡3
1.2.6小鼠4
1.3发育生物学的发展简史4
1.3.1先成论与渐成论4
1.3.2冯?贝尔定律6
1.3.3生物发生律6
1.3.4发育的遗传基础7
1.4发育生物学的现状和发展趋势8
1.4.1发育生物学的发展机遇8
1.4.2从分析式思维逐步向整体式思维过渡9
1.4.3发育工程的美好前景10
问题与思考12
主要参考文献12
第2章配子发生及发育前的准备14
2.1配子发生14
2.1.1原始生殖细胞的起源与决定14
2.1.2雌雄配子的发生过程24
2.2发育前的准备25
2.2.1灯刷染色体与RNA转录26
2.2.2核仁扩增与rRNA储备27
2.2.3滋养细胞与母体效应基因的活动28
2.3亲缘印迹29
2.3.1亲缘印迹的发现29
2.3.2发育需要两个不同的基因组版本30
2.3.3亲缘印迹的机制31
问题与思考32
主要参考文献32
第3章受精、卵裂和胚胎发育35
3.1受精35
3.1.1精子获能35
3.1.2顶体反应与受精36
3.1.3阻止多精授精及异种精子入卵的机制38
3.1.4卵的激活39
3.2卵裂与囊胚形成41
3.2.1卵裂时的细胞周期41
3.2.2卵裂类型43
3.2.3囊胚形成44
3.3胚层分化46
3.3.1两栖类胚胎体轴的决定47
3.3.2原肠胚的形成47
3.3.3神经胚的形成48
3.3.4三个胚层的分化50
3.3.5胚细胞的发育潜能51
3.3.6定域图的绘制52
3.4器官系统的形成及其调控52
3.4.1肾的发生52
3.4.2乳腺的发生55
3.4.3眼的发生56
3.4.4脊椎动物神经系统的发生58
问题与思考63
主要参考文献64
第4章早期发育的遗传控制66
4.1母体效应66
4.1.1短暂的母体效应66
4.1.2持久的母体效应66
4.2果蝇的胚胎发育与遗传控制68
4.2.1果蝇的卵子发生和胚胎发育68
4.2.2母体效应基因与体轴的决定70
4.2.3分节基因与体节的形成74
4.2.4基因互作与图式形成77
4.3同源异形基因与发育途径的选择79
4.3.1同源异形基因突变79
4.3.2同源异形基因的作用79
4.3.3同源异形基因的调控80
4.4同源异形基因与进化81
4.4.1同源异形基因与物种形成81
4.4.2同源异形基因复合体的相似性82
4.4.3同源异形框结构的保守性82
4.4.4同源异形基因的排位与时空表达的一致性83
4.4.5同源异形基因与执行基因83
4.5脊椎动物早期发育的遗传控制84
4.5.1脊椎动物前-后轴和背-腹轴的分化85
4.5.2脊椎动物左-右轴的分化86
4.5.3同源异形基因对哺乳动物体节分化的影响88
问题与思考89
主要参考文献90
第5章图式形成与胚胎诱导92
5.1图式形成92
5.1.1成形素与位置信息92
5.1.2位置信息的起源94
5.1.3相邻细胞之间的相互作用96
5.1.4肢体的形成模式97
5.1.5位置记忆99
5.2胚胎诱导的机制100
5.2.1Spemann组织者与Nieuwkoop中心101
5.2.2诱导信号的发送与接收105
5.2.3胚胎诱导是一级联反应过程107
问题与思考108
主要参考文献108
第6章细胞凋亡与发育110
6.1细胞凋亡与细胞坏死110
6.2细胞凋亡的形态学特征111
6.3细胞凋亡的生物化学特征112
6.4细胞凋亡的检测方法112
6.4.1形态学方法检测细胞凋亡112
6.4.2生物化学方法检测细胞凋亡113
6.5细胞凋亡的生物学意义114
6.5.1细胞凋亡在机体生长发育过程中的作用114
6.5.2细胞凋亡在机体防御反应过程中的作用117
6.5.3细胞凋亡在医学中的作用118
6.6细胞凋亡的发生机制118
6.6.1参与细胞凋亡的主要基因及其作用机制118
6.6.2细胞凋亡的信号转导途径125
问题与思考128
主要参考文献129
第7章细胞分化131
7.1细胞分化的基本概念131
7.2细胞特化的方式及其特征132
7.2.1自主特化132
7.2.2条件特化132
7.2.3合胞特化133
7.3影响细胞分化的因素133
7.3.1细胞质对细胞分化的诱导133
7.3.2基因的差别表达134
7.3.3细胞间相互作用对细胞分化的影响135
7.3.4信号分子对细胞分化的影响135
7.3.5位置信息对细胞分化的影响136
7.4细胞分化的分子生物学机制136
7.4.1细胞分化与基因组变化136
7.4.2细胞分化的实质是基因在时空上的选择性表达137
7.5肌细胞的决定和分化139
7.6分化细胞基因组的可逆性和全能性140
7.6.1再生与去分化140
7.6.2细胞分化的可逆性141
7.6.3分化细胞基因组的全能性142
7.7干细胞研究进展142
7.7.1干细胞的特点及分类142
7.7.2干细胞的研究现状143
7.7.3干细胞的临床应用144
问题与思考148
主要参考文献148
第8章性别决定与分化150
8.1性别决定的多样性150
8.1.1性别的染色体决定150
8.1.2其他类型的性别决定151
8.2雌雄同体和雌雄嵌合体153
8.2.1雌雄同体153
8.2.2雌雄嵌合体153
8.3果蝇的性指数与性别决定154
8.3.1性指数154
8.3.2性别决定与分化中的基因互作155
8.4哺乳动物的性别决定及性别发育畸形159
8.4.1性别的初级决定159
8.4.2性别的次级决定159
8.4.3性腺的发育160
8.4.4性别决定与分化的遗传基础162
8.4.5性别发育畸形168
问题与思考168
主要参考文献168
第9章变态与多型现象171
9.1动物变态的基本特征171
9.2昆虫的变态171
9.2.1昆虫变态类型171
9.2.2昆虫变态的形态学特征172
9.2.3变态时的代谢特点172
9.2.4成虫盘的发育172
9.2.5激素对蜕皮和变态过程的控制174
9.2.6microRNA对蜕皮和变态过程的控制178
9.3两栖动物的变态179
9.4节肢动物的多型现象180
9.5蝗虫多型现象的神经内分泌调控181
9.5.1蝗虫概述181
9.5.2咽侧体和保幼激素182
9.5.3前胸腺和蜕皮激素184
9.5.4神经分泌细胞、心侧体和神经激素185
问题与思考187
主要参考文献187
第10章滞育191
10.1滞育的基本概念191
10.2环境因子和滞育的关系192
10.2.1光周期192
10.2.2温度192
10.2.3食物193
10.3昆虫滞育的基本类型及其激素调控方式193
10.3.1卵滞育193
10.3.2幼虫滞育195
10.3.3蛹滞育198
10.3.4成虫滞育201
问题与思考204
主要参考文献204第11章发育异常与癌207
11.1癌的类群207
11.2癌细胞的主要特征207
11.3癌的起因209
11.3.1环境致癌因素209
11.3.2病毒因素210
11.3.3其他有关因素212
11.4癌基因与抑癌基因212
11.4.1癌基因213
11.4.2抑癌基因220
11.5致癌的可能机制225
11.5.1细胞癌变多阶段假说225
11.5.2原癌基因的激活225
11.5.3DNA甲基化异常对于肿瘤发生的影响226
11.5.4端粒酶、ALT和肿瘤发生227
11.5.5核糖体与肿瘤发生228
11.5.6基因组“巨变”与肿瘤发生229
问题与思考229
主要参考文献229
第12章衰老231
12.1衰老的基本特征232
12.1.1在分子水平上232
12.1.2在细胞水平上232
12.1.3在组织、器官水平上233
12.1.4在整体水平上233
12.1.5人体器官开始衰老的时间233
12.2机体与细胞的寿限234
12.2.1动物寿命234
12.2.2细胞的寿命235
12.3影响人类寿命的各种因素236
12.3.1遗传因素236
12.3.2后天因素236
12.4衰老的机制237
12.4.1遗传程序学说238
12.4.2差误灾难学说238
12.4.3交联学说239
12.4.4自由基学说239
12.4.5端粒学说240
12.4.6免疫学说241
12.4.7DNA甲基化与衰老关系的学说242
12.4.8线粒体衰老学说243
12.4.9脂褐素累积学说244
12.4.10神经内分泌功能减退学说244
12.4.11细胞凋亡学说244
12.5延缓衰老的措施或方法244
12.5.1体育运动245
12.5.2合理饮食246
12.5.3中草药247
12.5.4抗氧化剂247
12.5.5抗交联剂248
12.5.6免疫调节剂248
12.5.7膜稳定剂249
12.5.8艾灸249
12.5.9针刺和按摩249
12.6去衰老技术250
12.6.1移植疗法250
12.6.2自身器官干细胞分离培养技术251
问题与思考251
注意参考文献252

    靠前章 绪论

    1.1 什么是发育生物学？

    发育（development）是生命活动的共同属性。从单细胞生物到多细胞生物，从原核生物到真核生物，任何生物体都有一个发生、发展、终结的有序变化过程，其结构和功能也随之经历由简单到复杂然后衰退的变化。研究生物体在整个生命周期中发生及演化机制的科学就是发育生物学（developmental biology），确切地讲，它是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、发育、生长到衰老、死亡规律的学科。发育生物学既是整合胚胎学、遗传学、细胞生物学和分子生物学知识的前沿学科，又是解释生命活动根本奥秘的很基本学科，近年来已成为世界上生命科学很活跃和很激动人心的研究领域。同时，发育生物学也是一门应用前景很好广泛的学科，有关生殖细胞发生、受精等过程的研究是动植物人工繁殖、遗传育种、动物胚胎与生殖工程等生产应用技术发展的理论基础。

    任何物种的个体形态结构都打上了该物种特有的烙印，一代一代重复出现，形成该物种特定的空间结构模式。这一演变程序便是图式形成（pattern formation），是各类分化细胞按照相同的时间和空间顺序进行有序排列，构建世代相同的形态结构模式的过程。这一过程本身提示发育有其遗传基础，受遗传控制，是遗传属性的表达和展现。从现代遗传学的观点来看，发育是基因按特定时空顺序进行选择性表达的结果，是基因型与内外环境相互作用逐步转化为表型的过程。那么是否可以这样认为，生物基因组中包含了构建整个机体的设计蓝图？事实并非如此简单，生物个体中所具有的基因组并不能接近反映其成体的图式形成架构，如一个人脑中就有1018～1024个突触连接，这样详细的图样远远超出了基因组的记忆能力。由此可见，生物体很终的图式形成很好复杂，基因组的DNA信息含量太低，不足以储存如此详尽的建筑图样。生物体的发育为何建立在如此少的信息基础上，在当今的发育生物学中还是一个未解之谜。

    1.2 用于发育生物学研究的主要模式生物

    用于发育生物学研究的主要模式生物有线虫、果蝇、斑马鱼、爪蟾、鸡、小鼠等，图1-1是这些具有代表性模式动物的发育概况。各种模式动物各有优点，其研究成果不仅可以揭示特定物种的特点，还有助于揭示动物发育的一些普遍规律和机制。

    图1-1 几种模式动物的发育（引自Wolpert，2002）

    A.线虫（L1～L4分别代表1～4期幼虫）；B.果蝇；C.爪蟾；D.斑马鱼；E.鸡；F.小鼠

    1.2.1 线虫

    秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）长1mm、直径70μm，自然条件下在土壤中生活，生命周期只有3.5d左右，线虫的卵直径为50μm左右，在25℃条件下，胚胎发生持续约12h。线虫通常是雌雄同体，有XX性染色体，外形和解剖学上表现为雌性，但它既能产卵，又能产生精子。有时会因X染色体丢失产生0.2%的XO雄性体，而相应的XXX胚胎是不能存活的。在线虫中，交叉受精和自体受精均有发生。线虫出生时有556个体细胞和2个原始生殖细胞，大约持续3d，经过4次蜕皮后，由幼虫变为成虫。发育结束时，雌雄同体的成熟成虫有959个体细胞和大约2000个生殖细胞；而雄性成虫则有1031个体细胞和大约1000个生殖细胞。神经系统由302个神经细胞组成，这些细胞来自407个前体细胞，但其中有105个前体细胞因发生了细胞程序化死亡（凋亡）而消失，未形成神经细胞。

    线虫为恒定细胞系示例，其作为模式生物的主要优点有：易于养殖。实验室培养时，一般是先使琼脂培养基长满细菌，然后再接种线虫，线虫将靠食用这些细菌进行生长发育和繁殖。此外，成虫体长1mm，易冷冻保存。性成熟用时短，为2.5～3d，有两种成虫。细胞数量少，谱系清楚。能观察到生殖细胞的发生和种系颗粒的传递过程。易于诱变。基因组序列已全部测出，97Mb的基因组预计含有19099个编码蛋白质的基因，每个基因平均含有5个内含子。

    1.2.2 果蝇

    黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），属节肢动物门昆虫纲双翅目果蝇科果蝇属。是一种小型蝇类，喜在腐烂的水果上生活，其生活史包括卵、幼虫、蛹、成虫4个阶段，历时2～3周，胚胎发生只需1d，幼虫经历三个龄期后，大概第5天开始化蛹，蛹期历时5d，然后羽化为成虫。成年果蝇长度为2mm，可存活9d左右。

    果蝇作为模式生物的主要优点有：体积小，易于繁殖。成虫体长仅2mm，在普通的玻璃罐头瓶里就可以饲养一大群。产卵力强，25℃条件下黑腹果蝇平均产卵量高达375.4粒。性成熟用时短，新孵成虫在14h内就可交配产卵。易于遗传操作，如诱变。幼虫存在变态过程，是分析研究器官芽（imaginal disc）细胞增殖机制的理想模型。基因组序列已全部测出，基因组大约180Mb，编码的基因大约有13600个。

    1.2.3 斑马鱼

    斑马鱼原产印度和孟加拉国，又名蓝条鱼、花条鱼，为小型热带鱼类。鱼体呈梭形，长5cm左右，因满身条纹似斑马而得名。斑马鱼对水质条件要求不高，水温20℃或以上就能生活，很适生长温度为25℃，各种动物性饵料、干饲料都能摄食，宜大规模繁育。斑马鱼生活周期较短，大约12周。雄体偏黄色，形体瘦小，腹部较窄；雌鱼偏蓝色，腹部膨大。雌鱼每次产卵200余枚，很多可达上千枚。斑马鱼的繁殖周期约7d，一年可连续繁殖6～7次，而且产卵量高。斑马鱼卵直径大约0.6mm，呈透明状，为沉性卵，在石缝间孵化，胚胎发育很快，4d内即可完成，仔鱼纤小，半透明状。

    斑马鱼作为模式生物的主要优点有：体积小，易于饲养繁殖；产卵力强；性成熟用时短；易于遗传操作，如诱变；体外受精和发育，卵和胚体透明，易于观察；基因组序列已全部测出。

    1.2.4 爪蟾

    爪蟾全称为光滑爪蟾，属两栖纲无尾目负子蟾科爪蟾属，终生水栖。成体长约7cm，眼小，无眼睑及舌，后肢粗壮，趾蹼发达，适应水生生活。因内侧3趾末端有“爪”，故名爪蟾。由于没有舌头，只能利用其前肢搅食水中的无脊椎动物。广栖于淡水水域，特别喜好静止水域的环境。白天常潜藏于水底，夜晚则会爬至浅滩。雌蛙繁殖期在初春至晚夏，每胎可产下2000粒以上的卵，卵的直径为1～2mm，相对较大。

    爪蟾提供了脊椎动物发育研究优选的卵子和典型的胚胎，其作为模式生物的主要优点有：性成熟用时短，通过注射促性腺激素可以诱导爪蟾在任何时候产卵；卵体大，方便操作；抗感染力强，易于胚胎组织移植。

    1.2.5 鸡

    鸡卵大，使其可以用于观察鸡的发育，古希腊的亚里士多德（Aristotle，公元前384～前322）等在很久以前就开始这样做了，但在孵育的很初2d，因胚胎很小，没有放大镜是很难找到和看清胚胎的。鸡的胚胎发育经历大约为21d。公鸡交配和射精是有时间的，仅在卵从卵巢中释放后不久至在输卵管中被包裹以前这段时间才可以。受精后，卵裂在母鸡输卵管中立即开始。很早期的胚胎不利于实验操作，将卵子从输卵管移出后，开展的已是鸡卵裂的形态学事件的研究了，这是用鸡胚为材料做发育研究的一个局限性。但作为卵生羊膜动物，鸡的胚胎发育程式与低等脊椎动物存在较大的差异，如由于适应陆地生活，鸡胚胎发育过程中出现了羊膜，并造成了胚外器官与胚体在发育过程中的优先分化。故仅用低等脊椎动物作为模式动物是很难阐明和了解高等动物鸟类的胚胎发育过程和特点的。

    1.2.6 小鼠

    哺乳动物为胎生动物，因要适应胎生，其发育与其他脊椎动物相比有了较大的改变。当胚胎留在子宫里时，它从母体获得充足的营养供应，故卵子中的卵黄供应就多余了，从而卵黄大大减少，但胚胎面临着与提供营养的母体建立起密切联系的需要。由于哺乳动物胚胎发育发生在母体内，为了研究和实验操作，必须进行手术，在许多国家这种干涉受到伦理和道德及政府的约束，且只有早期胚胎可以从输卵管里冲出来，着床后，胚胎很难在不受伤害的情况下取出，同时胚胎不易处理且难以在实验室保存很长时间，故哺乳动物不是很适合用于发育研究。

    要想揭示包括人类在内的一大批高等脊椎动物的发育规律和特点，则必须在哺乳动物中选择一个较为理想的物种作为模型进行研究。而小鼠就是因为具备比一般实验动物快繁、多仔等优势特点，而被选为发育生物学的模式动物，且受到了很多关注。在医学研究中小鼠发育成为实验哺乳动物胚胎学的范例；而快速、不随季节变化的繁殖，大量可靠的有图谱的突变体，以及可以相对容易生产转基因动物，使小鼠成为哺乳动物发育的靠前模式。

    1.3 发育生物学的发展简史

    根据文字记载，对于生物发生的思辨一直可以追溯到公元前。古希腊希波克拉底（Hippocrates，公元前460～前377）猜想生物体将身体各部分所产生的微量物质凝聚在一起传递给后代，然后凝聚物分散开来重新塑造后代身体的各部分，使后代具有与亲代相似的形态特征。因此，希波克拉底是泛生论（pangenesis）的先驱。中国古代早有白石化羊、腐草化萤、腐肉生蛆的传说，亚里士多德也认为苍蝇和爬虫可能自发产生于腐败之物，说明人类早就对生物的发生产生了浓厚兴趣和揣测。今天，更常见的莫过于幼儿往往令父母感到尴尬的发问：“我是如何来到这个世上的？”由此可见，古往今来，人类对发育现象的探索精神长盛不衰，体现了人类好奇、求知、观察与思考的共同禀性，无数学者为此付出了毕生的精力，走过了漫长而又曲折的道路。

    在探索生物发育奥秘的发展史中，有几个学派对学术界产生过广泛的影响，下面分别予以简单介绍。

    1.3.1 先成论与渐成论

    先成论（theory of preformation）者认为，生物成年个体的形体都以雏形的方式预先存在于卵子（卵源论者）或精子（精源论者）之内，发育只不过是这些雏形个体各部分的伸展长大。马尔皮基（Malpighi，1628～1694）和斯瓦默丹（Swammerdam，1637～1680）是卵源论的代表，Vallisneri（1661～1730）甚至宣称，夏娃的卵巢内共有2亿个雏形人，一个套一个，直到这些雏形人用完就是世界末日。列文虎克（Leewenhoek，1632～1723）等则是精源论的代表，主张微型生物或雏形人（homunculi）预先存在于精子内（图1-2），大的套小的，小的套更小的，认为生殖和发育只不过是套在很外面的那一个雏形体的长大而已。卵源论者与精源论者曾展开过一场旷日持久的论战，他们各持己见，但谁也拿不出任何证据来说服对方。当司巴兰扎尼（Spallanzani，1729～1799）用实验证明精卵结合（受精）是产生一个新个体的前提和基础时，精源论和卵源论的学派之争才算收场。

    图1-2 精子内假想的雏形人（引自Hartsoeker，1694）

    亚里士多德通过对鸡胚发育的观察发现小鸡形体是逐步形成的，因而主张发育是一个逐渐形成的过程，从而开创了渐成论（theory of epigenesis）的先河。然而，他将发育的内因和动力归结为“灵魂”，带有浓厚的唯心主义色彩。此外，由于认为某些生物可以从腐败物中自发产生，他同时又是一个自然发生论（spontaneous generation）者。在主张渐成论的人中，有的还假想早期胚胎内没有任何结构，是由血液和胚种（seed）组成的一个混沌世界，通过发育很早形成血管，然后逐渐出现其他组织器官，进而发展成为一个完整的人体（图1-3）。这与中国古代关于“万物生于有，有生于无”的看法很相似，其意不是无中生有，而是有形生于无形。尽管这些解释是唯物的、自然的，但没有实验观察作为依据，带有浓厚的神秘色彩。

    图1-3 假想的人体发育（引自Rueff，1554）

    沃尔夫（Wolff，1738～1794）借助显微镜对鸡胚的发育进行了仔细观察，发现新的形态结构发生于均质卵黄物质，而且某些器官如胚盘上的血管、肠等是从无到有，从简单到复杂逐步形成的，从而为渐成论奠定了实验基础。至于发