干细胞和发育生物学文档格式.docx

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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，属于不同门的生物虽然在形态学上可能差异非常大，但这并不一定反映在控制这一形态发生过程的基因的多样性上。

“事实上，”他们提到，“在我们最期望找到差异的地方，我们却找到了保守，缺乏变化（wherewemostexpecttofindvariation,wefindconservation,alackofchange）”。

就算在种的水平以下，群体中存在的遗传差异也不一定足够造成形态学的多样性。

例如，虽然遗传差异有限，但是蝾螈的肢形态（limbmorphology）的显著多样性令人惊讶。

Evo-devo的建立是为了回答这样一个问题：

新性状来自于何处？

如果新的形态不足以以基因组的差异来解释，那么应当如何来解释这些新形态的来源？

这便接近于所谓的“达尔文的黑匣子（Darwin’sBlackbox）”问题。

即使是反对进化这一基本事实的人也通常会承认由突变、重组、自然选择造成的微观进化，但是他们却认为同样的原理无法解释宏观进化。

特别是他们人为形态上相差如此之大的物种是不能用随机突变来解释的。

但诺贝尔奖得主FrancoisJacob提出，进化并非是一项全新的工程，而是尽量利用现成的材料。

他特别强调在研究宏观进化时，应当将注意力投入发育中的基因调控问题。

现在进化发育生物学的热点集中在基因组的进化、发育的模块轮、同源调控基因和同源信号转导途径等问题上。

细胞凋亡

细胞凋亡（细胞程序性死亡）是发育中的基本生命现象。

在多细胞生物体的发育过程中，体内各类细胞的数量和功能必须处于恒定状态，程序性死亡对于维持细胞数量的生物稳态具有非常重要的作用。

以线虫为实验材料，科学家们在细胞凋亡的基因调控的研究中取得了重大的进展，已经发现了几个关键的基因，如ced-3,4,9等。

现在认为细胞凋亡也象细胞生存一样是受分子调控的，在进化中也是保守的。

细胞凋亡在有机体的正常发生、组织重建、老化和应答不可恢复的损害中具有重要意义；

细胞凋亡的失控，可能成为肿瘤、神经退化性疾病及免疫缺陷等多种疾病的病因。

现在细胞凋亡的调控机制研究仍处在一个方兴未艾的阶段，相信这一研究仍然会是未来发育生物学研究的主流之一。

三、我所感兴趣的发育生物学热点——干细胞生物学

干细胞研究的起源与进展

“干细胞”一词最早出现于19世纪的生物学文献中，像许多其他的生物学名词一样被引用至今，并随着研究的深入被赋予新的内涵。

1896年，E.B.Wilson在一篇论述细胞生物学的文献中第一次使用这个名词，专门用来描述存在于寄生虫（如蠕虫、线虫、蛔虫等）生殖系的祖细胞。

当时认为干细胞只是能够产生子代细胞的一种较原始的细胞。

但1983年Sulston等的研究清楚的表明，线虫生殖系祖细胞的发育潜能在每个细胞连续分裂的过程中发生了明显的改变，只有早期的细胞分裂的产物仍能够保持亲代分裂球的特性，具有自我更新的能力，而并非所有的祖细胞均具有这种干细胞的特性。

1967年，美国华盛顿大学的多纳尔·

托马斯发表报告称，如果将正常人的骨髓移植到患者体内，可以治疗造血功能障碍。

自此，便从血液系统开始了对干细胞临床应用的研究。

1981年英国剑桥大学的Evans和Kanfman成功地从小鼠延迟着床的囊胚中分离获得了小鼠的内细胞团细胞并建立了胚胎干细胞系，从此胚胎干细胞的研究不断地拓展和深入。

1998年威斯康星大学的Thomson等分离人的内细胞团细胞并成功建立了人的胚胎干细胞系，与此同时Gearhart等从人的原始生殖细胞中建立了胚胎生殖细胞系，随后以色列、澳大利亚、日本、新加坡等也先后从体外受精卵分离获得了人胚胎干细胞系，并诱导胚胎干细胞生成神经细胞、造血细胞、肌肉细胞、胰岛细胞等。

这使胚胎干细胞的研究更加令人关注，并带动了世界范围内的干细胞研究热潮。

此项研究使科学家们看到干细胞生物工程的曙光：

可以在体外培育所需的细胞、组织甚至是器官，用来修复患者体内的坏损的组织器官。

2001年11月25日，美国马萨诸塞州先进细胞技术公司利用克隆技术培育出人类早期胚胎，该公司宣称是为了利用干细胞治疗疾病。

这是治疗性克隆研究中的重大突破，将有望帮助研究人员找到治疗帕金森病（Parkinsondisease）、糖尿病和阿尔茨海默病（Alzheimerdisease）（老年性痴呆）等疾病的方法。

1999年12月，美国科学家在《美国科学院院刊》（ProceedingofNationalAcademyofScienceoftheUnitedStatedofAmerica,PNAS）上发表报告说，小鼠肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化”为血液细胞。

随后，世界各国的科学家相继证实，来自于成年动物和人的骨髓、脐带血等组织的成体干细胞，具有跨系甚至是跨胚层分化的能力，可以分化为骨、软骨、肌肉、神经、肝、脂肪等细胞类型（图5）。

此外神经干细胞也可以转变为血液细胞，脂肪基质干细胞也可以变成骨或软骨细胞。

由于胚胎干细胞的研究与应用目前面临伦理、法律及免疫排斥等问题，成体干细胞的这种“可塑性”的发现与研究，为干细胞的临床应用开辟了更为广泛的空间。

图5骨髓间充质干细胞的多能性

从成体骨髓中得到的间充质干细胞（mesenchymalstemcell，MSC）能形成骨细胞、软骨细胞，甚至星形胶质细胞

干细胞研究受到科学家和世人的广泛关注有其必然性，干细胞在生命科学的基础研究和临床应用中起着越来越重要的作用，干细胞在细胞治疗、组织器官修复、药物学等领域有着广阔的应用前景。

干细胞的进化

干细胞在生物界中广泛存在。

不仅在高等的哺乳动物中存在干细胞，低等的后生动物也有干细胞，它们对动物的再生及组织更新有重要作用。

至少有几个方面表明干细胞是生物界长期进化的结果。

1、原始的后生动物也存在干细胞

最初的后生动物也发现有干细胞。

例如海绵，又叫做“原始祖细胞”（archaeocyte）的多能干细胞。

水螅纲具有多能的间质细胞（interstitialcell,I-cell,I细胞），始终保持着分化成不同细胞的能力，归类为多能细胞。

在整个生命过程中，I细胞源源不断地形成原始生殖细胞、刺细胞、甚至神经细胞，在水螅中能够延续几个世纪。

因此水螅有很强的再生能力，被称为“永生”的水螅。

涡虫纲具有的新母细胞（neoblast）也是一种干细胞。

然而，线虫和节肢动物最后一次蜕皮后，除了原始生殖细胞和可能某些淋巴细胞外，不再出现干细胞，因此线虫几乎没有再生能力。

2、干细胞的功能特性在不同进化阶层的生物有相似体现

干细胞的特性之一是不仅能够自我更新，而且还能产生至少一种分化的后代。

单细胞生物虽然仅有一个细胞构成，但是在其生活周期中，细胞也表现出有规律的形态结构和生理功能上的变化，这种变化就是细胞分化。

然而这种变化似乎也可看成单细胞生物在自我更新的同时也在复制其有功能的后代。

当然形成单细胞生物的单个细胞不能叫做干细胞，但是在多细胞生物，也存在既行使特定功能、又有自我更新功能的细胞。

再生能力极强的多细胞生物水螅有相当多的细胞类型，它的单个上皮细胞在行使稳定的生理功能的同时，也行使干细胞的功能参与再生。

在成体哺乳动物前脑的神经干细胞中也发现一些细胞至少具有星性胶质细胞的分化特性，这似乎也表明，即使在高等复杂的生物体内也有干细胞在行使成体分化组织细胞的生理功能。

3、不对称分裂是一种很保守的分裂机制

干细胞通过不对称分裂产生分化细胞，这种分裂方式在单细胞生物和无脊椎动物很普遍。

例如，柄细菌的生活史中含有两种细胞形态：

柄细胞和游动细胞。

但是只有柄细胞能通过不对称分裂产生一个柄细胞后代和另一种有鞭毛的游动细胞。

游动细胞能够游动，却不能分裂产生柄细胞。

对酵母的不对称分裂的方式研究表明在分裂中2个细胞获得了不同的特化蛋白和mRNA，因此使得2个子细胞有不同的命运。

如今对涡虫、果蝇及脊椎动物的研究表明，不对称分裂是由一组共同的基因所调控的，它们在分裂方式及分子调控机制上是非常保守的。

4、动物干细胞和植物分生组织由同源基因调控

有很多证据表明，动物和植物的进化过程是相对独立的。

但是目前却发现调控植物分生组织细胞和果蝇生殖干细胞（germlinestemcell）的基因具有很高的同源性（图6），这似乎也暗示了干细胞漫长的进化历史、机制和来源。

图6果蝇属（动物）和阿布属（植物）的同源基因piwi和ZWILLE在从体细胞到生殖细胞信号转导中具有相似作用

动物来源于共同的单细胞祖先是长期被认同的理论，然而动植物有共同的干细胞信号转导调控机制却带来了新的问题，按照上面的理论，动植物祖先可能来源于一个多细胞生物祖先。

但不管怎样，这些结果却显示干细胞至少是由植物或动物的共同祖先进化来的，或者更早。

如果动物和植物的共同祖先是单细胞生物的话，那么干细胞可能是从单细胞生物起生物长期进化的结果。

四、我所思考的问题

以下这些问题是我在学习生物专业中各个学科时的疑问，有些问题可能是本身是比较简单的，但由于自己接触的知识面有限而不懂的，如有不恰当之处，请老师指正。

1、肿瘤干细胞（tumorstemcells，TSC）

早在40多年前就已经有人提出用肿瘤干细胞（tumorstemcells，TSC）的概念来解释肿瘤组织内细胞的异质性问题。

Muhammad等从乳腺癌中分离鉴定出一类表型特异的细胞群，即ESA+CD44+CD24-/Low-Lin-，将这类细胞称为成瘤细胞，发现这类细胞在NOD/SCID鼠中可持续地形成肿瘤。

肿瘤干细胞的成功分离证明了肿瘤干细胞的存在，同时找到肿瘤恶变的源泉，为药物治疗明确了靶细胞。

目前关于TSC来源的假设主要有2种。

一种认为正常干细胞是肿瘤发生的源泉，致癌性突变使正常干细胞的内在自我更新和无限增殖能力得到加强，从而转变为TSC。

首先，干细胞已经具备了自我更新和多向分化能力，只需要再发生一次恶性转化，获得无限增殖能力后就可以转变为TSC，而分化成熟的细胞要经过两次突变才能获得自我更新和无限增殖能力。

其次，干细胞往往处于静息状态，大部分时间处于G0期，虽然它们在自我更新过程中能够修复自身DNA，但是暴露于致癌剂的时间过多使其有可能将获得的突变积累起来，而这个过程也正如所说的肿瘤多因素多阶段多步骤的发生过程。

因此，TSC可由干细胞经过突变的积累以及异常的克隆增殖而形成。

另一种假设认为分化较成熟的细胞（如定向分化的祖细胞）受到外界诱变剂的作用而活化了某些干细胞相关途径，去分化而获得干细胞特性，形成TSC。

我所关注的是，干细胞可以作为细胞治疗与组织器官替代治疗的种子细胞，那么，在临床应用中的干细胞是不是也有恶变为肿瘤干细胞的可能。

现在的干细胞临床应用多是在体外将多能干细胞诱导为所需要的那类细胞，如肝脏细胞、软骨细胞，然后再有一定技术将其替代体内损坏的同类细胞（或组织），但是体外模拟的细胞生长环境毕竟不同于体内微环境，这样一来这些被诱导分化出的细胞是不是跟体内自然存在的细胞有所不同，这种差异性对于临床应用是不是有干扰。

2、发育生物学研究中的免疫问题

免疫是动物识别自己和排斥外来的和内在的非本身的抗原性异物，以维持机体相对稳定的一种生理功能，其作用对象为非己的抗原物质。

免疫功能是在动物的进化过程中逐步完善的。

无脊椎动物不产生特异性体液免疫及特异性移植免疫，而脊椎动物除具有非特异性免疫功能外，在进化过程中还获得特异性免疫功能。

无脊椎动物的免疫系统较低级，但是无脊椎动物也有识别自身和外物的能力。

如将2个海绵（Callyspongia）的分散细胞掺合，它们能彼此识别而重新组合成2个海绵，这2个海绵的细胞都是自身原有的细胞。

在海绵上接种一块从另一块海绵体上切下的组织，不久这块外来海绵就坏死而被排斥。

如果再从这“另一海绵”上切下组织块再加接到这同一海绵体上，这块外来海绵将更快的死掉。

这些事实说明免疫机制及补体系统的一些因子和属性在动物进化中很早就已出现。

在进化的过程中，这一机制不断提高完善，