干细胞和发育生物学干细和发育生物学.doc

干细胞和发育生物学 中美奥奇干细胞（）：发育生物学（developmental biology）是应用现代生物学的技术研究生物发育机制的科学。它主要研究多细胞生物的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡，即生物个体发育（ontogent）中生命现象发展的机制。同时，也研究生物种群系统发生（systematics development）的机制。发育生物学不同于传统的胚胎学（embryology），而是20世纪50年代以后，由于分子生物学、细胞生物学、遗传学及生物化学等其他生命学科的发展和与胚胎学的相互渗透，才逐渐发展和形成的一门新兴的生命科学。 一、发育生物学的历史回顾 古代哲人的发育理念 用科学方法解释发育可以追溯到公元前5世纪的希腊哲人希波克拉底（Hippocrates）（公元前460～337）。他是位医生，首次对鸡胚进行了发育观察。依据当时流行的理念，他试图用热、湿和固化的效应来解释发育。大约一个世纪后，由于希腊圣贤亚里士多德（Aristotle，公元前384～322）的创造性研究，胚胎学获得了高度发展，研究对象涉及脊椎动物和无脊椎动物，并提出了有性生殖和无性生殖及胚胎的各个部分是如何形成的等千载难解的生物学问题。他认为胚胎发育有2种可能性：一种是先成论（preformation），即胚胎中的每件东西从一开始就预先形成好了，发育期间只是简单地放大；另一种是后成论，并形象地比喻为织网（knitting of a net）。 先成论与后成论的持久论战 2000多年前亚里士多德提出的两种发育理念对后来的学者产生了深刻影响，直到18世纪，先成论和后成论仍然是科学界争论的焦点。特别是17世纪和18世纪，虽然科学之风已在西欧兴起，但由于长期以来教会神创思想的影响，学界仍然迷恋于有着神创理念的先成论。即使是那些已对动物胚胎发育进行过详细观察的学者也是如此，如17世纪伟大的意大利胚胎学家Marcello Malpighi虽对鸡胚发育进行过精确描述，由他描绘的鸡胚发育图是胚胎学和发育生物学的经典，迄今仍被绝大多数教科书所引用，但他仍然不可能以他自己的观察证据从先成论的理念中解放出来。有些先成论者甚至认为精子头部包裹着业已形成的胎儿，并绘出了富有幻想的图画，即一个大头的小人，两臂抱膝，蹲在精子里面（图1）。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（mosaic development）（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