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干细胞与发育生物学莫肇勇200957420109生本2班摘要：发育生物学是研究有机体从胚胎发生、生长发育至衰老死亡的生命过程所发生的变化和规律的科学，它是传统胚胎学的深入和发展。它研究的主要内容是生殖细胞的产生以及受精机理,受精卵的分裂、分化,组织和器官发生、生长以及机体的衰老等,在这些生命现象中,基因调控是其最基本的机制。干细胞的决定、分化、机体细胞的衰老、凋亡和细胞间的信号传导是其非常重要的研究内容。关键字：发育生物学；干细胞；发展；基因我理解的生命科学，是破译密码的过程。就像计算机被输入程序一样，我们每个人的机体都被编好了程序，每一分每一秒所发生的事情都是按照程序进行的，甚至可以精确到我们无法识别的程度。生命科学的目的，就是要解开生命背后的密码。虽然说生命科学不同于其他很多理论性的基础学科，但他们都是相互紧密联系，也可以说生命科学是用数学、化学和物理的语言来还原生命活动的本质。生物学没有真正的公理，随着技术一天天的更新，理论一次次的被推翻，新理论不断建立。正因为如此，一张纸、一本书和一支笔对于生物学研究是远远不够的。因此在纸上完全推到成立的结论，在实验上很有可能不能实现。相反的，也许我只是个新手，可是如果用事实证明了我自己的假说，我也可以取得很大的发现。另一方面，当今生物学的研究对技术有非常高的要求，可以说，技术的发展决定了生命科学前进的速度。发育生物学的迅速兴起和在各个领域的发展、应用就是一个最好的例子。同时，学科的交叉也为生命科学发展提供了广阔的空间。如：干细胞生物学与发育生物学。可以肯定地说，随着技术的进步和相关学科的结合，未来的生命科学将会飞速发展，生命的奥秘将一个个被解开。下面我就具体谈谈这次的主题：干细胞与发育生物学。发育生物学（developmentalbiology）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（systematicsdevelopment）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、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。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。2.1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。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。2.2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、发育生物学热点——干细胞生物学3.1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。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。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。3.2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。3.2.1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。3.2.2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。3.2.3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。3.2.4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，这似乎也暗示了干细胞漫长的进化历史、机制和来源。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