发育生物学++正向遗传学
发育生物学简介
1简介发育生物学（developmentalbiology）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、死亡规律的科学。
发育生物学是生物科学重要的基础分支学科之一，研究内容和许多学科内容相互渗透、相互联系，特别是和遗传学、细胞生物学、分子生物学的关系最为紧密。
其应用现代科学技术和方法，从分子水平、亚显微水平和细胞水平来研究分析生物体的过程及其机理。
用分子生物学、细胞生物学的方法研究个体发育机制的学科。
是由实验胚胎学发展起来的。
实验胚胎学是研究发育中的胚胎各部分间的相互关系及其性质，如何相互影响，发育生物学则是追究这种相互关系的实质是什么，是什么物质（或哪些物质）在起作用，起作用的物质怎样使胚胎细胞向一定方向分化，分化中的细胞如何构成组织或器官，以保证组织和器官的发育，正常发育的胚胎怎样生长、成熟、成为成长的个体，后者在发育到一定阶段后为什么逐步走向衰老，如何在规定的时间和空间的顺序下完成个体的全部发育。
2研究范围从学科范围讲，发育生物学比实验胚胎学大，后者基本上是研究卵子的受精和受精后的发育，虽然也包括正在发育的生命再生及变态等问题，但主要是胚胎期的发育。
发育生物学研究的则是有机体的全部生命过程。
从雌雄性生殖细胞的发生、形成、直到个体的衰老。
它是生物学领域中最具挑战性的学科之一。
从上个世纪八九十年代迄今，生物学领域的重大进展都与发育生物学有着密切的关系，或者就是发育生物学的进展。
发育生物学成为了近年来世界上生命科学最活跃和最激动人心的研究领域。
发育生物学又是一门应用前景非常广泛的学科，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。
有关细胞分化机理、基因表达调控与形态模式形成及生物功能的关系研究，是解决人类面临的许多医学难题（如癌症的防治）以及器官与组织培养等新兴的医学产业工程发展的基础，也是基因工程发展为成熟的实用技术的基础。
发育生物学复习资料
第一章调整型发育：卵子中决定器官形成的物质是可以经过调整而改变的，某一部分被去除或重新排列后，剩余的胚胎可通过调整而发育为正常的胚胎。
这门学科的研究内容发展到配子的发生和形成；受精过程；细胞分化及形态形成，包括发育过程中不同细胞群如何按照一定的时间顺序及空间关系有序地重新配置、特化、进而产生出各种细胞类型，最终器官表型特征的出现和特殊功能的建立；基因在不同发育时期的表达、控制与调节，基因型和表型表达之间的因果关系；发育过程中细胞核与细胞质的关系、细胞间的相互关系以及外界因素对胚胎发育的影响。
其中细胞分化是发育生物学中的核心问题。
发育生物学是一门应用前景非常广泛的学科，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。
有关细胞分化机理、基因表达调控与形态模式形成及生物功能的关系研究，是解决人类面临的许多医学难题（如癌症的防治）以及器官与组织培养等新兴的医学产业工程发展的基础，也是基因工程发展为成熟的实用技术的基础。
第二章在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，生殖细胞来源于其前体原生殖细胞。
这些原生殖细胞只有经过迁移，进入发育中的生殖腺原基生殖嵴才能分化成为生殖细胞。
生殖质是卵质中有一定形态结构和特殊定位的细胞质，主要由蛋白质和RNA构成。
随着胚胎发育的进行，生殖质逐渐地被分配到一定的细胞中，这些具有生殖质的细胞将分化成为原生殖细胞。
精子发生：PGCs一旦到达雄性胚胎的生殖腺原基就进入性索，在此停留直到成熟。
在成熟过程中，性索发育为曲精小管，其上皮细胞分化为支持细胞。
精子发生过程在支持细胞的凹陷中进行。
精子细胞必须经过分化才能变为成熟的精子。
1.发育生物学是应用现代生物技术和方法，从分子水平、亚显微水平和细胞水平来研究分析生物体从和的发生、、发育、生长直至衰老死亡的过程及其机理。
2.正向遗传学研究策略是指；而反向遗传学研究策略是。
3. 生物发育的核心问题是。
发育生物学-绪论
Homeosis（同源异形）： transformation of one body part into another. Such mutation and the responsible genes are called homeotic mutation （同源异形突变） and homeotic genes （同源异形 基因）.
5．三胚层的分化高度规律性
第三节 发育生物学的发展简史
一、胚胎学理论建立的历史
（1）后成论（epigenesis）
• 胚胎是由于卵内含有胚胎发育的基本力量
，通过后天的逐渐演变形成的 ，即一切器
官都有由简单到复杂的形成过程。
• 代表人物：C.F. Wolff （1733-1794）
•பைடு நூலகம்（2）先成论（preformation，公元17th—18 th）
总之，发育生物学的前途是无限广阔
的，它在生产中的广泛应用已引起科
学家的 密切关注和浓厚兴趣，因此
发育生物学已成为二十一世纪的前沿
学科和热门学科之一。
胚胎为保证正常发育，可以产生胚胎细胞位置
的移动和重排。
1、Mosaic development 19世纪80年代，Weismann提出了mosaic development学说：合子中的大量特殊因子在细胞分裂中 不均等分配，导致了不同细胞向不同命运的发育。
2、 Regulative Development
第四节
发育生物学模式生物
概念
对某些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般 规律的意义，这些生物被称为“模式生物”
特点
1）其生理特征能够代表生物界的某一大类群 2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖 3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析
发育生物学知识重点整理
生物进化上与人类接近(60 - 75百万年)
胎盘形成和早期胚胎发育与人类相近
组织器官结构和细胞功能与人类相似
有高级神经活动
小鼠基因组测序计划已完成
人类99%的基因存在于小鼠，基因同源性高达78.5%
基因组93%的区域基因排列顺序与人类相同相同
基因组改造的技术手段成熟
发育生物学
爪蟾个体发育的主要阶段和生活史
发育的基本过程
1.配子发生：产生成熟的精子和卵子的过程。
2.受精：为精子和卵子相遇并结合的过程。
3.卵裂和囊胚：受精卵连续分裂，产生的细胞称为卵裂球，然后由它们形成多细胞的囊胚。
4.原肠形成：囊胚的细胞经过多种多样的形态发生运动产生由外胚层、中胚层和内胚层组成的原肠胚。
6.转基因技术
（1）将外源基因直接注射到受精卵的细胞核中
（2）通过胚胎干细胞介导
7.基因捕获（gene trap）与增强子捕获（enhancer trap）
如果所研究的基因可能在胚胎发育或者在组织细胞中广泛表达，全身基因剔除可能会带来纯合子胚胎致死(Embryonic lethality)或不孕不育(Infertility)的问题怎么办？
条件剔除(CKO)是可以根据研究者的意愿在特定组织细胞中、甚至在特定时间剔除目的基因的方法，这个方法的好处是可以更精确地研究目的基因在某个组织细胞、或者在某个发育生长阶段目的基因的功能。
发育的分子基础：每个细胞的细胞核中含有相同的，完整的遗传信息，因此细胞核是细胞具有发育全能性的基础。
管家基因（House-keeping gene）:指在生物体内所有细胞中都表达,并且为维持细胞基本生命活动所需而时刻都在表达的高度保守的基因。最常用的是ACTB和GAPDH。
正向遗传学
正向遗传学正向遗传学筛查是分子遗传学家最初可使用的一种方法。
该技术意在检定产生特定表型的变异。
为了提高变异的速度，常使用诱变剂来实现。
而一旦分离出变异体，就可以鉴定出对应的突变基因。
传统的遗传学手段大致可以分为“正向遗传学”（forward genetics）和“反向遗传学”（reverse genetics）两类。
正向遗传学是指，通过生物个体或细胞的基因组的自发突变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变，然后从这些特定性状变化的个体或细胞中找到对应的突变基因，并揭示其功能。
例如遗传病基因的克隆。
反向遗传学的原理正好相反，人们首先是改变某个特定的基因或蛋白质，然后再去寻找有关的表型变化。
例如基因剔除技术或转基因研究。
简单地说，正向遗传学是从表型变化研究基因变化，反向遗传学则是从基因变化研究表型变化。
(本站摘自<生物谷>,08-7-10)反向遗传学(Reversed Genetics)经典遗传学的认知路线为由表及里，即通过杂交等手段观察表型性状的变化而推知遗传基因的存在与变化。
随着分子遗传学及相关实验技术的发展，众已经能够在分子水平上进行操作，有目的地对DNA进行重组或者定点突变(in vitro site-directed mutagenesis)等。
因此，现代遗传学中就出现了另一条由里及表的认知路线，即通过DNA重组等技术有目的地、精确定位地改造改造基因的精细结构以确定这些变化对表型性状的直接影响。
由于这一认知路线与经典遗传学刚好相反，故将这个新的领域作为遗传学的一个分支学科，称为反向遗传学。
例如，将报告基因(reporter gene)，即编码易于检测的蛋白质或酶的某些基因，分别与某些待测的DNA片段重组，转染合适的细胞，通过测定报告基因的产物即可推断该片段在基因表达调控中的作用。
种子休眠的概念和意义1. 概念及内涵：种子休眠——指具有生活力的种子在适宜发芽条件下不能萌发的现象。
休眠的内涵：种子休眠(seed dormancy)是植物在长期系统发育过程中形成的抵抗不良环境条件的适应性，所以休眠有利于种族的生存和延续。
【南京大学 细胞遗传学】第十三章 发育的遗传分析
› Mutant allele counteracts wild type allele in heterozygote
RNA interference (RNAi)
Chemical genetics (small molecules)
Alignment of Histone H4 in five species.
Functional Conservation
of eyeless and Pax6
Ectopic expression of eyeless or Pax6
Pax6 mutant
eyeless mutant
发育调控基因的保守性 (II)
发育遗传学研究中常用的模式动物
Drosophila melanogaster (fly) Danio rerio (fish)
Mus musculus (mouse)
Caenorhabditis elegans
(worm, nematode)
模式生物对发育研究的贡献
All Living Organism达 细胞有序增殖与分化
个体正常发育
Programmed development Developmental program
二、遗传与发育在细胞水平上的统一
1. 细胞是有机体发育的基本单位； 2. 细胞的增殖、分化与凋亡构成发育的过程； 3. 个体发育的信息来自细胞内的遗传物质（基因组）；
基 因
设计实验，找到相关基因
反向遗传学分析 (Reverse Genetics)
发现新基因，功能未知
基 因
制备基因突变，
表
正向遗传学
正向遗传学正向遗传学，又称正向遗传分析或正向遗传学方法，是一种遗传学研究方法，用来确定哪些基因对于生物个体的正常生理功能和特定表型最为重要。
正向遗传学方法和常规的反向遗传学方法不同，后者是通过研究具有特定表型但未知基因的突变体来识别和定位基因。
正向遗传学的基本原理是从一个正常的生物体中识别关键基因，通过表达量分析、功能敲除、转基因等方法进行验证和确认。
这种方法可以用来鉴定为特定功能负责的基因，例如发育、代谢、免疫反应等。
正向遗传学关注的是一个个体或种群中实际起作用的基因和基因互作效应，因此可以提供更为深入的基因功能和表型机制的了解。
正向遗传学的应用作为一种高通量技术，正向遗传学方法在许多领域得到了广泛应用。
以下是几个典型的应用领域：发育学正向遗传学方法是发育生物学的重要工具，用于鉴定调控发育过程的基因。
例如，通过分析胚胎发育中基因的表达模式来揭示发育调控网络的构建过程。
代谢学正向遗传学方法也被用于代谢通路研究。
通过表达限制或失活特定代谢途径中的一个或多个基因，研究人员可以确定哪些基因对代谢通路的正常运行尤为关键。
免疫学正向遗传学方法也可用于免疫学研究，探究特定免疫反应与哪些基因相关。
例如，通过敲除或重组免疫系统中的基因，确定免疫系统如何响应外部刺激和入侵病原体。
肿瘤学正向遗传学也被广泛用于肿瘤学研究中。
通过分析肿瘤细胞与正常细胞基因组的差异，鉴定哪些基因发生了变异或表达异常，从而研究肿瘤的发生和发展。
正向遗传学的挑战正向遗传学技术虽然有很多优点，但在实践中也面临着一些挑战。
主要包括：表型分析的复杂性要识别特定基因与表型之间的关系，需要对基因和表型进行深入的分析。
在许多情况下，这种分析需要有专业的技能和经验。
因此，正向遗传学的结果需要进行跨领域验证和分析。
难以进行高通量筛选试验相比反向遗传学方法，正向遗传学通常需要更大的样本量，并且每个样品都需要进行操作和筛选。
这导致了实验成本和时间的增加，也增加了试验的复杂性。
发育生物学
<<发育生物学>>绪论•发育是遗传信息按一定的时间和空间顺序表达的结果。
发育具有严格的次序性，发育并不是个别基因的表达，而是众多基因表达在时间和空间上的联系和配合。
•发育生物学的主要任务是研究生物体发育的遗传程序及其调控机制。
后成论与先成论的持久论争希腊哲学家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。
Part 5. Investigative Techniques一、常规发育生物学研究技术显微技术活样品的精细结构组织切片技术胚胎内部结构分子生物学技术基因与蛋白质的表达原位杂交技术特定mRNA的表达显微操作技术基因功能报道基因技术不易检测的基因表达细胞标记技术细胞谱系染料细胞标记荧光细胞标记细胞移植二、发育遗传学技术⏹正向遗传学手段通过大规模随机诱变,产生发育异常的突变个体,再寻找突变基因。
⏹反向遗传学手段通过功能丧失或功能获得方法对已知基因进行功能研究。
1.正向遗传学技术诱变筛选技术、插入诱变筛选、突变基因的克隆2. 反向遗传学技术基因敲除技术、条件基因敲除技术、干扰技术、显性技术、转基因技术、克隆化分析第一章细胞命运的的决定一、细胞定型和分化从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（cell differentiation）。
已分化的细胞不但具有一定的形态和合成特异的产物，而且行使特异的功能。
定型（commitment）。
Slack（1991）建议将定型分为特化（specification）和决定（个时相。
胚胎细胞的定型有两种主要方式：•第一种方式的细胞定型是通过胞质隔离（cytoplasmic segregation）来实现的。
卵裂时，受精细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。
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生物技术1 8-13号
正向遗传学定义 正向遗传学在疾病基因克隆中的应用 存在的问题
正向遗传学(forward genetics)
传统的遗传学手段大致可以分为“正向遗传学” （forward genetics）和“反向遗传学”（reverse genetics）两类。
The end
如下图，
A株系单株
一般性状群体构建图
红花
3:1
1 TT
2 Tt
× 白花
B株系（TT）
1 tt
F1
红花（Tt）
×
已经引入差异 基因组
F2
红花
1 TT
2 Tt
白花 1 tt
在F1 代时两条染色体由于分离定律和自由组合, 所以一条来自父本一条来自母本, 此时并未经过 交换将两个基因组融合。所以要经过一代自交。 使得来自父本和母本的染色体交换之后，通过 引入的差异基因组来进行基因定位。
粗定位
选取突变体材料, 作为基因池( > 30 个突变体材
料的基因组放在一起提取DNA）。由于突变体材 料突变位点的基因型为隐性纯合, 根据遗传连锁 定律, 与该位点连锁紧密的位点交换率下降, 那 么在基因池中, 大部分不会交换,即是基因池中呈 现与突变株系一致性的分子标记, 是与突变位点 相连锁的, 也就是距离突变位点最近的, 由此可 以将突变位点确定在某一染色体的某个区段。
假设野生型该基因位点表示为T, 突变后的隐性 基因为t, 那么就可以假设野生型在该位点的基 因型是TT,而突变体在该位点为tt, 杂合体为Tt。 群体构建方案的理论基础就是遗传学三大定律, 首先是根据孟德尔的分离定律和自由组合定律。 假设已知要研究的表型为花色, 显性性状是红花, 隐性纯合体是白花。诱变株系是A, 野生型B作为 差异基因组被引入。
群体构建
由于物种的差异性和多样性, 构建基因定位遗传 群体的限制因素也很多, 具体情况都有不同的解 决方案, 这里讨论基本原理。
基因定位是根据基因组之间的差异性作为分子 标记来进行基因定位的。要得到这种分子标记, 我们通常用两个基因组拥有差异的生态型作为 基本材料, 诱变其中一个生态型, 另一个生态型 作为基因组差异引入材料, 由此才能作为以交换 为前提而产生的分子标记，如SNP（单核苷酸的 多态性）、INDEL（插入缺失标记）等。
精细定位
精细定位, 则是单株取材, 总体上大约需要1000 株以上的单株。在粗定位的基础上, 在定位位点 附近寻找大量分子标记。在与该粗定位连锁的 情况下, 大部分的突变体, 在粗定位附近的分子 标记上, 亦会呈现与突变株系相一致的特征, 但 是还是会有少量突变体出现重组。根据重组的 频率, 重组的方向, 可以判断, 分子标记突变位点 的距离和方向, 逐渐将定位的区间缩小。
诱变株系A在诱变之后应该回交数次以清除体内 其他无关突变位点, 才能进行基因定位。一般说 来定位群体要在1000 株突变体以上, 突变体占整 个群体的四分之一, 所以种子应在4 千粒以上, 因 为构建周期时间很长, 所以在构建群体的时候建 议至少要两倍以上, 所以万粒种子可能是个比较 保守的数字。
野生型A、野生型B, 已知它们在基因组上有各种 差异存在。我们诱变野生型A, 确定要研究的表 型后选取突变体∶野生型为1∶3 的突变株系, 利 用生物统计学方法确定该比例的可信度, 一般统 计数据应该大于200 个单株, 才具有一定的可信 度。根据三大遗传定律，在性状分离比严格符
合突变体∶野生型为1∶3 的情况时, 可以推测是 单基因控制的隐性突变, 这对研究单基因的功能 是非常有用的规则, 一般继续统计单株下一代的 比例, 以验证。
基因定位中存在的问题
粗定位中, 有时候会出现与两个以上的标记连锁, 这时候最好的方法是更换分子标记, 在连锁的标 记附近寻找其他分子标记来代替, 因为很多分子 标记都有可能出现某一株系的倾向性。在精细 定位时会出现分子标记不够用的情况, 这就要发 掘其他分子标记, 常用的分子标记有插入缺失分 子标记、单碱基差异等等。
正向遗传学是指，通过生物个体或细胞的基因组的 自发突变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变， 然后从这些特定性状变化的个体或细胞中找到对应 的突变基因，并揭示其功能。
简单地说，正向遗传学是从表型变化研究基因变化 正向遗传学的优点是可以通过突变现象来揭示基因
功能。
疾病基因克隆
通过基因定位可将某一疾病基因定位到某号染色体或 某号染色体的某一区带(细胞遗传学概念,高分辨染色体技 术可显出1 000 条带, 平均每条带约含300 ×104 个核苷酸, 约100～150 个基因) ,或某一区带的十几个或几个分摩内 (分子遗传学概念, 人类染色体为3 300 分摩, 每个分摩约含 90 ×104 核苷酸, 约30～50 个基因) 。然后采用各种分子 遗传学和计算机相结合的方法, 将这个定位区内可能相关 的基因分离出来, 再用这个基因对家系中的患者与正常者 逐个进行基因检测。如果发现某一突变仅存在于患者中, 则可初步确定这个基因可能是导致这种病的疾病基因。最 后, 再作相应病人或动物相关组织的基因表达, 若这个基因 在这种组织中表达, 则可认为找到了该病的疾病基因。
基因定位
基因定位基本原理 在基因功能的研究中, 一般选择单基因控制隐性 突变性状, 这是因为单基因控制质量性状, 可以 最大限度的排除其他因素的影响, 从而更快速的 把某个基因和某个性状联系在一起。
确定单基因控制隐性突变一般经过两个过程， 一个叫做粗定位，之后进行精细定位。
粗定位的目的是将突变基因首先确定在某条染 色体的某个区段。精细定位的目的是在粗定位 的基础上,利用各种分子标记来把定位区间逐渐 缩小, 最后缩小到一个范围( 国际上100kb 左右遍 可以进行测序) , 最终通过基因测序的方法, 找到 与野生型不同的突变位点, 从而将表型和基因连 锁, 继而为进一步研究基因功能奠定基础。