Note - Embryology & Developmental biology
- 發育生物學 (Developmental biology) 相關
- 組織學
- 個體
- 解剖學
- 發育遺傳學 (Developmental genetics)
- 研究不同表現型(phenotype) 下,正常或不正常的表觀遺傳學 (Epigenetics) 模式
- 不正常的發育所引發的疾病如
- Chromosomal aberrations
- 導致唐氏綜合症(Down syndrome)
- Chromosomal aberrations
- 幹細胞研究(Stem ell biology)
- 再生 (Regeneration)
- 再生醫學(Regenerative medicine)
- 老化 (Aging)
- 细胞凋亡 (Apoptosis)
- 解釋細胞如何啟動自我程序性死亡
發育生物學 (Developmental biology)
基本概念:
* 以分子和細胞的尺度研究生物生長及發育的科學
起源:
* 發育生物學源自於胚胎學 (Embryology)的研究 * theory * 漸成說 (Epigenesis theory) * 先成說 (Performation theory) * 胚胎發育機制 * 鑲嵌式發育(Mosaic development) * 調控式發育(Regulative development) * 胚胎發育幾個主要階段: * 切割分裂 (Cleavage division) * 模式形成(Pattern formation) * 型態發生 (Morphogenesis) * 細胞分化 (Cell differentiation) * 生長機制 * 以分子和細胞的尺度解釋 * 哪些細胞中的物質影響了發育 * 這些物質怎麼使胚胎細胞向一定方向分化 * 及分化的細胞如何構成組織或器官
研究領域
* 體發育學(Ontogeny) * 細胞成長的基因調控、分化及型態學 * 調控細胞的過程主導了整個發育的過程 * 細胞間的溝通(Cell-cell communication) * 生長素 (Morphogen) 在細胞間的擴散傳遞 * 胚胎型態發生階段的物理趨動力 * 細胞形狀改變 (Cell shape change) * 細胞遷徙 (Cell migration) * 各部位不同的細胞增殖(Cell proliferation)速度差異 * 影響了器官或個體最後的外型差異 * 細胞死亡(Cell death) * 計畫性細胞死亡(Programmed cell death) * 細胞自殺 (Apoptosis) * 癌症 * 老化 * 近代重要的發育生物學的研究領域 * ##### 初始的對稱或單一形狀如何發育成日後複雜的3D結構的組織及器官 * 細胞在特定邊上長出鞭毛 * 酵母的出芽 * 上皮組織中頭髮細胞的發育 * 型態學 (Morphology) * 生物力學(Biomechanics) * ##### 模式發育 (Pattern formation) * 發育成複雜組織或個體在空間與時間上的整合分佈 * 基因的表現時機和位置,對個體外型發育、及模式發育有重要腳色 * 體軸前後軸胚胎模式發育 (Anterior-posterior patterning of embryos) * 果蠅或其他目標物種的 * 內胚層(Endoderm),中胚層(Mesoderm)和外胚層(Ectoderm)的發育 * 主動性的方向性非均等細胞行為 (Directional-anisotropic cell behavior); * 細胞與細胞之間的溝通 * 許多動植物的型態發生 (Morphogenesis) 和模式發育有著相同或類似的分子作用機制, * 演化發育生物學(Evolutionary developmental biology) * 探討模式發育的分子機制及其型態控制演變的親緣關係及發育過程的演化 * ##### 細胞自我更新 (Self-renewal) * 幹細胞相關研究 * 幹細胞是能進行自我增生且有潛力能分化成幾乎所有細胞類型的未特化細胞 * 幹細胞的基礎研究 * 誘導性多功能幹細胞 (Induced Pluripotent Stem Cells,IPSCs) * 幹細胞基因調控 * 幹細胞分化機制研究 * 幹細胞的應用研究 * 治療遺傳性疾病和癌症 * 再生移植醫學 * 以幹細胞培育成組織及器官 * 抗衰老 * ##### 神經系統發育 * 其他細胞或組織的發育機制也同樣作用在神經系統上 * 大腦網路的發育也受其他電子活動的影響。 * 早期胚胎背侧表面有一群細胞日後會發育成腦和脊髓,稱為神經板(Neural plate)。 * 控制這群細胞的信號來自背側表面的下層 * 在神經板上分子信號的空間濃度梯度,影響了細胞生成 * 間細胞元 * 運動細胞元
研究方向
- 發育模式形成(Pattern formation)
- 幹細胞生物學(Stem cell biology)
- 量化或系統發育生物學 (Quantitative or system developmental biology)
發育模式形成 Pattern Formation
- 廣義: 不同物種的外觀獨特性
- 細胞構成組織,組織構成器官並形成個體
- 重點: 探討其開端包括胚胎或細胞的發育模式形成
- 胚胎的體軸前後軸胚胎模式發育
- 基因調控
- 物理作用力等作用機制
- 微管 (Microtube)
- 參與細胞內物質運輸
- 支持細胞型態
- 推動模式形成的內部構造的內部動力
- 微管 (Microtube)
- 形式必須以生長的角度來研究
- 解釋形狀則必須瞭解機轉
- 非均勻擴張(Anisotropic growth)
- 譬如組織的擴張並非一致,而這不一致則塑造出器官的獨特外觀
- 塑造的過程可能來自於外來機械力的塑造,或是細胞集團的集體行為。
- 譬如組織的擴張並非一致,而這不一致則塑造出器官的獨特外觀
- 非均勻擴張(Anisotropic growth)
- 生物形式是機械性與物理作用的結果
- 這些過程的描述必須具有數學準確性
- 描述發育的生物學空間形式 (Spatial patterns)
- 反應擴散模式 (Reaction-diffusion model)
- 1950 Turing
- 以電腦模擬空間形式如何生成, 模擬發育的空間形式
- 原理:將生長素及其他參與擴散的物質建立擴散模式
- 考慮各反應物質間反應的擴散參數,
- 建立多維偏微分程式組求解,解就是生成的空間形式。
- 生物力學模式(Biophysical models)
- 量化影像處理技術 (Quantitative imaging)
- 重現發育的過程
- 反應擴散模式 (Reaction-diffusion model)
- 未來發育模式形成研究要努力的方向:
- 細胞與細胞之間的聯繫方式(Cell-cell interactions)
- 基因與轉錄表現的震盪現象 (Oscillations in transcription and protein expression)
- 生物力學及遺傳表現間的機制
- 廣義: 不同物種的外觀獨特性
幹細胞生物學(Stem cell biology)
- 越來越多的傳統發育生物學家投入幹細胞生物學 (Stem cell biology)的研究。
- 希望藉著對幹細胞分化或更深研究而重新去瞭解胚胎發育的過程。
- 像再生醫學 (Regenerative medicine),也因為幹細胞的研究及傳統發育生物學的結合進展迅速。
- 1960, 證明造血幹細胞
- Ernest A. McCulloch 及 James E. Till
- 1964, 胚胎腫瘤細胞(embryonal carcinoma cells,EC cells)
- 劉易斯·克萊因史密斯(Lewis Kleinsmith)和 巴里·皮爾斯(G. Barry Pierce Jr.)
- 1981, 培養出小鼠的胚胎幹細胞
- 英國劍橋大學遺傳學部中,馬丁·埃文斯(Martin Evans)及馬修·考夫曼(Matthew Kaufman)
- 1998, 人類胚胎幹細胞
- 威斯康星大學教授詹姆斯·湯姆森(James Thomson)
- 幹細胞可分成
- 胚胎幹細胞 (Embryonic stem cell,ES)
- 全能幹細胞 (Totipotent)
- 具有分化成完整個體的能力
- 如何利用 ES 細胞將會是未來幹細胞研究及生物工程的核心問題
- 全能幹細胞 (Totipotent)
- 成體幹細胞 (Adult stem cell)兩種。
- 萬能幹細胞 (Pluripotent) 或
- 多功能幹細胞 (Multipotent)
- 專一幹細胞(Unipotent)
- 僅具有能發育成多種組織的細胞能力,但不能發育成完整個體
- 臍帶血幹細胞或骨髓幹細胞等都算是成體幹細胞
- 它們能形成先驅細胞 (Progenitor cells) 再分化成不同的細胞類型。
- 研究重點
- 尋找在各組織中特異性的幹細胞
- 建立分離及鑑定系統
- 比較這些幹細胞和ES細胞的性質
- 這些幹細胞在Stem cell niche 中受因子控制細胞更新與分化的路徑
- 胚胎幹細胞 (Embryonic stem cell,ES)
- 化學誘導性多功能幹細胞 (Chemical induced Pluripotent Stem Cells, IPSCs)
- 只需要化學物質無需基因轉殖步驟就能將體細胞誘導成幹細胞
- 在小鼠活體內就能將體細胞轉化成誘導性多能幹細胞
- 利用幹細胞培養出類似大腦發育早期的3D腦部結構, 研究大腦結構
- 使用自身iPSC的器官移植能避免自身排斥反應
- 應用人類幹細胞於心臟或肺炎疾病的治療
量化或系統發育生物學 Quantitative or system developmental biology
- 發育生物學新興的領域
- 計算發育生物學
- 系統發育生物學
- 結合影像處理技術及像蛋白質體學 (Proteomics) 或轉錄體學 (Transcriptome) 的量化技術,能取得高精確度的發育過程的量化資料,幫助回答傳統發育學上一些無法回答的問題.。
- 量化資料吸引了物理學家及數學家投入
- 解析在型態發生 (Morphogenesis) 中形狀改變的內部物理力量
- 瞭解胚胎發育的物理機制
- 量化技術以及電腦模擬將會越來越重要
- 結合Computation 與發育生物學
- 以胚胎量化資料於建立數學計算模型於胚胎模式發育 (Embryonic patterning)的研究
- 實驗資料與電腦模擬的結合是解決 Developmental patterning 的趨勢。
- 結合Computation 與發育生物學
- 四種 Developmental patterning 的研究方向
- 生長素梯度(Morphogen gradient)
- 從某信號源細胞傳遞的信號梯度所引導的 Global pattern 現象
- 生長素梯度(Morphogen gradient)
- 活化與抑制系統(Activator-inhibitor system)。
- 耦合振盪子(Coupled oscillators)
- 機械性形變(Mechanical deformation)
- 將系統生物學 (System biology) 概念應用在發育生物學上
- 結合對單一基因或細胞的研究
- 通過整合影響發育的基因表現及蛋白質之間的相互關係而建立系統
- 系統發育生物學(System developmental biology)也是未來發育生物學的主要研究趨勢