發(fā)育生物學(xué)1-9章全

1、發(fā)育生物學(xué)Developmental Biology生命既豐富多彩又非常奇妙緒論Metamorphosis胚后發(fā)育:兩棲類(lèi)變態(tài)鲆鰈類(lèi)發(fā)育變態(tài)When the summer flounder (Paralichthys dentatus) larva is about 10 mm long, the right eye begins to migrate over to the left side of the fish via a process that involves bone resorption and rotation of the fishs neurocranium. The

2、entire metamorphosing process occurs quickly, over about a 5-day period in starry flounders, in less than 1 day in some species. Developmental Processes什么是發(fā)育發(fā)育是生命活動(dòng)的共同屬性。從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物，從原核生物到真核生物，任何生物體都有一個(gè)發(fā)生、發(fā)展、終結(jié)的有序變化過(guò)程，其體制、結(jié)構(gòu)和功能亦隨之經(jīng)歷由簡(jiǎn)單到復(fù)雜然后衰退的變化。發(fā)育產(chǎn)生細(xì)胞的多樣性并使各種細(xì)胞在本世代有機(jī)體中有嚴(yán)格的時(shí)間和空間的次序性，世代重復(fù)出現(xiàn)，保證生物世代的交

3、替和生命的連續(xù)。本課程的主要講授內(nèi)容序言：發(fā)育生物學(xué)中的一些基本原理；發(fā)育生物學(xué)中的動(dòng)物模型；發(fā)育生物學(xué)中的現(xiàn)代技術(shù)。胚胎的早期發(fā)育：卵裂、原腸作用、神經(jīng)胚作用。細(xì)胞分化的機(jī)制：側(cè)重基因表達(dá)的調(diào)控對(duì)組織器官形成和分化的影響。發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞互相作用經(jīng)典而重要的熱點(diǎn)問(wèn)題：性別決定與生殖細(xì)胞，老化與壽命，體重肥胖與疾病，干細(xì)胞培養(yǎng)與動(dòng)物克隆教材及參考書(shū)Lewis Wolpert主編： Principles of Development，1998.Klaus Kalthoff:Analysis of Biological Development，2nd edition, 2001.Bruce M.

4、Carlson: Human Embryology & Developmental Biology, 2nd Edition,1999.Scott Gilbert編:Developmental Biology，6th Editions, 2000.發(fā)育生物學(xué) ， 尤永隆, 林丹軍, 張彥定主編 ，科學(xué)出版社 2011 發(fā)育生物學(xué) ，王方海，金立培編著，中山大學(xué)出版社2011發(fā)育生物學(xué) ， 安利國(guó)主編 ，科學(xué)出版社 2010發(fā)育生物學(xué)，張紅衛(wèi)主編，高等教育出版社，2005 年10 月，第二版發(fā)育生物學(xué)，桂建芳主編，科學(xué)出版社，2005 年8 月，第一版發(fā)育生物學(xué)相關(guān)期刊Developmental

5、 Biology Web ResourcesDevelopmental Biology OnLine (Univ. of Wis.)The Virtual Embryo (Univ. of Alberta, Canada)The Visible Embryo (U. C. San Fran.)The Human Embryo (Univ. Penn.)Developmental Markers (Univ. of Texas)Society for Develop. Biology (Purdue Univ.)Develop. Biology Resources (Purdue Univ.)D

6、rosophila WWW Library (Stanford Univ.)Randall Moons Lab (U. Washington)Paul Macdonalds Lab (Stanford Univ.)FlyBase Drosophila Database (Indiana Univ.)Sea Urchin Embryology (Stanford Univ.)FishScope (Univ. of Washington)Zygote (Swarthmore)Zebrafish Develop. Database (Univ. of Oregon)第一篇 基本原理與研究技術(shù)第一章發(fā)

7、育生物學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 一 、發(fā)育生物學(xué)是研究生物發(fā)育本質(zhì)的科學(xué)。發(fā)展基礎(chǔ)：胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生化與分子生物學(xué)。 同一受精卵分裂產(chǎn)生的細(xì)胞怎樣變得不同？ 這些不同的細(xì)胞如何構(gòu)成不同組織器官？受到哪些基因調(diào)控？這些基因間如何相互作用？這些相互作用如何導(dǎo)致生理效應(yīng)？ 是什么在控制細(xì)胞的行為，以至出現(xiàn)高度有序的發(fā)育模式？ 發(fā)育組織者及其作用要素如何隱含在受精卵之內(nèi)，特別是遺傳物質(zhì)-DNA之內(nèi)？胚胎學(xué)從動(dòng)物受精到出生之間有機(jī)體的發(fā)育，即胚胎發(fā)育。有機(jī)體的發(fā)育在出生后并未停止，大多數(shù)成年生物體依然繼續(xù)發(fā)育。因此，發(fā)育生物學(xué)研究?jī)?nèi)容包括胚后發(fā)育。發(fā)育生物學(xué)與胚胎學(xué)發(fā)育生物學(xué)應(yīng)用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)研究生物

8、發(fā)育現(xiàn)象與本質(zhì)。主要研究多細(xì)胞生物從生殖細(xì)胞的發(fā)生、受精、胚胎發(fā)育、生長(zhǎng)、衰老和死亡即生物個(gè)體發(fā)育(ontogeny)中生命過(guò)程發(fā)展變化的機(jī)制。研究生物種群系統(tǒng)發(fā)生(phylogeny)的機(jī)制。Life Tree二、發(fā)育生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1、后成論(epigenesis)和先成論(preformation)之爭(zhēng) 希臘哲學(xué)家Aristotle在公元前第4世紀(jì)在對(duì)雞胚和一些無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎觀察后提出胚胎發(fā)育的兩種假設(shè)： Preformation:生物個(gè)體的一切組成部分都早就存在于胚胎中，各個(gè)部分隨著胚胎的發(fā)育而長(zhǎng)大。Epigenesis: 在胚胎的發(fā)育過(guò)程中，各種結(jié)構(gòu)是逐漸形成的。17世紀(jì)，精原學(xué)說(shuō)的代

9、表人物Nicholas Hartsoeker所想像的精子中的微型人法國(guó)科學(xué)家Bonnet(1745)提出胚胎發(fā)育套裝論:動(dòng)物卵子包含由它生出的所有后代個(gè)體。(卵原學(xué)說(shuō))17世紀(jì)，意大利胚胎學(xué)家 Marcello Malpighi觀察到的雞胚19世紀(jì)30年代末：Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出細(xì)胞學(xué)說(shuō)(cell theory)。1840, August Weismann提出了生殖細(xì)胞論，認(rèn)為后代個(gè)體是通過(guò)精子和卵子繼承親本描述軀體特征的信息；卵子是一個(gè)細(xì)胞，其分裂產(chǎn)生的細(xì)胞可分化出不同組織，從而否定了preformation論。19世紀(jì)對(duì)Sea Urchin

10、受精卵的觀察發(fā)現(xiàn)，受精卵含有兩個(gè)細(xì)胞核，并最終合并為一個(gè)細(xì)胞核，表明細(xì)胞核含有遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)末，染色體的發(fā)現(xiàn)和發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目在發(fā)育中的變化規(guī)律，使孟德?tīng)栠z傳定律有了物質(zhì)基礎(chǔ)。2、細(xì)胞學(xué)說(shuō)改變了胚胎發(fā)育和遺傳的概念3、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)與發(fā)育生物學(xué)相伴而來(lái)1900年，孟德?tīng)栠z傳定律研究遺傳元素在世代間的傳遞。1909年荷蘭植物學(xué)家Wilhelm Johannsen提出基因型和表現(xiàn)型的概念，首次使遺傳學(xué)和胚胎發(fā)育學(xué)發(fā)生關(guān)系。20世紀(jì)40年代證明：DNA是遺傳物質(zhì)，控制蛋白質(zhì)的合成。20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)：DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代：三聯(lián)體密碼被破解。20世紀(jì)70年代：DNA重組技

11、術(shù)出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代：轉(zhuǎn)基因技術(shù)出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代：動(dòng)物克隆技術(shù)出現(xiàn)。世紀(jì)之交：HGP(human genome project)。新的突破：stem cells, proteomics, conditional gene knockout, mutagenesis第二章 發(fā)育的細(xì)胞和分子基礎(chǔ) 發(fā)育是物種遺傳特性的表達(dá)和展現(xiàn), 是遺傳信息按照特定的時(shí)間和空間表達(dá)的結(jié)果, 是生物體基因型(genotype)與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用, 并逐步轉(zhuǎn)化為表型(phenotype)的過(guò)程. 細(xì)胞分化（Cell differentiation） Question I形態(tài)發(fā)生（Morphogenesis

12、）Question II 區(qū)域特化（Regional specification）器官發(fā)生（ organogenesis）生長(zhǎng)（Growth）Question III繁殖（Reproduction）Question IV進(jìn)化（Evolution）Question V與環(huán)境的關(guān)系（Environmental integration ）Question VI 二、發(fā)育生物學(xué)的疑難問(wèn)題Question I-分化（Differentiation）Restriction of cell potency全能細(xì)胞-多能細(xì)胞-終極分化細(xì)胞 * (1014 cells/250 types of cells in

13、 the human body)Question II-形態(tài)發(fā)生（Morphogenesis）最突出的形態(tài)變化發(fā)生在原腸作用開(kāi)始之后。*Question III-生長(zhǎng)（Growth）體積會(huì)顯著增長(zhǎng)，原因在于細(xì)胞數(shù)量增加、細(xì)胞體積增加和胞外物質(zhì)的積累。不同組織器官生長(zhǎng)速度各異。*Question IV-繁殖（Reproduction）Sex Determination and Gametogenesis*Question V-進(jìn)化 (Evolution）How do changes in development create new body forms?鳥(niǎo)翼由四足動(dòng)物前肢演化而來(lái)。*Quest

14、ion VI-環(huán)境（Environmental integration）Environmental regulation of animal developmentPredator-induced defensesGenotype vs Phenotype*發(fā)育生物學(xué)成為生命科學(xué)研究的前沿和主戰(zhàn)場(chǎng)Science 2005, 309: 78-102. What dont we know? What is the biological basis of consciousness?Why do humans have so few genes?To what extent are genetic

15、variation and personal health linked?How much can human life span be extended?What controls organ regeneration?How can a skin cell become a nerve cell?How does a single somatic cell become a whole plant?Are we alone in the universe?How and where did life on earth arise?What determines species divers

16、ity?What genetic changes made us uniquely human?How are memories stored and retrieved?How did cooperative behaviour evolve?How will big pictures emerge from a sea of biological data?How far can we push chemical self-assembly?Can we selectively shut off immune responses?Is an effective HIV vaccine fe

17、asible?How hot will the greenhouse world be?How do organs and whole organisms know when to stop growing?How can genome changes be inherited?How is asymmetry determined in the embryo?How do limbs, fins, and faces develop and evolve?How much do vertebrates depend on the innate immune system to fight i

18、nfection?What triggers puberty?Are stem cells at the heart of all cancers?Why doesnt a pregnant woman reject her fetus?Do pheromones influence human behavior?What is the biological root of sexual orientation?What dont we know?(60 out of 100 questions are biology-related; and 10 development-related)發(fā)

19、育生物學(xué)對(duì)社會(huì)的影響In vitro fertilization 試管嬰兒Artificial insemination by donor 人工授精異常發(fā)育機(jī)制：Teratology (Developmental toxicology)畸形CancerHIV胎兒酒精綜合征(fetal alcohol syndrome; FAS)FAS患者身體和心理發(fā)育遲緩-頭小,人中模糊不清,上唇狹窄,鼻梁較低.平均智商68左右;足齡16.5歲FAS患者所掌握詞匯與6.5歲正常兒童相當(dāng),數(shù)學(xué)能力只有4年級(jí)水平.嗜酒母親所生嬰兒30-40%患FAS.三、發(fā)育的細(xì)胞基礎(chǔ)(一)、發(fā)育的基本階段（ major dev

20、elopmental processes） 受精（fertilization）、卵裂（cleavage）、原腸形成（gastrulation）、器官發(fā)生（organogenesis）、變態(tài)（metamorphosis）和成熟（maturity）一般來(lái)說(shuō)，前四個(gè)階段統(tǒng)稱(chēng)為胚胎發(fā)生期（embryogenesis），然后為變態(tài)期和成體期。動(dòng)物發(fā)育的基本階段及其主要特征（二）、發(fā)育的細(xì)胞共性事件細(xì)胞分裂（cell division): 滿足了細(xì)胞的快速增殖和發(fā)育進(jìn)程細(xì)胞分化（cell differentiation）:為機(jī)體細(xì)胞的多樣性提供了保證模式形成（pattern formation）: 使細(xì)胞

21、分化按一定的時(shí)空順序發(fā)生，確立了機(jī)體的統(tǒng)一性細(xì)胞遷移（cell migration）:為器官發(fā)生提供了細(xì)胞來(lái)源細(xì)胞凋亡（apoptosis）:抑制癌變細(xì)胞或受損細(xì)胞的增殖并及時(shí)清除1. 細(xì)胞分裂 Cell division: 受精，是2個(gè)單倍體配子精子和卵子，融合形成二倍體合子的過(guò)程，此過(guò)程刺激了卵子的發(fā)育。卵裂同時(shí)開(kāi)始。 Cleavage: 細(xì)胞分裂快、沒(méi)有細(xì)胞生長(zhǎng)的間歇期，因而新生細(xì)胞的體積比母細(xì)胞小。2.模式形成Pattern formation: (1)原腸胚形成（gastrulation).2. 模式形成Pattern formation: (2) 軀體軸線的制定發(fā)育的分子基礎(chǔ)是基因

22、的特異表達(dá)，是基因按照特定的時(shí)間和空間表達(dá)的結(jié)果，是生物體基因型（genotype）與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用，并逐步轉(zhuǎn)化為表型（phenotype）的過(guò)程。（一）基因控制細(xì)胞行為 是通過(guò)控制細(xì)胞中的蛋 白質(zhì)的生成而實(shí)現(xiàn)的四、發(fā)育的分子基礎(chǔ)(二)、發(fā)育是漸進(jìn)式的、細(xì)胞命運(yùn)決定于不同的發(fā)育時(shí)間細(xì)胞命運(yùn)Fate of cells:指正常發(fā)育情況下細(xì)胞將發(fā)育的方向，這種方向可因條件的改變而改變。細(xì)胞決定Determination:指細(xì)胞特性發(fā)生了不可逆的改變，發(fā)育潛力已經(jīng)單一化。細(xì)胞特化Specification:指一組細(xì)胞在中性環(huán)境下離體培養(yǎng)，它們?nèi)园雌湔Ｃ\(yùn)圖譜發(fā)育。(三)、誘導(dǎo)信號(hào)的相互作用可使

23、細(xì)胞互為不同，改變發(fā)育命運(yùn)擴(kuò)散性信號(hào)分子跨膜蛋白的直接互作間隙連接(gap junction)信號(hào)傳導(dǎo)特點(diǎn)傳遞距離有限并非所有細(xì)胞都能對(duì)某種信號(hào)發(fā)生反應(yīng)。不同類(lèi)型細(xì)胞可對(duì)同一信號(hào)發(fā)生不同反應(yīng),e.g., 乙酰膽堿使心肌收縮頻率下降，但促使唾液腺分泌唾液。 Autonomous cell fatenon-autonomous cell fate誘導(dǎo)信號(hào)實(shí)質(zhì)上是一些具有獨(dú)特功能的蛋白因子(四)、胞質(zhì)決定子（determinant）的不均勻分布及細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂使細(xì)胞具有不同的特性第三章 發(fā)育生物學(xué)研究技術(shù)和方法 發(fā)育是物種遺傳特性的表達(dá)和展現(xiàn), 是遺傳信息按照特定的時(shí)間和空間表達(dá)的結(jié)果, 是生物體

24、基因型(genotype)與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用, 并逐步轉(zhuǎn)化為表型(phenotype)的過(guò)程. 一、顯微注射（microinjection）【實(shí)驗(yàn)原理】 顯微注射技術(shù)是利用顯微操作系統(tǒng)將外源目的基因直接注入到受精卵的原核中，使外源基因整合到受體細(xì)胞的基因組內(nèi)，再通過(guò)胚胎移植技術(shù)將整合有外源基因的受精卵移植到受體動(dòng)物的子宮內(nèi)發(fā)育，從而獲得轉(zhuǎn)基因動(dòng)物?？芍苯佑貌缓性溯d體DNA片段的外源基因進(jìn)行轉(zhuǎn)移；外源基因的長(zhǎng)度不受限制, 可達(dá)100kb ；實(shí)驗(yàn)周期相對(duì)比較短。不足：設(shè)備昂貴；操作復(fù)雜；導(dǎo)入外源基因整合位點(diǎn)和拷貝數(shù)無(wú)法控制；常導(dǎo)致插入位點(diǎn)附近宿主DNA 片段缺失、重組等突變，可造成動(dòng)物嚴(yán)重

25、的生理缺陷。二、原位雜交核酸原位雜交技術(shù)就是利用放射性或非放射性標(biāo)記的已知核酸探針，通過(guò)放射自顯影或非放射檢測(cè)系統(tǒng)在組織、細(xì)胞及染色體上檢測(cè)特異DNA或RNA序列的一種技術(shù)，是一種直接、簡(jiǎn)便的研究基因定位和表達(dá)的方法。核酸探針是指用放射性同位素、非放射性熒光染料直接或間接標(biāo)記的，能與特定的核酸序列發(fā)生特異性互補(bǔ)的已知DNA或RNA片段。根據(jù)其來(lái)源和性質(zhì)可分為cDNA探針、基因組DNA探針、寡核苷酸探針、RNA探針等?；驹懋?dāng)溶液中的DNA分子經(jīng)高溫或高PH處理后，DNA雙鏈分子會(huì)變性產(chǎn)生兩條單鏈，如果將溫度逐漸下降或PH恢復(fù)到中性，單鏈會(huì)按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，重新形成氫鍵恢復(fù)到原來(lái)的雙鏈結(jié)

26、構(gòu)。如果兩條單鏈的來(lái)源不同，只要它們之間的堿基順序同源互補(bǔ)或者部分同源互補(bǔ)，在條件適宜時(shí)，就可以全部或部分復(fù)性，產(chǎn)生分子雜交。全胚原位雜交（whole mount in situ hybridization, WISH）廣泛用于胚胎發(fā)育調(diào)控基因表達(dá)研究的一種技術(shù)【實(shí)驗(yàn)原理】用各種標(biāo)記物標(biāo)記與體內(nèi)特定mRNA互補(bǔ)的RNA分子（反義RNA），以它們作為探針與動(dòng)物的整體胚胎進(jìn)行原位雜交，然后用相應(yīng)的抗體來(lái)檢查特異探針的分布情況。2. 胚胎組織切片原位雜交解決了探針不能滲入到胚胎內(nèi)部的問(wèn)題 mRNA的檢測(cè)原位雜交(in situ hybridization)利用原位雜交技術(shù)研究基因表達(dá)的時(shí)空譜mRNA

27、的檢測(cè)第四章 發(fā)育生物學(xué)研究中的主要模式動(dòng)物 由于地球上的生物體具有共同的進(jìn)化祖先，在生命的基本模式上具有相同的特征，因此生物學(xué)家在研究生命活動(dòng)的基本規(guī)律和人類(lèi)自身生理病理的過(guò)程中，為了研究的方便和可行，常常選用一些特定的物種或者有別于研究主體的生物，這些被選用的生物稱(chēng)為模式生物。 模式生物的特點(diǎn)有:1)生理特征能夠代表生物界的某一大類(lèi)群;2)容易獲得并易于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飼養(yǎng)繁殖;3)容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,特別是遺傳學(xué)分析. 主要優(yōu)點(diǎn)1. 體積小，易于繁 殖；2. 產(chǎn)卵力強(qiáng)；3. 性成熟短；4. 易于遺傳操作： 如誘變；1. 黑腹果蠅Drosophila melanogaster: Insect mo

28、del (一) Invertebrate Models果蠅優(yōu)勢(shì)：5. 基因組序列已全 部測(cè)出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)6. 染色體巨大，易于定位是目前遺傳背景最清楚的物種。14個(gè)體節(jié)構(gòu)成的軀干完全對(duì)稱(chēng)，一套基因控制了這些體節(jié)從上到下的發(fā)生過(guò)程，普遍存在于昆蟲(chóng)到人的基因組中，是決定體軸形成的最基本因素。2、秀麗隱桿線蟲(chóng) Caenorhabditis elegans: Worm model 主要優(yōu)點(diǎn)1. 易于養(yǎng)殖：成蟲(chóng) 體長(zhǎng)1mm，易冷 凍保存；2. 生命周期短：2.5-3 天，兩種成蟲(chóng)；3. 通體透明；細(xì)胞數(shù)

29、量少，譜系清楚；4. 易于誘變；5. 基因組序列已全部測(cè)出 (Science, Dec. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.)秀麗隱桿線蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)：體長(zhǎng)1mm，構(gòu)造簡(jiǎn)單，全身透明，細(xì)胞數(shù)目少，發(fā)育中細(xì)胞譜系幾乎固定，并且易于追蹤。是第一個(gè)完成基因組測(cè)序的多細(xì)胞動(dòng)物(二)、Vertebrate Models1. Xenopus laevis: Amphibian model 主要優(yōu)點(diǎn)1. 性成熟短； 2. 卵體大，數(shù)量多，易于顯微操 作；3. 抗感染力強(qiáng)，易 于組織移植；非洲爪蟾兩棲類(lèi)動(dòng)物模型優(yōu)勢(shì)：取卵方便。在實(shí)驗(yàn)室條件下，非洲爪蟾可以常年取卵，只要注射

30、激素，雌體第二天就可以產(chǎn)卵。 主要優(yōu)點(diǎn)1. 體積小，易于飼 養(yǎng)殖；2. 產(chǎn)卵力強(qiáng)；3. 性成熟短；4. 易于遺傳操作： 如誘變；5. 體外受精和發(fā)育， 易于觀察；6. 基因組序列已全 部測(cè)出。2. Danio rerio (zebrafish)斑馬魚(yú)優(yōu)勢(shì)：一、世代周期短（約三個(gè)月）二、胚胎較大并且透明易于觀察。 斑馬魚(yú)是目前唯一可以進(jìn)行大規(guī)模遺傳突變篩選的脊椎動(dòng)物。3. Mus musculus (Mouse) 主要優(yōu)點(diǎn)1. 易于養(yǎng)殖，快繁，多仔，不受季節(jié)影響2。已育成千余個(gè)獨(dú)立的遠(yuǎn)交群和近交系 3. 基因組序列已全部測(cè)出 小鼠優(yōu)勢(shì)：一、發(fā)育過(guò)程與人接近，可以作為人類(lèi)疾病的模型動(dòng)物。二、世代周

31、期二個(gè)月，在哺乳動(dòng)物中相當(dāng)短。缺點(diǎn)： 胚胎母體內(nèi)發(fā)育，胚胎極小，很難操作。是目前唯一可以進(jìn)行基因敲除實(shí)驗(yàn)的脊椎動(dòng)物。4. Gallus gallus (Chicken)雞優(yōu)勢(shì)：一、與哺乳動(dòng)物更加接近。二、胚胎體外發(fā)育，更容易進(jìn)行試驗(yàn)研究。是研究肢、體節(jié)等器官發(fā)育機(jī)制的重要模型 1. 重要組織器官發(fā)育的細(xì)胞與分子基礎(chǔ) 發(fā)育生物學(xué)是當(dāng)今生命科學(xué)中的一門(mén)前沿學(xué)科，主要利用小鼠、斑馬魚(yú)、爪蟾、海膽、果蠅、線蟲(chóng)、擬南芥、水稻等模式生物研究生物體從精子和卵子的發(fā)生、受精、胚胎發(fā)育、生長(zhǎng)，到衰老、死亡的規(guī)律。目前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域是從分子和細(xì)胞水平闡述一些重要發(fā)育途徑的調(diào)控機(jī)理，這些發(fā)育途徑包括胚胎誘導(dǎo)作用、胚

32、層的形成和分化、組織器官發(fā)育、配子發(fā)育和細(xì)胞的極性運(yùn)動(dòng)等，發(fā)現(xiàn)新的發(fā)育相關(guān)基因，闡明它們的時(shí)空表達(dá)譜、表達(dá)調(diào)控機(jī)理和對(duì)細(xì)胞行為和組織器官形成與分化的影響。 主要科學(xué)問(wèn)題：發(fā)育過(guò)程中基因時(shí)空表達(dá)的遺傳和表觀遺傳調(diào)控機(jī)制；機(jī)體形成時(shí)的格式化（patterning）；組織和器官形成中細(xì)胞分化和移動(dòng)的分子基礎(chǔ)；以動(dòng)物發(fā)育為模型研究人類(lèi)重大疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制等。第二篇 生命發(fā)育的基本過(guò)程2015. 5. 6個(gè)體發(fā)育：個(gè)體發(fā)生、發(fā)展、變化的總稱(chēng)受精卵形成 胚胎發(fā)育幼體成體 衰老死亡個(gè)體發(fā)育胚胎發(fā)育胚后發(fā)育卵裂期囊胚期原腸胚期神經(jīng)軸胚期器官發(fā)生期第一章 配子發(fā)生與種系的延續(xù)總論配子發(fā)生（gametogene

33、sis）:有性生殖（sexual reproduction）動(dòng) 物發(fā)育的前奏。包括精子發(fā)生和卵子發(fā)生，是由原始 生殖細(xì)胞分化而來(lái)。原始生殖細(xì)胞（primordial germ cell, pgc）在雄性動(dòng)物中分化為 精原細(xì)胞（spermatogonium）,在雌性動(dòng)物中分化為卵 原細(xì)胞（oogonium）,然后分別經(jīng)過(guò)精子發(fā) （spermatogenesis）和卵子發(fā)生（oogenesis）,形成成熟 的精子和卵子。卵子內(nèi)生殖質(zhì)（germ plasm）分布第一節(jié) 生殖質(zhì)與原始生殖細(xì)胞生殖質(zhì)（germ plasm）:具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的特殊細(xì)胞質(zhì),由蛋白質(zhì)和RNA構(gòu)成的顆粒狀結(jié)構(gòu), 均為母體效應(yīng)基

34、因轉(zhuǎn)錄或翻譯的產(chǎn)物 。是新一代生殖細(xì)胞的發(fā)源處；這種成分分布在卵或胚胎的一定部位，含有這種成分的細(xì)胞將發(fā)育為原始生殖細(xì)胞，再由它產(chǎn)生出生殖母細(xì)胞。生殖質(zhì)的存在已在很多無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物中得到證實(shí)。 命名繁多：生殖質(zhì)、極質(zhì)或極顆粒（果蠅、線蟲(chóng)）、生殖細(xì)胞決定子等。 位置（eg.爪蟾）：在受精前的卵子中隨機(jī)分布；受精后卵裂期間，保留在植物極囊胚細(xì)胞中。原腸形成期間，位于內(nèi)胚層；原腸后期，被決定為原始生殖細(xì)胞，從內(nèi)胚層遷出，進(jìn)入生殖嵴，形成性腺。囊胚腔動(dòng)物極植物極動(dòng)物極：黑褐色，細(xì)胞質(zhì)、核位于此植物極：淡黃色，含卵黃顆粒胞質(zhì)決定子（determinant）的不均勻分布及細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂使細(xì)胞具有不

35、同的特性原始生殖細(xì)胞（primordial germ cell，pgc）的遷移原始生殖細(xì)胞并不是在生殖腺中形成的多數(shù)動(dòng)物的pgc與其生殖腺起源不同（脊椎動(dòng)物性腺起源于 mesoderm）, 保持有空間距離獲得生殖質(zhì)形成pgc后, 遷移到生殖腺生殖腺中分化為卵子和精子。遷移路線在不同動(dòng)物中有所不同，參與遷移的pgc數(shù)量不同第二節(jié) 精子發(fā)生(spermatogenesis)精原細(xì)胞有絲分裂、生長(zhǎng)初級(jí)精母細(xì)胞第一次減數(shù)分裂次級(jí)精母細(xì)胞第二次減數(shù)分裂精子細(xì)胞變形期成熟精子魚(yú)類(lèi)精子發(fā)生過(guò)程及其主要事件原始生殖細(xì)胞pgc遷移進(jìn)入精巢一、精子發(fā)生過(guò)程是指由原始生殖細(xì)胞pgc發(fā)育成精原細(xì)胞，再發(fā)育到精子成熟并

36、排出體外的這一完整過(guò)程。5個(gè)發(fā)育階段：pgc、精原細(xì)胞增殖期、初級(jí)精母細(xì)胞生長(zhǎng)期、成熟分裂期和精子形成期結(jié)果：染色體數(shù)減半；DNA量減半；減數(shù)第一次分裂減數(shù)第二次分裂染色體復(fù)制聯(lián)會(huì)、四分體、交叉互換同源染色體對(duì)稱(chēng)排列在赤道板兩側(cè)同源染色體分離、非同源染色體自由組合姐妹染色單體分離間期前期中期后期后期著絲點(diǎn)排列在赤道板中期減數(shù)第一次分裂的實(shí)質(zhì)：同源染色體的分離減數(shù)第二次分裂的實(shí)質(zhì)：姐妹染色單體的分離B.精子的形成過(guò)程：生精小管A.精子的形成部位：睪丸的生精小管中二. 精子發(fā)生時(shí)間與部位1、精子的形成：時(shí)間：精原細(xì)胞在精巢內(nèi)一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，直到青春期增殖，繼而形成精子細(xì)胞。每個(gè)精母細(xì)胞通過(guò)減數(shù)分

37、裂形成四個(gè)精子細(xì)胞，變形成為精子。精子形成期（spermiogenesis）,又稱(chēng)變形期頂體泡（acrosomal vesicle）形成鞭毛（flagellum）生長(zhǎng)，負(fù)責(zé)精子運(yùn)動(dòng)多余細(xì)胞質(zhì)排除染色質(zhì)凝縮和精核重構(gòu)位于精膜上的卵子結(jié)合蛋白的產(chǎn)生第三節(jié) 卵子發(fā)生(Oogenesis)一、卵子發(fā)生過(guò)程進(jìn)入卵巢的原始生殖細(xì)胞pgc被稱(chēng)為卵原細(xì)胞（oogonium）卵子發(fā)生 是指由pgc發(fā)育成卵原細(xì)胞，再發(fā)育到排出成熟卵子（egg）的這一完整過(guò)程。結(jié)果：一個(gè)初級(jí)卵母細(xì)胞發(fā)育形成一個(gè)成熟卵細(xì)胞，染色體數(shù)目減半，DNA量減半。特點(diǎn)：減數(shù)分裂；卵母細(xì)胞生長(zhǎng)原始生殖細(xì)胞pgc遷移進(jìn)入卵巢卵原細(xì)胞（oogoni

38、um）有絲分裂、生長(zhǎng)初級(jí)卵母細(xì)胞第一次減數(shù)分裂，初級(jí)生長(zhǎng)、次級(jí)生長(zhǎng)次級(jí)卵母細(xì)胞第一極體第二次減數(shù)分裂第一極體第二極體成熟卵子魚(yú)類(lèi)卵子發(fā)生過(guò)程及其主要事件卵細(xì)胞極體極體次級(jí)卵母細(xì)胞卵原細(xì)胞四分體復(fù)制聯(lián)會(huì)同源染色體分離著絲點(diǎn)分裂著絲點(diǎn)分裂初級(jí)卵母細(xì)胞二. 卵子發(fā)生時(shí)間與部位(1)發(fā)生部位：卵巢(2)時(shí)間：胚胎發(fā)育的前3-5個(gè)月即可增加至幾百萬(wàn)個(gè)卵原細(xì)胞，大部分凋亡。胎兒發(fā)育3-7個(gè)月時(shí)，其余卵原細(xì)胞進(jìn)入生長(zhǎng)期，形成初級(jí)卵母細(xì)胞。出生時(shí)胎兒卵巢內(nèi)大約含有200萬(wàn)個(gè)初級(jí)卵母細(xì)胞（只有大約400個(gè)能形成卵子 ）。并開(kāi)始進(jìn)入第一次減數(shù)分裂前期（人12歲初潮持續(xù)至50余歲閉經(jīng)）。青春期，減數(shù)第一次分裂是在腦

39、垂體分泌的促卵泡激素（FSH）作用下雌性動(dòng)物排卵前后完成次級(jí)卵母細(xì)胞（經(jīng)后14天）減數(shù)第二次分裂是在精子和卵子結(jié)合的過(guò)程完成的。三、卵子發(fā)生的內(nèi)分泌調(diào)控下丘腦-腦垂體-性腺中心軸是調(diào)節(jié)卵子成熟和排卵的重要內(nèi)分泌系統(tǒng)促性腺激素釋放激素（gonadotrophin-releasing hormone, GnRH）光照、水溫等促性腺激素（gonadotrophin,GtH)孕酮第四節(jié) 精子發(fā)生與卵子發(fā)生的比較統(tǒng)稱(chēng)為配子發(fā)生都是由pgc分化產(chǎn)生配子的過(guò)程共性均涉及減數(shù)分裂，結(jié)果染色體數(shù)目減半，且同源染色體間發(fā)生交換重組，因而成熟的卵子和精子都是單倍體。當(dāng)精核和卵核受精時(shí)融合后，一個(gè)物種正常的二倍體染色

40、體數(shù)被恢復(fù)均涉及廣泛的形態(tài)學(xué)分化以利受精精子：鞭毛生長(zhǎng)、核凝縮、細(xì)胞質(zhì)外排和頂體泡形成卵子：大小劇增、營(yíng)養(yǎng)積聚、外殼保護(hù)層形成等卵子和精子在受精發(fā)生之前，都不能過(guò)長(zhǎng)時(shí)間存活精子的形成過(guò)程卵細(xì)胞的形成過(guò)程相同點(diǎn)染色體的行為變化相同:即在間期染色體先復(fù)制，在第一次分裂時(shí)同源染色體聯(lián)會(huì)，形成四分體，非姐妹染色體交叉互換，同源染色體分離，非同源染色體自由組合，第一次分裂結(jié)束后染色體數(shù)目減半；第二次分裂時(shí)著絲點(diǎn)分裂，姐妹染色單體分離不同點(diǎn)場(chǎng)所分裂方式子細(xì)胞個(gè)數(shù)是否變形睪丸卵巢細(xì)胞質(zhì)均等分裂細(xì)胞質(zhì)不均等分裂1個(gè)精原細(xì)胞4個(gè)精子有變形過(guò)程無(wú)變形過(guò)程1個(gè)卵原細(xì)胞1個(gè)卵細(xì)胞+3個(gè)極體卵子發(fā)生耗時(shí)較長(zhǎng)，而精子成熟

41、快速不同第二章 受精與生命的開(kāi)始總論Definition：來(lái)自父本的精子和來(lái)自母本的卵子相互作用產(chǎn)生合子的過(guò)程。重要事件：精子的頂體反應(yīng)；精子穿透卵子透明帶；卵子的皮層反應(yīng)和透明帶反應(yīng)；減數(shù)分裂的完成及多精入卵屏障的產(chǎn)生發(fā)生位點(diǎn)：體外（魚(yú)）；體內(nèi)（一些水生動(dòng)物和大多數(shù)陸生動(dòng)物）第一節(jié) 成熟精子和卵子的結(jié)構(gòu)精子結(jié)構(gòu)頂體囊泡中部精核1.形態(tài)結(jié)構(gòu)：頭、尾兩大部分2.大?。╩）長(zhǎng)度5070 m （卵子70140 m）3.精子的性別 哺乳動(dòng)物有攜帶X染色體或Y染色體兩種精子卵子結(jié)構(gòu)是精子體積的10000倍；成熟卵子中合成和吸收了大量的物質(zhì)，包括大量的蛋白質(zhì)、核糖體和tRNA、mRNA、形態(tài)發(fā)生因子（mo

42、rphogenetic factor）以及保護(hù)性化學(xué)物質(zhì)（如Ig），為以后的生長(zhǎng)和發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)：胚胎早期細(xì)胞的發(fā)育需要大量的儲(chǔ)存能量和AA核糖體和tRNA：早期胚胎需要合成自身的蛋白質(zhì)。mRNA：受精后卵子的發(fā)育所需，均為母源性。形態(tài)發(fā)生因子（胞質(zhì)決定子）：指導(dǎo)細(xì)胞分化的分子，定位在卵子的不同區(qū)域，在卵裂過(guò)程中分離到不同的細(xì)胞中去。保護(hù)性化學(xué)物質(zhì)：胚胎無(wú)法遠(yuǎn)離掠奪或遷移到安全區(qū)，因此需要各種因子的保護(hù)。海膽卵子的結(jié)構(gòu)質(zhì)膜卵黃膜(透明帶)質(zhì)膜在受精時(shí)可以調(diào)控特定的離子在卵子內(nèi)外的流動(dòng)，且能與精子質(zhì)膜融合。卵黃膜能識(shí)別同一物種的精子，對(duì)受精的物種特異性有非常重要的作用。皮層顆粒 卵黃顆粒

43、 海膽未受精卵的掃描電鏡照片，顯示卵黃膜（vitelline envelope）和內(nèi)部質(zhì)膜（plasm membrane）皮層(cortex)是質(zhì)膜下一層約5um厚的膠狀胞質(zhì)，比內(nèi)部的胞質(zhì)硬，含有高濃度的肌動(dòng)蛋白分子，受精時(shí)，聚合成微絲，延伸到細(xì)胞表面形成微絨毛(microvilli)，幫助精子進(jìn)入卵子。皮層內(nèi)有皮層顆粒(cortical granule)，約15000個(gè)，直徑為1m，含消化酶、粘多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，能夠阻止多精入卵并可以為卵裂球提供支持。卵黃膜(透明帶)第二節(jié) 配子識(shí)別受精過(guò)程中，精卵的識(shí)別具有種屬特異性，即給定物種的卵子對(duì)同源精子的識(shí)別與結(jié)合具有絕對(duì)的特異性。造成這

44、種特異性的原因在于雌雄配子表面具有某些結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的特異分子，通過(guò)這些特異分子之間的相互作用，保證了雌雄配子的正確識(shí)別。精子和卵子的相互作用主要分為5個(gè)步驟：1. 精子的趨化性（ chemotaxis ）2. 精子的頂體反應(yīng)，釋放水解酶。3. 精子與卵子外圍的卵黃膜（透明帶）結(jié)合4. 精子穿過(guò)卵外的結(jié)構(gòu)5. 精卵細(xì)胞質(zhì)膜的融合1、精子的趨化性 精子的趨化性（chemotaxis）是指精子根據(jù)化學(xué)濃度梯度直接向卵子運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。 現(xiàn)已在許多動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)，其卵母細(xì)胞完成第二次減數(shù)分裂后，可以分泌具有物種特異性的的趨化因子,如海膽的呼吸活化肽resact和精子活化肽speract，構(gòu)成卵周特有的微環(huán)境。 一

45、、精子激活腺苷酸環(huán)化酶環(huán)磷酸腺苷環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷加入10nM呼吸活化肽（resact）1納升后，海膽精子的聚集。A、B、C和D示加入呼吸活化肽1、20、40、90秒后的觀察結(jié)果ABCD2. 頂體反應(yīng)（acrosomal reaction） 頂體反應(yīng)是指受精前精子在同卵子接觸時(shí)，精子頂體產(chǎn)生的一系列變化，包括精子頂體外膜和細(xì)胞膜發(fā)生間斷性融合，形成小泡，頂體酶釋放，此過(guò)程稱(chēng)頂體反應(yīng) 。 具有頂體結(jié)構(gòu)的無(wú)脊椎動(dòng)物或脊椎動(dòng)物中，只有發(fā)生頂體反應(yīng)的精子才能進(jìn)入卵子并與卵子融合，也只有精子與卵子接觸時(shí)才發(fā)生頂體反應(yīng)。 海膽的頂體反應(yīng)精子與卵黃膜結(jié)合后，可引起頂體反應(yīng)。頂體發(fā)應(yīng)包括兩個(gè)主要的事件：頂體膜與精子質(zhì)

46、膜發(fā)生融合以及頂體突起（acrosomal process）的形成。無(wú)脊椎動(dòng)物的頂體反應(yīng) 精子頂體酶及其穿透作用 通過(guò)頂體反應(yīng)釋放的物質(zhì)中含有大量的水解酶，因此頂體這一結(jié)構(gòu)被認(rèn)為具有類(lèi)似溶酶體（lysosome）的功能。精子頂體酶的一個(gè)功能是在卵子外圍打一個(gè)洞，另外頂體反應(yīng)還與精卵結(jié)合有關(guān)。頂體反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制離子調(diào)控 精子質(zhì)膜上Ca2+泵、Na+/ Ca2+交換器和鈣離子通道中的Ca2+轉(zhuǎn)換系統(tǒng)均參與調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度； K+、Mg2 + 、Cl+ 、H+等也參與頂體反應(yīng)的調(diào)控脂質(zhì)調(diào)控 參與調(diào)控膜的流動(dòng)性和“鈣泵”的活性磷酸肌醇調(diào)控 多磷酸肌醇將在磷酯酶C的作用下，引起細(xì)胞內(nèi)非線粒體貯存

47、的Ca2+釋放，激活一些頂體反應(yīng)所需的關(guān)鍵酶，誘導(dǎo)頂體反應(yīng)海膽的精卵識(shí)別 海膽精子發(fā)生頂體反應(yīng)后釋放頂體酶，使卵細(xì)胞外的膠膜降解，精子穿越膠膜，其突起與卵黃膜(vitelline membrane)相互識(shí)別，與之融合，然后與卵細(xì)胞膜融合，導(dǎo)致精核進(jìn)入卵細(xì)胞中。 一、精卵識(shí)別的特異性 第三節(jié) 精卵結(jié)合（頂體反應(yīng)機(jī)制）海膽精子頂體突起與卵子微絨毛的接觸 海膽的精卵識(shí)別是由特異性結(jié)合蛋白（Bindin，30500Da）所介導(dǎo)的。Bindin定位在海膽精子的頂體突起上，具有種屬特異性。卵子卵黃膜上存在Bindin的受體，也被分離純化出來(lái)。由Bindin與Bindin受體介導(dǎo)的海膽精卵結(jié)合二、哺乳動(dòng)物的

48、精卵識(shí)別哺乳動(dòng)物精卵的特異性識(shí)別發(fā)生在卵細(xì)胞的透明帶（zona pellucida）部分。場(chǎng)所：輸卵管透明帶功能：頂體胞吐作用精卵識(shí)別卵子與精子頂體結(jié)合精子激活阻斷多精入卵小鼠透明帶絲狀串珠樣結(jié)構(gòu)示意圖卵子透明帶結(jié)構(gòu)主要由ZP1(200kDa), ZP2(120kDa), ZP3(80kDa) 三種磺?；奶堑鞍捉M成， ZP3含量最為豐富。作為精子特異性受體的是ZP3精子細(xì)胞膜上有三種配體：1. SP56（56kDa，半乳糖結(jié)合蛋白, galactose-binding protein）-可與ZP3分子上的半乳糖基特異性結(jié)合。如果ZP3的一個(gè)半乳糖基發(fā)生丟失或改變，精子將無(wú)法與卵子結(jié)合。2.

49、半乳糖基轉(zhuǎn)移酶 (GalTase) 可與ZP3分子上的N-乙酰葡糖胺結(jié)合 ，使精子G蛋白激活并誘導(dǎo)頂體反應(yīng)，阻礙多精入卵。3. 透明帶受體激酶（ZRK）(95kDa)一種跨膜蛋白，2個(gè)功能域，其外側(cè)部分可與ZP3分子特異結(jié)合，而內(nèi)側(cè)部分具有酪氨酸激酶的功能。該酶被激活后，導(dǎo)致頂體反應(yīng)。說(shuō)明ZRK是一種酪氨酸受體激酶。小鼠卵子透明帶與精子特異結(jié)合的可能機(jī)制三、二次結(jié)合 在頂體反應(yīng)期間，與ZP3結(jié)合的頂體前端發(fā)生胞吐作用，精子必須與透明帶結(jié)合才可以完成穿透作用，這種結(jié)合稱(chēng)為二次結(jié)合（secondary binding）。二次結(jié)合是通過(guò)頂體內(nèi)膜上的特殊蛋白與透明帶中的ZP2糖蛋白結(jié)合的。第二篇 生命

50、發(fā)育的基本過(guò)程2015.5.8 第三節(jié) 配子融合精卵質(zhì)膜融合 一、雌雄配子的融合精子通過(guò)與卵黃膜或透明帶的相互作用，發(fā)生頂體反應(yīng)，使和精子結(jié)合的卵黃膜或透明帶被頂體反應(yīng)釋放的水解酶溶解。穿過(guò)卵黃膜后到達(dá)卵子質(zhì)膜表面，并在該位置進(jìn)行精卵質(zhì)膜的融合。精子的細(xì)胞核和部分細(xì)胞器（中心粒和軸絲等）進(jìn)入卵子細(xì)胞質(zhì)中。雌雄配子的融合大多被限定在特定的區(qū)域內(nèi)。海膽精子入卵過(guò)程 海膽的精卵結(jié)合 （1）海膽精子入卵過(guò)程 海膽的精卵結(jié)合 （2）金色倉(cāng)鼠精子入卵過(guò)程 ：A，精卵融合的掃描電鏡照片 B，精子與透明帶的結(jié)合 C，精子頭部穿過(guò)透明帶。 哺乳動(dòng)物的精卵結(jié)合 （1）D，精子與卵子質(zhì)膜的融合TEM圖 E，精子頂體

51、與帶有微絨毛的卵子質(zhì)膜融合的示意圖哺乳動(dòng)物的精卵結(jié)合 （2）不形成頂體突起角度不是90度，而是切線與圓遺傳物質(zhì)融合精卵質(zhì)膜融合后，精子細(xì)胞核、中心粒和線粒體被注入到卵細(xì)胞質(zhì)中。線粒體后來(lái)被破壞清除線粒體為母本遺傳。雌雄原核形成并融合成為合子核受精完成。哺乳動(dòng)物的受精過(guò)程示意圖（自Carlson,1988) 許多精子都可以到達(dá)卵子的表面并與之吸附，但是通常只有一個(gè)精子能完成受精，稱(chēng)為單精入卵（monospermy）。 多個(gè)精子入卵受精稱(chēng)為多精入卵（polyspermy），將導(dǎo)致死亡或不正常的發(fā)育*。絕大多數(shù)動(dòng)物為單精入卵（有尾兩棲類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)等為生理性多精入卵）。受精過(guò)程通常是一個(gè)大量精子參與的活動(dòng)

52、，在這個(gè)過(guò)程中，卵細(xì)胞憑借兩套機(jī)制阻擋多余精子入卵，即快封閉反應(yīng)（膜電位變化）和慢封閉反應(yīng)（皮層反應(yīng)）阻止多精受精及異種精子入卵機(jī)制第一次卵裂兩個(gè)精子入卵后的海膽胚胎發(fā)育*（自Gilbert，2000）海膽雙精受精卵（dispermic egg）第一次卵裂的中期。人類(lèi)雙精受精卵的第一次有絲分裂。生命發(fā)展了多種機(jī)制防止多倍的染色體組融合，最普通的辦法是阻礙多精入卵。作用方式（海膽）：卵子細(xì)胞膜去極化引起的短暫、快速的阻礙作用卵子皮層顆粒的胞吐作用產(chǎn)生的一種較慢的阻礙作用；卵子細(xì)胞質(zhì)降解額外精子的核酸或排出包含有額外精子核酸的細(xì)胞質(zhì)。快速阻礙多精入卵 卵膜上存在離子通道，卵膜的快速阻礙多精入卵作用

53、是通過(guò)改變自身膜電位形成的。精子進(jìn)入卵細(xì)胞觸發(fā)細(xì)胞膜靜息電位迅速去極化，引起膜外精子與卵細(xì)胞識(shí)別和融合的障礙。海膽卵受精前后的膜電位變化B：control 490 nM Na C：120 nM Na導(dǎo)致多精入卵的比率升高 如人為維持原有的膜電位（負(fù)電位），可誘導(dǎo)多精入卵；如改變正常的初始膜電位（保持正值），則會(huì)阻止受精過(guò)程。降低卵外Na濃度導(dǎo)致多精受精比率的升高慢反應(yīng)皮層顆粒反應(yīng) 多精受精快速阻礙機(jī)制中膜電位的變化時(shí)間非常短暫（1 min左右），不足以永久實(shí)現(xiàn)阻礙多精入卵。 結(jié)合到卵黃膜的精子是通過(guò)皮層的小泡破裂皮層顆粒反應(yīng)被移除的；否則將導(dǎo)致多精入卵。皮層(cortex)是質(zhì)膜下一層約5um

54、厚的膠狀胞質(zhì)，比內(nèi)部的胞質(zhì)硬，含有高濃度的肌動(dòng)蛋白分子，受精時(shí)，聚合成微絲，延伸到細(xì)胞表面形成微絨毛(microvilli)，幫助精子進(jìn)入卵子。皮層內(nèi)有皮層顆粒(cortical granule)，約15000個(gè)，直徑為1m，含消化酶、粘多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，能夠阻止多精入卵并可以為卵裂球提供支持。海膽皮層顆粒反應(yīng)示意圖微絨毛卵質(zhì)膜卵黃膜皮質(zhì)顆粒結(jié)合在卵黃膜上的超數(shù)精子卵黃周隙微絲透明素受精膜透明層微絨毛皮質(zhì)顆粒內(nèi)含物中含有的蛋白質(zhì)：1）. 蛋白水解酶（proteolytic enzymes），可以使卵黃膜與質(zhì)膜間的聯(lián)系分離；剪除卵膜上Bindin受體及與之結(jié)合的精子。2）. 粘多糖(m

55、ucopolysaccharide)：進(jìn)入卵周隙吸水膨脹，使卵黃層向外隆起，形成受精膜（fertilization envelope ）舉起。3）. 過(guò)氧化物酶：皮層顆粒分泌的過(guò)氧化物酶通過(guò)交聯(lián)相鄰蛋白質(zhì)的酪氨酸殘基使受精膜變硬。 受精膜最先在精子入卵的位置形成，并向外擴(kuò)張至整個(gè)卵細(xì)胞，從而阻止多精入卵。4）. 透明質(zhì)素（hyalin）：在受精膜內(nèi)部形成透明質(zhì)層(hyalin layer)，它與卵裂中對(duì)分裂球的支持作用有關(guān)。卵細(xì)胞質(zhì)膜突起的微絨毛深入到其基部。海膽受精膜的形成及多余精子的移除哺乳動(dòng)物不形成受精膜，但皮質(zhì)顆粒中釋放的酶對(duì)透明帶中的精子受體分子（ZP2, ZP3）進(jìn)行修飾，即切除Z

56、P2, ZP3蛋白的末端糖基，使之喪失與精子結(jié)合的能力，因此，稱(chēng)為透明帶反應(yīng)例如：半乳糖基轉(zhuǎn)移酶 (GalTase)可與ZP3分子上的N-乙酰葡糖胺結(jié)合 ，使精子G蛋白激活并誘導(dǎo)頂體反應(yīng)。卵激活時(shí)皮質(zhì)顆粒釋放出來(lái)的N-乙酰葡糖酶能對(duì)ZP3上的GalTase結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行修飾，使ZP3不能與精子表面的GalTase結(jié)合，使精子再也不能結(jié)合到透明帶上。、鈣的作用 皮層顆粒反應(yīng)的作用機(jī)制與頂體反應(yīng)基本相似，由細(xì)胞內(nèi)信使Ca2誘發(fā)。研究證明，啟動(dòng)皮層顆粒反應(yīng)的鈣主要儲(chǔ)存在卵細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，而不是卵外鈣離子的內(nèi)流。 卵細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)分子三磷酸肌醇IP3激活Ca的釋放，而IP3的產(chǎn)生是與GTP結(jié)合蛋白（G蛋白

57、）或酪氨酸激酶相關(guān)的。海膽卵細(xì)胞皮層顆粒周?chē)膬?nèi)質(zhì)網(wǎng)海膽卵受精時(shí)釋放的鈣波從精子入卵點(diǎn)開(kāi)始跨越整個(gè)卵熒光染料:水母發(fā)光蛋白 三磷酸肌醇IP3在鈣離子釋放過(guò)程中的作用磷脂酶CpH卵子質(zhì)膜皮層顆粒釋放 未受精的卵子是惰性的，細(xì)胞的呼吸活動(dòng)、RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成處于或幾乎處于零水平。只有精膜與卵膜融合后，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)才能激活卵子發(fā)育。這一活化過(guò)程分為兩個(gè)階段：一、早期反應(yīng)（應(yīng)答）：指從精卵接觸到發(fā)生皮層顆粒反應(yīng)的數(shù)秒鐘內(nèi)所發(fā)生的事件。當(dāng)精卵接觸后就激活兩個(gè)主要反應(yīng)以阻止多精入卵：快封閉反應(yīng)引起膜去極化；慢封閉反應(yīng)由胞內(nèi)Ca釋放所引起。卵子的復(fù)蘇也依賴于胞內(nèi)游離Ca濃度的增加 第四節(jié) 卵子的激活

58、Model of possible pathway of egg activation in the sea urchin. 一、早期反應(yīng)精卵質(zhì)膜融合激活G蛋白或TK酶激活NAD+激酶快封閉反應(yīng)精卵結(jié)合后1min時(shí)開(kāi)始蛋白質(zhì)和DNA的合成 受精后利用卵細(xì)胞質(zhì)中儲(chǔ)存的母源mRNA迅速合成大量的蛋白質(zhì)，包括組蛋白、微管蛋白、肌動(dòng)蛋白、和早 期發(fā)育所需的形態(tài)生成因子。二、晚期反應(yīng) NAD+激酶激活NAD+轉(zhuǎn)化為NADP+，有助于質(zhì)膜形成，幫助谷胱甘肽再生一、卵子激活后完成第二次減數(shù)分裂，排出第二極體。二、雌雄原核的結(jié)合單倍體的精子核進(jìn)入卵細(xì)胞后，解凝聚形成雄原核（male pronucleus），卵

59、細(xì)胞核則形成雌原核（female pronucleus）。精核形成雄性原核的過(guò)程受到卵子的嚴(yán)格控制。精子入卵時(shí)線粒體與鞭毛在卵細(xì)胞內(nèi)降解，因此線粒體基因一般認(rèn)為是母源性的；但中心粒是父源性的。 第五節(jié) 遺傳物質(zhì)的重組海膽雌雄原核的融合海膽雄原核形成后旋轉(zhuǎn)180，其中心粒位于雌、雄原核之間，裝配成星體，連接并牽動(dòng)雄原核與雌原核相互靠近，最后融合形成一個(gè)細(xì)胞核，即合子核(zygote nucleus)。海膽中心粒發(fā)出的微管形成星光，連接并牽動(dòng)雄原核與雌原核相互靠近海膽雌雄原核的融合哺乳動(dòng)物雌雄原核的融合 與海膽不同：精子進(jìn)入卵子方式不同：微絨毛，切線雌雄原核遷移時(shí)間不同：海膽不需1h, 哺乳動(dòng)物約

60、持續(xù)12h之久；精核降解再重建過(guò)程哺乳動(dòng)物中，雌性原核在于雄性原核融合前必須完成第二次減數(shù)分裂（海膽卵子未受精前已是單倍體）合子中觀察不到真正的二倍體核，兩細(xì)胞期才可看見(jiàn)。二、 哺乳動(dòng)物雌雄原核的不均等性孟德?tīng)栠z傳定律形成合子的雌雄原核攜帶相同的單倍體染色體組。形成合子的雌雄原核所攜帶的單倍體基因組并不等同！ 有些基因，如免疫球蛋白與嗅覺(jué)受體基因，是單個(gè)等位基因隨機(jī)地表達(dá)，且抑制親本另一等位基因的表達(dá)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為等位基因排斥作用（allelic exclusion）。有些基因在個(gè)體中卻只表達(dá)單親基因，這就是所謂的印跡基因（imprinted gene）。這種等位基因表達(dá)取決于親本來(lái)源的現(xiàn)象叫