發(fā)育生物學第十六章生殖細胞的發(fā)生

發(fā)育生物學第十六章生殖細胞的發(fā)生第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.

生殖質(zhì)與生殖細胞的分化2.原始生殖細胞的遷移3.精子發(fā)生（spermatogenesis）4.卵子發(fā)生(oogenesis)第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四一、生殖質(zhì)與生殖細胞分化在胚胎發(fā)育初期生殖細胞就已經(jīng)決定的動物，其生殖細胞來源于原生殖細胞（primordialgermcell，PGC）。原生殖細胞經(jīng)過遷移，進入發(fā)育中的生殖腺原基—生殖嵴（genitalridge）分化成為生殖細胞。而原生殖細胞的起源可以追溯到更早期的胚胎發(fā)育階段。第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

有些動物的卵細胞質(zhì)中存在著具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)、可識別的特殊細胞質(zhì)——生殖質(zhì)（germplasm）。生殖質(zhì)由蛋白質(zhì)和RNA組成，定位于卵質(zhì)的特殊區(qū)域，具有生殖質(zhì)的細胞將分化成為原生殖細胞。各類動物生殖質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和特性、原生殖細胞的形成及其遷移有較大的差異。第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.線蟲的P顆粒

線蟲第4次卵裂結(jié)束時，便產(chǎn)生了生殖細胞譜系，所有的生殖細胞都來自P4分裂球。線蟲未受精卵中均勻分布的生殖質(zhì)—P顆粒(posteriorgranules)

，在受精后迅速地集中到預定胚胎的后部。生殖細胞形成和P顆粒分布的關(guān)系說明，P顆?？赡軐τ谏臣毎姆只哂兄匾淖饔谩５?頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四P顆粒在受精過程和第一次卵裂過程中的不對稱定位第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四26細胞期時全部P顆粒都在P4細胞中第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四Par-3突變體內(nèi)actin和P顆粒的異常分布第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四pgl基因的產(chǎn)物是P顆粒的成分之一，對生殖細胞的發(fā)育來說是必需的。PGL蛋白可能通過調(diào)節(jié)mRNA的代謝參與生殖細胞的特化。pie-1基因參與P分裂球干細胞特性的維持，PIE-1蛋白只在生殖細胞譜系的分裂球中出現(xiàn)，但PIE-1蛋白并非P顆粒的成分。PIE-1蛋白抑制P分裂球中合子基因的轉(zhuǎn)錄，直至胚胎發(fā)育到100個細胞左右的時期。這種轉(zhuǎn)錄的抑制作用會保護生殖細胞免受促進體細胞發(fā)育的那些轉(zhuǎn)錄因子的影響。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.果蠅的極質(zhì)

卵細胞內(nèi)特殊的生殖質(zhì)決定生殖細胞的發(fā)育命運，最清楚的例子來自對果蠅的研究。果蠅的原始生殖細胞最早發(fā)現(xiàn)于受精后90min，這些原生殖細胞位于胚胎的后端。胚胎后端的細胞質(zhì)內(nèi)含有特殊的極質(zhì)（poleplasm）顆粒，其內(nèi)含有蛋白質(zhì)和多種RNA。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四果蠅的極質(zhì)A.果蠅極細胞極質(zhì)的透射電鏡照片。B.卵裂結(jié)束前的早期果蠅胚胎極細胞的掃描電鏡照片。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

兩個主要的實驗證實了極質(zhì)（poleplasm）可以促進生殖細胞發(fā)育命運的特化。第一，如果用紫外線照射卵的后端，破壞極質(zhì)的活性，便沒有生殖細胞形成。第二，移植果蠅的極質(zhì)能夠引起生殖細胞分化。如果將卵的后極移植到另一個胚胎的前端，極質(zhì)所包圍的細胞核便分化形成生殖細胞。如果將卵前端這些細胞移植到將來發(fā)育為生殖腺的區(qū)域，它們就可以發(fā)育為有功能的生殖細胞。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四移植果蠅極細胞質(zhì)能夠治愈射線照射引起的生殖細胞不發(fā)育。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

有些母體效應基因（maternaleffectgene）的表達對于果蠅極質(zhì)的形成具有重要的作用。至少有8種基因的突變會導致果蠅不能形成極質(zhì)，不能形成生殖細胞，因此是不育（sterile）的。其中，oskar基因在果蠅極質(zhì)的形成和裝配過程中起著極其重要的調(diào)控作用。Oskar基因?qū)⑵鋗RNA定位于胚胎的后極。第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四A.staufen基因內(nèi)應在oskar基因之前行使功能，并影響oskar基因的表達。B.研究明了的影響果蠅生殖細胞發(fā)生的6種基因的作用順序。第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四決定果蠅原始生殖細胞的命運的其他基因gcl(germcell-less):gcl基因在卵的生成過程中由營養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)錄，受精后開始翻譯，其蛋白定位在極質(zhì)中。缺失該基因?qū)е鹿墴o生殖細胞。另外在果蠅的極質(zhì)中還發(fā)現(xiàn)了一些可能參與PGC形成的基因產(chǎn)物，如:nanos

基因、線粒體大核糖體RNA(mtlrRNA,mitochondriallargeribosomalRNA)以及極粒成分（polargranulecomponent,pgc）的非翻譯RNA等。

第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四果蠅gcl基因產(chǎn)物定位于受精卵和早期胚胎的后端。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.爪蟾的生殖質(zhì)兩棲類原生殖細胞的發(fā)生部位定位在卵細胞的植物極，在這一部位發(fā)現(xiàn)有類似于果蠅P顆粒染色性質(zhì)的胞質(zhì)成分存在。（Bounoure，1934）第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四蛙受精的合子中生殖質(zhì)成分（種質(zhì)）靠近植物極。第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四桑椹胚內(nèi)胚層區(qū)里含有種質(zhì)成分的細胞的有絲分裂。第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四在原腸胚形成啟動時，靠近囊胚腔底面的原始生殖細胞。第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.小鼠：

沒有證據(jù)表明小鼠與其他哺乳動物生殖細胞發(fā)生與生殖質(zhì)的關(guān)系。小鼠生殖細胞發(fā)生涉及細胞之間的相互作用。小鼠胚胎中最早能夠識別的PGC位于原條后端。第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四二、原始生殖細胞的遷移不同動物在生殖腺原基發(fā)生時，原生質(zhì)細胞以不同的方式遷移進入生殖腺原基，在那里進行生殖細胞的分化。第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.果蠅原始生殖細胞的遷移果蠅原始生殖細胞起源于胚胎的后端，經(jīng)后中腸穿過腸壁和中胚層，形成兩個分離的隊列，最終聚集在生殖腺中。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.兩棲類原始生殖細胞的遷移兩棲動物的生殖質(zhì)定位在卵的植物極，用紫外線照射胚胎植物極之后，生殖腺中將缺少生殖細胞。原始生殖細胞遷移路線：植物極---囊胚腔底部細胞的分裂溝附近---原腸腔底部內(nèi)胚層-－幼蟲后腸聚集－沿腸背部遷移至生殖嵴中。每個生殖嵴有～30PGC。生殖嵴細胞內(nèi)的一些因子是PGCs定向遷移的重要因素。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.鳥類和爬行類生殖細胞的遷移

鳥類的PGC最早起源于明區(qū)中央的上胚層細胞，在原腸作用中遷移至明區(qū)的前部邊緣的下胚層，形成生殖新月區(qū)(germinalcrescent)，這些細胞繁殖成為PGC。生殖新月區(qū)形成血管時，PGC進入血管，通過血液循環(huán)遷移進入生殖嵴。第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四雞原條期胚胎的背面觀，示原始生殖細胞發(fā)生的生殖新月區(qū)、暗區(qū)、明區(qū)和亨氏節(jié)。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.哺乳動物生殖細胞的遷移A.在卵黃囊靠近后腸和尿囊連接處可觀察到原始的生殖細胞。B.原始生殖細胞經(jīng)過腸、腸系膜的背面遷移到生殖嵴。第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四C.小鼠胚胎后腸里大的原始生殖細胞，示堿性磷酸酶的表達。D.原始生殖細胞沿背腸系膜遷移并進入生殖嵴中。第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四哺乳動物原始生殖細胞的遷移途徑示意圖。第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.減數(shù)分裂（meiosis）

原生殖細胞進入生殖腺原基后不斷進行有絲分裂，產(chǎn)生生殖干細胞后代。生殖干細胞必須經(jīng)過減數(shù)分裂才能分化形成雌性配子或雄性配子，染色體數(shù)目由雙倍體變成單倍體。第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四6.生殖細胞定向分化的決定遷移進入生殖腺原基的原生殖細胞具備兩種發(fā)育潛能，由生殖腺內(nèi)的微環(huán)境決定分化成為精子或卵子。這里涉及兩種決定：第一種決定是生殖干細胞是進入減數(shù)分裂進行配子發(fā)生還是進行有絲分裂成為生殖干細胞。第二種決定是進行減數(shù)分裂的細胞是發(fā)育為卵子還是精子。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四位于線蟲生殖腺末端的遠端細胞對生殖干細胞進行有絲分裂還是減數(shù)分裂具有調(diào)控作用。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四離開生殖腺末端的細胞進入減數(shù)分裂，而留在末端的細胞繼續(xù)有絲分裂。末端的單個遠端細胞（distaltipcell）的纖毛含lag-2蛋白，它與GC上的受體glp-1結(jié)合后抑制GC發(fā)生減數(shù)分裂。用激光使遠端細胞失活可導致所有GC進入減數(shù)分裂；將該細胞移植到其它處，則可使附近細胞繼續(xù)有絲分裂。Glp-1基因在生殖細胞對遠端細胞的信號作出反應的過程中起作用。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四線蟲生精或生卵的分子機制第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四三、精子發(fā)生一、精子發(fā)生（spermatogenesis

）脊椎動物的PGCs到達雄性胚胎的生殖腺原基后，立即進入性索，然后停留在那里直到成熟。性索發(fā)育成為生精小管，其管上皮細胞分化形成支持細胞（sertolicell）。PGCs分裂形成精原細胞。第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四哺乳動物支持細胞和精子的發(fā)育，細胞在成熟過程中不斷向生精小管腔推進。第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四人精子發(fā)生(spermatogenesis)的過程人約需74天第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四二、精子形成(spermiogenesis)高爾基體形成頂體泡，中心粒產(chǎn)生精子鞭毛，線粒體整合入鞭毛，核濃縮，胞質(zhì)廢棄，最后產(chǎn)生成熟的精子。第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四人類精子結(jié)構(gòu)示意圖第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四四、卵子發(fā)生(oogenesis)1.卵母細胞的減數(shù)分裂卵子發(fā)生除了形成單倍體的細胞核之外，還要建立一個由酶、mRNA、細胞器和代謝產(chǎn)物等組成的細胞質(zhì)庫，具備十分復雜的胞質(zhì)體系。其次卵母細胞有很長的減數(shù)分裂前期，使卵母細胞充分生長。第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四原生殖細胞進入胚胎卵巢后分化成為卵原細胞（oogonia）。卵原細胞分裂增殖，進入第一次減數(shù)分裂前期，形成初級卵母細胞（primaryoocyte）。初級卵母細胞停止在第一次減數(shù)分裂的前期，這種阻斷的情況一直維持到青春期。隨著青春期的開始，初級卵母細胞在卵巢內(nèi)激素的作用進一步發(fā)育成熟，階段性地恢復減數(shù)分裂，接著第二次減數(shù)分裂發(fā)生，進行排卵。成熟的卵處于第二次減數(shù)分裂的中期。第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四人類卵巢中生殖細胞數(shù)目的變化第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四魚（Coregonus）卵母細胞極體的形成，示卵母細胞的兩次成熟分裂并非是均等分裂。第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.減數(shù)分裂的阻斷和繼續(xù)

孕酮能促進卵母細胞繼續(xù)減數(shù)分裂。其作用機理：孕酮使卵內(nèi)一種編碼pp39mos

的mRNA開始翻譯，而pp39mos能抑制一種專一性降解細胞周期蛋白(cyclin)

的蛋白酶。如果cyclin不降解，蛋白質(zhì)激酶促成熟因子（maturationpromotingfactor,MPF）就會保持其活性，使阻斷的減數(shù)分裂繼續(xù)。第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.昆蟲的卵子發(fā)生

滋養(yǎng)型方式：果蠅卵子發(fā)生的初期在卵巢中進行，起源于卵巢一端的生殖系干細胞經(jīng)過4次分裂形成由細胞質(zhì)橋相互連接的16細胞合胞體。其中只有位于胞囊后端的一個細胞形成卵母細胞，其余15個細胞則形成滋養(yǎng)細胞。第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第59頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四滋養(yǎng)細胞的核DNA經(jīng)過多次復制，形成多倍體的核。由于