發(fā)育生物學(xué)第十六章生殖細(xì)胞的發(fā)生

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

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

有些動(dòng)物的卵細(xì)胞質(zhì)中存在著具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)、可識(shí)別的特殊細(xì)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(xì)胞將分化成為原生殖細(xì)胞。各類動(dòng)物生殖質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和特性、原生殖細(xì)胞的形成及其遷移有較大的差異。第4頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.線蟲(chóng)的P顆粒

線蟲(chóng)第4次卵裂結(jié)束時(shí)，便產(chǎn)生了生殖細(xì)胞譜系，所有的生殖細(xì)胞都來(lái)自P4分裂球。線蟲(chóng)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(yù)定胚胎的后部。生殖細(xì)胞形成和P顆粒分布的關(guān)系說(shuō)明，P顆?？赡軐?duì)于生殖細(xì)胞的分化具有重要的作用。第5頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四P顆粒在受精過(guò)程和第一次卵裂過(guò)程中的不對(duì)稱定位第6頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四26細(xì)胞期時(shí)全部P顆粒都在P4細(xì)胞中第7頁(yè)，共65頁(yè)，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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第9頁(yè)，共65頁(yè)，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(duì)生殖細(xì)胞的發(fā)育來(lái)說(shuō)是必需的。PGL蛋白可能通過(guò)調(diào)節(jié)mRNA的代謝參與生殖細(xì)胞的特化。pie-1基因參與P分裂球干細(xì)胞特性的維持，PIE-1蛋白只在生殖細(xì)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(gè)細(xì)胞左右的時(shí)期。這種轉(zhuǎn)錄的抑制作用會(huì)保護(hù)生殖細(xì)胞免受促進(jìn)體細(xì)胞發(fā)育的那些轉(zhuǎn)錄因子的影響。第10頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.果蠅的極質(zhì)

卵細(xì)胞內(nèi)特殊的生殖質(zhì)決定生殖細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)，最清楚的例子來(lái)自對(duì)果蠅的研究。果蠅的原始生殖細(xì)胞最早發(fā)現(xiàn)于受精后90min，這些原生殖細(xì)胞位于胚胎的后端。胚胎后端的細(xì)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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四果蠅的極質(zhì)A.果蠅極細(xì)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(xì)胞的掃描電鏡照片。第12頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

兩個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了極質(zhì)（poleplasm）可以促進(jìn)生殖細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)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(méi)有生殖細(xì)胞形成。第二，移植果蠅的極質(zhì)能夠引起生殖細(xì)胞分化。如果將卵的后極移植到另一個(gè)胚胎的前端，極質(zhì)所包圍的細(xì)胞核便分化形成生殖細(xì)胞。如果將卵前端這些細(xì)胞移植到將來(lái)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(xì)胞。第13頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四移植果蠅極細(xì)胞質(zhì)能夠治愈射線照射引起的生殖細(xì)胞不發(fā)育。第14頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第15頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第16頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

有些母體效應(yīng)基因（maternaleffectgene）的表達(dá)對(duì)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(huì)導(dǎo)致果蠅不能形成極質(zhì)，不能形成生殖細(xì)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(guò)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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第18頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第19頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第20頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A.staufen基因內(nèi)應(yīng)在oskar基因之前行使功能，并影響oskar基因的表達(dá)。B.研究明了的影響果蠅生殖細(xì)胞發(fā)生的6種基因的作用順序。第21頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四決定果蠅原始生殖細(xì)胞的命運(yùn)的其他基因gcl(germcell-less):gcl基因在卵的生成過(guò)程中由營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄，受精后開(kāi)始翻譯，其蛋白定位在極質(zhì)中。缺失該基因?qū)е鹿墴o(wú)生殖細(xì)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(yè)，共65頁(yè)，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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.爪蟾的生殖質(zhì)兩棲類原生殖細(xì)胞的發(fā)生部位定位在卵細(xì)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(yè)，共65頁(yè)，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(yè)，共65頁(yè)，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(xì)胞的有絲分裂。第26頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在原腸胚形成啟動(dòng)時(shí)，靠近囊胚腔底面的原始生殖細(xì)胞。第27頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.小鼠：

沒(méi)有證據(jù)表明小鼠與其他哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)生與生殖質(zhì)的關(guān)系。小鼠生殖細(xì)胞發(fā)生涉及細(xì)胞之間的相互作用。小鼠胚胎中最早能夠識(shí)別的PGC位于原條后端。第28頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、原始生殖細(xì)胞的遷移不同動(dòng)物在生殖腺原基發(fā)生時(shí)，原生質(zhì)細(xì)胞以不同的方式遷移進(jìn)入生殖腺原基，在那里進(jìn)行生殖細(xì)胞的分化。第29頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.果蠅原始生殖細(xì)胞的遷移果蠅原始生殖細(xì)胞起源于胚胎的后端，經(jīng)后中腸穿過(guò)腸壁和中胚層，形成兩個(gè)分離的隊(duì)列，最終聚集在生殖腺中。第30頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.兩棲類原始生殖細(xì)胞的遷移兩棲動(dòng)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(xì)胞。原始生殖細(xì)胞遷移路線：植物極---囊胚腔底部細(xì)胞的分裂溝附近---原腸腔底部?jī)?nèi)胚層-－幼蟲(chóng)后腸聚集－沿腸背部遷移至生殖嵴中。每個(gè)生殖嵴有～30PGC。生殖嵴細(xì)胞內(nèi)的一些因子是PGCs定向遷移的重要因素。第31頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第32頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.鳥(niǎo)類和爬行類生殖細(xì)胞的遷移

鳥(niǎo)類的PGC最早起源于明區(qū)中央的上胚層細(xì)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(xì)胞繁殖成為PGC。生殖新月區(qū)形成血管時(shí)，PGC進(jìn)入血管，通過(guò)血液循環(huán)遷移進(jìn)入生殖嵴。第33頁(yè)，共65頁(yè)，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(xì)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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第35頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第36頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.哺乳動(dòng)物生殖細(xì)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(xì)胞。B.原始生殖細(xì)胞經(jīng)過(guò)腸、腸系膜的背面遷移到生殖嵴。第37頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四C.小鼠胚胎后腸里大的原始生殖細(xì)胞，示堿性磷酸酶的表達(dá)。D.原始生殖細(xì)胞沿背腸系膜遷移并進(jìn)入生殖嵴中。第38頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四哺乳動(dòng)物原始生殖細(xì)胞的遷移途徑示意圖。第39頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.減數(shù)分裂（meiosis）

原生殖細(xì)胞進(jìn)入生殖腺原基后不斷進(jìn)行有絲分裂，產(chǎn)生生殖干細(xì)胞后代。生殖干細(xì)胞必須經(jīng)過(guò)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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第41頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.生殖細(xì)胞定向分化的決定遷移進(jìn)入生殖腺原基的原生殖細(xì)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(xì)胞是進(jìn)入減數(shù)分裂進(jìn)行配子發(fā)生還是進(jìn)行有絲分裂成為生殖干細(xì)胞。第二種決定是進(jìn)行減數(shù)分裂的細(xì)胞是發(fā)育為卵子還是精子。第42頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四位于線蟲(chóng)生殖腺末端的遠(yuǎn)端細(xì)胞對(duì)生殖干細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂還是減數(shù)分裂具有調(diào)控作用。第43頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離開(kāi)生殖腺末端的細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂，而留在末端的細(xì)胞繼續(xù)有絲分裂。末端的單個(gè)遠(yuǎn)端細(xì)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(yuǎn)端細(xì)胞失活可導(dǎo)致所有GC進(jìn)入減數(shù)分裂；將該細(xì)胞移植到其它處，則可使附近細(xì)胞繼續(xù)有絲分裂。Glp-1基因在生殖細(xì)胞對(duì)遠(yuǎn)端細(xì)胞的信號(hào)作出反應(yīng)的過(guò)程中起作用。第44頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第45頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四線蟲(chóng)生精或生卵的分子機(jī)制第46頁(yè)，共65頁(yè)，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(dòng)物的PGCs到達(dá)雄性胚胎的生殖腺原基后，立即進(jìn)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(xì)胞分化形成支持細(xì)胞（sertolicell）。PGCs分裂形成精原細(xì)胞。第47頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四哺乳動(dòng)物支持細(xì)胞和精子的發(fā)育，細(xì)胞在成熟過(guò)程中不斷向生精小管腔推進(jìn)。第48頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人精子發(fā)生(spermatogenesis)的過(guò)程人約需74天第49頁(yè)，共65頁(yè)，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(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人類精子結(jié)構(gòu)示意圖第51頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、卵子發(fā)生(oogenesis)1.卵母細(xì)胞的減數(shù)分裂卵子發(fā)生除了形成單倍體的細(xì)胞核之外，還要建立一個(gè)由酶、mRNA、細(xì)胞器和代謝產(chǎn)物等組成的細(xì)胞質(zhì)庫(kù)，具備十分復(fù)雜的胞質(zhì)體系。其次卵母細(xì)胞有很長(zhǎng)的減數(shù)分裂前期，使卵母細(xì)胞充分生長(zhǎng)。第52頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四原生殖細(xì)胞進(jìn)入胚胎卵巢后分化成為卵原細(xì)胞（oogonia）。卵原細(xì)胞分裂增殖，進(jìn)入第一次減數(shù)分裂前期，形成初級(jí)卵母細(xì)胞（primaryoocyte）。初級(jí)卵母細(xì)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(kāi)始，初級(jí)卵母細(xì)胞在卵巢內(nèi)激素的作用進(jìn)一步發(fā)育成熟，階段性地恢復(fù)減數(shù)分裂，接著第二次減數(shù)分裂發(fā)生，進(jìn)行排卵。成熟的卵處于第二次減數(shù)分裂的中期。第53頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第54頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人類卵巢中生殖細(xì)胞數(shù)目的變化第55頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四魚(yú)（Coregonus）卵母細(xì)胞極體的形成，示卵母細(xì)胞的兩次成熟分裂并非是均等分裂。第56頁(yè)，共65頁(yè)，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(jìn)卵母細(xì)胞繼續(xù)減數(shù)分裂。其作用機(jī)理：孕酮使卵內(nèi)一種編碼pp39mos

的mRNA開(kāi)始翻譯，而pp39mos能抑制一種專一性降解細(xì)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(huì)保持其活性，使阻斷的減數(shù)分裂繼續(xù)。第57頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.昆蟲(chóng)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(jìn)行，起源于卵巢一端的生殖系干細(xì)胞經(jīng)過(guò)4次分裂形成由細(xì)胞質(zhì)橋相互連接的16細(xì)胞合胞體。其中只有位于胞囊后端的一個(gè)細(xì)胞形成卵母細(xì)胞，其余15個(gè)細(xì)胞則形成滋養(yǎng)細(xì)胞。第58頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第59頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四滋養(yǎng)細(xì)胞的核DNA經(jīng)過(guò)多次復(fù)制，形成多倍體的核。由于