A-第3章 卵裂.ppt

1、第三章 卵裂 （CLEAVAGE）,受精是發(fā)育的起始一步。此后具有父母遺傳潛能的和細胞質(zhì)重排的合子開始產(chǎn)生多細胞的有機體。這個過程稱為卵裂(cleavage), 經(jīng)多次有絲分裂產(chǎn)生大量較小的具核細胞，此期的細胞稱為卵裂球(blastomeres)。 在大多數(shù)動物中細胞分裂的速度和卵裂球彼此間的位置完全是由母體儲存在卵內(nèi)的蛋白質(zhì)和mRNA控制的.,卵裂期間胚胎的細胞質(zhì)并不增加，隨著細胞數(shù)目的大量增加，細胞的核質(zhì)比迅速增大(海膽從1/500到1/6)。蛙卵在43小時分裂形成37000個細胞；果蠅在前2小時每10分鐘分裂一次，在12小時就能形成50000個細胞. （下圖示卵裂期和原腸胚期每個胚胎細胞

2、數(shù)量的對數(shù)關(guān)系）,一. 卵裂的模式： 卵裂是一個受遺傳控制的非常有序的過程。卵裂的模式具有種的特異性，主要由兩個因素決定。 細胞質(zhì)內(nèi)卵黃的數(shù)量和分布； 細胞質(zhì)內(nèi)影響有絲分裂紡錘體的角度和形成時間的一些因子前者決定卵裂發(fā)生的位置和卵裂球的大小. 卵黃是一種進化的適應(yīng).少卵黃者速形成幼蟲再發(fā)育,獸類形成胎盤,第一節(jié) 卵裂的模式和類型,表1：卵裂類型與卵黃數(shù)量及分布的關(guān)系 卵裂方式 卵黃分布 卵裂類型 代表動物 完全卵裂 均黃卵 輻射狀卵裂 棘皮動物、文昌魚 （少黃卵） 螺旋狀卵裂 大多數(shù)軟體動物、 環(huán)節(jié)動物、扁蟲及線蟲 兩側(cè)對稱卵裂 海鞘 不規(guī)則卵裂 哺乳動物 中黃卵 輻射對稱卵裂 兩棲類 不完全

3、卵裂 端黃卵 兩側(cè)對稱卵裂 頭足綱、扁蟲 盤狀卵裂 魚類、爬行類和鳥類 中央黃卵 表面卵裂 大多數(shù)節(jié)肢動物 ,二. 卵裂的類型,(一) 輻射型完全卵裂 (Radial holoblastic cleavage) 1. 海膽(Sea urchins): 雌雄原核融合后第一次有絲分裂紡錘體軸垂直于卵的動植物極,卵裂溝直接通過動植物極，稱經(jīng)裂(meridional), 分裂產(chǎn)生2個相等的姊妹細胞.第二次有絲分裂也通過動植物極并與第一次分裂面垂直,產(chǎn)生4個相等的卵裂球.第三次有絲分裂經(jīng)過赤道面，并與第一和第二次分裂面垂直，稱緯裂(equatorial).第四次有絲分裂為經(jīng)裂，在動物極產(chǎn)生8個相同的細胞

4、，它們被稱為中卵裂球(mesomeres)。而在植物極產(chǎn)生靠赤道面的4個大卵裂球(macromeres)和靠植物極的4個小卵裂球(micromeres)。,第五次有絲分裂（緯裂）動物極的中卵裂球產(chǎn)生an1和an2兩排細胞；植物極的大卵裂球緯裂產(chǎn)生8個靠近an2的一排細胞，小卵裂球產(chǎn)生一小團細胞。第六次為經(jīng)裂，第七次為緯裂，產(chǎn)生128個細胞的囊胚(blastula)，中間有一個腔，稱為囊胚腔(blastocoel)。此時所有細胞的大小相同，囊胚壁只有一層細胞。 實驗證明，在阻斷第1、2或3次有絲分裂情況下(搖動或置于低滲海水中)，小卵裂球的分裂按時進行。受精后合子細胞質(zhì)中漸進的變化引起有絲分裂紡

5、錘體在特定時間和特定方向上形成。植物極可能含小卵裂球形成物質(zhì)，通過某種機制它在合適的時間被激活。,海膽的卵裂,2. 兩棲類(Amphibians):輻射對稱卵裂 類似棘皮動物，但兩棲類卵內(nèi)卵黃含量較高，主要集中在植物極，成為卵裂的障礙。第一次卵裂(經(jīng)裂)始于動物極并向植物極延伸。在美西螈延伸速度1mm/min。當卵裂溝分隔灰色新月區(qū)（精子入卵點對面）后延伸速度僅為0.2-0.3mm/min。 蛙受精卵，第一次卵裂溝尚未完全分隔植物極時，第二次卵裂(與第一次垂直的經(jīng)裂)已于動物極開始。第三次緯裂因為植物極卵黃多卵裂溝偏向動物極一側(cè)。形成動物極4個小卵裂球和植物極4個大卵裂球。此后動物極卵裂球分裂

6、快，植物極分裂慢，動物極集中數(shù)量較多的小卵裂球，植物極集中了數(shù)量少、體積大、富含卵黃的大卵裂球。128-細胞期出現(xiàn)囊胚腔，形成囊胚.,爪蟾（Xenopus）早期胚胎發(fā)育,蛙胚在16-64細胞期稱為桑葚胚(morulae) 在爪蛙(Xenopus laevis)囊胚腔的出現(xiàn)可以追溯到非常早的第一次卵裂溝。在近動物極區(qū)產(chǎn)生較寬的細胞間腔，它通過細胞間的緊密連接與外界隔離。此腔此后擴大為囊胚腔(下圖) 右圖為蛙受精卵卵裂時的掃描電鏡照片.分別顯示(A)第一次卵裂；(B)第二次卵裂；(C)第四次卵裂(16-細胞期), 示在第三次分裂后出現(xiàn)的動物極區(qū)和植物極區(qū)間細胞大小的差別,(二)螺旋型完全卵裂 (S

7、piraal holoblastic cleavage),螺旋狀完全卵裂在許多方面不同于輻射狀卵裂。受精卵并不以平行或垂直卵的動植物極的方式分裂, 卵裂以傾斜的角度形成“螺旋”排列的姊妹細胞; 分裂形成的細胞更廣泛地彼此連接, 利用了熱力學上最穩(wěn)定的包裝定向; 螺旋卵裂的胚胎通常在原腸形成之前只進行較少的分裂, 因此可追蹤囊胚每個細胞的命運. 當比較環(huán)節(jié)動物、扁形動物和軟體動物胚胎的單個細胞的命運時,發(fā)現(xiàn)同樣的細胞分布于相同的位置。 這樣形成的胚胎不具囊胚腔，稱實心囊胚(stereoblastula),左圖示軟體動物胚胎的卵裂, 最初兩次卵裂產(chǎn)生4個大卵裂球(A，B，C和D), 其大小在許多種

8、不同 (D最大)。在相繼的卵裂中, 每個大卵裂球在動物極方向分裂出一個小卵裂球, 每次小卵裂球分裂產(chǎn)生的四合體向它姊妹大卵裂球的右方或左方錯位, 形成螺旋排列的特點。(右圖A :動物極觀; B :側(cè)面觀),蝸牛有的卷曲開口于殼的右邊, 有的開口于左邊。分析發(fā)現(xiàn)這種變化受卵母細胞中的細胞質(zhì)因子控制.在一種螺(Limnea peregra)中, 大多數(shù)是右旋的, 很少發(fā)現(xiàn)左旋的突變體.當突變體與野生型螺交配時，存在一個右旋的基因D，它對左旋的等位基因d是顯性的。但卵裂的方向不是由發(fā)育中螺的基因類型決定的, 而是由螺的母本基因類型決定的。 一個dd雌性螺只能產(chǎn)生左旋的后代，即使它后代的基因型是Dd。

9、因此Dd個體右旋或左旋只依賴于母體的基因組。當注射右旋螺的少量細胞質(zhì)到dd母本的卵中, 導(dǎo)致胚胎卵裂的方向向右卷曲。 DD(雌) dd(雄) Dd (全部右旋) DD(雄) dd(雌) Dd(全部左旋) DdDd 1DD:2Dd :1dd (全部右旋),(三) 兩側(cè)對稱型完全卵裂(Bilateral symmetrical holoblastic cleavage),被囊類Styela partita卵裂模式如圖。第一次卵裂面在胚胎中建立了唯一的對稱面，分開將來的左右兩側(cè)。每一次相繼的卵裂也定位于這個對稱面。而且第一次卵裂的一側(cè)形成的半胚鏡面對稱于另一側(cè)半胚。第二次卵裂象第一次是經(jīng)裂,但它不穿

10、過卵的中央。它產(chǎn)生兩個大的前部細胞(A和D)及兩個小的后部細胞(B和C)。在此后3次分裂后,細胞大小和形狀的不同使胚胎的兩側(cè)對稱更明顯。在32-細胞期形成一個小的囊胚腔, 原腸形成也由此開始。 S.partila卵帶有色素的細胞質(zhì)在卵裂期間被分開進入不同的細胞中, 細胞接受細胞質(zhì)的類型決定細胞的命運。接受清亮細胞質(zhì)的細胞變?yōu)橥馀邔? 含黃色細胞質(zhì)的變?yōu)橹信邔? 含灰色細胞質(zhì)的變?yōu)閮?nèi)胚層, 而含淺灰色細胞質(zhì)的變?yōu)樯窠?jīng)管和脊索。這些帶色素的細胞質(zhì)圍繞兩側(cè)對稱面在第一次卵裂時被兩側(cè)定位.,(四) 旋轉(zhuǎn)型完全卵裂 (Rotational holoblastic cleavage),哺乳動物的卵裂最難研

11、究. 它的卵動物界最小, 人受精卵只有100m, 體積比爪蛙卵小1000倍.另外, 哺乳動物通常每年只在一定時間產(chǎn)少于10個卵, 很難得到足夠材料. 哺乳動物胚胎發(fā)育在另一有機體中完成, 難以在體外實驗操作和觀察. 哺乳動物的卵子由卵巢排入輸卵管中(右圖), 受精發(fā)生在輸卵管的壺腹(ampulla), 第一次卵裂開始于一天之后。哺乳動物卵裂動物界最慢, 每次間隔12-24小時。輸卵管中纖毛擺動將胚胎推向子宮. 卵裂發(fā)生在此旅程中,哺乳動物卵裂特點：分裂速度相對慢；卵裂球罕見的彼此聯(lián)系的定位，第一次正常經(jīng)裂，而第二次一個經(jīng)裂，另一個緯裂(右上圖)；明顯的異時性, 哺乳動物卵裂球都不是同時分裂的;

12、 基因組在早卵裂期被激活, 而且基因組產(chǎn)生卵裂發(fā)生所必須的蛋白質(zhì)。在小鼠和山羊這發(fā)生在2-細胞期。 1. 緊密作用(compaction): 如下圖, 直到8-細胞期呈現(xiàn)一種具充足空間的松散排列。而第三次分裂卵裂球突然擠作一團, 最大限度地增加彼此之間的連接, 形成一個緊密的細胞球, 外部細胞通過緊密連接加固, 并封死球的內(nèi)部。內(nèi)部細胞通過間隙連接, 使小分子和離子通過.,緊密的胚胎細胞分裂產(chǎn)生16-細胞的桑葚胚。桑葚胚由一大群外細胞圍繞一小群內(nèi)細胞(1-2個細胞)組成. 大多數(shù)外細胞的后代變?yōu)樽甜B(yǎng)層(tropho-blast)細胞。它們產(chǎn)生非胚胎的結(jié)構(gòu), 形成絨毛膜(chorion)，胎盤的

13、胚胎部分。它從母體獲得營養(yǎng)和氧氣, 它還分泌激素, 并產(chǎn)生免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)因子, 使母體不排斥胚胎。它對胚胎植入子宮壁是必需的. 16-細胞胚胎的內(nèi)細胞增殖形成內(nèi)細胞團(inner cell mass, ICM), 它們形成胚胎。它們不但外形不同于滋養(yǎng)層, 而且它們在這樣早期就合成不同的蛋白質(zhì)。到64-細胞期滋養(yǎng)層和內(nèi)細胞團完全分離, 這種差別是哺乳動物發(fā)育中的第一個分化事件。,2. 內(nèi)細胞團的形成: 起初桑葚胚內(nèi)部并沒有腔, 后來經(jīng)空腔作用(cavitation), 由滋養(yǎng)層細胞分泌液體到桑葚胚中形成囊胚腔, 內(nèi)細胞團位于滋養(yǎng)層環(huán)的一側(cè)。這一結(jié)構(gòu)稱胚泡(blastocyst)是哺乳動物囊胚的特稱

14、。 通過標記不同的卵裂,證實緊密化作用后位于外層的細胞將形成滋養(yǎng)層細胞,而內(nèi)細胞發(fā)育成胚胎. 將4細胞期小鼠胚胎每個卵裂球置于一群聚集的卵裂球表面,所有外周的移植細胞只能形成滋養(yǎng)層細胞,所以一個細胞是否成為胚胎或滋養(yǎng)層細胞,完全取決于緊密化作用后細胞所處的位置,即外周還是內(nèi)部. 異源小鼠(allophenic mice)的實驗(右圖)證明內(nèi)細胞團的形成。,將兩個遺傳上不同(毛色)的4-或8-細胞期胚胎除去透明帶,聚合在一起形成復(fù)合的胚泡,將其植入養(yǎng)母子宮,產(chǎn)生一個黑白相間的小鼠. 1個細胞產(chǎn)生胚胎，則后代全黑或全白; 2個細胞產(chǎn)生胚胎(1WW:2WB:1BB),則50%黑白相間. 3個細胞形成

15、胚胎(1WWW:3WWB:3WBB:1BBB), 75%黑白相間; (實驗結(jié)果73% 后代黑白相間) 4個細胞形成胚胎, 則87.5%后代黑白相間 右圖示由3個不同毛色的4-細胞期胚胎聚合成的復(fù)合胚胎產(chǎn)生三種毛色相間的后代。這些實驗表明只有少數(shù)細胞參加內(nèi)細胞團形成,具體那些細胞不知道。 研究證明,內(nèi)細胞團的每個細胞能產(chǎn)生身體中任何細胞類型.當內(nèi)細胞被分離在一定條件下生長,它們會保持未分化特征,并可持續(xù)不斷地分裂(胚胎干細胞).,3. 脫出透明帶 (escape from zona pellucida) 胚胎從輸卵管到子宮的移動途中, 胚泡擴大。滋養(yǎng)層細胞的膜上含有鈉泵, 引起鈉離子進入中央腔,

16、 鈉離子吸水引起囊胚腔擴大。此時透明帶可防止胚泡黏連到輸卵管壁。當這種黏連在人類真正發(fā)生時, 稱為“子宮外孕”(ectopic pregnancy)或“輸卵管孕”(tubal pregnancy).這是一種危險的情況, 它可引起威脅生命的大出血. 當胚泡到達子宮時, 通過在透明帶上溶解出一個小洞而從中孵出.在細胞膜上有一種胰酶樣的蛋白酶-strypsin,能在透明帶的原纖維基質(zhì)中溶解出一個小洞. 胚泡脫出透明帶后可直接與子宮接觸。滋養(yǎng)層細胞將分泌另一些蛋白酶, 如膠原酶、基質(zhì)溶素和纖維蛋白原激活因子，消化子宮組織的細胞外基質(zhì)，使胚泡包埋在子宮壁中。,4. 雙胞胎(Twins)和胚胎干細胞(em

17、bryonic stem cells, ESCs) 人雙胞胎分為兩組: 單合子(monozygotic)和雙合子(dizygotic)雙胞胎。后者由兩個受精卵形成; 前者由單個胚胎形成, 它的細胞以某種方式彼此分離, 說明哺乳動物分離的卵裂球能產(chǎn)生完整的胚胎。即8-細胞期小鼠胚胎卵裂球能發(fā)育成一個完整胚胎。 單卵雙胞胎由早期分離的卵裂球,甚至同一胚泡的內(nèi)細胞團分離到不同區(qū)域產(chǎn)生. 這在人類出生時占大約0.25%。 大約33%的單卵雙胞胎具有兩個完全分離的絨毛膜, 表明分離發(fā)生在第5天滋養(yǎng)層形成前。其余的單卵雙胞胎共享一個公共的絨毛膜, 這提示內(nèi)細胞團分離發(fā)生在滋養(yǎng)層形成后。 在第9天人胚胎形成

18、另一胚外結(jié)構(gòu)-羊膜(amnion)。如果胚胎分離發(fā)生在第5-9天之間,雙胞胎具有一個絨毛膜和兩個羊膜, 這種情況約占2/3; 小百分率的單卵雙胞胎具有單獨一個絨毛膜和羊膜, 這意味胚胎分離發(fā)生在第9天后, 有產(chǎn)生聯(lián)體嬰兒的危險。,雙胞胎的產(chǎn)生和小鼠嵌合體的研究發(fā)現(xiàn), 內(nèi)細胞團的單個卵裂球具有產(chǎn)生有機體各種細胞類型的能力。內(nèi)細胞團細胞被分離后在特定條件下培養(yǎng), 它們能保持未分化的特征, 并可持續(xù)不斷的分裂。這些細胞被稱為胚胎干細胞。,(五) 不完全卵裂型 (Meroblastic cleavage),在高濃度卵黃集中的卵內(nèi), 卵裂只在小部分細胞質(zhì)中進行. 1. 盤狀卵裂(Discoidal cl

19、eavage): 魚類、鳥類和爬行類行盤狀卵裂。因卵大部分被卵黃占據(jù),卵裂只發(fā)生在動物極的胚盤中。 因卵裂溝沒有延伸到富含卵黃的細胞質(zhì)中, 所以卵裂早期的細胞在基部是連續(xù)的.單層胚盤形成后, 卵裂形成含3-4層細胞的組織。同時在胚盤和卵黃之間出現(xiàn)空隙,稱為胚盤下腔(subgerminal cavity).此時出現(xiàn)明區(qū)(the area pellucida), 由位于胚盤下腔上方的細胞組成; 暗區(qū)(the area opaca),由位于胚盤和卵黃邊緣相連的細胞組成。,母雞產(chǎn)蛋時，胚盤含有大約6萬個細胞，其中一些細胞流入胚盤下腔形成第二層細胞，產(chǎn)蛋后不久，雞胚具有兩層細胞，上部的上胚層和低的下胚層

20、之間是囊胚腔. 魚類多黃卵的發(fā)育類似鳥類，卵裂僅在動物極胚盤中發(fā)生.(盤狀不完全卵裂).早期卵裂伴隨高度重復(fù)的經(jīng)裂-緯裂模式.分裂很快，15min一個周期。最初幾次卵裂同步發(fā)生，形成一堆屹立于動物極的細胞。 曾認為魚卵早期卵裂球象哺乳動物一樣，當它們混合在一起時能形成任一成體的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在有證據(jù)表明，魚類卵裂球更象兩棲類。第一次卵裂確定將來背-腹表面；第二次卵裂確定左-右側(cè)；第三次卵裂確定前-后.下圖斑馬魚的卵裂。,斑馬魚的盤狀卵裂過程,2. 表面卵裂(Superficial cleavage),大多數(shù)昆蟲的受精卵進行表面卵裂 中央大團的卵黃限定卵裂只在邊緣的細胞質(zhì)中進行.特點是直到核完成分裂后

21、細胞才形成。 合子核首先在卵中央進行數(shù)次有絲分裂，果蠅經(jīng)過一系列核的分裂產(chǎn)生256個核, 平均每次8分鐘.此后這些核移到卵的周圍,并繼續(xù)分裂，但分裂速度減慢，此時胚胎稱為合胞體胚盤(syncycial blastoderm),即所有卵裂的核包在公共的細胞質(zhì)中。那些移動到后極的核很快被細胞膜包裹, 形成胚胎的極細胞(polar cells),它們產(chǎn)生成體的生殖細胞.昆蟲發(fā)育的首批事件是將來的生殖細胞與胚胎其它細胞的分離. 極細胞形成后卵母細胞的膜在核之間內(nèi)陷, 最后把每個核分隔為單個的細胞, 此時稱為細胞胚盤(cellular blastoderm)，以單層排列在卵周圍。果蠅此層含6000個 細

22、胞, 并在受精后4小時內(nèi)形成。核到達邊緣區(qū)后，完成最后四次分裂，但分裂速度減慢, 由原來每次8分鐘到最后一次25分鐘.,果蠅胚胎的表面卵裂,256,第二節(jié) 卵裂的機制（MECHANISMS OF CLEAVAGE）,一. 卵裂周期的調(diào)節(jié)(regulating the cleavage cycle) 1. 促成熟因子(maturation promoting factor, MPF) 體細胞的細胞周期分為四個時期。在有絲分裂(M)后存在一個前復(fù)制間期(G1), 此后DNA的合成(S)發(fā)生, 在合成期后有一個前有絲分裂間期(G2), 隨后為有絲分裂. 爪蛙和果蠅在早期卵裂時無G1和G2兩個期。爪蛙

23、在12次卵裂后加入這兩個時相；果蠅在14周期加入G2,在17周期時加入G1. 爪蛙前12次卵裂以雙時相細胞周期同步進行: S到M和M到S。,調(diào)節(jié)雙時相周期的因子定位于細胞質(zhì)中, 一些控制DNA合成和細胞分裂的因子已鑒別出來, 其中之一為促成熟因子(MPF), 它是由兩個亞單位組成的磷蛋白, 它促進蛙卵起始減數(shù)分裂，受精后調(diào)節(jié)早期卵裂球的雙時相細胞周期。 2. 細胞周期蛋白(cyclins): MPF的調(diào)節(jié)亞單位, 為核蛋白, 是卵裂時細胞的蛋白質(zhì)，它顯示一種周期性的行為, 在S時相聚集，并在有絲分裂時降解。,3. cdc2激酶: MPF的催化亞單位, 分子量3.4104, 簡稱p34.具有磷酸

24、化和非磷酸化兩種形式：當161位蘇氨酸(T-161)磷酸化和14位蘇氨酸(T-14)與15位酪氨酸(Y-15)非磷酸化時有活性。這對蛋白激酶的活性是非常重要的, 它可磷酸化各種蛋白質(zhì), 從而使MPF起作用. 4. cdc25磷酸酶: 核分裂始于MPF催化亞單位cdc2 14位 (T-14)與15位(Y-15)突然去磷酸化, 這依賴于cdc25磷酸酶。 cdc25磷酸酶有母源型和合子型，早期的合成起始于卵母細胞中貯存的mRNA，合子型的是在G2期末由核轉(zhuǎn)錄后獲得。 果蠅受精卵前17次卵裂依靠卵母細胞儲存的mRNA合成cdc25磷酸酶。后期合子型cdc25磷酸酶合成，卵裂又加快。,a,果蠅卵子成熟和早期胚胎發(fā)育受MPF調(diào)節(jié)(下圖): 排卵時卵內(nèi)的前-MPF復(fù)合物中T-14和Y-15被翻譯出的cdc25磷酸酶去磷酸化，所以前7次核分裂中MPF保持高水平, 分裂迅速。到8-13次分裂時cyclin在M期開始降解，導(dǎo)致MPF激酶活性波動。14 細胞周期停頓后合子型cdc25磷酸酶合