A生殖細胞的發(fā)生

1、第一章第一章 生殖細胞的發(fā)生生殖細胞的發(fā)生進行有性繁殖的高等生物，由生殖細胞（進行有性繁殖的高等生物，由生殖細胞（germ cells)分化產(chǎn)生世分化產(chǎn)生世代交替的橋梁代交替的橋梁 配子（配子（gamete)，雌雄配子結合形成合子，雌雄配子結合形成合子（zygote), 經(jīng)發(fā)育過程形成具有體細胞（經(jīng)發(fā)育過程形成具有體細胞（somatic cells)和生殖和生殖細胞的個體，成熟的個體再產(chǎn)生生殖細胞，周而復始，使種細胞的個體，成熟的個體再產(chǎn)生生殖細胞，周而復始，使種族的生命得以延續(xù)，而構成生命周期（族的生命得以延續(xù)，而構成生命周期（life cycle)。發(fā)育生物學發(fā)育生物學第一節(jié)第一節(jié) 生殖細

2、胞的起源、分化和遷移生殖細胞的起源、分化和遷移生殖細胞來源于其前體生殖細胞來源于其前體原始生殖細胞原始生殖細胞（primordial germ cells, PGCs)。原始生殖細胞的起源可以追溯到早期階段，有些動物原始生殖細胞的起源可以追溯到早期階段，有些動物在卵母細胞中已可識別出在卵母細胞中已可識別出生殖質(zhì)生殖質(zhì)（germ plasm)的存在，主要的存在，主要由由蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和RNA構成構成。富含。富含RNA可被嗜堿性染料著色。隨胚胎可被嗜堿性染料著色。隨胚胎發(fā)育生殖質(zhì)被分配到一定的細胞中，將分化為發(fā)育生殖質(zhì)被分配到一定的細胞中，將分化為原始生殖細胞原始生殖細胞。當生殖嵴發(fā)生時，原始生殖

3、細胞以各種不同的方式遷入其內(nèi)，當生殖嵴發(fā)生時，原始生殖細胞以各種不同的方式遷入其內(nèi)，并在此進行生殖細胞的分化并在此進行生殖細胞的分化.生殖質(zhì)生殖質(zhì)原始生殖細胞原始生殖細胞遷入生殖嵴分化遷入生殖嵴分化美麗線蟲美麗線蟲（Caenorhabditis elegans)的的未受精卵中未受精卵中P-顆粒均勻分布于顆粒均勻分布于整個卵質(zhì)中。受精后當雌雄原整個卵質(zhì)中。受精后當雌雄原核相遇時，核相遇時，P-顆粒后移集中于顆粒后移集中于受精卵的后部受精卵的后部。隨胚胎的發(fā)育。隨胚胎的發(fā)育P-顆粒繼續(xù)移動，最后它們只顆粒繼續(xù)移動，最后它們只發(fā)現(xiàn)于將來產(chǎn)生配子的發(fā)現(xiàn)于將來產(chǎn)生配子的P-細胞細胞中中.左圖：左排示經(jīng)特

4、異染色顯示細左圖：左排示經(jīng)特異染色顯示細胞核的位置；胞核的位置；右排示經(jīng)特異染右排示經(jīng)特異染色顯示色顯示P-顆粒顆粒.在果蠅（在果蠅（Drosophila）中）中生殖質(zhì)位于受精卵的后端生殖質(zhì)位于受精卵的后端，內(nèi)含特殊內(nèi)含特殊的極質(zhì)顆粒的極質(zhì)顆粒。用。用紫外線照射破壞極質(zhì)顆粒紫外線照射破壞極質(zhì)顆粒，此后的發(fā)育中沒，此后的發(fā)育中沒有生殖細胞發(fā)生。移植實驗證明，將含極質(zhì)顆粒的細胞質(zhì)移有生殖細胞發(fā)生。移植實驗證明，將含極質(zhì)顆粒的細胞質(zhì)移植到另一胚胎前部，前部的細胞可分化為原始生殖細胞。植到另一胚胎前部，前部的細胞可分化為原始生殖細胞。副蛔蟲副蛔蟲單倍體生殖細胞只有單倍體生殖細胞只有2條染色體條染色體,

5、 第一次卵裂為緯裂形成第一次卵裂為緯裂形成動物極和植物極動物極和植物極2個卵裂球；第二次卵裂前動物極卵裂球染色個卵裂球；第二次卵裂前動物極卵裂球染色體兩端裂解成數(shù)十個小片段體兩端裂解成數(shù)十個小片段, 散布細胞質(zhì)中散布細胞質(zhì)中, 不再加入新細胞不再加入新細胞核內(nèi)核內(nèi), 因而失去很多基因因而失去很多基因, 此現(xiàn)象稱此現(xiàn)象稱染色體消減染色體消減(chromosome diminution)。植物極卵裂球仍保持正常數(shù)目染色體。植物極卵裂球仍保持正常數(shù)目染色體。4-細胞期細胞期胚胎只有胚胎只有1個卵裂球含有正常數(shù)目染色體。個卵裂球含有正常數(shù)目染色體。16-細胞期只有細胞期只有2個個卵裂球含全數(shù)染色體，最

6、終只有卵裂球含全數(shù)染色體，最終只有1個卵裂球含全數(shù)染色體形成個卵裂球含全數(shù)染色體形成生殖細胞，其它形成體細胞。生殖細胞，其它形成體細胞。二二. 原始生殖細胞的遷移原始生殖細胞的遷移1. 兩棲類原始生殖細胞的遷移兩棲類原始生殖細胞的遷移無尾兩棲類無尾兩棲類受精卵中受精卵中生殖質(zhì)集中于植物極質(zhì)膜下面生殖質(zhì)集中于植物極質(zhì)膜下面，一直保持，一直保持到兩次卵裂。在囊胚期生殖質(zhì)位于囊胚腔底部卵裂球間的分到兩次卵裂。在囊胚期生殖質(zhì)位于囊胚腔底部卵裂球間的分裂溝附近。到裂溝附近。到原腸胚形成原腸胚形成PGCs，位于原腸腔底部的內(nèi)胚層位于原腸腔底部的內(nèi)胚層（腸壁）中，此后遷入背腸系膜，向前遷入到達（腸壁）中，此

7、后遷入背腸系膜，向前遷入到達生殖嵴生殖嵴，PGCs與生殖嵴細胞共同形成生殖腺。與生殖嵴細胞共同形成生殖腺。生殖嵴細胞內(nèi)的一些生殖嵴細胞內(nèi)的一些因子是因子是PGCs定向遷移的重要因素定向遷移的重要因素。爪蟾的。爪蟾的PGCs可伸出偽足可伸出偽足進行主動遷移。細胞外基質(zhì)分布于進行主動遷移。細胞外基質(zhì)分布于PGCs遷移的路線上。遷移的路線上。2. 哺乳動物原始生殖細胞的遷移哺乳動物原始生殖細胞的遷移n用堿性磷酸酶免疫組化染色用堿性磷酸酶免疫組化染色顯示顯示7天小鼠胚胎在原條后天小鼠胚胎在原條后部部的的胚外中胚層胚外中胚層中有中有8個體個體積較大的積較大的PGCs。n此后此后PGCs數(shù)量增多并聚集數(shù)量

8、增多并聚集在尿囊與后腸連接處在尿囊與后腸連接處，以后，以后遷移到卵黃囊遷移到卵黃囊附近再分成兩附近再分成兩群，沿卵黃囊后面新形成的群，沿卵黃囊后面新形成的后腸遷移到背腸系膜，再向后腸遷移到背腸系膜，再向前遷移分別前遷移分別進入左、右兩側進入左、右兩側的的生殖嵴生殖嵴（受精后（受精后11天），天），數(shù)量也增加到數(shù)量也增加到2500-5000個。個。In vitro (體外培養(yǎng)系中體外培養(yǎng)系中)生殖嵴生殖嵴分泌的彌散性分子可吸引分泌的彌散性分子可吸引PGC的遷移的遷移和促進其有絲和促進其有絲分裂的能力分裂的能力。3. 鳥類和爬行類原始生殖細胞的遷移鳥類和爬行類原始生殖細胞的遷移鳥類和爬行類動物的鳥

9、類和爬行類動物的PGCs起源于外起源于外胚層細胞胚層細胞，后經(jīng)明區(qū)中部遷移到，后經(jīng)明區(qū)中部遷移到明區(qū)前緣與暗區(qū)交界處（明區(qū)前緣與暗區(qū)交界處（生殖新生殖新月月，germinal crescent), 并在此增殖并在此增殖.鳥類和爬行類的鳥類和爬行類的PGCs借助血液循環(huán)借助血液循環(huán)進行遷移進行遷移，當?shù)竭_生殖嵴時離開，當?shù)竭_生殖嵴時離開血液循環(huán)進入生殖嵴。可能血液循環(huán)進入生殖嵴。可能生殖生殖嵴產(chǎn)生的化學物質(zhì)吸引嵴產(chǎn)生的化學物質(zhì)吸引PGCs停留停留在附近的毛細血管壁上在附近的毛細血管壁上，同時毛，同時毛細血管壁的內(nèi)皮細胞可能具有一細血管壁的內(nèi)皮細胞可能具有一些特殊成分使些特殊成分使PGCs吸附其上

10、。吸附其上。三三. 生殖細胞定向分化的決定生殖細胞定向分化的決定遷入生殖腺的遷入生殖腺的PGCs具有兩種潛能，由具有兩種潛能，由生殖腺生殖腺微環(huán)境決定分化為精子或卵子微環(huán)境決定分化為精子或卵子(Humphreg移植實驗移植實驗:將雄性蠑螈睪丸移入雌體將雄性蠑螈睪丸移入雌體,再把卵巢組織再把卵巢組織移入睪丸，發(fā)現(xiàn)生殖細胞開始向精子分化移入睪丸，發(fā)現(xiàn)生殖細胞開始向精子分化).雌雄同體的秀麗線蟲雌雄同體的秀麗線蟲涉及涉及兩種決定兩種決定:進行進行有有絲分裂或減數(shù)分裂？絲分裂或減數(shù)分裂？形成精子或卵子形成精子或卵子?1）秀麗線蟲生殖腺末端有一個不分裂的細胞）秀麗線蟲生殖腺末端有一個不分裂的細胞稱為稱為

11、遠端細胞遠端細胞(distal tip cell)，靠近它的生殖靠近它的生殖細胞進行有絲分裂形成生殖干細胞庫；細胞進行有絲分裂形成生殖干細胞庫；遠遠離遠端細胞的生殖細胞進行減數(shù)分裂離遠端細胞的生殖細胞進行減數(shù)分裂。切。切除遠端細胞則所有細胞進行減數(shù)分裂。除遠端細胞則所有細胞進行減數(shù)分裂。2）在秀麗線蟲的卵精巢）在秀麗線蟲的卵精巢(ovotestis)中中，進行減進行減數(shù)分裂的，數(shù)分裂的，先形成的最遠端的細胞形成卵先形成的最遠端的細胞形成卵子，而近端的細胞形成精子子，而近端的細胞形成精子。一一. 精子發(fā)生精子發(fā)生(spermatogenesis)PGCs到達雄性胚胎的生殖腺原基就進入性索到達雄性

12、胚胎的生殖腺原基就進入性索, 在此停留直到成熟在此停留直到成熟.在成熟過程中，在成熟過程中，性索發(fā)育為生精小管，其上皮細胞分化為支持性索發(fā)育為生精小管，其上皮細胞分化為支持細胞細胞(Sertoli cells).精子發(fā)生過程在支持細胞的凹陷中進行精子發(fā)生過程在支持細胞的凹陷中進行.精原細胞精原細胞初級精母細胞初級精母細胞次級精母細胞次級精母細胞精子細胞精子細胞精子精子(sperm)第二節(jié)第二節(jié) 精子發(fā)生精子發(fā)生P G C s 首 先 分 裂 形 成 精 原 細 胞首 先 分 裂 形 成 精 原 細 胞(spermatogonium) A1(靠近基膜靠近基膜, 體積小體積小, 核卵圓形核卵圓形,

13、染色質(zhì)與核膜相連染色質(zhì)與核膜相連)。A1分分裂形成裂形成1個個A1 和和 1 個淺色的精原個淺色的精原細胞細胞A2, A2分裂形成精原細胞分裂形成精原細胞A3, A3分裂形成分裂形成A4, A4分裂形成分裂形成過過渡型精原細胞渡型精原細胞, 進一步分裂成進一步分裂成精精原細胞原細胞B。精原細胞精原細胞B分裂形成分裂形成初級精母細胞初級精母細胞(primary spermeto-cyte), 經(jīng)第一次成熟經(jīng)第一次成熟分裂形成分裂形成次級精母細胞次級精母細胞(secondary spermatocyte)。再經(jīng)成熟分裂成單倍再經(jīng)成熟分裂成單倍體精子細胞體精子細胞(spermatid).細胞分裂過程

14、中細胞質(zhì)的分裂不完細胞分裂過程中細胞質(zhì)的分裂不完全全，胞間有直徑，胞間有直徑1m的胞質(zhì)間橋的胞質(zhì)間橋連接成連接成合胞體合胞體(syncytium)。胞間離胞間離子和分子通過細胞質(zhì)間橋相溝通，子和分子通過細胞質(zhì)間橋相溝通，保證每群細胞同步成熟保證每群細胞同步成熟.n在上述過程中，細胞漸遠離小管基膜，靠近管腔。在上述過程中，細胞漸遠離小管基膜，靠近管腔。二二. 精子形成精子形成(spermiogenesis)精子細胞經(jīng)分化變?yōu)槌墒炀印＞蛹毎?jīng)分化變?yōu)槌墒炀?。第一步是第一步是頂體頂體(acrosome)形成形成，由高，由高爾基復合體形成覆蓋于精子核頂部。同時核旋轉使頂體朝向基爾基復合體形成覆蓋

15、于精子核頂部。同時核旋轉使頂體朝向基膜，核對側的膜，核對側的中心粒形成鞭毛中心粒形成鞭毛朝向管腔。最后核染色質(zhì)濃縮，朝向管腔。最后核染色質(zhì)濃縮，大部分胞質(zhì)成分被拋棄，大部分胞質(zhì)成分被拋棄，線粒體環(huán)繞鞭毛基部線粒體環(huán)繞鞭毛基部。小鼠從生殖干細胞到成熟精子約小鼠從生殖干細胞到成熟精子約34.5天天, 精原細胞階段精原細胞階段8天，減數(shù)天，減數(shù)分裂持續(xù)分裂持續(xù)13天，精子形成天，精子形成13.5天。天。人精子發(fā)育需人精子發(fā)育需74天。天。第三節(jié)第三節(jié) 卵子發(fā)生卵子發(fā)生（oogenesis）卵原細胞卵原細胞 初級卵母細胞初級卵母細胞 次級卵母細胞次級卵母細胞 母細胞母細胞精母細胞經(jīng)兩次分裂精母細胞經(jīng)兩

16、次分裂產(chǎn)生產(chǎn)生4個精子細胞個精子細胞卵母細胞卵母細胞(oocyte)經(jīng)兩次分裂產(chǎn)生經(jīng)兩次分裂產(chǎn)生1卵子卵子和和2-3個極體個極體(polar bodies)精子只是一個精子只是一個“能運動的細胞核能運動的細胞核”卵子要建立一個由酶、卵子要建立一個由酶、mRNA、細胞器和營養(yǎng)物質(zhì)組成的細胞、細胞器和營養(yǎng)物質(zhì)組成的細胞質(zhì)庫質(zhì)庫，以備胚胎發(fā)育所需。經(jīng)歷較長生長期，以備胚胎發(fā)育所需。經(jīng)歷較長生長期(兩棲類兩棲類3年年).一一. 兩棲類的卵子發(fā)生兩棲類的卵子發(fā)生1. 卵黃發(fā)生：卵黃發(fā)生：卵子由卵原細胞分卵子由卵原細胞分化來化來, 每年產(chǎn)一批新卵。每年產(chǎn)一批新卵。卵發(fā)卵發(fā)生期卵黃迅速積累生期卵黃迅速積累，

17、體積增大，體積增大卵黃成分卵黃成分:卵黃蛋白原卵黃蛋白原(vitellogenin), 在肝臟合成，經(jīng)血循環(huán)進入卵在肝臟合成，經(jīng)血循環(huán)進入卵巢，巢，經(jīng)卵巢濾泡細胞間轉運和經(jīng)卵巢濾泡細胞間轉運和胞飲作用進入卵母細胞。胞飲作用進入卵母細胞。在成在成熟卵中被裂解成熟卵中被裂解成卵黃高磷蛋白和卵黃高磷蛋白和卵黃磷脂蛋白，包膜結合成卵黃磷脂蛋白，包膜結合成卵卵黃小板黃小板。起初分布均勻，后起初分布均勻，后集中集中在植物極在植物極（75%).卵黃發(fā)生結束卵黃發(fā)生結束后受神經(jīng)及激素等作后受神經(jīng)及激素等作用，用，生發(fā)泡生發(fā)泡（germinal vesicle） (核核膜膜)破裂卵子成熟，排卵。破裂卵子成熟，排

18、卵。卵黃小板卵黃小板生發(fā)泡生發(fā)泡2. 卵母細胞的基因轉錄卵母細胞的基因轉錄兩棲類兩棲類卵母細胞卵母細胞在減數(shù)分裂前出現(xiàn)在減數(shù)分裂前出現(xiàn)燈刷染色體燈刷染色體(lampbrush chromasomes)，伸出活躍合成伸出活躍合成RNA的基因環(huán)。的基因環(huán)。用放射性組蛋白用放射性組蛋白mRNA證明有活躍的轉錄證明有活躍的轉錄活動?；顒印p數(shù)分裂的減數(shù)分裂的雙線期早期發(fā)育所需的雙線期早期發(fā)育所需的rRNA、tRNA和母體和母體mRNA已完成轉錄并儲存已完成轉錄并儲存二二. 昆蟲的卵子發(fā)生昆蟲的卵子發(fā)生有些昆蟲有些昆蟲(果蠅果蠅)以營養(yǎng)型方式進以營養(yǎng)型方式進行卵子發(fā)生行卵子發(fā)生卵巢生殖系卵巢生殖系干細胞

19、經(jīng)一次分裂干細胞經(jīng)一次分裂產(chǎn)生一個產(chǎn)生一個生殖干細胞生殖干細胞和和一個一個包囊干細胞包囊干細胞(cystoblast), 包囊干包囊干細胞經(jīng)細胞經(jīng)4次不完全的有絲分裂次不完全的有絲分裂產(chǎn)生產(chǎn)生16個個包囊細胞包囊細胞(cysto-cytes)的包囊的包囊(cyst)，胞間以細胞質(zhì)胞間以細胞質(zhì)間橋相互相連為合胞體間橋相互相連為合胞體.只有胞囊后端只有胞囊后端1個細胞形成個細胞形成卵母卵母細胞細胞，其余為，其余為營養(yǎng)細胞營養(yǎng)細胞(nurse cells)。營養(yǎng)細胞核的營養(yǎng)細胞核的DNA經(jīng)經(jīng)多次復制成多倍體核。盡管多次復制成多倍體核。盡管卵子發(fā)生中不經(jīng)歷轉錄活躍卵子發(fā)生中不經(jīng)歷轉錄活躍階段，但營養(yǎng)細

20、胞中有大量階段，但營養(yǎng)細胞中有大量RNA合成，并轉運到卵母細合成，并轉運到卵母細胞中胞中.昆蟲的卵子發(fā)生（續(xù)）昆蟲的卵子發(fā)生（續(xù)）A:用用3H-胞嘧啶胞嘧啶做放射自顯影研究，做放射自顯影研究，標記后家蠅卵室內(nèi)營養(yǎng)細胞核標記后家蠅卵室內(nèi)營養(yǎng)細胞核被被標記；標記；B：5小時后標記物開始進小時后標記物開始進入卵細胞質(zhì)入卵細胞質(zhì). C：用果蠅最早進入：用果蠅最早進入卵母細胞的卵母細胞的bicoid mRNA 探針做探針做的實驗結果的實驗結果與上相同與上相同.昆蟲昆蟲三種主要卵黃蛋白在脂肪體和三種主要卵黃蛋白在脂肪體和卵巢中合成卵巢中合成，卵母細胞本身不合成。，卵母細胞本身不合成。卵黃合成受幾種因子相互

21、作用控制卵黃合成受幾種因子相互作用控制，如如性別、保幼激素、蛻皮素和營性別、保幼激素、蛻皮素和營養(yǎng)狀況等。養(yǎng)狀況等。這些生理因子被兩個這些生理因子被兩個卵黃蛋白基因（卵黃蛋白基因（yp1，yp2）間的）間的增強子區(qū)整合，它們只在雌性中增強子區(qū)整合，它們只在雌性中有活性，且受雌性特異的雙性蛋有活性，且受雌性特異的雙性蛋白結合的調(diào)節(jié)。對環(huán)境反應分泌白結合的調(diào)節(jié)。對環(huán)境反應分泌的腦激素刺激開始蛋白合成的腦激素刺激開始蛋白合成.三三. 哺乳動物的卵子發(fā)生哺乳動物的卵子發(fā)生1. 哺乳動物哺乳動物卵的成熟卵的成熟哺乳動物哺乳動物卵原細胞增殖在發(fā)育早期卵原細胞增殖在發(fā)育早期人人2-7月齡胚胎中卵原細胞由月齡胚胎中卵原細胞由1000個迅速增加到個迅速增加到700萬個萬個，此后急，此后急劇下降，大部死亡，劇下降，大部死亡，存活者進存活者進入第一次成熟分裂分化