(發(fā)育生物學(xué))03-05第三-五章課件

1、(發(fā)育生物學(xué))03-05第三-五章第五章 受精的機制動物胚胎發(fā)育的啟動是由卵細胞受精開始的，可以概括為圍繞著兩個重要的問題進行： 一是受精的專一性和唯一性，包括精子活化、趨向、穿卵膜、細胞融合等；二是精核進入卵細胞以后受精卵細胞的重組和觸發(fā)胚胎發(fā)育程序的啟動。 2授精和受精的區(qū)分：授精（insemination）使得精卵相遇，精卵質(zhì)膜融合。受精( fertilization)指的是精子和卵子各自的單倍體基因組相融合形成兩倍體合子的事件。然而，通常情況下，從精卵最初接觸到精卵細胞核融合這整個過程都歸納在“受精”的標(biāo)題下。3第一節(jié) 卵母細胞成熟4 哺乳動物的精子需要在雌性生殖道中停留一個特定的時期

2、，以獲得對卵子受精的能力，這一過程稱為精子獲能（ capacitation ）。獲能期間，精子的細胞膜發(fā)生了一系列變化，包括內(nèi)膜分子重排、精子表面某些成分移除，但分子機制還不很清楚。 哺乳動物精子獲能的位置隨物種的不同有很大的差異，如許多嚙齒類、豬和狗在輸卵管獲能。第二節(jié) 精子獲能5哺乳動物精子獲能的模型6精子獲能的意義在于：去除精子表面的覆蓋物，暴露出精子膜表面與卵子相識別的位點。增加精子活力，改變膜的通透性。精子頭部出現(xiàn)流動性不相等的區(qū)域，為精子膜與頂體膜融合做好準(zhǔn)備。精子頂體后區(qū)膜的流動性加大，以準(zhǔn)備與卵膜結(jié)合。 7哺乳動物精子的獲能，牛精子在到達輸卵管壺腹部之前與輸卵管上皮細胞的接觸。

3、8第三節(jié) 精卵識別的分子基礎(chǔ)9一. 受精的專一性動物的受精有著嚴(yán)格的物種特異性，這是保證其個體發(fā)育正常進行的基本條件，也是生物進化中生存選擇的必然結(jié)果。多細胞生物中存在有大量細胞間高度特異識別的現(xiàn)象，因此從原理上講精子和卵細胞的物種專一結(jié)合并不是一件困難的事情。10海膽的精卵識別 海膽精子發(fā)生頂體反應(yīng)后釋放頂體酶，使卵細胞外的膠膜降解，精子穿越膠膜，其突起與卵黃膜(vitelline membrane)相互識別，與之融合，然后與卵細胞膜融合，導(dǎo)致精核進入卵細胞中。 11精子和卵子的相互作用主要分為5個步驟：1. 精子的獲能，趨化性（ chemotaxis ）。2. 精子的頂體反應(yīng)，釋放水解酶。

4、3. 精子與卵子外圍的卵黃膜（透明帶）結(jié)合4. 精子穿過卵外的結(jié)構(gòu)5. 精卵細胞質(zhì)膜的融合121、精子的趨化性：Action at a distance 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動的現(xiàn)象。 現(xiàn)已在許多動物中發(fā)現(xiàn)，其卵母細胞完成第二次減數(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精子激活肽resact，構(gòu)成卵周特有的微環(huán)境。 13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ABCD142. 頂體反應(yīng)（acrosomal reaction） 頂體反應(yīng)是指受精前

5、精子在同卵子接觸時，精子頂體產(chǎn)生的一系列變化。 具有頂體結(jié)構(gòu)的無脊椎動物或脊椎動物中，只有發(fā)生頂體反應(yīng)的精子才能進入卵子并與卵子融合，也只有精子與卵子接觸時才發(fā)生頂體反應(yīng)。 15 哺乳動物的頂體反應(yīng) 哺乳動物的頂體是一個帽狀結(jié)構(gòu)，覆蓋于精核的前端。頂體反應(yīng)時，頂體帽部分的質(zhì)膜與頂體外膜在多處發(fā)生融合，使頂體內(nèi)的物質(zhì)從融合處釋放出來。 海膽的頂體反應(yīng) 精子與卵子膠膜結(jié)合后，可引起頂體反應(yīng)。頂體發(fā)應(yīng)包括兩個主要的事件：頂體膜與精子質(zhì)膜發(fā)生融合以及頂體突起（acrosomal process）的形成。16以海膽為例：海膽精子的頂體反應(yīng)過程1718頂體反應(yīng)（acrosomal reaction）：精子

6、細胞頭部的頂體小泡開放并釋放一些水解酶，如蛋白酶和糖苷酶，精子具有一個化學(xué)鉆頭，能通過酶解作用溶解出一條穿過膠狀層和由鞭毛衍化成的卵黃膜的通道。19 精子頂體酶及其穿透作用 通過頂體反應(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)為具有類似溶酶體（lysosome）的功能。精子頂體酶的一個功能是在卵子外圍打一個洞，另外頂體反應(yīng)還與精卵結(jié)合有關(guān)。20在卵黃膜部位，存在有該物種特異Bindin蛋白受體。精卵相遇時，在Ca2的介導(dǎo)下，頂體釋放水解酶，降解卵細胞表面膠質(zhì)，精子穿越膠膜，其突起與卵黃膜相互識別。并隨即與卵細胞膜之間發(fā)生融合，導(dǎo)致精核進入卵細胞之中。21哺乳動物：在卵細胞的透明部位，

7、 ZP1，ZP2，ZP3三種蛋白成分組成網(wǎng)狀的骨架結(jié)構(gòu)，與之對應(yīng)的在精子膜上發(fā)現(xiàn)三種受體成分： Sp56，糖基轉(zhuǎn)移酶，跨膜蛋白。22倉鼠精子的頂體反應(yīng)Binding protein本身位于membrane上，而且acrosome reaction是于sperm bind在egg上之后才發(fā)生的。2324 海膽的精卵識別是由特異性結(jié)合蛋白（Bindin）所介導(dǎo)的。Bindin定位在精子的頂體突起上，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。25海膽精子頂體突起與卵子微絨毛的接觸26海膽精子頂體突起上Bindin的定位2728海膽卵子表面的Bindin受體29哺乳動物的精

8、卵識別哺乳動物精卵的特異性識別發(fā)生在卵細胞的透明帶（zona pellucida）部分。 小鼠 透明帶中含有ZP3 糖蛋白 ，它與ZP1、ZP2以網(wǎng)狀的骨架結(jié)構(gòu)存在于透明帶中。 ZP3能結(jié)合精子，并引發(fā)頂體反應(yīng)。30精子細胞膜上有三種受體：1. sp56（56kDa，半乳糖結(jié)合蛋白）-可與ZP3分子上的半 乳糖端部相結(jié)合。如果ZP3的一個半乳糖基發(fā)生丟失或改變，精子將無法與卵子結(jié)合。2. 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)。3. P95 （ZP受體激酶）(95kDa)一種跨膜蛋白，其外側(cè)部分可與ZP3分子特異結(jié)合，而內(nèi)側(cè)部分

9、具有酪氨酸激酶的功能。該酶被激活后，導(dǎo)致頂體反應(yīng)。31zp1，zp2，zp3是小鼠透明帶主要存在的三種糖蛋白。其中以zp3含量最為豐富。zp2和zp3組成相間串珠狀排列的二聚體，這些二聚體通過zp1相互交聯(lián)，組成大分子的膜孔狀透明帶。在3種蛋白中，zp1僅具有結(jié)構(gòu)功能，zp2和zp3則同時參與與配子識別的相互作用，精子和透明帶的最初接合由zp3來介導(dǎo)，精卵的次級接合由zp2來維持。接合zp2的精子蛋白質(zhì)在某些哺乳動物中已被識別，而與zp3接合的精子蛋白則是我們講到的sp56，p95，半乳糖基轉(zhuǎn)移酶。就是課本122頁圖5.2所示的內(nèi)容。32ZP3在小鼠精子與透明帶的結(jié)合中的作用。33二次結(jié)合 在

10、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)合稱為二次結(jié)合（secondary binding）。二次結(jié)合是通過頂體內(nèi)膜上的特殊蛋白與透明帶中的ZP2糖蛋白結(jié)合的。34小鼠透明帶絲狀串珠樣結(jié)構(gòu)示意圖3536金色倉鼠精子入卵過程 ：A，精卵融合的掃描電鏡照片 B，精子與透明帶的結(jié)合 C，精子頭部穿過透明帶。3738D，精子與卵子質(zhì)膜的融合 E，精子頂體與帶有微絨毛的卵子質(zhì)膜融合的示意圖39二. 受精的唯一性當(dāng)精卵細胞膜融合時，為確保受精的唯一性，其它精子的進入通過兩種機制來阻止。當(dāng)發(fā)生 “polyspermy” 的情況時，由于染色體分布不均，有

11、些可能有過多有些則缺乏，當(dāng)細胞分裂到一定數(shù)量時，就無法正常整合而造成死亡; 所以防止polyspermy是非常重要的。 40一種是通過使卵子上精子結(jié)合受體失活，另一種是通過受精膜的迅速膨脹來實現(xiàn)的次級、永久阻斷多精進入機制。4142海膽雙精受精卵（dispermic egg）第一次卵裂的中期。43人類雙精受精卵的第一次有絲分裂。44為了要防止polyspermy, 以海膽為例就發(fā)展出兩種防止機制; 一為 “fast block of polyspermy” 另一為 “slow block to polyspermy”哺乳動物則以透明帶反應(yīng)和卵黃膜封閉兩種機制來阻止多精入卵，在卵子激活時兩種阻斷

12、機制均被啟動。45海膽為例：快封閉反應(yīng)海膽卵子細胞膜去極化引起的慢封閉反應(yīng)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胞質(zhì)。461. 快封閉反應(yīng): 卵膜中存在離子通道，卵膜的快速阻礙多精入卵作用是通過改變自身膜電位形成的。精子進入卵細胞觸發(fā)細胞膜靜息電位迅速去極化，引起膜外精子與卵細胞識別和融合的障礙。 如人為維持原有的膜電位，可誘導(dǎo)多精受精現(xiàn)象發(fā)生；如改變正常的初始膜電位， 則會阻止卵細胞的受精。阻礙多精入卵的機制：47海膽卵受精前后的膜電位變化48B：control 490 nM Na C：120 nM Na導(dǎo)致多精入卵的比率升高

13、49降低卵外Na濃度導(dǎo)致多精受精比率的升高502. 皮層顆粒反應(yīng) 多精受精快速阻礙機制中膜電位的變化時間非常短暫（1 min左右），不足以永久實現(xiàn)阻礙多精入卵。 結(jié)合到卵黃膜的精子是通過皮層的小泡破裂，發(fā)生皮層反應(yīng)被移除的；否則將導(dǎo)致多精入卵。51皮層由皮層顆粒組成，通常分布在沒有微絨毛結(jié)構(gòu)的卵膜下方。當(dāng)精子進入卵子時，皮層顆粒與卵膜發(fā)生融合，顆粒內(nèi)容物被釋放到卵膜和卵黃膜之間的區(qū)域卵黃周隙（perivitelline space），這些釋放物中有幾種蛋白質(zhì)在皮層顆粒反應(yīng)中發(fā)揮了重要的作用。52海膽皮層顆粒反應(yīng)示意圖卵黃膜卵細胞膜微絨毛皮質(zhì)顆粒釋放蛋白水解酶和粘多糖透明層53未受精卵（左）和受

14、精卵（右）的皮層54皮質(zhì)顆粒內(nèi)含物中含有的蛋白質(zhì)：1）蛋白水解酶可以使卵黃膜與質(zhì)膜間的聯(lián)系分離；剪除卵膜上bindin的受體及與之結(jié)合的精子。2）粘多糖：進入卵周隙吸水膨脹，使卵黃層向外隆起，形成受精膜（fertilization envelope ）舉起。553）過氧化物酶：皮層顆粒分泌的過氧化物酶通過交聯(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，并向外擴張至整個卵細胞，從而阻止多精入卵。4）透明質(zhì)素（hyalin）：在卵外形成透明質(zhì)層(hyalin layer)，它與卵裂中對分裂球的支持作用有關(guān)。卵細胞質(zhì)膜突起的微絨毛深入到其基部。56海膽受精膜的形成及多余精子

15、的移除57哺乳動物不形成受精膜，但皮質(zhì)顆粒中釋放的酶對透明帶中的精子受體分子進行修飾，使之喪失與精子結(jié)合的能力，因此，稱為透明帶反應(yīng)。(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)。卵激活時皮質(zhì)顆粒釋放出來的N-乙酰葡糖酶能對ZP3上的GalTase結(jié)合位點進行修飾，由此阻斷透明帶外圍的精子與受精卵結(jié)合。）583、Ca2的作用 皮層顆粒反應(yīng)的作用機制與頂體反應(yīng)基本相似，Ca2作為細胞內(nèi)信使發(fā)揮了及其重要的作用。研究證明，啟動皮層顆粒反應(yīng)的鈣主要儲存在卵細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，而不是卵外鈣離子的內(nèi)流。 卵細胞內(nèi)的信號分子三磷酸肌醇IP3激活Ca

16、2的釋放，而IP3的產(chǎn)生是與GTP結(jié)合蛋白或酪氨酸激酶相關(guān)的。59第五節(jié) 卵的激活卵激活：經(jīng)精子刺激，成熟卵從休眠狀態(tài)進入活動狀態(tài)，稱為卵激活(activation)。 皮質(zhì)反應(yīng) 減數(shù)分裂恢復(fù) 第二極體排出 DNA復(fù)制和第一次卵裂6061精子誘導(dǎo)卵激活的假說：（1）受體假說（2）融合假說626364精子進入卵細胞觸發(fā)細胞膜電位勢迅速改變，引起膜外精子與卵細胞識別和融合的障礙。卵膜電性的去極化。去極化波從精子進入的點上開始，并以動作電位形式傳播至卵膜表面。 65成熟的卵細胞在代謝上是極為鈍化的，只有受精的刺激才能喚醒代謝的活躍進行，這一活化過程分為：早期應(yīng)答：從精卵接觸到發(fā)生皮層反應(yīng)的數(shù)秒內(nèi)所發(fā)

17、生的事件。由鈣離子用作用引發(fā)的受精卵皮質(zhì)顆粒的釋放、精核的解凝聚、細胞的分裂等活動一系列變化過程即稱為早期應(yīng)答，它包括了卵細胞代謝的啟動。 （圖3.1.10）晚期應(yīng)答：受精開始后數(shù)分鐘發(fā)生的事件。伴隨鈣離子濃度增加后，細胞內(nèi)pH很快升高而帶來的一系列變化66原核融合(pronuclei fussion)精細胞的細胞核進入卵細胞質(zhì)后，包裝緊密的染色質(zhì)開始解旋。精子的細胞核膜解體形成小的囊泡，并立即與精子細胞核脫離，形式?jīng)]有核被膜的精子染色質(zhì)，但很快形成新的核被膜，此時稱為雄性原核(male pronucleus)。雄性原核向卵細胞的雌性原核移動，這種遷移是由精細胞的中心粒產(chǎn)生的微管指導(dǎo)的，精細胞

18、的中心粒是隨細胞核一同進入卵細胞的。當(dāng)兩個原核相互接觸時，通常會發(fā)生融合，形成一個二倍體的核，此即原核融合。67四.遺傳物質(zhì)的融合單倍性的卵核稱為雌原核（female pronucleus）單倍性的精核稱為雄原核（male pronucleus）海膽精子進入卵子胞質(zhì)后，雄性原核旋轉(zhuǎn)180度，使得精子的中心粒正好位于精核和卵核之間。 三. 受精卵的代謝啟動686970五. 細胞質(zhì)成分在受精后的重組71圖示：濾泡的發(fā)育7273第五章 完 畢74三、精子入卵的調(diào)控1、雌雄配子的融合 精子通過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，并在該位置進

19、行精卵細胞膜的融合。雌雄配子的融合大多被限定在特定的區(qū)域內(nèi)。75海膽精子入卵過程76海膽精子入卵過程773.2 囊胚從單細胞到多細胞在多數(shù)動物的發(fā)育過程中，受精卵立即進入快速分裂和細胞增殖的階段，首先形成一個多細胞的團聚體，稱為桑椹胚（morula）。之后，伴隨細胞數(shù)目的增加，胚體中空而形成一個囊狀結(jié)構(gòu)，稱為囊胚（blastula）。從受精卵到囊胚形成是動物早期發(fā)育的一個重要階段。78 發(fā)育生物學(xué)研究表明，從受精卵分裂開始到囊胚形成的過程中發(fā)生了重要的變化： 通過快速的細胞分裂，發(fā)育由單細胞進入多細胞狀態(tài)，細胞間聯(lián)系由此建立。2. 在早期的細胞增殖過程中，通過細胞質(zhì)的不均等分配，出現(xiàn)了胚胎細胞

20、的早期定向分化，并由此奠定了發(fā)育體制的基礎(chǔ)，例如體軸和未來胚層的建立。3. 在雄核與雌核融合前以及早期細胞分裂階段，胚胎的發(fā)育信息的獲得來自于儲備的母體基因表達產(chǎn)物，伴隨細胞分裂和囊胚的發(fā)育，合子基因庫啟用，子代“自主性”的發(fā)育開始。79受精卵經(jīng)過一系列的細胞分裂將體積極大的卵子細胞質(zhì)分割成許多較小的、有核的細胞，形成一個多細胞生物體的過程稱為卵裂（cleavage）。處于卵裂期的細胞叫做卵裂球（blastomere）。不同卵裂球之間已經(jīng)開始產(chǎn)生差異，并最終發(fā)育成不同類型的細胞。1. 卵裂80蛙的早期卵裂。 A 第一次卵裂， B 第二次卵裂， C 第四次卵裂，動物極和植物極細胞出現(xiàn)差異。81D

21、isplacement of mitotic spindle82中心體行為的差異造成不同的細胞具有不同的卵裂平面 動物細胞的卵裂平面是主要由中心體而不是由紡錘體決定的。 8384卵裂時，細胞質(zhì)體積并沒有增加，合子細胞質(zhì)不斷地被二等分分到越來越小的細胞中。細胞在兩次分裂之間沒有生長期，卵裂期細胞核以極高的速度分裂，直到原腸后期細胞分裂速度才顯著放慢。85Cleavage: fertilized egg (embryo) blastomere1.One large cell is divided into numerous small cells.2.In most cases, the grow

22、th period, such as G1and G2, is abolished. (review LSII)86在多數(shù)生物的胚胎中，核質(zhì)比值的成倍增加是決定某些基因定時開始轉(zhuǎn)錄的因素。非洲爪蟾的胚胎，直到第12次卵裂，合子的基因組才開始轉(zhuǎn)錄（中期囊胚轉(zhuǎn)換）。胚胎細胞中染色質(zhì)含量愈高，這種轉(zhuǎn)化（合子型基因的打開）發(fā)生愈早。如果核內(nèi)染色質(zhì)是正常情況的2倍，這種轉(zhuǎn)化將提前一個周期發(fā)生。因此新合成的染色質(zhì)能感受卵內(nèi)一些因子的量的變化。87The first 12 cell division: rapid and synchronous (embryo no growth)，After that,

23、the cytoplasmic components are used up, the nucleus begins to synthesize them-mid blastula transition The synchronicity of cell division is lost.mRNA and proteins are synthesized888990Cyclin B/ACyclin B/ACDK1Thr14Tyr15Thr161PPPCDK1Thr14Tyr15Thr161PCDK1Thr14Tyr15Thr161圖示：CDK1激酶活性綜合調(diào)控示意圖91果蠅胚胎發(fā)育過程中細胞周

24、期調(diào)控的發(fā)育變化（數(shù)字示卵裂次數(shù)）。1-781314922. 伴隨分裂進行，細胞分化開始93爪蟾囊胚期的發(fā)育命運圖9495斑馬魚囊胚期的發(fā)育命運圖96斑馬魚囊胚期的發(fā)育命運圖97哺乳動物另外右一個重要的特征是有胚胎的壓縮（compaction）現(xiàn)象。處于8細胞期的胚胎是一個松散的結(jié)構(gòu)，各個卵裂球之間右許多空隙。而在第三次卵裂之后，各卵裂球突然相互靠近，相互之間的接觸面積達到最大，形成一個緊密的細胞球。細胞球外層細胞之間有緊密連接，可將球內(nèi)部的細胞與外環(huán)境隔絕，起穩(wěn)定細胞球的作用。球體的內(nèi)部細胞之間有間隙連接（gap junction）相連，可以交換小分子和離子。98小鼠桑椹胚的壓縮現(xiàn)象 8細胞

25、時期，小鼠細胞表面光滑，微絨毛均勻分布，壓縮后微絨毛僅分布于細胞的外表面，細胞之間的聯(lián)系加強了。99細胞壓縮決定囊胚腔的大小100蛙卵囊胚腔的形成 A，第一次卵裂平面形成的小裂隙以后擴大發(fā)育為囊胚腔；B，8細胞時期的囊胚腔。101抗E-cadherin的抗體能夠阻止胚胎壓縮現(xiàn)象的發(fā)生102103104內(nèi)細胞團的產(chǎn)生是哺乳動物早期發(fā)育的關(guān)鍵步驟之一。通過對活體胚胎的觀察研究，發(fā)現(xiàn)這種重要決定作用僅僅依賴于細胞于某一正確時間出現(xiàn)在某一正確的位置。壓縮后位于外層的細胞將形成滋養(yǎng)層細胞，而內(nèi)部的細胞將發(fā)育成胚胎。一個細胞是否成為胚胎或滋養(yǎng)層細胞，完全取決于壓縮作用后細胞所處的位置是位于外周還是內(nèi)部。1

26、05圖示：濾泡的發(fā)育106哺乳動物受精卵在體外進行的卵裂 ABC 2，4，8細胞期；D 壓縮的8細胞期；E 16細胞桑椹胚；F 32細胞囊胚期107早期胚胎細胞發(fā)育的全能性人類同卵雙胞胎的形成與胚胎外膜相關(guān)的時序示意圖。A，滋養(yǎng)層形成之前； B，滋養(yǎng)層形成之后，羊膜形成之前； C，羊膜形成之后。1081091103.3 原腸胚三胚層的建立1111.海膽的原腸胚發(fā)育（輻射式卵裂）112圖示：海膽的卵裂 B 2細胞期，C 4細胞期，D 32細胞期113海膽第四次分裂卵裂球的形成114海膽的早期囊胚和晚期囊胚115116海膽原腸作用過程：原植物極中央細胞內(nèi)陷進入囊胚腔，表皮細胞轉(zhuǎn)變成為初級間質(zhì)細胞，

27、然后內(nèi)胚層表皮細胞內(nèi)陷和擴展，其前端表皮細胞轉(zhuǎn)化為次級間質(zhì)細胞。兩種間質(zhì)細胞都分化產(chǎn)生間質(zhì)纖維和骨針，原腸末端與體外連通形成口。117海膽原腸作用的開始118胞外基質(zhì)纖維囊胚腔基質(zhì)片層透明帶纖毛119120海膽原腸作用過程：初級間質(zhì)細胞在中胚層和內(nèi)胚層相交處形成一圈，在腹側(cè)有一分支伸，它們將用于骨的形成。1211221232、果蠅的原腸作用124果蠅胚胎的表面卵裂125表面卵裂昆蟲受精卵行表面卵裂。由于大量的卵黃位于卵的中央，因此卵裂被限制在卵的外圍卵質(zhì)中。表面卵裂的特征是，直到核已經(jīng)分裂，細胞還不能形成。合子型的核于卵的中央部分進行多次的有絲分裂，形成多達256個細胞核。然后細胞核遷移至卵的

28、四周，這時的胚胎稱為合胞體層（syncytial blastoderm），意指所有的細胞核都位于同一細胞質(zhì)中。126127128遷移到受精卵后極的核迅速由新形成的膜所包圍，形成極細胞，將來發(fā)育為成體的生殖細胞。昆蟲卵發(fā)育的最早事件之一是把未來的生殖細胞與胚胎的其余部分區(qū)分開。極細胞形成之后，卵膜內(nèi)陷于核之間，最終把每個核分隔成單一的細胞，這樣就形成了細胞胚層，所有的細胞都沿著卵黃核心單層排列。129果蠅胚層的核伸長核細胞化的示意圖130果蠅合胞體胚層中細胞核周圍細胞骨架的定位131兩棲類原腸作用時的細胞運動非洲爪蟾的中胚層前體只存在于深層細胞中，位于赤道區(qū)域表面細胞下面，而外胚層和內(nèi)胚層則來源

29、于表面的表層細胞中。蛙類原腸作用首先是從將來胚胎的背部，即剛好位于赤道下方的灰色新月區(qū)開始的。132兩棲類的灰色新月 精子入卵后，皮層向精子進入的方向旋轉(zhuǎn)大約30，在動物極皮層含大量色素而內(nèi)層含有少量色素的物種中，這一胞質(zhì)不同層次的相對運動形成了一個在精子進入點對面的新月形的灰色區(qū)域，稱為灰色新月。133灰色新月區(qū)的預(yù)定內(nèi)胚層細胞內(nèi)陷，形成狹縫狀胚孔（slit-like blastopore），內(nèi)陷細胞稱為瓶狀細胞（bottle cell），它們沿最初的原腸排列 。蛙類囊胚細胞內(nèi)陷引發(fā)原腸形成。但是，蛙類的原腸作用并不是在最靠近植物極處開始內(nèi)陷，而是在動物半球和植物半球匯合的赤道附近，即所謂的

30、邊緣區(qū)（marginal zone）開始內(nèi)陷。134爪蟾的晚期囊胚，示邊緣區(qū)被內(nèi)胚層細胞覆蓋。135胚孔處形成瓶狀細胞136移植的胚孔背唇細胞將在內(nèi)胚層細胞層上下陷（sink），形成一個胚孔狹縫。瓶狀細胞的內(nèi)陷啟動原腸作用。137瓶狀細胞的收縮拉動邊緣區(qū)細胞向植物極運動，同時將植物極的內(nèi)胚層細胞推向胚胎的內(nèi)部。邊緣區(qū)細胞的運動導(dǎo)致外胚層細胞向植物極外包，預(yù)定前端中胚層細胞沿囊胚腔內(nèi)表面延伸。138胚孔形成和原腸作用過程中爪蟾背部區(qū)域細胞的運動139爪蟾早期胚孔背唇的表面觀，示動、植物極細胞大小的差異。140動物極細胞通過胚孔背唇內(nèi)卷區(qū)域表面的特寫。141原腸作用的下一個時期包括邊緣區(qū)細胞的內(nèi)卷

31、以及動物半球細胞的外包和向胚孔處集中。遷移中的緣區(qū)細胞到達胚孔的背唇時，轉(zhuǎn)向內(nèi)部沿著外層細胞的內(nèi)表面運動，因此構(gòu)成背唇的細胞在不斷更新。最初構(gòu)成背唇的細胞為內(nèi)陷形成原腸前緣的瓶狀細胞，它們隨后發(fā)育為前腸咽部的細胞。142內(nèi)卷邊緣區(qū)細胞沿外層細胞的內(nèi)表面向動物極運動，示構(gòu)成胚孔背唇的細胞的不斷更新。143隨著瓶狀細胞進入胚胎內(nèi)部，背唇被后來內(nèi)卷進入胚胎發(fā)育為頭部中胚層前體的細胞代替。接下來，由胚孔背唇內(nèi)卷進入胚胎的細胞為脊索中胚層細胞，它們將形成脊索。脊索是一個臨時性中胚層脊柱（backbone），對誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)的分化起重要的作用。144隨著新細胞進入胚胎內(nèi)部，囊胚腔被擠壓到與背唇相對的一側(cè)。同

32、時隨著胚孔處瓶狀細胞形成和內(nèi)卷，胚唇向側(cè)面和腹面延伸，形成新月狀結(jié)構(gòu)。新月狀胚孔進一步延伸，先形成側(cè)唇，在形成腹唇。通過側(cè)唇和腹唇，位于外胚層細胞中的中胚層和內(nèi)胚層細胞繼續(xù)內(nèi)卷，使胚孔形成一環(huán)狀，包繞在含有大量卵黃、體積較大的內(nèi)胚層細胞周圍，這些內(nèi)胚層細胞暴露在植物極外面，稱為卵黃栓（yolk plug）。145隨著背唇、側(cè)唇和腹唇的連續(xù)形成，胚孔區(qū)域的變化。146通過胚孔進入胚胎內(nèi)部的細胞的運動147囊胚腔頂壁細胞形狀的改變和細胞重排，合并成單層細胞。148最終，卵黃栓也被包入內(nèi)部。至此，所有內(nèi)胚層細胞都已進入胚胎的內(nèi)部，外胚層細胞包被在胚胎的表面，而中胚層細胞則位于內(nèi)胚層和中胚層之間。非洲

33、爪蟾的原腸作用是數(shù)個事件和諧的組合，結(jié)果是把內(nèi)中外三個胚層細胞置于適當(dāng)?shù)奈恢?，為它們分化為不同的器官做?zhǔn)備。149兩棲類原腸作用時細胞的運動。150兩棲類原腸作用總結(jié)：1. 邊緣區(qū)瓶狀細胞在準(zhǔn)確的時間和位置內(nèi)陷。2. 邊緣區(qū)細胞通過胚唇進行內(nèi)卷形成原腸。3. 內(nèi)卷的中胚層細胞沿胚孔頂壁內(nèi)表面遷移。4. 預(yù)定脊索中胚層在胚胎背部集中延伸5. 預(yù)定外胚層細胞通過細胞分裂和數(shù)層細胞合并為單層細胞而向植物極下包。151152153胚孔的定位細胞質(zhì)的運動激活精子入卵點對面的細胞質(zhì)開啟原腸作用。精子入卵點代表胚胎未來的腹面，而與之相對的一面即原腸作用開啟處代表胚胎未來背面。雖然誘發(fā)卵細胞質(zhì)運動并不一定需要

34、精子，但精子對決定細胞質(zhì)旋轉(zhuǎn)方向是至關(guān)重要的。卵子哪一側(cè)形成背部，哪一側(cè)形成腹部，完全由細胞質(zhì)運動方向來決定。154通過機械方法（如離心）人為地改變皮層細胞質(zhì)和皮層下細胞質(zhì)的空間關(guān)系，將可以使胚胎在精子入卵點的同一側(cè)開啟原腸作用。將精子決定的細胞質(zhì)旋轉(zhuǎn)與人工誘導(dǎo)的細胞質(zhì)旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，就可能獲得兩個原腸作用起點，最終形成聯(lián)體雙胞胎蝌蚪（Black and Gerhart， 1985）。155人工方法誘導(dǎo)的兩個原腸作用開啟點。156兩個原腸作用開啟點導(dǎo)致聯(lián)體雙胞胎蝌蚪的形成。157158159160原腸作用誘導(dǎo)因子是通過動物極細胞質(zhì)和植物極細胞質(zhì)兩者之間的相互作用而產(chǎn)生的。開啟原腸作用的誘導(dǎo)因子原來

35、位于植物極細胞的深層細胞質(zhì)中。移植預(yù)定背部的植物極細胞能夠讓植物極經(jīng)紫外線照射的胚胎正常發(fā)育，同時將預(yù)定背部的植物極細胞移植到預(yù)定腹部的部位，也能夠誘導(dǎo)形成次生胚軸（secondary axis）。1611624. 鳥類的原腸作用一、鳥類原腸作用概述鳥類行不完全的盤狀卵裂，胚胎經(jīng)過卵裂在大量的卵黃上形成一個胚盤（blastodisk）。胚盤下方“惰性”的卵黃對上面細胞的運動施以嚴(yán)格限制。163164165166由動物極（胚胎將來的背部）觀察的雞卵的盤狀卵裂167由上胚層和下胚層組成的雙層囊胚在暗區(qū)邊緣連接在一起，兩層之間的空腔即為囊胚腔（blastocoel）。鳥類胚胎命運圖譜僅局限于上胚層，

36、胚胎本身和大量胚胎外膜都是由上胚層所產(chǎn)生。下胚層對正在發(fā)育的卵的本身并沒有任何實質(zhì)性的貢獻。下胚層細胞只形成部分胚胎外膜（extraembryonic membrane），尤其是卵黃囊（yolk sac）和連接卵黃的基柄（stalk）。卵黃囊尿囊168鳥類胚盤中央細胞被胚下腔（subgerminal cavity）和卵黃分開，看起來透明，稱為明區(qū)（area pellucida）。明區(qū)邊緣細胞和卵黃接觸看起來不透明，稱為暗區(qū)（area opaque）。上胚層某些細胞單個的遷移到胚下腔中，形成初級下胚層（primary hypoblast）。胚盤后緣有一層細胞向前遷移和初級下胚層匯合，形成次級下胚

37、層（secondary hypoblast）。1. 下胚層和上胚層的形成雞胚雙層囊胚的形成169 鳥類的原條（primitive streak）首先見于胚胎的后端上胚層細胞的加厚處。這種加厚是來自上胚層的中胚層細胞內(nèi)移進入囊胚腔以及來自上胚層后端兩側(cè)細胞向中央遷移所致。隨著加厚部分不斷變窄，它不斷向前運動，并收縮形成清晰的原條。原條延伸至明區(qū)長度60至75處，成為胚胎前后軸的標(biāo)志。2.原條的形成170171伴隨著細胞集中形成原條，在原條中出現(xiàn)一凹陷，成為原溝（primitive groove）。原溝與兩棲類胚孔的作用相似，遷移的細胞通過原溝進入囊胚腔。在原條的前端是一個細胞加厚區(qū)叫原節(jié)（pri

38、mitive knot）或亨氏節(jié) （Hensens node） 。亨氏節(jié)的中央有一個煙囪狀的凹陷，叫原窩（primitive pit）。細胞可以通過原窩進入囊胚腔。亨氏節(jié)在功能上相當(dāng)于兩棲類胚孔的背唇。172雞胚原條形成時細胞的運動。A，34h；B，56h；C，78；D，1012h173移植亨氏節(jié)能夠誘導(dǎo)一個次生胚胎的形成。174最早通過原條遷移的細胞是預(yù)定發(fā)育成前腸的細胞，這一點與兩棲類相似。3.通過原條的細胞的遷移：內(nèi)胚層和中胚層的形成175A，進入囊胚腔的細胞頂端伸長形成瓶狀細胞；B，雞胚原腸作用立體圖解，示原條、正在遷移的細胞和原有兩胚層之間的關(guān)系。通過亨氏節(jié)進入囊胚腔的細胞向前遷移，

39、形成前腸、頭部中胚層和脊索；通過原條兩側(cè)部分進入囊胚腔的細胞形成大部分內(nèi)胚層和中胚層組織。176最早通過原條遷移的細胞是預(yù)定發(fā)育為前腸的細胞，一旦進入囊胚腔，就向前遷移，最后把胚胎前區(qū)的下胚層細胞擠走，使下胚層細胞局限于明區(qū)前部一個區(qū)域，即生殖新月區(qū)。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)。177原條一旦形成，上胚層細胞便開始向原條邊緣遷移，進入囊胚腔內(nèi)，組成原條的細胞也在不斷地變化。進入鳥類囊胚腔的細胞以單個細胞為單位，內(nèi)移的細胞并不形成緊密聯(lián)系的細胞層，只形成松散聯(lián)系的間質(zhì)細胞。隨著細胞進入原條，原條向胚胎未來頭部區(qū)域延長。下胚層細胞構(gòu)成的區(qū)域即生殖新月不

40、形成任何胚胎本身結(jié)構(gòu)，但含有生殖細胞前體，以后通過血管遷移到生殖腺中。178上圖，1516h；原溝和亨氏節(jié)的形成。下圖，1922h；內(nèi)移的細胞向上推舉上胚層前端中線區(qū)域，形成頭突（head process）。179隨后在中胚層細胞繼續(xù)內(nèi)移的同時，原條開始回縮，使大致位于明區(qū)中央的亨氏節(jié)向后推移。在原條回縮的痕跡上出現(xiàn)了胚胎背軸和頭突。隨著亨氏節(jié)繼續(xù)回縮，脊索后端部分開始形成。最終亨氏節(jié)回縮到最后端區(qū)域，將來形成肛門。至此，上胚層完全由預(yù)定外胚層構(gòu)成。盡管中胚層細胞還要繼續(xù)向內(nèi)遷移很長時間，但大部分預(yù)定內(nèi)胚層細胞已進入胚胎內(nèi)部。1802428h雞胚的原腸作用。A，延伸到全長的原條，24h；B，2

41、體節(jié)時期，25h；C，4體節(jié)時期，27和；D，原條回縮到胚胎的尾部，28h。E，原條回縮，脊索沿著原條的痕跡形成。181伴隨原條回縮，脊索和體節(jié)逐漸形成。上圖，2324h；下圖，4體節(jié)時期。182當(dāng)預(yù)定中胚層和內(nèi)胚層細胞向囊胚腔內(nèi)運動時，預(yù)定外胚層細胞還在分裂，并成為胚胎最上層唯一的細胞群。預(yù)定外胚層細胞遷移離開胚盤，通過下包包被卵黃。鳥類原腸作用結(jié)束的時候，外胚層已將卵黃包被起來，內(nèi)胚層已經(jīng)取代了下胚層，而中胚層則已經(jīng)遷移到內(nèi)外兩胚層之間的位置。183二、鳥類原腸的發(fā)育圖案細胞潛入囊胚腔和伴隨原條向前的發(fā)展，遷入的細胞逐漸取代了下層細胞層成為真正意義上的胚體內(nèi)胚層，并在以后的發(fā)育中向下方中心

42、回卷構(gòu)成胚體的消化管道，即原腸發(fā)生。原有的下層細胞被推至明區(qū)前端的部位構(gòu)成生殖新月區(qū)，并通過內(nèi)移的方式植入胚體的生殖嵴發(fā)育為生殖細胞。經(jīng)囊胚腔的內(nèi)移細胞同樣向前但是移動不遠，保留在外胚層和內(nèi)胚層之間發(fā)育為頭部中胚層和脊索。184185二、鳥類原腸的發(fā)育圖案1. 下胚層的作用和胚軸的形成鳥類的前后軸和背腹軸早在原腸作用之前當(dāng)卵子由輸卵管排出時就已經(jīng)決定了。背腹軸對于下胚層的形成和胚胎的進一步發(fā)育至關(guān)重要。1862. 原條細胞的聚集上胚層也不是一個均勻的未分化組織。早在原條開始形成之前，上胚層細胞就出現(xiàn)了分化。例如，后端緣區(qū)組織可能分泌一種化學(xué)物質(zhì)，吸引HNK-1（硫酸化葡糖醛酸）呈陽性的細胞向后端遷移，而前端緣區(qū)組織則分泌一種排斥因子。聚集到后端緣區(qū)的HNK-1陽性細胞將形成內(nèi)胚層和中胚層。187透明質(zhì)酸和其他多糖能促進單個細胞的遷移，但它們并不能驅(qū)動細胞遷移。透明質(zhì)酸能使正在遷移的細胞處于彼此分離的狀態(tài)。另外，透明質(zhì)酸還可能通過它在水中膨脹的能力保持細胞彼此分離。細胞的遷移和上胚層胞外基質(zhì)片層中的纖連蛋白網(wǎng)有關(guān)。1885. 哺乳類的原腸作用哺乳類發(fā)育模式和鳥類以及爬行類相似。哺乳類的卵子為少黃卵，但其胚胎仍保留著為適應(yīng)多黃卵而進化形成的鳥類和爬行類胚胎的原腸作用方式。哺乳類的內(nèi)細胞團可以看作卵黃球頂部的胚盤，它按照與其祖先爬行類相似的模式發(fā)育。189哺乳動物在