發(fā)育生物學(xué) 第三章 卵裂和多細(xì)胞創(chuàng)造

動(dòng)物胚胎的早期發(fā)育-卵裂第三章卵裂和多細(xì)胞創(chuàng)造主要內(nèi)容1.卵裂概述2.卵裂方式3.卵裂機(jī)制受精是發(fā)育的第一步，配子得到了新的遺傳潛能和進(jìn)行了細(xì)胞質(zhì)重排后，開始形成一個(gè)多細(xì)胞生物體。這一過程起始于卵裂（cleavage），由一系列的細(xì)胞分裂將體積極大的受精卵細(xì)胞質(zhì)分割成許多較小的、有核的細(xì)胞，這些處于卵裂期的細(xì)胞叫做囊胚細(xì)胞（blastomere）或卵裂球。概述蛙的早期卵裂。A第一次卵裂，B第二次卵裂，C第四次卵裂，動(dòng)物極和植物極細(xì)胞出現(xiàn)差異。蛙胚早期發(fā)育的卵裂速度卵裂的特點(diǎn)分裂周期短;快速。卵裂期兩次卵裂之間沒有生長(zhǎng)期(biphasiccellcycle:SM)。卵裂期核分裂速度最快，比腫瘤細(xì)胞分裂還快！分裂球的體積下降：海膽胚胎的質(zhì)/核比由550降至6;但胚胎的總體積不變?cè)缙诼蚜阎泻献踊虼蠖嗵幱谛菝郀顟B(tài)；在大多數(shù)動(dòng)物中（哺乳動(dòng)物除外），通過有絲分裂分配到各卵裂球中的合子基因組，在早期卵裂胚胎中并不起作用(不轉(zhuǎn)錄)。即卵裂主要依賴于卵母細(xì)胞質(zhì)中的母源性物質(zhì)。當(dāng)母源性基因產(chǎn)物失活后或耗盡后，發(fā)育過程開始依賴于合子的基因轉(zhuǎn)錄。卵裂常經(jīng)歷由均等裂向不均等裂變化。體細(xì)胞和動(dòng)物早期分裂球的細(xì)胞分裂周期對(duì)照體細(xì)胞周期卵裂周期卵裂的細(xì)胞周期果蠅胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞周期調(diào)控的發(fā)育變化。卵裂的方式是一個(gè)受遺傳控制的過程，主要由兩個(gè)因素決定：1.卵質(zhì)中卵黃的含量及其在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的分布決定卵裂發(fā)生的部位及卵裂球的相對(duì)大小。2.卵質(zhì)中有絲分裂器（mitoticapparatus）的位置和定向。第一節(jié)、卵裂的類型囊胚腔動(dòng)物極植物極動(dòng)物極：受精卵含卵黃少的一端，黑褐色，細(xì)胞質(zhì)、核位于此植物極：含卵黃較多的一端，淡黃色。經(jīng)線裂(meridionalcleavage):指卵裂面與A－V軸平行的卵裂方式。緯線裂(equatorialcleavage):指卵裂面與A－V軸垂直的卵裂方式。卵裂的方式卵黃對(duì)卵裂影響卵裂類型卵子類型代表動(dòng)物完全卵裂Holoblastic輻射對(duì)稱型Radial均黃卵(卵黃少)棘皮動(dòng)物、文昌魚，海鞘，海膽螺旋型Spiral軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、紐形動(dòng)物，扁形動(dòng)物兩側(cè)對(duì)稱型被囊動(dòng)物，水螅旋轉(zhuǎn)型Rational

線蟲、哺乳動(dòng)物輻射對(duì)稱型中度黃卵兩棲類不完全卵裂Meroblastic兩側(cè)對(duì)稱裂端黃卵頭足類盤狀卵裂Discoidal

魚類、爬行類、鳥類表面卵裂Superficial中央黃卵昆蟲一、完全卵裂1.

輻射式卵裂的基本特征：1）每個(gè)卵裂球的有絲分裂器與卵軸垂直或平行。2）是棘皮動(dòng)物、頭索動(dòng)物中的文昌魚和蛙類所特有的卵裂類型。（均卵黃和中卵黃）海膽的輻射式卵裂海膽：第四次分裂后將開始不均等分裂，第7次經(jīng)裂后產(chǎn)生128細(xì)胞組成的囊胚。植物極的micromeres是生骨中胚層命運(yùn)，具有起動(dòng)原腸作用、誘導(dǎo)第二胚軸的活性。海膽的卵裂

B2細(xì)胞期，C4細(xì)胞期，D32細(xì)胞期海膽的早期囊胚和晚期囊胚蛙類輻射對(duì)稱型卵裂：卵黃對(duì)卵裂的阻礙作用導(dǎo)致卵裂溝延伸緩慢、第三次緯裂發(fā)生不均等分裂。植物極半球分裂的速度始終較慢，所以囊胚的植物極細(xì)胞較大。蛙類的囊胚腔的形成：第一次分裂后兩個(gè)子細(xì)胞的動(dòng)物極端相接觸，產(chǎn)生一個(gè)裂縫，它將擴(kuò)大成為囊胚腔。囊胚腔的作用：有利于原腸作用期細(xì)胞的移動(dòng)、防止囊胚腔上下細(xì)胞的過早交流。2.螺旋式卵裂

環(huán)節(jié)動(dòng)物（蚯蚓、螞蟥、沙蠶）、渦蟲綱動(dòng)物、紐形動(dòng)物門動(dòng)物以及除頭足綱外的所有軟體動(dòng)物（螺、蚌）的卵裂是螺旋式卵裂。螺旋式的特征：1）卵裂的方向與卵軸成斜角，卵裂球排列呈螺旋狀；2）細(xì)胞之間采用熱力學(xué)上最穩(wěn)定的方式堆疊，細(xì)胞間接觸的面積更大，3）只經(jīng)過較少次數(shù)的卵裂就開始了原腸形成。形成的囊胚無囊胚腔，稱作實(shí)囊胚。蝸牛的左旋和右旋螺旋式卵裂3.兩側(cè)對(duì)稱式卵裂主要發(fā)現(xiàn)于被囊動(dòng)物中主要特征是：第一次卵裂平面是胚胎的唯一對(duì)稱面，它將胚胎劃分為左右成鏡像對(duì)稱的兩部分。第二次卵裂也是經(jīng)裂，但不通過卵子的中心。第三次卵裂是緯裂，生成一層動(dòng)物極卵裂球和一層植物極卵裂球。第四次卵裂是不規(guī)則的，第五次卵裂形成一個(gè)小的囊胚。海鞘的兩側(cè)對(duì)稱卵裂海鞘：經(jīng)－經(jīng)－緯－經(jīng)……，8次分裂后產(chǎn)生的256細(xì)胞柱形胚胎在兩極細(xì)胞移動(dòng)封口后成為中空柱形囊胚。

水螅的兩側(cè)對(duì)稱式卵裂A未分裂的受精卵中各種細(xì)胞質(zhì)的分布；B8細(xì)胞期的胚胎；C、D從植物極方向觀察的囊胚4.旋轉(zhuǎn)式卵裂

哺乳動(dòng)物的卵裂方式屬于旋轉(zhuǎn)式卵裂，其特征包括：

1.卵裂速度緩慢；

2.第1次為經(jīng)裂，其后的2個(gè)卵裂球各采用不同的卵裂方式，一個(gè)是經(jīng)裂，一個(gè)是緯裂；這種卵裂的方式稱為交替旋轉(zhuǎn)對(duì)稱式卵裂。棘皮動(dòng)物（左）和哺乳動(dòng)物（右）第一次和第二次卵裂方式的比較3.早期卵裂不同步，一前一后，因此哺乳動(dòng)物的胚胎細(xì)胞數(shù)量增加不是算數(shù)級(jí)數(shù)增加，而是逐個(gè)增加，常常含有奇數(shù)個(gè)細(xì)胞。4.基因組在卵裂的早期就被激活并表達(dá)出進(jìn)行卵裂所必需的蛋白，如老鼠和山羊在2細(xì)胞期就發(fā)生了從母性控制到合子控制的轉(zhuǎn)換，在兔子的胚胎中，這個(gè)轉(zhuǎn)換發(fā)生在8細(xì)胞期。哺乳動(dòng)物的旋轉(zhuǎn)型全卵裂哺乳動(dòng)物的早期卵裂發(fā)生在輸卵管中。桑椹胚哺乳動(dòng)物另一個(gè)卵裂重要特征是有胚胎的壓縮（compaction）現(xiàn)象。處于8細(xì)胞期的胚胎是一個(gè)松散的結(jié)構(gòu)，各個(gè)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(dá)到最大，形成一個(gè)緊密的細(xì)胞球。細(xì)胞球外層細(xì)胞之間有緊密連接，可將球內(nèi)部的細(xì)胞與外環(huán)境隔絕，起穩(wěn)定細(xì)胞球的作用。球體的內(nèi)部細(xì)胞之間有間隙連接（gapjunction）相連，可以交換小分子和離子。哺乳動(dòng)物卵裂球的compaction:發(fā)生第三次卵裂后不久小鼠8細(xì)胞胚胎compaction前后2細(xì)胞期(致密化前)，E-Cadherin（桑椹胚黏著蛋白）被合成并均一的被分布于細(xì)胞膜上。隨著緊密化的發(fā)生E-Cadherin主要分布于卵裂球相互接觸的表面上。致密化也出現(xiàn)于爪蟾和海鞘胚胎,但以哺乳類胚胎為甚.胚胎緊密化機(jī)制抗E-cadherin的抗體能夠阻止胚胎緊密化現(xiàn)象的發(fā)生．在4細(xì)胞期激活蛋白激酶C（PKC）導(dǎo)致緊密化的發(fā)生，引起細(xì)胞骨架的重排，在膜上均勻分布的E-Cadherin重新定位在胞間相交處。E-Cadherin參與胚胎致密化．哺乳動(dòng)物囊胚細(xì)胞命運(yùn)的早期分化－位置決定論16細(xì)胞期桑椹胚(morula):位于內(nèi)部的少數(shù)細(xì)胞產(chǎn)生的子細(xì)胞將組成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(innercellmass)，而位于外部的細(xì)胞產(chǎn)生的子細(xì)胞大多構(gòu)成滋養(yǎng)外胚層(trophoblast)。32細(xì)胞期囊胚(又稱胚泡，blastocyst):位于囊胚腔一端的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(約10個(gè)細(xì)胞)將發(fā)育胚胎的本體及與其相連的卵黃囊、尿囊和羊膜；外層的滋胚層生成絨毛膜（漿膜）—未來胎盤的組成部分，為胎兒從母體攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧，并產(chǎn)生激素以避免母體的排斥反應(yīng)。內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的產(chǎn)生是哺乳動(dòng)物早期發(fā)育的關(guān)鍵步驟之一。通過對(duì)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(xì)胞于某一正確時(shí)間出現(xiàn)在某一正確的位置。壓縮后位于外層的細(xì)胞將形成滋養(yǎng)層細(xì)胞，而內(nèi)部的細(xì)胞將發(fā)育成胚胎。一個(gè)細(xì)胞是否成為胚胎或滋養(yǎng)層細(xì)胞，完全取決于壓縮作用后細(xì)胞所處的位置是位于外周還是內(nèi)部。內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中的每個(gè)分裂球均能產(chǎn)生身體中任何細(xì)胞類型。當(dāng)內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞被分離，并在一定條件下生長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)在培養(yǎng)過程中保持為分化的特征，并可持續(xù)不斷地分裂，這些細(xì)胞被稱為胚胎干細(xì)胞（embryostemcell）。利用胚胎干細(xì)胞進(jìn)行基因敲除（geneknock-out）和構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動(dòng)物已經(jīng)成為一種非常重要的、用于研究哺乳動(dòng)物發(fā)育過程中基因功能的手段。哺乳動(dòng)物胚泡的著床(Implantation)EscapefromtheZonaPellucida胚泡在向子宮移動(dòng)過程中體積增大，是因?yàn)槎ㄎ挥谧甜B(yǎng)層細(xì)胞膜囊胚腔一側(cè)的Na－K泵將外部Na+泵入腔中，最后通過滲透作用吸水使囊胚腔增大。胚胎外面的透明帶與放射冠阻止了胚泡與輸卵管壁的粘連（異位妊娠

）胚泡到達(dá)子宮時(shí)，胚胎細(xì)胞分泌一種類胰蛋白酶(strypsin)，使透明帶穿孔，胚泡孵出，著床植入到子宮內(nèi)膜繼續(xù)發(fā)育。人同卵雙生的發(fā)生占出生總數(shù)0.25%發(fā)生在羊膜形成后(約受精9天后)的分割，共用絨毛膜和羊膜，易出現(xiàn)連體兒發(fā)生在滋養(yǎng)層形成后但羊膜形成前(約受精后5－9天)的分割，共用絨毛膜，有獨(dú)立的羊膜。占同卵雙生的66%發(fā)生在滋養(yǎng)層形成前(約受精后5天前)的分割，有獨(dú)立的絨毛膜和羊膜。占同卵雙生的33%Monozygotic(one-egg,oridentical)twinsDizygotic(two-egg,orfraternal)twins人類的連體嬰兒嵌合胚：如右圖，說明早期卵裂球有同等的發(fā)育潛力。嵌合體：一種含有兩種以上基因型組織的機(jī)體，可能是基因突變、染色體異常分離或移植的結(jié)果。自然人群中也出現(xiàn)過同時(shí)有XX型和XY型細(xì)胞的人。胚胎干細(xì)胞：保持了分化為胚胎本體的潛能的、可在體外增殖的胚胎細(xì)胞。在基因功能研究和疾病治療方面有重要的作用。哺乳動(dòng)物中的嵌合胚、胚胎干細(xì)胞人工受精：如主要用于治療不育癥、保存和運(yùn)輸優(yōu)良個(gè)體。胚胎切割：在2－4細(xì)胞期分割胚胎細(xì)胞，用于繁殖優(yōu)良家畜個(gè)體。哺乳動(dòng)物中的人工受精和胚胎切割二、不完全卵裂鳥類的盤狀偏裂胚盤為動(dòng)物極直徑約2－3mm的胞質(zhì)區(qū)，前3次卵裂經(jīng)線裂，發(fā)生在輸卵管中，胚盤為單細(xì)胞層，仍與卵黃相接觸。雞胚進(jìn)入子宮后，才發(fā)生緯裂，形成5－6個(gè)細(xì)胞厚的胚盤。胚盤細(xì)胞從稀蛋白吸取液體后，與卵黃分裂，形成胚盤下腔(subgerminalcavity)。該腔使胚盤中央?yún)^(qū)透明，叫明區(qū)(areapellucida)；而邊緣區(qū)的細(xì)胞仍與卵黃接觸使其不透明，叫暗區(qū)(areaopaca)。上胚層(epiblast)將形成胚胎本體；下胚層(hypoblast)將產(chǎn)生胚外結(jié)構(gòu)如卵黃囊柄和連接卵黃和內(nèi)胚層消化管的蒂。魚類的盤狀偏裂斑馬魚受精卵的前5次卵裂均為經(jīng)線裂，產(chǎn)生的32個(gè)細(xì)胞為單層分布于卵黃上。其后的分裂方向不規(guī)則。囊胚期開始于128細(xì)胞期,屬盤狀囊胚。斑馬魚中囊胚(經(jīng)歷了10次卵裂)的三類細(xì)胞：1.卵黃多核層(yolksyncytiallayer,YSL)：胚盤的植物極邊緣細(xì)胞裂解，其核和質(zhì)與卵黃細(xì)胞融合在一起而構(gòu)成的一層細(xì)胞核層。在胚盤下包中，部分YSL細(xì)胞核移向胚盤下成為internalYSL，它們可能起提供營(yíng)養(yǎng)的作用；邊緣處的為externalYSL,它們可能起驅(qū)動(dòng)下包的作用。2.Envelopinglayer(EVL)：位于胚盤最外層已表皮化的細(xì)胞，發(fā)育后期會(huì)脫落。3.DeepCells