第1章生殖细胞发生

第一章 生殖细胞的发生进行有性繁殖的高等生物，由 生殖细胞（ germ cells)分化产生世代交替的桥梁 配子（ gamete)，雌、雄配子结合形成 合子（ zygote), 经发育过程形成具有 体细胞（ somatic cells)和生殖细胞的个体，成熟的个体再产生生殖细胞，周而复始，使种族的生命得以延续，而构成 生命周期（ life cycle)。第一节 生殖细胞的起源、分化和迁移生殖细胞来源于其前体 原始生殖细胞 （primordial germ cells, PGCs)。原始生殖细胞的起源可以追溯到相当早期的阶段，有些动物在卵母细胞中已可识别出 生殖质 （ germ plasm)的存在，它主要由蛋白质和 RNA构成。由于富含RNA可被嗜碱性染料着色。随胚胎发育生殖质被分配到一定的细胞中，它们将分化为原始生殖细胞。当生殖嵴发生时，原始生殖细胞以各种不同的方式迁入其内，并在此进行生殖细胞的分化。一 . 生殖细胞的起源、分化和迁移 秀丽线虫（Caenorhabditis elegans)的未受精卵中 P-颗粒均匀分布于整个卵质中。受精后 当雌雄原核相遇时， P-颗粒后移集中于受精卵的后部。随胚胎的发育 P-颗粒最后只发现于将来产生配子的 P-细胞中 在果蝇（ Drosophila）中生殖质位于受精卵的后端，内含特殊的极质颗粒。用紫外线照射破坏极质颗粒，此后的发育中没有生殖细胞发生。移植实验证明，将含极质颗粒的细胞质移植到另一胚胎前部，前部的细胞可分化为原始生殖细胞。 副蛔虫单倍体生殖细胞只有 2条染色体 , 第一次卵裂为纬裂形成动物极和植物极两个卵裂球 ; 在第二次卵裂前动物极卵裂球染色体两端裂解成数十个小片段 , 散布细胞质中 , 不再加入新形成的细胞核内 , 因而失去很多基因 , 这一现象称为 染色体消减 (chromosome diminution)。植物极卵裂球仍保持正常数目染色体。 4-细胞期胚胎只有 1个卵裂球含有正常数目染色体。 16-细胞期只有 2个卵裂球含全数染色体，最终只有 1个卵裂球含全数染色体形成生殖细胞，其它形成体细胞。二 . 原始生殖细胞的迁移1. 两栖类原始生殖细胞的迁移无尾两栖类受精卵中生殖质集中于植物极质膜下面，一直保持到两次卵裂。在囊胚期生殖质位于囊胚腔底部卵裂球间的分裂沟附近。到原肠胚形成 PGCs，位于原肠腔底部的内胚层（肠壁）中，此后迁入背肠系膜，向前迁入到达生殖嵴， PGCs与生殖嵴细胞共同形成生殖腺。2. 哺乳动物原始生殖细胞的迁移 用碱性磷酸酶免疫组化染色显示 7天小鼠胚胎在原条后部的胚外中胚层中有8个体积较大的 PGCs。此后 PGCs数量增多并聚集在尿囊与后肠连接处，以后迁移到卵黄囊附近再分成两群，沿卵黄囊后面新形成的后肠迁移到背肠系膜，再向前迁移分别进入左、右两侧的生殖嵴（受精后 11天），数量也增加到 2500-5000个。3. 鸟类和爬行类原始生殖细胞的迁移 鸟类和爬行类动物的 PGCs起源于外胚层细胞，后经明区中部迁移到明区前缘与暗区交界处 (生殖新月，germinal crescent), 并在此增殖。鸟类和爬行类的 PGCs借助血液循环进行迁移，当到达生殖嵴时离开血管进入生殖嵴。三 . 生殖细胞定向分化的决定 迁入生殖腺的 PGCs具有两种潜能，由生殖腺微环境决定分化为精子或卵子（移植实验)。雌雄同体的秀丽线虫为研究这种决定机制最佳材料。在此涉及两种决定： 进行 有丝分裂或减数分裂？ 形成精子或卵子？ （ 1）秀丽线虫生殖腺末端有一个不分裂的细胞称为 远端细胞（ distal tip cell)，靠近它的生殖细胞进行有丝分裂形成生殖干细胞库；远离远端细胞的生殖细胞进行减数分裂。切除远端细胞则所有细胞进行减数分裂。 （ 2）在秀丽线虫的 卵精巢（ ovotestis） 中，进行减数分裂的，先形成的最远端的细胞形成卵子，而近端的细胞形成精子。第二节 精子发生 一 . 精子发生 (spermatogenesis) PGCs一旦到达雄性胚胎的生殖腺原基就进入性索 , 在此停留直到成熟。在成熟过程中，性索发育为生精小管，其上皮细胞分化为支持细胞（ Sertoli cells)。精子发生在支持细胞的凹陷中进行。 精原细胞 (spermatogonium) 初级精母细胞 (primary spermetocyte), 次级精母细胞 (secondary spermatocyte)。 精子细胞 (spermatid) 精子 (sperm)。从精原细胞到精子细胞的分裂过程中细胞质的分裂不完全，细胞间有直径 1m的细胞质间桥使它们彼此连接形成 合胞体 (syncytium)。通过细胞质间桥沟通信息，保证每群细胞同步成熟。在上述过程中随着分裂，细胞逐渐靠近管腔，在不同层次看到不同分化时期的生精细胞。二 . 精子形成 (spermiogenesis)精子细胞必须经过分化才能变为成熟精子。第一步是由高尔基复合体形成囊状的 顶体（ acrosome） ，覆盖于精子核的头部。同时精子核旋转使顶体朝向基膜 , 以便细胞核对侧的中心粒形成的鞭毛朝向生精小管的管腔。最后细胞核染色质浓缩，大部分细胞质成分被抛弃，线粒体环绕鞭毛基部形成环状。小鼠从生殖干细胞到成熟精子约需 34.5天 , 精原细胞阶段 8天，减数分裂持续 13天，精子形成 13.5天。人类精子发育需要 74天才能完成。第三节 卵子发生 卵子发生（ oogenesis） 和精子发生一样经历减数分裂，但二者并不完全相同：精母细胞经两次减数分裂产生 4个精子细胞，而 卵母细胞（ oocyte） 经两次减数分裂产生 1个卵子和 2-3个 极体（ polar bodies)。精子形成后只是形成一个 “能运动的细胞核 ”，而卵子还要建立一个由酶、 mRNA、细胞器和营养物质组成的细胞质库，以备受精后胚胎发育所需，因此经历一个较长的生长期 (两栖类 3年 )。一 . 两栖类的卵子发生 1.卵黄发生 : 两栖类的卵子由卵原细胞分化而来 , 每年产生一批新卵子。在卵子发生期间卵黄迅速积累，卵子体积增大。卵黄的主要成分是 卵黄蛋白原（ vitellogenin),它在肝脏中合成，经血液循环进入卵巢，经过卵巢滤泡细胞间转运和胞饮作用进入卵母细胞。起初在卵内分布均匀，后主要集中在植物极（75%) 。最后受神经及激素等作用， 生发泡（ germinal vesicle） （核膜）破裂卵子成熟，排卵。2. 卵母细胞的基因转录两栖类卵母细胞在减数分裂前出现 灯刷染色体（ lampbrush chromasomes), 其活跃合成 RNA的基因环伸出。用放射性组蛋白mRNA证明其上的转录活动。到减数分裂的双线期所有早期发育所需的 rRNA、tRNA和母体 mRNA都已完成转录并储存。二 . 昆虫的卵子发生 有些昆虫（果蝇）以营养型方式进行卵子发生。卵巢内的生殖系干细胞经一次分裂产生一个生殖干细胞和一个 包囊干细胞（ cystoblast), 一个包囊干细胞经 4次不完全的有丝分裂产生 16个 包囊细胞（ cysto-cytes） 组成 的 包囊（ cyst), 细胞间以细胞质间桥相互连接为合胞体。其中只有胞囊后端的一个细胞形成卵母细胞，其余15个变为 营养细胞（ nurse cells)。 营养细胞核的 DNA经多次复制，形成多倍体的核。尽管卵子发生中不经历转录活跃阶段，但在营养细胞中大量的RNA合成，并转运到卵母细胞中。二 . 昆虫的卵子发生（续） (A）用 3H-胞嘧啶做的放射自显影研究证明，标记后家蝇卵室内营养细胞的核被深深地记 ;(B)5小时后标记物开始进入卵的细胞质。 用果蝇最早进入卵母细胞的 bicoid mRNA 探针做的实验结果如上相同。 昆虫中三种主要的卵黄蛋白是在脂肪体和卵巢中合成的，卵母细胞本身并不合成。卵黄合成是受几种因子相互作用控制的，如性别、保幼激素水平、蜕皮素和营养状况等。这些生理因子被两个卵黄蛋白基因（ yp1， yp2）间的增强子区整合，它们只在雌性中有活性，而且它只受雌性特异的双性蛋白调节。对环境反应分泌的脑激素刺激蛋白合成开始。三 . 哺乳动物的卵子发生 1. 哺乳动物卵的成熟 哺乳动物卵原细胞的增殖只发生在发育早期。人 2-7月龄胚胎中卵原细胞由 1000个迅速增加到 700万个，此后急剧下降。大部分死亡，存活者进入第一次减数分裂分化为初级卵母细胞，至双线期终止，直到青春期。其中大多数卵母细胞终止分裂长达 50多年，而且有的继续死亡。 12岁获得恢复减数分裂信号，一生中大约 400个卵母细胞分化成熟。卵母细胞的成熟过程如右下图示。2. 哺乳动物的排卵 排卵的方式： 刺激性排卵：交配、视觉等。 周期性排卵：一年特定动情期排卵。环境因素，如光照、温度刺激下丘脑释放垂体促性腺释放因子，后者又刺激垂体释放 促卵泡激素 (