第二章动物的发育-胚胎发育的准备

1、第一部分第一部分 动物的发育动物的发育 2、胚胎发育的准备、胚胎发育的准备 高等动物有性生殖过程高等动物有性生殖过程 1.生殖干细胞的决定和分化生殖干细胞的决定和分化 2.生殖腺体的发育生殖腺体的发育 3.性别的决定性别的决定 4.副性特征的建立副性特征的建立 5.青春发育和生殖周期青春发育和生殖周期 1.生殖干细胞的决定和分化生殖干细胞的决定和分化 1、生殖干细胞都发生在胚胎发育早期的特定、生殖干细胞都发生在胚胎发育早期的特定 部位。部位。 2、生殖干细胞需要在生殖腺中发育成熟，高、生殖干细胞需要在生殖腺中发育成熟，高 等动物的生殖干细胞需要向生殖腺部位发生迁等动物的生殖干细胞需要向生殖腺部

2、位发生迁 移的现象。移的现象。 2.1 生殖干细胞的决定和生殖干细胞的决定和 迁移迁移 1. 线虫线虫 线虫线虫第第4次卵裂结束时，便产生了生殖细胞谱系，次卵裂结束时，便产生了生殖细胞谱系，所所 有的生殖细胞都来自有的生殖细胞都来自P4分裂球分裂球。线虫线虫未受精卵中均未受精卵中均 匀分布的生殖质匀分布的生殖质P 颗粒颗粒 (posterior granules) ，在，在 受精后迅速地集中到预定胚胎的后部。受精后迅速地集中到预定胚胎的后部。生殖细胞形生殖细胞形 成和成和P P颗粒分布的关系说明颗粒分布的关系说明，P颗粒可能对于生殖细颗粒可能对于生殖细 胞的分化具有重要的作用胞的分化具有重要的

3、作用。 2.1 生殖干细胞的决定和迁移生殖干细胞的决定和迁移 1、线虫、线虫 2.1 生殖干细胞的决定和迁 移 P颗粒在受精过程和第一次卵裂过程中的不对称定位颗粒在受精过程和第一次卵裂过程中的不对称定位 2.1 生殖干细胞的决定和迁移生殖干细胞的决定和迁移 2. 果蝇的极质果蝇的极质 卵细胞内特殊的生殖质决定生殖细胞的发育命卵细胞内特殊的生殖质决定生殖细胞的发育命 运，最清楚的例子来自对果蝇的研究。运，最清楚的例子来自对果蝇的研究。果蝇果蝇的的 原始生殖细胞最早发现于受精后原始生殖细胞最早发现于受精后90 min，这些，这些 原生殖细胞位于胚胎的后端原生殖细胞位于胚胎的后端。胚胎后端的细胞胚胎

4、后端的细胞 质内含有质内含有特殊的特殊的极质（极质（pole plasm）颗粒，其颗粒，其 内含有蛋白质和多种内含有蛋白质和多种RNA。 果蝇的极质果蝇的极质 A. 果蝇极细胞极质的果蝇极细胞极质的 透射电镜照片。透射电镜照片。 B. 卵裂结束前的卵裂结束前的 早期果蝇胚胎极细胞的扫描电镜照早期果蝇胚胎极细胞的扫描电镜照 片。片。 两个主要的实验证实了两个主要的实验证实了极质（极质（pole plasm）可以促）可以促 进生殖细胞发育命运的特化。进生殖细胞发育命运的特化。 第一第一，如果用紫外线照射卵的后端，破坏极质的，如果用紫外线照射卵的后端，破坏极质的 活性，便没有生殖细胞形成。活性，便没

5、有生殖细胞形成。 第二第二，移植果蝇的极质能够引起生殖细胞分化。，移植果蝇的极质能够引起生殖细胞分化。 如果将卵的后极移植到另一个胚胎的前端，极质如果将卵的后极移植到另一个胚胎的前端，极质 所包围的细胞核便分化形成生殖细胞。如果将卵所包围的细胞核便分化形成生殖细胞。如果将卵 前端这些细胞移植到将来发育为生殖腺的区域，前端这些细胞移植到将来发育为生殖腺的区域， 它们就可以发育为有功能的生殖细胞。它们就可以发育为有功能的生殖细胞。 移植果蝇极细胞质能够治愈射线照射引起的生殖细胞不发育。 有些有些母体效应基因（母体效应基因（maternal effect gene）的表达对于的表达对于 果蝇极质的形

6、成具有重要的作用。至少有果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有8种基因的突种基因的突 变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此 是不育（是不育（sterile）的。）的。 其中，其中，oskar基因基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极在果蝇极质的形成和装配过程中起着极 其重要的调控作用。其重要的调控作用。Oskar基因将其基因将其mRNA定位于胚胎定位于胚胎 的后极的后极。 A. staufen基因内应在基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响基因之前行使功能，并影响oskar基基 因的表达。因的表达。B. 研究明了的影响果蝇生殖细胞

7、发生的研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的种基因的 作用顺序。作用顺序。 决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因 gcl (germ cell-less): gcl基因基因在卵的生成过程中由在卵的生成过程中由 营养细胞转录，受精后营养细胞转录，受精后开始开始翻译翻译，其，其蛋白定位在蛋白定位在 极质中极质中。缺失缺失该基因该基因导致导致果蝇果蝇无生殖细胞。无生殖细胞。 1. 另外在果蝇的极质中还发现了一些另外在果蝇的极质中还发现了一些可能参与可能参与PGC 形成的基因产物形成的基因产物，如，如: nanos 基因、基因、 线粒体大核线粒体大核 糖体糖体R

8、NA ( mtlrRNA, mitochondrial large ribosomal RNA) 以及以及 极粒成分（极粒成分（polar granule component, pgc）的非翻译）的非翻译RNA等。等。 果蝇果蝇gclgcl基因产物定位于受精卵和早期胚胎的后端。基因产物定位于受精卵和早期胚胎的后端。 3. 爪蟾的生殖质爪蟾的生殖质 两栖类原生两栖类原生 殖细胞的发殖细胞的发 生部位定位生部位定位 在在卵细胞的卵细胞的 植物极植物极，在，在 这一部位发这一部位发 现有类似于现有类似于 果蝇果蝇P P颗粒染颗粒染 色性质的胞色性质的胞 质成分存在。质成分存在。 （Bounoure，

9、 1934） 蛙受精蛙受精 的合子的合子 中生殖中生殖 质成分质成分 （种质）（种质） 靠近植靠近植 物极。物极。 桑椹胚桑椹胚 内胚层内胚层 区里含区里含 有种质有种质 成分的成分的 细胞的细胞的 有丝分有丝分 裂。裂。 在原肠胚形成启动在原肠胚形成启动 时，靠近囊胚腔底时，靠近囊胚腔底 面的原始生殖细胞。面的原始生殖细胞。 3.鸟类和爬行类鸟类和爬行类 1、发生在生殖新月区。、发生在生殖新月区。 2、通过血液迁移到生殖嵴，诱发生殖腺的发、通过血液迁移到生殖嵴，诱发生殖腺的发 育。育。 4. 小鼠：小鼠： 没有证据表明小鼠与其他哺乳动物生殖细胞发生没有证据表明小鼠与其他哺乳动物生殖细胞发生

10、与生殖质的关系。与生殖质的关系。小鼠生殖细胞发生涉及细胞之小鼠生殖细胞发生涉及细胞之 间的相互作用间的相互作用。 小鼠胚胎中最早能够识别的小鼠胚胎中最早能够识别的PGC位于位于原条后端原条后端。 二、原始生殖细胞的迁移二、原始生殖细胞的迁移 不同动物在生殖腺原基发生时，不同动物在生殖腺原基发生时，原生质细原生质细 胞胞以不同的方式以不同的方式迁移进入生殖腺原基迁移进入生殖腺原基，在，在 那里进行生殖细胞的那里进行生殖细胞的分化分化。 1. 果蝇原始生殖细胞的迁移果蝇原始生殖细胞的迁移 果蝇原始生殖细胞起源于胚胎的后端，经后中肠穿过肠壁和中胚果蝇原始生殖细胞起源于胚胎的后端，经后中肠穿过肠壁和中

11、胚 层，形成两个分离的队列，最终聚集在生殖腺中。层，形成两个分离的队列，最终聚集在生殖腺中。 2.2.两栖类原始生殖细胞的迁移两栖类原始生殖细胞的迁移 两栖动物的生殖质定位在两栖动物的生殖质定位在卵的植物极卵的植物极，用紫外线，用紫外线 照射胚胎植物极之后，生殖腺中将缺少生殖细胞。照射胚胎植物极之后，生殖腺中将缺少生殖细胞。 原始生殖细胞原始生殖细胞迁移路线：迁移路线：植物极植物极-囊胚腔囊胚腔底部细底部细 胞的分裂沟附近胞的分裂沟附近-原肠腔底部原肠腔底部内胚层内胚层-幼虫后幼虫后 肠聚集沿肠背部迁移至生殖嵴中肠聚集沿肠背部迁移至生殖嵴中。每个生殖嵴。每个生殖嵴 有有30 PGC。生殖嵴细胞

12、内的一些因子是。生殖嵴细胞内的一些因子是PGCs 定向迁移定向迁移的重要因素。的重要因素。 3. 鸟类和爬行类生殖细胞的迁移鸟类和爬行类生殖细胞的迁移 鸟类的鸟类的PGC最早起源于最早起源于明区中央的上胚层细明区中央的上胚层细 胞胞，在原肠作用中，在原肠作用中迁移至明区的前部边缘的迁移至明区的前部边缘的 下胚层下胚层，形成形成生殖新月区生殖新月区(germinal crescent)， 这些细胞繁殖成为这些细胞繁殖成为PGC。 生殖新月区形成血生殖新月区形成血 管时，管时，PGC进入血管，通过血液循环迁移进进入血管，通过血液循环迁移进 入生殖嵴入生殖嵴。 鸡原条期胚胎的背面观，鸡原条期胚胎的背

13、面观， 示原始生殖细胞发生的示原始生殖细胞发生的 生殖新月区、暗区、明生殖新月区、暗区、明 区和亨氏节。区和亨氏节。 4. 哺乳动物生殖细胞的迁移哺乳动物生殖细胞的迁移 A. 在卵黄囊在卵黄囊 靠近后肠和靠近后肠和 尿囊连接处尿囊连接处 可观察到原可观察到原 始的生殖细始的生殖细 胞。胞。 B. 原始生殖原始生殖 细胞经过肠、细胞经过肠、 肠系膜的背肠系膜的背 面迁移到生面迁移到生 殖嵴。殖嵴。 C. 小鼠胚胎后肠里大的原始生殖细胞，示碱性磷酸酶的表达。小鼠胚胎后肠里大的原始生殖细胞，示碱性磷酸酶的表达。D. 原始生殖细胞沿背肠系膜迁移并进入生殖嵴中。原始生殖细胞沿背肠系膜迁移并进入生殖嵴中。

14、 哺乳动物原始生哺乳动物原始生 殖细胞的迁移途殖细胞的迁移途 径示意图。径示意图。 5. 减数分裂（减数分裂（meiosis） 原生殖细胞原生殖细胞进入生殖腺原基后不断进行进入生殖腺原基后不断进行有丝分有丝分 裂裂，产生，产生生殖干细胞生殖干细胞后代。生殖干细胞必须经过后代。生殖干细胞必须经过 减数分裂减数分裂才能才能分化形成雌性配子或雄性配子，染分化形成雌性配子或雄性配子，染 色体数目由双倍体变成单倍体。色体数目由双倍体变成单倍体。 6.6.生殖细胞定向分化的决定生殖细胞定向分化的决定 迁移进入生殖腺原基的原生殖细胞具备两种发育潜能迁移进入生殖腺原基的原生殖细胞具备两种发育潜能 ，由，由生殖

15、腺内的微环境决定分化成为精子或卵子生殖腺内的微环境决定分化成为精子或卵子。 这里涉及两种决定：第一种决定是生殖干细胞是进入这里涉及两种决定：第一种决定是生殖干细胞是进入 减数分裂进行配子发生还是进行有丝分裂成为生殖干减数分裂进行配子发生还是进行有丝分裂成为生殖干 细胞。第二种决定是进行减数分裂的细胞是发育为卵细胞。第二种决定是进行减数分裂的细胞是发育为卵 子还是精子。子还是精子。 位于位于线虫线虫生殖腺末端的生殖腺末端的远端细胞远端细胞对生殖干细胞对生殖干细胞 进行有丝分裂还是减数分裂具有调控作用进行有丝分裂还是减数分裂具有调控作用。 离开生殖腺离开生殖腺末末端的细胞进入减数分裂，而留在端的细

16、胞进入减数分裂，而留在末末端端 的细胞继续有丝分裂。的细胞继续有丝分裂。末末端的单个端的单个远端细胞远端细胞 （distal tip cell）的纤毛含的纤毛含lag-2蛋白蛋白，它与，它与GC上的上的 受体受体glp-1结合后抑制结合后抑制GC发生减数分裂。用激光使发生减数分裂。用激光使 远端细胞远端细胞失活可导致所有失活可导致所有GC进入进入减数减数分裂；将该分裂；将该 细胞移植到其它处，则可使附近细胞继续有丝分裂。细胞移植到其它处，则可使附近细胞继续有丝分裂。 Glp-1基因基因在生殖细胞对远端细胞的信号作出反应在生殖细胞对远端细胞的信号作出反应 的过程中起作用的过程中起作用。 三、精子

17、发生三、精子发生 一、精子发生（一、精子发生（ spermatogenesis ） 脊椎动物的脊椎动物的PGCs到达雄性胚胎的生殖腺原基后，到达雄性胚胎的生殖腺原基后， 立即进入立即进入性索性索，然后停留在那里直到成熟。性索发，然后停留在那里直到成熟。性索发 育成育成为生精小管为生精小管，其管上皮细胞分化形成支持细胞，其管上皮细胞分化形成支持细胞 （sertoli cell）。）。PGCs分裂形成精原细胞分裂形成精原细胞。 哺乳动物支持细胞和精子的发育，细胞在成熟过程中不断向生精小管腔推进。哺乳动物支持细胞和精子的发育，细胞在成熟过程中不断向生精小管腔推进。 人人精子精子发生发生 (sperm

18、atogenes is)的过程的过程 人约需人约需74天天 二、二、 精子形成精子形成(spermiogenesis) 高尔基体形成顶体泡，中高尔基体形成顶体泡，中 心粒产生精子鞭毛，线粒心粒产生精子鞭毛，线粒 体整合入鞭毛，核浓缩，体整合入鞭毛，核浓缩， 胞质废弃，最后产生成熟胞质废弃，最后产生成熟 的精子。的精子。 人类精子结构示意图人类精子结构示意图 四、卵子发生四、卵子发生( oogenesis)( oogenesis) 1. 卵母细胞的减数分裂卵母细胞的减数分裂 卵子发生除了形成单倍体的细胞核之外，还要建立卵子发生除了形成单倍体的细胞核之外，还要建立 一个由酶、一个由酶、mRNA、细

19、胞器和代谢产物等组成的、细胞器和代谢产物等组成的细细 胞质库胞质库，具备十分复杂的，具备十分复杂的胞质体系胞质体系。其次卵母细胞。其次卵母细胞 有很长的减数分裂前期，使卵母细胞充分生长。有很长的减数分裂前期，使卵母细胞充分生长。 卵质外是卵质外是质膜（质膜（plasma membrane），质膜外是，质膜外是卵黄卵黄 膜（膜（vitelline envelope）。 质膜质膜在受精时可以调控特定的离子在卵子内外的流动在受精时可以调控特定的离子在卵子内外的流动 ，且能与精子质膜融合。，且能与精子质膜融合。卵黄膜卵黄膜能识别同一物种的精能识别同一物种的精 子，对受精的物种特异性有非常重要的作用。在

20、哺乳子，对受精的物种特异性有非常重要的作用。在哺乳 动物中特称为动物中特称为透明带（透明带（zona pellucida），紧靠着透明），紧靠着透明 带的一层滤泡细胞称为放射冠（带的一层滤泡细胞称为放射冠（corona radiata）。 海胆未受精海胆未受精 卵的扫描电卵的扫描电 镜照片，示镜照片，示 卵黄膜卵黄膜 （vitelline envelope） 和质膜和质膜 （plasm membrane） 原生殖细胞原生殖细胞进入胚胎卵巢后分化成为进入胚胎卵巢后分化成为卵原细胞卵原细胞 （oogonia）。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减数分。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减数分 裂前期，形成裂前

21、期，形成初级卵母细胞（初级卵母细胞（primary oocyte）。初级。初级 卵母细胞停止在卵母细胞停止在第一次减数分裂的前期第一次减数分裂的前期，这种阻断的情，这种阻断的情 况一直维持到青春期。随着青春期的开始，初级卵母细况一直维持到青春期。随着青春期的开始，初级卵母细 胞在卵巢内激素的作用进一步发育成熟，阶段性地恢复胞在卵巢内激素的作用进一步发育成熟，阶段性地恢复 减数分裂，接着减数分裂，接着第二次减数分裂发生第二次减数分裂发生，进行排卵。，进行排卵。成熟成熟 的卵处于第二次减数分裂的中期的卵处于第二次减数分裂的中期。 人类卵巢中生殖细胞数目的变化人类卵巢中生殖细胞数目的变化 鱼（鱼（C

22、oregonus）卵母细胞集体的形成，示）卵母细胞集体的形成，示 卵母细胞的两次成熟分裂并非是均等分裂。卵母细胞的两次成熟分裂并非是均等分裂。 2. 减数分裂的阻断和继续减数分裂的阻断和继续 孕酮能促进卵母细胞继续减数分裂孕酮能促进卵母细胞继续减数分裂。其作用机理：。其作用机理： 孕酮使卵内一种编码孕酮使卵内一种编码pp39mos 的的mRNA开始翻译，开始翻译， 而而pp39mos能抑制一种专一性降解能抑制一种专一性降解细胞周期蛋白细胞周期蛋白 (cyclin) 的蛋白酶。如果的蛋白酶。如果cyclin不降解，蛋白质激不降解，蛋白质激 酶酶促成熟因子（促成熟因子（maturation pro

23、moting factor, MPF） 就会保持其活性，使阻断的减数分裂继续。就会保持其活性，使阻断的减数分裂继续。 3. 昆虫的卵子发生昆虫的卵子发生 滋养型方式滋养型方式：果蝇卵子发生的初期在卵巢中果蝇卵子发生的初期在卵巢中 进行，起源于卵巢一端的进行，起源于卵巢一端的生殖系干细胞生殖系干细胞经过经过4 次分裂形成由细胞质桥相互连接的次分裂形成由细胞质桥相互连接的16细胞合胞细胞合胞 体体。其中只有位于胞囊后端的一个细胞形成卵。其中只有位于胞囊后端的一个细胞形成卵 母细胞，其余母细胞，其余15个细胞则形成滋养细胞。个细胞则形成滋养细胞。 滋养细胞的核滋养细胞的核DNA经过多次复制，形成多倍

24、体经过多次复制，形成多倍体 的核。由于滋养细胞多倍体核具有高转录活性，的核。由于滋养细胞多倍体核具有高转录活性， 可合成和提供卵子发育所需的可合成和提供卵子发育所需的RNA和蛋白质。和蛋白质。 滋养细胞合成滋养细胞合成mRNA, rRNA，甚至是完整的核糖，甚至是完整的核糖 体，并通过细胞间桥的胼合体，体，并通过细胞间桥的胼合体，单向转运到卵母单向转运到卵母 细胞细胞（1#）里。）里。 滋养细胞合成滋养细胞合成的基因产物中，有发育控的基因产物中，有发育控 制分子如制分子如bicoid mRNA ，它储存在卵的，它储存在卵的 前极，还有前极，还有namos 和和oskar mRNAs，它，它 们转移并积累在后极。这些们转移并积累在后极。这些RNA会决定会决定 头和腹的发生位置，使卵子产生前后轴头和腹的发生位置，使卵子产生前后轴 的极性。的极性。 4. 两栖类卵母细胞的成熟两栖类卵母细胞的成熟 鱼类和两栖类的卵子由生殖干细胞鱼类和两栖类的卵子由生殖干细胞卵原细胞分卵原细胞分 化而来。当卵母细胞到达减数分裂前期的双线期化