A生殖细胞的发生

1、第一章第一章 生殖细胞的发生生殖细胞的发生进行有性繁殖的高等生物，由生殖细胞（进行有性繁殖的高等生物，由生殖细胞（germ cells)分化产生世分化产生世代交替的桥梁代交替的桥梁 配子（配子（gamete)，雌雄配子结合形成合子，雌雄配子结合形成合子（zygote), 经发育过程形成具有体细胞（经发育过程形成具有体细胞（somatic cells)和生殖和生殖细胞的个体，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（族的生命得以延续，而构成生命周期（life cycle)。发育生物学发育生物学第一节第一节 生殖细

2、胞的起源、分化和迁移生殖细胞的起源、分化和迁移生殖细胞来源于其前体生殖细胞来源于其前体原始生殖细胞原始生殖细胞（primordial germ cells, PGCs)。原始生殖细胞的起源可以追溯到早期阶段，有些动物原始生殖细胞的起源可以追溯到早期阶段，有些动物在卵母细胞中已可识别出在卵母细胞中已可识别出生殖质生殖质（germ plasm)的存在，主要的存在，主要由由蛋白质和蛋白质和RNA构成构成。富含。富含RNA可被嗜碱性染料着色。随胚胎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，将分化为发育生殖质被分配到一定的细胞中，将分化为原始生殖细胞原始生殖细胞。当生殖嵴发生时，原始生殖

3、细胞以各种不同的方式迁入其内，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并在此进行生殖细胞的分化.生殖质生殖质原始生殖细胞原始生殖细胞迁入生殖嵴分化迁入生殖嵴分化美丽线虫美丽线虫（Caenorhabditis elegans)的的未受精卵中未受精卵中P-颗粒均匀分布于颗粒均匀分布于整个卵质中。受精后当雌雄原整个卵质中。受精后当雌雄原核相遇时，核相遇时，P-颗粒后移集中于颗粒后移集中于受精卵的后部受精卵的后部。随胚胎的发育。随胚胎的发育P-颗粒继续移动，最后它们只颗粒继续移动，最后它们只发现于将来产生配子的发现于将来产生配子的P-细胞细胞中中.左图：左排示经特

4、异染色显示细左图：左排示经特异染色显示细胞核的位置；胞核的位置；右排示经特异染右排示经特异染色显示色显示P-颗粒颗粒.在果蝇（在果蝇（Drosophila）中）中生殖质位于受精卵的后端生殖质位于受精卵的后端，内含特殊内含特殊的极质颗粒的极质颗粒。用。用紫外线照射破坏极质颗粒紫外线照射破坏极质颗粒，此后的发育中没，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。植到另一胚胎前部，前部的细胞可分化为原始生殖细胞。副蛔虫副蛔虫单倍体生殖细胞只有单倍体生殖细胞只有2条染色体条染色体,

5、 第一次卵裂为纬裂形成第一次卵裂为纬裂形成动物极和植物极动物极和植物极2个卵裂球；第二次卵裂前动物极卵裂球染色个卵裂球；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体两端裂解成数十个小片段, 散布细胞质中散布细胞质中, 不再加入新细胞不再加入新细胞核内核内, 因而失去很多基因因而失去很多基因, 此现象称此现象称染色体消减染色体消减(chromosome diminution)。植物极卵裂球仍保持正常数目染色体。植物极卵裂球仍保持正常数目染色体。4-细胞期细胞期胚胎只有胚胎只有1个卵裂球含有正常数目染色体。个卵裂球含有正常数目染色体。16-细胞期只有细胞期只有2个个卵裂球含全数染色体，最

6、终只有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个卵裂球含全数染色体形成生殖细胞，其它形成体细胞。生殖细胞，其它形成体细胞。二二. 原始生殖细胞的迁移原始生殖细胞的迁移1. 两栖类原始生殖细胞的迁移两栖类原始生殖细胞的迁移无尾两栖类无尾两栖类受精卵中受精卵中生殖质集中于植物极质膜下面生殖质集中于植物极质膜下面，一直保持，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。到裂沟附近。到原肠胚形成原肠胚形成PGCs，位于原肠腔底部的内胚层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（肠壁）中，此

7、后迁入背肠系膜，向前迁入到达生殖嵴生殖嵴，PGCs与生殖嵴细胞共同形成生殖腺。与生殖嵴细胞共同形成生殖腺。生殖嵴细胞内的一些生殖嵴细胞内的一些因子是因子是PGCs定向迁移的重要因素定向迁移的重要因素。爪蟾的。爪蟾的PGCs可伸出伪足可伸出伪足进行主动迁移。细胞外基质分布于进行主动迁移。细胞外基质分布于PGCs迁移的路线上。迁移的路线上。2. 哺乳动物原始生殖细胞的迁移哺乳动物原始生殖细胞的迁移n用碱性磷酸酶免疫组化染色用碱性磷酸酶免疫组化染色显示显示7天小鼠胚胎在原条后天小鼠胚胎在原条后部部的的胚外中胚层胚外中胚层中有中有8个体个体积较大的积较大的PGCs。n此后此后PGCs数量增多并聚集数量

8、增多并聚集在尿囊与后肠连接处在尿囊与后肠连接处，以后，以后迁移到卵黄囊迁移到卵黄囊附近再分成两附近再分成两群，沿卵黄囊后面新形成的群，沿卵黄囊后面新形成的后肠迁移到背肠系膜，再向后肠迁移到背肠系膜，再向前迁移分别前迁移分别进入左、右两侧进入左、右两侧的的生殖嵴生殖嵴（受精后（受精后11天），天），数量也增加到数量也增加到2500-5000个。个。In vitro (体外培养系中体外培养系中)生殖嵴生殖嵴分泌的弥散性分子可吸引分泌的弥散性分子可吸引PGC的迁移的迁移和促进其有丝和促进其有丝分裂的能力分裂的能力。3. 鸟类和爬行类原始生殖细胞的迁移鸟类和爬行类原始生殖细胞的迁移鸟类和爬行类动物的鸟

9、类和爬行类动物的PGCs起源于外起源于外胚层细胞胚层细胞，后经明区中部迁移到，后经明区中部迁移到明区前缘与暗区交界处（明区前缘与暗区交界处（生殖新生殖新月月，germinal crescent), 并在此增殖并在此增殖.鸟类和爬行类的鸟类和爬行类的PGCs借助血液循环借助血液循环进行迁移进行迁移，当到达生殖嵴时离开，当到达生殖嵴时离开血液循环进入生殖嵴。可能血液循环进入生殖嵴。可能生殖生殖嵴产生的化学物质吸引嵴产生的化学物质吸引PGCs停留停留在附近的毛细血管壁上在附近的毛细血管壁上，同时毛，同时毛细血管壁的内皮细胞可能具有一细血管壁的内皮细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. 生殖细胞定向分化的决定生殖细胞定向分化的决定迁入生殖腺的迁入生殖腺的PGCs具有两种潜能，由具有两种潜能，由生殖腺生殖腺微环境决定分化为精子或卵子微环境决定分化为精子或卵子(Humphreg移植实验移植实验:将雄性蝾螈睾丸移入雌体将雄性蝾螈睾丸移入雌体,再把卵巢组织再把卵巢组织移入睾丸，发现生殖细胞开始向精子分化移入睾丸，发现生殖细胞开始向精子分化).雌雄同体的秀丽线虫雌雄同体的秀丽线虫涉及涉及两种决定两种决定:进行进行有有丝分裂或减数分裂？丝分裂或减数分裂？形成精子或卵子形成精子或卵子?1）秀丽线虫生殖腺末端有一个不分裂的细胞）秀丽线虫生殖腺末端有一个不分裂的细胞称为称为

11、远端细胞远端细胞(distal tip cell)，靠近它的生殖靠近它的生殖细胞进行有丝分裂形成生殖干细胞库；细胞进行有丝分裂形成生殖干细胞库；远远离远端细胞的生殖细胞进行减数分裂离远端细胞的生殖细胞进行减数分裂。切。切除远端细胞则所有细胞进行减数分裂。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）在秀丽线虫的卵精巢(ovotestis)中中，进行减进行减数分裂的，数分裂的，先形成的最远端的细胞形成卵先形成的最远端的细胞形成卵子，而近端的细胞形成精子子，而近端的细胞形成精子。一一. 精子发生精子发生(spermatogenesis)PGCs到达雄性胚胎的生殖腺原基就进入性索到达雄性

12、胚胎的生殖腺原基就进入性索, 在此停留直到成熟在此停留直到成熟.在成熟过程中，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性索发育为生精小管，其上皮细胞分化为支持细胞细胞(Sertoli cells).精子发生过程在支持细胞的凹陷中进行精子发生过程在支持细胞的凹陷中进行.精原细胞精原细胞初级精母细胞初级精母细胞次级精母细胞次级精母细胞精子细胞精子细胞精子精子(sperm)第二节第二节 精子发生精子发生P G C s 首 先 分 裂 形 成 精 原 细 胞首 先 分 裂 形 成 精 原 细 胞(spermatogonium) A1(靠近基膜靠近基膜, 体积小体积小, 核卵圆形核卵圆形,

13、染色质与核膜相连染色质与核膜相连)。A1分分裂形成裂形成1个个A1 和和 1 个浅色的精原个浅色的精原细胞细胞A2, A2分裂形成精原细胞分裂形成精原细胞A3, A3分裂形成分裂形成A4, A4分裂形成分裂形成过过渡型精原细胞渡型精原细胞, 进一步分裂成进一步分裂成精精原细胞原细胞B。精原细胞精原细胞B分裂形成分裂形成初级精母细胞初级精母细胞(primary spermeto-cyte), 经第一次成熟经第一次成熟分裂形成分裂形成次级精母细胞次级精母细胞(secondary spermatocyte)。再经成熟分裂成单倍再经成熟分裂成单倍体精子细胞体精子细胞(spermatid).细胞分裂过程

14、中细胞质的分裂不完细胞分裂过程中细胞质的分裂不完全全，胞间有直径，胞间有直径1m的胞质间桥的胞质间桥连接成连接成合胞体合胞体(syncytium)。胞间离胞间离子和分子通过细胞质间桥相沟通，子和分子通过细胞质间桥相沟通，保证每群细胞同步成熟保证每群细胞同步成熟.n在上述过程中，细胞渐远离小管基膜，靠近管腔。在上述过程中，细胞渐远离小管基膜，靠近管腔。二二. 精子形成精子形成(spermiogenesis)精子细胞经分化变为成熟精子。精子细胞经分化变为成熟精子。第一步是第一步是顶体顶体(acrosome)形成形成，由高，由高尔基复合体形成覆盖于精子核顶部。同时核旋转使顶体朝向基尔基复合体形成覆盖

15、于精子核顶部。同时核旋转使顶体朝向基膜，核对侧的膜，核对侧的中心粒形成鞭毛中心粒形成鞭毛朝向管腔。最后核染色质浓缩，朝向管腔。最后核染色质浓缩，大部分胞质成分被抛弃，大部分胞质成分被抛弃，线粒体环绕鞭毛基部线粒体环绕鞭毛基部。小鼠从生殖干细胞到成熟精子约小鼠从生殖干细胞到成熟精子约34.5天天, 精原细胞阶段精原细胞阶段8天，减数天，减数分裂持续分裂持续13天，精子形成天，精子形成13.5天。天。人精子发育需人精子发育需74天。天。第三节第三节 卵子发生卵子发生（oogenesis）卵原细胞卵原细胞 初级卵母细胞初级卵母细胞 次级卵母细胞次级卵母细胞 母细胞母细胞精母细胞经两次分裂精母细胞经两

16、次分裂产生产生4个精子细胞个精子细胞卵母细胞卵母细胞(oocyte)经两次分裂产生经两次分裂产生1卵子卵子和和2-3个极体个极体(polar bodies)精子只是一个精子只是一个“能运动的细胞核能运动的细胞核”卵子要建立一个由酶、卵子要建立一个由酶、mRNA、细胞器和营养物质组成的细胞、细胞器和营养物质组成的细胞质库质库，以备胚胎发育所需。经历较长生长期，以备胚胎发育所需。经历较长生长期(两栖类两栖类3年年).一一. 两栖类的卵子发生两栖类的卵子发生1. 卵黄发生：卵黄发生：卵子由卵原细胞分卵子由卵原细胞分化来化来, 每年产一批新卵。每年产一批新卵。卵发卵发生期卵黄迅速积累生期卵黄迅速积累，

17、体积增大，体积增大卵黄成分卵黄成分:卵黄蛋白原卵黄蛋白原(vitellogenin), 在肝脏合成，经血循环进入卵在肝脏合成，经血循环进入卵巢，巢，经卵巢滤泡细胞间转运和经卵巢滤泡细胞间转运和胞饮作用进入卵母细胞。胞饮作用进入卵母细胞。在成在成熟卵中被裂解成熟卵中被裂解成卵黄高磷蛋白和卵黄高磷蛋白和卵黄磷脂蛋白，包膜结合成卵黄磷脂蛋白，包膜结合成卵卵黄小板黄小板。起初分布均匀，后起初分布均匀，后集中集中在植物极在植物极（75%).卵黄发生结束卵黄发生结束后受神经及激素等作后受神经及激素等作用，用，生发泡生发泡（germinal vesicle） (核核膜膜)破裂卵子成熟，排卵。破裂卵子成熟，排

18、卵。卵黄小板卵黄小板生发泡生发泡2. 卵母细胞的基因转录卵母细胞的基因转录两栖类两栖类卵母细胞卵母细胞在减数分裂前出现在减数分裂前出现灯刷染色体灯刷染色体(lampbrush chromasomes)，伸出活跃合成伸出活跃合成RNA的基因环。的基因环。用放射性组蛋白用放射性组蛋白mRNA证明有活跃的转录证明有活跃的转录活动。活动。减数分裂的减数分裂的双线期早期发育所需的双线期早期发育所需的rRNA、tRNA和母体和母体mRNA已完成转录并储存已完成转录并储存二二. 昆虫的卵子发生昆虫的卵子发生有些昆虫有些昆虫(果蝇果蝇)以营养型方式进以营养型方式进行卵子发生行卵子发生卵巢生殖系卵巢生殖系干细胞

19、经一次分裂干细胞经一次分裂产生一个产生一个生殖干细胞生殖干细胞和和一个一个包囊干细胞包囊干细胞(cystoblast), 包囊干包囊干细胞经细胞经4次不完全的有丝分裂次不完全的有丝分裂产生产生16个个包囊细胞包囊细胞(cysto-cytes)的包囊的包囊(cyst)，胞间以细胞质胞间以细胞质间桥相互相连为合胞体间桥相互相连为合胞体.只有胞囊后端只有胞囊后端1个细胞形成个细胞形成卵母卵母细胞细胞，其余为，其余为营养细胞营养细胞(nurse cells)。营养细胞核的营养细胞核的DNA经经多次复制成多倍体核。尽管多次复制成多倍体核。尽管卵子发生中不经历转录活跃卵子发生中不经历转录活跃阶段，但营养细

20、胞中有大量阶段，但营养细胞中有大量RNA合成，并转运到卵母细合成，并转运到卵母细胞中胞中.昆虫的卵子发生（续）昆虫的卵子发生（续）A:用用3H-胞嘧啶胞嘧啶做放射自显影研究，做放射自显影研究，标记后家蝇卵室内营养细胞核标记后家蝇卵室内营养细胞核被被标记；标记；B：5小时后标记物开始进小时后标记物开始进入卵细胞质入卵细胞质. C：用果蝇最早进入：用果蝇最早进入卵母细胞的卵母细胞的bicoid mRNA 探针做探针做的实验结果的实验结果与上相同与上相同.昆虫昆虫三种主要卵黄蛋白在脂肪体和三种主要卵黄蛋白在脂肪体和卵巢中合成卵巢中合成，卵母细胞本身不合成。，卵母细胞本身不合成。卵黄合成受几种因子相互

21、作用控制卵黄合成受几种因子相互作用控制，如如性别、保幼激素、蜕皮素和营性别、保幼激素、蜕皮素和营养状况等。养状况等。这些生理因子被两个这些生理因子被两个卵黄蛋白基因（卵黄蛋白基因（yp1，yp2）间的）间的增强子区整合，它们只在雌性中增强子区整合，它们只在雌性中有活性，且受雌性特异的双性蛋有活性，且受雌性特异的双性蛋白结合的调节。对环境反应分泌白结合的调节。对环境反应分泌的脑激素刺激开始蛋白合成的脑激素刺激开始蛋白合成.三三. 哺乳动物的卵子发生哺乳动物的卵子发生1. 哺乳动物哺乳动物卵的成熟卵的成熟哺乳动物哺乳动物卵原细胞增殖在发育早期卵原细胞增殖在发育早期人人2-7月龄胚胎中卵原细胞由月龄胚胎中卵原细胞由1000个迅速增加到个迅速增加到700万个万个，此后急，此后急剧下降，大部死亡，剧下降，大部死亡，存活者进存活者进入第一次成熟分裂分化