第六章生殖细胞的发生

1、第六章第六章 生殖细胞发生生殖细胞发生（一）目的与要求（一）目的与要求 了解生殖细胞的起源与分化，掌握精子发生、卵子发生了解生殖细胞的起源与分化，掌握精子发生、卵子发生的过程。的过程。（二）基本概念和知识点：（二）基本概念和知识点： 原生殖细胞、精子发生、卵子发生原生殖细胞、精子发生、卵子发生（三）课后练习（三）课后练习 分析精子、卵子的发生过程分析精子、卵子的发生过程 进行有性繁殖的高等生物，由进行有性繁殖的高等生物，由生殖细胞生殖细胞（germ cells)分化产生世代交替的桥梁分化产生世代交替的桥梁 配子配子（gamete)，雌雄配，雌雄配子结合形成子结合形成合子合子（zygote),

2、经发育过程形成具有经发育过程形成具有体细胞体细胞（somatic cells)和和生殖细胞生殖细胞的个体，成熟的个体再产的个体，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（生命周期（life cycle)。第一节第一节 生殖细胞的起源与分化生殖细胞的起源与分化 在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，生殖细在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，生殖细胞来源于其前体胞来源于其前体原生殖细胞原生殖细胞（primordial germ cells, PGCs )。这些原生殖细胞只有经过迁移，进入发育中的。这些原生殖细胞

3、只有经过迁移，进入发育中的生殖腺原基生殖嵴才能分化成为生殖细胞。生殖腺原基生殖嵴才能分化成为生殖细胞。 生殖质是卵质中有一定形态结构和特殊定位的细胞质，生殖质是卵质中有一定形态结构和特殊定位的细胞质，主要由蛋白质和主要由蛋白质和RNA构成。随着胚胎发育的进行，生殖构成。随着胚胎发育的进行，生殖质逐渐地被分配到一定的细胞中，这些具有生殖质的细胞质逐渐地被分配到一定的细胞中，这些具有生殖质的细胞将分化成为原生殖细胞。将分化成为原生殖细胞。 l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一、生殖质与生殖细胞分化一、生殖质与生殖细胞分化 A 线虫的线虫的P颗粒均颗粒均匀分布于整个未

4、受匀分布于整个未受精卵的卵质中，受精卵的卵质中，受精后集中位于预定精后集中位于预定胚胎的后部。第一胚胎的后部。第一次卵裂形成一个次卵裂形成一个AB细胞和一个含有细胞和一个含有P颗颗粒的粒的P1细胞细胞 B 线虫卵裂时线虫卵裂时P颗颗粒和粒和PIE-1蛋白全蛋白全部分配到部分配到P细胞中，细胞中，由由P4细胞产生全部细胞产生全部生殖细胞生殖细胞 线虫线虫P颗粒对最初细胞分化的影响颗粒对最初细胞分化的影响 P颗粒蛋白的成分主要包括几种转录抑制因子和颗粒蛋白的成分主要包括几种转录抑制因子和RNA结合蛋白，其中包括果蝇结合蛋白，其中包括果蝇Vasa , Piwi和和Nanos的同源的同源分子。分子。p

5、ie-1基因的功能涉及维持生殖干细胞的属性，该基因的功能涉及维持生殖干细胞的属性，该基因编码的核蛋白基因编码的核蛋白PIE-1是避免向体细胞分化的关键分子，是避免向体细胞分化的关键分子，它能抑制线虫生殖细胞中几乎所有基因的转录。它能抑制线虫生殖细胞中几乎所有基因的转录。 关于线虫不均等卵裂的分子机制，目前已知线虫受精关于线虫不均等卵裂的分子机制，目前已知线虫受精卵极性的维持依赖于卵极性的维持依赖于2组组PAR蛋白的共同抑制（前端皮质蛋白的共同抑制（前端皮质中中PAR-3/PAR-6/PKC-3复合物，后端皮质中复合物，后端皮质中PAR-1/PAR-2复合物复合物.NOS-3（内皮源性一氧化氮合

6、酶内皮源性一氧化氮合酶）和）和FBF-1/2能抑制能抑制PAR-2的致死性，调节前端复合物的功的致死性，调节前端复合物的功能参与细胞极性调节。另外，能参与细胞极性调节。另外，Brat也可调控也可调控PAR蛋白依赖蛋白依赖的极性和细胞不均等分裂。的极性和细胞不均等分裂。 果蝇原生殖细胞最早发现于受精后大约果蝇原生殖细胞最早发现于受精后大约90 min，这些，这些原生殖细胞位于果蝇胚胎后端，含有特殊的生殖质（极质）原生殖细胞位于果蝇胚胎后端，含有特殊的生殖质（极质）颗粒。生殖质成分的重要功能是抑制体细胞基因的表达，颗粒。生殖质成分的重要功能是抑制体细胞基因的表达，保证这些细胞发育成为生殖细胞。保证

7、这些细胞发育成为生殖细胞。 生殖质中最早的成分之一生殖质中最早的成分之一,germ cell-less (gcl) mRNA是在滋养细胞中转录再迁移到卵母细胞中并定位是在滋养细胞中转录再迁移到卵母细胞中并定位于后端卵质的母源效应基因。于后端卵质的母源效应基因。Gcl是一种核膜蛋白，对于是一种核膜蛋白，对于防止基因转录和生殖细胞的特化极为重要。防止基因转录和生殖细胞的特化极为重要。gcl的同源基的同源基因在小鼠和人生殖细胞中已经发现，小鼠因在小鼠和人生殖细胞中已经发现，小鼠gcl也具有抑制也具有抑制转录的功能，男人如转录的功能，男人如gcl基因突变导致缺乏精子或不育。基因突变导致缺乏精子或不育。

8、 另一种生殖质成分，非编码另一种生殖质成分，非编码RNA polar granule component (pgc) , Pgc可通过防止可通过防止RNA聚合酶聚合酶的的磷酸化抑制基因转录。磷酸化抑制基因转录。 有些母源效应基因的表达对于果蝇生殖质的形成具有重有些母源效应基因的表达对于果蝇生殖质的形成具有重要作用。至少在已发现的要作用。至少在已发现的8个母源效应基因中，任何一个个母源效应基因中，任何一个基因产生突变，都能引起由其异源合子产生的个体无后代，基因产生突变，都能引起由其异源合子产生的个体无后代，而其同源合子发育成没有生殖细胞的不育个体。如而其同源合子发育成没有生殖细胞的不育个体。如o

9、skar对于生殖质的形成和装配起着极其重要的调控作用。对于生殖质的形成和装配起着极其重要的调控作用。 在非洲爪蟾受精卵中生殖质是位于植物极附近富含在非洲爪蟾受精卵中生殖质是位于植物极附近富含RNA和蛋白质的一团特殊细胞质，其中也包含线粒体和蛋白质的一团特殊细胞质，其中也包含线粒体rRNAs。在卵裂中由于卵质的不均匀分布，生殖质仅存在于靠近植在卵裂中由于卵质的不均匀分布，生殖质仅存在于靠近植物极的少数分裂球之中。只有含生殖质的少数分裂球能够物极的少数分裂球之中。只有含生殖质的少数分裂球能够发育成为原生殖细胞，两栖类生殖质主要成分的功能是在发育成为原生殖细胞，两栖类生殖质主要成分的功能是在转录和翻

10、译水平上抑制体细胞基因的表达。转录和翻译水平上抑制体细胞基因的表达。 在人类和小鼠的生殖细胞中除了有前面提及的生殖质成在人类和小鼠的生殖细胞中除了有前面提及的生殖质成分分Gcl之外，也存在果蝇和线虫之外，也存在果蝇和线虫Nanos和和Pumilio的同源的同源分子，以及分子，以及Nanosl一一Pumilio2复合物。复合物。 蛙早期胚胎中生殖质位置变化图蛙早期胚胎中生殖质位置变化图(A) 最初生殖质在受精卵中位于植物极附近最初生殖质在受精卵中位于植物极附近 (B) 卵裂开始后生殖质沿分裂沟移动卵裂开始后生殖质沿分裂沟移动(C） 囊胚期生殖质位于囊胚腔底部细胞的分裂囊胚期生殖质位于囊胚腔底部细

11、胞的分裂沟附近沟附近二、原生殖细胞的迁移二、原生殖细胞的迁移无尾两栖类受精后最初无尾两栖类受精后最初的两次分裂过程中，由的两次分裂过程中，由于微管的作用使位于植于微管的作用使位于植物半球的生殖质集中，物半球的生殖质集中，形成较大的一团特殊细形成较大的一团特殊细胞质存在于植物极细胞胞质存在于植物极细胞膜下面。随着进一步的膜下面。随着进一步的卵裂，这些生殖质沿着卵裂，这些生殖质沿着分裂沟迁移，囊胚期生分裂沟迁移，囊胚期生殖质位于囊胚腔底部细殖质位于囊胚腔底部细胞的分裂沟附近，到原胞的分裂沟附近，到原肠胚期原生殖细胞肠胚期原生殖细胞（PGCs）位于原肠腔）位于原肠腔底部内胚层中。底部内胚层中。 1.

12、两栖动物原生殖性细胞的迁移两栖动物原生殖性细胞的迁移PGCs通过肠壁内胚层的侧面迁移并进入背侧肠系膜。通过肠壁内胚层的侧面迁移并进入背侧肠系膜。 PGCs沿背侧肠系膜往上迁移到达生殖嵴，以后沿背侧肠系膜往上迁移到达生殖嵴，以后PGCs与与生殖嵴细胞共同形成生殖腺。生殖嵴细胞共同形成生殖腺。 生殖嵴细胞内的一些因子是生殖嵴细胞内的一些因子是PGCs定向迁移的重要因素，同定向迁移的重要因素，同时，有些两栖类动物的时，有些两栖类动物的PGCs也能够主动迁移，如非洲爪蟾也能够主动迁移，如非洲爪蟾PGCs能伸出伪足进行运动。能伸出伪足进行运动。PGCs的迁移途径是由含粘连的迁移途径是由含粘连蛋白的细胞外

13、基质构成。蛋白的细胞外基质构成。 有尾两栖类与无尾两栖类的生殖细胞发生有一些差别。在嵘有尾两栖类与无尾两栖类的生殖细胞发生有一些差别。在嵘螺的卵内似乎没有特殊定位的生殖质，螺的卵内似乎没有特殊定位的生殖质，PGCs的形成受内胚的形成受内胚层区域的诱导，并且可能通过不同的途径迁移到生殖嵴。层区域的诱导，并且可能通过不同的途径迁移到生殖嵴。 哺乳动物哺乳动物PGCs先在尿囊与后肠交接处附近聚集，以后迁移到卵黄先在尿囊与后肠交接处附近聚集，以后迁移到卵黄囊附近再分成囊附近再分成2群，沿卵黄囊的尾部通过新形成的后肠，然后沿背侧群，沿卵黄囊的尾部通过新形成的后肠，然后沿背侧肠系膜向上迁移，分别进人左、右

14、两侧生殖嵴。哺乳动物肠系膜向上迁移，分别进人左、右两侧生殖嵴。哺乳动物PGCs的迁的迁移与其接触的上皮细胞相关，移与其接触的上皮细胞相关，PGCs通过伸出伪足在上皮细胞表面进通过伸出伪足在上皮细胞表面进行变形运动或穿过单层细胞，在两层细胞之间迁移。行变形运动或穿过单层细胞，在两层细胞之间迁移。 2. 哺乳动物原生殖细胞的迁移哺乳动物原生殖细胞的迁移A 鸡胚原条期背侧示意图鸡胚原条期背侧示意图 B 鸡胚鸡胚PGCs可进、出血管，借助血液循环进行迁移可进、出血管，借助血液循环进行迁移 鸟类和爬行类动物的鸟类和爬行类动物的PGCs来源于外胚层细胞，然后经来源于外胚层细胞，然后经过明区的中部迁移到明区

15、前缘与暗区交界处。这个区域称过明区的中部迁移到明区前缘与暗区交界处。这个区域称为生殖新月，为生殖新月，PGCs在生殖新月区内增殖。在生殖新月区内增殖。3.鸟类和爬行类原生殖细胞的迁移鸟类和爬行类原生殖细胞的迁移三、减数分裂三、减数分裂 原生殖细胞进人生殖腺原基后不断地进行有丝分裂，原生殖细胞进人生殖腺原基后不断地进行有丝分裂，产生生殖干细胞后代。产生生殖干细胞后代。 由生殖干细胞分化成为雌性或雄性配子要经过一系列由生殖干细胞分化成为雌性或雄性配子要经过一系列复杂的过程，必须经过减数分裂（复杂的过程，必须经过减数分裂（meiosis）使染色体）使染色体的数目由二倍体变成单倍体。的数目由二倍体变成

16、单倍体。 通过减数分裂，由于联会配对、同源染色体间遗传信通过减数分裂，由于联会配对、同源染色体间遗传信息的交换或重组，使每个单倍体细胞都含不同的染色体息的交换或重组，使每个单倍体细胞都含不同的染色体组合。如人类具备组合。如人类具备23对染色体，因而从一个人的基因组对染色体，因而从一个人的基因组就可能形成就可能形成223，大约，大约10000000个不同类型的单倍体个不同类型的单倍体细胞。此外，在粗线期和双线期因染色体交叉而导致的细胞。此外，在粗线期和双线期因染色体交叉而导致的遗传物质交换，更增加了遗传性质的复杂化，所以由一遗传物质交换，更增加了遗传性质的复杂化，所以由一个个体可产生大量不同的生

17、殖细胞。个个体可产生大量不同的生殖细胞。 四、生殖细胞定向分化的决定四、生殖细胞定向分化的决定 大多数动物迁移进生殖腺原基的原生殖细胞具备大多数动物迁移进生殖腺原基的原生殖细胞具备2种发种发育潜能，根据生殖腺内的微环境决定分化成为精子或卵子。育潜能，根据生殖腺内的微环境决定分化成为精子或卵子。 涉及两种决定，第一种决定是生殖干细胞进人减数分裂涉及两种决定，第一种决定是生殖干细胞进人减数分裂进行配子发生还是继续进行有丝分裂增殖生殖干细胞；第进行配子发生还是继续进行有丝分裂增殖生殖干细胞；第二种决定是进行减数分裂的细胞发育成卵子还是精子。二种决定是进行减数分裂的细胞发育成卵子还是精子。 秀丽隐杆线

18、虫生殖腺末端有一个末端细胞（秀丽隐杆线虫生殖腺末端有一个末端细胞（distal tip cell)对于对于决定生殖干细胞进行有丝分裂或减数分裂具有重要的作用。靠近这个决定生殖干细胞进行有丝分裂或减数分裂具有重要的作用。靠近这个细胞的生殖干细胞进行有丝分裂，形成生殖干细胞库，而远离该细胞细胞的生殖干细胞进行有丝分裂，形成生殖干细胞库，而远离该细胞的生殖干细胞进人减数分裂。如果移去末端细胞或的生殖干细胞进人减数分裂。如果移去末端细胞或glP-1基因突变，基因突变，所有生殖干细胞都进人减数分裂。所有生殖干细胞都进人减数分裂。 Notch信号转导在决定生殖干细胞进人减数分裂还是继续有丝分信号转导在决定

19、生殖干细胞进人减数分裂还是继续有丝分裂中起着重要作用。裂中起着重要作用。Notch信号转导负责维持末端细胞进行有丝分裂。信号转导负责维持末端细胞进行有丝分裂。 一一. 精子发生精子发生(spermatogenesis) PGCs一旦到达雄性胚胎的生殖腺原基就进入性索一旦到达雄性胚胎的生殖腺原基就进入性索, 在此停在此停留直到成熟。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细胞分化为支持细胞(Sertoli cells).精子发生过程在支持精子发生过程在支持细胞的凹陷中进行。细胞的凹陷中进行。 精原细胞精原细胞初级精初级精母细胞

20、母细胞次级精母次级精母细胞细胞精子细胞精子细胞精子精子(sperm)。PGCs首先分裂形成精原细胞首先分裂形成精原细胞(spermatogonium) A1(靠近基靠近基膜膜, 体积小体积小, 核卵圆形核卵圆形,染色质与核膜染色质与核膜相连相连)。A1分裂形成分裂形成1个个A1 和和 1 个个浅色的精原细胞浅色的精原细胞A2, A2分裂形成精分裂形成精原细胞原细胞A3, A3分裂形成分裂形成A4, A4分分裂形成过渡型精原细胞裂形成过渡型精原细胞, 它们进一步它们进一步分裂成精原细胞分裂成精原细胞B, 后者分裂形成初后者分裂形成初级精母细胞级精母细胞(primary spermeto-cyte

21、), 经第一次成熟分裂形成次级经第一次成熟分裂形成次级精母细胞精母细胞(secondary spermatocyte)。再经一次成熟分。再经一次成熟分裂形成单倍体的精子细胞裂形成单倍体的精子细胞(spermatid)。 从精原细胞到精子细胞的分裂过程中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，细胞间有直径细胞质的分裂不完全，细胞间有直径1m的细胞质间桥连接成合胞体的细胞质间桥连接成合胞体(syncytium)。细胞间离子和分子。细胞间离子和分子通过细胞质间桥相沟通，保证每群细通过细胞质间桥相沟通，保证每群细胞同步成熟。胞同步成熟。另外，在上述过程中随着不断分裂，另外，在上述过程中随着

22、不断分裂，细胞逐渐远离生精小管基膜，而靠细胞逐渐远离生精小管基膜，而靠近管腔，在不同层次看到不同分化近管腔，在不同层次看到不同分化时期的生精细胞。时期的生精细胞。2 精子形成精子形成(spermiogenesis) 精子细胞必须经过分化才能变为成熟精子。第一步是顶体精子细胞必须经过分化才能变为成熟精子。第一步是顶体(acrosome)形成，由高尔基复合体形成囊状结构覆盖于精子核的形成，由高尔基复合体形成囊状结构覆盖于精子核的顶部。同时精子核旋转使顶体朝向基膜顶部。同时精子核旋转使顶体朝向基膜, 以便顶体细胞核对侧的中以便顶体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，

23、大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。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小鼠从生殖干细胞到成熟精子约需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。人类精子发育需要天。人类精子发育需要74天才能完天才能完成。成。第三节第三节 卵子发生卵子发生卵子发生（卵子发生（oogenesis）和精子发生一样经历减数分裂，但二者并）和精子发生一样经历减数分裂，但二者并不完全相同：不完全相同：1.精母细胞经两次减数分裂产生精

24、母细胞经两次减数分裂产生4个精子细胞，而卵母细胞（个精子细胞，而卵母细胞（oocyte）经两次减数分裂产生经两次减数分裂产生1个卵子和个卵子和2-3个极体（个极体（polar bodies)。2.精子形成后只是形成一个精子形成后只是形成一个“能运动的细胞核能运动的细胞核”，而卵子还要建立一，而卵子还要建立一个由酶、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、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胎发育所需，因此经历一个较长的生长期(两栖类两栖类3年年)。1.卵黄发生卵黄发生: 两栖类的卵子由卵原两栖类的卵子由卵原细胞分化而来细胞分化

25、而来, 每年产生一批新卵每年产生一批新卵子。在卵子发生期间卵黄迅速积累，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子体积增大。卵黄的主要成分是卵黄蛋白原（卵黄蛋白原（vitellogenin),它它在肝脏中合成，经血液循环进入卵在肝脏中合成，经血液循环进入卵巢，经过卵巢滤泡细胞间转运和胞巢，经过卵巢滤泡细胞间转运和胞饮作用进入卵母细胞。在成熟卵中饮作用进入卵母细胞。在成熟卵中被裂解成卵黄高磷蛋白和卵黄磷脂被裂解成卵黄高磷蛋白和卵黄磷脂蛋白，包膜结合成卵黄小板。起初蛋白，包膜结合成卵黄小板。起初在卵内分布均匀，后主要集中在植在卵内分布均匀，后主要集中在植物极（物极（75%)

26、。卵黄发生结束后受。卵黄发生结束后受神经及激素等作用，生发泡神经及激素等作用，生发泡（germinal vesicle）（核膜）（核膜）破裂卵子成熟，排卵。破裂卵子成熟，排卵。两栖类卵母细胞在减数分裂前出现灯刷两栖类卵母细胞在减数分裂前出现灯刷染色体（染色体（lampbrush chromasomes), 其活跃合成其活跃合成RNA的的基因环伸出。用放射性组蛋白基因环伸出。用放射性组蛋白mRNA证证明其上的转录活动。到减数分裂的双线明其上的转录活动。到减数分裂的双线期所有早期发育所需的期所有早期发育所需的rRNA、tRNA和母体和母体mRNA都已完成转录并储存。都已完成转录并储存。2. 卵母细

27、胞的基因转录卵母细胞的基因转录二二. 昆虫的卵子发生昆虫的卵子发生有些昆虫（果蝇）以营养型方式有些昆虫（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经一次分裂产生一个生殖干细胞和一个包囊干细胞干细胞和一个包囊干细胞（cystoblast), 一个包囊干细一个包囊干细胞经胞经4次不完全的有丝分裂产生次不完全的有丝分裂产生16个包囊细胞个包囊细胞(cysto-cytes)的包囊的包囊(cyst), 细胞间以细胞质细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.其中只有其中只有胞囊后端的一个细胞形成卵母细胞囊后端的一个细胞形成卵

28、母细胞，其余胞，其余15个变为营养细胞个变为营养细胞(nurse cells)。营养细胞核的。营养细胞核的DNA经多次复制，形成多倍体的经多次复制，形成多倍体的核。尽管卵子发生中不经历转录核。尽管卵子发生中不经历转录活跃阶段活跃阶段,但在营养细胞中大量的但在营养细胞中大量的RNA合成，并转运到卵母细胞中。合成，并转运到卵母细胞中。 (A）用）用3H-胞嘧啶做的放射自显胞嘧啶做的放射自显影研究证明，标记后家蝇卵室内影研究证明，标记后家蝇卵室内营养细胞的核被深深地标营养细胞的核被深深地标记记;(B)5小时后标记物开始进入小时后标记物开始进入卵的细胞质卵的细胞质. 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 探针探针做的实验结果如上相同。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，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。控制的，如性别、保幼激素水平、蜕皮素