发育生物学-生殖细胞的发生

生殖细胞的发生

动物胚胎是由单个细胞-受精卵发育而来的，而受精卵是精卵结合的产物。生殖细胞发育成成体的卵和精子在早期胚胎中就已经特化。特化的机制？性别是由染色体组成决定的，性别决定的机制是什么？

生殖细胞指机体用来产生精子和卵子的细胞，它们可长期存在于机体内而死亡、消失。GC不同于生殖嵴前体细胞。Theoutcomeofgermcelldevelopmentiseitheramalegamete(thesperminanimals),orafemalegamete(theegg).Germcellsundergothetypeofnucleardivisioncalledmeiosis,wheregameteswithhalfthenumberofchromosomesofthegerm-cellprecursorareproduced.生殖细胞(GermCells)的发育在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，其生殖细胞来源于原生殖细胞（primordialgermcell，PGC）。原生殖细胞经过迁移，进入发育中的生殖腺原基—生殖嵴（genitalridge）分化成为生殖细胞。而原生殖细胞的起源可以追溯到更早期的胚胎发育阶段。生殖质与生殖细胞分化可能是为了使生殖细胞脱离确立形体模式时发生的发育巨变为了选择更为健康的生殖细胞，选择那些在迁移中存活的细胞。如在爪蟾中，被移植到囊胚中错误位置的生殖细胞不能迁移如性腺。生殖细胞迁移有些动物的卵细胞质中存在着具有一定形态结构、可识别的特殊细胞质——生殖质（germplasm）。生殖质由蛋白质和RNA组成，定位于卵质的特殊区域，具有生殖质的细胞将分化成为原生殖细胞。没有证据表明小鼠与其他哺乳动物生殖细胞发生与生殖质的关系。小鼠生殖细胞发生涉及细胞之间的相互作用。小鼠胚胎中最早能够识别的PGC位于原条后端。哺乳动物生殖细胞的迁移A.在卵黄囊靠近后肠和尿囊连接处可观察到原始的生殖细胞。B.原始生殖细胞经过肠、肠系膜的背面迁移到生殖嵴。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。D.原始生殖细胞沿背肠系膜迁移并进入生殖嵴中。哺乳动物生殖细胞在原肠胚期，小鼠的PGC位于上胚层中。在7天的胚胎中，约8个PGC位于原条后部的胚外中胚层中，其后它们迁移经过内胚层、尿囊、卵黄囊到达后肠，再沿后肠背壁向前迁移到达生殖嵴，此时的PGC达2500~5000个。小鼠生殖细胞的形成Theprecursorsofprimordialgermcells(PGCs)andextra-embryonicmesodermareinducedintheproximalepiblastthatbyBMP4andothersignalsfromtheextra-embryonicectoderm.Duringgastrulation,thesecellsmovetotheposteriorendoftheembryoabovetheprimitivestreak.FormingaclusterwherethecentralcellsbecomespecifiedasPGCs(expresshighlevelsofthetransmembraneproteinFragilisandStella,Oct4(maintainingpluripotency),AP)andtheperipheralcellsasextra-embryonicmesoderm.AfterPGCsformations,theymigrateanteriorlytothegenitalridge.小鼠生殖细胞的形成哺乳动物原始生殖细胞的迁移途径Germcellsdevelopatsomedistancefromthegonads,andonlylatermigratetothem,wheretheydifferentiateintoeggsorsperm.Selectingthehealthiestofthegermcell,survivemigration.Mouse,inthefinalstageofmigration,thecellsmovefromtheguttubeintothegenitalridge.生殖细胞从其产生处迁移至性腺About8000cellsarrive,from45attheposteriorendoftheprimitivestreak;Whitespotting(codingforreceptorKit,expressedinthemigratinggermcells)and

Stell(Kitligand,Stell,expressedinthecellsalongwhichthegermscellsmigrate)genescontrollingproliferationofmigratinggermcells,themigratingcellsarecontinuouslyreceivingsignalsfromthesurroundingtissue.生殖细胞从其产生处迁移至性腺干细胞生长因子(SCF)是防止PGC凋亡所必需的，也能促进其繁殖。它由PGC迁移路径中的细胞合成，定位在膜上。White突变(缺失SCF受体基因)或Steel-Dickie突变(SCF不能定位在膜上)的小鼠无PGC或很少的PGC.Oct-4与哺乳动物原生殖细胞的形成有关内细胞团8.5d,上胚层后部10.5d,PGC迁移出生后卵巢、睾丸中表达

原生殖细胞进入生殖腺原基后不断进行有丝分裂，产生生殖干细胞后代。生殖干细胞必须经过减数分裂才能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。减数分裂（meiosis）小鼠生殖细胞的类型主要决定于周边细胞的遗传组成PGC进入生殖嵴的最初几天继续分裂，不分化。随后，在雌性胚胎中，GC进入减数第一次分裂的前期，然后停止直到性成熟才继续减数分裂产生卵子。在雄性胚胎中，GC于有丝分裂的G1期停止，直到性成熟后某些细胞继续有丝分裂，有些开始减数分裂产生精子。误入生殖嵴附近其它组织如肾上腺或中肾的XX或XY型生殖细胞，都将开始减数分裂并发育为卵子。XX型生殖细胞在XY型胚胎的睾丸中采取精子发生途径。生殖细胞类型的选择MeiosisproduceshaploidcellsGermcellsarehaploid-containingjustonecopyofeachchromosomeincontrasttothetwocopiespresentinthediploidsomaticcells

PGCsarediploid,reductionfromthediploidtohaploidstate,meiosisMeiosisproduceshaploidcellsTheDNAreplicatesbeforethefirstdivision;thepairedhomologouschromosomesundergocrossingoverandrecombinationNoDNAreplicationbeforethesecondmeioticdivisionPairingofhomologouschromosomeMeiosis:thechromosomesreplicateonce,whilethenucleidividetwiceMeiosis:onediploidcellproduces4haploidcellsProphaseofMeiosisCrossing-overproducesrecombinedchromosome,andcontributestogeneticdiversityThelossorgainofoneormorechromosomesresultsinaneuploidy.

Aneuploidyiscausedbyproblemsinmeioticchromosomesegregation原生殖细胞进入胚胎卵巢后分化成为卵原细胞（oogonia）。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减数分裂前期，形成初级卵母细胞（primaryoocyte）。初级卵母细胞停止在第一次减数分裂的前期，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，接着第二次减数分裂发生，进行排卵。成熟的卵处于第二次减数分裂的中期。卵子发生(oogenesis)OogenesistheprimaryoocytearrestedintheprophaseofMIatfetalstage,neverproliferateagain;however,recentstudiesinmiceshowoocytesandfolliclesareproducedinpostnatalovaryOogenesis(continued)Furtherdevelopmentoccursinthesexuallymatureadultfemale(includinga100-foldincreaseinmass,theformationofexternalcellcoatsandcorticalgranules).Afeweggsareovulatedbutmostdegeneratebeforepuberty,leavingabout40,000outofanoriginal6million.Meiosisresumesatthetimeofovulation,proceedsasfarasthemetaphaseoftheMII,andarrestedagain,andiscompletedafterfertilization.Sooocytedevelopmentmaybeheldinsuspensionafterbirthformonths(mice)oryears(humans)Inhuman,eggformationbeginsinthefetalovariesandarrestsduringtheprophaseofMI孕酮能促进卵母细胞继续减数分裂。其作用机理：孕酮使卵内一种编码pp39mos

的mRNA开始翻译，而pp39mos能抑制一种专一性降解细胞周期蛋白(cyclin)的蛋白酶。如果cyclin不降解，蛋白质激酶促成熟因子（maturationpromotingfactor,MPF）就会保持其活性，使阻断的减数分裂继续。减数分裂的阻断和继续卵子的发生(oogenesis)

不同物种的产卵力差异很大，如海胆和两栖动物的卵原细胞可以终身进行有丝分裂，每次可产卵成百上千个。

哺乳动物的生殖细胞在出生后就不具备有丝分裂能力。妇女一生只能排出约400个成熟的卵。初级卵母细胞，减数分裂停止于前期I部分初级卵母细胞开始恢复减数分裂哺乳动物卵泡的生长

人卵巢中的原始卵泡周期性地进入生长期，使卵母细胞增大、颗粒细胞数量增加(由GDF-9介导)，只有少数与促性腺激素分泌周期相吻合的卵泡能够存活。人的排卵周期颗粒细胞接受LH信号后关闭其与卵母细胞的缝隙通道，激活减数分裂FSH和LH使卵泡细胞合成雌激素受精后胚胎滋养层细胞合成催乳素,使黄体继续存在分泌孕酮哺乳动物的排卵LH导致卵泡合成胶原酶、血纤维蛋白溶原酶激活因子、前列腺素等。前列腺素诱导卵巢局部平滑肌收缩和使水分进入卵泡腔中，胶原酶和血纤维蛋白溶原酶激活因子消化卵泡胞外基质。SpermatogenesisAfterbirth,spermatogoniastemcellsundergomeiosisanddifferentiateintosperm,spermisproducedindefinitely.Humanspermformcontinuouslyinthetestesafterpuberty.精子发生脊椎动物的PGCs到达雄性胚胎的生殖腺原基后，立即进入性索，然后停留在那里直到成熟。性索发育成为生精小管，其管上皮细胞分化形成支持细胞（sertolicell）。PGCs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。精子的发生(spermatogenesis)青春期生精细胞－精原细胞(spermatogonia)合成的BMP8B积累到一定浓度时便开始分化。生精细胞表面有N-Cadherin及半乳糖，曲精小管中的支持细胞表面有N-Cadherin及半乳糖受体，两种细胞通过这些分子的相互作用结合在一起。支持细胞为生精细胞提供营养和保护，但它们随着生殖细胞变为精子而退化。Self-renewalapoptosis精子分化(spermiogenesis)人约需70天减数分裂开始精子分化(spermiogenesis):高尔基体形成顶体泡，中心粒产生精子鞭毛，线粒体整合入鞭毛，核浓缩，胞质废弃，最后产生成熟的精子。人类精子结构示意图ThetimingofmeiosisdiffersinfemalesandmalesInmales,thespermatogoniaentermeiosisandproducespermfrompubertyuntildeath.Eachejaculationhas100to500millionsperm.Infemales,thefirstmeioticdivisioniscompletedatovulation.Inhumans,thesecondmeioticdivisionoccursjustbeforetheactualprocessoffertilizationoccurs.Thus,infemales,thecompletionofmeiosiscanbedelayedforover50years.Thisisnotalwaysgood.OnlyIeggproducedInaddition,allmeiosisisendedinfemalesatmenopause.

哺乳动物雌雄原核的不均等性

形成合子的雌雄原核所携带的单倍体基因组并不等同。一个尚未被了解的生物学进程选择性地沉默父本或母本来源的等位基因，即印记。目前已有60多个哺乳动物的印记基因得到克隆，这些基因在发育过程中起着重要的作用。

配子中基因的imprinting

Imprinting:指某一个基因是否在胚胎中表达，取决于其来自于父亲或母亲。雄核和雌核在发育中的作用不完全相同，都是胚胎正常发育所必需的。

Imprinting:certaingenesineggsandspermarespecificallyprogrammedtobeswitchedoffduringdevelopment,eg.Thedifferentcontributionofthematernalandpaternalgenometothedevelopmentoftheembryo.

Imprinting基因:在卵子发生或精子发生过程中被打上了不同印记的基因。由于印记不同，来源于雌核和雄核基因的表达模式也不同，即在胚胎发育过程中，有些基因仅来自于雄性的表达，而另一些基因仅来自于雌性的表达。因此只有来自于精子和卵子的二倍体才能正常发育，而仅来自于雌核或雄核的二倍体胚胎则要在发育过程中夭亡。一些调控胚胎生长的基因受基因印迹影响将雄核胚胎的内细胞团移植到正常胚胎中，嵌合体胚胎的生长增加50%；若移植雌核胚内细胞团，则生长减低50％。正常对照（左）和两个雌原核发育成的胚胎（右）Genomicimprinting:thecellularmachineryerasestheoldreprintsandestablishesnewonesingermcellsduringmeiosis.Notethatinthesecondgeneration,oneofthechromosomesinbothegg(homolog2)andsperm(homolog1)willbedifferentlyimprintedthanthewayitwasinthefirstgeneration.一些调控胚胎生长的基因受基因印迹影响Imprintingofthegenescontrollingembryonicgrowth:inmouseembryos,thepaternalgeneforIgf2ison,butthegeneonthematernalchromosomeisoff.Incontrast,thecloselylinkedgeneH19isswitchedoninthematernalgenomebutsilencedinthepaternalgene.

将含Igf-2突变的精子与正常卵受精，则子代瘦小；将正常精子与含Igf-2突变的卵受精，则子代正常发育。一些调控胚胎生长的基因受基因印迹影响Parental-conflicttheory:thereproductivestrategiesofthefatherandmotheraredifferent,eg.Paternalimprintingpromotesembryonicgrowth,whereasmaternalimprintingreducesit.Improperimprintingcanleadtodevelopmentalabnormalitiesinhumans,eg.Prader-Willisyndrome:lossofpaternalgeneonChr.15Imprinting是一个可逆的过程，可能与甲基化有关Summary哺乳动物生殖细胞的特化由胚胎晚期细胞间的相互作用引起的，一旦生殖细胞被决定，它们会从起始的位置迁移到生殖腺中，并在生殖腺中进一步发育、分化。在生殖腺中，二倍体的生殖细胞经历减数分裂，最终产生单倍体的卵或精子。雌性哺乳动物卵的数目在出生前就已经固定下来，但精子在成体动物的一生中不断产生。母本和父本基因组对于哺乳动物的正常发育都是必要的。只拥有二倍体母本或父本基因组的胚胎发育不正常。卵或精子中的某些基因是被印迹的，所以母本和父本来源的相同基因的表达会有差异。有些印迹基因参与胚胎的生长调控。错误的基因印迹在人类中会导致发育缺陷。公元前335年，Aristotle指出性别决定于热(heat)，当母亲子宫的冷超过父亲的精热时子代发育为female，female是发育不健全的men。1600s/1700s，已认识到female可以产生能够传递亲本性状的卵子。19世纪末之前，人们认为温度、营养、年龄等环境因素决定了性别。有利于能量和营养储存的因子将使一个人生产女婴，而有利于能量和营养利用的因子则使人有男婴。20世纪初，Mendel定律重新发现(1900)、McClung发现性染色体(1902)、Stevens和Wilson在昆虫上发现了性染色体组成与性别的关系(male=XYorXOwhilefemale=XX)(1905)，从而认识到遗传物质在性别决定中起重要作用。性别表现型的决定哺乳动物的性别决定1.Primarysexdetermination:

指生殖腺发育为睾丸或卵巢的选择。胚胎生殖腺(gonad)的发育命运决定于其染色体组成，Y染色体的存在使生殖腺的体细胞发育为testis而非ovary。

e.g.,基因型为XXY的Klinefelter综合症患者的表型为male，但不具生殖力；基因型为XO的Turner综合症患者为不能产卵的female。哺乳动物主要的性别决定基因定位在Y染色体上

Inmammals,sexisdeterminedbytheYchromosome;maleareXY,femalesareXX.生殖嵴原基有两种发育方向：Testis－OvaryGranulosacellsdifferentiatedfromCorticalsexcordsandthecalcellsderivedfrommesenchymalcellsformfolliclesthatenvelopthegermcells.哺乳动物性特征的发育机制LHX9哺乳动物主要的性别决定基因定位在Y染色体上

SpecificationofagonadasatestisiscontrolledbyasinglegeneontheYchromosome,thesex-determiningregionoftheYchromosome(SRYinhumans),eg.,Klinefeltersyndrome:XXY,infertilemaleswithsmalltestes;Turnersyndrome(XO),femalesdonotproduceeggs.Atmeiosisinmalegerms,theXandYchromosomepairupandcrossoverofthedistalregion,whichdoesnotaffectsexualdevelopment.Rareoccasion,crossingoverinvolvinglargersegmentthatincludestheSRYgene,sothattheXchromosomenowcarriesthismale-determininggene,leadingtosexreversal.SRY是通过分析XX的men和XY的women的DNA而发现的(1990)。它是一种编码223aa的转录因子，含有HMGDNA结合区。睾丸决定基因为Y染色体上的SRY(sex-determiningregionoftheYchromosome)哺乳动物主要的性别决定基因定位在Y染色体上

IllegitimaterecombinationbetweentheXandYchromosomecancreateaYchromosomewithoutSRYandanXchromosomewithSRY.FertilizationwithgametescontainingtheseunusualchromosomeswillproduceXYfemalesorXXmales.小鼠Sry基因也存在于Y染色体上，在未分化的生殖腺和正在分化为睾丸的生殖腺中表达。转Sry基因的XX小鼠可长出睾丸和雄性特征，但不能产生正常的精子。Sry对睾丸发育的影响的实验证据XYXXSry的直接作用模型：Sry直接诱导雄性生殖嵴特异性基因的表达。Sry的间接作用模型：Sry诱导生殖嵴细胞合成某种因子→中肾细胞进入生殖嵴→诱导生殖嵴表皮细胞转变为睾丸支持细胞、并表达雄性特异性基因。与睾丸命运决定有关的常染色体基因Sox9：为含HMGDNA结合区的转录因子。含一个额外的SOX9的XXhuman将发育为male;而75%的、只含一个有功能的SOX9的XYhumans发育为female或两性人。小鼠的Sox9只在雄性生殖嵴中表达，表达时间比Sry约晚。Sox9蛋白可与Amh的启动子结合，促进Amh的表达。SF1(steroidogenicfactor1)：为含HMGDNA结合区的转录因子。Sf1在雌雄小鼠的未分化的性腺中都表达，但分化开始后就局限在XY小鼠的正在发育的睾丸中。SF1在睾丸支持细胞中通过协助Sox9而增强AMH基因的表达(seenextslide);而在睾丸的间质细胞中，它可激活睾丸酮合成酶基因。Sox和SF对Amh基因表达的作用DAX1：它编码细胞核激素受体，是X染色体上的潜在的卵巢决定基因。1980年首次发现于XY姊妹中，1994年克隆出基因，其性别逆转是由于2个拷贝的DAX1可以抑制SRY的作用。小鼠Dax1在生殖嵴细胞中表达，它可能是拮抗Sry的活性而下调sf1的表达。与卵巢命运决定有关的X染色体基因WNT4：是常染色体上的潜在的卵巢决定基因。小鼠Wnt4在分化前的XX和XY生殖嵴中都表达，其后只在XX生殖腺中表达。在Wnt4-/-XX小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达Amh和睾丸酮等睾丸特异性标记。Sry的作用可能是抑制生殖嵴中Wnt4的表达和促进Sf1的表达。2.secondarysexdetermination:

睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响性器官的发育。在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerianduct)退化，而中肾管(Wolffianduct)分化为输精管、附睾、精囊。在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分化为输卵管、子宫等。性腺激素调节哺乳动物性特征Earlyindevelopment,nodifferencebetweenmaleandfemale,futuregonadlieadjacenttothemesonephros,2setsductsarepresent:theWolffianductsandMűllerianducts.Aftertestesdevelop,theirsecretionofMűllerian-inhibitingsubstancesresultsindegenerationofMűllerianductsbyprogrammedcelldeathwhereWolffianductsbecomesthevasdeferens,carryingspermtopenis;Testicularinterstitialcelldiff.intoLeydigcells(producetestosterone).Infemales,Műllerianductsbecomestheoviduct.

性腺激素调节哺乳动物性特征Atanearlyembryonicstage,thegenitaliaarethesame.Aftertestesformationinmales,thephallusandgenitalfoldgiverisetothepenis,infemalestotheclitorisandthelabiaminusDifferenceonlyariseaftergonaddevelopment,asaresultoftheactionofgonadalhormonesGeneticfemaleswithaXXconstitutioncandevelopasphenotypicmalesinexternalappearanceiftheyareexposedtomalehormonesduringembryonicdevelopment.

抗中肾旁管激素(anti-Mullerianducthormone,AMH)：由睾丸支持细胞分泌的560aa糖蛋白，其作用可能是诱导中肾旁管周围的间质细胞分泌一种促凋亡因子，使中肾旁管退化。culturedinthepresenceoffetaltestisorsertolicells.MullerianductWolffianductMullerianductWolffianduct睾丸酮(testosterone)：由睾丸间质细胞合成，其作用是诱导中肾管分化为输精管、精囊、附睾。该患者携带SRY基因

testes

AMHMullerianductdegenerationuterus、oviducttestosterone

Noandrogenreceptor输精管、精囊、附睾。二氢睾丸酮(testosterone)：由睾丸酮转变而成，其作用是控制外生殖器官的形成。缺少5a-ketosteroid

reductase2的XY个体的外形像female.雌激素(estrogen)：在female胚胎中，雌激素由卵巢合成，它诱导Mullerianduct分化为雌性器官。在male胚胎中，雌激素由肾上腺合成，它使中肾旁管细胞吸收睾丸中的水分，有助于增加精子的寿命和数量。RegulationofReproduction:GeneralPathwaysFigure26-7:Generalpatternofhormonalcontrolofreproduc