第3章 生殖细胞的发生1

null第二部分 受精与早期发育（Fertilization & early development）第二部分 受精与早期发育（Fertilization & early development）第三章 生殖细胞的发生null生殖细胞的起源与分化 精子发生 卵子发生null生殖细胞（germ cells）和体细胞（somatic cells） 被特化为能够进行减数分裂、生长出配子的细胞为生殖细胞。 生殖系（germ line） 指的是那些在胚胎发育中能最后形成生殖细胞的细胞系（lineage）。 一、生殖细胞的起源与分化一、生殖细胞的起源与分化1、生殖细胞的来源 分化自体细胞：少数；海绵、腔肠、扁虫和苔鲜等动物 源自含生殖质（种质）或类似性质物质的细胞：昆虫、棘皮动物以及大部分脊椎动物 生殖质（germ plasm）：特殊胞质；蛋白质、RNA；碱性染色 这些细胞称为原生殖细胞（PGCs）：primordial germ cells null线虫 P 颗粒（posterior granules） null果蝇 含有P 颗粒（polar granules）的极细胞即为PGCs P 颗粒由蛋白质和RNA 成分组成，包括：① gcl ( germ cell-less ) mRNA 和蛋自质；② nanos mRNA ；③ 线粒体大核糖体RNA ；④ Pgc(polar granule component）非翻译RNA 分子；⑤ 母源基因cappucino、staufen、oskar、vasa、valois、tudor的产物。上述物质的缺失或突变，都会影响生殖细胞发生。 null两栖类：Changes in the position of the germ plasm (color) in an early frog embryo. Originally located near the vegetal pole of the uncleaved egg (A), the germ plasm advances along the cleavage furrows (B) until it becomes localized at the floor of the blastocoel (C).null(D) Germ plasm-containing cell in the endodermal region of a blastula in mitotic anaphase. Note the germ plasm entering into only one of the two yolk-laden daughter cells. (E) Primordial germ cell and somatic cells near the floor of the blastocoel in early gastrula.null鸟类和爬行类 生殖新月区（germinal crescent ）The germinal crescent of the chick embryo. (A) Germ cells of a definitive primitive streak-stage (stage 4, roughly 18-hour) chick embryo, stained (purple) for the chick Vasa homologue protein. The stained cells are confined to the germinal crescent. (B) Higher magnification of the stage 4 germinal crescent region, showing germ cells (stained brown) in the thickened epiblast. (Anterior is to the right.)null哺乳类(A) PGCs seen in the yolk sac near the junction of the hindgut and allantois. (C) Four large PGCs in the hindgut of a mouse embryo (near the allantois and yolk sac) stain positively for high levels of alkaline phosphatase. null2、原生殖细胞的迁移 PGCs 只有经过迁移，进入发育中的生殖腺原基——生殖嵴（genital rige ）才能分化成为生殖细胞。null果蝇null两栖类(F) Migration of two primordial germ cells (arrows) along the dorsal mesentery connecting the gut region to the gonadal mesodermnull鸟类和爬行类null哺乳类(B) The PGCs migrate through the gut and, dorsally, up the dorsal mesentery and into the genital ridges. (D) Such alkaline phosphatase-staining cells can be seen migrating up the dorsal mesentery and entering the genital ridges.null3、原生殖腺形成和生殖细胞分化 髓部：网索（retcords）或原始性索（primitive sex cords ) 皮层 PGCs 进入生殖嵴的皮层后，由皮层和髓部共同组成胚胎的原始生殖腺。 null脊椎动物雄性胚胎中，在Y 染色体上的性别决定基因Sry指导下，原始生殖腺发育成睾丸，位于皮层的 PGCs离开皮层进入网索，分化成精原细胞（spermatogonium）。 雌性胚胎中，由于没有Y染色体，因而不存在Sry 基因的作用，原始生殖腺发育成卵巢。留在皮层的 PGCs大最增加，开始分化成卵原细胞（oogonium）。 二、 精子发生 二、 精子发生 1、 精子发生（spermatogenesis） 精原细胞增殖 减数分裂 精子形成 人约需70天Self-renewalapoptosis精子分化spermiogenesis)人约需70天减数分裂开始null精子形成 ( spermiogenesis） 高尔基体发育形成顶体 中心粒定位在精子的颈部，微管蛋白单体聚合在精子的中段到尾部形成鞭毛 线粒体环绕排列在精子的中段 胞质被丢弃 核浓缩、重塑，精子特异性 DNA 结合蛋自——鱼精蛋自（ protamines ) 代替组蛋自，层状包裹DNA 在精子膜上产生、分布卵结合蛋白。nullnull精子发生的特点 精原细胞在胚胎期形成后便进入休眠态，性成熟后启动精子的发生 精原细胞是干细胞 胞桥相连 从管壁到官腔形成不同发育成熟度的精子分布 减数分裂前期l 的变化十分复杂，发生同源染色体联会、交叉、交换等过程 初级精母细胞最后形成四个精子细胞 精子细胞在附睾中还有一个成熟和活化的过程，最后形成精子。nullnull2、精子发生基因 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达的调控 BMP8B DAZ 基因（人）和Rb97D、boule（果蝇） β2-tubulin和海胆顶体中的bindin β-1, 4 -半乳糖转移酶 spe－11 JAM-C ( junctional adhesion molecule-C） 三、卵子发生三、卵子发生 到达原生殖腺的PGCs 很快发生形态学的变化而转化为卵原细胞（oogonia），其转变的特点是细胞内的糖原颗粒急剧减少，碱性磷酸酶活性增强。 null1、哺乳动物卵子发生 1）卵子发生的一般过程 哺乳动物卵子的形成经历卵原细胞增殖、初级卵母细胞的形成和生长、减数分裂成熟等过程。 增殖（proliferation）： 卵原细胞通过有丝分裂不断增殖，通过细胞间桥相联系。 绝大多数降解 nullChanges in the number of germ cells in the human ovary over the life span. null初级卵母细胞的形成： 增殖期结束后，（未降解的）卵原细胞开始进入第一次减数分裂期，称为初级卵母细胞（primary oocytes），被一层颗粒细胞包裹，称为原始卵泡 。 初级卵母细胞经细线期、偶线期（配对、联会）、粗线期到双线期（核网期），停止细胞周期活动。 哺乳动物出生前后的卵母细胞停滞于核网期（dictyotene stage ）。减数分裂直至性成熟后重新启动。null初级卵母细胞的生长 哺乳动物性成熟后，启动周期性的排卵过程。由于受FSH（follicle stimulating hormone）的刺激，每一周期会有一组卵母细胞启动发育。 生长期的卵母细胞合成大量的蛋白质、RNA及一些营养物质 和卵泡一起生长 出现透明带（zona pellucida ） 生发泡（germinal vesicle）：生长期卵母细胞的核null The ovarian follicle of mammals. (A) Maturation of the ovarian follicle. When mature, it is often called a Graafian follicle. (B) Scanning electron micrograph of a mature follicle in the rat. The oocyte (center) is surrounded by the smaller granulosa cells that will make up the cumulus. null成熟 （maturation） 在生长期，优势卵泡由于有更强的竞争获得FSH的能力而得以存活，其中的初级卵母细胞达到充分生长,获得恢复和完成减数分裂的能力 。 减数分裂成熟（meiotic maturation）： 在LH（lutenizing hormone）的控制下，充分生长的初级卵母细胞，恢复减数分裂，从第一次减数分裂的核网期进行到第二次减数分裂的中期（MⅡ期），形成一个大细胞即次级卵母细胞（secondary oocyte）和一个小细胞即第一极体（polar bodyⅠ，pbⅠ)。null减数分裂成熟的特点： 卵丘扩散 排出第一极体 生发泡破裂（GVBD，germinal vesicle breakdown） 皮层颗粒排列在卵膜下 MⅡ期阻滞： MⅡ期卵母细胞，经受精或孤雌激活，才完成第二次减数分裂的后期和末期，排出第二极体。 nullnullPolar body formation in the oocyte of the whitefish Coregonus. (A) Anaphase of first meiotic division, showing the first polar body pinching off with its chromosomes. (B) Metaphase (within the oocyte, arrow) of the second meiotic division, with the first polar body still in place. The first polar body may or may not divide again. null2）、卵母细胞生长成熟过程中的转录和翻译 在生长期中，经过积极的转录和翻译活动，产生大量的RNA、蛋白质等对减数分裂恢复、成熟、受精及早期胚胎发育必须的物质。 生发泡： 核质大量增加 体积增大 核仁增大 生发泡内的染色体呈现灯刷状 母型RNA (matemal RNA）大量积累 蛋白质比正常体细胞高出30～50倍nullAmphibian lampbrush chromosomes are active in the diplotene germinal vesicle during first meiotic prophase. (A) A lampbrush chromosome of the salamander Notophthalmus viridescens. Extended DNA (white) loops out and is transcribed into RNA (red). (B) Localization (arrow) of histone genes on a lampbrush chromosome in an amphibian oocyte. The genes have been visualized by in situ hybridization and autoradiography. null成熟期的卵母细胞，生发泡破裂、核仁消失，RNA合成停止，蛋白质的合成减少，但同时会出现一些新蛋白质的合成。 在减数分裂成熟过程中，卵母细胞生长时积累的poly (A) RNA大约50%或者被降解或者去掉多聚腺苷酸。卵母细胞通过去poly（A）消除RNA翻译能力，但保持其存在，便于此后发育的运用。 卵母细胞中的mRNA在成熟和受精过程中，多聚腺苷酸化和翻译的形式是很多样的，从而保证了成熟和翻译所需蛋白质的多样性。null卵母细胞中蛋白质的来源并非全部由卵母细胞本身合成，其中有些是从颗粒细胞 / 卵丘细胞通过胞桥连接运输而来，但核成熟主要与卵母细胞自身蛋白质的合成变化有关，卵丘细胞蛋白质的合成可能对成熟起促进或调节作用。 null3）、卵母细胞的成熟及其调控 ① 卵母细胞成熟分裂的阻滞 卵泡液中的抑制物： OMI （oocytes maturation inhibitor） MIS（mulerian inhibiting substance） 卵母细胞内cAMP ：来自颗粒细胞和卵母细胞自身合成 cAMP——PKA Ⅰ活化——减数分裂恢复的一些关键蛋白磷酸化，从而抑制减数分裂恢复。 nullnull② 卵母细胞成熟的恢复和完成 充分生长卵母细胞，完成了必需的RNA转录和蛋白质合成，获得恢复和完成减数分裂的能力。 卵母细胞成熟分裂的恢复是一个受多种因素调控的复杂生化变化过程，主要的调控机制有以下几个方面：null促性腺激素的刺激是卵母细胞启动减数分裂的外部诱导因素 FSH/LH（lutenizing hormone）→卵丘细胞扩散，与卵母细胞分离，解除OMI等的抑制因素 FSH/LH→颗粒细胞合成释放性腺激素——雌激素和孕酮 FSH→卵丘细胞释放MAS（ meiosis-activating sterol ） LH→卵丘细胞产生和释放三磷酸肌醇（IP3） LH→PDE活化nullnullcAMP水平的下降解除了减数分裂阻滞 自卵丘细胞输入阻断 卵内Ca2＋浓度的升高，抑制腺苷酸环化酶的活性，从而降低cAMP的浓度 卵丘细胞IP3，引起Ca2＋ 释放，进入卵母细胞 IP3进入卵内，引起卵母细胞Ca2＋ 释放 PDE作用 nullMPF在卵母细胞成熟的恢复和完成过程中发挥核心作用 成熟分裂启动后，MPF激酶活性迅速升高，引起GVBD 和染色体浓缩；随着成熟进程，MPF活性逐步增高，达峰值时，由于纺锤丝的牵引，使中期染色体排列在赤道板上（进入MI期）。以后MPF活性下降，激发核从中期向后期、末期推进，最后导致同源染色体向两极分开，在第一极体排出后，MPF的活性在MⅡ阶段又重新出现并处在高水平上。 性腺激素、CAK(cdc-2 activating kinase)、P80cdc25 、P39cos及wee1/mik1、myt1等因素参与了MPF的活化 nullMPF activation in XenopusLHnullMAPK参与成熟分裂调控 MAPK活性在MPF之后出现，维持磷酸化状态直至MⅡ期。MAPK能将MPF修饰过的一些基质磷酸化，可防止卵母细胞在MI和MⅡ之间出现间期。MAPK还参与微管动力学变化的调节，在第二次减数分裂染色体的分离、纺锤体的伸长以及分裂沟的形成过程中发挥着重要的作用。MAPK还是维持MⅡ阻滞的必须活性因子。nullCSF ( cytostatic factor）的作用 CSF的主要活性成分是原癌基因c-mos的产物P39mos，P39mos 可使cyclinB磷酸化，从而参与激活MPF，推动细胞由G2进入M期 P39mos还能维持cyclin B的磷酸化，使它不被降解，稳定MPF的活性，阻止细胞离开M期，停滞于MⅡ期。 MAPK的活化与c-mos的表达有关。 2、其它动物卵子发生2、其它动物卵子发生果蝇卵子的发生有以下几个特点 ① 卵原细胞经4次有丝分裂，形成胞质通连的16个细胞克隆单位，其中只有一个将来发育成卵细胞，周围细胞发育成滋养细胞。 ② 卵细胞本身不发生基因的转录，滋养细胞制造并为卵细胞提供mRNA、核糖体、中心粒，这些物质通过细胞间的连桥输送，细胞连桥中的胼合体（fusome）和细胞骨架在这些物质的定向运输中发挥作用。 ③ 卵细胞通过关键 mRNA ( bicoid mRNA，nanos mRNA）的极性分布设定了未来胚胎的发育体轴。nullThe formation of 16 interconnected cystocytes in Drosophila. (A) Diagram of adult ovariole, (B) Section through center of an ovariole, showing the maturation of the oocyte. Actin is stained green, and the nuclear DNA is stained red. (C) Division of the cystocyte-forming cells (cystoblasts). null两栖类卵子发生的特点： ① 卵原细胞的增殖每年都在进行。每年都有一批卵原细胞进入生长期。生长期长，如豹蛙卵子的成熟需3年。 ② 卵细胞发育中自身进行细胞器的构建，准备未来合成DNA、RNA、蛋白质所需的酶，积蓄mRNA、结构蛋白和早期胚胎发育的形态发生决定子。 ③ 减数分裂的双线期进行积极的基因转录活动，形成灯刷染色体。 ④ 卵内胞质成分不均匀分布，形成植物极和动物极。卵黄成分在肝脏合成，通过血液运输到卵细胞，形成卵黄颗粒最后定位在植物极。起源于高尔基体的皮层颗粒（内含蛋白质和多糖）分布于质膜之下的皮层中。线粒体、色素颗粒等分布于卵细胞的周围。 null⑤ 卵母细胞的成熟阶段有两次发育停顿：第一次在第一次成熟分裂前期的双线期，第二次在第二次成熟分裂的中期。排出的次级卵母细胞要等到受精后完成第二次成熟分裂。 ⑥ 卵母细胞恢复第一次成熟分裂与孕酮的作用有关。在脑垂体分泌的促性腺激素作用下，滤泡细胞合成并分泌孕酮。在孕酮作用下，卵母细胞完成第一次成熟分裂：生发泡破裂，核仁解体，染色体浓缩，第一极体排出。nullGrowth of oocytes in the frog. During the first 3 years of life, three cohorts of oocytes are produced. The drawings follow the growth of the first-generation oocytes. nullYolk distribution in Xenopus. (A) An amphibian yolk platelet. (B-E) Establishment of animal-vegetal distribution of yolk platelets in the Xenopus oocyte. (B) In the late stage III (600 mm) oocyte, yolk platelets enter the cell equally at all points of the surface. (C, D) As the oocyte grows, the platelets at the future animal pole are displaced toward the vegetal pole, while those at the vegetal pole remain there. More yolk still enters the egg on all sides. (E) By the end of vitellogenesis, the earliest platelets (III) are all in the vegetal hemisphere, which now contains roughly 75% of the oocyte yolk. Timing of entry of yolk into oocyte platelets is indicated by shading and Roman numerals: III, stage III platelets; IV-e, early stage IV platelets; IV-l, late stage IV platelets; V, stage V platelets; gv, germinal vesicle. nullnull鸟类卵子发生的特点 ① 鸟类的卵巢中已不存在卵原细胞。卵原细胞只存在于胚胎期。卵巢中只有体积大小不等的卵母细胞。 ② 初级卵母细胞生长积累大量的卵黄，到排卵时卵母细胞的直径很大(35mm）。 ③ 细胞核和细胞质迁移到卵细胞的表层。在细胞核周围，细胞质的量比较多，而其余的细胞质则成为薄薄的一层包被在卵黄之外。 ④ 第一次成熟分裂后形成次级卵母细胞，这时从卵巢排出，并进入输卵管，在输卵管中受精。受精后完成第二次成熟分裂。null思考题： 1、概念：成熟分裂（减数分裂成熟）、精子发生、精子形成（分化）、原生殖细胞 2、精卵发生的异同点 3、哺乳类和两栖类卵子发生中的两次停滞，各在什么时期 4、爪蟾成熟分裂的调控机制 5、哺乳类卵子成熟分裂机制的研究进展