复习用第二章生殖干细胞

• 灯刷染色体是双线期同源染色体开始分离 的二价体，每个二价体由4条染色单体组成， 之间可见染色体交叉现象。 • 每一染色体由轴和侧环组成，两个相近大 小的侧环从轴伸出，轴上有大小不等的染 色粒，由浓缩的染色质构成。 • 一个侧环平均约含100kb DNA，每个环共 有4个拷贝。蝾螈每组染色单体约含5000个 侧环，每个卵母细胞核内共有侧环约20000 个(5000×4)。
2.2 发育前的准备
• 动物卵子受精之后，从卵裂至囊胚形成其细胞分裂速度 很快，细胞周期没有G1期和G2期，只有S期和M期。
• 在此过程中，合子基因组几乎是不活动的，那么生长、 发育所需的mRNA、rRNA、tRNA、各种酶类和蛋白质、 卵磷酯蛋白和糖元等物质从何而来呢？ • 原来，在卵子发生期间，母体效应基因起着十分关键的 作用，通过它们的转录和表达，在卵母细胞中积累、储 藏了大量所需的各种物质，为启动早期发育做了充分的 准备。这种发育前的准备在所有动物中普遍存在，但具 体的方式和途径各有不同。
第二章 配子发生与发育前的准备
•在多细胞生物的胚胎发育过程中，原始生 殖细胞是最 早分化出来的一群细胞，即生殖干细胞(germ stem cells)。这群细胞的出现，在多种动物中已证明与卵子 内生殖质(germ plasm)的分布密切相关。由于在线虫、 昆虫等生物的卵细胞内，其生殖质位于卵子的后极， 故又称极细胞质或极质(pole plasm)，已于80多种动物 (8个门)中发现了类生殖质成分的存在。
• 研究表明，灯刷染色体的侧环为去螺旋化 的DNA双链，是RNA活跃转录的部位。每 个侧环多为一个大的转录单元，但也有的 侧环包含几个转录单元。转录本的3′端由 RNA聚合酶固定在侧环上，5′端游离侧环 并与蛋白质结合成核糖核蛋白复合物 (RNP)。 • 合成后的RNP进入细胞质，使卵母细胞储 备大量各种所需的mRNA及其RNP，为受 精后启动早期胚胎发育作好准备。
2.2.1灯刷染色体与RNA转录 • 在某些动物卵子发生过程中，常可观察到 卵母细胞内的染色体状似灯刷，故名灯刷 染色体(lampbrush Chromosome)。在地中 海伞藻(Acetabularia metiterranea)也可观察 到这一典型的结构，而在果蝇、玉米等♂ 配子发生过程中则可看到非典型灯刷染色 体的存在。
• 第三次分裂时，动物极细胞沿子午线分裂 而植物极细胞仍沿赤道板分裂。然而第三 次卵裂之前，靠近动物极的那个植物分裂 球在分裂后期同样要进行染色体消减，故 4细胞期唯有最植物极那个细胞才具有完 整的染色体组。 • 经过4次卵裂形成16个细胞后，其中仅2个 细胞保持4条染色体完整，将成为生殖干 细胞；其余细胞均含有消减染色体，便成 为建立者细胞，朝体细胞的方向分化发育。
2.1.2雌雄配子的发生过程
• 前已述及，原始生殖细胞在多细胞动物的胚胎发 育过程中是最早分化出来的一群细胞。这些细胞 只有迁移进原始的生殖腺内继续发育才能成为成 熟的配子。 • 在脊椎动物胚胎发育早期，生殖嵴没有♀♂之分， 同时具发育为卵巢或睾丸两种潜能，迁移进来的 原始生殖细胞广泛分布于内部髓质和外部皮质。
• 第四种极质成分是极粒组成部分但 不翻译的一种RNA (Polar granule component, pgc)。虽然pgc的确切功 能尚不清楚，但其反义DNA的转基 因果蝇的极细胞不能迁进卵巢 (Nakamura et al., 1996)，可能与原 始生殖细胞向生殖嵴迁移有关。
• 是什么指引gcl mRNA、 nanos mRNA和 mtrRNA等成分定位到卵子的后端呢？至 少还发现另外有6个基因发挥了作用，它 们的突变体不能形成生殖细胞，而且也很 少形成腹节。 • 这些突变基因是cappucino, spire, staufen, vasa, valois和tuder。所有这些基因活跃于 卵巢并将其产物输送到生长着的卵母细胞 内。
2.1.1.3极质、极粒与生殖细胞决定 • 昆虫卵子后端的极细胞质与生殖细胞决定 相关的现象最早由Hegner(1911)报道，他 发现极细胞形成之前，若除去或毁坏甲虫 卵的极细胞质区，胚胎发育就不能形成生 殖细胞而导致成虫不育。 • Geigy(1931)证明，用UV照射果蝇卵的极细 胞质则产生不育的果蝇。
2.1.1原始生殖细胞的起源与决定 • 动物卵裂有多种方式和类型，因种类不同 而存在明显的差异。然而，无论采用哪种 卵裂方式，通过细胞不断分裂和增殖最终 将导致细胞之间的分化，首先是原始生殖 细胞从胚细胞中分化出来。
• 不对称细胞分裂能使所产生的两个子细胞 出现发育途径的分歧； • 部分卵裂球内发生染色体消减而另一部分 则保持完整会直接导致体细胞与种系细胞 之间的分化； • 某些母体效应基因的转录、表达产物在卵 子内局部差异分布对原始生殖细胞的形成 具决定作用。
• 野生型gcl基因在成蝇卵巢中的滋养细胞内转录， 其mRNA被输送进卵子的最后部，成为极质的一 部分,并于卵裂早期翻译成蛋白质。相反，纯合 突变♀蝇(gcl-gcl-)所产的卵子和胚胎中则检测不 到该基因的产物。 • 跟踪观察表明，gcl编码的蛋白质进入了细胞核 内，它对于极细胞的产生至为关键。当把gcl信 使的反义RNA导入胚内时，同样会失去产生生 殖细胞的能力。
• OSKAR通过促成生殖细胞形成所必须的蛋 白质和RNAs的定位而发挥作用，nanos mRNA是受其作用的RNA之一。 • NANOS是果蝇腹节形成所必需的，同时也 是生殖细胞形成所必需的。没有NANOS的 极细胞不能迁移进生殖腺，因而不能变成 配子。
• 第三个候选者是线粒体的核糖体RNA (Mitochondrial ribosomal RNA，mtrRNA)。 应用辐射检测系统，Kobayashi和 Okada(1989)证明，向被UV照射过的胚胎 导入mtrRNA可以恢复该胚胎形成极细胞的 能力。 • 在正常卵子内，mtrRNA仅位于卵裂期胚胎 极质内线粒体的外侧，以极粒的成分出现。 mtrRNA与介导极细胞的形成有关，但后来 并没有进入极细胞内。
• 生殖质由RNA和蛋白质组成，均为 母体效应基因转录或翻译的产物。 • 在卵子发生过程中，不同生物的母 体效应基因以多种方式被激活并进 行高效表达，将大量产物储藏在卵 母细胞内，为受精后迅速启动胚胎 发育做了充分的物质准备。
2.1 配子发生
• 配子发生涉及到原始生殖细胞起源 的方式、途径，参与调控、决定的 有关基因。 • 原始生殖细胞独立于性腺原基产生， 但必须迁入性腺后才能完成增殖、 生长和成熟等发育阶段。
2.2.2核仁扩增与rRNAs储备
2.1.1.2染色体消减
• 马蛔虫(Parascaris equorum) 2n=4，是染色体数 最少的一种多细胞动物。虽同为线虫，但马蛔虫 原始生殖细胞的发生走的是另一条不同的途径。 • 1904年， T.Boveri发现马蛔虫第二次卵裂前中期， 动物极分裂球的染色体碎裂成断片且大多丢失， 原来的染色体仅一部分保留下来。这种现象称染 色体消减(Chromosome diminution)。这些细胞 因此丢失了许多基因(Tobler et al., 1972)。与此 同时，植物极分裂球的染色体却保持完整。
• Okada和同事(1974)将供体项研究还表 明，极质以其内含有颗粒状结构为特征， 这些颗粒称为极粒或P颗粒(Polar granules)，而其它部位的细胞质则没有极 粒，也不具有逆转其不育性的功能。 • 由此可见，极质内的P颗粒直接与生殖细 胞决定相关联。
• 如果胚胎为XY型，在主导基因sry作用下，皮质 退化，其内的原始生殖细胞发生凋亡，而髓质分 化为睾丸，其内的原始生殖细胞分化为精原细胞 (spermatogonium)； • 若胚胎为XX型，没有Y染色体及sry，则髓质退 化，其内的原始生殖细胞发生凋亡，而皮质发育 为卵巢，其内的原始生殖细胞分化为卵原细胞 (oogonium)。
• 若将OSKAR注射到卵子前端下方，可诱导 极细胞在胚前端异位发生(Ectopic) ，但前 端产生的极细胞不能进入生殖腺。 • 由此可见，合胞期的胚核是全能的，能分 化成任何类型的细胞。达到后极的无论是 哪些核，都是最早形成的细胞，并与极质 相结合变成配子的前体。
2.1.1.4 极粒的主要成分与母体效应基因 • 果蝇极质的成份之一是无生殖细胞基因 (germ cell-less, gcl)的mRNA。
2.1.1.1不对称细胞分裂与生殖细胞的起源 • 在某些动物的受精卵中，母体效应基因的 产物如RNA和蛋白质所组成的RNP颗粒等 发育决定因子呈不均匀的区域分布。当卵 裂时，这些决定因子被不均等地分配到子 细胞中，导致两个细胞具有不同的发育潜 能并朝着不同方向演变。这种细胞分裂方 式称为不对称细胞分裂(Asymmetrical cell division)。
• 角贝的受精卵在第一次卵裂前期，于植物极伸出 一个突起的泡状结构，称为极叶(Polar lobe)。第 一次卵裂完成后，一个子细胞得到全部极叶的细 胞质，另一个子细胞则不含极叶成分。第二次卵 裂前期，含极叶的那个子细胞像第一次卵裂一样 又产生两个不同的子细胞，而不含极叶的子细胞 同样进行第二次卵裂。 • 经过多次卵裂之后，凡获得含极叶细胞质的子细 胞将分化成原始的生殖细胞，而不含极叶细胞质 的子细胞将朝体细胞的方向分化。 • 通过角贝卵裂过程中极叶的形态变化可以直接跟 踪观察和证明不对称细胞分裂与原始生殖细胞起 源之间的因果关系。
• 在卵裂早期，每一次不对称分裂产生一个 建立者细胞(Founder cell)和一个干细胞 (stem cell)。前者将朝被决定的方向产生分 化的细胞后代(体细胞或生殖细胞)，后者则 继续通过不对称分裂形成新的建立者细胞 和干细胞。 • 这些建立者细胞是由卵子内的发育决定因 子预先决定的，其子细胞将按既定的发育 程序进行自主发育，不受环境变化的影响。
• 极粒的装配由oskar 信使组织，该mRNA的 数量和位置决定极细胞的数量和位置。来 自仅有1份oskar拷贝的果蝇胚胎在细胞囊胚 期产生10-15个极细胞，而双份拷贝的果蝇 胚胎则可产生约35个极细胞，4拷贝就会形 成约50个极细胞。 • Ephrussi和Lehmann(1992)还证明，生殖细 胞将在oskar mRNA定位的任何地方形成。 如果将oskar mRNA移至胚胎的前端，极质 及原始生殖细胞将在前端形成。