发育生物学第十六章 生殖细胞的发生

2. 果蝇的极质
卵细胞内特殊的生殖质决定生殖细胞的发育 命运，最清楚的例子来自对果蝇的研究。 果蝇的原始生殖细胞最早发现于受精后90 min，这些原生殖细胞位于胚胎的后端。胚 胎后端的细胞质内含有特殊的极质（pole plasm）颗粒，其内含有蛋白质和多种RNA。
果蝇的极质 A. 果蝇极细胞极质的 透射电镜照片。 B. 卵裂结束前的 早期果蝇胚胎极细胞的扫描电镜照 片。
果蝇gcl基因产物定位于受精卵和早期胚胎的后端。
3. 爪蟾的生殖质
两栖类原生 殖细胞的发 生部位定位 在卵细胞的 植物极，在 这一部位发 现有类似于 果蝇P颗粒染 色性质的胞 质成分存在。 （Bounoure， 1934）
蛙受精 的合子 中生殖 质成分 （种质） 靠近植 物极。
桑椹胚 内胚层 区里含 有种质 成分的 细胞的 有丝分 裂。
非洲爪蟾的卵黄蛋白原裂解形成卵黄高磷蛋白和卵 黄磷脂蛋白，二者形成卵黄小板（yolk platelet）
非洲爪蟾卵母细胞卵黄小板由动物极向植物极 的转运以及动植物极性的建立
非洲爪蟾卵母细胞中 母源性mRNA的定位 的两条途径－Metro途 径和Vg1途径
5. 人类卵母细胞的成熟与排卵 在成年女性的卵巢中，大多数的卵母细胞被 阻断在第一次减数分裂前期的双线期阶段。 每一个卵母细胞都由一个初级卵泡包裹。 初级卵泡阶段性地进入卵泡生长阶段。发 育到一定阶段的卵泡在适当的时间受到促 性腺激素FSH和LH的刺激后，卵母细胞恢 复减数分裂，其成熟过程才能继续。
移植果蝇极细胞质能够治愈射线照射引起的生殖细胞不发育。
有些母体效应基因（maternal effect gene） 的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作 用。至少有8种基因的突变会导致果蝇不能 形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不 育（sterile）的。 其中，oskar基因在果蝇极质的形成和装配 过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基 因将其mRNA定位于胚胎的后极。
人 约 需 天
74 人精子发生 (spermatogenesis)的过 程
二、 精子形成(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
四、卵子发生( oogenesis)
1. 卵母细胞的减数分裂
5. 减数分裂（meiosis）
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。
6.生殖细胞定向分化的决定
迁移进入生殖腺原基的原生殖细胞具备两种发 育潜能，由生殖腺内的微环境决定分化成为精 子或卵子。 这里涉及两种决定：第一种决定是生殖干细胞 是进入减数分裂进行配子发生还是进行有丝分 裂成为生殖干细胞。第二种决定是进行减数分 裂的细胞是发育为卵子还是精子。
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 （germ plasm）。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。 各类动物生殖质的形态结构和特性、原生 殖细胞的形成及其迁移有较大的差异。
1. 线虫的P颗粒
线虫第4次卵裂结束时，便产生了生殖细胞 谱系，所有的生殖细胞都来自P4分裂球。线 虫未受精卵中均匀分布的生殖质—P 颗粒 (posterior granules) ，在受精后迅速地集中 到预定胚胎的后部。生殖细胞形成和P颗粒 分布的关系说明，P颗粒可能对于生殖细胞 的分化具有重要的作用。
3. 鸟类和爬行类生殖细胞的迁移
鸟类的PGC最早起源于明区中央的上胚 层细胞，在原肠作用中迁移至明区的前 部边缘的下胚层，形成生殖新月区 (germinal crescent)，这些细胞繁殖成为 PGC。 生殖新月区形成血管时，PGC 进入血管，通过血液循环迁移进入生殖 嵴。
鸡原条期胚胎的背面观， 示原始生殖细胞发生的 生殖新月区、暗区、明 区和亨氏节。
人类卵巢中生殖细胞数目的变化
鱼（Coregonus）卵母细胞极体的形成，示卵 母细胞的两次成熟分裂并非是均等分裂。
2. 减数分裂的阻断和继续 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 （maturation promoting factor, MPF） 就会 保持其活性，使阻断的减数分裂继续。
A. staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因 的表达。B. 研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的作用 顺序。
决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因
1. gcl (germ cell-less): gcl基因在卵的生成过程中由 果蝇无生殖细胞。 2. 另外在果蝇的极质中还发现了一些可能参与PGC 形成的基因产物，如: nanos 基因、 线粒体大核 糖体RNA ( mtlrRNA, mitochondrial large ribosomal RNA) 以及 极粒成分（polar granule component, pgc）的非翻译RNA等。
P颗粒在受精过程和第一次卵裂过程中的不对称定位
26细胞期时全部P颗粒都在P4细胞中
Par-3突变体内actin和P颗粒的异常分布


pgl基因的产物是P颗粒的成分之一，对生殖 细胞的发育来说是必需的。PGL蛋白可能通 过调节mRNA的代谢参与生殖细胞的特化。 pie-1基因参与P分裂球干细胞特性的维持， PIE-1蛋白只在生殖细胞谱系的分裂球中出 现，但 PIE-1蛋白并非P颗粒的成分。PIE-1 蛋白抑制P分裂球中合子基因的转录，直至 胚胎发育到100个细胞左右的时期。这种转 录的抑制作用会保护生殖细胞免受促进体 细胞发育的那些转录因子的影响。
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。
人类的月经周期
卵巢内的事件和子 宫内膜周期的协调 是由垂体和卵巢的 激素所调控的。
4. 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。
哺乳动物原始生 殖细胞的迁移途 径示意图。
1. 果蝇原始生殖细胞的迁移
果蝇原始生殖细胞起源于胚胎的后端，经后中肠穿过肠壁和中胚 层，形成两个分离的队列，最终聚集在生殖腺中。
2.两栖类原始生殖细胞的迁移
两栖动物的生殖质定位在卵的植物极，用紫 外线照射胚胎植物极之后，生殖腺中将缺少 生殖细胞。
原始生殖细胞迁移路线：植物极---囊胚腔底 部细胞的分裂沟附近---原肠腔底部内胚层-－ 幼虫后肠聚集－沿肠背部迁移至生殖嵴中。 每个生殖嵴有～30 PGC。生殖嵴细胞内的一 些因子是PGCs定向迁移的重要因素。
3. 昆虫的卵子发生 滋养型方式：果蝇卵子发生的初期在卵巢
中进行，起源于卵巢一端的生殖系干细胞经 过4 次分裂形成由细胞质桥相互连接的16细 胞合胞体。其中只有位于胞囊后端的一个细 胞形成卵母细胞，其余15个细胞则形成滋养 细胞。

滋养细胞的核DNA经过多次复制，形成多 倍体的核。由于滋养细胞多倍体核具有高 转录活性，可合成和提供卵子发育所需的 RNA和蛋白质。滋养细胞合成mRNA, rRNA，甚至是完整的核糖体，并通过细胞 间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞（1#） 里。
位于线虫生殖腺末端的远端细胞对生殖干细胞 进行有丝分裂还是减数分裂具有调控作用。


离开生殖腺末端的细胞进入减数分裂，而留 在末端的细胞继续有丝分裂。末端的单个远 端细胞（distal tip cell）的纤毛含lag-2蛋白， 它与GC上的受体glp-1结合后抑制GC发生减 数分裂。用激光使远端细胞失活可导致所有 GC进入减数分裂；将该细胞移植到其它处， 则可使附近细胞继续有丝分裂。 Glp-1基因在生殖细胞对远端细胞的信号作出 反应的过程中起作用。
两个主要的实验证实了极质（pole plasm） 可以促进生殖细胞发育命运的特化。 第一，如果用紫外线照射卵的后端，破坏 极质的活性，便没有生殖细胞形成。 第二，移植果蝇的极质能够引起生殖细胞 分化。 如果将卵的后极移植到另一个胚胎的前端， 极质所包围的细胞核便分化形成生殖细胞。 如果将卵前端这些细胞移植到将来发育为 生殖腺的区域，它们就可以发育为有功能 的生殖细胞。
线虫生精或生卵的分子机制
三、精子发生
一、精子发生（ spermatogenesis ） 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（sertoli cell）。 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。
滋养细胞合成的基因产物中，有发育控 制分子如bicoid mRNA ，它储存在卵的 前极，还有namos 和oskar mRNAs，它们 转移并积累在后极。这些RNA会决定头 和腹的发生位臵，使卵子产生前后轴的 极性。
4. 两栖类卵母细胞的成熟 鱼类和两栖类的卵子由生殖干细胞—卵原细 胞分化而来。当卵母细胞到达减数分裂前 期的双线期时，卵黄发生开始。卵黄的主 要成分为卵黄蛋白原（vitellogenin），主要 在肝脏中合成，通过血液循环进入卵巢， 再卵巢滤泡细胞间转运和借助胞饮作用进 入卵母细胞。
生殖质与生殖细胞的分化 原始生殖细胞的迁移
3.精子发生（spermatogenesis）