胚胎发育与细胞分化

第十三章胚胎发育与细胞分化
1. 什么是卵子发生？基本过程和主要特点是什么?
答: 卵原细胞(oogonia，即原始生殖细胞)形成成熟卵细胞的过程称为卵子发生。

卵子形成发生在卵巢，并且有一个增殖期(proliferation phase)，在该期，卵原细胞通过有丝分裂增加细胞数量。

经过有丝分裂增殖之后，卵原细胞进行减数分裂。

为了保证卵子发生具有足够的生长期，减数分裂前期Ⅰ的粗线期或双线期被延长；生长期的延长，主要是让发育中的卵母细胞生长到足够的体积大小，以便能够携足够的营养物质为胚胎发育之用。

在卵子发生的生长期，卵母细胞常常要储备大量的蛋白质、脂类、糖类，以供受精后的胚胎发育之用。

这些物质中有一些是卵母细胞自身制备的，但大多数都是靠其它来源提供的，包括肝细胞、滤泡细胞和看护细胞等。

卵母细胞在发育过程中具有显着的不对称性。

卵母细胞的一端称为植物极(vegetal pole),具有大量的卵黄小体和储备营养。

相反的一端称为动物极，含有较少的储备营养，但含有细胞核、核糖体、内质网、线粒体和色素颗粒。

一些特定类型的mRNA位于细胞质的特定区域。

当卵母细胞逐渐增大、细胞质成份逐渐不对称分布时，细胞表面结构也随之发生变化：非哺乳动物卵母细胞表面形成卵黄被(vitelline envelope),一种由多糖物质组成的包被；而哺乳动物的卵母细胞表面会形成透明带(zona pellucida)，这种表面结构保护卵母细胞免受化学与物理因素的损伤。

卵子发生的生长期完成之后，卵母细胞准备进行减数分裂，但是卵母细胞不会自动进入成熟期，而是停滞在前期Ⅰ，直到有适当的激素进行刺激。

卵母细胞的减数分裂是高度不对称的，最后产生一个成熟的卵细胞和三个极体(polar body)。

2. 肝细胞、滤泡细胞和看护细胞等在卵细胞发生中有什么作用？是否所有的卵母细胞都依赖于其他类型的细胞为自己制造储备物?
答: 在卵子发生的生长期，卵母细胞常常要储备大量的蛋白质、脂类、糖类，以供受精后的胚胎发育之用。

这些物质中有一些是卵母细胞自身制备的，但大多数都是靠其它来源提供的，包括肝细胞、滤泡细胞和看护细胞等。

在两栖类和鸟类，卵要提供胚胎早期发育所需的全部营养，肝为发育中的卵母细胞提供营养起关键作用。

除肝细胞外，滤泡细胞(follicle cell)为卵母细胞提供其他的物质，滤泡细胞是卵母细胞周围的细胞。

卵母细胞和滤泡细胞的表面都有大量的微绒毛，这样可大大增加这两种类型细胞相互接触的表面积，促进了滤泡细胞的营养物质向卵母细胞的运输。

另一种类型的细胞，称为看护细胞(nurse cell),为无脊椎动物，如昆虫的卵母细胞生长提供支持。

看护细胞与卵母细胞是由相同的细胞系产生的，如果蝇，一个卵原细胞的四次有丝分裂产生一个卵母细胞和15个看护细胞。

看护细胞通过细胞质桥与发育中的卵母细胞相连，通过细胞质桥，看护细胞向卵母细胞提供营养。

并非所有的卵母细胞都依赖于其他类型的细胞为自己制造储备物，在某些两栖类、鸟类和无脊椎动物中，由卵母细胞自身的粗面内质网制造卵黄蛋白，通过高尔基体后运送到卵黄小体。

除了卵黄小体，高尔基体也参与卵母细胞中膜包裹的色素颗粒和皮质颗粒(cortical granule)的形成，这些膜结合颗粒位于细胞的外周，形成卵母细胞的皮质。

皮质颗粒含有蛋白酶，这些酶在受精的早期具有重要作用。

3. 什么是精子发生？有哪些主要特点?
答: 动物的雄配子称作精子，是在睾丸中通过精子发生过程产生的。

精子的发生开始于雄性原始生殖细胞――精原细胞（spermatogonia）的有丝分裂。

在精母细胞（spermatocyte）有丝分裂增殖过程中产生的某些细胞最终分化成初级精母细胞，然后进入减数分裂。

第一次减数分裂将初级精母细胞转化成次级精母细胞，经过第二次减数分裂，次级精母细胞产生成熟的精子细胞(spermatid)。

在精子发生的初始阶段，精子细胞的染色质要进行紧密压缩和包装，形成高度有序而又致密的包装形式，经这种包装的DNA在化学性质上是惰性的，既不能用作合成DNA的模板，
又不能作为RNA的合成模板。

将DNA包装成这种惰性形式至少有两方面的作用：可以保护基因免遭化学或物理因素的损伤，其二是减小核的体积，创造最小的精细胞，以便降低能量消耗。

压缩包装的细胞核最终定位到细胞一端，形成精细胞的头。

在头的顶端是顶体。

大多数物种的精细胞都有一个长长的尾，它是在一个中心粒控制下装配而成的。

精子细胞通常含有两个中心粒：一个是近端中心粒，靠近细胞核，另一个是远端中心粒，在精子发生过程中，远侧中心粒起始尾丝的装配。

构成尾丝的微管是典型的9+2的排列方式。

精子发生与支持细胞(Sertoli cells)的发生密切相关，支持细胞为发育中的精子提供保护和营养。

实际上，精子发育的各个阶段都是发生在支持细胞的表面。

4. 海胆的顶体反应的基本过程和特点是什么?
答: 当海胆的精子与卵细胞接触之后，卵细胞胶质中的一种硫酸多糖与精子细胞质膜中的受体结合，这种结合打开了精子细胞质膜中Ca2+离子通道，使Ca2+扩散进入精细胞；同时，多糖与受体的结合激活了质膜中Na+-H+交换泵，将精子细胞中的H+泵到细胞外，这样使精子细胞中的pH 升高。

由于精子细胞中Ca2+离子浓度、pH的升高激发了顶体反应：首先钙离子引起顶体膜与精细胞质膜融合，使顶体中的水解酶释放到细胞外，将卵细胞的外被进行水解。

在一些海洋无脊椎动物中，释放的顶体酶很快沿着新形成的顶体突(acrosomal process)流向卵细胞质膜。

顶体突是从精细胞的头部前沿形成的，是肌动蛋白分子聚合作用的结果。

精细胞的细胞核和顶体之间储有大量的未聚合的肌动蛋白单体，当细胞内的pH升高时，引起那些为防止肌动蛋白聚合而与肌动蛋白单体结合在一起的蛋白质与肌动蛋白脱离，从而促进了肌动蛋白纤维的装配，形成顶体突。

顶体突快速延伸到达卵细胞的外被，并与卵细胞透明带的外层接触，此时，位于顶体突表面的一种蛋白，叫作结合蛋白（bindin）与位于透明带表面的特异受体结合，精子的结合蛋白与卵细胞透明带的受体间相互作用是高度特异性，这种特异性保证了海胆受精作用的正确性。

5. 细胞如何防止多精受精?
答: 有两种机制保证了只有一个精子与卵细胞融合：一种机制是卵细胞质膜的快速去极化，这是由第一个精子与卵细胞融合引起的，这样可快速阻止其它精子与卵细胞的融合，这一反应称为多精受精的一级阻断。

Larinda Jaffe通过实验证明，多精受精作用的阻断是由卵细胞的膜电位的改变引起的，它发现海胆卵细胞在受精后的几秒钟之内，膜电位由 -60V上升到＋20V,质膜的去极化是由于Na+的暂时流入引起的。

由于膜电位在受精后很快恢复正常，所以要有另一个机制，即多精受精的二级阻断，这就是卵细胞的皮层反应。

当精细胞与卵细胞的细胞质膜融合时，激活了卵细胞的磷脂肌醇信号转导途径，引起卵细胞局部胞质溶胶中Ca2+浓度的升高，激活了卵细胞；定位于卵细胞质外周的皮层颗粒（cortical granule）与卵细胞质膜融合释放内含物（酶类）；释放的酶类快速分布到整个卵细胞的表面，改变透明带的结构，使之变得“坚硬”，这样，精子就不能与卵细胞结合，从而提供了一种缓慢的二级多精受精的阻断作用。

从机理上说，皮层颗粒释放的酶类破坏了卵细胞透明带中与精细胞结合的受体。

6. 受精作用如何激活蛋白质的合成和DNA的复制?
答: 受精卵中蛋白质的合成和DNA复制的激活受卵细胞中pH的升高的激活。

未受精的海胆卵细胞中的pH为，这种pH值抑制了细胞内的代谢活性，如果将未受精的卵细胞与胺接触，蛋白质的合成和DNA的复制作用都被激活。

其机理是：精细胞与卵细胞的结合，激活了卵母细胞质膜中的磷脂酶C,它产生了两种第二信使：IP3和 DAG，DAG激活蛋白激酶C, 再由蛋白激酶C将激Na+-H+交换泵激活，Na＋暂时进入受精卵的细胞质中，提高了细胞质中的pH，最终导致蛋白质的合成和DNA复制的激活。

7. 什么是细胞决定？与细胞分化的关系如何?
答: 细胞决定(cell determination)是指细胞在发生可识别的形态变化之前, 就已受到约束而向特定方向分化, 这时细胞内部已发生变化, 确定了未来的发育命运, 这就是决定。

多细胞个体起源于一个单细胞受精卵, 从受精卵衍生出整个机体的各种组织器官。

因此, 就分化潜能来说,
受精卵是全能的(totipotent)。

在绝大多数情况下, 受精卵通过细胞分裂直到形成囊胚之前, 细胞的分化方向尚未决定。

从原肠胚细胞排列成三胚层之后, 各胚层在分化潜能上开始出现一定的局限性, 只倾向于发育为本胚层的组织器官。

外胚层只能发育成神经、表皮等; 中胚层只能发育成肌肉、骨等; 内胚层只能发育成消化道及肺的上皮等。

三胚层的分化潜能虽然进一步局限, 但仍具有发育成多种表型的能力, 将这种细胞称为多能细胞(pluripotent cell)。

经过器官发生, 各种组织的发育命运最终决定, 在形态上特化, 在功能上专一化(specialization)。

胚胎发育过程中, 这种逐渐由“全能”局限为“多能”, 最后成为稳定型“单能”(unipotency)的趋向, 是细胞分化的普遍规律。

细胞决定可看作分化潜能逐渐限制的过程, 决定先于分化。

8. 举例说明细胞质对细胞分化的影响。

答: 如软体动物极叶（polar lobe）的形成就是细胞质对分化影响的典型例子。

极叶是卵裂初期从植物极形成的一个暂时性的大的细胞质突起，如果人工将极叶除去，将会发育成在足、眼和壳等有缺陷的个体。

在软体动物的卵裂球分裂时可以观察到，受精卵胞质中的物质分布并不是完全均匀的，含有一些将分化为中胚层必需的特殊物质可能在分裂时先“偏心”地突出胞体，形成极叶，在分裂时这部分胞质只进入一个子细胞，而同时核物质包括基因组倍增复制，然后均匀分布到两个子细胞中。

有意义的是，分裂后这部分极叶胞质会缩回，到下一次分裂时再重复这个不均等分裂的过程。

细胞质对性细胞的分化亦起重要作用。

如双翅目昆虫的受精卵后端有一部分称为极质(pole plasm)。

极质中含有膜包起的颗粒状物质, 称为极粒(polar granule)。

当核进入极质后, 极粒围绕在核周围, 诱导极细胞分化为生殖细胞。

因此, 生殖细胞的分化决定于细胞质中的极质。

果蝇的卵在受精后的2小时内只进行核分裂, 细胞质不分裂, 形成合胞体胚胎。

随后核向卵边缘迁移, 每个细胞核周围包上了细胞膜, 结果在卵周边形成了细胞胚层,共约3500个细胞。

每一个核都具有全能性, 既可分化成体细胞, 又可分化成性细胞。

细胞的分化命运决定于核迁入不同的细胞质区域。

迁入卵后端极质中的形成极细胞, 最后分化为生殖细胞。

9. 举例说明激素对形态建成的影响。

答: 激素对细胞分化的作用出现在发育的晚期, 所以激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的, 其作用主要是引起靶细胞进行分化。

例如, 激素和某些细胞因子对哺乳动物性别分化的调节。

在发育的早期阶段, 雄性和雌性表型从外形上看还无法区别, 性分化最早可见的现象发生在胚胎第九周, 主要是合成一些特殊的细胞因子和激素。

无尾两栖类的幼体发育要经过一变态阶段(metamorphosis), 在此阶段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收, 前后肢形成等。

这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素(thyroxine, tetraiodothyronine,T4)和三碘甲状腺氨酸(triiodothyronine, T3)有关。

幼体发育到一定时期, T4和T3分泌量增加, 便引起变态。

10. 在成熟个体组织中的核质关系怎样？
答: 二者的关系是辩证的，是相互影响的。

一般而言，细胞核起主导作用，但受细胞质的影响。

细胞质对细胞核的影响：细胞质不仅在细胞分化中具有重要作用，在成熟个体的组织中，细胞质对细胞核仍然具有影响。

许多实验表明细胞质能够影响细胞核的基因表达。

鸡的红细胞是终端分化细胞, 它的细胞核是高度凝集的, 不合成RNA或DNA。

当与培养的人Hela细胞(去分化的癌细胞)融合后, 核的体积增大20倍, 染色质松散, 出现RNA和DNA合成, 鸡红细胞核的重新激活是由于Hela细胞的细胞质调节的结果。

另外，细胞质对基因表达具有调节能力。

De Robertis 和Gurdon(1977)把培养的爪蟾肾细胞核注入蝾螈的卵母细胞内, 分析蛋白质合成情况, 发现, 原来在肾细胞中表达的基因, 此时不表达, 而原来不表达的基因, 这时却被激活。

说明卵母细胞质中含有某些成分, 这些成分控制基因表达的开关, 对某些基因能激活, 而对另外一些基因起抑制作用。

细胞核的决定作用：伞藻是单细胞的海藻, 它是研究核质关系中具有其独特优点的材料。

1953年, H?mmerling和Brachet用不同帽形, 即伞形和菊花形“帽”的伞藻研究了核质关系，证明了细胞核对细胞质的决定作用。

另外用黑白两种肤色的蛙为材料进行核移植试验，也证明细胞核
对细胞质的决定作用。

蛙肤黑色为显性, 白色为隐性, 都是由细胞核控制的。

实验时, 将带有显性黑色基因取自囊胚的核移植到带有隐性白色基因经紫外线照射处理的无核卵中, 在移植成功长成的蛙中, 全部出现了黑色的表现型。

这说明蛙的色素是由细胞核控制的, 并在以后的胚胎发育过程中受到影响而改变它的作用。

11. 什么是基因的差别表达？在细胞分化中有什么作用？
答: 分化的细胞虽然保留了全套的遗传信息，但只有某些基因得到表达，即细胞分化主要是组织特异性基因中某些种(或某些)特定基因的选择性表达的结果，这些蛋白和分化细胞的特异性状密切相关，但不是细胞基本生命活动必不可少的。

研究证明，细胞分化是奢侈基因按一定顺序表达的结果，表达的基因数约占基因总数的5％～10％。

也就是说，某些特定奢侈基因表达的结果生成一种类型的分化细胞，另一组奢侈基因表达的结果导致出现另一类型的分化细胞。

另外，分化细胞间的差异往往是一群基因表达的差异，而不仅仅是一个基因表达的差异。

在基因的差异表达中，包括结构基因和调节基因的差异表达，差异表达的结构基因受组织特异性表达的调控基因的调节。

12. 酵母细胞的基因组如何通过基因重排改变交配型？
答: 酵母3号染色体的MAT座位的等位基因决定酵母的交配型，但是座位的两侧各有一个重复的基因座，左侧的为HMLα，右侧的为HMRa, 在交配型转换中，酵母细胞从两侧的座位中制造一个等位基因拷贝，α或a,并将之插入MAT。

在新的拷贝插入之前，MAT座位原有的DNA被位点特异的内切核酸酶切除，但HMLα和和HMRa座位的DNA从不会被切除。

在三个等位基因座中，只有MAT能决定细胞是α交配表型或是a交配表型，因为MAT座位左右两侧的基因的转录被SIR基因产物所抑制，所以它们不会转录，但能够进行复制，为MAT座位的基因转换提供拷贝。

MAT座位的a或α被取代后，使HML、MAT、 HMR三个位点的基因发生了重排，从而改变了交配型。

13. 什么是同源异型基因？它的基因结构有什么特点？编码的产物有什么功能？
答:一类含有同源框的基因。

在胚胎发育中的表达水平对于组织和器官的形成具有重要的调控作用。

该类基因的突变，会在胚胎发育过程中导致某一器官异位生长，即本来应该形成的正常结构被其他器官取代了。

例如，果蝇的同源异型基因Antp（触角基因）的突变，导致果蝇的一对触角被两?b腿所取代。

同源异型基因中有一段高度保守的DNA序列称为同源异型框，最初是通过对果蝇的同源异型突变和体节突变体的杂交分析发现的，简称同源框。

同源框由180个碱基对组成的序列，可编码60个氨基酸。

这60个氢基酸序列,被称为同源异型结构域。

同源框普遍存在于果蝇、鼠、人、蛙等生物中。

已发现的 Hox基因的产物基本上都是转录因子，同源框的蛋白产物呈螺旋-转角-螺旋的立体构型，可以和DNA双螺旋的主沟吻合，附着于邻近于TAAT的碱基，由于它能识别所控制的基因启动子的特异序列，从而在转录水平调控基因表达。

同源异型基因的突变称为同源异型突变。

这种突变可致使身体某一部位的性状特征在其他部位出现，并有可能干扰机体各部分的正常发育。

Hox基因大多在染色体上串联排列成簇、基因之间的距离很近，通常为4-5kb,其线性排列顺序可能与各自表达区域相对应，例如在果蝇发育中，位于DNA 5’端的Hox基因在接近其尾部的节段中表达，而位于3’端的Hox基因在接近头部节段中表达。

Hox基因的表达具有区域特异性(特别在胚胎发育阶段)。

例如果蝇触须足基因和超级双胸基因只限于在头部和胸部的节段中表达，其表达量与发育的进程有关。

Hox基因表达的开和关，对个体发育和形态发生起到时间和空间上的调控作用。

同源异型基因表达的产物蛋白为同源异型蛋白(homeoprotein)。

它由5个结构单元所构成：(I)保守的 N末端，通常以 MSSLYYXN开始延伸大约45个氨基酸残基：(2)富含丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸的可变区；(3)同源框肽．即位于同源盒N端的保守五肽IYPWM：(4)同源框结构域〔homeodomain)，即相应于同源盒的氨基酸序列；(5)偏酸性的羧基端区域。

14. 红细胞如何控制珠蛋白的合成速度?
答: 红细胞在发育的过程中珠蛋白的合成需要依赖于血红素，发育中的红细胞合成珠蛋白的速率很高。

由于珠蛋白只有同血红素结合形成血红蛋白后才有用，如果细胞中没有足够的血红素，合成的珠蛋白就是一种浪费，于是，红细胞形成了一种机制，根据血红素的多少来控制珠蛋白的合成。

该机制涉及一种血红素控制的抑制剂(heme-controlled inhibitor,HCI)的蛋白激酶，该激酶的活性受血红素调节。

发育中红细胞的主要功能是合成血红蛋白。

血红蛋白是由四个珠蛋白和一个血红素辅基构成。

红细胞含有HCI蛋白，它根据血红素的量来调节蛋白质的合成：细胞中有大量血红素时，血红素与HCI结合，使HCI失去活性，珠蛋白合成；当细胞缺乏血红素时，HCI 具有活性，并作为一种蛋白激酶，催化elF2磷酸化。

eIF2是一种关键的翻译起始因子，磷酸化的eIF2被失活，不能同甲酰tRNA和GTP结合形成翻译起始复合物，细胞内所有mRNA的翻译都被抑制。

由于珠蛋白mRNA是红细胞的主要mRNA，红细胞中珠蛋白的量占90%以上，红细胞中蛋白质合成被抑制，珠蛋白的合成也就停止了，这是在没有血红素时引起的，对细胞生存是有利的。

15. 果蝇卵母细胞的发育成熟分为几个阶段？各有什么特点？
答: 果蝇卵母细胞的发育成熟分三个阶段：第一阶段是卵子发生的早期，此时的卵母细胞的体积与其相邻的看护细胞的大小相似。

第二阶段，看护细胞开始为卵母细胞的成熟合成必需的mRNA,滤泡细胞开始形成卵鞘(egg shell)，期间，卵母细胞的体积逐渐增大。

第三阶段，成熟的卵细胞被卵黄被(vitelline coat)和绒毛膜（chorion）包围, 卵黄被和绒毛膜构成卵鞘。

看护细胞和滤泡细胞消失，但它们合成的mRNA分散分布在卵母细胞中。

极性的颗粒结构定位于卵的后部，此区将发育成生殖细胞。

成熟的卵细胞有明显的极性，即前后轴(anterior- posterior
axis,A-P)、背腹轴(dorsal-ventral axis,D-V)。

16. 什么是母体基因？举例说明母体基因对果蝇发育模式的调控作用。

答: 在卵母细胞成熟过程中，在看护细胞中转录，然后将合成的mRNA运送到卵母细胞的基因。

由于这些mRNA翻译合成的蛋白质在早期胚胎发育中调节合子基因的转录，故此将它们称为母体基因。

在成熟的未受精的卵细胞中，母体基因转录的mRNA和蛋白质通过建立不同的浓度梯度，帮助卵细胞建立前后轴和背腹轴，即母体基因的产物沿着体轴成浓度梯度分布。

某些母体基因合成的蛋白质通过扩散在细胞质中形成不对称分布，使得囊胚中的不同细胞带有不同量的母体基因的蛋白质，造成分化的差异。

母体mRNA的产物包括转录激活子(transcriptional activators)、转录抑制因子(transcriptional repressors)以及翻译抑制因子(translational repressors)，它们调节不同发育途径，构建不同的组织。

果蝇的前后轴很大程度上受biciod 和nanos基因产物影响。

biciod 基因产物是主要的前部形态发生素(anterior morphogen), 而nanos 基因产物则是主要的后部形态发生素(posterior morphogen)。

由看护细胞合成的biciod 基因的mRNA定位于受精卵细胞的前端，与微管结合，不发生翻译。

受精后翻译成Bicoid蛋白，并在第七次核分裂时从前端向后扩散，沿A-P轴形成浓度梯度，这为以后的A-P轴模式形成提供了位置信息。

Bicoid蛋白是一种转录激活因子，能够激活很多体节基因的表达；同时，Bicoid蛋白也是一种翻译阻遏物，能够使某些基因失活。

在胚胎的不同部分Bicoid蛋白的量是不同的，因而调节一些按阈值表达的基因活性，也就是说被调节的基因是转录激活还是翻译阻遏，由所在部位的Bicoid蛋白的浓度阈值决定。

如果Bicoid蛋白的浓度梯度曲线发生巨大变化，将会极大影响果蝇体形的发育模式。

缺少Bicoid蛋白，这样的胚胎将发育成双腹，同时既没有头又没有胸。

但是，如果将适量的Bicoid mRNA在合适的部位注入卵细胞，就会发育正常。

nanos基因具有类似的作用，但是它的mRNA定位于卵的后端。

Nanos蛋白是翻译阻遏物。

17. Caudal和Pumilio蛋白在果蝇发育中的主要作用是什么?
答: Caudal和Pumilio蛋白参与果蝇后端的发育。

Caudal蛋白是一种具有同源异形框的转录因子，Pumilio蛋白是一种转录阻遏物。

hunchback蛋白在果蝇前端发育中具有重要作用，它能够调节很多基因的转录活性，作用方式既有正控制又有负控制。

Bicoid蛋白阻遏了caudal mRNA 在前端的翻译，并且作为转录激活因子激活hunchback基因在囊胚中进行转录。

由于hunchback。