动物个体早期发育

雌体
雄体
生殖细胞的起源和分化
果蝇的极细胞将分化为原生殖细胞
极细胞（Polar cell）中含有极质（含生 殖细胞决定子，又称生殖质颗粒) 9次卵裂后，有5个细胞核移至未来胚胎 的末端，分化为极细胞
表面卵裂
源自文库
极细胞
生殖细胞的起源和分化
果蝇的原生殖细胞的命运决定于后部极质
生殖细胞的起源和分化
决定果蝇原生殖细胞命运的基因
减数分裂与配子发生过程
精原细胞
46, XY
初级精母细胞
46, XY
DNA进行1次复制，细 胞进行2次分裂（染色 体1次分离，1次分裂）
第一次减数分裂 DNA复制1次， 同源染色体分离
第二次成熟分 裂，两个染色 单体一分为二
23, Y
卵原细胞
46, XX
初级卵母细胞
46, XX
次级精母细胞
23, X
精原、卵原细胞
原生殖细胞 → 生殖原细胞（性原细胞）→ 雌、雄配子
第一节 生殖细胞的起源和分化
原生殖细胞（Primordial germ cell，PGC）---- 性别尚未分化的 生殖细胞
一、原生殖细胞的起源：先成论 preformation，后成论 epigenesis
果蝇 小鼠
“先成论”－胚胎发育早 期，通过母源决定子的定 位确定生殖细胞的命运
数个母源效应基因的表达与生殖质的形成有关
• • • • •
germ cell-less (gcl): 其缺失导致无生殖细胞；
nanos: 其缺失导致极细胞不能运动到生殖腺中产生配子；
polar granule component (Pgc): 导致极细胞不能运动到
生殖腺中；
Oskar: 其表达位置和表达量决定了极细胞的数量和位置；
• 建立和储存子代发育必备的信息以及营养成分
• 与亲本性成熟以及性生理活动的协调
第二节
精子发生 （Spermatogenesis)
一、精子发生（Spermatogenesis） 雄性哺乳动物，原生殖细胞 一旦迁入生殖嵴，便与生殖 嵴体细胞结合形成上皮样的 生殖索（性索sex cord）。 在实现生殖腺的初步分化以 后，生殖干细胞进入休眠状 态。在个体性成熟过程中， 性索中空形成生精小管 （seminiferous bubule )
1、果蝇原生殖细胞的迁移
消化道
外胚层
中胚层
Vasa Engrailed
生殖细胞的起源和分化
2、爪蟾原生殖细胞的迁移
生殖质定位依赖于微管，其迁 移与kenesin-like protein有 关。
迁移路线：植物极→囊胚腔腹
侧内层细胞形成PGCs
→幼虫
肠后部聚集→沿肠向背部迁移 至中肠背部的生殖嵴中，每个 生殖嵴约有30 PGCs。
生殖细胞的起源和分化
3、鸟类原生殖细胞
生殖新月区形成血 管时，PGC进入血 管，通过血液循环 到达生殖嵴所在处 （后肠背系膜）， 然后穿出血管，再 迁移进入生殖嵴。
生殖细胞的起源和分化
4、小鼠原生殖细胞的迁移
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。
线虫、昆虫、头足、毛颚及部分脊椎动物
“后成论”－胚胎发育晚 期，通过周围组织细胞诱 导确定生殖细胞的命运
海绵、腔肠、棘皮和哺乳类动物
生殖细胞的起源和分化
二、生殖质与生殖细胞的决定
生殖质Germ plasm：具有一定形态 结构的特殊细胞质，主要由蛋白 质和RNA构成。
1、线虫（nematode）
Caenorhabditis elegans
第二篇 动物个体早期发育
组成员
主 要 内 容
生殖细胞的发生：生殖细胞的起源和分化；精子的发生；
卵子的发生
受精的机制：受精的专一性；受精的唯一性；受精卵的
代谢启动；配子遗传物质的融合
卵裂：胚胎的卵裂方式；卵裂的机制 胚胎诱导
生殖细胞的发生
+ 体细胞（Somatic cell） + 生殖细胞（Germ cell）或配子（Gamete）
第一次减数分裂 DNA复制1次， 同源染色体分离
第二次成熟分 裂，两个染色 单体一分为二
23, Y
卵原细胞
46, XX
初级卵母细胞
46, XX
次级精母细胞
23, X
23, X
23, Y
23, Y
精子细胞
23, X
极体
23, X
次级卵母细胞
23, X
精子 卵子
23, X
极体
23, X
1. 染色体上出现 染色粒 2. DNA完成复制
1. 同源染色体配对 1. 二价体四分体 1. 联会复合体消失 2. 非姐妹染色单体 2. 联会 之间出现交叉。 2. 同源染色体某 3. 二价体形成 些部分分离 3. 合成P-DNA 4. 合成Z-DNA
间期
前期I(细线期)
前期I(偶线期)
前期I(粗线期)
前期I(双线期)
前期I(终变期)
同源染色体：大小形态相同、结构相似、一条来自父亲一条来自母亲的一对染色体
末段
上：精子光镜图（精液涂片） 左：精子超微结构模式图
+ 有鞭毛精子
+ 无鞭毛精子
第三节 卵子发生（oogenesis）
一、卵子发生的最基本特点
+ 形成单倍体的细胞核； + 建立一个由酶、RNA、细胞器和代谢产物等 所组成的细胞质库； + 初级卵母细胞有一个较长的减数分裂前期， 此期卵母细胞得以充分地生长
Tra proteins …
生殖细胞的起源和分化
线虫XX雌雄同体个体的GC细胞的发育经历两次选择
有丝分裂和减数分裂之间的选择
生殖腺近端的细胞进入减数分裂， 幼虫期离开生殖腺远端的 而留在远端的细胞继续有丝分裂。 细胞进入减数分裂，产生 远端的单个distal tip cell的 精子；在成虫期离开生殖 纤毛含lag-2蛋白，它与GC上的 腺远端的生殖细胞通过减 受体 glp-1结合后抑制GC发生减 数分裂产生卵子。 数分裂。用激光使 tip cell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。
生殖细胞的起源和分化
3、爪蟾生殖细胞命运也决定于生殖质
爪蟾生殖质定位于卵的植物极，富含RNA和蛋白质。 紫外线照射胚胎植物极，生殖腺中将缺少生殖细胞。 生殖质定位依赖于微管。囊胚腔腹侧中央细胞为PGCs
生殖细胞的起源和分化
4、小鼠原生殖细胞
小鼠的PGCs来源于原肠 胚时期的上胚层中。在 7天的小鼠胚胎中，约8 个PGC位于原条后部的 胚外中胚层中。
PGCs的迁移与其接触的上 皮细胞有关，BMP，SCF； 通过变形运动实现迁移
生殖细胞的发生
生殖干细胞发育（胚胎或幼体） 配子发生（性成熟） 决定 迁移
成熟两性配子 原生殖细胞 （PGC）
生殖嵴中，增 殖和性细胞定 向分化（性染 色体、激素、 环境因子）
精原、卵原细胞
原生殖细胞 → 生殖原细胞（性原细胞）→ 雌、雄配子
1、核物质浓缩、核形状改变 2、细胞质：
顶体 (acrosome) 高尔基体形成 顶体泡，呈双层膜囊状覆盖 在精子核的头部；
二 、 精 子 分 化
(spermiogenesis)
精子鞭毛：中心粒迁至核基部形成 并延伸；
线粒体：线粒体环绕在鞭毛基部;
其它胞质废弃
鞭毛精子（哺乳类）
顶体 头部
细胞核
近端中心粒 远端中心粒 中段 主段 尾部 颈部
生殖细胞的起源和分化
四、生殖细胞定向分化的决定
两种决定：
生精或生卵之间的选择（性腺内微环境决定） 有丝分裂（维持干细胞）和减数分裂（分化为配
子）之间的选择
影响因素：
性染色体或常染色体上的基因； 性腺中的微环境（性激素）； 环境因子
生殖细胞的起源和分化
线虫生精或生卵的分子机制
tra mRNA
23, X
23, Y
23, Y
精子细胞
23, X
极体
23, X
次级卵母细胞
23, X
精子 卵子
23, X
极体
23, X
生 殖 细 胞 的 数 量
（百 万）
初级卵母细胞， 减数分裂停止于 前期 I
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。
实验条件下，将原肠胚后端外胚层 的一些细胞（正常下将分化为外胚层 衍生物）移植到邻近PGCs的外胚层处， 这些细胞将分化为PGCs。反之，邻近 外层细胞被移植到远端部位，则不能 形成PGCs。 诱导信号为BMP（骨形态发生蛋白）， 如BMP4，BMP8b，BMP2等
生殖细胞的起源和分化
三、原生殖细胞的迁移
生殖细胞的起源和分化
线虫原生殖细胞的命运决定于Pie-1
Pie-1基因的功能涉及P细胞维持生殖干细胞的
属性，其编码核蛋白，仅存于生殖干细胞中。
其缺失导致P1－P4也向体细胞分化。 其作用可能是抑制生殖细胞中体细胞相关基因 转录活性。
生殖细胞的起源和分化
2、果蝇(Drosophila)
生命周期短，易 于繁殖，操作简 便，成本低； 产卵力强，其胚 胎和成体表型特 征丰富，遗传背 景清楚。
生殖干细胞 → 雄配子
体细胞 → 支持细胞
青春期 -- 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NCadherin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。
定义：特殊分化的细胞，能够传递遗传物质到下一世 代，个体发育的基础。 雌配子（Female gamete）或卵（Ovum）; 雄配子（Male gamete）或精子（Sperm）
生殖细胞的发生
生殖干细胞发育（胚胎或幼体） 配子发生（性成熟） 决定 迁移
成熟两性配子 原生殖细胞 （PGC）
生殖嵴中，增 殖和性细胞定 向分化（性染 色体、激素、 环境因子）
其它基因。
生殖细胞的起源和分化
germ cell-less （gcl）: 在卵的生成过程中由营养
细胞转录，受精后翻译的蛋白定位在极质中，其缺失 导致无生殖细胞。
生殖细胞的起源和分化
母源性oskar mRNA:定位在极质中， 对生殖质的形成和装配具调控作用， 并影响极细胞的定位。 它的表达量影响极细胞的数量， 如 1 copy of oskar=10-15 pole cells, 2 copies=35 pole cells, 4 copies=50 pole cells.
生殖细胞的起源和分化
人
Y染色体
Sex-determining region of the Y (SRY) 性别决定区 Testis-determining factor (TDF) 睾丸决定因子 未分化性腺 睾丸
配子发育的核心内容有四方面
• 减数分裂产生单倍体的配子，二者结合恢复双倍体
• 配子的分化与成熟，保证受精特异性和唯一性
秀丽隐杆线虫——1 mm，透明；
性成熟周期短，易于培养； 结构简单，细胞谱系清楚，遗传背景 清楚，便于突变筛选。
生殖细胞的起源和分化
原生殖细胞的决定从 受精卵的第一次卵裂 就开始了，到4次分 裂以后，原生殖细胞 将发生均等分裂； 含P颗粒（Posterior granules）的细胞构 成生殖系，P1，P2， P3，P4……，P4为生 殖细胞的始祖细胞；
1. 同源染色体分离（四分体二分体） 2. 非同源染色体随机组合
中期I
后期I
末期I
减数分裂 I
减数分裂 II
特点：姐妹染色单体分离，分别移向两级， DNA含量由2C C。
1.姐妹染色单体分离（二分体单分体） 2.非姐妹染色单体随机组合。
前期 II
中期 II
后期 II
末期 II
减数分裂和有丝分裂的比较
分化的精原细胞
自我更新型干细胞
未分化的精原细胞
人 约 需 天
细胞间桥： D=1µm，允许离子和分子 通过，使发育同步化
74
2n
生长--合成发育信息
减数分裂开始
1n
精子分化(spermiogenesis)
减数分裂与配子发生过程
精原细胞
46, XY
初级精母细胞
46, XY
DNA进行1次复制，细 胞进行2次分裂（染色 体1次分离，1次分裂）
二、精卵发生的比较
相同点都经过增殖期、生长期和成熟分裂期；产生单倍体的细胞 不同点：
1、场所和连续性
+ 精子发生：均在精巢内完成，连续； + 卵子发生：整个过程不一定都在卵巢内完成，非连续 蛔虫型：生发泡尚未破裂时成熟 贻贝型：第一次成熟分裂中期 脊椎动物：两次阻断 脊椎动物型：第二次成熟分裂中期 -- 减数分裂I双线期 海胆型：两次成熟分裂以后 -- 第二次成熟分裂中期 2、精卵发生数目： + 精多（亿）卵少（1～百万） 产卵量多少与生殖方式有关： 卵生不护卵的动物，产卵量最多（～百万个）； 卵生护卵者，较少（百个～千个）； 卵胎生和胎生者，产卵量最少（数个～几十个）