浙师大《发育学》课件 第四章卵子的发生

2013-7-12


有一些昆虫(如Moraba virgo)和蜥蜴(如 Cnemidophorus uniparens)，卵母细胞 先行染色体数加倍，这样在减数分裂后， 细胞仍维持双倍的状态．从而获得了不需 受精而发育为新个体的能力。 在蜜蜂、黄蜂、蚂蚁中．还存在这样的现 象：卵细胞第一次减数分裂以后，不经受 精发育为雄性个体，之后它的生殖细胞省 略了第一次分裂，直接进入第二次减数分 裂产生精子。在这些动物中．精子与卵细 胞结合将发育为雌性个体。
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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置，使卵子 产生前后轴的极性。 Bicoid高浓度表达的区域规定了头的发育， namos高浓度表达的区域规定了腹的发育，而 两者过渡的区域将发育为胸，这一结论可以得 到其他实验的证实分别消除Bicoid或namos的 表达，可以预测性地获得没有头胸或腹部的不 正常的胚胎。（图2.2.11）
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与果蝇前后轴形态发生原差异分布同时进 行的是背-腹轴在卵细胞的发育中同时获得 了确定。Gurken mRNA集中在卵细胞的 一侧，成为背-腹轴建立的关键形态发生原。 那么这些分子的特异定位在果虽卵细胞的 发育中是如何建立的呢？ 这一过程不是孤立的卵细胞的发育行为， 它是一系列复杂的卵细胞与滋养细胞和滤 泡细胞相互作用的结果（图2.2.13）。
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人类在胚胎发育的第2到第7个月，经过急速的分 裂，发育卵巢中的生殖细胞数目可达到700万个。 但是，在以后的发育阶段，绝大多数的细胞迅速 死亡，而留下的细胞进入第一次减数分裂的前期 成为初级卵母细胞，并保持这一状态直到青春期 才开始后继的发育，期间相隔达12年之久。事实 上．由于这些保留在卵巢中的初级卵母细胞在个 体整个生育期中是周期性地逐一启动发育，有的 细胞可能维持休眠状态长达50年之久，而期间仍 不断有初级卵母细胞的死亡，使原初700万个生 殖细胞大约只有400个走完它们的全发育过程成 为卵细胞，而绝大多数被淘汰了(图2．2．6)。
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除了DNA外，卵细胞还肩负着传递包括酶、 mRNA、细胞器(中心体除外)、营养物质， 以及发育信息的任务，因此卵细胞的发育自 然比精子更为复杂，物种差异给卵细胞发育 带来的影响
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在卵细胞的发育分化过程中同样必须经过 减数分裂过程、但是这一过程不同的动物 的程序设计可能很不一样。 一般的发育过程如下：
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在双线期，两栖动物的卵细胞出现极为活跃的基因转录活动， tRNA、rRNA的转录量急剧增加(图2．2．16)．一些部位形成 灯刷染色体，有的基因还发生专一性的扩增(rRNA基因从1500 个拷贝扩增至500000个拷贝)，这一过程延续到第一次减数分裂 前。这时有活跃表达的基因包括3类：一是细胞代谢必须的基因； 二是指导细胞分化的特异基因；三是在未来受精卵自身基因表达 前，发育早期必须利用的基因产物。前两者产生的mRNA被卵细 胞发育过程近期所利用．而第三种mRNA则构成未来发育的信息 储备。在完成以上准备工作以后．细胞开始减数分裂，迅速向成 熟卵细胞发育．出现排卵。两栖类动物的卵细胞可以在减数分裂 前期以休眠状态维持数年的时间。 两栖动物Rana pipiens生殖细胞的发育分化分三批进行，其成 熟要经历大约3年的时间。在这3年的周期里，第一、二年卵细胞 的体积逐渐地增加，到第三年卵黄物质急逐积累，细胞体积也同 时扩增。以后每年有一批卵细胞到达成熟(图2．2．17)。卵细 胞减数分裂的重新启动需要滤泡细胞分泌产生孕酮来激活。研究 表明，卵细胞成熟启动因子(MPF)等成分参与这一调节过程，构 成一个精确的发育调节控制程序(图2．2．18)。
第四章
卵子发生
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卵的结构



海胆卵常常作为动物卵细胞结构的代表 卵的结构由外向内它依次有： 凝胶层：包裹在卵细胞外面的厚厚的一层结构， 卵黄层：由卵细胞分泌形成的紧贴于细胞膜外 卵细胞膜， 胞质：有紧贴细胞膜下皮质颗粒，还有大量的卵 黄颗粒和线粒体， 细胞核：单倍的浓缩的位于卵细胞中央(图 2．2．5)。
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这一过程是；Gurken蛋白使邻近的侧面滤 泡细胞的Torpedo受休激活．诱发滤泡细胞 的分化并抑制其windbeutel、Nudel、 Pipe蛋白的表达。而在未来发育为腹面的滤 泡细胞中，由于没有Gurken蛋白的作 用．windbeutel、Nudel、Pipe蛋白获得 表达并定位于细胞膜表面。进而， Windbeutel、Nudel、Pipe蛋白联合作 用并与Snake、Gastrulation-defective 蛋白结合，诱发Easter蛋白酶激活并结合到 卵细胞腹侧的Toll蛋白受体上，即又将背腹 分化的信号反馈传入卵细胞之中。这一信号使 Cactus蛋白磷酸化和降解，释放Dorsal蛋 白。最后，Dorsal蛋白从腹侧进入卵细胞核， 指导未来胚胎腹面的分化(图2．2．14)。
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不同动物卵细胞的发育可能很不一样，以 果蝇、爪蟾及人为例介绍卵细胞的发育过 程。
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一. 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。
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与果蝇不同，蛙卵在发育中自身进行着细胞器的构建，以及 准备着未来合成DNA、RNA、蛋白质所需用的酶，积蓄着 mRNA、结构蛋白和调控早期胚胎发育的形态发生原因子， 表2．2．1列出了它们的部分成分。 蛙的卵黄物质合成于肝脏，通过血液运输到卵细胞。这一过 程主要在减数分裂前期I发生，它又细划分为卵黄形成前期和 卵黄形成期。肝脏生成的卵黄成分经过改造形成卵黄颗粒分 布在卵细胞的皮质区域，并伴随着卵黄颗粒的积累逐渐移向 植物极，最终75％的卵黄成分分布在这一区域(图2．2．15)。 在卵黄物质储备的同时，其他成分也在进行着在细胞质中的 不对称积累分布。当卵黄成分不断地趋向植物极时，糖原颗 粒、核糖体、脂滴、内质网集中到动物极，以及不同mRNA 出现在胞质中的特定部位。由高尔基体产生的皮质颗粒，以 及线粒体、黑色素颗粒分布在卵细胞的周围。目前对两栖动 物卵细胞发育中不同成分的差异分布的精确机制还不清楚。 研究发现细胞骨架对于RNA分子和形态发生原的定位起着重 要的作用。 例如，分布于植物极皮质的vg1蛋白的mRNA最初散在于全 细胞质中，在微管的参与下将其传送到细胞的植物极，而微 纤维则负责某些RNA分子在植物极皮质的确定。与果蝇卵细 胞发育不同，目前没有发现滤泡细胞直接参与两栖类卵细胞 2013-7-12 内不同成分的极性构建。
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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） 2013-7-12
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
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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
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原生殖细胞进入胚胎卵巢后分化成为卵原细胞 （oogonia）。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减 数分裂前期，形成初级卵母细胞（primary oocyte）。初级卵母细胞停止在第一次减数分裂的 前期，这种阻断的情况一直维持到青春期。随着 青春期的开始，初级卵母细胞在卵巢内激素的作 用进一步发育成熟，阶段性地恢复减数分裂，接 着第二次减数分裂发生，进行排卵。成熟的卵处 于第二次减数分裂的中期。
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图2.2.6人类卵巢中生殖细胞数目的变化

虽然在广泛的物种里，卵细胞在胚胎发育 中存在休眠、发育滞留现象，但是不同物 种它们滞留所处的发育阶段常常很不一样。 与精子发育另一个明显不同的待征是，在 减数分裂的两次分裂中，卵细胞细胞质几 乎只保留在其中之一的分裂细胞之中，另 一个变成没有功能前途的第一和第二极体 (pdar body)而被淘汰(图2．2．7)。
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A.卵巢结构，从左至右示卵巢里卵细胞的发生成熟顺序。B.经过连续分裂，包裹卵 细胞产生16个细胞的克隆体。这16个细胞中只有一个成为卵细胞（1#），其它的都 成为滋养细胞，它们以胞质桥与卵细胞直接或者间接相连。
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滋养细胞不是卵细胞发育遗弃的产物（如 其它动物卵母细胞的极体），它们对卵细 胞的发育有着重要的作用。 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 间的连桥，单向转运到卵母细胞（1#）里。 （图2.2.9）
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哺乳动物的卵细胞成熟方式可以分为两种类型： 一是如兔子、水貂等，交配过程的刺激诱发垂体 分泌促性腺激素，导致休眠卵细胞苏醒完成减数 分裂和释放；二是绝大多数哺乳动物它们有固定 的发情期。由于环境的刺激(如光照、温度)，触 发下丘脑产生促性腺激素释放因子，进而引发卵 巢、滤泡细胞的生理变化和休眠卵细胞的继续发 育以及释放。目前对于哺乳动物卵细胞发育的研 究还基本属于对这一过程的细胞学和成熟控制机 制的了解。
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首先，由滋养细胞转录gurken mRNA并转运到位于卵 细胞后端的细胞核与质膜间的部位。 gurken mRNA转 译为Gurken蛋白以后，通过对卵细胞后端滤泡细胞受体 的激活使之释放新的活化因子(可能是cAMP)，活化因子 再激活卵细胞膜上的蛋白激酶A(PKA)。PKA的活化使卵 细胞中的微管发生方向性的改变，将其延伸端从原有的 指向滋养细胞的方向转而成为指向卵细胞的远滋养细胞 端。这一变化是重要的，来自于滋养细胞并位于细胞质 前端的oskar和nanus mRNA在微管的作用下将被转运 至卵细胞的后端，井且开始在那里翻译为oskar蛋白。 对应地．bicoid mRNA转运自滋养细胞并维持在卵细胞 前端的位置。 如果实验将卵细胞中的微管解聚，则bicoid mRNA将扩 散到细胞的各个部位，如果微管蛋白不发生极性的调换， 则出现bicoid mRNA集中到卵细胞后端的现象。微管方 向的转变的另一个重要作用是它带动细胞核与其周围的 Gurken信号到达细胞前端一侧的位置，决定了未来胚胎 背部的定位。具体过程如下：
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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。
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图2.2.7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。
A：第一次减数分裂后期，第一极体形成。B：第二次减数分裂中期 （箭头所指），这时可见第一极体仍然在原位，它可能分裂也可能不 2013-7-12 再分裂。

在少数物种里甚至存在这样的现象，减数 分裂被强烈地修改了，使产生的卵细胞的 染色体仍然是两倍的，即它不需受精便可 发育出新的个体。例如，在果蝇中，在第 二次减数分裂以后，极体细胞有可能起着 精子的作用，即与卵细胞结合，形成双倍 体“合子”。
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2013ห้องสมุดไป่ตู้7-12
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5.哺乳动物卵的发育


由于生殖方式的进化，哺乳动物卵细胞的 后期发育与动物的生殖周期密切地联系在 一起。 此外，因为胚胎发育需依赖于母体营养的 供应，在卵裂起始首先出现胚外器官的分 化．这些也会给卵细胞的营养储备和发育 信息设计带来新的特点。