发育生物学

发育生物学
第一章绪论
发育生物学定义：研究生物体从精子和卵子的发生、受精、发育、生长至衰老、死亡的生命过程中的变化机理的学科。

第一节发育生物学的发展与其他学科的关系
研究历史很长，1950年左右才形成一门学科，在胚胎学、细胞生物学、遗传学、生物化学、分子生物学的基础上建立的一门新兴学科。

其发展过程：形态描述，机理探讨，从器官→组织→细胞水平→分子水平。

一．胚胎学与发育学
胚胎学是发育学发展的基础学科之一。

其发展简史省略（动物胚胎学中细述）描述胚胎学→比较胚胎学→细胞胚胎学→实验胚胎学→分子胚胎学
二.遗传学与发育生物学
两者密切相关，遗传学的发展促进了发育生物学的研究。

自遗传学家提出“遗传的染色体学说”（Chromosome theory of inheritance）以来，细胞核在发育中的作用受到重视。

Morgan是遗传学家，也为胚胎学家，与他的合作者提出（1926年）“基因理论”（the theory of the gene）
1972年，Moore把Morgan遗传概念归纳为12点：
1.遗传是由基因从父代传递到子代。

2.基因位于染色体上。

3.每个基因在染色体上占着一个特定的位置。

4.在每个染色体上有很多基因，它们直线排列在染色体上。

5.双倍体生物的体细胞中，每一种染色体有两条（同源染色体），因此每个基因位点（gene
locus）有两个。

6.在有丝分裂周期，每一基因也被复制。

7.基因能够以数种不同状态而存在（等位基因），基因从一种状态变为另一种状态就是
一个突变。

8.基因在减数分裂时，通过染色体交换能够从一条染色体转移到另一条同源染色体上。

9.每个配子获得每对同源染色体的一条，每条染色体是随机分配到配子中的。

10.每对同源染色体中的一条分配到配子中，不影响其它各对染色体的分配。

11.在受精时，雌雄配子随机结合。

合子从两亲本接受每一对同源染色体中的一条染色体。

12.在一个有机体细胞中包含着两种不同等位基因时，显性基因比隐性基因有较强的表型
（phenotype）。

（见发育P6－P7）。

基因与个体发育有复杂的关系，基因通过控制生化过程而调节个体发育和分化。

30年代开始，Beedle等人利用果蝇棕色眼睛的突变种，找到了产生棕色素的突变基因，并证明由于一种酶的作用而产生的这种色素。

如切断此酶的作用途径就不能产生棕眼。

因此提出了“一种基因一种酶”（one gene one enzyme）的假设。

为了证明此假设，Beedle等人从反面着手，即先认识生化反应，再去找基因。

他们选用了红色链孢霉（Neurospora crassa），因这种霉在其生活史主要是单倍体，每种突变基因都能表现出来，而不受显性等位基因的掩盖。

他们使用两种培养基：“基本培养基”（minimal medium）（水、盐。

蔗糖和生物素biotin，在上面能生长）和完全培养基（complete medium 含20种全部氨基酸和重要有机化合物）。

据上述实验，遗传学家又提出了“一个基因一种蛋白”（one gene one protein）的假说。

把概念扩大了，随着对蛋白质认识的不断深入（蛋白由多肽组成等），将此假说改为“一个基因一个多肽”（one gene one polypetide）的假说，从此大量地解了发育中生化过程的遗
传控制。

三.分子生物学与发育生物学
在发现了基因和了解基因的功能后，人们试图搞清基因的本质、组成、分子结构等问题，更想了解遗传信息是怎样通过发育被利用的? 也就是说试图搞清发育的遗传调控。

50年代初：认识到DNA为遗传的物质基础，1953年Wastson、Crick提出DNA双螺旋结构，60年代发现碱基顺序和氨基酸密码，1961年建立“操纵子学说”，同年又发现遗传密码中信使RNA（mRNA）的作用。

1966年证明了三联体密码对合成蛋白的准确性。

1984年Browder把这些分子生物学的成就归纳为9点。

1．在DNA中具有遗传信息的“密码”，DNA为反向平行螺旋的多核苷酸链，即Watson-Crick的双螺旋结构。

2．遗传信息贮藏于直线序列的嘌呤和嘧啶碱基中。

遗传密码有4个字（碱基），即A、T、
G、C。

3．在DNA复制时，每条链作为模板制造互补链，模板上每一碱基代表一个核苷酸与另一核苷酸配对，即A-T, G-C或相反。

4．染色体上的遗传信息可由DNA上序列的碱基转录为RNA上的碱基。

在转录时，每个DNA模板上的碱基被转录为互补RNA的碱基，即A-U, T-A, G-C, C-G（U为尿嘧啶）。

5．合成一个特殊蛋白质的遗传信息就是一个结构基因（structural gene）。

结构基因转录为mRNA后，被输送到胞质中，在那里翻译为蛋白质。

6．蛋白质由直线序列的氨基酸所组成。

一个氨基酸的位置可由一个mRNA三联体碱基所指定，称之为密码子（codon）。

7．遗传密码有普遍性（线粒体除外），除某些病毒外，是不重叠的。

它还包含停止蛋白质合成的密码子。

8．蛋白质合成是在核糖体上进行的，核糖体含有蛋白质和核糖体RNA。

遗传密码是由tRNA所“解读”。

这些分子认识一个特殊密码子和其相应的氨基酸，并通过肽键排列
成氨基酸顺序。

9．根据近年来的探讨，发现DNA存在一些核苷酸序列，它们的功能为调整结构基因的转录，这些调整结构基因的核苷酸序列可能自己不转录。

（于见P8）。

由于遗传学和分子生物学的重大成就促进了发育生物学的发展，使发育生物学进入到分子水平的研究境地。

从此，特别是近10年间，发育生物学取得较大进步，主要在两个方面：
1、同源异型基因的研究（homeotic gene）（也译为壕门基因）
2、胚胎发育初期中胚层诱
导形成机制方面的研究。

（下面详细讲述）
第二节研究发育生物学新技术
学科的发展与新技术和新方法的利用是分不开的，现介绍一下在发育生物学研究中广泛地被利用的实验方法和技术：（见P9＋新内容）
1．发育过程的试管中分析，将卵移入试管，受精，早期发育，实验观察。

此技术应用：胚胎移植，试管胎儿等。

2．超微结构分析技术
3．示踪放射性同位素技术
4．显微操作方法（核移植）
5．细胞杂交，即细胞融合，分析细胞特性核遗传信息的表达
6．外源DNA导入受体细胞，分析外源基因功能。

7．DNA重新组合技术，将有意义的DNA片段转移到受体细胞
8．逆转录酶合成cDNA，PCR方法等
9．离子选择电极追踪在发育过程中极微量离子的运动。

10. 免疫化学的应用，认识细胞中特殊分子及其含量的一种方法。

11. 转基因小鼠的特殊用途，转基因动物技术。

12. 基因打靶技术：如RNAi技术。

13. 酵母双杂交系统技术。

14.动物克隆技术。

第三节发育生物学在生产实践中的应用
一.在医学中的应用:
1.肿瘤的产生为不正常发育,特性改变→肿瘤细胞。

2.试管胎儿已应用。

3.掌握排卵和受精机理(如激素的利用)开发避孕方法。

4.将某种基因(生长素基因)注射到鼠类的卵子,发育成成体后,生产所需物质(称为动物工厂,比
发酵工程价廉),转基因动物生产工厂.(激素的制备)
二.在畜牧养殖业上的应用:
1.鱼类、两栖类、哺乳类等的育种、养殖。

人工受精和种苗（如鱼苗等）繁殖。

（朱洗先生
作了很大贡献）。

2.畜牧业方面：精液和卵子保存、人工授精，受精卵移植被用于育种和推广良畜品种。

3.用胚胎嵌合技术，得到嵌合体动物，如我国山羊－绵羊嵌合体具两种羊的特征。

4.转基因技术的成功将优良性状的基因集中于一只动物中，使其传代，为一种最快速的育种
方法。

三．转基因小鼠的用途
1．用于免疫学研究的转基因小鼠。

2．用于肿瘤学研究的转基因小鼠（培养细胞不适于癌基因转移的研究，将癌基因或原癌基因注射到胚胎中
c－myc 基因注射到卵，产生肿瘤
（最大贡献：癌基因致癌是多步骤）假说的支持
3．转基因小鼠作为人类疾病的动物模型（研究新药物、新疗法提供方便）
4．转基因小鼠作为基因治疗的模型（基因→转基因动物→减轻病症）
5．转基因小鼠在发育遗传学上的应用（了解父母本基因在发育过程中的作用等）
第二章生殖细胞成熟调控
第一节两栖类卵母细胞成熟调控
一．前言（用图说明精卵成熟中的结构变化）
绝大多数高等动物通过精子（sperm）和卵子（egg）的结合开始个体发育。

精子和卵细胞的特点不同：
卵子精子
结构和物质成分比较复杂相对简单
大小大（人的大8万倍
海胆大1万倍
蛙的大10万倍）
小
调节有大量供早胚发育的营养和
调节物质
成熟卵物质代谢受调节物质不能单独进行发育，若将精子放入去核卵中才能发育，称之为雄核发育（androgenesis）
的强烈抑制
通常情况下：受精→解除卵细胞代谢的抑制→卵活化进入活跃代谢状态→新生命开始，若不经受精→代谢抑制不解除，卵消亡。

人工诱导卵活化→早胚发育→成为无父个体，称之为人工孤雌生殖。

由此可见：卵细胞在动物个体发育中起不可代替的重要作用，因而对卵细胞发生、分化、基因表达等的研究已成为发育生物学的重要研究领域。

下面以两栖类为例，了解一下卵母细胞成熟调控过程，不同生物在卵母细胞成熟、卵裂调控及一般细胞有丝分裂方面具有一些共性，可相互参考。

二．两栖类卵母细胞成熟调控
1．卵母细胞成熟的激素调节
孕酮等→卵母细胞→生发泡破裂→成熟卵子
第一次成熟分裂前期→第二次成熟分裂中期为成熟过程。

在此过程中，有生发泡破裂、核膜物质以小膜泡的形式进入胞质、核纤层（lamina）解体。

染色质凝集为染色体等等一系列变化，最后停留在第二次成熟分裂中期，即为成熟的卵细胞，等待受精。

那么这一系列过程与什么因素有关呢？实验证明：此过程与一些激素的调节有关：如绒毛膜促性腺激素，孕酮等。

体外证明：从卵巢中分离出的初级卵母细胞内发生一系列变化，主要有：[Ca2＋]升高。

[cAMP]下降，蛋白合成上升等。

2．成熟促进因子（maturation promoting factor，MPF）的作用
（1）MPF的发现
1971年MasuiY和SmithLD两组研究人员分别报道，
蛙卵母细胞→成熟卵子→取细胞质→注射入蛙卵母细胞→成熟卵细胞
因此Masui Y等人将成熟蛙卵中能促使卵母细胞成熟的成分称为成熟促进因子（MPF）。

后来的大量实验证明：a. MPF存在于成熟的处于分裂期的卵细胞质中. b. 促熟效力与MPF量成正比。

c. 从酵母到人体细胞所有有核细胞分裂期细胞（包括生殖细胞）中都有，在进化上有高度保守性；人或酵母的MPF注入非洲爪蟾卵母细胞，同样可促进卵母细胞的成熟。

d. MPF活性在细胞周期内上下波动，G2出现活性，M期活性最高，G1早期活性消失，因此认为MPF 为真核细胞M期的一个基本的调节物质。

（2）MPF的生化本质
MPF的广泛存在使人们对它的研究更有兴趣；由于提供非常困难；阻碍着人们对它的深入研究和对其生化本质的认识。

1983年起由于建立了来自成熟蛙卵的两个非细胞体系，以此在体外模拟细胞周期由G2期，经过M期再向G1期转化的整个变化过程。

推动了对MPF的生物活性、生化、生理机能及其调节的研究。

到1988经多种提取步骤终于得到了非洲爪蟾分裂期卵的MPF纯品。

证明MPF主含两种蛋白成分：45kD和32kD蛋白。

两者联合作用可使MPF达到最高活性，MPF能催化内源的45kD蛋白、核H1组蛋白磷酸化，说明MPF具蛋白激酶活性，后来以海星为材料也得同样结果。

后来人们经大量实验证明MPF的45kD蛋白与细胞周期蛋白（Cyclin 45kD左右），MPF的32kD 蛋白与酵母的蛋白质激酶P34cdc2为等效物。

P34cdc2和Cyclin的复合物执行MPF的功能。

总之：MPF的功能：通过催化蛋白磷酸化调节卵细胞成熟（由G2期向M期转化）。

A：其过程为：
MPF中的P34cdc2为催化亚单位（也称为P34cdc2激酶）；本身为磷酸蛋白，入M期之前去磷酸化→活化→重新被磷酸化后失活→卵细胞进入卵裂（细胞由M期进入G1期），MPF中的Cyclin
为调节亚单位，执行激活MPF（P34cdc2）激酶和选择激酶底物的功能。

间期中合成→G2期最大量→激活P34cdc2→使细胞进入M期→M中期后降解MPF失活，使细胞由M向G1转化。

在整个细胞周期中：P34cdc2只出现去磷酸化和磷酸化，表现出激酶活性变化;Cyclin则进行周期性合成和降解，调节P34cdc2的去磷酸化和磷酸化。

MPF的催化作用及其效应：
A：MPF催化组蛋白H1磷酸化，在G2/M转化时，H1组蛋白为MPF的一个催化底物;
B:MPF催化Lamin(核纤层蛋白)磷酸化,使Lamina结构解体.
M期的Lamin高度磷酸化;从Lamina中解离出来,M期结束时Lamina去磷酸化.重新构成Lamina 结构.
实验: 鸡胚胎细胞核
↓
非细胞体系→诱导细胞核的Lamina解体;同时Lamina磷酸化.
↑
MPF
多次类似实验证明:MPF催化Lamina磷酸化,并为促使Lamina解体的直接原因.
C: MPF作用于微管蛋白,控制着微管的动力学变化.
细胞周期的不同时期,微管有着不同的存在形式,如形成纺锤体微管等以推动细胞分裂时染色体的运动;有实验说明MPF与微管蛋白的动态变化有关,但作用机制和方式还不清楚.
D: MPF能使一些原癌基因发生磷酸化,产生一系列与细胞分裂有关的生物学效应.如使P60src蛋白磷酸化,参与细胞骨架重排等.现知可使7种原癌基因产物磷酸化.
3. 细胞生长抑制因子(Cytostatic factor,CSF)的作用.
(1)CSF的早期发现:
成熟的蛙卵细胞一般都处于分裂的中期,如不受精则不会分裂.如将成熟而未受精的蛙卵细胞的胞质显微注射到2细胞期的一个卵裂球中,发现注有细胞质的卵裂球被抑制在分裂中期,而另一个未被注射的卵裂球则可以继续分裂。

因此推测,成熟蛙卵的胞质中必然存在一种物质,能够将细胞抑制在分裂期,并将这种物质称为细胞生长抑制因子(CSF). 这种因子对Ca2+敏感,其活性随卵细胞受精而消失.那么它的化学本质和可能的功能是什么呢?
(2)CSF的化学本质及功能
前述过Cyclin和P34cdc2共同构成MPF, MPF促卵母细胞成熟和体细胞由G2向M转化.而c-mos基因(原癌基因)P39mos则为一种CSF; P39mos是一种Ser/Thr蛋白质激酶。

其功能是对MPF活性起稳定作用,其活性在卵母细胞成熟过程中与MPF活性相伴随(见P11的图2)。

但详细的作用机制还不清楚.
三卵母细胞成熟综合调控
1.卵母细胞成熟的综合调控
(1)实质: 在此过程中,两个最为显著的生化活动:MPF和CSF活性的充分表达。

MPF直接使细
胞分裂有关蛋白磷酸化,促使细胞由间期向M期转化。

CSF则促进和维持MPF的活性的充分表现,使细胞维持在M期状态。

由此可见,MPF是卵母细胞成熟分裂的中心调控物质,而CSF则是MPF的活性调节因素。

卵母细胞成熟的正常调控实质上就是促使MPF活性的充分表达。

MPF通过磷酸化多种物质而诱导细胞进入分裂期状态。

(2)MPF活化条件:首先需a.Cycli B与P34cdc2结合;b.还必须使P34cdc2的Thr-161位点的苏氨酸
保持在磷酸化状态,c.同时还需P34cdc2的Thr-14和tyr-15两个位点(已磷酸化)去磷酸化。

d.
正常情况下,MPF的活化还必须要求DNA复制已完成.
(3)卵母细胞成熟过程的启动:
如何启动的呢?此启动与激素调节有关。

孕酮诱导卵母细胞成熟过程的启动主要是通过直接调节c-mos基因的mRNA表达来实现的。

已讲过c-mos基因产物P39mos是一种CSF。

它是一种Thr/ser蛋白激酶,特异性催化Cyclin B磷酸化, 保持Cyclin B稳定而不被破坏, Cyclin B的量逐步积累,使MPF活性表现并得以继续保持。

2.受精或人工激活使卵细胞由M期向G1期转化：受精或人工激活卵细胞的过程,从细胞分裂角度
讲,就是诱导卵细胞由M期向间期方向转化的过程。

此过程需MPF失活。

MPF失活的必须条件
a.Cyclin B与P34cdc2分离并迅速解体;
b.P34cdc2 ,Tyr-15和Thr-14氨基酸处于磷酸化状态。

c.CSF
降解(即P39mos解降)。

d.Cyclin B降解.
3.受精时卵子内Ca2+浓度的增加对MPF和CSF的活性影响.
受精时,卵细胞内Ca2+升高;用Ca2+离子载体处理未受精的卵细胞,能使其活化,并由M期转向间期。

实验证明,Ca2+升高,激活一种Ca2+依赖性的蛋白激酶,此激酶特异性地催化c-mos基因产物(P39mos)分解,结果导到Cyclin B降解,MPF失活,细胞由M期向间期转化。

目前,用Ca2+离子载体处理卵细胞已成为人工诱导卵细胞活化的常规手段。

可见Ca2+浓度变化在M期向间期转化中起重要调节作用.
4.卵裂综合调控（以后叙述）
见P13的9.3
卵裂的启动过程实质上是由卵母细胞成熟分裂过程向有丝分裂转化的过程(成熟分裂→有丝分裂),其过程:受精→Ca2+升高→CSF失活→Cyclin B降解→MPF失活→去磷酸化加强→受精egg由M→G1转化→随后,Cyclin B又升高,与P34cdc2结合,MPF活性出现→始升的一轮细胞分裂有关的磷酸化→细胞再次进入M期(第二次卵裂)→如此反复(图3)
四.小结见P13-P14
1.控制卵母细胞成熟和卵裂过程的核心物质为MPF
2.在卵母细胞时期促成熟;在受精卵中则表现为促卵裂.
3.其活性的周期性调节变化推动着细胞周期的进行.
第二节精子膜上凝集素受体及其功能
一.前言
在精子成熟,获能,精子与卵子的识别,黏附,结合及在整个受精过程,胚泡着床及胚胎分化过程中精子和卵子膜上的凝集素受体具有重要作用.
凝集素:是一类具有糖专一性,可促使细胞凝集的蛋白质或糖蛋白.
(通用lectin或agglutinin两个名词)
细胞膜上即有凝集素又有凝集素受体(lectin receptor)
凝集素受体:分布于细胞表面的糖蛋白(glycoprotein),糖脂(glycolipid)或者说是糖复合物(glycoconjugates)
二.精子膜表面凝集素受体
1.凝集素受体与凝集素结合的分子基础：
受体中糖分子主要由一些单糖或寡糖组成,如半乳糖,甘露糖等等.这些分子以糖苷键同膜蛋白或膜脂相连,这些呈分枝状的糖分子可与凝集素发生专一性的结合.这种专一性结合的分子基础主要有两方面.
(1)糖分子结构的专一性
各类糖分子的分子结构不同,各种凝集素能特异地识别它们所专一性结合的糖分子结构.（如P26的表1和P24图1.）
(2)糖结合位点影响凝集素与糖分子结合
凝集素的糖结合位点大小,形状,糖决定簇在糖链中的位置,配体糖的构象等,都影响着凝集素与糖分子的结合.大多数凝集素是与单个糖基结合,有些凝集素与二糖或寡糖结合.(见P26表1)
一般与寡糖作用的lectin,其糖结合位点较大,结合强度较大.
2006.2.24
2.精子表面凝集素受体及其在精子发生、成熟过程中的变化.
用同位素,荧光素或酶标记的lectin作为分子探针,可研究精子表面与lectin专一结合的糖蛋白或糖脂(即lectin receptor),在膜表面的分布变化等.已对10多种lectin receptor有详细了解(见P26表1)
精子发生过程中(精原细胞初级精母细胞次精母细胞精子细胞变态形成特化的精子);在此过程中不仅形态变化,生化方面有深刻的变化,膜凝集素受体(糖蛋白)的合成,修饰及分布都发生很大的变化,[精子的发生、成熟过程的部位:睾丸的曲细精管中和附睾中]
(1)糖复合物的出现：
睾丸内的精子发生阶段已出现糖复合物.如猪睾丸中,从精子细胞阶段开始出现糖蛋白,集中分布于高尔基体顶体区.豚鼠,小鼠等动物的精子在睾丸内发生中就出现了7种lectin receptor,并随着胚胎发育的进行，其量、结构和功能都发生变化.如12－14天的雄性小鼠胚胎睾丸原基中的生发细胞表面分布有RCA（蓖麻凝集素）受体（β－D半乳糖）和BPA（羊蹄甲凝集素）受体（N－乙酰－D－氨基半乳糖），发育到16天。

两种受体消失。

说明：小鼠胚胎发生第14－16天时，生发细胞内含D－半乳糖和N－乙酰－D－氨基半乳糖残基的糖复合物在结构和功能上发生了变化。

(2)糖蛋白的合成,修饰及分布的变化:
在附睾管内,精子表面有些糖蛋白丢失,而附睾管分泌物中的一些糖蛋白被整合到精子表面特异的区域上,成为精子膜的一部分.一般认为:精子必须经过附睾进行膜上糖蛋白修饰,才能获得受精能力.
(3)精子膜表面凝集素受体变化的可能机制:
a.由酶水解使糖蛋白降解.
b.受体分子立体构型变化,使糖基被掩蔽或被暴露.
c.由于糖基转移酶的作用使lectin的结合位
点发生转移,从而影响lectin凝集素识别特异的糖基.
(4)总之,lectin receptor分布不均一,在精子发生,发育和成熟中,膜糖蛋白合成,修饰及分布的变化，其
功能是为精卵识别,结合和融合等步骤做相应的准备.
第二节卵子和精子发生中基因表达
一.卵子发生中基因表达:(主要来自两栖类研究结果)
卵子发生过程获得双重后果: (1)成为高度复杂的特化细胞;(2) 产生受精后胚胎发育期所需的物质, 与此过程中基因的表达有密切关系.
1.灯刷状染色体的作用
在卵母细胞长大时,核也增大,内含有大量核液,称此核为发生泡.生发泡内的DNA分两部分:一部分染色较深象帽子,这部分将形成核仁.另一部分染色较浅,为成对排列的染色体,到了卵黄发生期,每条同源粗线期染色体分裂为双条染色单体(称为双线期).这时染色体伸长(DNA量不增多).同源染色体交叉(chiasmata),具有侧环,形状象灯刷,因此称为灯刷状染色体(lampbrush chromosomes).整个卵母细胞核约有20000个侧环(初级卵母细胞为四倍体).据测量,蝾螈大的染色体的侧环长度为50-100µm,含有10万核苷酸分子,全部侧环含5%基因组DNA,其余的DNA主要在染色粒中,侧环有RNA聚合酶,能够产生mRNA.灯刷染色体的形状是基因转录活性的形态.如果把每一转录单位连接起来,约等于5千万核苷酸分子;因此有足够的信息密码去翻译25000-50000种多肽链(一个mRNA分子<1000个核苷酸分子)
灯刷染色体在卵黄发生期保持很久,爪蟾3个月, 有尾两栖类为7个月.在卵子发生将结束时,灯刷状染色体逐渐凝缩,然后排列在生发泡的中央,同时RNA合成活性也降低了.
2.mRNA的合成和累积
在卵子成熟中,一个独特的现象就是产生mRNA,为早期发育做准备.( 结果主要来自对爪蟾卵母细胞的研究)
成熟的爪蟾卵母细胞内含一定量的多聚腺苷RNA,至少代表一部分mRNA,可在试管内翻译,此时不制造蛋白,而是贮存于胞质的RNP颗粒中. mRNA的合成在整个卵子发生期都在进行.通过分解过多的mRNA保持其含量和复杂顺序不发生太大变化.
在卵母细胞,5%的mRNA在核糖体中,95%的mRNA贮存于胞质中的核糖核蛋白颗粒中, 受精之后用.
3.核糖体成分的合成
卵子发生的主要功能是产生和积累核糖体;为受精后的合子能快速合成蛋白和胚胎早期发育的蛋白合成创造条件.核糖体成分包括5 S, 18S , 28S RNA和核糖体蛋白.
①5S RNA: 5S RNA占卵母细胞全部RNA的45%, 最先开始合成,以后与核蛋白结合. 5S RNA基因
的增加导致5SRNA的大量产生.爪蟾单倍染色体基因组有20000 5SRNA基因,初级卵母细胞有80000个5SRNA基因(为4倍)
②核糖体RNA(rRNA),即18S和28SRNA
rRNA的基因位于核仁组织区(具有核仁的染色体上)(nucleolar organizer).是转录核糖体RNA的模板,也称rDNA.
卵母细胞生长期:核仁体积变大,代谢活跃,在核中十分明显.
海绵等动物只有一个核仁,两栖类早期卵母细胞内只有两个核仁.初级卵母细胞本来只有4个核仁,却产生了很多小核仁,称为核仁扩增(nucleolar amplification)
用3H-胸苷标记法证明有大量的rDNA复制, 因此导致rRNA的大量增加.为大量产生18s和28s rRNA提供了条件,称此过程为基因扩增(gene amplification).如无此扩增,约需400年才能产生成熟卵母细胞中所含的rRNA; 经过rDNA基因扩增,只需3-6个月.
核中产生rRNA转到胞质,其中很多贮存于胞质,供胚胎发育用.
③核糖核蛋白(ribosomal protein)
卵黄发生期,卵母细胞质中出现核糖体蛋白.总蛋白量的20%-30%为核糖体蛋白.这说明在卵子发生期就需要产生大量的核糖体蛋白的mRNA.
④转移RNA(tRNA)的合成:
与5sRNA相平行;卵黄发生前期合成大量的tRNA和5sRNA一起贮存于RNP颗粒中;在RNP颗粒中,3个tRNA分子配一个5sRNA分子.(见P99 图3-31)
总之,卵子发生中,需合成大量RNA;刷状染色体对形成mRNA起重要作用;核仁产生rRNA;都是将来合成蛋白不可缺少的.同时还合成了tRNA、组蛋白等,由核转到胞质贮存起来供发育用.高等哺乳动物的卵子很小,在子宫内发育,条件好,不需此方式获营养.
4.两栖类以外动物的基因表达.
①具滋养细胞的昆虫卵
无灯刷染色体:不是卵母细胞核而是滋养细胞核在合成卵母细胞质RNA中起重要作用.合成的RNA 通过细胞间桥进入卵母细胞质.昆虫卵子发生速度非常快,如果蝇只需8天,蟋蟀卵(有刷状染色体)则需100天.15个滋养细胞/卵母细胞,相当于几千个染色体的功能组,因此短期内可积累所需RNA,但卵母细胞质中蛋白合成并不活跃,卵母细胞发生期的蛋白质积累主要依靠外来输入.卵黄蛋白也是通过循环系统和滤泡细胞运到卵母细胞中的.
5.小结：(卵子发生中基因组信息的利用)
(1)卵发生中,基因组利用有差异性,即基因表达有当时的和长远的,一部分转录的信息指导卵母细胞
合成蛋白,其余大部分则贮存起来供受精后用.由于这种双重性,可以把成熟的卵母细胞看作是复。