发育生物学-本科考试-课件整理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 发育的基本过程,胚前发育 生殖细胞的发生,卵子、精子,胚胎发育,受精：精子与卵结合,卵裂（方式）,完全卵裂,不完全卵裂,胚后发育,受精,卵裂,囊胚形成,原肠作用,胚层分化与器官形成,动 物,胚胎发育,原肠作用,个体发育的主要阶段,受精（精卵融合）卵裂原肠胚形成神经胚形成器官的形成幼体生长（发育和变态）成体细胞衰老死亡个体发育终止即死亡。,House-keeping proteins,:几乎存在于所有类型细胞中，通常用于产生能量、在代谢途径中生成或降解产物，如组蛋白及转录或翻译中所必需的蛋白因子。,Tissue-specific proteins:,存在于特殊类型细胞中，从而赋予细胞特定的活性。如血细胞中的血红蛋白输氧、肌肉细胞合成,actin、,为收缩提供能量。包括酶、生长因子、受体蛋白、结构分子。,细胞可从多个方面来控制蛋白质的合成。,发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间,Fate of cells:指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变(see next slide)。,Determination:,指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。,Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。,两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变,原肠胚中眼区将发育为眼睛。,将原肠胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，它们将按新部位的命运发育为体节和脊索。,2、细胞分化可以受环境诱导 诱导作用可使细胞互为不同,扩散性信号分子,跨膜蛋白的直接互作,间隙连接(gap junction),诱导信号传导特点,传递距离有限,并非所有细胞都能对某种信号发生反应。,不同类型细胞可对同一信号发生不同反应,e.g.,乙酰胆碱使心肌收缩频率下降，但促使唾液腺分泌唾液。,Autonomous cell fate,non-autonomous cell fate,间距模式(spacing patterns),可通过侧向抑制作用产生,胞质决定成分的区域化及细胞的不对称分裂使细胞具有不同的特性,线虫的不对称卵裂产生不同命运的卵裂球,三、图式形成Pattern formation,(1)躯体轴线的制定,(2)胚层的形成,Patterning,常涉及positional information的翻译,四、形态发生Morphogenesis,最突出的形态变化发生在,原肠作用开始之后。,五,、,生长Growth,胚胎在基本的pattern,形成之后，其体积会显著增长，原因在于细胞数量增加、细胞体积增加、胞外物质的积累。不同组织器官的生长速度也各异。,第三节研究发育生物学的模式生物,一、模式生物：1、概念：对某些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，这些生物被称为“模式生物”。,2、特点：1)生理特征能够代表生物界的某一大类群；2)容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3)容易进行实验操作，特别是遗传学分析；,3、常见模式生物：果蝇、线虫、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、酵母、拟南芥。,果蝇：学名黑腹果蝇,主要优点1.体积小，易于繁殖；2.产卵力强；3.性成熟短；4.易于遗传操作：如诱变；5.基因组序列已全部测出,果蝇在胚胎发育图式的构建中具有特殊优点：它由14个体节构成的躯干完全对称，一套基因控制了这些体节从上到下的发生过程。,研究证明，这套基因普遍存在于从昆虫到人的基因组中，是决定机体左右对称布局形成的最基本因素。,线虫,Caenorhabditis elegans,细胞凋亡现象及其机理最早是在线虫中被揭示的。,主要优点1.易于养殖：成虫 体长1mm，,易冷冻保存；2.性成熟短：2.5-3天，两种成虫；3.细胞数量少，谱系清楚；4.易于诱变；5.基因组序列已全部测出,斑马鱼（,zebrafish,Danio rerio,产卵量多，繁殖迅速，胚胎通体透明，是进行胚胎发育机理和基因组研究的好材料,主要优点1.体积小，易于饲 养；2.产卵力强；3.性成熟短；4.易于遗传操作：如诱变；5.体外受精和发育，易于观察；6.基因组序列已全,Xenopus laevis,:Amphibian model,主要优点1.性成熟短；2.卵体大，易于操 作,3.抗感染力强，易于组织移植,发育生物学中的研究方法,1、传统的发育生物学研究技术,染料细胞标记,荧光细胞标记,细 胞 移 植,2、控制发育的基因鉴定及其表达和功能检测,鉴定发育相关新基因的主要方法,基因表达的检测,基因在发育中的功能性研究,从自然或人工突变体中分离鉴定控制发育的基因；,分离时空特异性表达基因的方法；,利用基因序列同源性的克隆法；,利用生物大分子间的相互作用克隆新的基因,。,(1)鉴定发育相关新基因的主要方法,(2)基因表达的检测,mRNA的检测,蛋白质的检测,启动子活性检测,Northern blot,Dot blot,RT-PCR,DNA Microarray,in situ hybridization,电泳法,Western blot,抗体染色法,(3)基因在发育中的功能性研究,基因敲除法(gene knockout),异位表达法(ectopic expression),后成论,亚里士多德（Aristotle）通过观察鸡和一些无脊椎动物胚胎发育，首先提出了胚胎是由简单到复杂逐渐发育成的，这个理论后来被人们称为后成论，早期的渐成论。,先成论,公元17世纪后期和18世纪，以精源学说和卵源学说为代表的先成论占统治地位，,精源学说,认为胚胎预先存在于精子中，卵源学说则认为卵子中本来就存在微小的胚胎雏形。都认为胚胎是成体的雏形，是配子中固有的结构，胚胎发育仅仅是原有结构的增大。,魏斯曼认为：合子的细胞核含有大量特殊的信息物质核决定子，在卵裂的过程中这些决定子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。细胞的命运实际上是由卵裂时所获得的合子核信息早已预定的，这一类型的发育称为嵌合型发育。,他的学说促进了实验胚胎学的进展。,Driesch的实验结果,表明，胚胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即胚胎发育是可调节的。,目前已证实有些动物卵的发育是“调整型发育”，如海胆、蛙、哺乳类的卵；另有“嵌合型发育”，如海鞘、蜗牛等。,调整型：卵子中决定器官形成的物质是可以经过调整而改变的，某一部分被去除或重新排列后，剩余的胚胎能通过调整而发育为正常的胚胎。,诱导是指一类组织与另一类组织的相互作用。前者称为诱导者，后者称为反应组织，诱导者可指令邻近反应组织的发育。,Note：发育生物学的研究意义,发育生物学对于解决人口、健康、农业生产的发展和生物资源的利用都有重要意义,。,1、为临床医学提供必要的理论基础;,2、提高人类整体素质；,3、促进国民经济的发展。,作 业,简述动物发育的基本过程。,总结发育的基本机制。,谈一下模式生物的概念、特征及研究优势。,在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，生殖细胞的前体称,原生殖细胞,（Primordial germ cells PGCs）。,发育过程：原生殖细胞（迁移）生殖腺原基生殖嵴（分化）生殖细胞。,生殖细胞不同于生殖嵴前体细胞。,配子的前体？,第一节 生殖质与生殖细胞,一、生殖质与生殖细胞的,起源,线虫,果蝇,两栖类,二、原生殖细胞的迁移,果蝇,两栖类,鸟类和爬行类,哺乳类,小结：线虫、果蝇、爪蟾生殖细胞分化与生殖质的关系,线虫原生殖细胞的命运决定于,P,颗粒,果蝇的原生殖细胞的命运决定于后部极质,两栖动物生殖细胞命运也决定于位于植物极一端的生殖质,一、生殖质与生殖细胞的起源,随着胚胎发育的进行，生殖质被逐渐分配到一定的细胞中，这些细胞将分化成为原生殖细胞。,有性繁殖的动物个体由体细胞和生殖细胞两大部分组成，二者均由受精卵发育分化而来。,原生殖细胞的起源可追溯到亲代动物的卵细胞。,有些动物的卵子中有一类可决定生殖细胞分化的特殊物质-生殖质(germ plasm)。,生殖质是一种具有一定形态结构的特殊细胞质，主要由蛋白质和,RNA,构成，可以被嗜碱性染料着色，它决定着生殖细胞的分化。,1、线虫,P4细胞质内含有所有P颗粒，P颗粒对于生殖细胞的分化起重要作用。,P1细胞经三次卵裂：每次分裂产生1个体细胞前体和依次产生P1 P2 P3 P4生殖干细胞。,P4是所有生殖细胞的始祖，由其最终形成两个原生殖细胞Z2 Z3.,2、果蝇,果蝇原生殖细胞最早发现于受精后大约90min，这些原生殖细胞位于果蝇胚胎后端称极细胞，含有特殊的极质颗粒，称,极粒,用移植生殖质的方法，可使受体细胞分化成原生殖细胞。,对果蝇极粒成分进行分析，发现其是一种蛋白与RNA的结合体，包括以下几种：,germ cell-less mRNA,Oskar mRNA,线粒体RNA mtrRNA,非翻译RNA-极粒成分pgc,两栖类生殖质的形态及运动,两栖动物的种质质定位在卵的植物极一端皮层的卵黄团区域，受精后随卵质旋转。,非洲爪蟾受精卵中也有生殖质存在。,两栖动物的种质质定位在卵的营养极，用紫外线照射胚胎营养极之后，生殖腺中将缺少生殖细胞。,3、两栖类,林蛙：类似果蝇极质的生殖质，只分配到内胚层少数几个细胞。随后迁移到生殖嵴成为原生殖细胞。,1.果蝇原生殖细胞的迁移,极细胞沿中肠迁移,至中肠后部,通过变形运动粘附至中胚层,分成两组迁移至性腺，成熟发育为配子。,3、鸟类和爬行类原生殖细胞的迁移,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,生殖新月区形成血管时，PGC进入血管，通过血液循环到达正在形成的后肠，与肠系膜结合，再迁移进入生殖嵴。,迁移机制可能是吸引原生殖细胞的化学物质，这种吸引作用无种间特异性。,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。,4、哺乳动物生殖细胞的迁移,在原肠胚期，小鼠的PGC位于上胚层中。,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，其后它们迁移经过内胚层、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25005000个。之后失去迁移能力。,小鼠PGC迁移受多种因子影响，机制不明。,被动变形-主动迁移 纤连蛋白,生殖嵴对PGC具有趋化作用-转移生长因子,干细胞生长因子(SCF)是防止PGC凋亡所必需的，也能促进其繁殖。它由PGC迁移路径中的细胞合成，定位在膜上。,哺乳动物原始生殖细胞的迁移途径示意图,哺乳动物的原生殖细胞最早见于原条后部的胚外中胚层,先在尿囊与后肠交界处附近聚集，以后迁移到卵黄囊附近再分成两群，沿卵黄囊的尾部通过新形成的后肠，然后沿背侧肠系膜向上迁移，分别进入左、右两侧生殖嵴。,原生殖细胞作变形运动在两层细胞之间迁移。,生殖细胞定向分化的决定,原生殖细胞具备两种发育潜能，由生殖腺内的微环境决定发育成精子和卵子。,如将雄性蝾螈的成熟睾丸移植入雌性体内，再把蝾螈的卵巢组织转移到睾丸，发现生殖细胞停止进行卵子发生并且开始向精子方向分化。,生殖细胞分化的决定:,第一种决定,是生殖干细胞进入减数分裂进行配子发生还是继续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成卵子还是精子。,一、精子的发生 （哺乳动物精子的发生过程）,人精子及其生成,PGCs,到达雄性胚胎的生殖腺原基立即进入性索，直到性成熟期，性索发育成生精小管，其管壁是特殊的生殖上皮。,1,、支持细胞：由性索的细胞分化成支持细胞，对精子细胞的发育起支持、营养和保护作用。,2,、生精细胞：是原生殖细胞分化而来。由基底面腔面依次有：,二、精子形成,精子细胞必须经过进一步的分化才能成为成熟的精子，从精子细胞到成熟精子的分化过程成为精子形成（spermiogenesis）。,通过精子形成，使其具备运动能力和与卵子相互作用的能力。,哺乳动物单倍体的精子形态上与脊椎动物成熟精子有很大区别。,二、精子形成,精子细胞必须经过进一步的分化才能成为成熟的精子，从精子细胞到成熟精子的分化过程成为精子形成（spermiogenesis）。,通过精子形成，使其具备运动能力和与卵子相互作用的能力。,哺乳动物单倍体的精子形态上与脊椎动物成熟精子有很大区别。,精子分化(spermiogenesis),高尔基体形成顶体帽，,中心粒产生精子鞭毛，,线粒体整合入鞭毛，,核浓缩重构，,胞质凝缩废弃，最后产生成熟的精子。,这一过程涉及用精子特异的DNA结合鱼精蛋白替换一般细胞中的组蛋白。,存在于大多数动物精子头部顶端的细胞器。但在硬骨鱼类的精子中没有看到。有覆在核顶端的、从核突出的、埋在核中的和成为核的细长的延长部的等等，有许多种形状。,精子的生成过程中应注意以下几点：,1、精原细胞A1是生殖干细胞，精子的发生可持续进行。,2、分裂过程细胞质分裂不完全，形成合胞体，细胞之间通过细胞间质桥沟通信息和物质的交流，因而使每群细胞同步成熟。,3、精子体小，有鞭毛的蝌蚪状，具有了运动能力和与卵子相互作用的能力。有顶体（高尔基复合体形成的囊状结构）、鞭毛（中心粒微管等构成），线粒体（环绕鞭毛基部），头（细胞核染色质凝集）。大部分细胞质抛弃。,一、卵子发生的过程（哺乳类动物）,卵子发生过程,：,增殖期、生长期和成熟期。,oogenesis,原生殖细胞,增殖迁入卵巢,卵原细胞,增殖、染色体复制,初级卵母细胞,停滞第一次减数分裂前期,至性成熟期,初级卵母细胞生长,排卵完成第一次减数分裂,次级卵母细胞和第一极体,受精,受精卵和第二极体,2.生长期,卵原细胞 初级卵母细胞,积累各种营养物质，合成和储存胚胎早期发育所需各类信息。,核仁增大增多、合成活跃，细胞核称为生发泡；核糖体、皮质颗粒、线粒体、营养物质合成积累,生长期缓慢,3.成熟期,初级卵母细胞减数分裂,两次停滞,如何解除停滞,初级卵母细胞的分裂是不均等的,初级卵母细胞分裂产生一个含有所有细胞质的次极卵母细胞和几乎不含胞质的第一极体。,精卵发生异同（人）,1、结构：精子通过发生形成的配子，实质上是一个,“,能运动的细胞核,”,，而由卵母细胞形成的配子却含有启动发育和维持代谢所需要的全部元件。,2、形态：精子小的蝌蚪状，卵子大的圆球形。,3、发生时间：精子发生从青春期开始进行，卵子的发生在胎儿期进行，出生时已基本完成，所有卵子处于第一次成熟分裂前期，并可维持40-50年。,4、成熟分裂方式：初级精母细胞经两次成熟分裂，产生四个同样较小的精子细胞。初级卵母细胞经两次成熟分裂已形成一个大的受精卵和3个几乎不含细胞质的小极体。,5、精卵的数目不同：人从青春期起，每时都有大量精子产生。人胚27个月间卵原细胞由1000个迅速分裂增至700万个，以后又迅速下降，到出生时只剩70200万个初级卵母细胞，青春期后逐渐发育成400500个次级卵母细胞，完成第二次成熟分裂的更少了。,母体通过基因表达产物在卵细胞中的储存和特异定位，影响和决定未来早期胚胎的发育设计，这些基因被称为母体决定基因(maternal gene)。,果蝇卵细胞的发育：每个卵原细胞经过4次分裂形成细胞质连通的16个细胞组成的克隆单位，但只有两个可发育成卵母细胞，其中一个发育未成熟卵细胞，其他分化成滋养细胞。最后卵细胞定位在滤泡顶端。,四、人类卵子的产生,1、,哺乳动物卵的成熟和排卵方式,交配活动的刺激完成排卵,：刺激导致垂体释 放促性腺激素卵巢排卵受精卵（如家兔、水貂）。,周期性排卵：雌体在特定的动情周期排卵。光照、温度等环境因素刺激下丘脑释放垂体促性腺释放因子垂体释放促卵泡激素和黄体生成激素卵泡发育成熟排卵。卵泡、黄体产生雌激素作用神经系统，使动物产生交配行为。动情和排卵同步发生。,精子的类型,精子的产生,动物精子类型,鞭毛型 哺乳动物和人,无鞭毛型 海洋和淡水无脊椎动物,精巢,减数分裂,精原细胞,精子细胞,精子,分化,1.哺乳动物的精子,顶体位于精核前端，囊泡状，其中含有多种水解酶，主要作用是溶解卵子的外膜。有些还有与精卵识别有关的分子。,整个精核是一致密结构，几乎看不到染色质丝和核仁，精子中所有的基因都不表达。,中心粒位于颈段，有一段纵行中央微管，线粒体环绕鞭毛基部。,头部,精核,中段,颈段,顶体,质膜,鞭毛,长约60,m,末段,主段,线粒体,尾部,头部扁平，包括顶体和精核。,尾部分为中段、主段和末段，主要结构是轴纤丝，是鞭毛中起推动作用的主要部分，具有典型的“92”结构，并附有动力蛋白臂。,鞭毛具有特殊的结构，主要由轴丝、外周致密纤维和线粒体鞘。由前到后由9条粗纤维减少为7条逐渐变细并消失。,结构组成（由外至内）,质膜外结构：,卵黄膜,(vitelline envelope),质膜(plasma membrane),卵质：,皮层,+,细胞质,卵核：二倍体OR单倍体,1.卵细胞的结构,在受精时可以调控特定的离子在卵子内外的流动，且能与精子质膜融合,能识别同一物种的精子，对受精的物种特异性有非常重要的作用。在哺乳动物中特称为透明带(zona pellucida)，紧靠着透明带的一层滤泡细胞(follicle cell)称为放射冠(corona radiata),具营养作用。,皮层(cortex)是质膜下一层约5um厚的胶状胞质，比内部的胞质硬，内有皮层颗粒(cortical granule)、色素颗粒和高浓度的肌动蛋白分子。,皮层颗粒(cortical granule)，含消化酶、粘多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，与形成受精膜、阻止多精入卵、为卵裂球提供支持有关。,色素颗粒,高浓度的肌动蛋白分子：受精时聚合成微丝，延伸到细胞表面形成微绒毛，帮助精子进入卵子。,皮层(cortex),卵质组成,卵黄,：不同动物卵黄量差别很大。,少黄卵（均黄卵）,端黄卵,中黄卵,线粒体,生殖质,2.卵细胞内主要生物成分,物质准备,：,成熟卵子,（卵质）,中合成和吸收了大量的物质,大量的蛋白质,核糖体和tRNA,mRNA,中期囊胚装换,形态发生因子,保护性化学物质,紫外线过滤装置、DNA修复酶、Ig等,第二节 受精过程,一、无脊椎动物的受精,1.,精卵识别,：精子的趋化性,2.,海胆顶体反应,3.,海胆的精卵融合,4.,海胆皮层反应与多精受精的阻止,5.,海胆卵的激活,6.,海胆雌雄原核的形成及融合,二、哺乳动物的受精,1.,精子获能,2.,精子的趋化性,3.,顶体反应,4.,皮层反应,5.,原核形成和融合,6.,精卵的识别,1.精卵识别具有种属特异性，即给定物种的卵子对同源精子的识别与结合具有绝对的特异性。原因在于雌雄配子表面具有某些结构互补的特异分子。,精子的趋化性,：Action at a distance,精子的趋化性（chemotaxis）是指精子根据化学浓度梯度直接向同物种的卵子运动的现象。,现已在许多动物中发现，其卵母细胞完成第二次减数分裂后，可以分泌具有物种特异性的的趋化因子如海胆的精子激活肽(呼吸活化肽resact)，引起线粒体呼吸作用和精子迁移性的迅速增长，构成卵周特有的微环境。,一、无脊椎动物的受精,顶体反应是指受精前精子在同卵子接触时，精子顶体产生的一系列变化。,顶体反应包括两个主要的事件：,顶体膜与精子质膜发生融合：顶体颗粒释放,顶体突起的形成：肌动蛋白 微丝,被认为是由卵胶膜中的海藻糖组成的多聚糖启动的。,2.海胆顶体反应(acrosomal reaction),4.海胆皮层反应与多精受精的阻止,海胆阻碍多精入卵的作用方式,海胆卵子细胞膜去极化引起的,快速的阻碍作用,；,卵子皮层颗粒的胞吐作用产生的一种,较慢的阻碍作用,；,生理性多精受精：,卵子细胞质降解额外精子的核酸或排出包含有额外精子核酸的细胞质。,快速阻碍多精入卵,卵膜中存在离子通道，卵膜的快速阻碍多精入卵作用是通过改变自身膜电位形成的。,精子进入卵细胞触发细胞膜静息电位迅速去极化，引起膜外精子与卵细胞识别和融合的障碍。,如人为维持原有的膜电位，可诱导多精受精现象发生；如改变正常的初始膜电位，则会阻止卵细胞的受精。,电位改变产生的快速阻止：海胆的第一个精子与卵质膜结合后的13秒内，因钠离子的流入而导致膜电位的迅速升高，从而阻止其它精子与卵膜的结合。,dd 形成受精膜的慢速阻止：海胆卵受精后2060秒内，质膜下的皮质颗粒与质膜融合，释放其内含物形成受精膜，阻止其它精子进入。,结合到卵黄膜的精子是通过皮层的小泡破裂，发生,皮层反应,被移除的；否则将导致多精入卵。皮层反应：当精子进入卵子时，皮层颗粒与卵膜发生融合，颗粒内容物被释放到卵膜和卵黄膜之间的区域卵黄周隙，这些释放物中有,几种蛋白质,在皮层颗粒反应中发挥了重要的作用,。,皮层颗粒反应慢速阻止多精入卵,结合到卵黄膜的精子是通过皮层的小泡破裂，发生皮层反应被移除的；否则将导致多精入卵。,皮层反应：当精子进入卵子时，皮层颗粒与卵膜发生融合，颗粒内容物被释放到卵膜和卵黄膜之间的区域卵黄周隙，这些释放物中有几种蛋白质在皮层颗粒反应中发挥了重要的作用。,皮层颗粒反应的作用机制与顶体反应基本相似，Ca,2,作为细胞内信使发挥了及其重要的作用。,研究证明，启动皮层颗粒反应的钙主要储存在卵细胞的内质网中，而不是卵外钙离子的内流。,卵细胞内的信号分子三磷酸肌醇IP3激活Ca,的释放，而IP3的产生是与GTP结合蛋白或酪氨酸激酶相关的。,钙的作用,二、,哺乳动物的受精,哺乳动物的受精过程,哺乳动物的精子需要在雌性生殖道中停留一个特定的时期，以获得对卵子受精的能力，这一过程称为精子获能（,capacitation,）。,哺乳动物精子获能的位置随物种的不同有很大的差异，如,许多啮齿类、猪和狗在输卵管获能,。,1、精子获能,（1）精子获能机制,现在认为获能与以下因素有关：,*,依赖cAMP的蛋白激酶A（PKA），可以抑制获能反应。,*,环-磷酸腺苷（cAMP）激动剂可诱发获能。,*,磷脂激活的蛋白激酶（PKC）可加速精子的获能。,*,酪氨酸激酶可影响获能反应。,*,雄性生殖道的受精促进肽，由前列腺分泌的一种三肽类物质，可促进获能反应和提高受精穿透能力。,精子的变化：,膜流动性的改变；表面特定的蛋白质或糖类丢失；钾离子流出钙离子流入膜电位降低；蛋白质,磷酸化。,（2）获能精子的变化,获能期间，精子的细胞膜发生了一系列变化，包括内膜分子重排、精子表面某些成分移除，但分子机制还不很清楚。,精子超活化,代谢变化,精子膜变化,精子获能最后阶段，精子运动表现出强有力、尾部呈“鞭打样”的不对称运动，称为-。,生理意义：有利于精子通过输卵管介质和放射冠的基质；增强摆脱输卵管上皮的能力；超活化是精子穿越放射冠和透明带的力学基础。,证据,主要表现为：以葡萄糖为主要能源，能量代谢明显增强；酶系及信号系统发生了改变-,cAMP、磷脂酶、第二信使；,顶体素原激活为顶体素。,精子膜结构重组，包括膜蛋白、糖基和膜脂成分的改变、膜流动性变化。,2.精子的趋化性,卵子或周围的滤泡细胞分泌趋化物质吸引精子向卵子运动。,3.哺乳动物的顶体反应,哺乳动物的顶体是一个帽状结构，覆盖于精核的前端。,顶体反应时，顶体膨胀，顶体帽部分的质膜与顶体外膜在多处发生融合，使顶体内的物质-水解酶从融合处释放出来。,顶体反应可受多种因素诱导,排卵期的卵泡液、孕激素、卵泡细胞间质、透明带等,精子顶体酶及其穿透作用,通过顶体反应释放的物质中含有大量的水解酶，因此顶体这一结构被认为具有类似溶酶体（lysosome）的功能。,精子顶体酶的功能是在卵子外围打一个洞，另外顶体反应还与精卵结合有关。,4.皮层反应,单精受精的机制即,多精受精阻断的机制：,许多精子都可以到达卵子的表面并与之吸附，但是通常只有一个精子能完成受精，称为单精入卵（monospermy）。,有些有尾两栖类可有多个精子进入卵内，但往往当一个精原核与卵原核发生结合后，其余的精原核均退化。,多个精子入卵受精称为多精入卵（polyspermy），将导致死亡或不正常的发育。,生命发展了多种机制防止多倍的染色体组融合，最普通的办法是阻碍多精入卵。,多精受精是很少发生的。,防止多精受精的机制可能是,（卵膜屏障、透明带屏障）,：,皮层反应：,精卵结合后，卵子的膜电位发生了变化，皮质颗粒的膜与卵膜融合，将内容物释放到卵膜周围的间隙中，膜融合使卵质膜结构发生了变化，形成了防止精子进入的屏障，不再与其它精子的膜融合。,透明带反应：,皮质颗粒内容物排出后，引起透明带一系列的变化，使透明带结合能力降低，对顶体蛋白酶的敏感性减弱，制止精子的穿透,。,哺乳动物不形成受精膜，但皮质颗粒中释放的酶对透明带中的精子受体分子进行修饰，使之丧失与精子结合的能力，因此，称为透明带反应。,(半乳糖基转移酶(GalTase)可与ZP3分子上的N-乙酰葡糖胺结合，使精子G蛋白激活并诱导顶体反应。卵激活时皮质颗粒释放出来的N-乙酰葡糖酶能对ZP3上的GalTase结合位点进行修饰，由此阻断透明带外围的精子与受精卵结合。）,雌雄原核的形成,单倍体的精子核进入卵细胞后，解凝聚形成雄原核（male pronucleus），卵细胞核则形成雌原核（female pronucleus）。,精核形成雄性原核的过程受到卵子的严格控制。,精子入卵时线粒体与鞭毛在卵细胞内降解，因此线粒体基因一般认为是母源性的；但中心体是父源性的。,5.遗传物质的融合,哺乳动物精卵的特异性识别发生在卵细胞的透明带（zona pellucida）部分。,小鼠透明带中含有ZP3 糖蛋白，它与ZP1、ZP2以网状的骨架结构存在于透明带中。ZP3能结合精子，并引发顶体反应。,6.哺乳动物的精卵识别,第三节 受精后卵质的重排,卵细胞受精后引起卵细胞成分的重新排比和分配称为卵细胞质重排，这种重排对于以后发育过程中细胞的分化至关重要。,在卵裂过程中，胞质中含有的形态形成决定子被分配到特定的细胞中去，最终导致特定的基因被激活，从而使不同的细胞获得不同的特性。,卵裂的准备,卵裂启动的机制因物种的不同而不同，主要依赖于受精时减数分裂所处的时期。,胞内Ca,2,浓度的增加启动了细胞分裂所需要的细胞器。,第一次卵裂的位置不是随机的，而是由精子的进入点和卵质的旋转方向所决定的。,作 业,试述哺乳动物受精的过程,防止多精受精的机制（单精受精的机制）,第三章,卵 裂,第一节,卵裂方式与囊胚形成,一、完全卵裂,二、不完全卵裂,第二节 卵裂的机制,一、卵裂细胞周期及调控,二、细胞质分裂,引言:关于卵裂,1.概念：,受精卵经过,连续快速的有丝分裂,形成许多较小的、有核的细胞，形成一个多细胞生物体的过程称为卵裂(cleavage)。,卵裂过程中形成的细胞称卵裂球(blastomere)。,卵裂期是指受精卵开始有丝分裂并产生由较小细胞构成的胚胎的过程。,卵裂晚期，哺乳动物等的胚胎卵裂球达1216个细胞形成实心多细胞球体，称桑椹胚(morula);之后伴随细胞数目的增加，多数动物卵裂晚期胚胎中空而形成一个囊状结构，称为囊胚(blastula)。,2.卵裂的,主要特点,及结果,卵裂时，大多数物种在卵裂时胚胎的体积并不增大。合子细胞质不断地被二等分分到越来越小的细胞中。,细胞在两次分裂之间没有生长期，卵裂期细胞核以极高的速度分裂，直到原肠后期细胞分裂速度才显著放慢。,卵裂属于典型的有丝分裂，但和以后发育阶段的细胞分裂有区别。,2、卵裂的,主要特点,卵裂球快速分裂，,分裂周期短,;,分裂球,数目快速增加，,体积越来越小：,海胆胚胎的质,/,核,比由550降至6,;,卵裂常经历由均等裂向不均等裂变化。,早期卵裂中合子基因大多处于休眠状态；,随着卵裂的进行，卵裂球出现,分化差异,。,对大多数物种而言（尤其是无脊椎动物），细胞分裂的速度及卵裂球的相互位置主要是由母本储存在卵母细胞中的蛋白质和mRNA控制的。,通过有丝分裂分配到各卵裂球中的合子基因组，在早期卵裂胚胎中并不起作用，即使用化学物质抑制转录，早期胚胎也能正常发育。,随着卵裂进行，细胞质中活化或阻抑某些基因活动的因子不均等的分配到各卵裂球中，各球中细胞质出现了差异，质与核之间的相互作用使细胞出现分化差异。,人类二细胞期的卵裂球无明显的分化，若二个卵裂球分开，可各自发育成一个完好的胚体。,在多数生物的胚胎中，核质比值的成倍增加是决定某些基因定时开始转录的因素。,非洲爪蟾的胚胎，直到第12次卵裂，合子的基因组才开始转录（中期囊胚转换）。,胚胎细胞中染色质含量愈高，这种转化（合子型基因的打开）发生愈早。,如果核内染色质是正常情况的2倍，这种转化将提前一个周期发生。,因此新合成的染色质能感受卵内一些因子的量的变化。,Holoblastic,全卵裂,Radial,辐射型:,海鞘、海胆、两栖类,Rational,旋转型:,哺乳动物,Spiral,螺旋型:,螺、蚌、软体动物、,纽形动物、多毛类动物,Discoidal,盘状偏裂：,鸟类、鱼类等端,黄和极端端黄卵,Meroblastic,偏裂,Superficial,表面裂:,中黄卵(昆虫),卵裂类型,一、,完全卵裂,1.,辐射式卵裂,海胆,两栖类,2.螺旋式卵裂,环节动物、涡虫纲动物、纽形动物门动物以及除头足纲外的所有软体动物的卵裂是,螺旋式卵裂,。,3.两侧对称式卵裂,水螅,4.旋转式卵裂,哺乳动物,基本特征：1）每个卵裂球的有丝分裂器与卵轴垂直或平行；2）卵裂沟将卵裂球分成对称的两半。,特征：1）卵裂的方向与卵轴成斜角，2）细胞之间采用热力学上最稳定的方式堆叠，细胞间接触的面积更大，3）只经过较少次数的卵裂就开始了原肠形成。,海胆卵裂与囊胚形成,经-经-纬-经,第4次卵裂后开始不均等分裂；,第7次分裂后产生128细胞，此时细胞之间紧密连接形成中空球形体，即为囊胚。,动植物极卵裂球分化命运不同，,植物极的micromeres是生骨中胚层命运，具有启动原肠作用、诱导第二胚轴的活性。,海胆的辐射性全卵裂,经线裂(meridional cleavage):指卵裂面与卵轴平行与卵的赤道面垂直,的卵裂方式。,纬线裂(equatorial cleavage):指卵裂面与卵轴垂直与卵的赤道面平行的卵裂方式,。,蛙卵囊胚腔的形成,蛙类的囊胚腔的形成：第一次分裂后两个子细胞的动物极端相接触，产生一个裂缝，它将扩大成为囊胚腔。,16-64细胞期为桑椹胚，128细胞期即出现囊胚腔，形成囊胚。,囊胚腔的作用：有利于原肠作用期细胞的移动、防止囊胚腔上下细胞的过早交流。,蛙囊胚腔内体液的积累与离子转运有关,。,随着囊胚腔内离浓度的增加，水分就通过渗透作用进入进入囊胚腔内。囊胚腔内液体的积累对囊胚腔壁造成一个向外的力压力，这种静水压是参与形成和维持囊胚为球形的一个重要作用力。,螺旋型全卵裂：均为经线裂。第三次分裂前，卵裂球内的纺锤体转动45度，然后向动物极方向出芽小卵裂球。其后的大卵裂球以同样方式不均等分裂产生一大一小子分裂球，而小分裂球只生成小卵裂球。形成的囊胚无囊胚腔。,蜗牛的螺旋式卵裂,蜗牛的左旋和右旋螺旋式卵裂,在第三次卵裂时小卵裂球位于大卵裂球的顺时针方向或斜右方的卵裂方式称为右旋卵裂。,在第三次卵裂时小卵裂球位于大卵裂球的逆时针方向或斜左方的卵裂方式称为左旋卵裂。,两侧对称式卵裂主要发现于水螅中，其主要特征是：,第一次卵裂平面是胚胎的唯一对称面，它将胚胎划分为左右成镜像对称的两部分;,第二次卵裂也是经裂，但不通过卵子的中心;,第三次卵裂是纬裂，生成一层动物极卵裂球和一层植物极卵裂球;,第四次卵裂是不规则的;,第五次卵裂形成一个小的囊胚。,随着卵裂的进行，不同颜色的细胞质被分配到不同的细胞并决定其分化。,水螅的两侧对称式卵裂,水螅的两侧对称式卵裂 A 未分裂的受精卵中各种细胞质的分布；B 8细胞期的胚胎；CD 从植物极方向观察的囊胚,旋转型卵裂的特征,哺乳动物卵裂球的compaction:发生第三次卵裂后不久,(1)卵裂速度缓慢；,(2)第1次为经裂，其后的2个卵裂球各采用不同的卵裂方式，一个是经裂，一个是纬裂；这种卵裂的方式称为交替旋转对称式卵裂。,(3)早期卵裂不同步，因此哺乳动物的胚胎常常含有奇数个细胞。,(4)基因组在卵裂的早期就被激活并表达出进行卵裂所必需的蛋白。,(5),哺乳动物与其他卵裂方式一个关键区别是存在胚胎的紧缩（compaction）现象。,紧密化过程,在8-细胞阶段前的卵裂球之间有足够空间呈松散型排列，,在第三次卵裂后,，卵裂球的行为发生了改变，各卵裂球突然相互靠近，相互之间的接触面积达到最大形成一个紧密的细胞球，称紧密化。,紧密化的细胞分裂后，形成16个细胞的桑椹胚，在桑椹胚中有1-2个细胞属,内细胞团,，并由大多数的外层细胞所包围。,细胞球外层细胞之间有紧密连接，可将球内部的细胞与外环境隔绝，起稳定细胞球的作用。球体的内部细胞之间有间隙连接（gap junction）相连，可以交换小分子和离子,。,内细胞团形成,内细胞团发育成胚胎本身，外层细胞成为支持胚胎发育的结构。,内细胞团的产生是哺乳动物早期发育的关键步骤之一。,内细胞团发生的重要决定的作出仅仅依赖于细胞于某一正确时间出现在某一正确的位置。,一个细胞是否成为胚胎或滋养层细胞，完全取决于压缩作用后细胞所处的位置是位于外周还是内部。,通过标记不同的卵裂球等方法证实，紧密化作用后位于外层的细胞将形成滋养层细胞，,而内部的细胞将发育成胚胎。,双胞胎和胚胎干细胞,早期胚胎的细胞之间可以相互转换和补偿，内细胞群的细胞被看作是一个“等价群体”或是“多能母细胞”。,去掉2-细胞期兔胚的一个细胞，留下的另一个细胞仍可以发育成完整的胚胎。滋养层细胞则不能。,人类的双胞胎被分为两类：同卵双生和异卵双生。,异卵双生是两个卵分别受精的结果。,同卵双生则源于同一胚，胚中的细胞由于不明原因相互分离导致产生双胞胎。同卵双生可以通过早期胚卵裂球分离，甚至是同一囊胚中内细胞团一分为二而产生。,在研究双胞胎,嵌合小鼠时发现，内细胞团中的每个分裂球均能产生身体中任何细胞类型。,当内细胞团细胞被分离，并在一定条件下生长时，它们会在培养过程中保持未分化的特征，并可持续不断地分裂。这些细胞被称为胚胎干细胞。,在培养过程中可改造这些细胞，例如，可将克隆的外源基因插入到它们的核内，或直接改造其基因等。,利用胚胎干细胞进行基因敲除（gene knock-out）和构建转基因动物已经成为一种非常重要的、用于研究哺乳动物发育过程中基因功能的手段。,哺乳动物囊胚形成,紧缩后的胚胎继续分裂，形成16个细胞的,桑葚胚,。,通过成腔作用，滋养层细胞像桑椹胚中分泌液体产生囊胚腔，内细胞团位于滋养层细胞环的一侧，此时称为,胚泡,。是哺乳动物卵裂的另一个标志。,二、不完全卵裂,概念：在某些卵黄物质特别多的卵子（如端黄卵和中黄卵）中，卵裂时卵裂沟仅停留在动物半球或卵子中无卵黄聚集的细胞质部分。,分类：,1.盘状卵裂盘状囊胚,(1)鸟类,(2)鱼类,2.表面卵裂表面囊胚,昆虫,鸡胚的表面卵裂,胚盘为动物极直径约23mm,的胞质区，前3次卵裂经线裂，发生在输卵管中，胚盘为单细胞层，仍与卵黄相接触。,鸡胚进入子宫后，才发生纬裂，形成56个细胞厚的胚盘。,胚盘细胞从稀蛋白吸取液体后，与卵黄分裂，形成胚盘下腔(subgerminal cavity)。该腔使胚盘中央区透明，叫明区(area pellucida)；而边缘区的细胞仍与卵黄接触使其不透明，叫暗区(area opaca)。,上胚层(epiblast)将形成胚胎本体；下胚层(hypoblast)将产生胚外结构如卵黄囊柄和连接卵黄和内胚层消化管的蒂。,鱼类的盘状偏裂,鱼类的多卵黄卵的发育与鸟类相似，细胞分裂仅仅在动物极胚盘中发生。,早期卵裂伴随着高度重复的经裂纬裂模式，分裂速度很快。最初的几次分裂同步发生，形成一堆屹立在卵细胞动物极的细胞。,约从第10次分裂开始，中期囊胚进入由母型调控向合子型调控的过渡期。,斑马鱼受精卵的前5次卵裂均为经线裂，产生的32个细胞为单层分布于卵黄上。其后的分裂方向不规则。囊胚期开始于128细胞期,属盘状囊胚。,表面卵裂,表面卵裂的特征：直到核已经分裂，细胞还不能形成。,昆虫受精卵为表面卵裂。,合子型的核于卵