发育生物学第十六章 生殖细胞的发生[高等教学]

1、线虫、昆虫、脊椎动物和其他许多动物的 生殖细胞（germ cell）和体细胞（somatic cell）在很早期的发育阶段就有明显的分 化。 也有不少动物如腔肠动物、扁虫等，其体 细胞与生殖细胞的分化并不确定，在一定 的条件下能够转化为生殖细胞。 1严选课件 n1. 生殖质与生殖细胞的分化 n2. 原始生殖细胞的迁移 n3.精子发生（spermatogenesis） n4. 卵子发生( oogenesis) 2严选课件 一、生殖质与生殖细胞分化一、生殖质与生殖细胞分化 在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物， 其生殖细胞来源于原生殖细胞（primordial germ cell，PGC）。原生

2、殖细胞经过迁移， 进入发育中的生殖腺原基生殖嵴（genital ridge）分化成为生殖细胞。而原生殖细胞的 起源可以追溯到更早期的胚胎发育阶段。 3严选课件 有些动物的卵细胞质中存在着具有一定形 态结构、可识别的特殊细胞质生殖质 （germ plasm）。生殖质由蛋白质和RNA 组成，定位于卵质的特殊区域，具有生殖 质的细胞将分化成为原生殖细胞。 各类动物生殖质的形态结构和特性、原生 殖细胞的形成及其迁移有较大的差异。 4严选课件 1. 线虫的线虫的P颗粒颗粒 线虫第4次卵裂结束时，便产生了生殖细胞 谱系，所有的生殖细胞都来自P4分裂球。线 虫未受精卵中均匀分布的生殖质P 颗粒 (poste

3、rior granules) ，在受精后迅速地集中 到预定胚胎的后部。生殖细胞形成和P颗粒 分布的关系说明，P颗粒可能对于生殖细胞 的分化具有重要的作用。 5严选课件 P颗粒在受精过程和第一次卵裂过程中的不对称定位 6严选课件 26细胞期时全部P颗粒都在P4细胞中 7严选课件 Par-3突变体内actin和P颗粒的异常分布 8严选课件 9严选课件 10严选课件 2. 果蝇的极质果蝇的极质 卵细胞内特殊的生殖质决定生殖细胞的发育 命运，最清楚的例子来自对果蝇的研究。 果蝇的原始生殖细胞最早发现于受精后90 min，这些原生殖细胞位于胚胎的后端。胚 胎后端的细胞质内含有特殊的极质（pole pla

4、sm）颗粒，其内含有蛋白质和多种RNA。 11严选课件 果蝇的极质 A. 果蝇极细胞极质的 透射电镜照片。 B. 卵裂结束前的 早期果蝇胚胎极细胞的扫描电镜照 片。 12严选课件 两个主要的实验证实了极质（pole plasm） 可以促进生殖细胞发育命运的特化。 第一，如果用紫外线照射卵的后端，破坏 极质的活性，便没有生殖细胞形成。 第二，移植果蝇的极质能够引起生殖细胞 分化。 如果将卵的后极移植到另一个胚胎的前端， 极质所包围的细胞核便分化形成生殖细胞。 如果将卵前端这些细胞移植到将来发育为 生殖腺的区域，它们就可以发育为有功能 的生殖细胞。 13严选课件 移植果蝇极细胞质能够治愈射线照射引

5、起的生殖细胞不发育。 14严选课件 15严选课件 16严选课件 有些母体效应基因（maternal effect gene） 的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作 用。 17严选课件 18严选课件 19严选课件 20严选课件 A. staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因 的表达。B. 研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的作用 顺序。 21严选课件 决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因 1. gcl (germ cell-less): gcl基因在卵的生成过程中由 营养细胞转录，受精后开始翻译，其蛋白定位在 极质中。缺失

6、该基因导致果蝇无生殖细胞。 2. 另外在果蝇的极质中还发现了一些可能参与PGC 形成的基因产物，如: nanos 基因、 线粒体大核 糖体RNA ( mtlrRNA, mitochondrial large ribosomal RNA) 以及 极粒成分（polar granule component, pgc）的非翻译RNA等。 22严选课件 果蝇gcl基因产物定位于受精卵和早期胚胎的后端。 23严选课件 3. 爪蟾的生殖质爪蟾的生殖质 两栖类原生 殖细胞的发 生部位定位 在卵细胞的 植物极，在 这一部位发 现有类似于 果蝇P颗粒染 色性质的胞 质成分存在。 （Bounoure， 1934）

7、24严选课件 蛙受精 的合子 中生殖 质成分 （种质） 靠近植 物极。 25严选课件 桑椹胚 内胚层 区里含 有种质 成分的 细胞的 有丝分 裂。 26严选课件 在原肠胚形成启 动时，靠近囊胚 腔底面的原始生 殖细胞。 27严选课件 4. 小鼠：小鼠： 没有证据表明小鼠与其他哺乳动物生殖细胞 发生与生殖质的关系。小鼠生殖细胞发生 涉及细胞之间的相互作用。 小鼠胚胎中最早能够识别的PGC位于原条后 端。 28严选课件 二、原始生殖细胞的迁移二、原始生殖细胞的迁移 不同动物在生殖腺原基发生时，原生质细 胞以不同的方式迁移进入生殖腺原基，在 那里进行生殖细胞的分化。 29严选课件 1. 果蝇原始生殖

8、细胞的迁移果蝇原始生殖细胞的迁移 果蝇原始生殖细胞起源于胚胎的后端，经后中肠穿过肠壁和中胚 层，形成两个分离的队列，最终聚集在生殖腺中。30严选课件 2.2.两栖类原始生殖细胞的迁移两栖类原始生殖细胞的迁移 两栖动物的生殖质定位在卵的植物极，用紫 外线照射胚胎植物极之后，生殖腺中将缺少 生殖细胞。 原始生殖细胞迁移路线：植物极-囊胚腔底 部细胞的分裂沟附近-原肠腔底部内胚层- 幼虫后肠聚集沿肠背部迁移至生殖嵴中。 每个生殖嵴有30 PGC。生殖嵴细胞内的一 些因子是PGCs定向迁移的重要因素。 31严选课件 32严选课件 3. 鸟类和爬行类生殖细胞的迁移鸟类和爬行类生殖细胞的迁移 33严选课件

9、 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。 34严选课件 35严选课件 36严选课件 4. 哺乳动物生殖细胞的迁移哺乳动物生殖细胞的迁移 A. 在卵黄囊 靠近后肠和 尿囊连接处 可观察到原 始的生殖细 胞。 B. 原始生殖 细胞经过肠、 肠系膜的背 面迁移到生 殖嵴。 37严选课件 C. 小鼠胚胎后肠里大的原始生殖细胞，示碱性磷酸酶的表达。D. 原 始生殖细胞沿背肠系膜迁移并进入生殖嵴中。 38严选课件 哺乳动物原始生 殖细胞的迁移途 径示意图。 39严选课件 40严选课件 41严选课件 6.6.生殖细胞定向分化的决定生殖细胞定向分化的决定 迁移进入生殖

10、腺原基的原生殖细胞具备两种发 育潜能，由生殖腺内的微环境决定分化成为精 子或卵子。 这里涉及两种决定：第一种决定是生殖干细胞 是进入减数分裂进行配子发生还是进行有丝分 裂成为生殖干细胞。第二种决定是进行减数分 裂的细胞是发育为卵子还是精子。 42严选课件 位于线虫生殖腺末端的远端细胞对生殖干细胞 进行有丝分裂还是减数分裂具有调控作用。 43严选课件 44严选课件 45严选课件 线虫生精或生卵的分子机制 46严选课件 三、精子发生三、精子发生 一、精子发生（ spermatogenesis ） 脊椎动物的PGCs到达雄性胚胎的生殖腺原 基后，立即进入性索，然后停留在那里直 到成熟。性索发育成为生

11、精小管，其管上 皮细胞分化形成支持细胞（sertoli cell）。 PGCs分裂形成精原细胞。 47严选课件 哺乳动物支持细胞和精子的发育，细胞在成熟过程中 不断向生精小管腔推进。48严选课件 49严选课件 二、 精子形成(spermiogenesis) 高尔基体形成顶体泡，中 心粒产生精子鞭毛，线粒 体整合入鞭毛，核浓缩， 胞质废弃，最后产生成熟 的精子。 50严选课件 人类精子结构示意图 51严选课件 四、卵子发生四、卵子发生( oogenesis)( oogenesis) 1. 卵母细胞的减数分裂卵母细胞的减数分裂 卵子发生除了形成单倍体的细胞核之外，还 要建立一个由酶、mRNA、细胞

12、器和代谢产物 等组成的细胞质库，具备十分复杂的胞质体 系。其次卵母细胞有很长的减数分裂前期， 使卵母细胞充分生长。 52严选课件 53严选课件 54严选课件 人类卵巢中生殖细胞数目的变化 55严选课件 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。 56严选课件 孕酮能促进卵母细胞继续减数分裂。其作用 机理：孕酮使卵内一种编码pp39mos 的 mRNA开始翻译， 而pp39mos能抑制一种专 一性降解细胞周期蛋白(cyclin) 的蛋白酶。 如果cyclin不降解，蛋白质激酶促成熟因子 （maturation promoting factor, MPF

13、） 就会 保持其活性，使阻断的减数分裂继续。 57严选课件 3. 昆虫的卵子发生昆虫的卵子发生 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。 58严选课件 59严选课件 滋养细胞合成mRNA, rRNA，甚至是完整的核糖体，并通过细胞 间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞（1#） 里。 60严选课件 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。 61严选课件 62严选课件 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） 63严选课件 非洲爪蟾卵母细胞卵黄小板由动