发育生物学1-9章全

1、发育生物学Developmental Biology生命既丰富多彩又非常奇妙绪论Metamorphosis胚后发育:两栖类变态鲆鲽类发育变态When the summer flounder (Paralichthys dentatus) larva is about 10 mm long, the right eye begins to migrate over to the left side of the fish via a process that involves bone resorption and rotation of the fishs neurocranium. The

2、entire metamorphosing process occurs quickly, over about a 5-day period in starry flounders, in less than 1 day in some species. Developmental Processes什么是发育发育是生命活动的共同属性。从单细胞生物到多细胞生物，从原核生物到真核生物，任何生物体都有一个发生、发展、终结的有序变化过程，其体制、结构和功能亦随之经历由简单到复杂然后衰退的变化。发育产生细胞的多样性并使各种细胞在本世代有机体中有严格的时间和空间的次序性，世代重复出现，保证生物世代的交

3、替和生命的连续。本课程的主要讲授内容序言：发育生物学中的一些基本原理；发育生物学中的动物模型；发育生物学中的现代技术。胚胎的早期发育：卵裂、原肠作用、神经胚作用。细胞分化的机制：侧重基因表达的调控对组织器官形成和分化的影响。发育过程中的细胞互相作用经典而重要的热点问题：性别决定与生殖细胞，老化与寿命，体重肥胖与疾病，干细胞培养与动物克隆教材及参考书Lewis Wolpert主编： Principles of Development，1998.Klaus Kalthoff:Analysis of Biological Development，2nd edition, 2001.Bruce M.

4、Carlson: Human Embryology & Developmental Biology, 2nd Edition,1999.Scott Gilbert编:Developmental Biology，6th Editions, 2000.发育生物学 ， 尤永隆, 林丹军, 张彥定主编 ，科学出版社 2011 发育生物学 ，王方海，金立培编著，中山大学出版社2011发育生物学 ， 安利国主编 ，科学出版社 2010发育生物学，张红卫主编，高等教育出版社，2005 年10 月，第二版发育生物学，桂建芳主编，科学出版社，2005 年8 月，第一版发育生物学相关期刊Developmental

5、 Biology Web ResourcesDevelopmental Biology OnLine (Univ. of Wis.)The Virtual Embryo (Univ. of Alberta, Canada)The Visible Embryo (U. C. San Fran.)The Human Embryo (Univ. Penn.)Developmental Markers (Univ. of Texas)Society for Develop. Biology (Purdue Univ.)Develop. Biology Resources (Purdue Univ.)D

6、rosophila WWW Library (Stanford Univ.)Randall Moons Lab (U. Washington)Paul Macdonalds Lab (Stanford Univ.)FlyBase Drosophila Database (Indiana Univ.)Sea Urchin Embryology (Stanford Univ.)FishScope (Univ. of Washington)Zygote (Swarthmore)Zebrafish Develop. Database (Univ. of Oregon)第一篇 基本原理与研究技术第一章发

7、育生物学的发展简史 一 、发育生物学是研究生物发育本质的科学。发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学、生化与分子生物学。 同一受精卵分裂产生的细胞怎样变得不同？ 这些不同的细胞如何构成不同组织器官？受到哪些基因调控？这些基因间如何相互作用？这些相互作用如何导致生理效应？ 是什么在控制细胞的行为，以至出现高度有序的发育模式？ 发育组织者及其作用要素如何隐含在受精卵之内，特别是遗传物质-DNA之内？胚胎学从动物受精到出生之间有机体的发育，即胚胎发育。有机体的发育在出生后并未停止，大多数成年生物体依然继续发育。因此，发育生物学研究内容包括胚后发育。发育生物学与胚胎学发育生物学应用现代生物学技术研究生物

8、发育现象与本质。主要研究多细胞生物从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长、衰老和死亡即生物个体发育(ontogeny)中生命过程发展变化的机制。研究生物种群系统发生(phylogeny)的机制。Life Tree二、发育生物学发展简史1、后成论(epigenesis)和先成论(preformation)之争 希腊哲学家Aristotle在公元前第4世纪在对鸡胚和一些无脊椎动物胚胎观察后提出胚胎发育的两种假设： Preformation:生物个体的一切组成部分都早就存在于胚胎中，各个部分随着胚胎的发育而长大。Epigenesis: 在胚胎的发育过程中，各种结构是逐渐形成的。17世纪，精原学说的代

9、表人物Nicholas Hartsoeker所想像的精子中的微型人法国科学家Bonnet(1745)提出胚胎发育套装论:动物卵子包含由它生出的所有后代个体。(卵原学说)17世纪，意大利胚胎学家 Marcello Malpighi观察到的鸡胚19世纪30年代末：Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出细胞学说(cell theory)。1840, August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化出不同组织，从而否定了preformation论。19世纪对Sea Urchin

10、受精卵的观察发现，受精卵含有两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含有遗传的物质基础。19世纪末，染色体的发现和发现染色体数目在发育中的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。2、细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念3、遗传学、分子生物学与发育生物学相伴而来1900年，孟德尔遗传定律研究遗传元素在世代间的传递。1909年荷兰植物学家Wilhelm Johannsen提出基因型和表现型的概念，首次使遗传学和胚胎发育学发生关系。20世纪40年代证明：DNA是遗传物质，控制蛋白质的合成。20世纪50年代发现：DNA为双螺旋结构。20世纪60年代：三联体密码被破解。20世纪70年代：DNA重组技

11、术出现。20世纪80年代：转基因技术出现。20世纪90年代：动物克隆技术出现。世纪之交：HGP(human genome project)。新的突破：stem cells, proteomics, conditional gene knockout, mutagenesis第二章 发育的细胞和分子基础 发育是物种遗传特性的表达和展现, 是遗传信息按照特定的时间和空间表达的结果, 是生物体基因型(genotype)与内外环境因子相互作用, 并逐步转化为表型(phenotype)的过程. 细胞分化（Cell differentiation） Question I形态发生（Morphogenesis

12、）Question II 区域特化（Regional specification）器官发生（ organogenesis）生长（Growth）Question III繁殖（Reproduction）Question IV进化（Evolution）Question V与环境的关系（Environmental integration ）Question VI 二、发育生物学的疑难问题Question I-分化（Differentiation）Restriction of cell potency全能细胞-多能细胞-终极分化细胞 * (1014 cells/250 types of cells in

13、 the human body)Question II-形态发生（Morphogenesis）最突出的形态变化发生在原肠作用开始之后。*Question III-生长（Growth）体积会显著增长，原因在于细胞数量增加、细胞体积增加和胞外物质的积累。不同组织器官生长速度各异。*Question IV-繁殖（Reproduction）Sex Determination and Gametogenesis*Question V-进化 (Evolution）How do changes in development create new body forms?鸟翼由四足动物前肢演化而来。*Quest

14、ion VI-环境（Environmental integration）Environmental regulation of animal developmentPredator-induced defensesGenotype vs Phenotype*发育生物学成为生命科学研究的前沿和主战场Science 2005, 309: 78-102. What dont we know? What is the biological basis of consciousness?Why do humans have so few genes?To what extent are genetic

15、variation and personal health linked?How much can human life span be extended?What controls organ regeneration?How can a skin cell become a nerve cell?How does a single somatic cell become a whole plant?Are we alone in the universe?How and where did life on earth arise?What determines species divers

16、ity?What genetic changes made us uniquely human?How are memories stored and retrieved?How did cooperative behaviour evolve?How will big pictures emerge from a sea of biological data?How far can we push chemical self-assembly?Can we selectively shut off immune responses?Is an effective HIV vaccine fe

17、asible?How hot will the greenhouse world be?How do organs and whole organisms know when to stop growing?How can genome changes be inherited?How is asymmetry determined in the embryo?How do limbs, fins, and faces develop and evolve?How much do vertebrates depend on the innate immune system to fight i

18、nfection?What triggers puberty?Are stem cells at the heart of all cancers?Why doesnt a pregnant woman reject her fetus?Do pheromones influence human behavior?What is the biological root of sexual orientation?What dont we know?(60 out of 100 questions are biology-related; and 10 development-related)发

19、育生物学对社会的影响In vitro fertilization 试管婴儿Artificial insemination by donor 人工授精异常发育机制：Teratology (Developmental toxicology)畸形CancerHIV胎儿酒精综合征(fetal alcohol syndrome; FAS)FAS患者身体和心理发育迟缓-头小,人中模糊不清,上唇狭窄,鼻梁较低.平均智商68左右;足龄16.5岁FAS患者所掌握词汇与6.5岁正常儿童相当,数学能力只有4年级水平.嗜酒母亲所生婴儿30-40%患FAS.三、发育的细胞基础(一)、发育的基本阶段（ major dev

20、elopmental processes） 受精（fertilization）、卵裂（cleavage）、原肠形成（gastrulation）、器官发生（organogenesis）、变态（metamorphosis）和成熟（maturity）一般来说，前四个阶段统称为胚胎发生期（embryogenesis），然后为变态期和成体期。动物发育的基本阶段及其主要特征（二）、发育的细胞共性事件细胞分裂（cell division): 满足了细胞的快速增殖和发育进程细胞分化（cell differentiation）:为机体细胞的多样性提供了保证模式形成（pattern formation）: 使细胞

21、分化按一定的时空顺序发生，确立了机体的统一性细胞迁移（cell migration）:为器官发生提供了细胞来源细胞凋亡（apoptosis）:抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及时清除1. 细胞分裂 Cell division: 受精，是2个单倍体配子精子和卵子，融合形成二倍体合子的过程，此过程刺激了卵子的发育。卵裂同时开始。 Cleavage: 细胞分裂快、没有细胞生长的间歇期，因而新生细胞的体积比母细胞小。2.模式形成Pattern formation: (1)原肠胚形成（gastrulation).2. 模式形成Pattern formation: (2) 躯体轴线的制定发育的分子基础是基因

22、的特异表达，是基因按照特定的时间和空间表达的结果，是生物体基因型（genotype）与内外环境因子相互作用，并逐步转化为表型（phenotype）的过程。（一）基因控制细胞行为 是通过控制细胞中的蛋 白质的生成而实现的四、发育的分子基础(二)、发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的发育时间细胞命运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。细胞决定Determination:指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。细胞特化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。(三)、诱导信号的相互作用可使

23、细胞互为不同，改变发育命运扩散性信号分子跨膜蛋白的直接互作间隙连接(gap junction)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 fatenon-autonomous cell fate诱导信号实质上是一些具有独特功能的蛋白因子(四)、胞质决定子（determinant）的不均匀分布及细胞的不对称分裂使细胞具有不同的特性第三章 发育生物学研究技术和方法 发育是物种遗传特性的表达和展现, 是遗传信息按照特定的时间和空间表达的结果, 是生物体

24、基因型(genotype)与内外环境因子相互作用, 并逐步转化为表型(phenotype)的过程. 一、显微注射（microinjection）【实验原理】 显微注射技术是利用显微操作系统将外源目的基因直接注入到受精卵的原核中，使外源基因整合到受体细胞的基因组内，再通过胚胎移植技术将整合有外源基因的受精卵移植到受体动物的子宫内发育，从而获得转基因动物。可直接用不含有原核载体DNA片段的外源基因进行转移；外源基因的长度不受限制, 可达100kb ；实验周期相对比较短。不足：设备昂贵；操作复杂；导入外源基因整合位点和拷贝数无法控制；常导致插入位点附近宿主DNA 片段缺失、重组等突变，可造成动物严重

25、的生理缺陷。二、原位杂交核酸原位杂交技术就是利用放射性或非放射性标记的已知核酸探针，通过放射自显影或非放射检测系统在组织、细胞及染色体上检测特异DNA或RNA序列的一种技术，是一种直接、简便的研究基因定位和表达的方法。核酸探针是指用放射性同位素、非放射性荧光染料直接或间接标记的，能与特定的核酸序列发生特异性互补的已知DNA或RNA片段。根据其来源和性质可分为cDNA探针、基因组DNA探针、寡核苷酸探针、RNA探针等。基本原理当溶液中的DNA分子经高温或高PH处理后，DNA双链分子会变性产生两条单链，如果将温度逐渐下降或PH恢复到中性，单链会按照碱基互补配对的原则，重新形成氢键恢复到原来的双链结

26、构。如果两条单链的来源不同，只要它们之间的碱基顺序同源互补或者部分同源互补，在条件适宜时，就可以全部或部分复性，产生分子杂交。全胚原位杂交（whole mount in situ hybridization, WISH）广泛用于胚胎发育调控基因表达研究的一种技术【实验原理】用各种标记物标记与体内特定mRNA互补的RNA分子（反义RNA），以它们作为探针与动物的整体胚胎进行原位杂交，然后用相应的抗体来检查特异探针的分布情况。2. 胚胎组织切片原位杂交解决了探针不能渗入到胚胎内部的问题 mRNA的检测原位杂交(in situ hybridization)利用原位杂交技术研究基因表达的时空谱mRNA

27、的检测第四章 发育生物学研究中的主要模式动物 由于地球上的生物体具有共同的进化祖先，在生命的基本模式上具有相同的特征，因此生物学家在研究生命活动的基本规律和人类自身生理病理的过程中，为了研究的方便和可行，常常选用一些特定的物种或者有别于研究主体的生物，这些被选用的生物称为模式生物。 模式生物的特点有: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. 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；1. 黑腹果蝇Drosophila melanogaster: Insect mo

28、del (一) Invertebrate Models果蝇优势：5. 基因组序列已全 部测出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)6. 染色体巨大，易于定位是目前遗传背景最清楚的物种。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，普遍存在于昆虫到人的基因组中，是决定体轴形成的最基本因素。2、秀丽隐杆线虫 Caenorhabditis elegans: Worm model 主要优点1. 易于养殖：成虫 体长1mm，易冷 冻保存；2. 生命周期短：2.5-3 天，两种成虫；3. 通体透明；细胞数

29、量少，谱系清楚；4. 易于诱变；5. 基因组序列已全部测出 (Science, Dec. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.)秀丽隐杆线虫优势：体长1mm，构造简单，全身透明，细胞数目少，发育中细胞谱系几乎固定，并且易于追踪。是第一个完成基因组测序的多细胞动物(二)、Vertebrate Models1. Xenopus laevis: Amphibian model 主要优点1. 性成熟短； 2. 卵体大，数量多，易于显微操 作；3. 抗感染力强，易 于组织移植；非洲爪蟾两栖类动物模型优势：取卵方便。在实验室条件下，非洲爪蟾可以常年取卵，只要注射

30、激素，雌体第二天就可以产卵。 主要优点1. 体积小，易于饲 养殖；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 部测出。2. Danio rerio (zebrafish)斑马鱼优势：一、世代周期短（约三个月）二、胚胎较大并且透明易于观察。 斑马鱼是目前唯一可以进行大规模遗传突变筛选的脊椎动物。3. Mus musculus (Mouse) 主要优点1. 易于养殖，快繁，多仔，不受季节影响2。已育成千余个独立的远交群和近交系 3. 基因组序列已全部测出 小鼠优势：一、发育过程与人接近，可以作为人类疾病的模型动物。二、世代周

31、期二个月，在哺乳动物中相当短。缺点： 胚胎母体内发育，胚胎极小，很难操作。是目前唯一可以进行基因敲除实验的脊椎动物。4. Gallus gallus (Chicken)鸡优势：一、与哺乳动物更加接近。二、胚胎体外发育，更容易进行试验研究。是研究肢、体节等器官发育机制的重要模型 1. 重要组织器官发育的细胞与分子基础 发育生物学是当今生命科学中的一门前沿学科，主要利用小鼠、斑马鱼、爪蟾、海胆、果蝇、线虫、拟南芥、水稻等模式生物研究生物体从精子和卵子的发生、受精、胚胎发育、生长，到衰老、死亡的规律。目前的热点研究领域是从分子和细胞水平阐述一些重要发育途径的调控机理，这些发育途径包括胚胎诱导作用、胚

32、层的形成和分化、组织器官发育、配子发育和细胞的极性运动等，发现新的发育相关基因，阐明它们的时空表达谱、表达调控机理和对细胞行为和组织器官形成与分化的影响。 主要科学问题：发育过程中基因时空表达的遗传和表观遗传调控机制；机体形成时的格式化（patterning）；组织和器官形成中细胞分化和移动的分子基础；以动物发育为模型研究人类重大疾病的发生发展机制等。第二篇 生命发育的基本过程2015. 5. 6个体发育：个体发生、发展、变化的总称受精卵形成 胚胎发育幼体成体 衰老死亡个体发育胚胎发育胚后发育卵裂期囊胚期原肠胚期神经轴胚期器官发生期第一章 配子发生与种系的延续总论配子发生（gametogene

33、sis）:有性生殖（sexual reproduction）动 物发育的前奏。包括精子发生和卵子发生，是由原始 生殖细胞分化而来。原始生殖细胞（primordial germ cell, pgc）在雄性动物中分化为 精原细胞（spermatogonium）,在雌性动物中分化为卵 原细胞（oogonium）,然后分别经过精子发 （spermatogenesis）和卵子发生（oogenesis）,形成成熟 的精子和卵子。卵子内生殖质（germ plasm）分布第一节 生殖质与原始生殖细胞生殖质（germ plasm）:具有一定形态结构的特殊细胞质,由蛋白质和RNA构成的颗粒状结构, 均为母体效应基

34、因转录或翻译的产物 。是新一代生殖细胞的发源处；这种成分分布在卵或胚胎的一定部位，含有这种成分的细胞将发育为原始生殖细胞，再由它产生出生殖母细胞。生殖质的存在已在很多无脊椎动物和脊椎动物中得到证实。 命名繁多：生殖质、极质或极颗粒（果蝇、线虫）、生殖细胞决定子等。 位置（eg.爪蟾）：在受精前的卵子中随机分布；受精后卵裂期间，保留在植物极囊胚细胞中。原肠形成期间，位于内胚层；原肠后期，被决定为原始生殖细胞，从内胚层迁出，进入生殖嵴，形成性腺。囊胚腔动物极植物极动物极：黑褐色，细胞质、核位于此植物极：淡黄色，含卵黄颗粒胞质决定子（determinant）的不均匀分布及细胞的不对称分裂使细胞具有不

35、同的特性原始生殖细胞（primordial germ cell，pgc）的迁移原始生殖细胞并不是在生殖腺中形成的多数动物的pgc与其生殖腺起源不同（脊椎动物性腺起源于 mesoderm）, 保持有空间距离获得生殖质形成pgc后, 迁移到生殖腺生殖腺中分化为卵子和精子。迁移路线在不同动物中有所不同，参与迁移的pgc数量不同第二节 精子发生(spermatogenesis)精原细胞有丝分裂、生长初级精母细胞第一次减数分裂次级精母细胞第二次减数分裂精子细胞变形期成熟精子鱼类精子发生过程及其主要事件原始生殖细胞pgc迁移进入精巢一、精子发生过程是指由原始生殖细胞pgc发育成精原细胞，再发育到精子成熟并

36、排出体外的这一完整过程。5个发育阶段：pgc、精原细胞增殖期、初级精母细胞生长期、成熟分裂期和精子形成期结果：染色体数减半；DNA量减半；减数第一次分裂减数第二次分裂染色体复制联会、四分体、交叉互换同源染色体对称排列在赤道板两侧同源染色体分离、非同源染色体自由组合姐妹染色单体分离间期前期中期后期后期着丝点排列在赤道板中期减数第一次分裂的实质：同源染色体的分离减数第二次分裂的实质：姐妹染色单体的分离B.精子的形成过程：生精小管A.精子的形成部位：睾丸的生精小管中二. 精子发生时间与部位1、精子的形成：时间：精原细胞在精巢内一直处于静止状态，直到青春期增殖，继而形成精子细胞。每个精母细胞通过减数分

37、裂形成四个精子细胞，变形成为精子。精子形成期（spermiogenesis）,又称变形期顶体泡（acrosomal vesicle）形成鞭毛（flagellum）生长，负责精子运动多余细胞质排除染色质凝缩和精核重构位于精膜上的卵子结合蛋白的产生第三节 卵子发生(Oogenesis)一、卵子发生过程进入卵巢的原始生殖细胞pgc被称为卵原细胞（oogonium）卵子发生 是指由pgc发育成卵原细胞，再发育到排出成熟卵子（egg）的这一完整过程。结果：一个初级卵母细胞发育形成一个成熟卵细胞，染色体数目减半，DNA量减半。特点：减数分裂；卵母细胞生长原始生殖细胞pgc迁移进入卵巢卵原细胞（oogoni

38、um）有丝分裂、生长初级卵母细胞第一次减数分裂，初级生长、次级生长次级卵母细胞第一极体第二次减数分裂第一极体第二极体成熟卵子鱼类卵子发生过程及其主要事件卵细胞极体极体次级卵母细胞卵原细胞四分体复制联会同源染色体分离着丝点分裂着丝点分裂初级卵母细胞二. 卵子发生时间与部位(1)发生部位：卵巢(2)时间：胚胎发育的前3-5个月即可增加至几百万个卵原细胞，大部分凋亡。胎儿发育3-7个月时，其余卵原细胞进入生长期，形成初级卵母细胞。出生时胎儿卵巢内大约含有200万个初级卵母细胞（只有大约400个能形成卵子 ）。并开始进入第一次减数分裂前期（人12岁初潮持续至50余岁闭经）。青春期，减数第一次分裂是在脑

39、垂体分泌的促卵泡激素（FSH）作用下雌性动物排卵前后完成次级卵母细胞（经后14天）减数第二次分裂是在精子和卵子结合的过程完成的。三、卵子发生的内分泌调控下丘脑-脑垂体-性腺中心轴是调节卵子成熟和排卵的重要内分泌系统促性腺激素释放激素（gonadotrophin-releasing hormone, GnRH）光照、水温等促性腺激素（gonadotrophin,GtH)孕酮第四节 精子发生与卵子发生的比较统称为配子发生都是由pgc分化产生配子的过程共性均涉及减数分裂，结果染色体数目减半，且同源染色体间发生交换重组，因而成熟的卵子和精子都是单倍体。当精核和卵核受精时融合后，一个物种正常的二倍体染色

40、体数被恢复均涉及广泛的形态学分化以利受精精子：鞭毛生长、核凝缩、细胞质外排和顶体泡形成卵子：大小剧增、营养积聚、外壳保护层形成等卵子和精子在受精发生之前，都不能过长时间存活精子的形成过程卵细胞的形成过程相同点染色体的行为变化相同:即在间期染色体先复制，在第一次分裂时同源染色体联会，形成四分体，非姐妹染色体交叉互换，同源染色体分离，非同源染色体自由组合，第一次分裂结束后染色体数目减半；第二次分裂时着丝点分裂，姐妹染色单体分离不同点场所分裂方式子细胞个数是否变形睾丸卵巢细胞质均等分裂细胞质不均等分裂1个精原细胞4个精子有变形过程无变形过程1个卵原细胞1个卵细胞+3个极体卵子发生耗时较长，而精子成熟

41、快速不同第二章 受精与生命的开始总论Definition：来自父本的精子和来自母本的卵子相互作用产生合子的过程。重要事件：精子的顶体反应；精子穿透卵子透明带；卵子的皮层反应和透明带反应；减数分裂的完成及多精入卵屏障的产生发生位点：体外（鱼）；体内（一些水生动物和大多数陆生动物）第一节 成熟精子和卵子的结构精子结构顶体囊泡中部精核1.形态结构：头、尾两大部分2.大小（m）长度5070 m （卵子70140 m）3.精子的性别 哺乳动物有携带X染色体或Y染色体两种精子卵子结构是精子体积的10000倍；成熟卵子中合成和吸收了大量的物质，包括大量的蛋白质、核糖体和tRNA、mRNA、形态发生因子（mo

42、rphogenetic factor）以及保护性化学物质（如Ig），为以后的生长和发育奠定了基础。蛋白质：胚胎早期细胞的发育需要大量的储存能量和AA核糖体和tRNA：早期胚胎需要合成自身的蛋白质。mRNA：受精后卵子的发育所需，均为母源性。形态发生因子（胞质决定子）：指导细胞分化的分子，定位在卵子的不同区域，在卵裂过程中分离到不同的细胞中去。保护性化学物质：胚胎无法远离掠夺或迁移到安全区，因此需要各种因子的保护。海胆卵子的结构质膜卵黄膜(透明带)质膜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。卵黄膜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。皮层颗粒 卵黄颗粒

43、 海胆未受精卵的扫描电镜照片，显示卵黄膜（vitelline envelope）和内部质膜（plasm membrane）皮层(cortex)是质膜下一层约5um厚的胶状胞质，比内部的胞质硬，含有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(microvilli)，帮助精子进入卵子。皮层内有皮层颗粒(cortical granule)，约15000个，直径为1m，含消化酶、粘多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，能够阻止多精入卵并可以为卵裂球提供支持。卵黄膜(透明带)第二节 配子识别受精过程中，精卵的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。造成这

44、种特异性的原因在于雌雄配子表面具有某些结构互补的特异分子，通过这些特异分子之间的相互作用，保证了雌雄配子的正确识别。精子和卵子的相互作用主要分为5个步骤：1. 精子的趋化性（ chemotaxis ）2. 精子的顶体反应，释放水解酶。3. 精子与卵子外围的卵黄膜（透明带）结合4. 精子穿过卵外的结构5. 精卵细胞质膜的融合1、精子的趋化性 精子的趋化性（chemotaxis）是指精子根据化学浓度梯度直接向卵子运动的现象。 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,如海胆的呼吸活化肽resact和精子活化肽speract，构成卵周特有的微环境。 一

45、、精子激活腺苷酸环化酶环磷酸腺苷环磷酸鸟苷加入10nM呼吸活化肽（resact）1纳升后，海胆精子的聚集。A、B、C和D示加入呼吸活化肽1、20、40、90秒后的观察结果ABCD2. 顶体反应（acrosomal reaction） 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，包括精子顶体外膜和细胞膜发生间断性融合，形成小泡，顶体酶释放，此过程称顶体反应 。 具有顶体结构的无脊椎动物或脊椎动物中，只有发生顶体反应的精子才能进入卵子并与卵子融合，也只有精子与卵子接触时才发生顶体反应。 海胆的顶体反应精子与卵黄膜结合后，可引起顶体反应。顶体发应包括两个主要的事件：顶体膜与精子质

46、膜发生融合以及顶体突起（acrosomal process）的形成。无脊椎动物的顶体反应 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。精子顶体酶的一个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。顶体反应的调控机制离子调控 精子质膜上Ca2+泵、Na+/ Ca2+交换器和钙离子通道中的Ca2+转换系统均参与调控细胞内的Ca2+浓度； K+、Mg2 + 、Cl+ 、H+等也参与顶体反应的调控脂质调控 参与调控膜的流动性和“钙泵”的活性磷酸肌醇调控 多磷酸肌醇将在磷酯酶C的作用下，引起细胞内非线粒体贮存

47、的Ca2+释放，激活一些顶体反应所需的关键酶，诱导顶体反应海胆的精卵识别 海胆精子发生顶体反应后释放顶体酶，使卵细胞外的胶膜降解，精子穿越胶膜，其突起与卵黄膜(vitelline membrane)相互识别，与之融合，然后与卵细胞膜融合，导致精核进入卵细胞中。 一、精卵识别的特异性 第三节 精卵结合（顶体反应机制）海胆精子顶体突起与卵子微绒毛的接触 海胆的精卵识别是由特异性结合蛋白（Bindin，30500Da）所介导的。Bindin定位在海胆精子的顶体突起上，具有种属特异性。卵子卵黄膜上存在Bindin的受体，也被分离纯化出来。由Bindin与Bindin受体介导的海胆精卵结合二、哺乳动物的

48、精卵识别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。场所：输卵管透明带功能：顶体胞吐作用精卵识别卵子与精子顶体结合精子激活阻断多精入卵小鼠透明带丝状串珠样结构示意图卵子透明带结构主要由ZP1(200kDa), ZP2(120kDa), ZP3(80kDa) 三种磺酰化的糖蛋白组成， ZP3含量最为丰富。作为精子特异性受体的是ZP3精子细胞膜上有三种配体：1. SP56（56kDa，半乳糖结合蛋白, galactose-binding protein）-可与ZP3分子上的半乳糖基特异性结合。如果ZP3的一个半乳糖基发生丢失或改变，精子将无法与卵子结合。2.

49、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，阻碍多精入卵。3. 透明带受体激酶（ZRK）(95kDa)一种跨膜蛋白，2个功能域，其外侧部分可与ZP3分子特异结合，而内侧部分具有酪氨酸激酶的功能。该酶被激活后，导致顶体反应。说明ZRK是一种酪氨酸受体激酶。小鼠卵子透明带与精子特异结合的可能机制三、二次结合 在顶体反应期间，与ZP3结合的顶体前端发生胞吐作用，精子必须与透明带结合才可以完成穿透作用，这种结合称为二次结合（secondary binding）。二次结合是通过顶体内膜上的特殊蛋白与透明带中的ZP2糖蛋白结合的。第二篇 生命

50、发育的基本过程2015.5.8 第三节 配子融合精卵质膜融合 一、雌雄配子的融合精子通过与卵黄膜或透明带的相互作用，发生顶体反应，使和精子结合的卵黄膜或透明带被顶体反应释放的水解酶溶解。穿过卵黄膜后到达卵子质膜表面，并在该位置进行精卵质膜的融合。精子的细胞核和部分细胞器（中心粒和轴丝等）进入卵子细胞质中。雌雄配子的融合大多被限定在特定的区域内。海胆精子入卵过程 海胆的精卵结合 （1）海胆精子入卵过程 海胆的精卵结合 （2）金色仓鼠精子入卵过程 ：A，精卵融合的扫描电镜照片 B，精子与透明带的结合 C，精子头部穿过透明带。 哺乳动物的精卵结合 （1）D，精子与卵子质膜的融合TEM图 E，精子顶体

51、与带有微绒毛的卵子质膜融合的示意图哺乳动物的精卵结合 （2）不形成顶体突起角度不是90度，而是切线与圆遗传物质融合精卵质膜融合后，精子细胞核、中心粒和线粒体被注入到卵细胞质中。线粒体后来被破坏清除线粒体为母本遗传。雌雄原核形成并融合成为合子核受精完成。哺乳动物的受精过程示意图（自Carlson,1988) 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）。 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*。绝大多数动物为单精入卵（有尾两栖类、鸟类等为生理性多精入卵）。受精过程通常是一个大量精子参与的活动

52、，在这个过程中，卵细胞凭借两套机制阻挡多余精子入卵，即快封闭反应（膜电位变化）和慢封闭反应（皮层反应）阻止多精受精及异种精子入卵机制第一次卵裂两个精子入卵后的海胆胚胎发育*（自Gilbert，2000）海胆双精受精卵（dispermic egg）第一次卵裂的中期。人类双精受精卵的第一次有丝分裂。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。作用方式（海胆）：卵子细胞膜去极化引起的短暂、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；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 卵膜上存在离子通道，卵膜的快速阻碍多精入卵作用

53、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。海胆卵受精前后的膜电位变化B：control 490 nM Na C：120 nM Na导致多精入卵的比率升高 如人为维持原有的膜电位（负电位），可诱导多精入卵；如改变正常的初始膜电位（保持正值），则会阻止受精过程。降低卵外Na浓度导致多精受精比率的升高慢反应皮层颗粒反应 多精受精快速阻碍机制中膜电位的变化时间非常短暂（1 min左右），不足以永久实现阻碍多精入卵。 结合到卵黄膜的精子是通过皮层的小泡破裂皮层颗粒反应被移除的；否则将导致多精入卵。皮层(cortex)是质膜下一层约5um

54、厚的胶状胞质，比内部的胞质硬，含有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(microvilli)，帮助精子进入卵子。皮层内有皮层颗粒(cortical granule)，约15000个，直径为1m，含消化酶、粘多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，能够阻止多精入卵并可以为卵裂球提供支持。海胆皮层颗粒反应示意图微绒毛卵质膜卵黄膜皮质颗粒结合在卵黄膜上的超数精子卵黄周隙微丝透明素受精膜透明层微绒毛皮质颗粒内含物中含有的蛋白质：1）. 蛋白水解酶（proteolytic enzymes），可以使卵黄膜与质膜间的联系分离；剪除卵膜上Bindin受体及与之结合的精子。2）. 粘多糖(m

55、ucopolysaccharide)：进入卵周隙吸水膨胀，使卵黄层向外隆起，形成受精膜（fertilization envelope ）举起。3）. 过氧化物酶：皮层颗粒分泌的过氧化物酶通过交联相邻蛋白质的酪氨酸残基使受精膜变硬。 受精膜最先在精子入卵的位置形成，并向外扩张至整个卵细胞，从而阻止多精入卵。4）. 透明质素（hyalin）：在受精膜内部形成透明质层(hyalin layer)，它与卵裂中对分裂球的支持作用有关。卵细胞质膜突起的微绒毛深入到其基部。海胆受精膜的形成及多余精子的移除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（ZP2, ZP3）进行修饰，即切除Z

56、P2, ZP3蛋白的末端糖基，使之丧失与精子结合的能力，因此，称为透明带反应例如：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，使ZP3不能与精子表面的GalTase结合，使精子再也不能结合到透明带上。、钙的作用 皮层颗粒反应的作用机制与顶体反应基本相似，由细胞内信使Ca2诱发。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（G蛋白

57、）或酪氨酸激酶相关的。海胆卵细胞皮层颗粒周围的内质网海胆卵受精时释放的钙波从精子入卵点开始跨越整个卵荧光染料:水母发光蛋白 三磷酸肌醇IP3在钙离子释放过程中的作用磷脂酶CpH卵子质膜皮层颗粒释放 未受精的卵子是惰性的，细胞的呼吸活动、RNA的转录和蛋白质的合成处于或几乎处于零水平。只有精膜与卵膜融合后，通过信号转导才能激活卵子发育。这一活化过程分为两个阶段：一、早期反应（应答）：指从精卵接触到发生皮层颗粒反应的数秒钟内所发生的事件。当精卵接触后就激活两个主要反应以阻止多精入卵：快封闭反应引起膜去极化；慢封闭反应由胞内Ca释放所引起。卵子的复苏也依赖于胞内游离Ca浓度的增加 第四节 卵子的激活

58、Model of possible pathway of egg activation in the sea urchin. 一、早期反应精卵质膜融合激活G蛋白或TK酶激活NAD+激酶快封闭反应精卵结合后1min时开始蛋白质和DNA的合成 受精后利用卵细胞质中储存的母源mRNA迅速合成大量的蛋白质，包括组蛋白、微管蛋白、肌动蛋白、和早 期发育所需的形态生成因子。二、晚期反应 NAD+激酶激活NAD+转化为NADP+，有助于质膜形成，帮助谷胱甘肽再生一、卵子激活后完成第二次减数分裂，排出第二极体。二、雌雄原核的结合单倍体的精子核进入卵细胞后，解凝聚形成雄原核（male pronucleus），卵

59、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；但中心粒是父源性的。 第五节 遗传物质的重组海胆雌雄原核的融合海胆雄原核形成后旋转180，其中心粒位于雌、雄原核之间，装配成星体，连接并牵动雄原核与雌原核相互靠近，最后融合形成一个细胞核，即合子核(zygote nucleus)。海胆中心粒发出的微管形成星光，连接并牵动雄原核与雌原核相互靠近海胆雌雄原核的融合哺乳动物雌雄原核的融合 与海胆不同：精子进入卵子方式不同：微绒毛，切线雌雄原核迁移时间不同：海胆不需1h, 哺乳动物约

60、持续12h之久；精核降解再重建过程哺乳动物中，雌性原核在于雄性原核融合前必须完成第二次减数分裂（海胆卵子未受精前已是单倍体）合子中观察不到真正的二倍体核，两细胞期才可看见。二、 哺乳动物雌雄原核的不均等性孟德尔遗传定律形成合子的雌雄原核携带相同的单倍体染色体组。形成合子的雌雄原核所携带的单倍体基因组并不等同！ 有些基因，如免疫球蛋白与嗅觉受体基因，是单个等位基因随机地表达，且抑制亲本另一等位基因的表达，这种现象称为等位基因排斥作用（allelic exclusion）。有些基因在个体中却只表达单亲基因，这就是所谓的印迹基因（imprinted gene）。这种等位基因表达取决于亲本来源的现象叫