生殖细胞的产生

1、生殖细胞的发生,主 要 内 容,生殖细胞的发生： 生殖细胞的起源和分化； 精子的发生； 卵子的发生,生殖细胞的发生,体细胞（somatic cell） 生殖细胞（germ cell）或配子（gamete） 特殊分化的细胞，世代间的桥梁，个体发育的基础。包括：雌配子（female gamete）或卵（ovum），雄配子（male gamete）或精子（sperm）,第一节 生殖细胞的起源和分化,原生殖细胞（primordial germ cell，pgc）-性别尚未分 化的生殖细胞 一、原生殖细胞的起源 观点:在胚胎发育的后期由体细胞分化而来。是通过相邻器官原基的诱发和/或在环境因素影响下使局部

2、细胞分化为生殖细胞。如海绵动物、腔肠动物和扁虫等； 观点:从受精卵第一次卵裂时就已分出,即从胚胎发生起就与体细胞不同（线虫、果蝇和两栖类动物爪蟾）。 原生殖细胞以变形运动方式自主前进，其定向迁移与生殖嵴的吸引力，途中周围细胞外基质的合成有关。没有到达生殖嵴的则分化为所到那个胚层的细 germ plasm：具有一定形态结构的特殊细胞质，主要有蛋白质和rna构成。,在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，其生殖细胞来源于它的前体原生殖细胞(primordial germ cell，简称pgc，复数为pgcs)。 这些原生殖细胞只有经过迁移，进入发育中的生殖腺原基(genital anlage)生殖

3、嵴(genital ridge)才能分化成为生殖细胞,一、生殖质原始生殖细胞,秀丽线虫（caenorhabditis elegans） 果蝇（drosophila melanogaster） 爪蟾（xenopus laevis） 小鼠（mouse）等,二、生殖质与生殖细胞分化 1、线虫（nematode）,caenorhabditis elegans,生殖细胞的起源和分化,线虫未受精卵中有一种均匀分布于整个卵质中的p颗粒。 受精后p颗粒集中位于预定胚胎后部。 第一次卵裂时形成一个ab大细胞和一个含有p颗粒的p1小细胞。 p4细胞是所有生殖细胞的始祖细胞，细胞质内含有所有原来卵质中的p颗粒。生殖

4、细胞最初的分化开始于p4细胞。,2、果蝇(drosophila),雌体,雄体,生殖细胞的起源和分化,果蝇的原生殖细胞的命运决定于后部极质,9次卵裂后，有5个细胞核移至未来胚胎的末端，分化为极细胞 极细胞（polar cell）含有极质（含生殖细胞决定子）,生殖细胞的起源和分化,果蝇,极质（pole plase）（determinant for germ cell） 移植果蝇极质引起生殖细胞分化 uv照射实验,决定果蝇原生殖细胞命运的基因,germ cell-less:在卵的生成过程中由营养细胞转录，受精后翻译的蛋白定位在极质中，其缺失导致无生殖细胞。,生殖细胞的起源和分化,生殖细胞的起源和分化

5、,oskar: 其母体mrna定位在极质中，它的表达量影响极细胞的数量，如 1 copy of oskar=10-15 pole cells, 2 copies=35 pole cells, 4 copies=50 pole cells. 它还影响极细胞的定位。,其他： nanos mrna，这是一个影响果蝇腹部分化发育的基因，如果缺失，将影响腹部分化，同时导致生殖干细胞不能向生殖腺迁移，最终引起生殖细胞缺失 线粒体大核糖体rna，实验发现，用紫外线破坏极细胞中的rna后再注射线粒体大核糖体rna，可恢复极细胞发生 polar granule component(pgc)的非翻译rna分子，与

6、极细胞迁移有关 母性效应基因（maternal-effect gene）的表达对果蝇生殖质的形成有重要作用（cappucino,spire, staufen, oskar, vasa, valois, tudor），他们在卵泡细胞中被激活，产物进入发育卵细胞中。他们的突变将干扰极质成分的正确定位，从而阻止原生殖细胞的发生或迁移。,生殖细胞的起源和分化,受精前即卵子发育时母体细胞转录的rna甚至翻译的蛋白质，产物定位在成熟的卵的细胞质中。,马蛔虫（某些线虫和部分昆虫） 染色质消减的细胞- 体细胞 染色质不消减的细胞- 生殖细胞 染色质消减（chromatin dimination)：线虫或某些昆

7、虫在卵裂过程中部分染色质（体）消失在细胞质中，不能保持原来数目的染色体组的现象,生殖细胞的起源和分化,不同细胞质对染色体的影响不同。,尼龙绳结扎核不能进入极细胞质,将来不育,离心使极细胞质分布均匀，每个细胞都有极细胞质，则染色体不消减。,3、两栖动物生殖细胞命运也决定于生殖质,无尾类的生殖质虽无膜包围，但有明显的界限，一般呈直径5-12 um的小斑，由许多生殖颗粒所组成。,germ plasm at the vegetal pole of frog embryos,如果用紫外线照射豹蛙或林蛙的动物极，则对生殖细胞的形成没有影响，但照射植物极后，形成的蝌蚪中生殖细胞明显减少，有的可减少90%。,

8、将吸管插入盘舌蟾的受精卵或四细胞期的胚胎的植物极，吸去约占卵体积1/4的细胞质，结果在能变态的蝌蚪生殖腺中没有或只有少量的生殖细胞。,ikenishi等（1986）将含生殖质的植物极细胞质注入从32细胞期分离出的单个体细胞分裂球中，并将此细胞以3h-胸腺嘧啶标记，然后注入到神经胚中，结果这种标记的细胞发育为pgcs。并可随宿主胚胎的pgcs一起迁移到生殖嵴中。,4、哺乳动物生殖细胞,在7天的小鼠胚胎中，约8个pgc位于胚外中胚层中，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。,干细胞生长因子(scf)是防止pgc凋亡所必需的，

9、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。white突变(缺失scf受体基因)或steel-dickie突变(scf不能定位在膜上)的小鼠无pgc或很少的pgc.,生殖细胞的起源和分化,生殖细胞的起源和分化,5、鸟类生殖细胞,鸟类的pgc最早起源于明区中央的外胚层细胞，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.,生殖细胞的起源和分化,生殖新月区形成血管时，pgc进入血管，通过血液循环到达生殖嵴，然后离开循环系统。生殖腺的毛细血管内皮对pgc有吸引力，但对所吸引的pgc不具备物种特异性。,线虫xx雌雄

10、同体个体的gc细胞的发育经历两次选择 a：有丝分裂和减数分裂之间的选择,离开生殖腺远端的细胞进入减数分裂，而留在远端的细胞继续有丝分裂。远端的单个distal tip cell的纤毛含lag-2蛋白，它与gc上的受体glp-1结合后抑制gc发生减数分裂。用激光使tip cell失活可导致所有gc进入减数分裂；将该细胞移植到其它处，则可使附近细胞继续有丝分裂。,幼虫期离开生殖腺远端的细胞进入减数分裂，产生精子；在成虫期离开生殖腺远端的生殖细胞通过减数分裂产生卵子。,线虫xx雌雄同体个体的gc细胞的发育经历两次选择 b：生精或生卵之间的选择,线虫上生精或生卵的分子机制,第二节 精子发生（sperm

11、atogenesis),精卵发育的核心内容有四方面 减数分裂产生单倍体的配子，二者结合恢复双倍体 配子的分化与成熟，保证受精特异性和唯一性 建立和储存子代发育必备的信息以及营养成分 与亲本性成熟以及性生理活动的协调,一、精子发生（spermatogenesis）,雄性脊椎动物，原生殖细胞一旦迁入生殖嵴，便与其组织结合形成上皮样的生殖索（性索sex cord）。在实现生殖腺的初步分化以后，生殖干细胞进入休眠状态。在个体性成熟过程中，性索中空形成生精小管（seminiferous bubule ),青春期生精生殖细胞精原细胞(spermatogonia)合成的bmp8b积累到一定浓度时便开始分化。

12、生精细胞表面有n-cadherin及半乳糖，曲精小管中的支持细胞表面有n-cadherin及半乳糖受体，两种细胞通过这些分子的相互作用结合在一起。支持细胞为生精细胞提供营养和保护，但它们随着生殖细胞变为精子而退化。,self-renewal,apoptosis,精子分化(spermiogenesis),人约需70天,减数分裂开始,鞭毛精子（哺乳类）,头部,颈部,尾部,顶体,细胞核,中心粒,中段,主段,末段,有鞭毛精子,精子结构 无鞭毛精子,下丘脑,促性激素释放激素,垂 体,促滤泡激素（fsh）,黄体生成素（lh）,生精细胞,支持细胞,作 用,启动生精； fsh与支持细胞膜上的受体结合， 激活a

13、bp（雄性激素结合蛋白）物质的合成；,作用于间质细胞,作用,促进睾酮的分泌,三、精子发生中激素和基因表达的调控,精子发生过程中的激素调控,反馈,三、精子发生中激素和基因表达的调控,精子发生过程中的激素调控 促滤泡激素（fsh）启动精原细胞有丝分裂、刺激初级精母细胞发育；同时，fsh与支持细胞膜上的受体结合，激活膜上的camp酶，camp增加，激活abp物质的合成基因，合成并分泌abp（雄性激素结合蛋白） 黄体生成素（luteinizing hormone lh）促使间质细胞生成睾酮，使精子成熟（睾酮进入靶细胞质中，与其中的受体结合形成激素-受体复合物，后者通过核内染色质上的特定位点结合到dna

14、链上，活化该部位基因、转录mrna、指导特异性蛋白质的合成 睾酮是精子成熟的必须因子，精子发生过程必须在较高水平的睾酮作用下才能完成。当动物血液中的睾酮含量达到一定水平后，便可通过体液反馈到垂体及下丘脑，抑制其合成或分泌lh和lh-rh（黄体生成素释放素，由丘脑下部的视上核和弓状核分泌），以协调精子发生的正常进行,垂体,精子发生过程中基因表达的调节,1）每个阶段有不同的基因表达；,2）精子发生的基因调控发生在转录水平、翻译水平和翻译后修饰。例如：,转录水平：有许多精子发生特异性转录因子，如：oct-2, sprm1, tak-1等等。 翻译水平：具有翻译滞后现象。初级精母细胞时期，便已转录合成

15、了精子形成时所需要的mrna，并储存于精母细胞中，待精子形成时才表达。 翻译后修饰：在精子发生的后期，许多动物精子的组蛋白处于被修饰状态，如n-末端被磷酸化、甲基化修饰等。这种修饰进一步导致染色体的凝集，使转录活动急剧下降。,第三节 卵子发生（oogenesis）,一、卵子发生的最基本特点 卵子发生除形成单倍体的细胞核以外，还要建立一个由酶、rna、细胞器和代谢产物等所组成的细胞质库 初级卵母细胞有一个较长的生长期（发生在减数分裂前期）,不同物种的产卵力差异很大，如海胆和两栖动物的卵原细胞可以终身进行有丝分裂，每次可产卵成百上千个。 哺乳动物的生殖细胞在出生后就不具备有丝分裂能力。妇女一生只能

16、排出约400个成熟的卵。,初级卵母细胞，减数分裂停止于前期 i,部分初级卵母细胞开始恢复减数分裂,生殖细胞的数量（百万）,哺乳动物卵泡的生长 人卵巢中的原始卵泡周期性地进入生长期，使卵母细胞增大、颗粒细胞数量增加，只有少数与促性腺激素分泌周期相吻合的卵泡能够存活。,四、哺乳动物卵母细胞的成熟和排卵,原始滤泡,初级滤泡,次级滤泡,近成熟滤泡,成熟滤泡,lh导致卵泡合成胶原酶、血纤维蛋白溶原酶激活因子、前列腺素等。前列腺素诱导卵巢局部平滑肌收缩和使水分进入卵泡腔中，胶原酶和血纤维蛋白溶原酶激活因子消化卵泡胞外基质。,二、精卵发生的区别 1、场所和连续性 精子发生：均在精巢内完成，为一个连续过程 卵

17、子发生：整个过程不一定都在卵巢内完成，非连续 非连续性：卵原细胞初级卵细胞的双线期，停止发育。经性成熟前期达成熟后，分批发育,2、减数分裂均等性 精细胞均等，产生四个等大的精细胞 卵母细胞不均等，产生一个均等的卵子和2-3个极体 极体（polar body）-卵子发生中产生的含少量细胞质的细胞。 3、分化时间 精子晚，两次成熟分裂后进行 卵子早，初级卵母细胞阶段 4、辅助细胞参与 支持细胞（精子发生） 滤泡细胞（卵子发生） 5、细胞间桥持续时间 精子整个发生过程 卵原细胞阶段,鱼 coregonus,二、两栖类卵母细胞的成熟,卵黄合成前期,卵黄合成期,1、物质合成与积累 蛙卵在发育中自身进行着

18、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、保护性化学物质，同时还要合成卵黄物质，所有上述物质主要在减数分裂前期i中产生和积累。 卵黄发生与调控 豹蛙（rana pipiens） 卵黄物质急速积累的时期 是个体发育到第三年，以后每年 有一批卵细胞成熟,两栖类卵黄合成与季节性成熟排卵的调控 环境（温度）刺激下丘脑 分泌垂体前叶释放因子 垂体分泌促性腺激素 卵巢 滤泡细胞（雌激素） 肝脏（卵黄蛋白原） 卵巢（卵母细胞吸收） 卵黄小板,下丘脑,垂体,促性腺激素,滤泡细胞,雌激素,卵黄蛋白原,卵黄合成和卵母细胞分化,2、极性的构建 通过卵内物质排列的不对称体现的 卵轴（egg axis）通过动植物极之间的人为的假设线 这种差异分布的机制尚不清楚，已知：细胞骨架对于rna分子和形态发生原的定位重要,三、昆虫的卵子发生,1、卵子