A-第3章 卵裂.ppt

1、第三章 卵裂 （CLEAVAGE）,受精是发育的起始一步。此后具有父母遗传潜能的和细胞质重排的合子开始产生多细胞的有机体。这个过程称为卵裂(cleavage), 经多次有丝分裂产生大量较小的具核细胞，此期的细胞称为卵裂球(blastomeres)。 在大多数动物中细胞分裂的速度和卵裂球彼此间的位置完全是由母体储存在卵内的蛋白质和mRNA控制的.,卵裂期间胚胎的细胞质并不增加，随着细胞数目的大量增加，细胞的核质比迅速增大(海胆从1/500到1/6)。蛙卵在43小时分裂形成37000个细胞；果蝇在前2小时每10分钟分裂一次，在12小时就能形成50000个细胞. （下图示卵裂期和原肠胚期每个胚胎细胞

2、数量的对数关系）,一. 卵裂的模式： 卵裂是一个受遗传控制的非常有序的过程。卵裂的模式具有种的特异性，主要由两个因素决定。 细胞质内卵黄的数量和分布； 细胞质内影响有丝分裂纺锤体的角度和形成时间的一些因子前者决定卵裂发生的位置和卵裂球的大小. 卵黄是一种进化的适应.少卵黄者速形成幼虫再发育,兽类形成胎盘,第一节 卵裂的模式和类型,表1：卵裂类型与卵黄数量及分布的关系 卵裂方式 卵黄分布 卵裂类型 代表动物 完全卵裂 均黄卵 辐射状卵裂 棘皮动物、文昌鱼 （少黄卵） 螺旋状卵裂 大多数软体动物、 环节动物、扁虫及线虫 两侧对称卵裂 海鞘 不规则卵裂 哺乳动物 中黄卵 辐射对称卵裂 两栖类 不完全

3、卵裂 端黄卵 两侧对称卵裂 头足纲、扁虫 盘状卵裂 鱼类、爬行类和鸟类 中央黄卵 表面卵裂 大多数节肢动物 ,二. 卵裂的类型,(一) 辐射型完全卵裂 (Radial holoblastic cleavage) 1. 海胆(Sea urchins): 雌雄原核融合后第一次有丝分裂纺锤体轴垂直于卵的动植物极,卵裂沟直接通过动植物极，称经裂(meridional), 分裂产生2个相等的姊妹细胞.第二次有丝分裂也通过动植物极并与第一次分裂面垂直,产生4个相等的卵裂球.第三次有丝分裂经过赤道面，并与第一和第二次分裂面垂直，称纬裂(equatorial).第四次有丝分裂为经裂，在动物极产生8个相同的细胞

4、，它们被称为中卵裂球(mesomeres)。而在植物极产生靠赤道面的4个大卵裂球(macromeres)和靠植物极的4个小卵裂球(micromeres)。,第五次有丝分裂（纬裂）动物极的中卵裂球产生an1和an2两排细胞；植物极的大卵裂球纬裂产生8个靠近an2的一排细胞，小卵裂球产生一小团细胞。第六次为经裂，第七次为纬裂，产生128个细胞的囊胚(blastula)，中间有一个腔，称为囊胚腔(blastocoel)。此时所有细胞的大小相同，囊胚壁只有一层细胞。 实验证明，在阻断第1、2或3次有丝分裂情况下(摇动或置于低渗海水中)，小卵裂球的分裂按时进行。受精后合子细胞质中渐进的变化引起有丝分裂纺

5、锤体在特定时间和特定方向上形成。植物极可能含小卵裂球形成物质，通过某种机制它在合适的时间被激活。,海胆的卵裂,2. 两栖类(Amphibians):辐射对称卵裂 类似棘皮动物，但两栖类卵内卵黄含量较高，主要集中在植物极，成为卵裂的障碍。第一次卵裂(经裂)始于动物极并向植物极延伸。在美西螈延伸速度1mm/min。当卵裂沟分隔灰色新月区（精子入卵点对面）后延伸速度仅为0.2-0.3mm/min。 蛙受精卵，第一次卵裂沟尚未完全分隔植物极时，第二次卵裂(与第一次垂直的经裂)已于动物极开始。第三次纬裂因为植物极卵黄多卵裂沟偏向动物极一侧。形成动物极4个小卵裂球和植物极4个大卵裂球。此后动物极卵裂球分裂

6、快，植物极分裂慢，动物极集中数量较多的小卵裂球，植物极集中了数量少、体积大、富含卵黄的大卵裂球。128-细胞期出现囊胚腔，形成囊胚.,爪蟾（Xenopus）早期胚胎发育,蛙胚在16-64细胞期称为桑葚胚(morulae) 在爪蛙(Xenopus laevis)囊胚腔的出现可以追溯到非常早的第一次卵裂沟。在近动物极区产生较宽的细胞间腔，它通过细胞间的紧密连接与外界隔离。此腔此后扩大为囊胚腔(下图) 右图为蛙受精卵卵裂时的扫描电镜照片.分别显示(A)第一次卵裂；(B)第二次卵裂；(C)第四次卵裂(16-细胞期), 示在第三次分裂后出现的动物极区和植物极区间细胞大小的差别,(二)螺旋型完全卵裂 (S

7、piraal holoblastic cleavage),螺旋状完全卵裂在许多方面不同于辐射状卵裂。受精卵并不以平行或垂直卵的动植物极的方式分裂, 卵裂以倾斜的角度形成“螺旋”排列的姊妹细胞; 分裂形成的细胞更广泛地彼此连接, 利用了热力学上最稳定的包装定向; 螺旋卵裂的胚胎通常在原肠形成之前只进行较少的分裂, 因此可追踪囊胚每个细胞的命运. 当比较环节动物、扁形动物和软体动物胚胎的单个细胞的命运时,发现同样的细胞分布于相同的位置。 这样形成的胚胎不具囊胚腔，称实心囊胚(stereoblastula),左图示软体动物胚胎的卵裂, 最初两次卵裂产生4个大卵裂球(A，B，C和D), 其大小在许多种

8、不同 (D最大)。在相继的卵裂中, 每个大卵裂球在动物极方向分裂出一个小卵裂球, 每次小卵裂球分裂产生的四合体向它姊妹大卵裂球的右方或左方错位, 形成螺旋排列的特点。(右图A :动物极观; B :侧面观),蜗牛有的卷曲开口于壳的右边, 有的开口于左边。分析发现这种变化受卵母细胞中的细胞质因子控制.在一种螺(Limnea peregra)中, 大多数是右旋的, 很少发现左旋的突变体.当突变体与野生型螺交配时，存在一个右旋的基因D，它对左旋的等位基因d是显性的。但卵裂的方向不是由发育中螺的基因类型决定的, 而是由螺的母本基因类型决定的。 一个dd雌性螺只能产生左旋的后代，即使它后代的基因型是Dd。

9、因此Dd个体右旋或左旋只依赖于母体的基因组。当注射右旋螺的少量细胞质到dd母本的卵中, 导致胚胎卵裂的方向向右卷曲。 DD(雌) dd(雄) Dd (全部右旋) DD(雄) dd(雌) Dd(全部左旋) DdDd 1DD:2Dd :1dd (全部右旋),(三) 两侧对称型完全卵裂(Bilateral symmetrical holoblastic cleavage),被囊类Styela partita卵裂模式如图。第一次卵裂面在胚胎中建立了唯一的对称面，分开将来的左右两侧。每一次相继的卵裂也定位于这个对称面。而且第一次卵裂的一侧形成的半胚镜面对称于另一侧半胚。第二次卵裂象第一次是经裂,但它不穿

10、过卵的中央。它产生两个大的前部细胞(A和D)及两个小的后部细胞(B和C)。在此后3次分裂后,细胞大小和形状的不同使胚胎的两侧对称更明显。在32-细胞期形成一个小的囊胚腔, 原肠形成也由此开始。 S.partila卵带有色素的细胞质在卵裂期间被分开进入不同的细胞中, 细胞接受细胞质的类型决定细胞的命运。接受清亮细胞质的细胞变为外胚层, 含黄色细胞质的变为中胚层, 含灰色细胞质的变为内胚层, 而含浅灰色细胞质的变为神经管和脊索。这些带色素的细胞质围绕两侧对称面在第一次卵裂时被两侧定位.,(四) 旋转型完全卵裂 (Rotational holoblastic cleavage),哺乳动物的卵裂最难研

11、究. 它的卵动物界最小, 人受精卵只有100m, 体积比爪蛙卵小1000倍.另外, 哺乳动物通常每年只在一定时间产少于10个卵, 很难得到足够材料. 哺乳动物胚胎发育在另一有机体中完成, 难以在体外实验操作和观察. 哺乳动物的卵子由卵巢排入输卵管中(右图), 受精发生在输卵管的壶腹(ampulla), 第一次卵裂开始于一天之后。哺乳动物卵裂动物界最慢, 每次间隔12-24小时。输卵管中纤毛摆动将胚胎推向子宫. 卵裂发生在此旅程中,哺乳动物卵裂特点：分裂速度相对慢；卵裂球罕见的彼此联系的定位，第一次正常经裂，而第二次一个经裂，另一个纬裂(右上图)；明显的异时性, 哺乳动物卵裂球都不是同时分裂的;

12、 基因组在早卵裂期被激活, 而且基因组产生卵裂发生所必须的蛋白质。在小鼠和山羊这发生在2-细胞期。 1. 紧密作用(compaction): 如下图, 直到8-细胞期呈现一种具充足空间的松散排列。而第三次分裂卵裂球突然挤作一团, 最大限度地增加彼此之间的连接, 形成一个紧密的细胞球, 外部细胞通过紧密连接加固, 并封死球的内部。内部细胞通过间隙连接, 使小分子和离子通过.,紧密的胚胎细胞分裂产生16-细胞的桑葚胚。桑葚胚由一大群外细胞围绕一小群内细胞(1-2个细胞)组成. 大多数外细胞的后代变为滋养层(tropho-blast)细胞。它们产生非胚胎的结构, 形成绒毛膜(chorion)，胎盘的

13、胚胎部分。它从母体获得营养和氧气, 它还分泌激素, 并产生免疫反应调节因子, 使母体不排斥胚胎。它对胚胎植入子宫壁是必需的. 16-细胞胚胎的内细胞增殖形成内细胞团(inner cell mass, ICM), 它们形成胚胎。它们不但外形不同于滋养层, 而且它们在这样早期就合成不同的蛋白质。到64-细胞期滋养层和内细胞团完全分离, 这种差别是哺乳动物发育中的第一个分化事件。,2. 内细胞团的形成: 起初桑葚胚内部并没有腔, 后来经空腔作用(cavitation), 由滋养层细胞分泌液体到桑葚胚中形成囊胚腔, 内细胞团位于滋养层环的一侧。这一结构称胚泡(blastocyst)是哺乳动物囊胚的特称

14、。 通过标记不同的卵裂,证实紧密化作用后位于外层的细胞将形成滋养层细胞,而内细胞发育成胚胎. 将4细胞期小鼠胚胎每个卵裂球置于一群聚集的卵裂球表面,所有外周的移植细胞只能形成滋养层细胞,所以一个细胞是否成为胚胎或滋养层细胞,完全取决于紧密化作用后细胞所处的位置,即外周还是内部. 异源小鼠(allophenic mice)的实验(右图)证明内细胞团的形成。,将两个遗传上不同(毛色)的4-或8-细胞期胚胎除去透明带,聚合在一起形成复合的胚泡,将其植入养母子宫,产生一个黑白相间的小鼠. 1个细胞产生胚胎，则后代全黑或全白; 2个细胞产生胚胎(1WW:2WB:1BB),则50%黑白相间. 3个细胞形成

15、胚胎(1WWW:3WWB:3WBB:1BBB), 75%黑白相间; (实验结果73% 后代黑白相间) 4个细胞形成胚胎, 则87.5%后代黑白相间 右图示由3个不同毛色的4-细胞期胚胎聚合成的复合胚胎产生三种毛色相间的后代。这些实验表明只有少数细胞参加内细胞团形成,具体那些细胞不知道。 研究证明,内细胞团的每个细胞能产生身体中任何细胞类型.当内细胞被分离在一定条件下生长,它们会保持未分化特征,并可持续不断地分裂(胚胎干细胞).,3. 脱出透明带 (escape from zona pellucida) 胚胎从输卵管到子宫的移动途中, 胚泡扩大。滋养层细胞的膜上含有钠泵, 引起钠离子进入中央腔,

16、 钠离子吸水引起囊胚腔扩大。此时透明带可防止胚泡黏连到输卵管壁。当这种黏连在人类真正发生时, 称为“子宫外孕”(ectopic pregnancy)或“输卵管孕”(tubal pregnancy).这是一种危险的情况, 它可引起威胁生命的大出血. 当胚泡到达子宫时, 通过在透明带上溶解出一个小洞而从中孵出.在细胞膜上有一种胰酶样的蛋白酶-strypsin,能在透明带的原纤维基质中溶解出一个小洞. 胚泡脱出透明带后可直接与子宫接触。滋养层细胞将分泌另一些蛋白酶, 如胶原酶、基质溶素和纤维蛋白原激活因子，消化子宫组织的细胞外基质，使胚泡包埋在子宫壁中。,4. 双胞胎(Twins)和胚胎干细胞(em

17、bryonic stem cells, ESCs) 人双胞胎分为两组: 单合子(monozygotic)和双合子(dizygotic)双胞胎。后者由两个受精卵形成; 前者由单个胚胎形成, 它的细胞以某种方式彼此分离, 说明哺乳动物分离的卵裂球能产生完整的胚胎。即8-细胞期小鼠胚胎卵裂球能发育成一个完整胚胎。 单卵双胞胎由早期分离的卵裂球,甚至同一胚泡的内细胞团分离到不同区域产生. 这在人类出生时占大约0.25%。 大约33%的单卵双胞胎具有两个完全分离的绒毛膜, 表明分离发生在第5天滋养层形成前。其余的单卵双胞胎共享一个公共的绒毛膜, 这提示内细胞团分离发生在滋养层形成后。 在第9天人胚胎形成

18、另一胚外结构-羊膜(amnion)。如果胚胎分离发生在第5-9天之间,双胞胎具有一个绒毛膜和两个羊膜, 这种情况约占2/3; 小百分率的单卵双胞胎具有单独一个绒毛膜和羊膜, 这意味胚胎分离发生在第9天后, 有产生联体婴儿的危险。,双胞胎的产生和小鼠嵌合体的研究发现, 内细胞团的单个卵裂球具有产生有机体各种细胞类型的能力。内细胞团细胞被分离后在特定条件下培养, 它们能保持未分化的特征, 并可持续不断的分裂。这些细胞被称为胚胎干细胞。,(五) 不完全卵裂型 (Meroblastic cleavage),在高浓度卵黄集中的卵内, 卵裂只在小部分细胞质中进行. 1. 盘状卵裂(Discoidal cl

19、eavage): 鱼类、鸟类和爬行类行盘状卵裂。因卵大部分被卵黄占据,卵裂只发生在动物极的胚盘中。 因卵裂沟没有延伸到富含卵黄的细胞质中, 所以卵裂早期的细胞在基部是连续的.单层胚盘形成后, 卵裂形成含3-4层细胞的组织。同时在胚盘和卵黄之间出现空隙,称为胚盘下腔(subgerminal cavity).此时出现明区(the area pellucida), 由位于胚盘下腔上方的细胞组成; 暗区(the area opaca),由位于胚盘和卵黄边缘相连的细胞组成。,母鸡产蛋时，胚盘含有大约6万个细胞，其中一些细胞流入胚盘下腔形成第二层细胞，产蛋后不久，鸡胚具有两层细胞，上部的上胚层和低的下胚层

20、之间是囊胚腔. 鱼类多黄卵的发育类似鸟类，卵裂仅在动物极胚盘中发生.(盘状不完全卵裂).早期卵裂伴随高度重复的经裂-纬裂模式.分裂很快，15min一个周期。最初几次卵裂同步发生，形成一堆屹立于动物极的细胞。 曾认为鱼卵早期卵裂球象哺乳动物一样，当它们混合在一起时能形成任一成体的结构。现在有证据表明，鱼类卵裂球更象两栖类。第一次卵裂确定将来背-腹表面；第二次卵裂确定左-右侧；第三次卵裂确定前-后.下图斑马鱼的卵裂。,斑马鱼的盘状卵裂过程,2. 表面卵裂(Superficial cleavage),大多数昆虫的受精卵进行表面卵裂 中央大团的卵黄限定卵裂只在边缘的细胞质中进行.特点是直到核完成分裂后

21、细胞才形成。 合子核首先在卵中央进行数次有丝分裂，果蝇经过一系列核的分裂产生256个核, 平均每次8分钟.此后这些核移到卵的周围,并继续分裂，但分裂速度减慢，此时胚胎称为合胞体胚盘(syncycial blastoderm),即所有卵裂的核包在公共的细胞质中。那些移动到后极的核很快被细胞膜包裹, 形成胚胎的极细胞(polar cells),它们产生成体的生殖细胞.昆虫发育的首批事件是将来的生殖细胞与胚胎其它细胞的分离. 极细胞形成后卵母细胞的膜在核之间内陷, 最后把每个核分隔为单个的细胞, 此时称为细胞胚盘(cellular blastoderm)，以单层排列在卵周围。果蝇此层含6000个 细

22、胞, 并在受精后4小时内形成。核到达边缘区后，完成最后四次分裂，但分裂速度减慢, 由原来每次8分钟到最后一次25分钟.,果蝇胚胎的表面卵裂,256,第二节 卵裂的机制（MECHANISMS OF CLEAVAGE）,一. 卵裂周期的调节(regulating the cleavage cycle) 1. 促成熟因子(maturation promoting factor, MPF) 体细胞的细胞周期分为四个时期。在有丝分裂(M)后存在一个前复制间期(G1), 此后DNA的合成(S)发生, 在合成期后有一个前有丝分裂间期(G2), 随后为有丝分裂. 爪蛙和果蝇在早期卵裂时无G1和G2两个期。爪蛙

23、在12次卵裂后加入这两个时相；果蝇在14周期加入G2,在17周期时加入G1. 爪蛙前12次卵裂以双时相细胞周期同步进行: S到M和M到S。,调节双时相周期的因子定位于细胞质中, 一些控制DNA合成和细胞分裂的因子已鉴别出来, 其中之一为促成熟因子(MPF), 它是由两个亚单位组成的磷蛋白, 它促进蛙卵起始减数分裂，受精后调节早期卵裂球的双时相细胞周期。 2. 细胞周期蛋白(cyclins): MPF的调节亚单位, 为核蛋白, 是卵裂时细胞的蛋白质，它显示一种周期性的行为, 在S时相聚集，并在有丝分裂时降解。,3. cdc2激酶: MPF的催化亚单位, 分子量3.4104, 简称p34.具有磷酸

24、化和非磷酸化两种形式：当161位苏氨酸(T-161)磷酸化和14位苏氨酸(T-14)与15位酪氨酸(Y-15)非磷酸化时有活性。这对蛋白激酶的活性是非常重要的, 它可磷酸化各种蛋白质, 从而使MPF起作用. 4. cdc25磷酸酶: 核分裂始于MPF催化亚单位cdc2 14位 (T-14)与15位(Y-15)突然去磷酸化, 这依赖于cdc25磷酸酶。 cdc25磷酸酶有母源型和合子型，早期的合成起始于卵母细胞中贮存的mRNA，合子型的是在G2期末由核转录后获得。 果蝇受精卵前17次卵裂依靠卵母细胞储存的mRNA合成cdc25磷酸酶。后期合子型cdc25磷酸酶合成，卵裂又加快。,a,果蝇卵子成熟和早期胚胎发育受MPF调节(下图): 排卵时卵内的前-MPF复合物中T-14和Y-15被翻译出的cdc25磷酸酶去磷酸化，所以前7次核分裂中MPF保持高水平, 分裂迅速。到8-13次分裂时cyclin在M期开始降解，导致MPF激酶活性波动。14 细胞周期停顿后合子型cdc25磷酸酶合