发育生物学_第三章

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1、第三章卵裂受精的过程虽然十分神奇 但它仅仅是个体发育的第一步 不少实验胚胎学家认为个体发育的起点应是卵 受精卵在获得了新的遗传物质和进行了细胞质的重排之后 便开始多细胞体的形成过程 在所有已知的动物中 这一过程始于卵裂 通过多次的有丝分裂将大量的卵质分配到无数个较小的 具核的细胞中去 卵裂阶段的细胞被称之为卵裂球 第一节胚胎的卵裂方式早期卵裂 cleavag 是在母型调控下进行的极其协调的过程 每个物种的卵裂方式是由两个因素决定的 卵质中卵黄的含量及其分布情况 卵质中影响纺锤体方位角度和形成时间的一些因子 卵黄的量和分布决定卵裂发生的位置和卵裂球的大小 卵裂的速度在卵黄含量低的一极快于卵黄含量

2、高的一极 卵黄含量丰富的一极称为植物极 而卵黄含量相对较少的另一权称为动物极 受精卵的核往往向动物权移动 表3 1为卵裂方式的分类 显示卵黄对卵裂的对称性和卵裂方式的影响 通常情况下 卵黄对卵裂具一定的阻抑作用 含卵黄相对少的受精卵 均黄卵和中黄卵 的卵裂为均裂 卵裂沟通过整个卵 一 两栖类大多数蛙和蝾螈胚胎是放射对称均裂的 与棘皮动物卵裂类似 但是两栖类卵中的卵黄含量较高 主要集中于植物极 成为卵裂的障碍 因此 第一次卵裂开始于动物极并慢慢延伸入植物极 图3 l 在美西钝口蝾螈 动物半球卵裂沟的延伸速度为1mm min 当卵裂沟分隔灰色月牙区后 在植物极延伸的速度仅为0 02 0 03mm

3、min 图3 1蛙卵的卵裂 罗马数字标明出现的次序 A B 植物极卵黄阻碍卵裂 以至于在第一次卵裂完成之前 第二次卵裂已于动物半球开始C 第三次卵裂靠近动物极 与动物半球相比 植物半球细胞数少 并呈长形D H 同动物半球相比 植物半球的卵裂球数量较少但体积较大 二 哺乳动物哺乳动物的卵由卵巢释放 然后进入输卵管 受精发生在输卵管靠近卵巢一端的壶腹部 减数分裂于受精后完成 第一次卵裂在受精一天后发生 哺乳动物的卵裂是最缓慢的卵裂 12至24h完成一次 卵裂的胚胎借助于输卵管纤毛运动朝子宫方向迁移 早先几次的卵裂是在输卵管内进行的 与其他类型的卵裂相比 哺乳动物的卵裂有几个特征 卵裂速度缓慢 卵裂

4、球间排列方式很独特 早期卵裂不同步 1 紧密化也许哺乳动物与其他类型卵裂之间最关键的区别是其存在紧密化现象 从图3 2可见 在8一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让人惊异的改变 它们突然挤在一起 卵裂球之间的接触面增大 形成一个紧密的细胞球体 图3 2C D和图3 3 这种紧密堆积的排列是通过球体外层细胞之间形成紧密的连接而维持的 这种连接把球的内部封闭起来 在这些相互形成紧密连接的细胞之间 小分子和离子能相互往来 图3 2体外小鼠早胚的卵裂A 2一细胞阶段B 4一细胞阶段C 8一细胞阶段早期D 紧密化的8一细胞阶段E 桑椹胚F 囊胚 图3 3紧

5、密化前 A 和紧密化后 B 的小鼠8一细胞期胚胎的扫描电镜图 2 细胞表面和紧密化的机制3 内细胞团的形成4 囊胚脱离透明带5 双胞胎和胚胎于细胞 embryonicstemcell 图3 4人类同卵双胞胎的形成与胚胎外膜相关的时序示意图A 分离发生于滋养层形成之前 因此两个胚胎有各自的羊膜和绒毛膜B 分离发生在滋养层形成之后和羊膜形成之前 导致两个胚胎共用一个绒毛膜 但有各自的羊膜腔C 分离发生在羊膜形成之后 导致两个胚胎处于同一羊膜腔内 并共用绒毛膜 图3 5非自主表型小鼠的构建A 构建非自主表型小鼠的实验程序 遗传上差异明显的两个8一细胞胚胎分别从小鼠输卵管中分离 去透明带后 将两个胚胎

6、融合成一个混合的胚胎 着床到假孕母体的子宫内B 成年的非自主表型的小鼠显示出分别来自于两个胚胎的特征 三 斑马鱼近几年来 斑马鱼 zebrafish 已成为研究脊椎动物发育的很好的实验材料 这种鱼产卵次数多 可全年繁殖 胚胎透明 体外发育 有利于进行观察 斑马鱼很容易人工饲养 其突变体易被筛选和增殖 另外 它们发育很快 受精后24h 胚胎就具备大部分的组织和器官原基 并显现出蝌蚪状特征 鱼类的多卵黄卵的发育同鸟类相似 细胞分裂仅仅在动物极胚盘中发生 在扫描电镜下可观察到鱼卵漂亮的盘状不完全卵裂 图3 6 同两栖类和海胆的胚胎一样 早期卵裂伴随着高度重复的经裂一纬裂模式 这种分裂很迅速 约15m

7、in一个周期 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 图3 6斑马鱼的盘状卵裂过程 这时 可逐步辨别出三个细胞群 卵黄合胞体层 在第9或第10次细胞分裂周期 位于植物极边缘的胚层细胞与其下层的卵黄细胞融合 融合后的胚层细胞核在紧挨的卵黄细胞质中排列形成核环 当胚层向植物极延伸并扩展到卵黄细胞周围 有些卵黄合胞体校将在胚层下迁移 形成内部卵黄合胞体层 而另一些核将向植物极移动 停留在胚层边缘的前头 形成外部卵黄合胞体层 图3 7A 包被层 位于胚层的最外层 是由单层细胞组成的表层 图3 7A 包被层最终形成表皮 为一种胚外保护层 随着后期胚胎的发育 该层将被抛弃 深层细胞 位于

8、外层的包被层和内层的卵黄合胞体层之间 是胚胎的主体 早期胚层的命运不确定 将不扩散的荧光染料注入到早期胚层细胞中 追踪研究细胞谱系发现 卵裂过程中细胞是混合的 而且每个细胞都可发展成后代组织中不可预见的细胞类型 直到原肠形成前胚层的命运才被确定下来 其命运图见图3 7B 图3 7斑马鱼囊胚A 地原肠形成以前 深层细胞被包被层包围 卵黄细胞的动物极表面平坦 含有卵黄台胞体层细胞的核 微管穿行于卵黄化的胞质和卵黄合胞体层的外部区域 B 细胞混合后 深层细胞的命运图 四 果蝇昆虫受精卵行表面卵裂 由于大量卵黄位于卵的中央 因此卵裂被限制在卵的外围卵质中 这种卵裂的一个有趣特征是 直到核已分裂 细胞还

9、不形成 图3 9显示果蝇受精卵的卵裂情况 合子型的核于卵的中央部分进行多次的有丝分裂 平均每8min一次核分裂 形成多达256个细胞核 然后细胞核迁移至卵的四周 此时 核的有丝分裂仍不断进行 但速度有所减慢 这时的胚胎称为合胞体胚层 syncytialblastoderm 意指所有的核都位于同一细胞质中 该合胞体除了保留受精卵的细胞膜外 没有别的细胞膜存在 那些迁移到受精卵后极的核迅速由新形成的膜所包围 形成极细胞 将来发育为成年个体的生殖细胞 因此昆虫卵发育的最早事件之一是把未来的生殖细胞与胚胎的其余部分区分开 图3 9果蝇胚胎的表面卵裂每个胚胎上方的数字是排卵后的时间 min 下方的数字是

10、指已出现核的数目 即使在推迟近3h还没有形成细胞胚层的情况下 极细胞 未来的生殖细胞 还是在512个核阶段出现 由于每次细胞分裂所需的时间部分地依赖于卵孵育的温度 因此时间不是很确定的 第二节卵裂的机制一 卵裂周期的调控体细胞的细胞周期能区分为4个阶段 图3 11A 在核分裂相 M相 之后有一个DNA复制前的间期G1相 DNA在G1相之后的S期中合成 DNA合成之后又存在一个核分裂前的间期G2相 这些时相的推进是受生长因子调控的 在早期卵裂阶段 细胞分裂相对来说是较简单的 海胆的早期卵裂缺乏G1相 DNA是在前一次核分裂相的末期进行复制 在非洲爪蟾和果蝇的早期卵裂中均无G1和G2相 非洲爪赡于

11、第12次卵裂后才出现G1和G2相 果蝇于第14次卵裂过程中出现G2 而在第17次分裂过程中出现G1相 在最初的12次分裂中 非洲爪赡具双相的同步化卵裂周期 S至M相 M至S相 图3 11B 图3 11体细胞和早期囊胚细胞的细胞周期A 典型的体细胞的细胞周期 间现后为核分裂相 M 间期又可分为G1 S和G2相 正在分化的细胞通常脱离细胞周期 进入一种漫长的G0相 细胞周期蛋白以及它们相应的激酶在其各自的位点上发挥着调控细胞周期的作用B 两栖类早期囊胚细胞的细胞周期只有S和M两相 二 促成熟因子 MPF cdc2激酶四 细胞周期蛋白五 CdC25磷酸酶六 其他细胞周期蛋白和依赖细胞周期蛋白激酶七 细胞分裂检查点 DNA和纺锤体八 细胞静止因子