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1、发育生物学基础知识发育生物学基础知识 Basic Knowledge of Developmental Biology 发育生物学概述发育生物学概述 Overview of Developmental Biology 是研究个体发育个体发育过程中形态结构变化形态结构变化及其机制机制的 一门生物学的分支学科 发展基础 初期 胚胎学 细胞生物学 当代 生物化学 遗传学 分子生物学 表观遗传学 胚胎胚胎 embryo 在里面生长和增殖在里面生长和增殖 发展过程 形态 morphology 机理 mechanism 组织器官 细胞 分子 个体发育 个体发育 ontogenesis 个体发育定义个体发育
2、定义 生物体从精子和卵子发生 受精 胚胎发育 出生 个体生长 成熟到衰老 死亡的过程 个体发育阶段个体发育阶段 胚前期 胚胎期 胚后期 个体发育阶段个体发育阶段 胚前期胚前期 胚胎发生前的阶段 原生殖细胞的起源起源 origination 和迁移迁移 migration 雌雄配子发生配子发生 gametogenesis 直至产生 精子和卵子 胚前期 pre embryonic period 生殖细胞产生 受精 个体发育阶段个体发育阶段 胚胎期胚胎期 从卵的受精到胚胎从卵膜 母体 孵化 分娩 胚胎发育分期 受精 fertilization 卵裂 cleavage 囊胚 blastula 原肠胚
3、gastrula 产生三胚层 神经胚 neurula 器官原基形成 组织和器官发生 histogenesis and organogenesis 涉及两个过程 形态发生和分化 morphogenesis and differentiation 胚胎期 embryonic period 卵裂 胚层 器官发生 组织分化 个体发育阶段个体发育阶段 胚后期胚后期 动物个体孵化或出生以后的发育阶段 幼虫或幼体继续发育 器官系统和功能逐渐复杂化 性成熟前期性成熟前期 性成熟期性成熟期 衰老期衰老期 某些动物在发育到成体之前 在形态和结构上要经 历一个阶段性的明显变化 变态变态 metamorphosis
4、幼虫器官组织的退化 成虫器官组织的重建 胚后期胚后期 post embryonic period 生长 成熟 衰老 死亡 时 间 都 去 哪 儿 了 时 间 都 去 哪 儿 了 某些生物具有结构变态 动物变态动物变态 蜕皮激素 保幼激素 个体发育到系统发育 进化 ontogenesis phylogenesis Evolution 个体发育是系统发育的简短而快速的重演个体发育是系统发育的简短而快速的重演 第一讲第一讲 原生殖细胞的起源和迁移原生殖细胞的起源和迁移 Origination and migration of the primordial germ cell PGCs 原生殖细胞原生
5、殖细胞从从何而来 何而来 观点 在胚胎发育后期由体细胞分化而来 海绵动物 腔肠动物和扁虫等 观点 从胚胎发生一开始就与体细胞不同 线虫 果蝇以及两栖类动物等 原生殖细胞原生殖细胞缘何与缘何与体细胞体细胞分开 分开 由含有一种特殊细胞质的分裂球形成 生殖质生殖质 germ plasm 原生殖细胞原生殖细胞 primordial germ cell PGCs 何谓何谓生殖质生殖质 germ plasm 是发生并存在于卵母细胞质中的 具有一定形态结构的特殊细胞质 能够指导生殖细胞的分化 主要由蛋白质蛋白质和RNA构成 原生殖细胞原生殖细胞 原生殖细胞的形态原生殖细胞的形态 原生殖细胞的发生原生殖细胞
6、的发生 迁移途径与迁移机制迁移途径与迁移机制 一 原生殖细胞形态一 原生殖细胞形态 在鸡胚的生殖腺中首次发现在鸡胚的生殖腺中首次发现PGCs Waldeyer于1870 年发现 鸟类原生殖细胞形态鸟类原生殖细胞形态 体积较体细胞大 细胞直径15 20 m 细胞核偏于一侧 核直径6 10 m 含有大量糖原 在向生殖嵴生殖嵴迁移时逐渐下降 启动迁移前 胞质皮层出现大量微管微管和微丝束微丝束 二 原生殖细胞的发生二 原生殖细胞的发生 无脊椎动物无脊椎动物 Invertebrate 马蛔虫 A megalocephala 线虫 C elegans 果蝇 Drosophila melanogaster
7、脊椎动物脊椎动物 Vertebrate 两栖类 Xenopus laevis 鸡 鸟类 Gallus gallus 小鼠 哺乳类 Mus musculus 一一 无脊椎动物原生殖细胞的发生无脊椎动物原生殖细胞的发生 1 马蛔虫的染色体消减现象马蛔虫的染色体消减现象 染色体消减染色体消减 chromosome diminution 马蛔虫胚胎发育过程中发生 体细胞染色体片段丢失现象 Weismann根据马蛔虫染色体消减现象提出 体细胞分化是由于物质丢失造成的 每一种组织只保留了其特有遗传物质 1834 1914 德国动物学家 马蛔虫染色体消减示意图马蛔虫染色体消减示意图 在卵裂过程中除原始生殖细
8、胞保留了完整的 两条染色体外 其他细胞的染色体均发生大段丢失 2 秀丽隐杆线虫的原生殖细胞秀丽隐杆线虫的原生殖细胞 秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫 C elegans 线虫卵裂的扫描电镜图 合子不对称分裂 产生P1和AB两个细胞 P1细胞再分裂出P2 和EMS两个细胞 秀丽隐杆线虫发育早期的细胞谱系秀丽隐杆线虫发育早期的细胞谱系 大部内胚层和中胚层 细胞来源于EMS细胞 P4细胞谱系产生全部 生殖细胞生殖细胞 秀丽隐杆线虫发育早期的细胞谱系秀丽隐杆线虫发育早期的细胞谱系 首次卵裂产生的AB和P1细 胞的发育命运既已确定 AB和P1细胞的后代细胞均 有相应的谱系 生殖细胞来自P4细胞 线虫卵受精后线虫
9、卵受精后P颗粒的定位集中颗粒的定位集中 左列图示早期胚胎细 胞核定位 右行图示P颗粒 极粒 集中到生殖系细胞中 生殖细胞的产生与P 颗粒有关 线虫 决定原生殖细胞的命运的基因线虫 决定原生殖细胞的命运的基因 pgl基因基因 PGL蛋白 P颗粒成分 可调节mRNA代谢 pie 1基因基因 Pie 1蛋白 非P颗粒成分 抑制合子基因转录 缺失缺失导致导致P1 P4向向 体细胞命运分化体细胞命运分化 3 果蝇的原生殖细胞 果蝇的原生殖细胞 果蝇果蝇 Drasophila 原生殖细胞的命运决定于后部极质极质 极质极质 pole plasm 卵后端含有的与其他细胞质不同的颗粒物质 极粒极粒 polar
10、granules 极质中所含的颗粒 由蛋白质和RNA所组成 极细胞极细胞 polar cell 移向卵后端的核形成的含极质的细胞 最终分化为性细胞 果蝇 极质 极粒 极细胞 上图 从果蝇极细胞中分离出的上图 从果蝇极细胞中分离出的 极粒电镜图极粒电镜图 下图 果蝇胚胎临完成卵裂时的下图 果蝇胚胎临完成卵裂时的 扫描电镜图 极细胞集中在右端扫描电镜图 极细胞集中在右端 虫体后端 虫体后端 证 明 果 蝇 极 质 功 能 的 实 验 证 明 果 蝇 极 质 功 能 的 实 验 决定果蝇原生殖细胞的命运的基因决定果蝇原生殖细胞的命运的基因 gcl germ cell less 基因基因 卵子发生过程
11、中由母体效应基因转录 mRNA定位于卵子后端构成极质组分 受精后翻译的蛋白定位在极粒中 缺失或突变将导致无生殖细胞 oskar基因基因 其母体mRNA定位在极质中 其表达量影响极细胞的数量 1 copy 10 15 pole cells 2 copies 35 pole cells 4 copies 50 pole cells 二二 脊椎动物的原生殖细胞发生脊椎动物的原生殖细胞发生 1 两栖类生殖细胞发生 两栖类生殖细胞发生 生殖质定位在卵的营养极卵的营养极 生殖细胞命运同样决定 于生殖质生殖质 利用紫外线照射胚胎营养极之后 生殖腺中将缺少 生殖细胞生殖细胞 2 鸟类的原生殖细胞 鸟类的原生殖
12、细胞 胚盘胚盘 blastodisc 为动物极直径约2 3mm的区域 胚盘最初为单细胞层 起初与卵黄相紧密接触 胚盘细胞从稀蛋白吸取液体后 与卵黄分离开 胚盘与卵黄分离后形成的结构 胚盘与卵黄分离后形成的结构 胚盘下腔 subgerminal cavity 明区 area pellucida 胚盘中央透明区 暗区 area opaca 胚盘边缘与卵黄接触细胞 上胚层 epiblast 将形成胚胎本体 下胚层 hypoblast 将产生胚外结构 鸟类生殖细胞发生鸟类生殖细胞发生 起源于明区中央的上胚层细胞 在原肠作用中迁移至明区的前部边缘的下胚层 形成生殖新月区生殖新月区 germinal cr
13、escent 生殖新月区的细胞繁殖成为PGC 3 哺乳动物的原生殖细胞 哺乳动物的原生殖细胞 桑椹胚 morula 囊胚 blastocyst 的细胞分化 位于内部的少数细胞产生的子细胞将组成 内细胞团内细胞团 inner cell mass 胚胎本体 位于外部的细胞产生的子细胞大多将构成 滋胚层滋胚层 trophoblast 胚外附属结构 哺乳动物的原肠作用哺乳动物的原肠作用 内细胞团分裂为两层内细胞团分裂为两层 上胚层上胚层 胚胎本体 下胚层下胚层 胚外结构 上胚层上胚层 胚盘胚盘 下胚层下胚层 原肠胚期 小鼠的原肠胚期 小鼠的PGC位于上胚层中位于上胚层中 7天鼠胚中 约8个PGC位于胚
14、外中胚层中 迁移到达生殖嵴时 PGC达2500 5000个 三 原生殖细胞的迁移及其机制三 原生殖细胞的迁移及其机制 原生殖细胞原生殖细胞只有正确地迁移到生殖腺 前体 生殖嵴生殖嵴后才能分化成生殖细胞生殖细胞 迁移 分化 分化 生殖嵴生殖嵴 genital crest 1 两栖类原生殖细胞迁移 两栖类原生殖细胞迁移 受精卵 囊胚 原肠胚 神经胚 尾牙期 两栖类原生殖细胞的迁移两栖类原生殖细胞的迁移 受精卵期 受精卵期 生殖质位于植物极 2细胞期 细胞期 生殖质被分到2个分裂球内 囊胚期 囊胚期 原生殖细胞位于囊胚腔的底部 原肠胚 原肠胚 原生殖细胞位于原肠腔底部的内胚层中 随原肠作用的形态发生
15、运动被动地移位 神经胚 神经胚 原生殖细胞位于后消化道腹面 尾芽期 尾芽期 PGCs开始向内胚层两侧和消化道背面集中 经背肠系膜迁移到两侧的生殖嵴中 原生殖细胞原生殖细胞与与生殖嵴生殖嵴共同共同形成了胚胎的形成了胚胎的生殖腺生殖腺 两栖类原生殖细胞迁移路径两栖类原生殖细胞迁移路径 营养极 囊胚腔内 胚层表面 形成 PGC 幼虫肠后 部聚集 沿肠背部 迁移至中肠上部的 生殖嵴中 每个生殖嵴有 30 PGCs 2 鸟类原生殖细胞的迁移 鸟类原生殖细胞的迁移 鸟类的PGC最早起源于明区中央的上胚层细胞 在原肠作用中迁移进入胚盘下腔下胚层 再迁 移至明区的前部边缘 形成生殖新月区生殖新月区 germi
16、nal crescent 生殖新月区形成后的生殖新月区形成后的PGCs迁移迁移 生殖新月区形成血管 PGC进入血管 通过血液循环到达正 在形成的后肠区 迁移进入生殖嵴 4 哺 哺乳类原生殖细胞及其迁移示意图乳类原生殖细胞及其迁移示意图 PGCs迁移基本路径迁移基本路径 PGCs 最初出现的时期和部位不同 通过变形运动沿肠壁进入背侧肠系膜或进入血液 迁移到生殖嵴 与中胚层细胞发育成精巢或卵巢 各种动物的各种动物的PGCs 迁移途径迁移途径 在两栖类和哺乳类 PGCs 在肠系膜中通过 变形运动迁移至生殖嵴 鸟类的PGCs 是通过血液运送的方式迁移至 生殖嵴 鱼类不同种的PGCs 迁移的方式不同 或是 由肠系膜或是由血液运送至生殖嵴 4 PGCs迁移机制迁移机制 纤粘连蛋白纤粘连蛋白 纤粘连蛋白纤粘连蛋白 FN 粘合斑粘合斑 细胞与细胞与ECM的联系的联系 微丝微丝 Cytosol 跨膜整联蛋白跨膜整联蛋白 纤粘连蛋白纤粘连蛋白 ECM 转化生长因子转化生长因子 TGF 1 介导介导PGCs迁移迁移 方向和速度方向和速度
