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1、范衡宇范衡宇浙江大学生命科学研究院受精和早期胚胎发育受精和早期胚胎发育浙江大学发育生物学课程浙江大学发育生物学课程 （2014-5-5）:受精（fertilization）的定义：单倍体的精子和卵子相遇后融合，形成双倍体合子 的过程，是有性生殖生物个体发育的起点。受精的意义： 1：把父母双方的遗传物质传递给子代、并实现了雌 雄两性遗传物质的混合，保证了物种的多样性。 2：激活了卵细胞质中的发育程序、形成了新生命个 体。2受精过程：受精过程：精卵释放、相遇、识别、精子附着于卵膜、精 卵质膜融合、卵子激活、原核形成和融合。1：精子和卵子的接触和识别，以保证精子和卵子来源于同 一物种。 2：精子入卵
2、。每次只能允许一个精子与卵子融合，因此卵 子需要有阻止多精受精的机制。 3：卵子的细胞周期和代谢激活，开启早期发育过程。 4：精子与卵子遗传物质的混合原核融合（哺乳动物除 外）。3一、受精方式1. 自体受精：在雌雄同体动物中，同一个体的精子和卵子融合.雌雄同体的绦虫、线虫2. 异体受精：大多数动物是雌雄异体动物4二、精子二、精子的获能与去获能的获能与去获能精子成熟后虽然具备了运动能力，却没有受精能力，精子成熟后虽然具备了运动能力，却没有受精能力，还需要在通过生殖道的过程中经历一系列生理生化还需要在通过生殖道的过程中经历一系列生理生化变化，才能获得受精能力，这一过程称为变化，才能获得受精能力，这
3、一过程称为精子获能精子获能（sperm capacitation）。）。1：哺乳动物精子活能最主要的部位是雌性生殖道。 2：这种获能没有种特异性。5精子在获能中产生的变化精子在获能中产生的变化1、细胞膜的变化细胞膜的变化：去除在雄性生殖道吸附在细胞膜：去除在雄性生殖道吸附在细胞膜 表面的某些成分，细胞膜表面的糖基得到修饰；表面的某些成分，细胞膜表面的糖基得到修饰； 2 2、代谢活化代谢活化：获能时多方面代谢明显加强，使精子：获能时多方面代谢明显加强，使精子 获得顶体反应能力。如氧化作用加强；膜脂代谢获得顶体反应能力。如氧化作用加强；膜脂代谢 加强；加强；3 3、超激活运动超激活运动7超激活运动
4、超激活运动当金黄地鼠精子开始接触获能液时， 开始时呈活跃的线性向前运动，随后进 入相对缓和的运动状态，此时大多数精 子以头对头相聚集，尾部颤动。2h后则 又互相离开，开始前所未有的活跃运动， 起初线性向前，很快出现猛烈的特殊运 动，尾部呈现强烈的鞭打样摆动，头的 运动轨迹呈不规则8字形。去获能现象去获能现象 张民觉（张民觉（1958）最早发现精子获能是一个可逆过）最早发现精子获能是一个可逆过 程，获能精子一旦与精浆和附睾液接触，又可去程，获能精子一旦与精浆和附睾液接触，又可去 获能获能(decapacitation)。 如果把去获能的精子转移到雌性生殖中，并使之如果把去获能的精子转移到雌性生殖
5、中，并使之 停留一段时间，精子又可重新获能，表明精浆和停留一段时间，精子又可重新获能，表明精浆和 附睾液中存在着一种附睾液中存在着一种去获能因子去获能因子(decapacitation factor)。9受精的基本过程10一、一、精子与卵子相遇精子与卵子相遇 二、二、精子的顶体反应精子的顶体反应 三、三、精子穿过放射冠精子穿过放射冠 和透明带和透明带 四、四、精卵质膜融合精卵质膜融合 五、五、皮质反应与多精入卵的皮质反应与多精入卵的阻止阻止 六、卵子激活六、卵子激活 七、原核七、原核形成与融合形成与融合三、受精过程三、受精过程一、精子与卵子相遇一、精子与卵子相遇在许多物种中，精子因在许多物种中
6、，精子因趋化性趋化性（chemotaxischemotaxis）而被）而被 吸向同种卵子，即精子跟随卵子所分泌的某种化学吸向同种卵子，即精子跟随卵子所分泌的某种化学 物质的浓度梯度而向卵子运动。物质的浓度梯度而向卵子运动。精子穿过放射冠精子穿过放射冠 ，附着和穿过透明带，附着和穿过透明带顶体反应 (acrosome reaction)质膜和顶体外膜融合，质膜和顶体外膜融合， 顶体内的物质释放出顶体内的物质释放出 来来,使得精子得以穿越使得精子得以穿越 放射冠和透明带和卵放射冠和透明带和卵 细胞膜接触细胞膜接触,从而开始从而开始 受精。受精。顶体反应顶体反应 (acrosome reaction
7、)哺乳动物顶体哺乳动物顶体 反应机制反应机制透明带的化学性质和生物学特性透明带的化学性质和生物学特性透明带由糖蛋白组成：透明带由糖蛋白组成：ZP1， ZP2，ZP3精子头部的精子头部的ZP3受体受体与与ZP3结合，结合， 导致精子的顶体反应。导致精子的顶体反应。透明带具有强的透明带具有强的异种抗原性异种抗原性精子穿过透明带及穿透机制精子穿过透明带及穿透机制 仓鼠精子先在透明带表面犁一个深沟，最仓鼠精子先在透明带表面犁一个深沟，最 后倾斜穿过透明带的。猪精子穿过透明带后倾斜穿过透明带的。猪精子穿过透明带 是是45夹角倾斜穿过的。夹角倾斜穿过的。 精子穿过透明带的两个因素：精子穿过透明带的两个因素
8、：一是本身的一是本身的 急剧运动；二是顶体中酶释放后可软化或急剧运动；二是顶体中酶释放后可软化或 溶解透明带物质溶解透明带物质。真实的顶体反应过程真实的顶体反应过程哺乳动物精卵质膜融合哺乳动物精卵质膜融合哺乳动物精卵开始融合的部位哺乳动物精卵开始融合的部位12345EPa1-2 精子质膜融合的部分 3-5 卵质膜融合的部位 E 赤道段 Pa 顶体后区皮质反应皮质反应 卵子的皮层有很多由膜包围的小而圆的细 胞器称为皮质颗粒皮质颗粒或小泡小泡，它们是在卵子 发生过程中由高尔基体形成的。在卵子成 熟过层中迁移到卵的四周，位于质膜下面。 受精或人工激动一个主要的结果是皮质颗 粒与质膜融合，导致皮质颗粒
9、发生胞吐作 用，这种现象称为皮质反应皮质反应。皮质反应皮质反应卵子的皮层有很多由膜包围的小而圆的细胞器称为皮质颗皮质颗 粒粒或小泡小泡，它们是在卵子发生过程中由高尔基体形成的。 在卵子成熟过层中迁移到卵的四周，位于质膜下面。受精 或人工激动一个主要的结果是皮质颗粒与质膜融合，导致 皮质颗粒发生胞吐作用，这种现象称为皮质反应皮质反应。皮质反应与皮质反应与Ca2+透明带反应：透明带反应： 一旦精子与卵子融合，皮质反应后胞吐到卵周隙一旦精子与卵子融合，皮质反应后胞吐到卵周隙中的酶类引起透明带糖蛋白发生生化和结构变化，中的酶类引起透明带糖蛋白发生生化和结构变化，从而阻止多精入卵，这称为从而阻止多精入卵
10、，这称为透明带反应透明带反应。25多精受精，即多个精子进入多精受精，即多个精子进入 卵子，在大多数动物中会造卵子，在大多数动物中会造 成灾难性的后果。图为海胆成灾难性的后果。图为海胆 双精受精后可能导致的情况。双精受精后可能导致的情况。海胆阻止多精受精两种机制海胆阻止多精受精两种机制 一是迅速阻止多精受精一是迅速阻止多精受精：通过卵子细胞膜通过卵子细胞膜 上膜电位的变化完成的快速反应。上膜电位的变化完成的快速反应。 二是缓慢阻止多精受精二是缓慢阻止多精受精：由皮层颗粒胞吐由皮层颗粒胞吐 作用引发受膜精的形成。作用引发受膜精的形成。快速阻止多精受精快速阻止多精受精t=0st=1st=20s钙震荡
11、激活皮质颗粒释放钙震荡激活皮质颗粒释放受精后产生钙震荡的分子机理受精后产生钙震荡的分子机理钙离子在受精中的作用钙离子在受精中的作用1：诱发皮质反应，阻止多 精受精； 2：使卵母细胞突破MII期阻 滞，恢复减数分裂； 3：启动受精卵的发育程序。原核形成与融合原核形成与融合精子进入卵子后，卵子被激活并恢复减数分裂（成熟精子进入卵子后，卵子被激活并恢复减数分裂（成熟 分裂分裂IIII），此时卵核和精子头部迅速形成原核。在很短的），此时卵核和精子头部迅速形成原核。在很短的 时间内雌、雄两原核即合并和融合为一体。雌雄原核染色时间内雌、雄两原核即合并和融合为一体。雌雄原核染色 体混合标志着受精的结束和胚胎
12、发育的开始。体混合标志着受精的结束和胚胎发育的开始。5hmC/5mC雌雄原核具有不同的发育潜能雌雄原核具有不同的发育潜能DNA/H3K4me3DNA/H3K9me3小鼠受精卵的雌雄原核中组蛋白甲基化状态的区别印迹基因（印迹基因（imprinted genes）只有雌雄原核都存在的情况下，受精卵才能正常发育。大约有100个哺乳动物基因，只在雄性来源或者雌性来源的染色体上表 达，称为印迹基因。 Dlk1：雄性印迹基因（抑制脂肪细胞形成） Ube3a：雌性印迹基因（调节脑细胞发育）印迹基因的形成是由于雌雄原核中不同的DNA甲基化修饰造成的。这些 在两性中不同的甲基化修饰区域叫做Differentia
13、lly methylated region （DMR）。DMR在原生殖细胞迁移过程中被擦除，又在配子发生过程中重新建立发育过程中的基因组甲基化变化发育过程中的基因组甲基化变化线虫的原核融合线虫的原核融合哺乳动物的原核融合哺乳动物的原核融合Maternal-zygotic transitionMaternal-zygotic transition in mouseZygotic arrest of the KO miceWT KO WT KOOocyte FertilizedeggA new oocyte specific gene without analysis女娲 是中国上古神话中 的创世
14、女神。传说女娲用泥土仿照自 己创造了人，创造了人 类社会。又替人类建立了婚姻制 度，使青年男女相互婚 配，繁衍后代，因此被 传为婚姻女神，是中华 民族伟大的母亲。女娲（女娲（Nowa）基因）基因Expression pattern of Expression pattern of NowaNowa4 4Results of embryonic transplantationMouse(Btg4-/-) Zygote(WT)Litter sizeMouse(WT) Zygote(Btg4-/-)Litter size鼠15鼠10鼠25鼠20鼠37鼠30鼠413鼠40四、单性四、单性生殖生殖动物的
15、两类生殖方式：两性生殖和单性生殖动物的两类生殖方式：两性生殖和单性生殖两性生殖两性生殖物种必须经过雌雄交配，受精和物种必须经过雌雄交配，受精和 雌雄原核的融合过程而才能繁殖后代。种群雌雄原核的融合过程而才能繁殖后代。种群 中必须有两种性别的个体中必须有两种性别的个体 。单性生殖单性生殖的种群中，只要有雌性个体即可的种群中，只要有雌性个体即可 繁殖后代繁殖后代单性生殖主要有：单性生殖主要有：孤雌生殖孤雌生殖，雌核发育雌核发育两两 种种方式。方式。孤雌生殖和雌核发育事例孤雌生殖和雌核发育事例 黄蜂黄蜂产卵时，由于卵通过产卵器时 受到挤压的机械刺激，使卵激动发 育； 黑龙江银鲫银鲫是一种天然的雌核发
16、育， 不需要精核染色体组的参与，异种 精子仅起激动作用，进入的精子核 不能成为原核，不能与雌原核融合。 Ca2+载体A23187可直接引起Ca2+的跨 膜运动，触发Ca2+内流使得小鼠小鼠卵母 细胞发生孤雌激活。体外受精体外受精（in vitro fertilization，IVF）是指 在体外环境完成精卵结合的过程。显微受精显微受精借助显微操作仪将精子或生精 细胞直接注入卵母细胞质内或卵周隙即透 明带下来实现受精的过程。试管婴儿：试管婴儿：体外受精体外受精和和胚胎移植胚胎移植XXIntra-Cytoplasmic Sperm Injection (ICSI) （卵胞质内单精子注射）Dr. Ryuzo Yanagimachi美籍日本科学家 美国科学院院士张民觉先生的学 生，ICSI和体细胞 克隆小鼠的缔造 者。生育能力下
