发育生物学第十六章-生殖细胞的发生课件

第十六章 生殖细胞发生 (gametogenesis)线虫、昆虫、脊椎动物和其他许多动物的生殖细胞（germ cell）和体细胞（somatic cell）在很早期的发育阶段就有明显的分化。也有不少动物如腔肠动物、扁虫等，其体细胞与生殖细胞的分化并不确定，在一定的条件下能够转化为生殖细胞。1ppt课件完整n1.生殖质与生殖细胞的分化n2.原始生殖细胞的迁移n3.精子发生（spermatogenesis）n4.卵子发生(oogenesis)2ppt课件完整一、生殖质与生殖细胞分化一、生殖质与生殖细胞分化在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，其生殖细胞来源于原生殖细胞（primordial germ cell，PGC）。原生殖细胞经过迁移，进入发育中的生殖腺原基生殖嵴（genital ridge）分化成为生殖细胞。而原生殖细胞的起源可以追溯到更早期的胚胎发育阶段。3ppt课件完整 有些动物的卵细胞质中存在着具有一定形态结构、可识别的特殊细胞质生殖质（germ plasm）。生殖质由蛋白质和RNA组成，定位于卵质的特殊区域，具有生殖质的细胞将分化成为原生殖细胞。各类动物生殖质的形态结构和特性、原生殖细胞的形成及其迁移有较大的差异。4ppt课件完整1.线虫的线虫的P颗粒颗粒 线虫第4次卵裂结束时，便产生了生殖细胞谱系，所有的生殖细胞都来自P4分裂球。线虫未受精卵中均匀分布的生殖质P 颗粒(posterior granules)，在受精后迅速地集中到预定胚胎的后部。生殖细胞形成和P颗粒分布的关系说明，P颗粒可能对于生殖细胞的分化具有重要的作用。5ppt课件完整P颗粒在受精过程和第一次卵裂过程中的不对称定位6ppt课件完整26细胞期时全部P颗粒都在P4细胞中7ppt课件完整Par-3突变体内actin和P颗粒的异常分布8ppt课件完整9ppt课件完整n npgl基因的产物是P颗粒的成分之一，对生殖细胞的发育来说是必需的。PGL蛋白可能通过调节mRNA的代谢参与生殖细胞的特化。n npie-1基因参与P分裂球干细胞特性的维持，PIE-1蛋白只在生殖细胞谱系的分裂球中出现，但 PIE-1蛋白并非P颗粒的成分。PIE-1蛋白抑制P分裂球中合子基因的转录，直至胚胎发育到100个细胞左右的时期。这种转录的抑制作用会保护生殖细胞免受促进体细胞发育的那些转录因子的影响。10ppt课件完整2.果蝇的极质果蝇的极质 卵细胞内特殊的生殖质决定生殖细胞的发育命运，最清楚的例子来自对果蝇的研究。果蝇的原始生殖细胞最早发现于受精后90 min，这些原生殖细胞位于胚胎的后端。胚胎后端的细胞质内含有特殊的极质（pole plasm）颗粒，其内含有蛋白质和多种RNA。11ppt课件完整果蝇的极质 A.果蝇极细胞极质的透射电镜照片。B.卵裂结束前的早期果蝇胚胎极细胞的扫描电镜照片。12ppt课件完整 两个主要的实验证实了极质（pole plasm）可以促进生殖细胞发育命运的特化。第一，如果用紫外线照射卵的后端，破坏极质的活性，便没有生殖细胞形成。第二，移植果蝇的极质能够引起生殖细胞分化。如果将卵的后极移植到另一个胚胎的前端，极质所包围的细胞核便分化形成生殖细胞。如果将卵前端这些细胞移植到将来发育为生殖腺的区域，它们就可以发育为有功能的生殖细胞。13ppt课件完整移植果蝇极细胞质能够治愈射线照射引起的生殖细胞不发育。14ppt课件完整15ppt课件完整16ppt课件完整 有些母体效应基因（maternal effect gene）的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有8种基因的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育（sterile）的。其中，oskar基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基因将其mRNA定位于胚胎的后极。17ppt课件完整18ppt课件完整19ppt课件完整20ppt课件完整A.staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因的表达。B.研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的作用顺序。21ppt课件完整决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因1.gcl(germ cell-less):gcl基因在卵的生成过程中由营养细胞转录，受精后开始翻译，其蛋白定位在极质中。缺失该基因导致果蝇无生殖细胞。2.另外在果蝇的极质中还发现了一些可能参与PGC 形成的基因产物，如:nanos 基因、线粒体大核糖体RNA(mtlrRNA,mitochondrial large ribosomal RNA)以及 极粒成分（polar granule component,pgc）的非翻译RNA等。22ppt课件完整果蝇gcl基因产物定位于受精卵和早期胚胎的后端。23ppt课件完整3.爪蟾的生殖质爪蟾的生殖质两栖类原生殖细胞的发生部位定位在卵细胞的植物极，在这一部位发现有类似于果蝇P颗粒染色性质的胞质成分存在。（Bounoure，1934）24ppt课件完整蛙受精的合子中生殖质成分（种质）靠近植物极。25ppt课件完整桑椹胚内胚层区里含有种质成分的细胞的有丝分裂。26ppt课件完整在原肠胚形成启动时，靠近囊胚腔底面的原始生殖细胞。27ppt课件完整4.小鼠：小鼠：没有证据表明小鼠与其他哺乳动物生殖细胞发生与生殖质的关系。小鼠生殖细胞发生涉及细胞之间的相互作用。小鼠胚胎中最早能够识别的PGC位于原条后端。28ppt课件完整二、原始生殖细胞的迁移二、原始生殖细胞的迁移不同动物在生殖腺原基发生时，原生质细胞以不同的方式迁移进入生殖腺原基，在那里进行生殖细胞的分化。29ppt课件完整1.果蝇原始生殖细胞的迁移果蝇原始生殖细胞的迁移果蝇原始生殖细胞起源于胚胎的后端，经后中肠穿过肠壁和中胚层，形成两个分离的队列，最终聚集在生殖腺中。30ppt课件完整2.2.两栖类原始生殖细胞的迁移两栖类原始生殖细胞的迁移两栖动物的生殖质定位在卵的植物极，用紫外线照射胚胎植物极之后，生殖腺中将缺少生殖细胞。原始生殖细胞迁移路线：植物极-囊胚腔底部细胞的分裂沟附近-原肠腔底部内胚层-幼虫后肠聚集沿肠背部迁移至生殖嵴中。每个生殖嵴有30 PGC。生殖嵴细胞内的一些因子是PGCs定向迁移的重要因素。31ppt课件完整32ppt课件完整3.鸟类和爬行类生殖细胞的迁移鸟类和爬行类生殖细胞的迁移 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。生殖新月区形成血管时，PGC进入血管，通过血液循环迁移进入生殖嵴。33ppt课件完整鸡原条期胚胎的背面观，示原始生殖细胞发生的生殖新月区、暗区、明区和亨氏节。34ppt课件完整35ppt课件完整36ppt课件完整4.哺乳动物生殖细胞的迁移哺乳动物生殖细胞的迁移A.在卵黄囊靠近后肠和尿囊连接处可观察到原始的生殖细胞。B.原始生殖细胞经过肠、肠系膜的背面迁移到生殖嵴。37ppt课件完整C.小鼠胚胎后肠里大的原始生殖细胞，示碱性磷酸酶的表达。D.原始生殖细胞沿背肠系膜迁移并进入生殖嵴中。38ppt课件完整哺乳动物原始生殖细胞的迁移途径示意图。39ppt课件完整5.减数分裂（减数分裂（meiosis）原生殖细胞原生殖细胞进入生殖腺原基后不断进行进入生殖腺原基后不断进行有丝分裂有丝分裂，产生产生生殖干细胞生殖干细胞后代。生殖干细胞必须经过后代。生殖干细胞必须经过减数减数分裂才能分裂才能分化形成雌性配子或雄性配子，染色体分化形成雌性配子或雄性配子，染色体数目由双倍体变成单倍体。数目由双倍体变成单倍体。40ppt课件完整41ppt课件完整6.6.生殖细胞定向分化的决定生殖细胞定向分化的决定迁移进入生殖腺原基的原生殖细胞具备两种发育潜能，由生殖腺内的微环境决定分化成为精子或卵子。这里涉及两种决定：第一种决定是生殖干细胞是进入减数分裂进行配子发生还是进行有丝分裂成为生殖干细胞。第二种决定是进行减数分裂的细胞是发育为卵子还是精子。42ppt课件完整位于线虫生殖腺末端的远端细胞对生殖干细胞进行有丝分裂还是减数分裂具有调控作用。43ppt课件完整n n离开生殖腺末端的细胞进入减数分裂，而留在末端的细胞继续有丝分裂。末端的单个远端细胞（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。用激光使远端细胞失活可导致所有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。n nGlp-1基因在生殖细胞对远端细胞的信号作出反应的过程中起作用。44ppt课件完整45ppt课件完整线虫生精或生卵的分子机制46ppt课件完整三、精子发生三、精子发生一、精子发生（spermatogenesis）脊椎动物的PGCs到达雄性胚胎的生殖腺原基后，立即进入性索，然后停留在那里直到成熟。性索发育成为生精小管，其管上皮细胞分化形成支持细胞（sertoli cell）。PGCs分裂形成精原细胞。47ppt课件完整哺乳动物支持细胞和精子的发育，细胞在成熟过程中不断向生精小管腔推进。48ppt课件完整人人精子精子发生发生(spermatogenesis)spermatogenesis)的过的过程程人人约约需需7 74 4天天49ppt课件完整二、精子形成(spermiogenesis)高尔基体形成顶体泡，中心粒产生精子鞭毛，线粒体整合入鞭毛，核浓缩，胞质废弃，最后产生成熟的精子。50ppt课件完整人类精子结构示意图51ppt课件完整四、卵子发生四、卵子发生(oogenesis)(oogenesis)1.卵母细胞的减数分裂卵母细胞的减数分裂卵子发生除了形成单倍体的细胞核之外，还要建立一个由酶、mRNA、细胞器和代谢产物等组成的细胞质库，具备十分复杂的胞质体系。其次卵母细胞有很长的减数分裂前期，使卵母细胞充分生长。52ppt课件完整n n原生殖细胞原生殖细胞进入胚胎卵巢后分化成为进入胚胎卵巢后分化成为卵原细胞卵原细胞（oogoniaoogonia）。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减数分裂前期，形成数分裂前期，形成初级卵母细胞（初级卵母细胞（primary primary oocyteoocyte）。初级卵母细胞停止在。初级卵母细胞停止在第一次减数分裂的第一次减数分裂的前期前期，这种阻断的情况一直维持到青春期。随着，这种阻断的情况一直维持到青春期。随着青春期的开始，初级卵母细胞在卵巢内激素的作青春期的开始，初级卵母细胞在卵巢内激素的作用进一步发育成熟，阶段性地恢复减数分裂，接用进一步发育成熟，阶段性地恢复减数分裂，接着着第二次减数分裂发生第二次减数分裂发生，进行排卵。，进行排卵。成熟的卵处成熟的卵处于第二次减数分裂的中期于第二次减数分裂的中期。53ppt课件完整54ppt课件完整人类卵巢中生殖细胞数目的变化55ppt课件完整鱼（Coregonus）卵母细胞极体的形成，示卵母细胞的两次成熟分裂并非是均等分裂。56ppt课件完整2.减数分裂的阻断和继续减数分裂的阻断和继续 孕酮能促进卵母细胞继续减数分裂。其作用机理：孕酮使卵内一种编码pp39mos 的mRNA开始翻译，而pp39mos能抑制一种专一性降解细胞周期蛋白(cyclin)的蛋白酶。如果cyclin不降解，蛋白质激酶促成熟因子（maturation promoting factor,MPF）就会保持其活性，使阻断的减数分裂继续。57ppt课件完整3.昆虫的卵子发生昆虫的卵子发生 滋养型方式：果蝇卵子发生的初期在卵巢中进行，起源于卵巢一端的生殖系干细胞经过4 次分裂形成由细胞质桥相互连接的16细胞合胞体。其中只有位于胞囊后端的一个细胞形成卵母细胞，其余15个细胞则形成滋养细胞。58ppt课件完整59ppt课件完整n n滋养细胞的核DNA经过多次复制，形成多倍体的核。由于滋养细胞多倍体核具有高转录活性，可合成和提供卵子发育所需的RNA和蛋白质。滋养细胞