第七章卵裂和多细胞创造

第七章卵裂和多细胞创造受精是发育的第一步，配子在得到了新的遗传潜能和进行了细胞质的重排后，开始形成一个多细胞生物体。在所有已知的多细胞生物中，这一过程起始于卵裂，由一系列的细胞分裂将体积极大的卵子细胞质分割成许多较小的、有核的细胞。这些处于卵裂期的细胞叫做卵裂球。不同卵裂球之间已经开始产生差异，并最终发育成不同类型的细胞。对大多数物种而言（哺乳动物例外），细胞分裂的速度及卵裂的相互位置完全是由母本储存的卵母细胞中的蛋白质和mRNA控制的，而通过细胞分裂传递到所有细胞中的基因组在早期卵裂胚胎中并不行使功能。一般没有或仅有极少数mRNA在卵裂的后期被转录。如果以化学试剂阻断转录，胚胎仍能正常分裂。多数物种卵裂期胚胎体积没有净增加，这是因为卵裂时，细胞质体积并不增加，合子细胞质不断被二等分分到越来越小的细胞中，细胞在两次分裂之间没有生长期。卵裂期细胞核以极高的速度分裂，其分裂速度甚至超过癌细胞。如果蝇卵裂期的细胞分裂能以每10min一次的速度持续2h以上，在12h内生成50000个细胞（如图7－1）。卵裂期细胞快速分裂的结果之一就是细胞质与细胞核的体积比随着卵裂的进行不断下降。在许多胚胎中，该比值的下降对于某些基因的激活起关键作用。如，爪蟾的核基因要在12次分裂之后才能开始转录。有人认为是卵子内的某种因子被新合成的染色质所识别，因为可以通过改变核内染色质来改变转录的开始时间。卵裂在受精后立即开始，终止于胚胎细胞到达的一个新的核－质平衡点。第一节卵裂的类型在不同的物种中，卵裂的方式是不同的，它是一个受遗传控制的过程。卵裂方式主要由2个因素决定的：一是卵黄的含量及其在细胞质内的分布；二是卵子细胞质中影响纺锤体形成时间及角度因子。卵黄含量和分布决定卵裂发生的部位及卵裂球的相对大小。如果卵子的一极卵黄蛋白相对较少，该极的细胞分裂速率就相对较快。富含卵黄的一极叫植物极，卵黄相对较少的一极叫植物极。合子的核一般靠近动物极。卵黄相对较少（少黄卵和中黄卵）的合子的卵裂方式一般为完全卵裂（holoblasticcleavage），卵裂后整个卵子被完全分割。多黄卵受精后形成的合子卵裂时仅有一部分细胞质被分割，而卵黄部分不分裂，因而称为部分卵裂（merlblasticcleavage）。部分卵裂可以是盘状的（discoida），如鸟卵，也可以是表面的（superfical），如昆虫卵。卵黄蛋白是进化过程中的一种适应，可以使胚胎在没有外来营养供给的情况下发育。卵黄较少的动物胚胎通常迅速地发育成幼虫，幼虫可以自主摄食、自由运动。哺乳动物卵子几乎不含卵黄，胚胎发育时最先分化出胎盘细胞，通过胎盘从母体吸收营养和氧气。昆虫、鱼类、爬行类和鸟类的卵中储存大量的卵黄，可以满足胚胎早期发育的需要。这几类动物不存在幼虫期，发育过程中也不形成胎盘。在某些热带蛙中，没有蝌蚪阶段，它们的卵中卵黄含量极高。由于没有蝌蚪阶段，所以它们的卵没有必要产在水中。另一个决定卵裂方式的因素是有丝分裂器（mitoticapparatuss）在卵质中的位置和定向。大多数动物的有丝分裂器与卵轴垂直或平行，卵裂是对称的。如果有丝分裂器与卵轴成斜角，卵裂就呈螺旋式。一、完全卵裂完全卵裂的类型很多，主要在以下几种：1．辐射式卵裂辐射式卵裂有2个基本特征：一是每个卵裂球的有丝分裂器与卵轴垂直或平行；二是卵裂沟将卵裂球分成对称的两半。海鞘的卵裂是一辐射式卵裂（如图7－2）。第一次卵裂的卵裂沟通过卵轴，产生大小相等的2个卵裂球。第二次卵裂的卵裂沟也通过卵轴，与第一次卵裂沟垂直。这两次叫经裂（meridionalcleavage），因为它们的卵裂沟通过卵轴而与卵子的赤道面垂直。第三次卵裂是纬裂（latitudinalcleavage），卵裂沿赤道面将胚胎平均分成8个大小相等的球，4个在动物极，4个在植物极。第四至第八次卵裂分别是经裂、纬裂、经裂、纬裂，产生256个卵裂球。在前几次卵裂，胚胎是一个实心球体，形如桑葚胚（morula）。经8次卵裂后，卵裂球排列成圆筒开关。然后，两极的卵裂球彼此靠近，形成一个由单层细胞围成的空心球体。这时的胚胎叫做囊胚（blastula），中央的空腔叫囊胚腔（blastocoel）。海胆的卵裂也辐射卵裂，前三次与海鞘相同。第四次卵裂，动物极的4个卵裂球进行经裂，形成中卵裂球（mesomere）。而植物极细胞由一次剝均等的卵裂，形成了靠近赤道面的4个大卵裂球和4个靠近植物极的小卵裂球（如图7－3）。第五次卵裂，8个中等细胞卵裂由经裂形成动物极的2层细胞an1和an2。4个大卵裂球由经裂形成8个细胞排在an2下面。4个小卵裂球也发生分裂，形成植物极端的一小簇细胞。第六、第七卵裂，所有的细胞分别沿纬线分裂，由128个细胞组成的囊胚。海胆的囊胚期开始于128细胞的胚胎，此时所有的细胞大小相同，形成一个单层的中空球体。此时，细胞之间的连接紧密，将囊胚腔与外环境隔离。随着细胞分裂，囊胚的单细胞民随着扩增、变薄，植物极变得扁平（如图7－4）。囊胚腔的增大既与细胞和透明层黏着有关，又与囊胚腔内的高渗透压使外环境中的水进入腔中有关。两栖类中，大多数蛙和蝾螈的卵裂与棘皮动物相同，是辐射式卵裂。但两栖类的卵在植物半球富含卵黄，防碍卵裂进行。因此，当第一次卵裂从动物极开始，还在沿经线分割植物半球的细胞质时，第二次卵裂已经又从动物开始了。第二次卵裂与第一次卵裂成直角，也是经裂。第三次卵裂是纬裂，但卵裂沟靠近动物极，形成动物半球的4个小卵裂球和植物半球的4个大卵裂球。之后，动、植物半球的卵裂不同步，在动物半球形成大量的小卵裂球，在植物半球形成数目较少的、含有卵黄的大卵裂球。（如图7－5）对于蛙的胚胎而言，囊胚腔具备两种功能：1、在原肠形成过程中，囊胚腔有利于细胞迁移，并防止上下层细胞间不成熟地过早接触。如从囊胚腔顶部取出胚胎细胞置于囊胚腔底部富含卵黄的植物极细胞旁边时，该动物极细胞发育形成中胚层而不是外胚层。由于中胚层细胞组织通常是由内胚层前体相邻的动物极细胞形成的，因此存在着植物级细胞影响动物极细胞分化成中胚层组织的可能性。二是囊胚腔对将发育成皮肤和神经组织的细胞的完整性具有重要的维护作用。2．螺旋式卵裂许多环节动物、涡虫纲动物、纽形动物门动物和除头足纲外的所有软体动物的卵裂是螺旋式卵裂。螺旋式卵裂与辐射式卵裂不同之处在于：①卵裂方向与卵轴成斜角；②细胞之间势力学上最稳定的方式堆叠，细胞间接触面积更大；③螺旋式卵裂通常只经过较少的次数的卵裂就开始了原肠形成，这为跟踪囊胚每一个细胞的发育命运提供了便利。螺旋式卵裂形成的囊胚没有腔，称做实囊胚（stereoblastula）。（如图7－6）由于螺旋式卵裂有右旋的和左旋的，表现在蜗牛的壳上就有右旋和左旋之分。蜗牛壳的螺旋方向是由单基因控制的，右旋对左旋是显性的。然而，蜗牛壳的螺旋方向不是由其本身的基因型决定的，而是由其母亲的基因型决定，是一种典型的母性遗传。3．两侧对称式卵裂两侧对称式卵裂主要发现于水螅中（图7－7）。该卵裂方式的主要特征是：第一次卵裂平面是胚胎的惟一对称面，它将胚胎划分为左右成镜像对称的两部分。第二次卵裂也是经裂，但却不通过卵子中心，因此形成2个前部（anterior）的大卵裂球和2个后部（posterior）的小卵裂球。第三次卵裂是纬裂，生成一层动物极卵裂球和一层植物极卵裂球。第四次卵裂的卵裂面是不规则的，在动物半球和植物半球的卵裂面一相同。经过第五次卵裂，形成了一个小的囊胚腔。4．旋转式卵裂哺乳动物的卵裂是最难研究的，因为它们的卵子是动物界中最小的卵子之一，难以进行实验操作。如人的受精卵直径仅100um，肉眼几乎看不见，体积仅是蛙卵的千分之一。而且哺乳动物的合子的数量也远远不及海胆或蛙。雌性哺乳动物排卵一次一般不会超过10个，因此很难得到足够的材料用于分析。另外，哺乳动物的胚胎不能在体外环境中发育。科学家们仅在最近才能在体外重建某些体内条件，在体外观察胚胎发育。哺乳动物卵裂与其他动物有极大的不同，虽然研究很困难，但还是非常有价值的。哺乳动物的卵母细胞从卵巢释放后被纤毛运送到输卵管。受精发生在输卵管靠近卵巢的一段膨大处，（如图7－8）。此时有丝分裂已经完成，第一次卵裂将于一天后开始。与其他动物相比，哺乳动物的卵裂速度很慢，间隔12－24h才分裂一次。第一次卵裂发生在胚胎被输卵管的纤毛推往子宫的途中。哺乳动物的卵裂有以下特点：一是分裂相对较慢，二是卵裂球之间的相对位置很特别。第一次卵裂是正常的经裂，而在第二次卵裂，其中一个卵裂球为经裂，而另一个为纬裂（如图7－9），这就叫旋转式卵裂（rotationalcleavage）哺乳动物卵裂的第三个特征是早期卵裂不同步。因此，哺乳动物的胚胎常常含有奇数处细胞。另外，与几乎所有其他动物不同的是，哺乳动物的基因组在卵裂的早期就被激活并表达出进行卵裂所必需的蛋白，如老鼠和山羊在2细胞期就发生了从母性控制到合子控制的转换，在兔子胚胎中，这个转换发生在8细胞期。哺乳动物另外有一个重要的特征是有胚胎的压缩（compaction）现象。（如图7－10），处于8细胞期的胚胎是一个松散的结构，各个卵裂球之间有许多空隙。而在第三次卵裂之后，各卵裂球突然相互靠近，相互之间的接触面积达到最大，形成一个紧密的细胞球。细胞球外层细胞之间有紧密连接，可将球内部的细胞与外环境隔绝，起稳定细胞球的作用。球体内部的细胞之间有间隙连接（gapjunction）相连，可以相互交换小分子和离子。然后细胞继续分裂形成16细胞的桑葚胚。桑葚胚由内部的一小团细胞和包衷着它们的一层外部细胞组成，绝大部分外部细胞将发育成滋养层细胞。滋养层细胞不参与胚胎结构，而是形成绒毛膜（chorion）再发育成胎盘（placenta）滋养层细胞是胚胎着床必需的。起初，桑葚胚中间没有空腔，滋养层细胞向桑葚胚分泌液体而形成一个囊胚腔，内细胞团位于腔体的一端。这个结构叫做胚胞(blastocyst)。滋养层细胞和内细胞团的分化是哺乳动物早期发育的关键一步。在胚胎中哪些细胞形成内细胞团，哪些细胞形成滋养成细胞是如何决定的呢？对胚胎发育过程的观察表明，这仅仅是由细胞在胚胎中的停留的位置决定的。真到8细胞期时，各个卵裂球在生化上、形态上、发育潜能上没有明示的差别，都具有发育成滋养层细胞和内细胞团细胞两种可能。而胚胎的压缩产生了具有极大差别的内部和外部细胞。通过对卵裂球进行标记示踪及移植实验证明，一个细胞是发育成滋养层细胞还是内细胞团是由胚胎压缩后是处于胚胎外层还是处于胚胎内部决定。当胚胎在输卵管中向子宫运动时，胚泡在透明带中逐渐扩大。滋养层细胞的细胞膜靠近囊胚腔的一面上有钠泵，可将钠离子泵入腔内。腔内高浓度的钠离子使水分渗入，使囊胚腔扩大。此时，透明带的一个重要功能是阻止胚泡附着在输卵管上，防止宫外孕。在人类中，这种粘着作用确实会发生，进而导致异位妊娠，胚胎在输卵管中着床，这将会导致相当危险的出血。当胚胎达到子宫后，必须从透明带中“孵化”出来才能附着在子宫内壁上。如老鼠的胚泡通过蛋白酶的作用将透明带溶解出一个小洞，并随着它体积的扩大挤出透明带。在胚泡的细胞膜上有一种类似于胰蛋白酶的水解酶，它溶解透明带的纤维性基质。早期胚胎细胞之间可以相互转换和补偿，如去掉2－细胞期兔胚的一个细胞，留下的另一个细胞仍可能发育成完整的胚胎。内细胞团一旦与滋养层分离，即成为一种等价群体（equivalencegroup），其中的每一个细胞具有相同的潜能。在这种情况下，每个细胞都能发育成胚胎中所有类型的细胞，但不能成为滋养层细胞。它们各自的命运将由它们子代细胞的相互作用来决定。若将内细胞团的细胞转移注入到另一囊胚中，它们将参与发育成新的胚胎，而滋养层则不能。由于它们可发育成躯体中任何类型的细胞，所以，内细胞团有时也被看作为“多能母细胞”（pluriblast）。人类的双胞胎被分为：同卵双生和异卵双生。异卵双生是两个卵分别受精的结果。现卵双生则源于同一胚胎，胚胎中的细胞由于不明原因相互分离导致产生双胞胎。因此同卵双生可以通过早胚卵裂球的分离，甚至是同一囊胚中内细胞团一分为二而产生。同卵双生占