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发育生物学学科论文（综述）题目海胆的早期发育姓名孟丽巧学号124120025院、系生命科学学院专业生物科学班级12生科A班指导教师王晓燕职称（学历）本科1海胆的早期发育摘要：海胆（Seaurchin）是一种常见的无脊椎动物，在动物的系统分类学上，隶属于棘皮动物门(Ectu'nodermata)，游走亚门(Eleutherozea)，海胆纲(Echinoidea)。海胆是生物科学史上最早被使用的模式生物，它作为模式生物的优点是：容易得到大量精子和卵子用于实验；人工受精后，完全同步发育；胚体透明，便于观察；可在水中甚至在显微镜下发育；孵化速度快，仅需1—2d就可孵出幼虫，是研究极早期发育的好材料。它的卵子和胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。本文就国内外有关文献对海胆的配子发生、受精、早期胚胎发育及幼体变态为稚海胆这4个过程加以综述。关键词：海胆；配子发生；胚胎发育；幼体发育1配子发生海胆的性成熟年龄多在2—3龄。在海胆配子发生的过程中，根据生殖细胞和营养噬细胞(NP)的变化活动，可将海胆的繁殖过程分为4个时期：1．1配子隐藏及营养噬细胞(NP)发育期上一次配子形成结束后，在性腺内囊腔表面覆盖有一层还没有进行过有丝分裂的卵原细胞，这些卵原细胞将参与下一次的配子形成。在雌性个体中，卵巢腔中储备有成熟的卵，在雄性个体中，精巢中留存有精子，根据贮留的卵母细胞的酸性磷酸酶的活动，认为贮存的成熟的卵子在这一阶段会发生自溶作用，消化其自身的内容物，目前，还没有办法解释这种内消化作用。营养噬细胞参与并调控了从配子隐藏期到成熟配子的排放过程。营养噬细胞的主要功能包括：①保护进行无丝分裂的卵原细胞和精原细胞；②保护上一次排精(产卵)产生的可发育的成熟的初级卵母细胞和初级精母细胞；③吞噬已成熟的卵细胞和精细胞。在这个过程中，营养噬细胞必须能识别出不同时期的配子细胞，并对他们做出不同的反应。如果这种识别机制出现错误，将会导致海胆不育。1．2配子形成前期及营养噬细胞(NP)恢复期在配子形成前期及营养噬细胞恢复阶段，配子以各种形式存在于胚上皮中。在卵巢中，前几个繁殖期产生的配子细胞仍以不成熟的初级卵母细胞的形态存在于性腺中，也有的由于营养的不断输入最终发育成大型卵母细胞。在精巢中，以前发生的精细胞以不活动的精细胞的状态存在于精巢腔中。新产生的性细胞则进行无丝分裂的胚细胞形式存在(卵原或精原细胞，直径为10～12m)，这些胚细胞成簇分散存在于营养噬细胞下方性腺的生殖腔(genitalhemalsinus)表皮上。在雌、雄海胆中，营养噬细胞在胚细胞发生前不断生长发育，贮存营养。营养噬细胞聚集的糖蛋白中以卵黄蛋白(MYP)为主，它在海胆卵中的存储量最丰富(占总卵蛋白的10％～15％)。卵黄蛋白(MYP)在海胆的精巢与卵巢中也很常见，2在体腔液，甚至在肠中也存在着卵黄蛋白(MYP)类似物—卵黄蛋白原。在海胆体腔中，卵黄蛋白原占总蛋白的70％，它的结构与哺乳动物的α—巨球蛋白类似。卵原蛋白原基因的启动子部位有一个雌激素的作用位点，启动子与转录因子相互作用导致了MYP的表达。在配子发生过程中，雌、雄海胆的营养噬细胞中都聚集有大量的MYP，MYP量的积累是由于类固醇物质参与。此时，性腺的显著增大是由于卵黄蛋白(MYP)或是营养噬细胞中的其他营养成分的加速积累，而配子数目并没有增加，性腺还没有开始发育。营养噬细胞中PAS内含物是糖原，而膜系小泡的内含物是粘多糖。从营养噬细胞中释放的糖原是被卵母细胞通过胞饮作用所利用。在海胆精巢或卵巢的营养噬细胞的细胞质中还存在一些脂质滴，它们在配子发生中的作用还不是很清楚。β—海胆酮和β—胡萝卜素4—酮是海胆精巢和卵巢中主要的类胡萝卜素。海胆精巢中的类胡萝卜素含量低于卵巢，有证据证明海胆酮是在卵巢中而不是在肠壁上由β—胡萝卜素合成的，海胆酮在精巢中的原始起源还不清楚。类胡萝卜素也是营养噬细胞的重要组成成分。在雌、雄海胆中，类胡萝卜素同配子的抗氧化蛋白有关系。1.3配子的形成期及营养噬细胞中营养的利用这个阶段营养噬细胞的营养代谢和性腺细胞的有丝分裂是同时进行的，这两个阶段在时间上有重叠。精巢中，营养噬细胞中溶酶体蛋白酶的活动可作为蛋白代谢过程的标志。另外，原癌基因c—myc的mRNA的转录也可作为性腺细胞有丝分裂开始的标志，c—mys所控制的蛋白质的表达水平在雌海胆性腺有丝分裂开始时先升高，随后在卵原细胞中的含量降低，并一直保持一个较低的水平，而在精原细胞中则持续保持一个较高的水平。在配子形成及营养噬细胞被使用时，营养噬细胞中营养物质的转移及其在精巢与卵巢中所起的作用都各不相同，在雌海胆中卵黄蛋白(MYP)从营养噬细胞中是以完整的卵黄蛋白(MYP)的形式进行转移的。营养噬细胞中的卵黄蛋白(MYP)随后会出现在正在发育的卵巢的原生质中，直到受精后及胚胎的早期发育过程中，雌性海胆中卵黄蛋白(MYP)都很少被利用。而对于雄性海胆在配子形成以及营养噬细胞的利用阶段，卵黄蛋白(MYP)从营养噬细胞中运输出来，在组织中被大量利用，在精巢中才被卵黄蛋白(MYP)抗体识别。这个阶段卵黄蛋白(MYP)的转移或利用，会引起雌雄海胆的营养噬细胞上的小颗粒改变结构和形状。由于卵黄蛋白(MYP)的消耗会使精巢发生极大的变化；而在卵巢的变化较小，所以此时雌、雄海胆的性腺结构会发生显著的不同。另外，在这一时期，一些卵巢特异性蛋白在卵母细胞中被制造出来，最终出现在成熟卵的皮质中，这些特殊蛋白质包括透明素、葡糖胺多聚糖、丝氨酸蛋白酶、过氧化物酶和蛋白水解酶等。精巢中进行有丝分裂的精原细胞会产生组蛋白H1、H2B1、和H2B2，在随后的精母细胞和精子细胞中会产生有丝分裂结合素。1．4配子发生的结束期3在配子发生的结束期，营养噬细胞的营养已被耗尽，在雌海胆的性腺中贮满了成熟的卵子，在精巢中则贮存了不活动的精子。在这个阶段，雌、雄海胆性腺中配子的贮存和排放是这一阶段的主要活动。这可能是因为营养噬细胞的营养一旦耗尽，性腺细胞会停止有丝分裂和营养积累，如果配子的发生已经结束，而这时仍给以足量的食物，就需要启动一个未知的机制来结束营养的运输和性腺细胞的有丝分裂，在这方面还需要进一步的研究来了解这个机制。海胆是雌雄异体，雌体可终年怀卵，一年排卵数次。生长3年的海胆达到了它的成熟阶段，开始履行繁殖后代的重任。它们是群居性动物，在繁殖上，它有一种奇特的现象，就是在一个局部海区内，一旦有一只海胆把生殖细胞，无论精子或卵子排到水里，就会像广播一样把信息传给附近的每一个海胆，刺激这一区域所有性成熟的海胆都排精或排卵。这种怪现象被形容为“生殖传染病”。胆的产卵排精过程比较复杂，通常都是雄性先排精子，雌性海胆通常都是被可游动的、有活力的精子刺激激活后排卵。[1]2受精一般从精子和卵子相遇开始大约lmin～2min，在卵质膜外周形成一层透明的膜，脱离卵质膜而举起，即为受精膜。受精膜的形成，是卵受精的标志。[2]受精是个体发生的开始。由雌雄个体产生的精子和卵子，都是高度特化的细胞，如果单独存在，不久就会退化消亡。只有当精子和卵子相遇、融合成为合子，才能发育为新个体。受精可以激活卵子进一步发育，将亲本的遗传物质传递给后代。海胆的受精一般可分为精卵相遇和识别、配子融合、卵子激活和雌雄原核结合4个主要过程。2.1精卵相遇及识别2.1.1趋化性及其控制机制海胆将精子和卵子排入海水中受精。海胆的精子属于无鞭毛型，不能种运动。当卵母细胞成熟，准备受精时，会分泌趋化因子—一种呼吸活化肽，由14个氨基酸组成。这种呼吸活化肽在海水中容易扩散，对海胆是特意性的，不吸引其他种类动物的精子，包括其他种类海胆的精子。呼吸活化肽与海胆精子在精子细胞膜的受体上结合，引导位于胞内的鸟苷酸环化酶激活，环化鸟苷酸（cGMP）浓度上升。cGMP能激活钙泵，使得钙离子流从海水中进入精子，从而激活精子，使精子产生运动能力，并沿着这种呼吸活化肽的浓度梯度游动，直至到达卵子。2.1.2顶体反应海胆精子和卵胶膜之间第二次相互作用即为顶体反应。当精子遇到卵子时，精子的顶体就发生一系列变化，顶体囊泡中的内含物发生胞吐作用，顶体膜和其外的质膜发生多处融合，并释放蛋白酶和糖苷酶等多种水解酶，溶解卵膜，为精子进入卵子打开通道。同时，顶体下腔内的肌动蛋白单体迅速装配，并聚合形成4许多纤维样的微丝，构成顶体突起，帮助精子通过胶膜和卵黄膜。当精子的顶体突起接触到卵黄膜的外层，种类特异性识别蛋白—“结合素”便特异地结合到同种动物的卵黄膜上。这种特异性是由于卵黄膜上存在着种类特异性的结合素受体。精子结合素和其受体之间相互作用的专一性阻止了种与种之间的杂交受精。2.2配子融合顶体突起顶部的消化酶消化卵黄膜，精子穿过卵黄膜之后，顶体突起与卵质膜相遇，在接触点附近的卵子微绒毛伸长并包绕精子，形成受精锥。结合素具有融合蛋白的作用，可引起磷脂小泡融合，促进顶体突起与受精锥顶端发生融合。一种35kDa的糖蛋白EBR1可能是海胆的结合素受体，它们在卵黄膜上聚集成复合物，将精子拖入卵内。2.3卵子激活2.3.1阻止多精受精海胆对多精受精的快速阻止是通过改变卵膜电位来实现的。当第一个精子与卵质膜融合后1—3s内，由于小股Na+进入卵内,膜电位迅速去极化，变为阳性，可达+20mV。精子的一种顶体蛋白可能对Na+通道的打开起了作用。由于卵质膜表面电荷的变化，改变了卵膜上精子受体的结构，导致后来的精子不能与之结合，从而阻止后续精子的进入。快速抑制是暂时的，不完全的。海胆卵的膜电位保持阳性只有约1min的时间，而皮层反应可以完全抑制多精受精。当精卵质膜融合后，卵质膜下的皮层颗粒与其外的质膜融合，使皮层颗粒发生胞吐作用。胞吐作用从精卵膜融合点开始，向周围以波的形式传播至卵的所有表面。受Ca+激活的影响，皮层颗粒内包含粘多糖的内含物释放到卵质膜和卵黄膜之间的卵周隙内，导致卵周隙渗透压增高，使外界环境中的海水急速涌入，且海胆发生皮层反应时所释放的皮层颗粒物质含大量酶类，可水解卵黄膜和质膜之间的连接，分离二者，最终使卵黄膜从卵的表面升起，形成受精膜。部分酶能水解卵黄膜上的精子受体，使后续的精子无法识别卵子。皮层颗粒释放过氧化物酶催化受精膜的分子相互交联，使受精膜转变为多聚化合物而变得坚硬，阻止后续的精子进入并保护胚胎。皮层反应时形成的透明蛋白还能形成透明层，为卵裂过程中的卵裂球提供支撑。[3]Brown大学的研究人员最近发现，海胆体内有一种酶—Udx1，在卵子的受精过程中该酶能产生过氧化氢。过氧化氢在水环境中能够产生对细胞具有破坏性的自由基，这些自由基能够给受精后的卵子创造一个屏障，保护其不受周围环境中的细菌、其他精子的侵害。自由基的过氧化氢可以不伤害卵细胞是因为Udxl具有双重活性。当该酶的一部分将氧变成过氧化氢时，酶的另一部分则将过氧化氢分解成无害的水分子。[4]5图1海胆皮层反应当第一个精子与卵子发生质膜融合时，质膜融合处的卵子皮层颗粒与卵子发生质膜融合，胞吐作用发生，皮层颗粒释放物质到卵周隙，使卵黄膜硬化，此时，卵黄膜改称受精膜，其它精子再也不能穿过卵黄膜。2.3.2代谢活动的激活在皮层反应开始后的数秒内，呼吸酶被激活，使呼吸速率大大增加。随后的反应包括蛋白质合成的增加和DNA合成的激活。Ca+信号刺激卵子的新陈代谢活动。[5]蛋白激酶C（PKC）从胞质中转移到膜上与二酰甘油（DAG）接触并被激活，刺激卵膜上Na+/H+的反向转运。通过这种交换，H+被排出细胞外，Na+被摄取进来，卵内PH升高，从而可以使储存在核糖核蛋白颗粒中的母源性mRNA释放并发挥作用，也可引起DNA合成的激活。新生成的蛋白质中有多种组蛋白，它是卵裂过程中染色体复制所必须的物质。2.3.3卵细胞质成分的重排受精引起细胞质重排。卵子细胞质中分布了许多形态决定因子，通过卵裂，形态决定因子分配到特定的细胞中，最终激活或引起特定基因的表达，决定细胞的分化方向。精子入卵后，核膜破裂，染色质去浓缩，同时，卵母细胞完成成熟分裂。图2海胆受精模式图6从左到右，精子与卵的胶膜接触诱导顶体反应；顶体突起穿过胶膜和卵黄膜；