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第一篇动物个体发育模式第一章生殖细胞发生第二章受精的机制第三章卵裂第四章胚胎细胞的重新组合第五章脊椎动物的早期发育多细胞有机体的个体发育开始于精子和卵子的融合，通过受精激活发育的程序，开始复杂的胚胎发育过程。尽管各种动物形态不同，卵子类型不同，胚胎发育的模式也多种多样，但是他们的发育一般都要经过几个主要的胚胎发育阶段，即受精、卵裂、原肠胚形成、神经胚形成和器官形成才能发育成为幼体，通过生长发育为成体，再经历衰老、死亡完成个体发育。第一章生殖细胞发生第一节生殖细胞的起源与分化第二节精子发生第三节卵子发生进行有性繁殖的高等生物，由生殖细胞分化产生配子，两性配子结合形成合子，合子通过生长发育成为具有体细胞和生殖细胞的多细胞有机体。每个世代的个体经历个体发育过程，同时由成熟生殖细胞分化形成雌性配子和雄性配子，再由两性配子结合开始另一个世代的个体发育，如此周而复始。本章主要介绍生殖细胞是如何发生的？在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，其生殖细胞来源于他的前体——原生殖细胞(primordialgermcell，简称PGC，复数为PGCs)。原生殖细胞只有经过迁移进入发育中的生殖腺原基(genitalanlage)——生殖嵴(genitalridge)才能分化成为生殖细胞。原生殖细胞的起源可追溯到相当早期的胚胎发育阶段，在有些动物的卵母细胞中已有可识别的生殖质存在。生殖质在卵发生中形成的一种特殊的细胞质成分。这种成分分布在卵或胚胎的一定部位，含有这种成分的细胞将发育为原始生殖细胞，再由它产生出生殖母细胞。生殖质的存在已在很多无脊椎动物和脊椎动物中得到证实。一般认为生殖质系由核糖核酸（RNA）和蛋白质共同组成，它在卵发生期间由细胞核产生，穿过核膜孔聚集于核膜附近的细胞质中然后分散到植物极。生殖质是具有一定形态结构的特殊细胞质，主要由蛋白质和RNA构成，随着胚胎发育的进行，生殖质逐渐地分配到一定的细胞中，这些具有生殖质的细胞将分化成为原生殖细胞。不同动物在生殖腺原基发生时，原生殖细胞以不同的迁移方式进入生殖腺原基，在那里进行生殖细胞的分化。第一节生殖细胞的起源与分化一生殖质与生殖细胞分化二原生殖细胞迁移三减数分裂四生殖细胞定向分化的决定一生殖质与生殖细胞分化1线虫生殖质与生殖细胞的分化2果蝇生殖质与生殖细胞的分化3爪蟾生殖质与生殖细胞的分化1线虫生殖质与生殖细胞的分化线虫未受精卵有一种均匀分布于整个卵质中的P颗粒。受精后P颗粒集中位于预定胚胎的后部。第一次卵裂形成一个AB大细胞前体和一个含有P颗粒的P1小细胞。由P1细胞经过三次有丝分裂，每次分裂产生一个体细胞前体和一个P生殖干细胞。在第四次卵裂中产生的P4细胞是所有生殖细胞的始祖细胞，生殖细胞最初分化开始于P4细胞，P4细胞含有原来卵质中的P颗粒，表明P颗粒可能对生殖细胞的分化具有重要作用。2果蝇生殖质与生殖细胞的分化果蝇生殖质与生殖细胞命运决定之间的关系已基本阐明。果蝇原生殖细胞最早发现于受精后大约90min，这些原生殖细胞位于果蝇胚胎后端，含有特殊的极质颗粒。两个主要的实验证实了极质（poleplasm）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。果蝇的极质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。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。有些母体效应基因（maternaleffectgene）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。决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因gcl(germcell-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。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,mitochondriallargeribosomalRNA)以及极粒成分（polargranulecomponent,pgc）的非翻译RNA等。3爪蟾生殖质与生殖细胞的分化爪蟾生殖质是位于受精卵植物极附近富含RNA和蛋白质的一团特殊细胞质。在卵裂过程中，由于卵质的不均匀分布，生殖质仅存在于靠近植物极的少数分裂球之中。只有含生殖质的少数分裂球能够发育成为原生殖细胞。目前，还没有证据表明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。如果把培养的胚胎干细胞注射进小鼠内细胞团里，既可以产生体细胞，也可以产生生殖细胞。在小鼠胚胎中最早能识别的原生殖细胞位于原条后端。二原生殖细胞迁移1两栖类原生殖细胞的迁移2哺乳动物生殖细胞的迁移3鸟类和爬行类原生殖细胞的迁移1两栖类原生殖细胞的迁移在无尾两栖类受精后最初的两次分裂过程中，由于微管的作用，位于植物半球的生殖质集中，形成较大的一团特殊胞质覆盖于植物极质膜下面。随着进一步的卵裂，生殖质沿着分裂沟迁移，囊胚期生殖质位于囊胚底部细胞的分裂沟附近，到原肠胚期PGCs位于原肠腔底部内胚层中。PGCs通过肠壁内胚层的侧面迁移并进入背侧肠系膜，再沿背侧肠系膜往上迁移到达生殖嵴，PGCs与生殖嵴细胞共同形成生殖腺。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。生殖嵴内的一些因子是PGCs定向迁移的重要因素。有尾两栖类的生殖细胞发生与无尾两栖类有差别。蝾螈的卵内没有特殊定位的生殖质，PGCs的形成受内胚层区域的诱导，并且可能通过不同的途径迁移到生殖嵴。有些两栖类动物的PGCs也能主动迁移，如非洲爪蟾的PGCs能伸出一个伪足进行运动。PGCs的迁移途径由含黏着蛋白的细胞外基质构成。2哺乳动物生殖细胞的迁移在发育早期，哺乳动物的生殖细胞没有特殊的形态特征。哺乳动物PGCs先在尿囊与后肠交接处附近聚集，以后迁移到卵黄囊附近再分成两群，沿卵黄囊的尾部通过新形成的后肠，然后沿背侧肠系膜向上迁移，分别进入左、右两侧生殖嵴。大多数PGCs在受精后第11天到达发育中的生殖腺，在迁移过程中PGCs不断增殖，在第12天的生殖腺中PGCs的数目由最初的8～100个增加至2500～5000个。哺乳动物PGCs的迁移与其接触的上皮细胞相关，PGCs通过伸出伪足在上皮细胞表面进行变形运动，PGCs还能穿过单层细胞，在两层细胞之间迁移。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。哺乳动物原始生殖细胞的迁移途径示意图。3鸟类和爬行类原生殖细胞的迁移鸟类和爬行类动物的PGCs来源于外胚层细胞，然后经过明区的中部迁移到明区前缘与暗区交界处。这个区域称为生殖新月，PGCs在生殖新月区内增殖。鸟类和爬行类的PGCs主要借助血液循环进行迁移，当他们到达发育中的生殖腺时再离开血液循环系统。发育中的生殖腺对PGCs有吸引作用但其机制还不清楚，可能生殖腺能产生一些化学物质吸引PGCs，并能使他们停留于生殖腺的毛细血管上；同时生殖腺毛细血管内皮细胞表面可能具有一些特殊的成分使PGCs吸附于其表面暗区是在鸟类胚胎初期，胚盘的周围围绕着透明的明区。与卵黄相接的区域没有上述的明区那样透明，因而称为暗区。暗区不会形成胚胎。指在鸟类发生初期，胚盘叶中心部透明的、将来形成胚的部分。来自不含有卵黄粒的原中心细胞，由于通过胚下腔与卵黄块隔离，故呈现透明。三减数分裂PGCs进入生殖腺原基后不断地进行有丝分裂，产生生殖干细胞后代。由生殖干细胞分化成雌性配子或雄性配子。必须经过减数分裂，使染色体数目由双倍体变成单倍体。在减数分裂过程中，可进行遗传信息的交换和重组，丰富了配子的遗传基础。如一个人的基因组就可能形成大约103万(223)个不同类型的单倍体细胞。四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。在雌雄同体的动物中，开始减数分裂的细胞必须对即将进行分化的方向作出决定，通常在每个卵精巢中，最近端的细胞产生精子，而最远端的细胞产生卵子。远端细胞：位于线虫生殖腺末端有一个不分裂的细胞，称远端细胞，对生殖干细胞进行有丝分裂还是减数分裂具有调控作用。第二节精子发生一精子发生(spermatogenesis)二精子形成三精子发生中的基因表达和调控一精子发生曲细精管上皮内精原细胞连续进行有丝分裂形成多个精原细胞，其中一部分保留为精原细胞，另一部分长大分化而成为初级精母细胞。初级精母细胞立即进入第一次减数分裂前期，并在发育过程中向曲精小管的中心推移，当初级精母细胞完成染色体联会、染色体交换等后，分裂成2个次级精母细胞。次级精母细胞静第二次减数分裂形成4个单倍体的精细胞，精细胞不再分裂，每个精细胞发育成一个精子。大多数动物的精子结构基本一致，由头、颈和尾三部分组成。精子发生的基因控制精子发生是由特定基因控制的。Afzelius于1976年在人精子发生过程中发现一种可遗传的突变，由该突变基因控制产生的精子，不能运动。在电镜下观察，发现其尾部的轴丝发育不全，组成轴丝的外周9组二联体微管上缺乏含有动力蛋白的内臂。表明编码动力蛋白和编码二联体微管内臂的动力蛋白基因发生了突变。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。哺乳动物PGCs到达发育中的生殖腺后，PGCs分裂形成精原细胞A1(typeA1spermatogonium)。A1是能分裂复制自身并产生另一类细胞的生殖干细胞。A1分裂形成另一A1和一个着色较浅的A2，A2分裂形成A3，A3分裂形成A4，A4分裂形成过渡型精原细胞。过渡型精原细胞分裂形成精原细胞B，B分裂形成初级精母细胞。初级精母细胞经第一次减数分裂形成次级精母细胞，经第二次减数分裂形成单倍体的精子细胞。从精原细胞的分裂开始，直到形成精子细胞的分裂过程中，细胞质分裂是不完全的，多个细胞形成合胞体，细胞之间通过直径1μm的细胞质桥沟通。从A1到精子细胞的分裂过程中，细胞不断远离生精小管的基膜，接近生精小管的管腔。人精子发生(spermatogenesis)的过程人约需74天二精子形成睾丸是男性产生精子的器官，精子是在睾丸的精曲小管中生成的。精曲小管上皮中的精原细胞（spermatogonium）是最幼稚的生精细胞。青春期以前，它是精曲小管内唯一可见的生殖细胞。青春期开始，精原细胞不断通过有丝分裂来增殖，部分细胞停止分裂吸收营养，体积增大，分化为初级精母细胞（primarysperma－tocyte）。初级精母细胞的染色体数目与体细胞一样，为二倍体（2n），核型为46，XY。它是曲细精管中最大的生殖细胞。随后每个初级精母细胞进入减数分裂，经减数分裂Ⅰ，每个初级精母细胞形成两个次级精母细胞，每个次级精母细胞有23条染色体，为单倍体细胞（n），其体积为初级精母细胞的一半。这些次级精母细胞很快进行第二次减数分裂，每个形成两个精细胞，其大小约为次级精母细胞的一半。所以，一个初级精母细胞经减数分裂形成了四个单倍体精细胞，其核型为23X和23Y。精子形成(spermiogenesis)精细胞经变态，细胞由圆形逐渐分化，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，顶体逐渐形成，多余的细胞质丢失，最后产生成熟的轻装而灵活的蝌蚪形精子减数第二次分裂精原细胞初级精母细胞次级精母细胞精细胞精子细胞长大成熟染色体