第6讲++卵裂

第6讲卵裂在多数动物的发育过程中，受精卵立即进入快速分裂和细胞增殖的阶段，首先形成一个多细胞的团聚体，称为桑椹胚（morula）。之后，伴随细胞数目的增加，胚体中空而形成一个囊状结构，称为囊胚（blastula）。从受精卵到囊胚形成是动物早期发育的一个重要阶段。受精卵的早期发育可分成三个阶段：(1)卵裂期:受精卵囊胚初期(2)囊胚期:囊胚初期晚期囊胚(3)原肠胚形成期:晚期囊胚三胚层形成卵裂期------受精卵开始有丝分裂并产生由较小的细胞构成囊胚(blastula)的过程。1.卵裂概述2.卵裂的方式3.卵裂的机制1.卵裂概述受精卵经过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，形成一个多细胞生物体的过程称为卵裂（cleavage）。处于卵裂期的细胞叫做卵裂球（blastomere）。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。蛙的早期卵裂。A第一次卵裂，B第二次卵裂，C第四次卵裂，动物极和植物极细胞出现差异。小鼠桑椹胚的压缩现象8细胞时期，小鼠细胞表面光滑，微绒毛均匀分布，压缩后微绒毛仅分布于细胞的外表面，细胞之间的联系加强了。一、卵裂的特点分裂周期短。卵裂期细胞核分裂速度极快，超过癌细胞，如果蝇，卵裂期细胞每10min一次，可持续2小时;原肠期后分裂速度显著减缓；分裂球的体积下降。因为细胞在2次分裂之间没有生长期。在多数生物的胚胎中，核质比值的成倍增加是决定某些基因定时开始转录的因素。胚胎细胞中染色质含量愈高，这种转化（合子型基因的打开）发生愈早。如，海胆胚胎的质/核比由550降至6；爪蟾的核基因要在12次分裂后才开始转录对大多数物种而言（尤其是无脊椎动物），细胞分裂的速度及卵裂球的相互位置主要是由母本储存在卵母细胞中的蛋白质和mRNA控制的早期卵裂中合子基因大多处于休眠状态，不行使功能；卵裂常经历由均等裂向不均等裂变化，最终发育成不同类型的细胞。蛙胚早期发育的卵裂速度例如，一个蛙受精卵在43h内可分裂成37000个细胞；而处于卵型阶段的果蝇早期胚胎，每10min完成一次有丝分裂，这种状况可持续2个多h。线虫受精卵内的胞质决定子的不对称分布决定了卵裂的不对称性，不对称的卵裂将形成不同发育命运的分裂球。二、卵裂的方式卵裂的方式是一个受遗传控制的过程，主要由两个因素决定：1.卵质中卵黄的含量及其在细胞质内的分布决定卵裂发生的部位及卵裂球的相对大小。卵黄的含量及其在细胞质内的分布；植物极：富含卵黄，细胞分裂速度较慢；动物极：卵黄相对较少，细胞分裂速度较快。2.卵质中影响纺锤体方位角度和形成时间的一些因子有丝分裂器（mitoticapparatus）在卵质中的位置和定向——卵子细胞质中影响纺锤体形成时间和角度的因子.大多数动物的有丝分裂器与卵轴垂直或平行，卵裂对称；有的有丝分裂器与卵轴成斜角，卵裂呈螺旋式。经线裂(meridionalcleavage)——指卵裂面与A－V轴平行的卵裂方式。纬线裂(equatorialcleavage)——指卵裂面与A－V轴垂直的卵裂方式切线裂——卵裂沟与卵子表面平行经裂平面纬裂平面植物极第一、第二次卵裂为经线裂第三次卵裂为纬线裂开始卵裂的一般规律第四次卵裂经纬不一切线裂卵表面切线卵裂沟裂向动物细胞的卵裂平面是主要由星体而不是由纺锤体决定的。中心体行为的差异造成不同的细胞具有不同的卵裂平面卵裂的类型通常情况下，卵黄对卵裂具一定的阻抑作用，卵裂因卵黄含量及卵黄分布的不同完全卵裂(均裂)——卵黄相对较少的合子的卵裂方式，卵裂后整个卵子被完全分割；不完全卵裂(偏裂)——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，卵黄部分不被分割卵黄卵黄是使胚胎在没有外源食物的情况下得以发育的、进化上的一种适应性选择。①没有大量卵黄的卵，如海胆卵等，通常采用迅速形成能自我生存的幼虫的手段，然后再继续发育。②哺乳动物的卵也缺乏卵黄，于是采用生成胎盘的形式从母体获取所需的物质，胚胎的一部分细胞参与胎盘的形成，为胚胎发育提供食物和氧气。③另一个极端是昆虫、鱼类、爬行类和鸟类的卵，卵的大部分为卵黄所占。由于在它们的体外发育过程中既没有幼虫阶段，也不存在胎盘的结构，因此卵黄是维持胚胎发育所必需的。1.完全卵裂(均裂)多见于少黄卵及中量黄卵,分裂面把卵子完全分开(1)辐射型卵裂(2)螺旋型卵裂(3)对称型卵裂(4)混合型卵裂(5)不规则卵裂(6)旋转型卵裂哺乳动物(1)辐射型卵裂:卵裂球以极轴为中心向外辐射排列特征：1）每个卵裂球的有丝分裂器与卵轴垂直或平行。2）卵裂沟将卵裂球分成对称的两半。顶面观侧面观棘皮动物,腔肠动物,文昌鱼，两栖动物等(2)螺旋型卵裂:第三次卵裂纺锤体转45°,8分裂球时,上4小球位于下4大球之间.螺、蚌等软体动物顶面观螺旋式的特征：1）卵裂的方向与卵轴成斜角；2）细胞之间采用热力学上最稳定的方式堆叠，细胞间接触的面积更大；3）只经过较少次数的卵裂就开始了原肠形成。4）形成的囊胚没有腔，为实囊胚。蜗牛的左旋和右旋螺旋式卵裂(3)对称型卵裂:①两侧对称型:有一个对称面海鞘类(3)对称型卵裂:②两轴对称型:有两个互相垂直的对称轴栉水母类顶面观(4)混合型卵裂:(先螺旋型裂后为两侧对称型)环形类;(5)不规则卵裂:蛔虫等2.不完全卵裂(偏裂)主要见于多黄卵中的端黄卵和中黄卵,此种卵裂因卵黄多而不能把卵完全分开故得名.①盘状卵裂:见于端黄卵,细胞分裂发生在一小片不含卵黄的盘状细胞质里；爬行类、鸟类、鱼类等；②表面卵裂:见于中黄卵,细胞分裂发生在卵子细胞质的表层，细胞质中心富含卵黄不分裂。昆虫.①盘状卵裂鱼类的多卵黄卵的发育与鸟类相似，细胞分裂仅仅在动物极胚盘中发生。早期卵裂伴随着高度重复的经裂－纬裂模式，分裂速度很快。最初的几次分裂同步发生，形成一堆屹立在卵细胞动物极的细胞。约从第10次分裂开始，中期囊胚进入由母型调控向合子型调控的过渡期。见于端黄卵,爬行类、鸟类、鱼类等斑马鱼的盘状卵裂过程②表面卵裂昆虫受精卵行表面卵裂。由于大量的卵黄位于卵的中央，因此卵裂被限制在卵的外围卵质中。表面卵裂的特征是，直到核已经分裂，细胞还不能形成。合子型的核于卵的中央部分进行多次的有丝分裂，形成多达256各细胞核。然后细胞核迁移至卵的四周，这时的胚胎称为多核胚或合胞体（syncytialblastoderm），意指所有的细胞核都位于同一细胞质中。迁移到受精卵后极的核迅速由新形成的膜所包围，形成极细胞，将来发育为成体的生殖细胞。昆虫卵发育的最早事件之一是把未来的生殖细胞与胚胎的其余部分区分开。极细胞形成之后，卵膜内陷于核之间，最终把每个核分隔成单一的细胞，这样就形成了细胞胚层，所有的细胞都沿着卵黄核心单层排列。见于中黄卵,昆虫7234561891111213141516极细胞细胞囊胚核迁移到周边，此为合胞体胚层极细胞细胞核核在同一胞质中分裂，但细胞质并不是均一的。合胞体内的每个核由其自身很小的细胞骨架区域所包围。果蝇合胞体胚层中细胞核周围细胞骨架的定位动画果蝇早期发育，自卵中央行核有丝分裂（无膜），核边移，细胞膜形成。②表面卵裂海鞘的辐射式卵裂海胆的辐射式卵裂海胆的卵裂B2细胞期，C4细胞期，D32细胞期海胆早期囊胚的细胞体积一致，其后长出纤毛，使囊胚可在受精膜内转动，同时也因细胞的增殖，细胞变瘪。囊胚腔形成的2种可能机制：a,卵裂球分泌的蛋白进入囊胚腔中，导致腔中液体粘稠而吸取胚外水分，腔内的膨胀压阻止了细胞向腔内增生；b,细胞与受精膜内的透明层紧密粘接，使细胞不能向腔内增生。囊胚的孵化：由动物极细胞分泌孵化酶降解受精膜。纤毛晚期囊胚的植物极扁平动物极蛙的辐射式卵裂蛙类：富含卵黄对卵裂的阻碍作用导致卵裂沟延伸缓慢、第三次纬裂发生不均等分裂。植物极半球分裂的速度始终较慢，所以囊胚的植物极细胞较大。第一次卵裂还在植物极分割细胞质时，第二次卵裂已开始动植物半球的卵裂不同步，动物半球形成大量的小卵裂球，植物半球形成数目较少、含有卵黄的大卵裂球。蛙卵的第一次卵裂（2细胞）蛙卵的第二次卵裂（4细胞）蛙卵的第4次卵裂（16细胞）蛙类的囊胚腔的形成第一次卵裂的近动物极卵裂沟较宽，形成一个小的细胞间的腔，该腔通过细胞间的紧密连接而与外界隔离，在以后的分裂过程中，该腔不断扩大而形成囊胚腔。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，囊胚腔利于细胞迁移。②防止上下层细胞不成熟地过早接触蛙卵囊胚腔的形成A，第一次卵裂平面形成的小裂隙以后扩大发育为囊胚腔；B，8细胞时期的囊胚腔。蛙类的囊胚腔的形成：机制----蛙囊胚腔内体液的积累与离子转运有关。随着囊胚腔内离浓度的增加，水分就通过渗透作用进入进入囊胚腔内。囊胚腔内液体的积累对囊胚腔壁造成一个向外的力压力，这种静水压是参与形成和维持囊胚为球形的一个重要作用力。旋转式卵裂旋转式卵裂哺乳动物的卵裂与其他动物有极大不同，很有研究价值。哺乳动物的卵裂最难研究，原因：1）动物接种最小的卵子之一，难以实验操作人受精卵D=100um，体积为蛙卵的1/1000,2）合子数量少，一般一次排卵不超过10枚，实验材料不充足3）哺乳动物胚胎不能在体外环境发育，在最近才有可能在体外观察胚胎发育哺乳动物的早期卵裂发生在输卵管中卵裂的胚胎借助于输卵管纤毛运动朝子宫方向迁移，早先几次的卵裂在输卵管中进行。发育至囊胚期着床。透明带桑葚胚胚泡着床排卵受精第一次卵裂哺乳动物卵裂的特点1）分裂相对较慢，间隔12~24h分裂一次；2）第1次为经裂，其后的2个卵裂球各采用不同的卵裂方式，一个是经裂，一个是纬裂；这种卵裂的方式称为旋转式卵裂。3）早期卵裂不同步（不是所有卵裂球都同时进行卵裂），因此，胚胎常含有奇数个细胞(下图)。4）与几乎所有其他动物不同，其基因组在卵裂的早期就被激活，并表达出进行卵裂所需的蛋白。如，鼠和山羊，在2细胞期就发生了从母性控制向合子控制的转换，兔子胚胎在8细胞期发生转换。5）胚胎的压缩（compaction）现象。棘皮动物（左）和哺乳动物（右）第一次和第二次卵裂方式的比较哺乳动物卵裂球的压缩（compaction）压缩（compaction）: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。第三次卵裂后不久，各卵裂球突然靠近，相互间接触面积达最大，形成一个紧密的细胞球。作用：细胞球外层细胞间有紧密连接，隔绝内部细胞与外环境，稳定细胞球。球体的内部细胞之间有间隙连接（gapjunction）相连，可以交换小分子和离子。16细胞期桑葚胚32细胞期胚泡未压缩的和压缩的8细胞小鼠胚胎的比较压缩的后续事件压缩的细胞分裂后，形成16个细胞的桑葚胚。在桑葚胚中有1-2个细胞属于内细胞团，并由大多数的外层细胞所包围。内细胞团将发育为胚胎，外层细胞将发育为滋养层细胞参与胎盘的胚胎组分。滋养层细胞与内细胞团细胞的分离代表了哺乳动物发育中的第一个分化事件。最初，桑葚胚内部是没有空腔的，后来，在成腔作用过程中，滋养层细胞向桑葚胚中分泌液体产生囊胚腔，这时的早期胚胎称为囊胚，内细胞团则位于环形滋养层细胞层的一侧。囊胚形成是哺乳动物卵裂结局的标志。压缩的意义压缩（campaction）为哺乳动物发育中第一次分化（滋养层与内细胞团的分离）的外部条件。压缩的机制相邻细胞表面之间的相互作用是导致胚胎压缩的原因。将卵裂球单独分开不出现该种现象。在压缩之前，8细胞阶段卵裂球的膜发生极化作用，细胞表面的不同组分迁往细胞的特定区域。有些专一性的细胞表面分子在胚胎压缩过程中扮演着重要的角色。其中，在2细胞期合成的糖蛋白E-cadherin主要集中于卵裂球相互接触的表面上。抗E-cadherin的抗体能使桑椹胚细胞散开，该糖蛋白的糖链部分是发挥功能所必需的。抗E-cadherin的抗体能够阻止胚胎压缩现象的发生内细胞团的形成直到8细胞阶段，卵裂球之间的形态、生化和潜在发育能力方面的特征都还没有差异。然后通过紧密化作用形成了内部和外