生物的卵裂过程

第八章卵裂•第一节胚胎的卵裂方式•第二节两栖类的卵裂•第三节哺乳动物的卵裂•第四节斑马鱼的卵裂•第五节果蝇的卵裂•第六节卵裂机制第一节胚胎的卵裂方式•1、完全卵裂：卵裂后受精卵分裂为单个的卵裂球，细胞分裂完全，见于少黄卵、均黄卵和中黄卵。主要有以下几种：•1)辐射对称型：卵裂有规律的相互垂直，从动物极顶面看，卵裂球呈辐射状排列，如棘皮动物和文昌鱼(见下页图)。第一节胚胎的卵裂方式•1、完全卵裂•2)螺旋型：前2次卵裂为经裂，第三次卵裂时，纺锤体旋转45o角，从动物极顶面看，动物极细胞位于植物极细胞之间，形成螺旋型，如软体动物，环节动物，扁虫和线虫(见下页图)。•3)两侧对称型：第一次卵裂面通过受精卵的对称线，由此确定了动物的两侧对称，如海鞘(见前页图)。•4)旋转型：从第二次卵裂开始，卵裂球一对排列在另一对的垂直面，如哺乳类(见前页图)。第一节胚胎的卵裂方式•2、不完全卵裂：卵裂不完全，卵裂集中于卵黄较少的区域，如动物极和卵表面，见于端黄卵、中央卵黄卵。主要有：•1)盘状卵裂：卵裂局限于动物极，如鸟类、爬行类和鱼卵(见下页图)。•2)表面卵裂：卵裂局限于卵表面，如节肢动物(见下页图)。鸡胚的盘状卵裂第一节胚胎的卵裂方式•3、卵裂方式的决定因素：卵黄含量及其分布决定•1)卵裂发生的位置(盘状卵裂发生在卵黄较少的动物极)。•2)卵裂球的大小(两栖类动物极小卵裂球和植物极大卵裂球)。•3)卵裂的速度(卵黄含量低，则卵裂速度快)。第二节两栖类的卵裂特点•1、辐射对称型卵裂。•2、偏黄卵：卵黄集中于植物极。•3、卵裂速度动物极快于植物极，卵裂球在植物极的大于在动物极的。•4、16—64细胞时期形成桑葚胚，128细胞时形成偏腔囊胚。•5、囊胚中的腔为囊胚腔，囊胚腔的作用：•1)在原肠形成过程中，囊胚腔利于细胞迁移，防止囊胚壁上下端细胞不成熟的过早接触。•2)有利于维护发育成皮肤和神经组织的细胞完整性。•6、囊胚细胞之间由大量细胞粘着分子(E-cadherin)结合于一起。第三节哺乳动物的卵裂特点•1、哺乳动物卵裂的一般特征•1)卵裂速度缓慢，一般12-24小时完成一次卵裂。•2)卵裂方式为旋转型：第二次卵裂时，一个卵裂球为经线裂，另一个卵裂球为纬线裂。•3)早期卵裂不同步，卵裂球的数目通常是奇数。•4)合子基因表达早：在早期卵裂过程中就开始表达。2、哺乳动物与其它动物卵裂不同的显著特征•1)紧密化现象及其形成的机制•①紧密化现象：前两次卵裂后，卵裂球呈松散状态，第三次卵裂后，卵裂球突然挤在一起，卵裂球之间的接触面积加大，形成一个紧密的细胞球体(图3-2，3-3)。•②紧密化的机制：•第一、卵裂球(8细胞)膜发生极化——E-cadherin糖蛋白分子合成并分布于卵裂球之间的相互接触面上——E-cadherin蛋白糖基化并激活PKC使紧密化。•第二、肌动蛋白微丝解聚，相邻细胞之间微绒毛缩短，使卵裂球紧密化。2)内细胞团与滋养层形成•①内细胞团与滋养层分离：紧密化形成16细胞的桑葚胚，在桑葚胚中有1-2个细胞位于内部，将形成内细胞团，发育为胚胎，其余15个细胞位于外层，将发育为滋养层细胞，参与形成绒毛膜及胎盘。•绒毛膜的功能：•第一：供应胎儿O2和养料。•第二：分泌激素使胎盘维持胚胎生长。•第三：产生免疫调节因子，使胚胎免遭母体排斥。•②胚泡(囊胚)形成：桑葚胚是实心，由于滋养层细胞向桑葚胚中分泌液体而产生囊胚腔，内细胞团位于滋养层环的一侧，形成胚泡。3)囊胚孵化与植入•囊胚孵化与植入：囊胚从透明带中脱出的过程为囊胚孵化。其机制如下：•①囊胚腔膨大，腔内液体增多，压力增大：滋养层细胞膜上的Na+-K+泵向胚泡腔内转运离子，使腔内离子浓度升高，腔内晶体渗透压加大，水分进入囊胚腔。•②透明带局部被消化，产生孵化小洞：滋养层细胞膜蛋白酶strypsin消化透明带上的纤维基质，使透明带产生孵化小洞。3)胚泡孵化与植入•③植入：囊胚植入指囊胚埋入子宫内膜继续发扬的过程。•第一透明带与滋养层接触：透明带孵化后，滋养层细胞膜上的整合蛋白与子宫内膜上的胶原蛋白和透明膜糖蛋白结合，使胚泡与子宫内膜表面接触•第二酶解进入内膜：滋养层细胞合成硫酸己糖肝素蛋白聚酶，使胚泡植入子宫上皮组织中•第三进入子宫壁深层：胚泡释放胶原酶、血纤维蛋白溶原酶活化因子和stromelysin等酶消化子宫内膜组织胞外基质使囊胚埋入子宫壁。图卵裂和胚泡形成图7排卵、受精与卵裂过程胚泡桑椹胚4细胞2细胞卵裂受精排卵图10B包埋在子宫蜕膜中的胚(约4周龄)胚蜕膜图9植入过程图8胚泡附着于子宫内膜上皮光镜像图14第2周胚与蜕膜光镜图(示二胚层胚盘)图10A胚泡植入子宫内膜光镜像图11胚胎与子宫蜕膜的关系3、双胞胎和胚胎干细胞•1)双胞胎类型：同卵双生和异卵双生。•(1)异卵双生：两卵分别受精产生的双胞胎。•(2)同卵双生：同一卵受精后发育的胚胎早期卵裂球或内细胞团一分为二形成的双胞胎。同卵双生与胚外膜的关系(p51图3-4)：•①两个胚胎有各自的羊膜和绒毛膜：分离发生于滋养层形成之前。•②两个胚胎有各自的羊膜，但共用一个绒毛膜：分离发生于滋养层形成之后，羊膜形成之前。•③两个胚胎共用一个羊膜和一个绒毛膜：分裂发生于羊膜形成之后。图47单卵孪生形成机制滋养层形成之前羊膜形成之后滋养层形成之后羊膜形成之前3、双胞胎和胚胎干细胞•2)胚胎干细胞：早期胚胎细胞具有发育为机体任何细胞的潜能和无限自我更新能力，称之为胚胎干细胞(embryonicstemcell)。•3)嵌合体：将来自不同父母的同一种动物的早期胚胎细胞组合于一起形成囊胚，再将此囊胚植于同种同期假孕动物的子宫中发育，形成一个嵌合体(图3-5)。第四节斑马鱼的卵裂•1、斑马鱼作为模式动物的特点•1)体外发育，胚胎透明，便于观察。•2)产卵次数多，可全年繁殖。•3)发育很快，受精后24h已具备大部分组织和器官原基。•4)易进行人工培养。2、斑马鱼盘状卵裂形成三个细胞群•1)卵黄合胞体群：第9-10次卵裂后，位于植物极边缘的胚层细胞与其下层卵黄细胞融合，形成卵黄合胞体层(图3-7)，分为：•①外部卵黄合胞体层(胚层边缘前部)•②内部卵黄合胞体层(位于胚层下)。•2)包被层：位于胚层最外层的胚层细胞，将来形成表皮。•3)深层细胞：位于包被层与内部卵黄合胞体层之间，发育为胚胎主体。3、斑马鱼的命运图谱(图3-7)第五节果蝇的卵裂•1、卵裂过程：•1)合胞体细胞形成：卵黄和细胞核均位于受精卵中央，细胞核经分裂多次，使果蝇的受精卵成为合胞体细胞；•2)活质体迁移形成表面囊胚：细胞核与周围少量的细胞质共同组成活质体，之后活质体迁移至卵皮质部，形成表面囊胚。•3)极细胞和生殖细胞形成：最早迁移至胚胎后极的活质体与后极的极质和极粒共同构成极细胞，将来发育为生殖细胞。第五节果蝇的卵裂•2、合胞体胚层的细胞化(图3-10)•极细胞形成后，卵膜内陷于活质体或核之间将每个核分成单个的细胞，具体分为一、二期细胞化：•第一期细胞化：细胞膜内陷及核间区的肌动蛋白网形成。•第二期细胞化：细胞膜及肌动蛋白向深部延伸包绕细胞核，且细胞膜及肌动蛋白在细胞末端处收缩。第六节卵裂机制•一、卵裂周期调控•二、促成熟因子(maturationpromotingfactor,MPF)•三、cdc2激酶•四、细胞周期蛋白•五、cdc25磷酸酶•六、细胞分裂检查点(checkpoint)•七、细胞静止因子(cytostaticfactor,CSF)一、卵裂周期调控•1、体细胞的细胞周期调控•2、卵裂周期调控一、卵裂周期调控•1、体细胞的细胞周期调控(图3-2.4A)•体细胞的细胞周期分为G1、S、G2和M四个阶段，由周期蛋白cyclin与对应激酶cdk结合调节细胞周期：•1)cyclinD与cdk4或cdk6结合调节G1时相的进程。•2)cyclinE与cdk2结合调节细胞进入S期。•3)cyclinA与cdk2结合调节S期的进程。•4)cyclinA和B与cdk1(cdc2)结合组成MPF激酶调节细胞进入M期。一、卵裂周期调控•2、卵裂周期调控：早期卵裂周期由S期和M期组成，缺乏G1期和G2期。决定于卵质，由MPF激酶及其调控因子cdc25磷酸酶来调控，如果蝇(图3-12)。•1)排卵时，贮存于卵中的MPF前体(pre-MPF)cdc2(cdk1)上的第14位苏氨酸、15位酪氨酸被新合成的cdc25磷酸酶去磷酸化，MPF进入活性状态；在卵受精后的前7次卵裂期，MPF活性保持稳定，只要DNA复制完成，核分裂立即开始并随之完成。一、卵裂周期调控•2、卵裂周期调控•2)在8-13次卵裂期，周期蛋白在M相开始降解，MPF活性波动，母型stringmRNA合成的周期蛋白限制卵裂的速度•3)到第14次卵裂时，母型cdc25磷酸酶降解，导致细胞分裂停滞于第14期中期，大量的MPF前体(pre-MPF)积累。•4)合子合成合子型cdc25磷酸酶，MPF前体(pre-MPF)cdc2(cdk1)上的第14位苏氨酸、15位酪氨酸去磷酸化，MPF具活性，细胞继续分裂，核分裂由母型调控转向合子调控。二、促成熟因子•促成熟因子(maturationpromotingfactor,MPF)由小催化亚基cdc2激酶与大调节亚基周期蛋白组成的磷蛋白分子，在孕酮的作用下诱导产生减数分裂恢复因子，恢复减数分裂，使细胞进入M相，核膜破裂，染色质浓缩；MPF在M期最高，在S期无活性。三、cdc2激酶•cdc2激酶是MPF的催化亚基，由cdc2基因产生，简称P34，cdc2激酶或P34以磷酸化和去磷酸化两种形式存在，在其第14位苏氨酸、第15位酪氨酸去磷酸化和第161位苏氨酸磷酸化时才有活性使蛋白质磷酸化：•1)使组蛋白H1磷酸化，导致染色体浓缩。•2)使核膜三种骨架蛋白磷酸化，核膜破裂。•3)RNA聚合酶磷酸化，使转导受阻。•4)肌动蛋白调节亚基磷酸化失去活性，不能行使ATPase的功能，保证使染色体分离后，再进行细胞分裂。四、细胞周期蛋白•细胞周期蛋白是调节细胞周期时相的蛋白质，在S期合成，在M期降解，cyclinB与cdc2激酶结合组成MPF复合物，使cdc2激酶T-14(苏aa)、Y-15(酪aa)去磷酸化和T161(苏aa)磷酸化。五、cdc25磷酸酶•cdc25磷酸酶在卵裂早期和晚期分别由母型(1-7,8-13次)和合子型(14次)的stringmRNA合成，cdc25使cdc2(P34)激酶T-14(苏aa)和Y-15(酪aa)去磷酸化，使MPF具有活性，细胞分裂继续进行。•六、细胞分裂检查点(checkpoint)•是一种维持细胞内各事件之间正常关系的调节机制。•如cyclin与cdc2结合发出有丝分裂信号后纺锤体才形成•DNA复制结束时，核分裂才开始•所以DNA的含量、纺锤体的形成均可看作是细胞分裂的检查点。七、细胞静止因子•细胞静止因子(cytostaticfactor,CSF)是卵母细胞中合成的一种使细胞分裂停滞的蛋白质，主要通过阻止细胞周期蛋白的降解来维持MPF的活性，CSF能使卵母细胞停止于第二次减数分裂的M相。