发育生物学第十六章 生殖细胞的发生

第十六章生殖细胞发生(gametogenesis)线虫、昆虫、脊椎动物和其他许多动物的生殖细胞（germcell）和体细胞（somaticcell）在很早期的发育阶段就有明显的分化。也有不少动物如腔肠动物、扁虫等，其体细胞与生殖细胞的分化并不确定，在一定的条件下能够转化为生殖细胞。1.生殖质与生殖细胞的分化2.原始生殖细胞的迁移3.精子发生（spermatogenesis）4.卵子发生(oogenesis)一、生殖质与生殖细胞分化在胚胎发育初期生殖细胞就已经决定的动物，其生殖细胞来源于原生殖细胞（primordialgermcell，PGC）。原生殖细胞经过迁移，进入发育中的生殖腺原基—生殖嵴（genitalridge）分化成为生殖细胞。而原生殖细胞的起源可以追溯到更早期的胚胎发育阶段。有些动物的卵细胞质中存在着具有一定形态结构、可识别的特殊细胞质——生殖质（germplasm）。生殖质由蛋白质和RNA组成，定位于卵质的特殊区域，具有生殖质的细胞将分化成为原生殖细胞。各类动物生殖质的形态结构和特性、原生殖细胞的形成及其迁移有较大的差异。1.线虫的P颗粒线虫第4次卵裂结束时，便产生了生殖细胞谱系，所有的生殖细胞都来自P4分裂球。线虫未受精卵中均匀分布的生殖质—P颗粒(posteriorgranules)，在受精后迅速地集中到预定胚胎的后部。生殖细胞形成和P颗粒分布的关系说明，P颗粒可能对于生殖细胞的分化具有重要的作用。P颗粒在受精过程和第一次卵裂过程中的不对称定位26细胞期时全部P颗粒都在P4细胞中Par-3突变体内actin和P颗粒的异常分布pgl基因的产物是P颗粒的成分之一，对生殖细胞的发育来说是必需的。PGL蛋白可能通过调节mRNA的代谢参与生殖细胞的特化。pie-1基因参与P分裂球干细胞特性的维持，PIE-1蛋白只在生殖细胞谱系的分裂球中出现，但PIE-1蛋白并非P颗粒的成分。PIE-1蛋白抑制P分裂球中合子基因的转录，直至胚胎发育到100个细胞左右的时期。这种转录的抑制作用会保护生殖细胞免受促进体细胞发育的那些转录因子的影响。2.果蝇的极质卵细胞内特殊的生殖质决定生殖细胞的发育命运，最清楚的例子来自对果蝇的研究。果蝇的原始生殖细胞最早发现于受精后90min，这些原生殖细胞位于胚胎的后端。胚胎后端的细胞质内含有特殊的极质（poleplasm）颗粒，其内含有蛋白质和多种RNA。果蝇的极质A.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。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。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。移植果蝇极细胞质能够治愈射线照射引起的生殖细胞不发育。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。A.staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因的表达。B.研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的作用顺序。决定果蝇原始生殖细胞的命运的其他基因1.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。2.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。果蝇gcl基因产物定位于受精卵和早期胚胎的后端。3.爪蟾的生殖质两栖类原生殖细胞的发生部位定位在卵细胞的植物极，在这一部位发现有类似于果蝇P颗粒染色性质的胞质成分存在。（Bounoure，1934）蛙受精的合子中生殖质成分（种质）靠近植物极。桑椹胚内胚层区里含有种质成分的细胞的有丝分裂。在原肠胚形成启动时，靠近囊胚腔底面的原始生殖细胞。4.小鼠：没有证据表明小鼠与其他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。小鼠胚胎中最早能够识别的PGC位于原条后端。二、原始生殖细胞的迁移不同动物在生殖腺原基发生时，原生质细胞以不同的方式迁移进入生殖腺原基，在那里进行生殖细胞的分化。1.果蝇原始生殖细胞的迁移果蝇原始生殖细胞起源于胚胎的后端，经后中肠穿过肠壁和中胚层，形成两个分离的队列，最终聚集在生殖腺中。2.两栖类原始生殖细胞的迁移两栖动物的生殖质定位在卵的植物极，用紫外线照射胚胎植物极之后，生殖腺中将缺少生殖细胞。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。每个生殖嵴有～30PGC。生殖嵴细胞内的一些因子是PGCs定向迁移的重要因素。3.鸟类和爬行类生殖细胞的迁移鸟类的PGC最早起源于明区中央的上胚层细胞，在原肠作用中迁移至明区的前部边缘的下胚层，形成生殖新月区(germinalcrescent)，这些细胞繁殖成为PGC。生殖新月区形成血管时，PGC进入血管，通过血液循环迁移进入生殖嵴。鸡原条期胚胎的背面观，示原始生殖细胞发生的生殖新月区、暗区、明区和亨氏节。4.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。C.小鼠胚胎后肠里大的原始生殖细胞，示碱性磷酸酶的表达。D.原始生殖细胞沿背肠系膜迁移并进入生殖嵴中。哺乳动物原始生殖细胞的迁移途径示意图。5.减数分裂（meiosis）原生殖细胞进入生殖腺原基后不断进行有丝分裂，产生生殖干细胞后代。生殖干细胞必须经过减数分裂才能分化形成雌性配子或雄性配子，染色体数目由双倍体变成单倍体。6.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。位于线虫生殖腺末端的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。离开生殖腺末端的细胞进入减数分裂，而留在末端的细胞继续有丝分裂。末端的单个远端细胞（distaltipcell）的纤毛含lag-2蛋白，它与GC上的受体glp-1结合后抑制GC发生减数分裂。用激光使远端细胞失活可导致所有GC进入减数分裂；将该细胞移植到其它处，则可使附近细胞继续有丝分裂。Glp-1基因在生殖细胞对远端细胞的信号作出反应的过程中起作用。线虫生精或生卵的分子机制三、精子发生一、精子发生（spermatogenesis）脊椎动物的PGCs到达雄性胚胎的生殖腺原基后，立即进入性索，然后停留在那里直到成熟。性索发育成为生精小管，其管上皮细胞分化形成支持细胞（sertolicell）。PGCs分裂形成精原细胞。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。人精子发生(spermatogenesis)的过程人约需74天二、精子形成(spermiogenesis)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，最后产生成熟的精子。人类精子结构示意图四、卵子发生(oogenesis)1.卵母细胞的减数分裂卵子发生除了形成单倍体的细胞核之外，还要建立一个由酶、mRNA、细胞器和代谢产物等组成的细胞质库，具备十分复杂的胞质体系。其次卵母细胞有很长的减数分裂前期，使卵母细胞充分生长。原生殖细胞进入胚胎卵巢后分化成为卵原细胞（oogonia）。卵原细胞分裂增殖，进入第一次减数分裂前期，形成初级卵母细胞（primaryoocyte）。初级卵母细胞停止在第一次减数分裂的前期，这种阻断的情况一直维持到青春期。随着青春期的开始，初级卵母细胞在卵巢内激素的作用进一步发育成熟，阶段性地恢复减数分裂，接着第二次减数分裂发生，进行排卵。成熟的卵处于第二次减数分裂的中期。人类卵巢中生殖细胞数目的变化鱼（Coregonus）卵母细胞极体的形成，示卵母细胞的两次成熟分裂并非是均等分裂。2.减数分裂的阻断和继续孕酮能促进卵母细胞继续减数分裂。其作用机理：孕酮使卵内一种编码pp39mos的mRNA开始翻译，而pp39mos能抑制一种专一性降解细胞周期蛋白(cyclin)的蛋白酶。如果cyclin不降解，蛋白质激酶促成熟因子（maturationpromotingfactor,MPF）就会保持其活性，使阻断的减数分裂继续。3.昆虫的卵子发生滋养型方式：果蝇卵子发生的初期在卵巢中进行，起源于卵巢一端的生殖系干细胞经过4次分裂形成由细胞质桥相互连接的16细胞合胞体。其中只有位于胞囊后端的一个细胞形成卵母细胞，其余15个细胞则形成滋养细胞。滋养细胞的核DNA经过多次复制，形成多倍体的核。由于滋养细胞多倍体核具有高转录活性，可合成和提供卵子发育所需的RNA和蛋白质。滋养细胞合成mRNA,rRNA，甚至是完整的核糖体，并通过细胞间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞（1#）里。滋养细胞合成的基因产物中，有发育控制分子如bicoidmRNA，它储存在卵的前极，还有namos和oskarmRNAs，它们转移并积累在后极。这些RNA会决定头和腹的发生位置，使卵子产生前后轴的极性。4.两栖类卵母细胞的成熟鱼类和两栖类的卵子由生殖干细胞—卵原细胞分化而来。当卵母细胞到达减数分裂前期的双线期时，卵黄发生开始。卵黄的主要成分为卵黄蛋白原（vitellogenin），主要在肝脏中合成，通过血液循环进入卵巢，再卵巢滤泡细胞间转运和借助胞饮作用进入卵母细胞。非洲爪蟾的卵黄蛋白原裂解形成卵黄高磷蛋白和卵黄磷脂蛋白，二者形成卵黄小板（yolkplatelet）非洲爪蟾卵母细胞卵黄小板由动物极向植物极的转运以及动植物极性的建立非洲爪蟾卵母细胞中母源性mRNA的定位的两条途径－Metro途径和Vg1途径5.人类卵母细胞的成熟与排卵在成年女性的卵巢中，大多数的卵母细胞被阻断在第一次减数分裂前期的双线期阶段。每一个卵母细胞都由一个初级卵泡包裹。初级卵泡阶段性地进入卵泡生长阶段。发育到一定阶段的卵泡在适当的时间受到促性腺激素FSH和LH的刺激后，卵母细胞恢复减数分裂，其成熟过程才能继续。人卵巢中的原始卵泡周期性地进入生长期，使卵母细胞增大、颗粒细胞数量增加(由GDF-9介导)，只有少数与促性腺激素分泌周期相吻合的卵泡能够存活。人类的月经周期卵巢内的事件和子宫内膜周期的协调是由垂体和卵巢的激素所调控的。