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含霍
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1 浙江大学发育生物学课程受精和早期胚胎发育范衡宇浙江大学生命科学研究院受精 (fertilization) 的定义 : 单倍体的精子和卵子相遇后融合, 形成双倍体合子的过程, 是有性生殖生物个体发育的起点受精的意义 : 1: 把父母双方的遗传物质传递给子代并实现了雌雄两性遗传物质的混合, 保证了物种的多样性 2: 激活了卵细胞质中的发育程序形成了新生命个体 2 受精过程 : 精卵释放相遇识别精子附着于卵膜精卵质膜融合卵子激活原核形成和融合 1: 精子和卵子的接触和识别, 以保证精子和卵子来源于同一物种物种 2: 精子入卵每次只能允许一个精子与卵子融合, 因此卵子需要有阻止多精受精的机制 3: 卵子的细胞周期和代谢激活, 开启早期发育过程 4: 精子与卵子遗传物质的混合原核融合 ( 哺乳动物除外 ) 一受精方式 1. 自体受精 : 在雌雄同体动物中, 同一个体的精子和卵子融合. 雌雄同体的绦虫线虫 2. 异体受精 : 大多数动物是雌雄异体动物 3 4 二精子的获能与去获能精子成熟后虽然具备了运动能力, 却没有受精能力, 还需要在通过生殖道的过程中经历一系列生理生化变化, 才能获得受精能力, 这一过程称为精子获能 (sperm capacitation) 1: 哺乳动物精子活能最主要的部位是雌性生殖道 2: 这种获能没有种特异性 5 1

代谢活化 : 获能时多方面代谢明显加强, 使精子获得顶体反应能力如氧化作用加强 ;

2 精子在获能中产生的变化超激活运动 1 细胞膜的变化: 去除在雄性生殖道吸附在细胞膜表面的某些成分, 细胞膜表面的糖基得到修饰 ; 2 代谢活化 : 获能时多方面代谢明显加强, 使精子获得顶体反应能力如氧化作用加强 ; 膜脂代谢加强 ; 3 超激活运动 7 当金黄地鼠精子开始接触获能液时, 开始时呈活跃的线性向前运动, 随后进入相对缓和的运动状态, 此时大多数精子以头对头相聚集, 尾部颤动 2h 后则又互相离开, 开始前所未有的活跃运动, 起初线性向前, 很快出现猛烈的特殊运动, 尾部呈现强烈的鞭打样摆动, 头的运动轨迹呈不规则 8 字形去获能现象受精的基本过程张民觉 (1958) 最早发现精子获能是一个可逆过程, 获能精子一旦与精浆和附睾液接触, 又可去获能 (decapacitation) 如果把去获能的精子转移到雌性生殖中, 并使之停留一段时间, 精子又可重新获能, 表明精浆和附睾液中存在着一种去获能因子 (decapacitation factor) 9 10 三受精过程一精子与卵子相遇二精子的顶体反应三精子穿过放射冠和透明带四精卵质膜融合五皮质反应与多精入卵的皮质反应与多精入卵的阻止六卵子激活七原核形成与融合一精子与卵子相遇在许多物种中, 精子因趋化性 (chemotaxis) 而被吸向同种卵子, 即精子跟随卵子所分泌的某种化学物质的浓度梯度而向卵子运动 2

3 精子穿过放射冠, 附着和穿过透明带顶体反应 (acrosome reaction) 质膜和顶体外膜融合, 顶体内的物质释放出来, 使得精子得以穿越放射冠和透明带和卵细胞膜接触, 从而开始受精顶体反应 (acrosome reaction) 哺乳动物顶体反应机制透明带的化学性质和生物学特性透明带由糖蛋白组成 :ZP1, ZP2,ZP3 精子头部的 ZP3 受体与 ZP3 结合, 导致精子的顶体反应透明带具有强的异种抗原性精子穿过透明带及穿透机制仓鼠精子先在透明带表面犁一个深沟, 最后倾斜穿过透明带的猪精子穿过透明带是 45 夹角倾斜穿过的精子穿过透明带的两个因素 : 一是本身的急剧运动 ; 二是顶体中酶释放后可软化或溶解透明带物质 3

4 真实的顶体反应过程哺乳动物精卵质膜融合哺乳动物精卵开始融合的部位皮质反应 1 2 精子质膜融合的部分 3 5 卵质膜融合的部位 E 赤道段 Pa 顶体后区 3 E 1 2 Pa 卵子的皮层有很多由膜包围的小而圆的细胞器称为皮质颗粒或小泡, 它们是在卵子发生过程中由高尔基体形成的在卵子成熟过层中迁移到卵的四周, 位于质膜下面 4 5 受精或人工激动一个主要的结果是皮质颗粒与质膜融合, 导致皮质颗粒发生胞吐作用, 这种现象称为皮质反应皮质反应卵子的皮层有很多由膜包围的小而圆的细胞器称为皮质颗粒或小泡, 它们是在卵子发生过程中由高尔基体形成的在卵子成熟过层中迁移到卵的四周, 位于质膜下面受精或人工激动一个主要的结果是皮质颗粒与质膜融合, 导致皮质颗粒发生胞吐作用, 这种现象称为皮质反应皮质反应与 Ca 2+ 4

5 透明带反应 : 一旦精子与卵子融合, 皮质反应后胞吐到卵周隙中的酶类引起透明带糖蛋白发生生化和结构变化, 从而阻止多精入卵, 这称为透明带反应多精受精, 即多个精子进入卵子, 在大多数动物中会造成灾难性的后果图为海胆双精受精后可能导致的情况 25 海胆阻止多精受精两种机制快速阻止多精受精一是迅速阻止多精受精 : 通过卵子细胞膜上膜电位的变化完成的快速反应二是缓慢阻止多精受精 : 由皮层颗粒胞吐作用引发受膜精的形成 t=0s t=1s t=20s 钙震荡激活皮质颗粒释放 5

6 受精后产生钙震荡的分子机理钙离子在受精中的作用 1: 诱发皮质反应, 阻止多精受精 ; 2: 使卵母细胞突破 MII 期阻滞, 恢复减数分裂 ; 3: 启动受精卵的发育程序原核形成与融合雌雄原核具有不同的发育潜能精子进入卵子后, 卵子被激活并恢复减数分裂 ( 成熟分裂 II), 此时卵核和精子头部迅速形成原核在很短的时间内雌雄两原核即合并和融合为一体雌雄原核染色体混合标志着受精的结束和胚胎发育的开始 5hmC/5mC DNA/H3K4me3 DNA/H3K9me3 小鼠受精卵的雌雄原核中组蛋白甲基化状态的区别印迹基因 (imprinted genes) 发育过程中的基因组甲基化变化只有雌雄原核都存在的情况下, 受精卵才能正常发育大约有 100 个哺乳动物基因, 只在雄性来源或者雌性来源的染色体上表达, 称为印迹基因 Dlk1: 雄性印迹基因 ( 抑制脂肪细胞形成 ) Ube3a: 雌性印迹基因 ( 调节脑细胞发育 ) 印迹基因的形成是由于雌雄原核中不同的 DNA 甲基化修饰造成的这些在两性中不同的甲基化修饰区域叫做 Differentially methylated region (DMR) DMR 在原生殖细胞迁移过程中被擦除, 又在配子发生过程中重新建立 6

7 线虫的原核融合哺乳动物的原核融合 Maternal zygotic transition Maternal zygotic transition in mouse Zygotic arrest of the KO mice WT KO WT KO 7

embryonic transplantation Mouse (Btg4 / )

(Btg4 / ) 鼠 1 5 鼠 1 0 鼠 2 5 鼠 2 0 鼠 3 7 鼠

8 A new oocyte specific gene without analysis 女娲 (Nowa) 基因女娲是中国上古神话中的创世女神 Expression pattern of Nowa4 传说女娲用泥土仿照自己创造了人, 创造了人类社会 Oocyte Fertilizedegg 又替人类建立了婚姻制度, 使青年男女相互婚配, 繁衍后代, 因此被传为婚姻女神, 是中华民族伟大的母亲 Results of embryonic transplantation Mouse (Btg4 / ) Zygote (WT) Litter size Mouse (WT) Zygote (Btg4 / ) 鼠 1 5 鼠 1 0 鼠 2 5 鼠 2 0 鼠 3 7 鼠 3 0 鼠 4 13 鼠 4 0 Litter size 四单性生殖动物的两类生殖方式 : 两性生殖和单性生殖两性生殖物种必须经过雌雄交配, 受精和雌雄原核的融合过程而才能繁殖后代种群中必须有两种性别的个体单性生殖的种群中, 只要有雌性个体即可繁殖后代单性生殖主要有 : 孤雌生殖, 雌核发育两种方式孤雌生殖和雌核发育事例黄蜂产卵时, 由于卵通过产卵器时受到挤压的机械刺激, 使卵激动发育 ; 黑龙江银鲫是一种天然的雌核发育, 不需要精核染色体组的参与, 异种精子仅起激动作用, 进入的精子核不能成为原核, 不能与雌原核融合 Ca 2+ 载体 A23187 可直接引起 Ca 2+ 的跨膜运动, 触发 Ca 2+ 内流使得小鼠卵母细胞发生孤雌激活体外受精 (in vitro fertilization,ivf) 是指在体外环境完成精卵结合的过程显微受精借助显微操作仪将精子或生精细胞直接注入卵母细胞质内或卵周隙即透明带下来实现受精的过程 8

9 试管婴儿 : 体外受精和胚胎移植 Intra Cytoplasmic Sperm Injection (ICSI) ( 卵胞质内单精子注射 ) X X Dr. Ryuzo Yanagimachi 美籍日本科学家美国科学院院士张民觉先生的学生,ICSI 和体细胞克隆小鼠的缔造者生育能力下降是人类进化趋势之一我国第三四例试管婴儿湖南长沙 (1988 年 6 月 5 日 6 月 7 日 ) 张丽珠院士郑萌珠中国第一例试管婴儿在此诞生 (1988 年 3 月 10 日 ) 章皿星罗优群细胞核移植是指将发育不同时期胚胎或成体动物细胞核经显微手术和细胞融合的方法移植到去核卵母细胞中, 或将体细胞的核直接注入去核卵母细胞质中, 重新组成胚胎并使之发育直到产生子代早期胚胎发育卵裂与囊胚形成范衡宇生命科学研究院 9

卵裂及其物质准备卵裂的特点受精卵经过多次重复的有丝分裂形成很多细胞的过程称为卵裂 (cleavage)

构成纺锤体 1 无一般有丝分裂的间期 (G1 和 G2 期 ), 只有 S 期和 M 期 1 无一般有丝分裂的间期 (G1

3 细胞质与核的比例越来越小一卵裂类型 : 卵裂类型全裂 : 辐射裂螺旋型卵裂两侧对称型卵裂两轴对称型卵裂

与赤道面平行而与卵子的动植物轴垂直的卵裂切线裂 : 卵裂沟与卵子表面平行的卵裂一全裂全裂 :

10 卵裂及其物质准备卵裂的特点受精卵经过多次重复的有丝分裂形成很多细胞的过程称为卵裂 (cleavage) 卵裂形态构造和代谢准备 : 细胞质储存物的储备, 父本和母本 DNA 的复制, 染色体聚集, 中心体分开, 星光形成, 构成纺锤体 1 无一般有丝分裂的间期 (G1 和 G2 期 ), 只有 S 期和 M 期 1 无一般有丝分裂的间期 (G1 和 G2 期 ), 只有 S 期和 M 期 2 卵裂球细胞质没有增长, 卵裂中逐渐转化分离成为核物质和卵裂所需的其他物质 3 细胞质与核的比例越来越小一卵裂类型 : 卵裂类型全裂 : 辐射裂螺旋型卵裂两侧对称型卵裂两轴对称型卵裂混合型或不规律卵裂转动式卵裂不全裂 : 盘状裂表面裂卵裂方向经线裂 : 通过卵子的卵轴而与卵子赤道面垂直纬线裂 : 与赤道面平行而与卵子的动植物轴垂直的卵裂切线裂 : 卵裂沟与卵子表面平行的卵裂一全裂全裂 : 卵裂沟通过整个受精卵, 把合子一分为二, 称为全裂全裂为等裂, 卵裂球大小大致相同全裂发生在少黄卵 ( 均黄卵 ) 或中量黄卵, 如海胆文昌鱼蛙和大部分哺乳动物的卵裂 10

11 ( 一 ) 辐射裂卵裂沟有规律地互相垂直, 第一二次为经线裂, 两次互相垂直, 第三次为纬线裂卵裂球有规律地排列, 上层卵裂球与下一层卵裂球排列成行, 从动物极顶面观测似辐射状, 围绕着卵的极轴如文昌鱼海鞘海胆 ( 二 ) 螺旋型卵裂第一二次卵裂与辐射裂相似, 都为经线裂但第三次卵裂前, 4 个分裂球的纺锤体转动 45 o, 动物极卵裂球在植物极细胞之间, 这样继续下去, 卵裂球呈螺旋状排列, 如螺蚌顺时针方向旋转为右旋, 逆时针方向旋转为左旋左旋或右旋由一对等位基因控制但是由母体的基因控制, 而不是由合子核的基因控制 ( 三 ) 两侧对称型卵裂第一次卵裂面通过对称线, 成为胚胎的中线面, 由此确定了成体的左右侧以后卵裂球在两侧做有规律的发育一侧如另一侧的镜像, 故称两侧对称型卵裂, 如海鞘软体动物头足类 ( 四 ) 两轴对称型卵裂受精卵在第 2 次卵裂后左右前后都确定了, 继续发育下去, 形成两个对称轴 ( 五 ) 混合型卵裂或没有规律卵裂有的动物卵裂沟变化不规律, 初起为螺旋型转动, 后期又变为两侧对称, 呈混合型卵裂, 如一些环节动物, 少数动物的卵虽为全裂, 但卵裂完全没有规律, 如马蛔虫 11

) 转动式卵裂全裂向不全裂的过度泽蛙早期卵裂二不全裂卵裂沟仅停留在动物极或卵子表面,

不能通过整个卵, 而出现局部卵裂, 即不全裂分为盘状裂和表面裂 ( 一 ) 盘状裂端黄卵和极端端黄卵属此,

12 哺乳动物的卵是次生均黄卵, 卵裂方式是全裂但从第二次分裂开始, 其分裂便不规则两个卵裂球中的一个进行经线裂, 另一个进行纬线裂产生的 2 对卵裂球一对排列在对排列在另一对的垂直面 ( 六 ) 转动式卵裂全裂向不全裂的过度泽蛙早期卵裂二不全裂卵裂沟仅停留在动物极或卵子表面, 不通过整个卵子的卵裂为不全裂, 也称偏裂这种卵裂类型多出现在多黄卵多黄卵和中黄卵卵裂沟受到卵黄的阻碍, 不能通过整个卵, 而出现局部卵裂, 即不全裂分为盘状裂和表面裂 ( 一 ) 盘状裂端黄卵和极端端黄卵属此, 卵裂局限于动物极, 富含端黄的植物极保持未分裂状, 结果形成盘状胚盘, 称为盘状裂, 如鱼类卵裂和鸟类卵裂斑马鱼合子发育电镜扫描图鸟类卵的盘状卵裂 12

13 鸟类的囊胚形成2015/5/9 ( 二 ) 表面裂表面裂为中黄卵的卵裂方式, 绝大部分昆虫卵属中黄卵人受精卵第一次卵裂人胚胎卵裂时程二囊胚卵裂之殇随着卵裂的进行, 受精卵逐渐分裂成为一团细胞一般在分裂到形成 8 16 个分裂球时, 细胞之间出现一个不规则的空隙随着分裂球的增多, 空隙逐渐发展成一个圆型的空腔这种由卵裂球包裹着中空的囊的胚胎称为囊胚中间的腔称为囊胚腔囊胚类型由于卵子类型和卵裂类型的不同, 带来不同状态的囊胚期胚胎, 主要有腔囊胚表面囊胚盘状囊胚等 13

14 小鼠囊胚细胞命运决定哺乳动物胚胎孵化 Coda( 尾声 ) The egg and the sperm will both die if they do not meet. The elements that unite are single cells, each on the point of death; but by their union a rejuvenated individual is formed, which constitutes a linkin the eternal process of Life. 14

第四章受精

第四章受精浙江大学发育生物学课程 (2014-5-5): 受精和早期胚胎发育范衡宇浙江大学生命科学研究院受精 (fertilization) 的定义 : 单倍体的精子和卵子相遇后融合, 形成双倍体合子的过程, 是有性生殖生物个体发育的起点受精的意义 : 1: 把父母双方的遗传物质传递给子代并实现了雌雄两性遗传物质的混合, 保证了物种的多样性 2: 激活了卵细胞质中的发育程序形成了新生命个体 2 受精过程