第四章 受精

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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

2 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

3 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 原核融合 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 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: 精子与卵子遗传物质的混合 原核融合 ( 哺乳动物除外 ) 4: 卵子的代谢激活, 开启早期发育过程 3

4 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 4

5 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

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7 精子在获能中产生的变化 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

8 超激活运动 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

9 去获能现象 张明觉 (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 受精的基本过程 10

11 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阻止六 原核形成与融合

12 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

13 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

14 顶体反应 (acrosome reaction)

15 哺乳动物顶体反应机制假说 A Ca 2+ 白蛋白 B ATP 酶 脂肪酸 膜被干扰导致融合 顶体外膜 磷脂 ph 升值前顶体整合 Zn 2+ 粒蛋白 C 顶体粒蛋白 D 磷脂酶 E

16 精子穿过放射冠, 附着和穿过透明带

17 精子头部的 ZP3 受体与 ZP3 结合, 导致精子的顶体反应 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 透明带具有强的异种抗原性

18 精子附着于透明带的位置 质膜 ; 2 顶体反应时的质膜 ( 质膜与顶体外膜融合后呈泡状化的质膜 ); 3 顶体反应释放的物质 ; 4 顶体内膜 ; 5 赤道段和顶体后区的质膜 ; 6 赤道段释放的物质

19 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

20 哺乳动物精卵质膜融合

21 哺乳动物精卵开始融合的部位 E Pa 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

22 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

23 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

24 皮质反应与Ca2+

25 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 25

26 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

27 海胆阻止多精受精两种机制 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

28 快速阻止多精受精 t=0s t=1s t=20s

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30 钙震荡激活皮质颗粒释放

31 受精后产生钙震荡的分子机理

32 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

33 原核形成与融合 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

34 雌雄原核具有不同的发育潜能 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

35 印迹基因 (imprinted genes) 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

36 发育过程中的基因组甲基化变化

37

38 线虫的原核融合

39 哺乳动物的原核融合

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41 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

42 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

43 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

44 试管婴儿 : 体外受精和胚胎移植 X X

45 Intra-Cytoplasmic Sperm Injection (ICSI) ( 卵胞质内单精子注射 ) 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

46 生育能力下降是人类进化趋势之一 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 )

47 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

48 早期胚胎发育 卵裂与囊胚形成 范衡宇 生命科学研究院

49 卵裂及其物质准备 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

50 卵裂的特点 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

51 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

52

53 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

54 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

55 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

56 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

57 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

58 ( 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

59 ( 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

60 ( 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

61 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另一对的垂直面 ( 六 ) 转动式卵裂

62 全裂向不全裂的过度 泽蛙早期卵裂

63 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

64 ( 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

65 斑马鱼合子发育电镜扫描图

66 鸟类卵的盘状卵裂

67 ( 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

68 人受精卵第一次卵裂

69 人胚胎卵裂时程 卵裂之殇

70 二 囊胚 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

71 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

72 鸟类的囊胚形成

73 小鼠囊胚细胞命运决定

74 哺乳动物胚胎孵化

75 细胞质定域与调节分化的关系 受精卵的细胞质物质分布, 及其在子细胞的分配并不是十分均匀的, 有的物质在胞质中有一定的区域 这种不均匀性, 有的在卵子发生中就已存在, 对胚胎的早期发育影响很大, 在一定程度上决定着细胞的早期分化 这些特殊物质在受精卵中的特殊定位, 以及卵裂时对各子细胞分配的不均匀性, 即称为细胞质定域

76 马蛔虫合子的正常和离心后的卵裂 P184

77 卵裂球发育方向的决定 哺乳动物胚胎 2 细胞 4 细胞 乃至 8 细胞的单个卵裂球都具有发育成滋养层或内细胞团两种可能 用两个或多个胚胎的卵裂球聚合成嵌合体, 形成正常胚胎, 证明预定的内层细胞和预定的外层细胞并不迁移到它们正常的位置, 发育停留的位置, 发育方向是由细胞停留的位置所决定

78 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.

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