动物个体早期发育概述

核心内容概览

动物个体早期发育包括以下关键过程：

  • 生殖细胞的发生：生殖细胞的起源和分化；精子的发生；卵子的发生
  • 受精的机制：受精的专一性；受精的唯一性；受精卵的代谢启动；配子遗传物质的融合
  • 卵裂：胚胎的卵裂方式；卵裂的机制
  • 原肠作用：胚胎细胞的重新组合
  • 脊椎动物的早期发育：神经胚的形成和中、内胚层分化

生殖细胞基本概念

  • 体细胞（Somatic cell）：构成生物体绝大部分的细胞
  • 生殖细胞（Germ cell）或配子（Gamete）：特殊分化的细胞，能够传递遗传物质到下一世代，是个体发育的基础
  • 雌配子（卵/Ovum）与雄配子（精子/Sperm）：分别提供母本和父本的遗传物质

生殖细胞发生流程：原生殖细胞（PGC）→ 生殖原细胞（性原细胞）→ 雌、雄配子

生殖细胞的起源与分化

生殖细胞起源理论

  • 先成论（Preformation）：胚胎发育早期，通过母源决定子的定位确定生殖细胞的命运（例如果蝇、线虫）
  • 后成论（Epigenesis）：胚胎发育晚期，通过周围组织细胞诱导确定生殖细胞的命运（例如哺乳类、棘皮动物）
线虫模型（Caenorhabditis elegans）
  • 生殖细胞决定从受精卵第一次卵裂开始
  • 含P颗粒（Posterior granules）的细胞构成生殖系
  • P4为生殖细胞的始祖细胞
  • Pie-1基因维持生殖干细胞属性，抑制体细胞基因转录
果蝇模型（Drosophila）
  • 极细胞（Polar cell）含极质（生殖质颗粒）
  • 9次卵裂后，5个细胞核移至胚胎末端分化为极细胞
  • 关键基因：gcl、nanos、pgc、oskar
  • 基因调控路径：cappuccino/spire → staufen → oskar → vasa → tudor
爪蟾模型（Xenopus）
  • 生殖质定位于卵的植物极，富含RNA和蛋白质
  • 紫外线照射植物极可消除生殖细胞
  • 囊胚腔腹侧中央细胞为PGCs
  • 每个生殖嵴约30个PGC
小鼠模型（Mus musculus）
  • PGCs来源于原肠胚时期的上胚层
  • 7天胚胎中约8个PGC位于原条后部的胚外中胚层
  • 诱导信号：BMP4、BMP8b、BMP2
  • 移植实验证明细胞命运可被微环境影响

原生殖细胞迁移

果蝇PGC迁移路径
  • 极细胞 → 穿过中肠 → 进入尾部内脏中胚层
  • 迁移至第10-12体节形成生殖腺
  • 关键基因：columbus（吸引）、wunen（排斥）
  • 通过血球渗出方式穿过内胚层
爪蟾PGC迁移路径
  • 植物极 → 囊胚腔腹侧内层细胞形成PGCs
  • 幼虫肠后部聚集 → 沿肠向背部迁移
  • 到达中肠背部的生殖嵴
  • 依赖微管和驱动蛋白（kinesin-like protein）
鸟类PGC迁移路径
  • 起源于明区中央上胚层
  • 迁移至明区前部边缘下胚层 → 形成生殖新月区
  • 进入血管 → 通过血液循环到达生殖嵴
  • 穿出血管 → 迁入生殖嵴
小鼠PGC迁移路径
  • 卵黄囊靠近后肠和尿囊连接处
  • 经过肠、肠系膜背面迁移到生殖嵴
  • 迁移后PGC达2500-5000个
  • 关键因子：BMP、SCF（干细胞生长因子）

迁移调控关键点

  • 干细胞生长因子（SCF）：防止PGC凋亡，促进繁殖
  • SCF由迁移路径中的细胞合成，定位在膜上
  • White突变（缺失SCF受体基因）或Steel-Dickie突变（SCF不能定位在膜上）导致无或很少PGC

精子发生（Spermatogenesis）

精子发生过程

  • 生殖干细胞 → 精原细胞 → 初级精母细胞 → 次级精母细胞 → 精子细胞 → 精子
  • 青春期启动：精原细胞合成的BMP8B积累到阈值开始分化
  • 人类精子发生周期：约74天
  • 细胞间桥（直径1μm）：维持发育同步化

精子分化（Spermiogenesis）

  • 核物质浓缩：核形状改变
  • 细胞质改造：
    • 顶体形成：高尔基体形成双层膜囊覆盖核头部
    • 鞭毛形成：中心粒迁至核基部延伸形成
    • 线粒体鞘：环绕在鞭毛基部
    • 多余细胞质废弃

支持细胞作用

  • 生精细胞表面有N-Cadherin及半乳糖
  • 支持细胞表面有N-Cadherin及半乳糖受体
  • 两种细胞通过这些分子结合
  • 支持细胞提供营养和保护
  • 随着生殖细胞变为精子，支持细胞退化

卵子发生（Oogenesis）

基本特点

  • 形成单倍体的细胞核
  • 建立细胞质库（酶、RNA、细胞器、代谢产物）
  • 初级卵母细胞长期停滞在减数分裂Ⅰ前期
  • 哺乳动物：原生殖细胞 → 卵原细胞 → 初级卵母细胞（减数分裂Ⅰ前期停滞）→ 青春期恢复 → 排卵时停滞在减数分裂Ⅱ中期

减数分裂阻断与恢复

  • 阻断位置：
    • 蛔虫型：生发泡尚未破裂时
    • 胎贝型：第一次成熟分裂中期
    • 脊椎动物型：第二次成熟分裂中期
    • 海胆型：两次成熟分裂以后
  • 恢复信号：
    • 海星：1-甲基腺嘌呤
    • 两栖类：孕酮
    • 鱼类：17α,20β-二羟-4-孕烯-3-酮
    • 哺乳动物：4,4-二甲基-5α-胆甾基-8,14,24-三烯-3β-酚

卵子极性构建

  • 卵轴：动物极-植物极假想线
  • 物质分布：
    • 卵黄：植物极积累
    • 皮质颗粒/线粒体/色素 → 皮质部
    • 糖原/核糖体 → 动物极
  • 爪蟾卵黄小板：卵黄蛋白原裂解形成
  • 关键基因：Vg1 mRNA（微管/微丝定位）

精卵发生比较

特征 精子发生 卵子发生
场所与连续性 均在精巢内连续完成 不一定在卵巢内完成，非连续
减数分裂阻断 无阻断 双线期（Ⅰ）、中期（Ⅱ）
配子数量 多（亿级） 少（1-百万，依赖生殖策略）
细胞质分配 均等（4个等大精细胞） 不均等（1个卵子+2-3个极体）
细胞质分化时间 晚（分裂后进行） 早（初级卵母细胞阶段）
辅助细胞 支持细胞（Sertoli cells） 滤泡细胞/滋养细胞
细胞间桥 整个发生过程持续存在 仅卵原细胞阶段存在
成熟周期 连续不断产生（哺乳类） 周期性（哺乳类）

卵子发生类型（营养获取方式）

  • 独立型：渗透方式从周围环境获取（海胆）
  • 辅助型：
    • 滤泡型：滤泡细胞提供（脊椎动物）
    • 滋养型：滋养细胞提供（果蝇、环节动物）

激素调控机制

哺乳动物排卵调控

  • 周期性排卵（多数哺乳动物）：
    • 光照 → 丘脑释放GnRH → 垂体分泌促性腺激素
    • 卵泡生长与激素周期同步
  • 交配刺激型排卵（兔、水貂等）：
    • 交配活动刺激子宫颈 → 垂体释放促性腺激素
  • 激素作用：
    • FSH：促进卵泡生长
    • LH：触发减数分裂恢复与排卵
    • 雌激素：促进卵泡生长
    • 孕酮：维持子宫内膜

两栖类卵母细胞激素调控

  • 环境（温度）刺激 → 下丘脑 → 垂体分泌促性腺激素
  • 卵巢滤泡细胞释放雌激素 → 肝脏合成卵黄蛋白原
  • 卵母细胞吸收卵黄蛋白原形成卵黄小板
  • 促性腺激素促进滤泡细胞释放孕酮 → 恢复减数分裂

果蝇卵黄合成调控

  • 脑 → 神经释放激素 → 咽侧体分泌保幼激素
  • 保幼激素：
    • 调控卵细胞摄入卵黄蛋白质
    • 促进卵巢内卵黄蛋白合成
    • 促进滤泡细胞和腹壁细胞释放蜕皮激素
  • 蜕皮激素：促进脂肪体合成卵黄蛋白质