动物发育生物学 卵裂 讲师：陈晶 QQ：354275129

一 卵裂概述 受精卵的早期发育可分成三个阶段： (1)卵裂期: 受精卵 囊胚初期 (2)囊胚期: 囊胚初期 晚期囊胚 (1)卵裂期: 受精卵 囊胚初期 (2)囊胚期: 囊胚初期 晚期囊胚 (3)原肠胚形成期: 晚期囊胚 三胚层形成 卵裂期------受精卵开始有丝分裂并产生由较小的细胞构成囊胚(blastula)的过程。

卵裂(cleavage)：受精卵经过一系列细胞分裂将体积大的卵细胞质分割成许多较小的、有核的细胞，形成一个多细胞生物体的过程。 卵裂球 (blastomere)：卵裂期细胞。 桑椹胚（morula）：卵裂期受精卵分裂形成一个多细胞的团聚体。 囊胚(blastula)：桑葚胚之后伴随细胞数目的增加，胚体中空而形成一个囊状结构。

囊胚期后，不同卵裂球之间已经开始产生差异，并最终发育成不同类型的细胞。出现了胚胎细胞的早期定向分化。卵裂常经历由均等裂向不均等裂变化，最终发育成不同类型的细胞。

卵裂期是动物细胞快速增殖阶段，细胞数量增多，胚胎体积不增大，DNA复制但不转录和翻译，直到核质比变化到一个平衡点，DNA开始转录和表达。 在多数生物的胚胎中，核质比值的成倍增加是决定某些基因定时开始转录的因素。胚胎细胞中染色质含量愈高，这种转化（合子型基因的打开）发生愈早。如，海胆胚胎的质/核比由550降至6；爪蟾的核基因要在12次分裂后才开始转录 对大多数物种而言（尤其是无脊椎动物），细胞分裂的速度及卵裂球的相互位置主要是由母本储存在卵母细胞中的蛋白质和mRNA控制的 早期卵裂中合子基因大多处于休眠状态，不行使功能； 蛙胚早期发育的卵裂速度

二 卵裂的方式 1 卵裂的决定因素：受遗传控制 卵质中卵黄的含量及其在细胞质内的分布决定卵裂发生的部位及卵裂球的相对大小。 卵黄的含量及其在细胞质内的分布； 植物极：富含卵黄，细胞分裂速度较慢； 动物极：卵黄相对较少，细胞分裂速度较快。 卵质中影响纺锤体方位角度和形成时间的一些因子 有丝分裂器（mitotic apparatus）在卵质中的位置和定向——卵子细胞质中影响纺锤体形成时间和角度的因子. 大多数动物的有丝分裂器与卵轴垂直或平行，卵裂对称； 有的有丝分裂器与卵轴成斜角，卵裂呈螺旋式。

卵黄对卵裂的影响 通常情况下，卵黄对卵裂具一定的阻抑作用，卵裂因卵黄含量及卵黄分布的不同 完全卵裂(均裂)——卵黄相对较少的合子的卵裂方式，卵裂后整个卵子被完全分割； 不完全卵裂(偏裂)——多黄卵受精后形成的合子卵裂时仅有一部分细胞质被分割，卵黄部分不被分割

未受精的蛋只含一个卵细胞，受精的蛋产出是已经发育成了囊胚。 蛋白和蛋黄都不是细胞，是胚胎发育中水、蛋白、脂肪等各种营养来源 未受精的蛋只含一个卵细胞，受精的蛋产出是已经发育成了囊胚。 胚盘（含囊胚）

卵黄是使胚胎在没有外源食物的情况下得以发育的、进化上的一种适应性选择。 ①没有大量卵黄的卵，如海胆卵等，通常采用迅速形成能自我生存的幼虫的手段，然后再继续发育。 ②哺乳动物的卵也缺乏卵黄，于是采用生成胎盘的形式从母体获取所需的物质，胚胎的一部分细胞参与胎盘的形成，为胚胎发育提供食物和氧气。 ③另一个极端是昆虫、鱼类、爬行类和鸟类的卵，卵的大部分为卵黄所占。由于在它们的体外发育过程中既没有幼虫阶段，也不存在胎盘的结构，因此卵黄是维持胚胎发育所必需的。

有丝分裂细胞器对卵裂的影响 经线裂(meridional cleavage)——指卵裂面与A－V轴平行的卵裂方式。 纬线裂(equatorial cleavage)——指卵裂面与A－V轴垂直的卵裂方式 切线裂 ——卵裂沟与卵子表面平行 经裂平面 纬裂平面 植物极

开始卵裂的一般规律 第一、第二次卵裂为 经线裂 第三次卵裂为纬线裂 第四次卵裂经纬不一

切线裂 卵表面切线 卵裂沟裂向 有丝分裂器与卵裂沟的生成位置密切相关,星光的位置可以决定卵裂沟的位点,卵裂沟产生在两个星光的等距离位置,一旦卵裂沟的位点确定,有丝分裂器的作用就不存在了.

中心体的外围有成辐射状排列的微管，形成光学显微镜下可见的星丝，星丝和中心体合称星体。Furrow:沟 动物细胞的卵裂平面是主要由星体决定的。

中心体行为的差异造成不同的细胞具有不同的卵裂平面

细胞压缩决定囊胚腔的大小

P108 图8.1 棘皮动物门包括海星、蛇尾、海胆、海参和海百合等。因表皮一般具棘而得名。全为海产。

卵黄的数量和分布决定了卵裂在何处进行，决定了卵裂球的大小。 不同的物种，卵裂模式不同。 卵黄的数量和分布决定了卵裂在何处进行，决定了卵裂球的大小。 卵裂类型 卵子类型 代表动物 完全卵裂 辐射对称型 均黄卵 棘皮动物、文昌鱼 螺旋型 软体动物、环节动物、扁形动物 两侧对称型 海鞘 转动型 哺乳动物 中黄卵 两栖类 不完全卵裂 盘状卵裂 端黄卵 鱼类、爬行类、鸟类 表面卵裂 中央黄卵 节肢动物

2 两栖类 蛙的辐射对称均裂 蛙类：富含卵黄对卵裂的阻碍作用导致卵裂沟延伸缓慢、第三次纬裂发生不均等分裂。植物极半球分裂的速度始终较慢，所以囊胚的植物极细胞较大。 第一次卵裂还在植物极分割细胞质时，第二次卵裂已开始 动植物半球的卵裂不同步，动物半球形成大量的小卵裂球，植物半球形成数目较少、含有卵黄的大卵裂球。

蛙卵的第一次卵裂 （2 细胞） 蛙卵的第二次卵裂 （4 细胞） 蛙卵的第4次卵裂 （16 细胞）

蛙类的囊胚腔的形成 第一次卵裂的近动物极卵裂沟较宽，形成一个小的细胞间的腔，该腔通过细胞间的紧密连接而与外界隔离，在以后的分裂过程中，该腔不断扩大而形成囊胚腔。 对于蛙的胚胎而言，囊胚腔具备两种功能： ①在原肠形成过程中，囊胚腔利于细胞迁移。 ②防止上下层细胞不成熟地过早接触 蛙卵囊胚腔的形成 A，第一次卵裂平面形成的小裂隙以后扩大发育为囊胚腔；B，8细胞时期的囊胚腔。

蛙类的囊胚腔的形成的机制 蛙囊胚腔内体液的积累与离子转运有关。随着囊胚腔内离浓度的增加，水分就通过渗透作用进入进入囊胚腔内。囊胚腔内液体的积累对囊胚腔壁造成一个向外的力压力，这种静水压是参与形成和维持囊胚为球形的一个重要作用力。 EP-cadherin

3 哺乳动物 旋转式卵裂 哺乳动物的卵裂与其它动物极大不同。 哺乳动物的卵裂最难研究，原因： 1）动物物种最小的卵子之一，难以实验操作人受精卵D=100um，体积为蛙卵的1/1000, 2）合子数量少，一般一次排卵不超过10枚，实验材料不充足 3）哺乳动物胚胎不能在体外环境发育，在最近才有可能在体外观察胚胎发育

哺乳动物的早期卵裂发生在输卵管中 卵裂的胚胎借助于输卵管纤毛运动朝子宫方向迁移，早先几次的卵裂在输卵管中进行。发育至囊胚期着床。 透明带 第一次卵裂 桑葚胚 胚泡 着床 受精 排卵

哺乳动物卵裂的特点 1）分裂相对较慢，间隔12~24h分裂一次； 2）第1次为经裂，其后的2个卵裂球各采用不同的卵裂方式，一个是经裂，一个是纬裂；这种卵裂的方式称为旋转式卵裂。 3）早期卵裂不同步（不是所有卵裂球都同时进行卵裂），因此，胚胎常含有奇数个细胞。 4）与几乎所有其他动物不同，其基因组在卵裂的早期就被激活，并表达出进行卵裂所需的蛋白。如，鼠和山羊，在2细胞期就发生了从母性控制向合子控制的转换，兔子胚胎在8细胞期发生转换。 5）胚胎细胞紧密化（compaction） 。

棘皮动物（左）和哺乳动物（右）第一次和第二次卵裂方式的比较

哺乳动物卵裂球的紧密化 紧密化（compaction）: 8细胞期的胚胎是一个松散的结构，各个卵裂球之间有许多空隙。第三次卵裂后不久，各卵裂球突然靠近，相互间接触面积达最大，形成一个紧密的细胞球。 作用：细胞球外层细胞间有紧密连接，隔绝内部细胞与外环境，稳定细胞球。球体的内部细胞之间有间隙连接（gap junction）相连，可以交换小分子和离子。 16细胞期桑葚胚 32细胞期胚泡

未压缩的和压缩的8细胞小鼠胚胎的比较

紧密化的后续事件 紧密化的细胞分裂后，形成16个细胞的桑葚胚。 在桑葚胚中有1-2个细胞属于内细胞团，并由大多数的外层细胞所包围。 内细胞团将发育为胚胎，外层细胞将发育为滋养层细胞参与胎盘的胚胎组分。 滋养层细胞与内细胞团细胞的分离代表了哺乳动物发育中的第一个分化事件。最初，桑葚胚内部是没有空腔的，后来，在成腔作用过程中，滋养层细胞向桑葚胚中分泌液体产生囊胚腔，这时的早期胚胎称为囊胚，内细胞团则位于环形滋养层细胞层的一侧。 囊胚形成是哺乳动物卵裂结局的标志。

紧密化的意义 紧密化为哺乳动物发育中第一次分化（滋养层与内细胞团的分离）的外部条件。

紧密化的机制 相邻细胞表面之间的相互作用是导致胚胎压缩的原因。将卵裂球单独分开不出现该种现象。 在压缩之前，8细胞阶段卵裂球的膜发生极化作用，细胞表面的不同组分迁往细胞的特定区域。 有些专一性的细胞表面分子在胚胎压缩过程中扮演着重要的角色。其中，在2细胞期合成的糖蛋白E-cadherin主要集中于卵裂球相互接触的表面上。抗E-cadherin的抗体能使桑椹胚细胞散开，该糖蛋白的糖链部分是发挥功能所必需的。

Cadherin Cadherins are a class of type-1 transmembrane proteins. They play important roles in cell adhesion, ensuring that cells within tissues are bound together. They are dependent on calcium (Ca2+) ions to function, hence their name.

抗E-cadherin的抗体能够阻止胚胎压缩现象的发生

内细胞团的形成 直到8细胞阶段，卵裂球之间的形态、生化和潜在发育能力方面的特征都还没有差异。然后通过紧密化作用形成了内部和外部特性具重大差异的细胞。 有许多研究者通过标记不同的卵裂球等方法，证实紧密化作用后位于外层的细胞将形成滋养层细胞，而内部的细胞发育成胚胎。 例：将4细胞期小鼠胚胎的每个卵裂球置于一群聚集的卵裂球的四周，所有外周的移植细胞只能形成滋养层细胞。

哺乳动物囊胚细胞命运的早期分化 位置决定论：一个细胞发育成滋养细胞层细胞还是内细胞团细胞，由压缩后细胞所处的位置（胚胎外层还是内层）决定。 16细胞期桑椹胚(morula): 位于内部的少数细胞产生的子细胞将组成内细胞团(inner cell mass) 位于外部的细胞产生的子细胞大多构成滋胚层(trophoblast)。 32细胞期胚泡(blastocyst): 位于囊胚腔一端的内细胞团(约10个细胞)将发育胚胎的本体及与其相连的卵黄囊、尿囊和羊膜； 外层的滋胚层生成绒毛膜，再发育成胎盘，为胎儿从母体摄取营养物质和氧，并产生激素以避免母体的排斥反应。 64细胞期，内细胞团和滋养层细胞形成相互分离的细胞层，相互之间不会再有细胞交换，因此内细胞团与滋养层细胞的分离代表了——哺乳动物发育过程的第一个分化事件，也是早期发育的关键一步。

桑葚胚中间没有空腔，滋养层细胞向胚内分泌液体，形成囊胚腔，内细胞团位于腔体的一端，——形成胚泡。

哺乳动物胚泡的着床 透明带的作用：阻止胚泡与输卵管壁的粘连而宫外孕。 ①胚胎进入子宫后，必须“孵化”出“壳”，这样才能着床。在迁向子宫途中，囊胚不断膨胀。滋养外胚层细胞膜上的Na+／K +泵向囊胚腔中转运Na+ ，与离子的积累相伴随的是，由于渗透压的作用，水分进入囊胚腔，从而使囊胚腔扩大。 ②位于滋养层细胞膜上的胰蛋白酶样的蛋白酶Strypsin具有把透明带的原纤维基质消化出一个洞的作用，通过在透明带上溶出的小洞，加上囊胚的膨胀压力，小鼠囊胚从透明带中挤出来。一旦孵化出来，囊胚直接与子宫内膜接触，植入子宫壁内膜。

内细胞团的干细胞全能性 早期胚胎细胞之间可以相互置换和补偿，去掉2细胞阶段兔胚的一个细胞，留下的另一细胞仍可以发育成完整的胚胎。 一旦内细胞团与滋养层细胞分离，这些内团细胞如果被转移注入另一个囊胚腔中，可参与发育成新的胚胎（嵌合体），而滋养细胞不能。 正是由于内细胞团细胞可发育成身体中任何类型的细胞，也被称为多能母细胞或全能细胞。

内细胞团中的每个分裂球均能产生身体中任何细胞类型。当内细胞团细胞被分离，并在一定条件下生长时，它们会在培养过程中保持未分化的特征，并可持续不断地分裂，这些细胞被称为胚胎干细胞（embryo stem cell）。 利用胚胎干细胞进行基因敲除（gene knock-out）和构建转基因动物已经成为一种非常重要的、用于研究哺乳动物发育过程中基因功能的手段。

将囊胚中内细胞吸走

基因改造的胚胎干细胞

基因改造的胚胎干细胞植入空胚囊中发育成转基因动物

Donor 供体，manipulate操纵 Phenotype表型，screen/enrich for transfected cells筛选/丰富的转染细胞

Blastocyst囊胚 chimeric progeny嵌合后代

体外人工受精与试管婴儿

60年代以来，胚胎学中生殖工程的兴起及其与临床应用相结合，英国学者Edwards及Steptoe应用人工受精、胚胎移植等技术，用于治疗女性不孕症。首先于1978年7月25日在英国曼彻斯特城，诞生了世界上第一例试管婴儿(为女婴—路易斯.布朗)，开创了人类控制生育的新途径；1988年我国第一批试管婴儿也诞生。目前，试管婴儿己遍全球 。 罗伯特·爱德华兹 (Robert G. Edwards)， 剑桥大学教授，英国生理学家，被誉为“试管婴儿之父”,瑞典卡罗林斯卡医学院2010年10月4日宣布，将2010年诺贝尔生理学或医学奖授予有试管婴儿之父

1990年3月10日，甘肃礼县盐关镇，中国大陆第一个试管婴儿郑萌珠2岁生日时和父母（左长林、郑桂珍 ）在一起。如今她已成为20多岁的女大学生。

来自全国的试管婴儿齐聚北京

双胞胎 人类的双胞胎被分为两类：同卵双生和异卵双生。 异卵双生：两个卵分别受精的结果。 同卵双生：源于同一胚胎，早期胚胎中的细胞由于不明原因相互分离导致产生双胞胎。

人类的同卵双生的发生(占出生总数的0.25%) 发生在滋胚层形成前(约受精后5天前)的分割，有独立的绒毛膜和羊膜。占同卵双生的33%。 发生在滋胚层形成后但羊膜形成前(约受精后5－9天)的分割，共用绒毛膜，有独立的羊膜。占同卵双生的66%。 发生在羊膜形成后(约受精9天后)的分割，共用绒毛膜和羊膜，易出现连体儿。

11周单卵孪生

在单卵孪生中，当一个胚盘出现两个原条并分别发育为两个胚胎时，若两原条靠得较近，胚体形成时发生局部联接，称联体双胎（conjoined twins）。联体双胎有对称型和不对称型两类。

4 斑马鱼 盘状卵裂 ●鱼类和鸟类的卵均为端黄卵，细胞分裂仅在动物极胚盘中发生。早期卵裂伴随着高度重复的经裂-纬裂模式，分裂速度很快。最初的几次分裂同步发生，在卵细胞动物极形成一堆细胞。 ●斑马鱼胚胎约从第10次分裂开始，中期囊胚进入由母型调控向合子型调控的过渡期(中期囊胚转换)。

模式动物-斑马鱼 斑马鱼的盘状卵裂过程

MBT : Mid-blastula transition Cleavage-Rosy Barb (A Rising Star) MBT : Mid-blastula transition ♂ ♀ 中期囊胚转换：基因转录表达、细胞分裂变慢，细胞开始移动向原肠胚转化。

斑马鱼囊胚细胞发育命运图 YSL：卵黄合胞体层 EVL：包被层 P115 图8.8 将不扩散的荧光染料注入到早期胚层细胞内，观察到荧光细胞存在于不同组织中，而原肠胚后不同胚层的细胞有固定的分化方向。

模式生物的发育-鸟类（鸡） 鸡胚进入子宫后，才发生纬裂，形成5－6个细胞厚的胚盘。 胚盘细胞从稀蛋白吸取液体后，与卵黄分离，形成胚盘下腔(subgerminal cavity)。该腔使胚盘中央区透明，叫明区(area pellucida)；而边缘区的细胞仍与卵黄接触使其不透明，叫暗区(area opaca)。 上胚层(epiblast)将形成胚胎本体；下胚层(hypoblast)将产生胚外结构如卵黄囊柄和连接卵黄和内胚层消化管的蒂。 鸡卵在白蛋白和卵壳形成前于输卵管内受精. 胚盘和卵黄之间的腔隙叫胚下腔,也就是subgerminal cavity.

5 果蝇 表面卵裂 ●昆虫受精卵行表面卵裂。由于大量的卵黄位于卵中央，因此卵裂被限制在卵子外围卵质中。表面卵裂的特征是核已经分裂，细胞还不能形成。 ●合子型的核于卵中央部分进行多次的有丝分裂，形成多达256各细胞核。然后,细胞核迁移至卵子四周。 这时的胚胎称为合胞体囊胚(syncytial blastoderm)，意指囊胚所有细胞核都位于同一细胞质中。

模式动物-果蝇胚胎的表面卵裂 动物胚胎的早期发育-卵裂 迁移到受精卵后端的核迅速由新形成的膜所包围，形成极细胞，将来发育为成体的生殖细胞。昆虫卵发育的最早事件之一是把未来的生殖细胞与胚胎的其余部分区分开。 极细胞形成之后，卵膜内陷于核之间，最终把每个核分隔成单一的细胞。 这样就形成了细胞胚层，所有的细胞都沿着卵黄核心单层排列。

Cellularization 果蝇胚层的核伸长,核细胞化的示意图. P117 图8.11

果蝇合胞体胚层中细胞核周围细胞骨架的定位 细胞核的移动和细胞膜内陷形成的细胞化过程中，骨架蛋白对细胞和定位和细胞器运动有关键作用。 果蝇合胞体胚层中细胞核周围细胞骨架的定位

三 卵裂的机制 1 核质比例决定卵裂期细胞分裂的速度 卵裂使 C/N 变小。 C/N 导致某些基因激活。如Xenopus laevis 胚胎第12卵裂后核基因才开始转录。同时，卵裂速度变慢，裂球可以移动。

2 细胞质中周期蛋白调控细胞分裂 早期卵裂只有S期和M期 胚胎早期细胞内储备大量母源前体MPF，细胞进行M-S分裂循环; 而当合子基因启动以后，细胞便逐渐进入正常的G1-S-G2-M分裂循环周期之中 2 细胞质中周期蛋白调控细胞分裂 P118 图8.12 体细胞和动物早期分裂球的细胞分裂周期对照.

果蝇卵裂 前13个细胞分裂周期，由母源型胞质控制，14次以后转为合子型（核）控制 前7次核分裂极快--排卵时，贮存于卵质中的pre-MPF的t-14、y-15被母源性的cdc25去磷酸化，持续保持MPF活性 7-13次变缓--周期蛋白在M相开始降解，但母源性的cdc25持续存在 14次以后--母源性string mRNA合成的蛋白质降解，合子型cdc25 磷酸酶产生（G2相末期） 17次以后，Cyclin E成为DNA复制的限速因子，使细胞增加了G1期

P120 图8.13

3 促成熟因子和细胞静止因子 促成熟因子（MPF）：csc 2+cyclin B，MPF周期性的合成和降解是导致细胞周期进行分裂的前提，如果周期蛋白降解受阻，MPF将一直保持活性，细胞分裂则停滞于M相。 细胞静止因子（CSF）：c-mos+cdk2，阻止周期蛋白降解，其降解可使细胞分裂停止。CSF使卵母细胞停止在第二次有丝分裂的M相，受精后，钙离子激活能使CSF失活的蛋白酶。随着CSF降解，CyclinB随后也被降解，细胞进入S期，复制DNA。

4 卵裂的动力学因素 核分裂（karyokinesis）： 有丝分裂器，微管，秋水仙碱 质分裂（cytokinesis）： 微丝，收缩环，细胞松弛素B 两个并行而相对独立的过程 中期以前，纺锤体的位置决定分裂沟的位置，即分裂沟总是发生在两个星体的等距离处；中期之后，二者彼此独立

Mitotic spindle vs Contractile ring. Karyokinesis vs Cytokinesis 动物胚胎的早期发育-卵裂 Mitotic spindle vs Contractile ring. Karyokinesis vs Cytokinesis 核分裂和胞质分裂通常同步进行,但有时也可以人为或者自然分开. 昆虫卵子多次进行核分裂后胞质分裂才开始(自然分开). 经细胞松弛素处理的胚胎胞质分裂停止,但核分裂照常进行(人为分开).