第4章 卵裂1. 卵裂概述2. 卵裂的方式3. 卵裂的机制受精卵经过一系列的细胞分裂将体积极大的卵子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称为卵裂（cleavage）。处于卵裂期的细胞叫做卵裂球（blastomere）。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。1. 1. 卵裂概述卵裂概述蛙的早期卵裂。 A 第一次卵裂， B 第二次卵裂， C 第四次卵裂，动物极和植物极细胞出现差异(page56)。小鼠桑椹胚的压缩现象 8细胞时期，小鼠细胞表面光滑，微绒毛均匀分布，压缩后微绒毛仅分布于细胞的外表面，细胞之间的联系加强了(zhwpage48)。小鼠胚胎卵裂过程中的极化现象。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。通过有丝分裂分配到各卵裂球中的合子基因组，在早期卵裂胚胎中并不起作用，即使用化学物质抑制转录，早期胚胎也能正常发育。线虫受精卵内的胞质决定子的不对称分布决定了卵裂的不对称性，不对称的卵裂将形成不同发育命运的分裂球。卵裂时，细胞质体积并没有增加，合子细胞质不断地被二等分分到越来越小的细胞中。细胞在两次分裂之间没有生长期，卵裂期细胞核以极高的速度分裂，直到原肠后期细胞分裂速度才显著放慢。蛙胚早期发育的卵裂速度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。非洲爪蟾的胚胎，直到第12次卵裂，合子的基因组才开始转录（中期囊胚转换）。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。如果核内染色质是正常情况的2倍，这种转化将提前一个周期发生。因此新合成的染色质能感受卵内一些因子的量的变化。在多数动物的发育过程中，受精卵立即进入快速分裂和细胞增殖的阶段，首先形成一个多细胞的团聚体，称为桑椹胚（morula）。之后，伴随细胞数目的增加，胚体中空而形成一个囊状结构，称为囊胚（blastula）。从受精卵到囊胚形成是动物早期发育的一个重要阶段。动物细胞的卵裂平面是主要由星体而不是由纺锤体决定的。(Hjfpage111) 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。小鼠胚胎上胚层细胞的程序性死亡导致囊胚腔的形成。2. 卵裂的方式卵裂的方式是一个受遗传控制的过程，主要由两个因素决定：1. 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。2. 卵质中影响纺锤体方位角度和形成时间的一些因子卵裂方式的分类(Zhwpage46),page5一、完全卵裂1. 辐射式卵裂的基本特征：1）每个卵裂球的有丝分裂器与卵轴垂直或平行。2）卵裂沟将卵裂球分成对称的两半。海鞘的辐射式卵裂(Hjfpage98)海胆的辐射式卵裂(Hjfpage98)海胆的卵裂 B 2细胞期，C 4细胞期，D 32细胞期海胆第四次分裂卵裂球的形成海胆的早期囊胚和晚期囊胚(hjfpage99)蛙的辐射式卵裂(hjfpage99)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）2. 螺旋式卵裂 环节动物、涡虫纲动物、纽形动物门动物以及除头足纲外的所有软体动物的卵裂是螺旋式卵裂。 螺旋式的特征：1）卵裂的方向与卵轴成斜角，2）细胞之间采用热力学上最稳定的方式堆叠，细胞间接触的面积更大，3）只经过较少次数的卵裂就开始了原肠形成。螺旋式卵裂示意图蜗牛的螺旋式卵裂 A 8细胞期，B 第四次卵裂中期(蜗牛）软体动物Trochus的螺旋式卵裂(Hjfpage101)蜗牛的左旋和右旋螺旋式卵裂3. 两侧对称式卵裂 两侧对称式卵裂主要发现于水螅中，其主要特征是：第一次卵裂平面是胚胎的唯一对称面，它将胚胎划分为左右成镜像对称的两部分。第二次卵裂也是经裂，但不通过卵子的中心。第三次卵裂是纬裂，生成一层动物极卵裂球和一层植物极卵裂球。第四次卵裂是不规则的，第五次卵裂形成一个小的囊胚。 水螅的两侧对称式卵裂 A 未分裂的受精卵中各种细胞质的分布；B 8细胞期的胚胎；C、D 从植物极方向观察的囊胚（hjfpage101)4. 旋转式卵裂 哺乳动物的卵裂方式属于旋转式卵裂，其特征包括： 1. 卵裂速度缓慢； 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交替旋转对称式卵裂。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(hjfpage103)3. 早期卵裂不同步，因此哺乳动物的胚胎常常含有奇数个细胞。4. 基因组在卵裂的早期就被激活并表达出进行卵裂所必需的蛋白，如老鼠和山羊在2细胞期就发生了从母性控制到合子控制的转换，在兔子的胚胎中，这个转换发生在8细胞期。哺乳动物的早期卵裂发生在输卵管中(Hjfpage102)哺乳动物另外右一个重要的特征是有胚胎的压缩（compaction）现象。处于8细胞期的胚胎是一个松散的结构，各个卵裂球之间右许多空隙。而在第三次卵裂之后，各卵裂球突然相互靠近，相互之间的接触面积达到最大，形成一个紧密的细胞球。细胞球外层细胞之间有紧密连接，可将球内部的细胞与外环境隔绝，起稳定细胞球的作用。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。未压缩的和压缩的8细胞小鼠胚胎的比较(page60)哺乳动物受精卵在体外进行的卵裂 ABC 2，4，8细胞期；D 压缩的8细胞期；E 16细胞桑椹胚；F 32细胞囊胚期(page60)压缩（campaction）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。相邻细胞表面之间的相互作用是导致胚胎压缩的原因。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。抗E-cadherin的抗体能够阻止胚胎压缩现象的发生(page60)内细胞团的产生是哺乳动物早期发育的关键步骤之一。通过对活体胚胎的观察研究，发现这种重要决定作用仅仅依赖于细胞于某一正确时间出现在某一正确的位置。压缩后位于外层的细胞将形成滋养层细胞，而内部的细胞将发育成胚胎。一个细胞是否成为胚胎或滋养层细胞，完全取决于压缩作用后细胞所处的位置是位于外周还是内部。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为分化的特征，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。 Making a knockout mouse:Stage 1, creating stem cells with an interrupted (中断)gene.Stage 2, placing the interrupted gene in the animal.人类同卵双胞胎的形成与胚胎外膜相关的时序示意图。A，滋养层形成之前； B，滋养层形成之后，羊膜形成之前； C，羊膜形成之后。(page61)5. 盘状卵裂鱼类的多卵黄卵的发育与鸟类相似，细胞分裂仅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，形成一堆屹立在卵细胞动物极的细胞。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。斑马鱼的盘状卵裂过程(page12)斑马鱼囊胚细胞的命运图6. 表面卵裂昆虫受精卵行表面卵裂。由于大量的卵黄位于卵的中央，因此卵裂被限制在卵的外围卵质中。表面卵裂的特征是，直到核已经分裂，细胞还不能形成。合子型的核于卵的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的四周，这时的胚胎称为合胞体层（syncytial blastoderm），意指所有的细胞核都位于同一细胞质中。果蝇胚胎的表面卵裂(hjf107) (page11)迁移到受精卵后极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。果蝇胚层的核伸长核细胞化的示意图(Hjfpage107)果蝇合胞体胚层中细胞核周围细胞骨架的定位3. 卵裂的机制体细胞和动物早期分裂球的细胞分裂周期对照果蝇胚胎发育过程中细胞周期调控的发育变化。(Zhwpage59)