《生殖干细胞》PPT课件.ppt
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1、在多细胞生物的胚胎发育过程中,原始生在多细胞生物的胚胎发育过程中,原始生 殖细胞是最殖细胞是最早分化出来的一群细胞,即早分化出来的一群细胞,即生殖干细胞生殖干细胞(germ stem cells)。这群细胞的出现,在多种动物中已证明与卵子。这群细胞的出现,在多种动物中已证明与卵子内内生殖质生殖质(germ plasm)的分布密切相关。由于在线虫、的分布密切相关。由于在线虫、昆虫等生物的卵细胞内,其生殖质位于卵子的后极,故昆虫等生物的卵细胞内,其生殖质位于卵子的后极,故又称又称极细胞质极细胞质或或极质极质(pole plasm),已于,已于80多种动物多种动物(8个门个门)中发现了类生殖质成分的
2、存在。中发现了类生殖质成分的存在。第二章第二章 配子发生与发育前的准备配子发生与发育前的准备生殖质由生殖质由RNA和和蛋白质蛋白质组成,均为组成,均为母体效应基因母体效应基因转录或翻译的产物。转录或翻译的产物。在卵子发生过程中,不同生物的母在卵子发生过程中,不同生物的母体效应基因以多种方式被激活并进体效应基因以多种方式被激活并进行高效表达,将大量产物储藏在卵行高效表达,将大量产物储藏在卵母细胞内,为受精后迅速启动胚胎母细胞内,为受精后迅速启动胚胎发育做了充分的物质准备。发育做了充分的物质准备。2.1 配子发生配子发生 配子发生涉及到原始生殖细胞起源配子发生涉及到原始生殖细胞起源的方式、途径,参
3、与调控、决定的的方式、途径,参与调控、决定的有关基因。有关基因。原始生殖细胞独立于性腺原基产生,原始生殖细胞独立于性腺原基产生,但必须迁入性腺后才能完成增殖、但必须迁入性腺后才能完成增殖、生长和成熟等发育阶段。生长和成熟等发育阶段。原始生殖细胞的起源与决定原始生殖细胞的起源与决定动物卵裂有多种方式和类型,因种类不同动物卵裂有多种方式和类型,因种类不同而存在明显的差异。然而,无论采用哪种而存在明显的差异。然而,无论采用哪种卵裂方式,通过细胞不断分裂和增殖最终卵裂方式,通过细胞不断分裂和增殖最终将导致细胞之间的分化,将导致细胞之间的分化,首先是原始生殖首先是原始生殖细胞从胚细胞中分化出来细胞从胚细
4、胞中分化出来。不对称细胞分裂不对称细胞分裂能使所产生的两个子细胞能使所产生的两个子细胞出现发育途径的分歧;出现发育途径的分歧;部分卵裂球内发生部分卵裂球内发生染色体消减染色体消减而另一部分而另一部分则保持完整会直接导致体细胞与种系细胞则保持完整会直接导致体细胞与种系细胞之间的分化;之间的分化;某些母体效应基因的转录、表达产物在卵某些母体效应基因的转录、表达产物在卵子内局部差异分布子内局部差异分布对原始生殖细胞的形成对原始生殖细胞的形成具决定作用。具决定作用。不对称细胞分裂与生殖细胞的起源不对称细胞分裂与生殖细胞的起源在某些动物的受精卵中,母体效应基因的在某些动物的受精卵中,母体效应基因的产物如
5、产物如RNA和蛋白质所组成的和蛋白质所组成的RNP颗粒等颗粒等发育发育决定因子决定因子呈不均匀的区域分布。当卵呈不均匀的区域分布。当卵裂时,这些决定因子被不均等地分配到子裂时,这些决定因子被不均等地分配到子细胞中,导致两个细胞具有不同的发育潜细胞中,导致两个细胞具有不同的发育潜能并朝着不同方向演变。这种细胞分裂方能并朝着不同方向演变。这种细胞分裂方式称为式称为不对称细胞分裂不对称细胞分裂(Asymmetrical cell division)。在卵裂早期,每一次不对称分裂产生一个在卵裂早期,每一次不对称分裂产生一个建立者细胞建立者细胞(Founder cell)和一个和一个干细胞干细胞(ste
6、m cell)。前者将朝被决定的方向产生分。前者将朝被决定的方向产生分化的细胞后代化的细胞后代(体细胞或生殖细胞体细胞或生殖细胞),后者则,后者则继续通过不对称分裂形成新的建立者细胞继续通过不对称分裂形成新的建立者细胞和干细胞。和干细胞。这些建立者细胞是由卵子内的发育决定因这些建立者细胞是由卵子内的发育决定因子预先决定的,其子细胞将按既定的发育子预先决定的,其子细胞将按既定的发育程序进行自主发育,不受环境变化的影响。程序进行自主发育,不受环境变化的影响。角贝的受精卵角贝的受精卵在第一次卵裂前期,于植物极伸出在第一次卵裂前期,于植物极伸出一个突起的泡状结构,称为一个突起的泡状结构,称为极叶极叶(
7、Polar lobe)。第。第一次卵裂完成后,一个子细胞得到全部极叶的细一次卵裂完成后,一个子细胞得到全部极叶的细胞质,另一个子细胞则不含极叶成分。第二次卵胞质,另一个子细胞则不含极叶成分。第二次卵裂前期,含极叶的那个子细胞像第一次卵裂一样裂前期,含极叶的那个子细胞像第一次卵裂一样又产生两个不同的子细胞,而不含极叶的子细胞又产生两个不同的子细胞,而不含极叶的子细胞同样进行第二次卵裂。同样进行第二次卵裂。经过多次卵裂之后,凡获得含极叶细胞质的子细经过多次卵裂之后,凡获得含极叶细胞质的子细胞将分化成原始的生殖细胞,而不含极叶细胞质胞将分化成原始的生殖细胞,而不含极叶细胞质的子细胞将朝体细胞的方向分
8、化。的子细胞将朝体细胞的方向分化。通过角贝卵裂过程中极叶的形态变化可以直接跟通过角贝卵裂过程中极叶的形态变化可以直接跟踪观察和证明不对称细胞分裂与原始生殖细胞起踪观察和证明不对称细胞分裂与原始生殖细胞起源之间的因果关系。源之间的因果关系。染色体消减染色体消减马蛔虫马蛔虫(Parascaris equorum)2n=4,是染色体数,是染色体数最少的一种多细胞动物。虽同为线虫,但马蛔虫最少的一种多细胞动物。虽同为线虫,但马蛔虫原始生殖细胞的发生走的是另一条不同的途径。原始生殖细胞的发生走的是另一条不同的途径。1904年,年,T.Boveri发现马蛔虫第二次卵裂前中期,发现马蛔虫第二次卵裂前中期,动
9、物极分裂球的染色体碎裂成断片且大多丢失,动物极分裂球的染色体碎裂成断片且大多丢失,原来的染色体仅一部分保留下来。这种现象称原来的染色体仅一部分保留下来。这种现象称染染色体消减色体消减(Chromosome diminution)。这些细胞。这些细胞因此丢失了许多基因因此丢失了许多基因(Tobler et al.,1972)。与此。与此同时,植物极分裂球的染色体却保持完整。同时,植物极分裂球的染色体却保持完整。第三次分裂时,动物极细胞沿子午线分裂第三次分裂时,动物极细胞沿子午线分裂而植物极细胞仍沿赤道板分裂。然而第三而植物极细胞仍沿赤道板分裂。然而第三次卵裂之前,靠近动物极的那个植物分裂次卵裂之
10、前,靠近动物极的那个植物分裂球在分裂后期同样要进行染色体消减,故球在分裂后期同样要进行染色体消减,故4细胞期唯有最植物极那个细胞才具有完细胞期唯有最植物极那个细胞才具有完整的染色体组。整的染色体组。经过经过4次卵裂形成次卵裂形成16个细胞后,其中仅个细胞后,其中仅2个个细胞保持细胞保持4条染色体完整,将成为生殖干条染色体完整,将成为生殖干细胞;其余细胞均含有消减染色体,便成细胞;其余细胞均含有消减染色体,便成为建立者细胞,朝体细胞的方向分化发育。为建立者细胞,朝体细胞的方向分化发育。极质、极粒与生殖细胞决定极质、极粒与生殖细胞决定昆虫卵子后端的极细胞质与生殖细胞决定昆虫卵子后端的极细胞质与生殖
11、细胞决定相关的现象最早由相关的现象最早由Hegner(1911)报道,他发报道,他发现极细胞形成之前,若现极细胞形成之前,若除去或毁坏甲虫卵除去或毁坏甲虫卵的极细胞质区的极细胞质区,胚胎发育就不能形成生殖,胚胎发育就不能形成生殖细胞而导致细胞而导致成虫不育成虫不育。Geigy(1931)证明,用证明,用UV照射果蝇卵的极细照射果蝇卵的极细胞质则产生不育的果蝇。胞质则产生不育的果蝇。Okada和同事和同事(1974)将供体正常的未经辐将供体正常的未经辐射的极质注射到辐射过的受体卵的后端,射的极质注射到辐射过的受体卵的后端,结果能挽救果蝇的不育性。该项研究还表结果能挽救果蝇的不育性。该项研究还表明
12、,极质以其内含有颗粒状结构为特征,明,极质以其内含有颗粒状结构为特征,这些颗粒称为这些颗粒称为极粒极粒或或P颗粒颗粒(Polar granules),而其它部位的细胞质则没有极,而其它部位的细胞质则没有极粒,也不具有逆转其不育性的功能。粒,也不具有逆转其不育性的功能。由此可见,极质内的由此可见,极质内的P颗粒直接与生殖细颗粒直接与生殖细胞决定相关联。胞决定相关联。关于极质的研究,近期主要集中于果蝇。关于极质的研究,近期主要集中于果蝇。果蝇的原始生殖细胞称为果蝇的原始生殖细胞称为极细胞极细胞(Pole cell),由数个细胞核迁移至卵后端极质内然后,由数个细胞核迁移至卵后端极质内然后细胞化而成,
13、是胚胎中最早分化形成的细细胞化而成,是胚胎中最早分化形成的细胞。这些极细胞形成时,将极质内的极粒胞。这些极细胞形成时,将极质内的极粒包裹于内。包裹于内。极粒含蛋白质和极粒含蛋白质和RNA,包括,包括生殖细胞决定生殖细胞决定因子因子。这些决定因子是。这些决定因子是母体效应基因的产母体效应基因的产物物,如,如oskar基因的表达产物基因的表达产物OSKAR蛋白蛋白等。等。若将若将OSKAR注射到卵子前端下方,可诱导注射到卵子前端下方,可诱导极细胞在胚前端极细胞在胚前端异位发生异位发生(Ectopic),但前,但前端产生的极细胞不能进入生殖腺。端产生的极细胞不能进入生殖腺。由此可见,由此可见,合胞期
14、的胚核是全能的合胞期的胚核是全能的,能分,能分化成任何类型的细胞。达到后极的无论是化成任何类型的细胞。达到后极的无论是哪些核,都是最早形成的细胞,并与极质哪些核,都是最早形成的细胞,并与极质相结合变成配子的前体。相结合变成配子的前体。果蝇极质的成份之一是果蝇极质的成份之一是无生殖细胞基因无生殖细胞基因(germ cell-less,gcl)的的mRNA。野生型野生型gcl基因在成蝇卵巢中的滋养细胞内转录,基因在成蝇卵巢中的滋养细胞内转录,其其mRNA被输送进卵子的最后部,成为极质的一被输送进卵子的最后部,成为极质的一部分部分,并于卵裂早期翻译成蛋白质。相反,纯合并于卵裂早期翻译成蛋白质。相反,
15、纯合突变突变蝇蝇(gcl-gcl-)所产的卵子和胚胎中则检测不所产的卵子和胚胎中则检测不到该基因的产物。到该基因的产物。跟踪观察表明,跟踪观察表明,gcl编码的蛋白质编码的蛋白质进入了细胞核进入了细胞核内,内,它对于极细胞的产生至为关键。当把它对于极细胞的产生至为关键。当把gcl信使的信使的反义反义RNA导入胚内时,同样会失去产生生殖细胞导入胚内时,同样会失去产生生殖细胞的能力。的能力。2.1.1.4 2.1.1.4 极粒的主要成分与母体效应基因极粒的主要成分与母体效应基因极质成份的第二组候选者是极质成份的第二组候选者是oskar和和nanos等等基因的产物,其中基因的产物,其中OSKAR蛋白
16、最关键,因蛋白最关键,因为将为将oskar mRNA注射到胚胎的其它部位就注射到胚胎的其它部位就会导致该区域的细胞核形成异位的原始生会导致该区域的细胞核形成异位的原始生殖细胞。殖细胞。OSKAR还与生殖细胞产生的还与生殖细胞产生的数量数量有关,如有关,如果卵母细胞内的果卵母细胞内的oskar mRNA增加就会形成增加就会形成更多的生殖细胞更多的生殖细胞(Ephrussi and Lehmann 1992)。OSKAR通过促成生殖细胞形成所必须的蛋通过促成生殖细胞形成所必须的蛋白质和白质和RNAs的的定位定位而发挥作用,而发挥作用,nanos mRNA是受其作用的是受其作用的RNA之一。之一。N
17、ANOS是果蝇腹节形成所必需的,同时也是果蝇腹节形成所必需的,同时也是生殖细胞形成所必需的。没有是生殖细胞形成所必需的。没有NANOS的的极细胞不能极细胞不能迁移迁移进生殖腺,因而不能变成进生殖腺,因而不能变成配子。配子。第三个候选者是线粒体的第三个候选者是线粒体的核糖体核糖体RNA(Mitochondrial ribosomal RNA,mtrRNA)。应用辐射检测系统,应用辐射检测系统,Kobayashi和和Okada(1989)证明,证明,向被向被UV照射过的胚胎照射过的胚胎导入导入mtrRNA可以恢复该胚胎形成极细胞的可以恢复该胚胎形成极细胞的能力能力。在正常卵子内,在正常卵子内,mt
18、rRNA仅位于卵裂期胚胎仅位于卵裂期胚胎极质内线粒体的外侧,以极质内线粒体的外侧,以极粒的成分出现极粒的成分出现。mtrRNA与与介导介导极细胞的形成有关,但后来极细胞的形成有关,但后来并没有进入极细胞内。并没有进入极细胞内。第四种极质成分是极粒组成部分但第四种极质成分是极粒组成部分但不翻译的一种不翻译的一种RNA(Polar granule component,pgc)。虽然。虽然pgc的确切功的确切功能尚不清楚,但其反义能尚不清楚,但其反义DNA的转基的转基因果蝇的因果蝇的极细胞不能迁进卵巢极细胞不能迁进卵巢(Nakamura et al.,1996),可能与原,可能与原始生殖细胞向生殖嵴
19、始生殖细胞向生殖嵴迁移迁移有关。有关。是什么指引是什么指引gcl mRNA、nanos mRNA和和mtrRNA等成分定位到卵子的后端呢?至等成分定位到卵子的后端呢?至少还发现另外有少还发现另外有6个基因发挥了作用,它个基因发挥了作用,它们的突变体不能形成生殖细胞,而且也很们的突变体不能形成生殖细胞,而且也很少形成腹节。少形成腹节。这些突变基因是这些突变基因是cappucino,spire,staufen,vasa,valois和和tuder。所有这些基因活跃于。所有这些基因活跃于卵巢并将其产物输送到生长着的卵母细胞卵巢并将其产物输送到生长着的卵母细胞内。内。极粒的极粒的装配由装配由oskar
20、 信使组织信使组织,该,该mRNA的的数量和位置决定极细胞的数量和位置。来数量和位置决定极细胞的数量和位置。来自仅有自仅有1份份oskar拷贝的果蝇胚胎在细胞囊胚拷贝的果蝇胚胎在细胞囊胚期产生期产生10-15个极细胞,而双份拷贝的果蝇个极细胞,而双份拷贝的果蝇胚胎则可产生约胚胎则可产生约35个极细胞,个极细胞,4拷贝就会形拷贝就会形成约成约50个极细胞。个极细胞。Ephrussi和和Lehmann(1992)还证明,还证明,生殖细生殖细胞将在胞将在oskar mRNA定位的任何地方形成定位的任何地方形成。如果将如果将oskar mRNA移至胚胎的前端,极质移至胚胎的前端,极质及原始生殖细胞将在
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