第十四章 细胞分化 CELL DIFFERENTIATION
在个体发育(ontogeny)中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化(differentiation)。细胞分 化不仅发生在胚胎发育中，而是在一生都进行着，以补充衰老和死亡的细胞，如：多能造血干细胞分化为不同血细胞的细胞 分化过程。 个体发育是指一个新个体从产生到死亡的全部历程。对两性生殖的生物来说，新个体始于两性配子（精子和卵子）的结 合一受精(fertilization)。卵子受精后启动发育程序，形成一个新个体的过程叫做胚胎发育(embryogenesis)。胚胎发 育包括受精、卵裂(cleavage)、原肠胚形成(gastrulation)、神经胚形成(neurulation)、器官形成(organogenesis) 等几个主要的发育阶段，许多动物还必须经过胚后发育阶段一变态(metamorphosis),才能发育为成体。 第一节受精与胚胎发育 一、精子和卵的结构 在动物中精母细胞通过减数分裂后形成四个精细胞[1]，精细胞经过精子形成(spermiogenesis)的变态发育过程，排 除大部分细胞质，内部发生一系列变化，成为精子。成熟的精子(spermatozoon)形似蝌蚪，分头、尾两部（图14-1）。头内 有一个高度浓缩的细胞核，核的前23有顶体覆盖（图14-2）。顶体实质上是一个很大的溶酶体，内含多种水解酶，如顶体 蛋白酶、透明质酸酶、酸性磷酸酶等。在受精时，精子释放顶体酶消化卵子外面的结构，进入卵内。精于尾部又称鞭毛 (flagellum),是精于的运动装置。尾部可分为颈段、中段、主段和末段四部分。颈段很短，其内有两个相互垂直的中心粒。 其他三段内的主要结构是由中心粒发出的轴丝，由9+2排列的微管组成。中段短，在轴丝外包有线粒体鞘，为鞭毛的运动提 供能量。主段长，没有线粒体鞘，代之以纤维鞘。末段短，仅有轴丝。个别动物如介壳虫的精子没有鞭毛
在个体发育（ontogeny）中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化（differentiation）。细胞分 化不仅发生在胚胎发育中，而是在一生都进行着，以补充衰老和死亡的细胞，如：多能造血干细胞分化为不同血细胞的细胞 分化过程。 个体发育是指一个新个体从产生到死亡的全部历程。对两性生殖的生物来说，新个体始于两性配子（精子和卵子）的结 合——受精（fertilization）。卵子受精后启动发育程序，形成一个新个体的过程叫做胚胎发育（embryogenesis）。胚胎发 育包括受精、卵裂（cleavage）、原肠胚形成（gastrulation）、神经胚形成（neurulation）、器官形成（organogenesis） 等几个主要的发育阶段，许多动物还必须经过胚后发育阶段——变态（metamorphosis），才能发育为成体。 第一节 受精与胚胎发育 一、精子和卵的结构 在动物中精母细胞通过减数分裂后形成四个精细胞[1]，精细胞经过精子形成（spermiogenesis）的变态发育过程，排 除大部分细胞质，内部发生一系列变化，成为精子。成熟的精子(spermatozoon)形似蝌蚪，分头、尾两部（图 14-1）。头内 有一个高度浓缩的细胞核，核的前 2/3 有顶体覆盖（图 14-2）。顶体实质上是一个很大的溶酶体，内含多种水解酶，如顶体 蛋白酶、透明质酸酶、酸性磷酸酶等。在受精时，精子释放顶体酶消化卵子外面的结构，进入卵内。精于尾部又称鞭毛 (flagellum)，是精于的运动装置。尾部可分为颈段、中段、主段和末段四部分。颈段很短，其内有两个相互垂直的中心粒。 其他三段内的主要结构是由中心粒发出的轴丝，由 9+2 排列的微管组成。中段短，在轴丝外包有线粒体鞘，为鞭毛的运动提 供能量。主段长，没有线粒体鞘，代之以纤维鞘。末段短，仅有轴丝。个别动物如介壳虫的精子没有鞭毛
End piece n Tail Axoneme Mitochondria Mid- Centriole. piece Neck Nucleus Plasma Sperm membrane head Acrosomal vesicle 图14-1精子的结构模式图 N AS AS by Cella N 2 图14-2绍鸭精子头部的纵切（左）和横切（右）A:顶体；AS:顶体突起；N:细胞核
图 14-1 精子的结构模式图 图 14-2 绍鸭精子头部的纵切（左）和横切（右）A：顶体；AS：顶体突起；N：细胞核
大多数动物的卵是一个大型的单个细胞，贮存有大量的营养供胚胎发育所用。卵的直径在人和海胆中约为0.1m,鱼 类和两栖类中约为1-2m,鸟类中可以达到几厘米甚至十几厘米。卵的细胞质中富含蛋白质、脂类和多糖的营养成分称为 卵黄(yk),它们通常存在于卵黄颗粒中，有的种类中卵黄颗粒外还有膜包围。在体外孵化的种类中卵黄的体积可达卵的 95%以上。 卵的外面具有外被(cot)，其成分主要是糖蛋白，是由卵细胞或其它细胞分泌的。在哺乳动物中这种外被叫做透明带 (zona pellucida),其作用是保护卵子，阻止异种精子进入。许多卵的透明带下面（皮质部，cortex)还有一层分泌性的囊 泡，称为皮层颗粒(cortical granules),受精时以外排的方式释放皮层颗粒能引起透明带结构变化，形成受精膜，阻止其它 精子进入。 卵细胞实际上是停留在第一次或第二次减数分裂阶段的卵母细胞，直到受精以后，才完成减数分裂，并释放极体。人类 从卵巢排出的卵子处于第二次成熟分裂的中期，在受精时才完成第二次分裂。若未受精，则于排卵后12-24小时退化。 二、受精 受精包括精子的获能(capacitation)、顶体反应(acrosome reaction)、皮层反应(cortical reaction)、原核形成和 融合等过程（图14-3）。 刚排出的精子虽有运动能力，但不能穿过卵子的放射冠和透明带，只有接受雌性生殖道的分泌物（获能因子），才具有 受精能力，这种作用称为精子获能。在体外条件下，血清白蛋白(serum albumin)、高密脂蛋白(high-density lipoproteins)、氨基聚糖(glycosaminoglycans)、孕酮、钙离子载体(A23187)、ZP3、CO2等均可促进精子获能。获 能后精子表面阻止受精的附睾蛋白和精浆蛋白被除去或改变，质膜胆固醇流失，与卵子结合的受体暴露。获能期间，钙通道 被激活、耗氧量和糖酵解明显增加，pH升高，腺苷酸环化酶激活，导致胞内CAMP含量升高，蛋白激酶A活化，精子活力 增加，顶体酶原转化为有活性的顶体酶
大多数动物的卵是一个大型的单个细胞，贮存有大量的营养供胚胎发育所用。卵的直径在人和海胆中约为 0.1mm，鱼 类和两栖类中约为 1-2mm，鸟类中可以达到几厘米甚至十几厘米。卵的细胞质中富含蛋白质、脂类和多糖的营养成分称为 卵黄（yolk），它们通常存在于卵黄颗粒中，有的种类中卵黄颗粒外还有膜包围。在体外孵化的种类中卵黄的体积可达卵的 95%以上。 卵的外面具有外被（coat），其成分主要是糖蛋白，是由卵细胞或其它细胞分泌的。在哺乳动物中这种外被叫做透明带 （zona pellucida），其作用是保护卵子，阻止异种精子进入。许多卵的透明带下面（皮质部，cortex）还有一层分泌性的囊 泡，称为皮层颗粒（cortical granules），受精时以外排的方式释放皮层颗粒能引起透明带结构变化，形成受精膜，阻止其它 精子进入。 卵细胞实际上是停留在第一次或第二次减数分裂阶段的卵母细胞，直到受精以后，才完成减数分裂，并释放极体。人类 从卵巢排出的卵子处于第二次成熟分裂的中期，在受精时才完成第二次分裂。若未受精，则于排卵后 12-24 小时退化。 二、受精 受精包括精子的获能（capacitation）、顶体反应（acrosome reaction）、皮层反应（cortical reaction）、原核形成和 融合等过程（图 14-3）。 刚排出的精子虽有运动能力，但不能穿过卵子的放射冠和透明带，只有接受雌性生殖道的分泌物（获能因子），才具有 受精能力，这种作用称为精子获能。在体外条件下，血清白蛋白（serum albumin）、高密脂蛋白（high-density lipoproteins）、氨基聚糖（glycosaminoglycans）、孕酮、钙离子载体（A23187）、ZP3、CO2等均可促进精子获能。获 能后精子表面阻止受精的附睾蛋白和精浆蛋白被除去或改变，质膜胆固醇流失，与卵子结合的受体暴露。获能期间，钙通道 被激活、耗氧量和糖酵解明显增加，pH 升高，腺苷酸环化酶激活，导致胞内 cAMP 含量升高，蛋白激酶 A 活化，精子活力 增加，顶体酶原转化为有活性的顶体酶
Cumulus cell Capacitation Meiotic spindle ECM Perivitelline space PB1 Zona Pelluclda 图14-3受精的早期事件引自Janice P.Evans2002 获能的精子首先借助头后部（顶体后区）质膜PH-20的透明质酸酶活性穿过卵母细胞外卵丘细胞层，到达透明带，然 后精子通过头前部（顶体区）质膜表面的ZP结合蛋白与卵母细胞透明带发生识别，完成结合过程，诱发顶体反应，即：顶 体以外排的方式释放出水解酶，将卵子的透明带和卵黄膜溶解，形成精子穿过的通道。在海胆中此时精子的前端在微丝的作 用下还会形成顶体突起（哺乳动物不具有）。 精子进入卵子后，导致卵膜去极化，动作电位由受精点传至膜表面，使精子受体失活。在精子接触点上，磷脂酰肌醇信 号途径启动，产生DAG和IP3。DAG激活蛋白激酶C,启动DNA的复制。IP3导致内质网中的钙离子释放，钙浓度呈有规 律的跃迁，称为钙波。钙信号进而引起皮层反应，即：卵细胞膜下的皮层颗粒（内含酶类的囊泡），以外排的方式，进入卵 黄膜和卵膜之间的腔隙，酶类引起透明带“硬化”，形成受精膜
图 14-3 受精的早期事件 引自 Janice P. Evans 2002 获能的精子首先借助头后部（顶体后区）质膜 PH-20 的透明质酸酶活性穿过卵母细胞外卵丘细胞层，到达透明带，然 后精子通过头前部（顶体区）质膜表面的 ZP 结合蛋白与卵母细胞透明带发生识别，完成结合过程，诱发顶体反应，即：顶 体以外排的方式释放出水解酶，将卵子的透明带和卵黄膜溶解，形成精子穿过的通道。在海胆中此时精子的前端在微丝的作 用下还会形成顶体突起（哺乳动物不具有）。 精子进入卵子后，导致卵膜去极化，动作电位由受精点传至膜表面，使精子受体失活。在精子接触点上，磷脂酰肌醇信 号途径启动，产生 DAG 和 IP3。DAG 激活蛋白激酶 C，启动 DNA 的复制。IP3 导致内质网中的钙离子释放，钙浓度呈有规 律的跃迁，称为钙波。钙信号进而引起皮层反应，即：卵细胞膜下的皮层颗粒（内含酶类的囊泡），以外排的方式，进入卵 黄膜和卵膜之间的腔隙，酶类引起透明带“硬化”，形成受精膜