第二章 遗传的细胞基础

 

  自从1665年英国学者Robert Hooke发现细胞以来,人们已经认识到,除病毒、噬菌体这类最简单的生物以外,一切有机体均由细胞组成。由细胞构成各种组织,组织构成器官,器官再形成各系统,在神经和体液的调节下,完成各种生理功能,成为一个统一的有机体。生命活动也是在细胞中进行的,机体的生长、发育、繁殖、遗传与变异、进化等均以细胞为基础。所以细胞是生物体结构和功能的基本单位,人体同样如此。

  遗传与变异是通过生物和人的繁殖、生长、发育过程完成的,该过程是以细胞的自我分裂增殖为基础的。因此,了解遗传物质,了解细胞在遗传物质传递中所起的作用,对研究人类的遗传与变异十分必要。

 

第一节 染色体

 

  染色体(chromosome)是遗传物质的载体,上面载有人体所有性状的遗传密码,控制着人体的生长、发育、生殖等一切活动。

  染色体是1848年Hofmeister(1824—1877年)在研究紫鸭跖草花粉时首先发现的。它位于细胞的细胞核中,由于较易着色,染色很深,所以1888年将它定名为染色体。每种生物的染色体其形态、结构、数目都是恒定的,并且稳定地保持在相传的各代中。

 

一、染色体的形态特征

 

  染色体只有在细胞分裂时才可在显微镜下清晰地看到它是由染色质(chromatin)高度凝聚而成的棒状小体。在细胞分裂结束后,染色体又松散成为不易观察到的染色质。所以染色体和染色质是同一物质在细胞周期的不同阶段的不同表现形式。染色质是细胞间期核内伸展开的纤维;染色体是细胞分裂期由染色质高度螺旋化、盘绕折叠形成的棒状小体。

  由于细胞分裂时染色体浓缩得最短、最粗,看得最清楚,特别是细胞分裂时的中期,这种形态最为典型和明显,所以通常人们都以这个时期的染色体进行形态观察和研究。

  染色体的形态在光镜下呈棒状,每条染色体由两条染色单体(chromatid)组成,这两条染色单体互称为姊妹染色单体(sisterchromatid)。两姊妹染色单体在着丝粒(centromere)处相连。由于着丝粒区浅染内缢,也称主缢痕(primary constriction)。着丝粒将染色体分为两条臂:短臂(p)和长臂(q)。有些染色体除主缢痕外,还有另一浅染内缢区称次缢痕(secondary constriction)。次缢痕与核仁形成有关,故又称为核仁组织者(uncleo organizer),简称NOR。有的染色体在其一端,能见到借次缢痕相连的球形小体称随体(satellite)(图2-1)。

 

  根据着丝粒位置的不同,可将染色体分为四种类型:

  (一)中央着丝粒(metacentric)染色体

  着丝粒的位置在染色体的中央或近中央,染色体两臂几乎等长。

  (二)亚中着丝粒(submetacentric)染色体

  着丝粒的位置略偏于中央,将染色体分成长短不同的两臂。

  (三)近端着丝粒(aerocentric)染色体

  着丝粒位于染色体的一端,染色体短臂极小,有的短臂末端连接随体。

  (四)端着丝粒(telocentric)染色体

  着丝粒在一端,只有一臂。有人认为此类染色体实为在着丝粒处横断后造成的。人类没有真正的端着丝粒染色体。

  着丝粒是细胞有丝分裂时纺锤丝附着处,分裂后期纺锤丝牵拉染色体向两极移动时,由于着力点不同,各类染色体呈现不同的形态。如中央着丝粒染色体呈V形,亚中着丝粒染色体呈L形,近端着丝粒染色体为J形,而端着丝粒染色体呈棒状。每种生物其染色体的形态是固定的,这可作为识别染色体的标志。

 

二、染色体的数目、核型及分组

 

  不同种类的生物其染色体数目不同,但同种生物其染色体的数目是相同的,而且是一代一代固定不变的。例如,狗的染色体数目是78条、马是64条、兔的是44条……。染色体数目的多少并不能反映出物种进化的程度,例如:已发现的染色体数目最多的是生长在美国的一种蕨类植物,其染色体数有1260条,而人是最高等生物,染色体数只有46条。多数高等生物的染色体数都是二倍体(diploid),每一体细胞中有两组同样的染色体,染色体都是成对存在的。但配子细胞中只有一组染色体,染色体成单存在,称单倍体(hoploid),用n表示。雌雄配子结合后,又恢复了二倍体,用2n表示。

  人类体细胞染色体数为46条(2n=46),称二倍体。成熟的生殖细胞染色体数为体细胞的一半(n=23),称单倍体。精卵结合,受精卵又成为46条,为二倍体,其中由精细胞带来的来自父方的23条,由卵细胞带来的来自母方的23条,每一条都有相应的一条与之配对,共组成23对,每一对染色体其形态、大小、结构基本相同。我们称形态、大小相同,结构相似,一条来自父本、一条来自母本的两条染色体为同源染色体(homologous chromo-some)。那么人就有23对同源染色体(女人)。

  一个体细胞的全部染色体按照一定顺序排列起来所构成的图象称核型(kargotype)。它包括染色体的数目、形态特征的全貌。通常可通过显微镜的观察、显微摄影、剪贴、配对,将一个体细胞中的全部染色体按一定方式排列起来构成核型(图22)。

  1960年,第一届国际染色体会议上确立了丹佛(denver)体制。丹佛会议规定了两条原则对染色体进行排列:一是染色体的大小;二是着丝粒的位置。根据大小将人类染色体顺次由1号编到22号,并分为ABCDEFG7个组。按照大小,将XY染色体分别归入C组和D组。

  各组染色体的特征分别为:

 

  A组——13三对染色体,容易辨识。第一号最大,有中央着丝粒,长臂近端有时有次缢痕;第2号有亚中着丝粒;第3号略小,有中央着丝粒。

  B组——45二对染色体,都较大,而且都具有亚中着丝粒,短臂较短,彼此不易区分。

  C组——612七对及X染色体,中等大小,都具有亚中着丝粒,彼此间不易区分。以下几个特征有助于识别本组中的各对染色体:(19号长臂上有时有次缢痕;(2)第67811号的短臂较长,而第91012号的短臂较短;(3X染色体的大小介于第6号和第7号之间。

  女性的体细胞中有两条X染色体,所以C组染色体一共有16条(8对);男性则只有一条X染色体,所以C组染色体一共有15条(7对半)。

  D组——1315三对染色体,都是中等大小,而且都具有近端着丝粒,短臂末端都可能有随体,所以彼此间不易区分。

  E组——1618三对染色体,第16号有中央着丝粒,长臂上有时有次缢痕,容易识别;第17号和18号都具有亚中着丝粒,但是第18号的短臂较短,所以也可以区分出来。

  F组——1920二对染色体,体积小,而且都具有中央着丝粒,所以彼此间不易区分。

  G组——2122二对和Y染色体,这是核型中最小的染色体,有近端着丝粒,第2122对长臂的两条染色单体常呈分叉状,短臂末端可能有随体;Y染色体只存在于男性的体细胞中,体积略大,短臂末端无随体,长臂的两条染色单体常常平行伸展,有时有次缢痕。

  以上形态特征可作为识别鉴定人类染色体的标准。但是,利用一般的染色体技术,根据染色体的形态特征,只能准确地识别123161718号,有时也可识别Y染色体,但却不能有把握地识别其它大多数染色体。20世纪70年代初,染色体显带技术的出现是细胞遗传学发展的又一里程碑。瑞典细胞化学家Caspersson及其同事应用荧光染料氮芥喹吖因处理染色体标本,使其呈现出宽窄和亮度不同的辉纹,即Q带。并且,各条染色体有其独特的带型,藉助于带型可以清楚的鉴别人类的每一条染色体。因此,显带技术不仅解决了染色体的识别问题,而且,由于在染色体上能区别许多区和带,还为深入研究染色体的异常及基因定位创造了条件。后来人们用各种显带方法又发现了G带、R带、C带、T带、N带等。20世纪70年代后期,由于细胞同步化方法的应用和显带技术的改进, 人们又得到了更长、带纹更加丰富的染色体,称为高分辨显带。染色体高分辨带型也称亚带,它能为染色体畸变提供更多的细节,有助于发现更多细微的染色体异常, 使染色体的定位更加准确。

  要具体表示某条染色体的某个部位, 可写为:例如,2q14.3表示2号染色体长臂143亚带(图23)。

 

 

三、染色体的化学组成、超微结构及功能

 

  (一)染色体的化学组成

  人类染色体的化学物质组成中有DNA、组蛋白(histone)、非组蛋白(nonhistone)和RNADNA和组蛋白的份量大致相等,两者结合在一起构成染色体的大部分,非组蛋白的比率有变化,RNA含量很低。染色体的化学组成和比率可用下列图示表示(括号里的数字表示各成份的相对份量)。

 

  以正常人的淋巴细胞作为人的二倍体细胞在G期的例子同样得到下面的数值,DNA的量是淋巴细胞核物质量的15%,组蛋白也是15%,其余70%则为非组蛋白、核膜、核仁和其他与染色质联结的RNA

  DNA在染色体中的作用,主要是它含有遗传密码。通常所说的染色体上贮存着遗传信息,实际上就是DNA的作用。DNA分子中的碱基排序就是遗传密码,控制着生物体的所有性状。1953年,WatsonCrick提出了DNA分子的物理和化学模型。其模型为DNA是由两条多核苷酸链组成,两条链平行的围绕着一个中心轴盘绕。一条链上的碱基与另一条链上的碱基通过氢键配对连接在一起,两条链是互补的,称为姊妹链。关于DNA的结构下一章将详细描述。

  组蛋白在染色体中起一个基本结构作用。如果从染色体中移掉组蛋白,DNA也从复合物中散开了。组蛋白是碱性蛋白,可以分离和证明的有五种不同的组蛋白,H1H2AH2BH3H4。这五种主要组蛋白的氨基酸序列已经被测定,在真核生物中,五种组蛋白的氨基酸序列都是十分相似的,在进化上是高度保守的。以小牛胸腺组蛋白为例可见表21

 

  引自Peter J.Russsell1986

  非组蛋白在染色体的物理结构方面也起重要的决定作用,有些非组蛋白还对基因的表达起调控作用。近来还发现,在大部分非组蛋白中,有部分是可以收缩性的蛋白和结构蛋白。这些非组蛋白由肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白组成。这就提示染色质的多种运动——如向核膜移动、向核仁移动、染色体的浓缩和它们的有丝分裂与减数分裂运动等,多少都与收缩蛋白的存在有关。细胞核许多已知的酶类,绝大部分也是非组蛋白。非组蛋白是酸性蛋白,不同的细胞非组蛋白的数量及类型明显不同。目前只有很少的被纯化。直到今天,非组蛋白与核小体的准确连接仍未明确。

  (二)染色体的超微结构

  1.核小体(nucleosome 核小体是20世纪70年代被发现的。核小体是染色体的基本结构单位,染色体就是由若干重复单位的核小体组成。

  一个核小体分为颗粒部和连接部两个部分。它们由一套组蛋白分子和大约200个碱基对的DNA组成直径大约为712.5nm的盘状或球形小体。组蛋白是H2AH2BH3H4,每种各两个,共8个被折叠成球形的8聚体。8聚体的外面缠绕着大约140个碱基对的DNADNA在其外周绕的1.75圈,这就是颗粒部,其直径约11nm。连接部是指颗粒部DNA的延伸部分,大约60个碱基对,以此与邻近的颗粒部相连。另一种组蛋白H1,在两个核小体之间起稳固作用,一般每个核小体只有一个H1分子(图24)。

 

  真核细胞中的全部染色体DNA可能都以核小体的形式包装。其主要证据是:一是在染色质的电镜照片中,可以看到许多颗粒链状物;二是生化和X射线衍射研究揭示,染色质是一种重复单位。

  2.螺线体(solenoid 核小体链呈螺旋形缠绕,并形成超微螺旋,称为螺线体。

  核小体链每6个核小体绕一圈,这样反复盘绕,形成一个中空的管状结构,即为螺线体。螺线体的直径约为30nm,内径10nm,由于螺线体的每一周螺旋含有6个核小体,所以螺线体的长度压缩为原先核小体链的1/6。如果将核小体作为染色体的一级结构,那么这种螺线体就是染色体的二级结构。

  3.超螺线体(super solenoid 螺线体进一步螺旋化,形成一条直径为0.4μm的圆管,人们把这种圆管状结构称为超螺线体。超螺线体的长度又压缩到原来螺线体长度的1/40。超螺线体是染色体的三级结构。

  4.染色体 超螺线体再进一步折叠,盘绕就形成了染色体(实际上是染色单体)。染色体又比原来的超螺线体缩短了5倍。染色体是在光镜下能看到的四级结构。下图表示了从DNA到染色体长度的压缩过程及染色体的四级结构(图25)。

 

  人类的46条染色体虽然长短不一,但平均长度仅数微米。而构成每条染色体的DNA分子的平均长度约有数厘米长,总长度可达1.7m。这么长的DNA分子无法容纳在细胞核中,所以 DNA分子经过多级的卷曲、折叠,形成了长度仅有原先的1/100左右、总的压缩程度为1/8400的染色体,而存在细胞核中。几个水平的包装使得原来几厘米长的染色体能够装进直径只有几微米长的核中,染色体结构的不同水平见图26

 

  (三)染色体的功能

  染色体是遗传物质的载体,它决定着生物体的所有性状,控制着生物的生长、发育、生殖等一切活动。现代遗传学证明:染色体上的遗传物质主要是DNADNA分子上的具有遗传效应的一定区段称为基因。实际上基因是DNA分子中的能够行使遗传功能的一段核苷酸序列。一条DNA分子载有许多基因,每个基因可决定某个性状,每个基因都是界限分明的基本遗传单位。所以染色体的功能就是靠基因控制完成的,基因是染色体的功能单位,染色体是基因的载体。

 

第二节 细胞周期

 

  细胞是靠分裂而增殖的。精卵结合而成的受精卵只是一个细胞,这个细胞经分裂形成两个,两个分成四个,最后分裂成为具有亿万细胞的个体。细胞分裂的关键就是将复制的遗传物质的载体——染色体平均地分配到两个子细胞中。细胞从第一次分裂结束开始到下一次分裂结束为止,所经历的全过程称为细胞周期(cell cycle)。细胞周期包括两个阶段:间期和分裂期(图27)。

 

  间期分为三个时期:G1期,又称DNA合成前期。为DNA合成进行物质准备。例如,合成所需的酶类等。S期,又称DNA合成期。DNAS期进行复制,细胞中的DNA量增加1倍。G2期,又称DNA合成后期。为细胞分裂作准备,合成RNA和蛋白质。

   分裂期也称M期,在分裂期将间期加倍的染色体平均地分配到两个子细胞中去。细胞分裂的方式分有丝分裂和减数分裂两种。

 

一、有丝分裂

 

  有丝分裂(mitosis)是真核细胞普遍进行的一种细胞分裂方式,发生在生物的生长、更新时期。有丝分裂是一个连续的动态变化过程,根据核分裂的变化特点,人为地将它分为四个时期(图28)。

 

  (一)前期(prophase

  间期核内的染色质细丝开始螺旋化,逐渐缩短,变粗,形成染色体。此期可见每一染色体由两条染色单体组成,两者在着丝粒处相连。中心粒向两端移动,形成纺锤体。核膜、核仁逐渐消失。

  (二)中期(metaphase

  染色体浓缩的最短,最粗,此时最适于观察和研究染色体。染色体向细胞中央移动,形成赤道板。纺锤体细丝连于染色体着丝粒处。

  构成纺锤体的纺锤丝有两种:一种称为纺锤体牵引丝,连于染色体着丝粒;另一种称为连续丝,从一极直接伸展到另一极。

  (三)后期(anaphase

  中期每条染色体的着丝粒完成复制,并一分为二,此时,每条染色体的两条姊妹染色单体分开,各成为一条染色体,在纺锤丝的牵拉下,姊妹染色单体分别向两极移动。细胞质在赤道板处出现缢痕。

  (四)末期(telophase

  染色体分别移到两极,染色体解螺旋,伸长变细恢复成染色质。核膜、核仁重新出现,纺锤体消失,细胞质缢缩加深,分裂形成了两个子细胞。

  分裂过程结束后,子细胞有三种情况:

  1.进入G1期,开始下一周期的活动;

  2.永远失去分裂能力(如红细胞);

  3.子细胞进入静止状态,不能合成DNA,不进行分裂,但受到刺激后,开始新的细胞周期进行分裂(如肝细胞),这类细胞称G0期细胞。

  有丝分裂发生在生物的生长、更新期。生物个体的长大,是靠细胞体积的增大和细胞数目的增多实现的。成熟的生物体,组织也要不断的更新,细胞通过有丝分裂形成新细胞以代替那些衰老死亡的细胞。所以通常也将有丝分裂称为体细胞分裂。

  有丝分裂是染色体复制一次,细胞分裂一次,形成的子细胞,其染色体的数量和质量与原来母细胞的完全一致,从而保证了遗传物质的相对稳定。

二、减数分裂

 

  减数分裂(meiosis)是在生殖细胞的形成过程中发生的一种特殊方式的有丝分裂。在这个过程中,一个生殖母细胞要经过两次细胞分裂,而其中的染色体却只复制一次。因此,经过这种分裂所产生的生殖细胞其染色体的数目比原来的母细胞里的染色体数目减少了一半,所以称这种分裂为减数分裂。

  减数分裂包括两次连续的有丝分裂,一个二倍体(2n)的母细胞经两次连续分裂,形成四个单倍体(n)的配子。减数分裂的另一个特点是,第一次减数分裂的前期特别长,而且变化复杂,减数分裂的全过程如下(图29)。

 

  (一)第一次减数分裂

  1.前期(prophase)Ⅰ 时间长,形态变化复杂,分五个时期:

  1)细线期(leptotene):染色质浓缩呈细线状,互相交织呈网状,此时虽已复制成两条染色单体,但不易区分,其数目是成双的。中心体开始向两极移动。

  2)偶线期(zygotene):成对的同源染色体彼此靠拢配对,同源染色体从某点靠拢在一起称联会。2n个染色体经过联会而成n对染色体,各对染色体的对应部位相互紧密并列,在活动上仿佛一个单位。配对的同源染色体,称为二价体。一般此时出现多少个二价体,即表示有多少对同源染色体。

  3)粗线期(pachytene):同源染色体的配对和二价体的进一步螺旋化,这时在光学显微镜下可清楚地看到n个二价体。每个二价体由两条同源染色体组成,每一同源染色体由于在间期已经复制,又是由两条姊妹染色单体组成,所以二价体实际上包含四条染色单体,故又称四分体。同源染色体的染色单体之间互称为非姊妹染色单体(nonsister chromatid)。此期配对完毕。

  4)双线期(diplolene):二价体进一步螺旋化,缩短变粗。二价体的两条同源染色体开始排斥,互相分开,但有不少部位呈现相互连接的交叉现象。交叉发生在非姊妹染色单体之间,是进行物质交换的表现。交叉点一断裂,断裂处即可发生非姊妹染色体单体间片段的互换,产生遗传物质的重新组合。由于染色体的分开和收缩,交叉移向染色体的两端,称为交叉端化。

  5)终变期(diakinesis):染色体浓缩的更短、更粗,交叉端化继续进行。核膜、核仁开始消失,纺锤体开始形成。这个时期是观察染色体的最好时期。

  2.中期(melaphase 二价体排列在赤道板上,纺锤体形成,纺锤丝与着丝粒相连,二价体仍有交叉联系着。

  在人类中每个二价体的交叉数在15个之间,唯XY形成的二价体呈棒状。核膜、核仁消失。

  3.后期(anaphase 在纺锤丝的牵拉下配对的同源染色体彼此分开,分别向两极移动。二价体中哪条染色体移向哪一极,完全是随机的,这是后面讲到的孟德尔自由组合规律的基础。由于连接姊妹染色单体的着丝粒未分裂,因此每条染色体仍含有两条染色单体,称二分体。

  4.末期(telopase 染色体移向两极,解旋。核膜、核仁重建,胞质分裂,形成两个子细胞。每个子细胞只得到同源染色体中的一条,即二分体。但每条染色体均含有两条染色单体。所以两个单细胞的染色体数已减半为n,但染色体的量与复制前未变。

  (二)第二次减数分裂

  在第一次减数分裂后至进入第二次减数分裂前,有一个短暂的间期,此期没有染色体的复制。第二次减数分裂就其过程而言,相当于一次普通的有丝分裂,也分为四期。

  1.前期(prophase 解旋的染色体螺旋化,缩短变粗,每条染色体包含两条染色单体。核膜、核仁消失,出现纺锤体。

  2.中期(melaphase 染色体进一步缩短变粗,排列在细胞中央的赤道上,纺锤丝与每一染色体的着丝粒相连。

  3.后期(anaphase 在纺锤丝的牵拉下,着丝粒分裂,姊妹染色单体分别向两极移动。分开的姊妹染色单体称单分体。

  4.末期(telophase)Ⅱ染色单体到达两极,核仁、核膜重建,胞质从中线处变窄分裂成两个子细胞。每个细胞得到同源染色体中的一条单分体。

  这样一个性母细胞经过减数分裂后形成四个子细胞,每个子细胞的染色体数目是原性母细胞染色体数目的一半。

  减数分裂发生在配子的形成过程中,是生物体繁衍后代的方式。由于这种分裂是生殖细胞成熟过程中特有的,又称成熟分裂。它的特点是染色体复制一次,细胞连续分裂两次,形成的子细胞其染色体数目只有原来母细胞的一半。一个母细胞经减数分裂形成四个单倍体的配子,雌雄配子受精结合形成的受精卵又恢复了原来体细胞的染色体数目,生物体通过这种巧妙的方式保证了遗传物质的稳定。

  减数分裂过程中还发现同源染色体的配对,遗传物质的交换,非同源染色体间的自由组合,为后代的变异,新个体的形成,生物的进化提供了物质基础。

  以人类为例,在他(她)们的每个细胞中有23对染色体,通过减数分裂可使染色体减半,即每个精子或卵子各含有23条染色体。精子和卵子结合成的合子则含有46条染色体,从而保证了上下代间染色体数目的恒定性。而且通过减数分裂中同源染色体的分离,非同源染色体间的自由组合,将可形成223=8388608种类型的配子,这些精子与卵子的自由结合将可形成223×223=69 661 043 477 664种不同遗传类型的后代,这里还不包括由于同源染色体间有规律的互换而造成的更多新类型。这就是“一娘生九子,九子九个样”的细胞遗传基础。它为自然选择和生物进化提供了极其丰富的原始材料。

 

第三节 受精和胚胎发育

 

  男女个体性成熟后,生殖母细胞经减数分裂,男性产生精子,女性产生卵子,精卵结合形成受精卵。受精卵即是一个新生命的开始,受精卵经过一系列的胚胎发育再长成一个新个体。

  精子和卵子蕴藏着由父、母传来的遗传信息,所以由受精卵发育而成的新个体具有按父、母的遗传信息发育而成的遗传性状。人类正是在这种有性生殖中,一代一代地向下遗传,繁衍着子孙后代。

 

第三节 受精和胚胎发育

 

  男女个体性成熟后,生殖母细胞经减数分裂,男性产生精子,女性产生卵子,精卵结合形成受精卵。受精卵即是一个新生命的开始,受精卵经过一系列的胚胎发育再长成一个新个体。

  精子和卵子蕴藏着由父、母传来的遗传信息,所以由受精卵发育而成的新个体具有按父、母的遗传信息发育而成的遗传性状。人类正是在这种有性生殖中,一代一代地向下遗传,繁衍着子孙后代。

一、精子、卵子的形成

 

  男性产生的生殖细胞称精子(sperm),女性产生的生殖细胞称卵子(egg)。它们是高度特化的性细胞,是男女个体性成熟后,通过减数分裂生成的,所以仅含有体细胞染色体的半数,为单倍体(n)。精子、卵子一方面是父体和母体的产物,一方面是子体的来源。

  (一)精子的形成

  睾丸是男性产生精子的器官,精子是在睾丸的精曲小管中生成的。精曲小管上皮中的精原细胞(spermatogonium)是最幼稚的生精细胞。青春期以前,它是精曲小管内唯一可见的生殖细胞。青春期开始,精原细胞不断通过有丝分裂来增殖,部分细胞停止分裂吸收营养,体积增大,分化为初级精母细胞(primary spermatocyte)。初级精母细胞的染色体数目与体细胞一样,为二倍体(2n),核型为46XY。它是曲细精管中最大的生殖细胞。

  随后每个初级精母细胞进入减数分裂,经减数分裂Ⅰ,每个初级精母细胞形成两个次级精母细胞(secondary spermatocyte),每个次级精母细胞有23条染色体,为单倍体细胞(n),其体积为初级精母细胞的一半。这些次级精母细胞很快进行第二次减数分裂,每个形成两个精细胞(spermatid),其大小约为次级精母细胞的一半。所以,一个初级精母细胞经减数分裂形成了四个单倍体精细胞,其核型为23X23Y

  精细胞经变态,细胞由圆形逐渐分化,核变得极度浓缩,顶体逐渐形成,多余的细胞质丢失,变成轻装而灵活的蝌蚪形精子(图210)。

  男性性成熟后,精原细胞可不断增殖、生长、经减数分裂,变态后形成精子。精子数量很大,每次排精有34ml精液,达两亿多个精子,男性一生中产生的精子总数为1012,即一万亿个。

  (二)卵子的形成

  卵巢是女性产生卵子的器官,卵子是在卵巢皮质部发生的。

  卵细胞是由卵原细胞(oocyte)发育而来,胚胎在母体子宫内发育约第三个月时,胚胎的卵巢中卵原细胞开始进行细胞分裂,并生长增大,发育成初级卵母细胞(primary oocyte)。初级卵母细胞的染色体数目与体细胞一样,为二倍体(2n),核型为46XX。胎儿出生前,所有卵原细胞已发育成为初级卵母细胞。女性出生后,不再形成初级卵母细胞。

  青春期以前,卵巢中的初级卵母细胞一直是休止的,直到青春期,初级卵母细胞才能完成它的第一次减数分裂。初级卵母细胞细胞质的分裂是不均等的,分裂后其中之一几乎获得全部细胞质,体积大,称次级卵母细胞(secondary oocyte)。另一个称第一极体(first polar body)。次级卵母细胞和第一极体的染色体数减半,为单倍体(n)细胞。

 

  排卵时次级卵母细胞开始第二次减数分裂,并在输卵管中继续进行,但进行到细胞分裂的中期就停止,直到受精后,才完成第二次减数分裂,进入子宫。次级卵母细胞经第二次减数分裂,也形成大小不同的两个细胞,细胞质多,体积大的称为卵细胞(ovum),即成熟的卵子,另一个细胞是第二极体(secondary polarbody)。第一极体和第二极体是无功能细胞,不久就退化消失。因此,一个初级卵母细胞经减数分裂后形成一个成熟的卵细胞和三个极体,它们都为单倍体细胞,核型为23X(图211)。

  女性在婴儿期大约存在200万个初级卵母细胞。在儿童期大多数退化了。在青春期时(1314岁),只剩下4万个。在这些残留的初级卵母细胞中,只有400个左右达到完全成熟,排卵时排出,其余皆退化了,女性性成熟后每月一般只排一个卵。

 

二、受精

 

  精子与卵子结合成为受精卵的过程称受精(fertilization)。射出的精子虽然具有运动能力,但却不能穿越卵外放射冠与透明带。这是由于精子头的表面覆有一层来自精囊腺的糖蛋白,它能阻止顶体酶的释放。在精子从子宫到达输卵管的过程中,该层糖蛋白被女性生殖管道分泌的酶解除,从而获得受精能力,此现象称获能(capacitation)。获能的精子方能完成受精过程。受精大多发生在输卵管的壶腹部,于排卵后的12小时内完成。

  (一)受精过程

  获能的精子遇卵子后释放顶体酶,溶解放射冠、透明带,精子细胞膜与卵细胞膜融合,精子细胞质、细胞核进人卵内,精子头尾分离,头部旋转180°,核膜膨大变圆称为男(雄)性原核。精子穿入后,激发卵细胞进行第二次减数分裂,并迅速完成,新形成的细胞核称为女(雌)性原核。男、女性原核移至细胞中部,核膜消失,核物质融在一起,各提供23条染色体,形成二倍体的受精卵。

  精子穿入卵细胞后,立即引起透明带发生一系列变化,使另外精子不易穿过,这种现象称为透明带反应。此时卵细胞膜也发生一系列变化,形成阻止精子进入的卵膜屏障,因而人大多数是单核受精。

  (二)受精的遗传学意义

  1.受精作用使卵从代谢缓慢转入代谢旺盛状态,启动细胞不断地分裂。

  2.精子与卵子的结合,使受精卵成为二倍体细胞,保持物种的延续性。

  3.受精决定性别,带有Y染色体的精子与卵子结合,发育为男性,带有X染色体的精子与卵子结合则发育为女性。

  4.受精卵的染色体来自父母双方,而且生殖细胞在成熟分裂时曾发生染色体联会与交换,遗传物质重新组合,故新个体具有不同于亲代的性状。

三、胚胎发育

 

  精、卵结合形成了受精卵,即预示着一个新生命的开始。受精卵经过不断的细胞分裂和分化,历时266天才能在母体的子宫内长成一个新的个体。由受精卵长成胎儿经以下生长分化过程:

  (一)卵裂

  受精卵从输卵管向子宫方向的运行中,不断进行分裂的过程称为卵裂(cleavage)。卵裂产生的子细胞称卵裂球(blastomere)。随着卵裂球数目的增加,细胞越来越小,至第三天形成16个细胞时,形如桑椹称为桑椹胚(morula)(图2-11),桑椹胚继续进行细胞分裂,并由输卵管进入子宫腔。

 

  (二)胚泡

  约在受精后第4天,桑椹胚发育成胚泡或称囊胚(blastocgst),胚泡的壁由一层扁平细胞构成,称滋养层(tro-phoblast),中心的腔称囊胚腔(blastocoele),在胚泡一侧滋养层内面的一群细胞,称为内细胞群(inner cell mass)(图 2-12)。

  (三)植入

 

  胚泡与子宫内膜接触,逐渐埋入子宫内膜的过程称植入(im-plantation),或着床(nidation)。植入始于受精后第6~7天,至11~12天完成。胚泡植入时,内细胞群一侧的滋养层首先与子宫内膜接触,并分泌蛋白酶,分解子宫内膜组织,形成一个缺口。胚泡由此逐渐进入子宫内膜。当胚泡完全侵入子宫内膜后,由于子宫内膜的再生,将子宫内膜的缺口表面修补完整,于是胚泡就完全埋入子宫内膜(图2-13)。

  (四)两胚层胚盘的形成

  胚泡植入后,内细胞群继续增殖分化,逐渐形成一圆盘状结构,称胚盘(embryonic disc)。此时的胚盘由外、内两胚层组成。外胚层(ectoderm)是一层柱状细胞,内胚层(endoderm)为一层立方形细胞,两层细胞紧贴在一起(图2-13)。胚盘是胚胎发育的基础。

  在外胚层背面的滋养层细胞,分化出一层扁平细胞,称羊膜细胞,形成羊膜,羊膜与外胚层之间形成的腔称羊膜腔。内胚层周缘的细胞向腹侧生长,逐渐围成一个腔,称卵黄囊(图2-14)。

  (五)三胚层胚盘的形成

  在胚发育的第3周初,外胚层细胞迅速增殖并不断向胚泡尾

 

 

  侧中轴处迁移。在尾侧中轴线上形成一条增厚的细胞索,称原条(primitve streak)。原条出现后,胚盘可区分出头尾两端与左右两侧。原条的细胞进而向深部迁移,在内外胚层之间向左右两侧及头侧增殖扩展,遂于内外胚层之间形成另一层细胞,即中胚层(mesoderm)。与此同时,原条头端的细胞也陷向深面,并在内外胚层之间的中轴线上向头侧生长,形成一条脊索(notochord)。随着胚盘的发育,脊索继续增长,而原条则相对缩短,最后消失,此时的三胚层胚盘增大呈梨形。在脊索的头侧和原条的尾侧各有一个没有中胚层的圆形区。这两处的内外胚层直接相贴呈薄膜状,分别为口咽膜和泄殖腔膜(图2-14)。

 

  (六)胚体的形成

  胚胎早期是由三胚层形成的盘状胚。第3周由于胚盘头、尾和中轴部分生长较快而增厚,并向背部隆起,胚盘周缘生长较慢而向腹侧卷折,第4周盘状胚就形成圆筒状。由于神经管发育较快,第5周胚胎头、尾向腹侧弯曲而成C字形。经过上述变化过程,原来的盘状胚就形成了头、尾曲屈的立体胚,脐便是胚盘边缘向腹侧包绕收缩而成的遗迹。以后由于心、肝及消化管的发生,躯干逐渐膨大成卵圆形。到第8周末,胚胎各器官已建立了原基,并具备了人体的外形。

  (七)三胚层的分化

  从受精卵发育成一个完整的个体,主要有两方面的变化:一方面是量变,就是细胞的分裂繁殖,数量增加,体积增大,称为生长;另一方面是质变,就是由结构机能相似的细胞,变为结构机能不同的组织细胞,称为分化。三胚层的细胞经过生长、分化,形成了人体的各种组织,由各种组织再构成各种器官。

  人体的各部组织、器官都是由外、中、内三胚层分化形成的。

  三胚层分化最终形成的结构如表2-2:

 

  胚胎发育是一个连续的发展过程,在发育的各个阶段,胚胎的各部分或各系统都同时发生不同的形态结构变化,而且相互关联,相互依存,胚胎发育是动态的,立体的。从遗传学角度来看又是DNA不断复制、染色体不断加倍、蛋白质不断合成、细胞不断分裂、染色体遗传物质传递的过程,最终形成一个新的个体来到人间。

  复习思考题

  1.名词解释

  染色质、染色体、着丝粒、同源染色体、核型、细胞周期、联会姊妹染色单体、非姊妹染色单体、受精

  2.染色体由哪几部分组成?从形态上可分为几种类型?

  3.试述染色体的化学组成和超微结构。

  4.说明有丝分裂和减数分裂的不同点及遗传学意义。

  5.精子和卵子是如何形成的,受精有何遗传学意义?