第三節　卵子生成與卵細胞周期

一、從卵原細胞到卵母細胞

PGCs在進入性腺嵴后繼續增殖，開始細胞的分化，形成卵原細胞或精原細胞，卵原細胞進入減數分裂即形成卵母細胞，啟動卵子的發生過程，形成以卵原細胞為中心圍繞體細胞的結構單位。在卵細胞的前期增殖以有絲分裂形式進行，分裂得到兩個相互獨立的子細胞。而后經一定時間或分裂次數后，分裂得到的子細胞間將建立胞間鏈接。進一步的不完全分裂可能得到卵原細胞合胞體，即所謂的生殖細胞巢或生殖細胞囊，因為它們不含液腔，“生殖細胞囊”這一稱謂可能不甚準確，稱其為生殖細胞群、生殖細胞巢或生殖細胞合胞體可能更為恰當。這種分裂的機制尚未闡明，但其可能對未來卵細胞發育有一定意義。

二、卵母細胞的減數分裂

隨著卵細胞的進一步發育，結束有絲分裂而進入減數分裂進程，此時它們被稱為卵母細胞。控制減數分裂開始的機制尚未明確。減數分裂從胚胎發育早期即啟動，開始時間根據物種不同有所差異。第一次減數分裂的前期比較復雜，很多減數分裂特有的事件都發生在這一時期。這一階段通常稱為前期Ⅰ（prophase Ⅰ）。在高等生物，這一時期可持續數周、數月，甚至數十年。在低等生物，其持續時間仍較有絲分裂長。在這漫長的過程中，同源染色體要完成相互識別、配對、聯會和遺傳物質的重組等減數分裂的關鍵事件。此外，大量的RNA和蛋白質也要在這一階段合成。根據細胞的形態學，可將前期I劃分為細線期、偶線期、粗線期、雙線期和終變期五個不同時期。

細線期（leptotene stage）也稱凝集期（condensation stage），即前期I的初始階段，首先發生染色質凝集，染色質纖維折疊、螺旋化，變粗變短。在顯微鏡下可以見其細纖維樣染色質結構。同時在細纖維樣染色質上出現一系列大小不同的顆粒狀結構，稱為染色粒（chromomere），其作用尚不清楚。此時期染色體的端粒在細線期結束時通過接觸斑與核膜相連，而染色質的其他部分延伸到核質中，同時聯會復合體的側軸開始形成。

染色質進一步凝集進入偶線期（zygotene stage），同源染色體（homologous chromosome）開始相互識別、配對，并在部分配對的區段發生聯會（synapsis），所以偶線期又稱配對期（paring stage）。配對從同源染色體的多個接觸點開始，進而向拉鏈一樣迅速擴展到整條染色體所有的同源片段，并在同源染色體之間開始形成聯會復合體。配對的同源染色體稱為二價體（bivalent）。而此時染色體的端粒附著于核膜上，而染色體質伸向核內形成花束狀結構，所以偶線期也被稱為花束期（bouquet stage）。迄今為止關于同源染色體識別、配對的過程和機制尚不十分清楚。一般認為，同源染色體的相互識別是其配對的前提和基礎，有助于同源染色體的識別和配對。

當同源染色體配對完成，即進入粗線期（pachytone stage），這一時期持續時間較長，染色體進一步濃縮變粗，并與核膜繼續保持接觸。聯會復合體組裝完成，同源染色體緊密結合，并在同源染色體的非姐妹染色單體之間的同源區段進行遺傳物質的交換和重組，產生新的遺傳組合，并在聯會復合體的梯狀結構中出現重組結（recombination nodule）。在許多動物的卵母細胞發育過程中，粗線期還要發生rDNA擴增。編碼rDNA的DNA片段從染色體上釋放出來，形成環狀的染色體外DNA，游離于核質中，以便進行大量復制，這些rDNA將參與形成附加的核仁，進行轉錄。

緊密配對的同源染色體開始分開，至雙線期結束時為雙線期（diplotene stage），此期同源染色體僅在非姊妹染色單體之間發生重組的部位有連接，這些連接被稱為交叉（chiasma）。一般認為交叉是粗線期交換發生的細胞形態學證據，其數目取決于物種類型及染色體長度，如人類平均每對同源染色體的交叉數為2~3個，較長的染色體如1、2、3號染色體最多可以有5個交叉，較短的如20、21、22號染色體基本只有1個交叉，通常在每個染色體的臂上至少有1個交叉。另外，聯會復合體開始解聚并逐漸消失，染色質去凝集而形成多個核仁并進行活躍的RNA合成，此期在人類中持續時間較長，可達數十年之久。

終變期（diakinasis）也稱再凝集期（recondensation stage），是前期I的最后一個階段，此期染色質又被包裝壓縮成染色體。雙線期結束時，染色體變成緊密凝集狀態，大多數核仁消失，RNA轉錄停止，四分體均勻地分布在核中。同時，交叉向染色體臂的端部移行，此過程被稱為交叉端化（terminalization）。到終變期末，同源染色體只靠交叉結合在一起，姐妹染色單體通過著絲粒連接在一起。前期結束之時，中心粒已經加倍，中心體分開向未來的紡錘體兩極移動。核被膜破裂和中心體分開向未來的紡錘體兩極移動。核被膜破裂和消失標志前期I的結束。

三、減數分裂的重組交換

第一次減數分裂前期的晚偶線期和粗線期，同源染色體配對形成聯會復合體的同時還發生了同源染色體的交換重組。

聯會復合體是同源染色體之間在減數分裂前期聯會時所形成的一種臨時性結構。它是一種梯狀結構，兩側為側軸，主要成分為DNA和蛋白質，典型的蛋白質包括SYCP2（synaptonemal complex protein 2）和SYCP3，兩側軸中間為中央軸，由橫向排列的蛋白質纖維組成，其主要蛋白質成分為SYCP1。SYCP2和SYCP3在C端均具有卷曲螺旋結構域可以與DNA結合。它們在細線期開始表達并組裝成聯會復合體的側軸，直到雙線期聯會復合體解體時逐漸消失，因此，它們常被用做聯會復合體的標志物。中央軸主要由SYCP1蛋白組成，它在側軸和中央軸成分之間搭建一座橋梁。經典學說認為聯會復合體除將每對同源染色體結合在一起外，還能促使特定部位的DNA進行遺傳重組。但也有研究表明，同源染色體間的遺傳重組并不需要完整的聯會復合體。喪失聯會復合體組裝功能的裂殖酵母突變株同樣能進行同源染色體間的遺傳物質互換。

聯會是偶線期時同源染色體側面緊密相貼排列的現象；重組則是指同源染色體間遺傳物質發生交換的過程。聯會的起始一般在同源染色體配對的特定部位發生，聯會和配對是緊密相連的過程。而配對、聯會和重組的關系在不同的物種間存在差異。在酵母和小鼠中，同源染色體的配對、聯會需要DNA雙鏈斷裂（double strand breaks，DSB）的產生。DSB產生于細線期，一般每個細胞產生多達數百個DSB。只有這些DSB得到完全修復，減數分裂才能正常進行。減數分裂前期DSB的修復主要以同源染色體的非姐妹染色單體為模板通過同源重組（homologous recombination，HR）進行，其中絕大部分DSB的修復不產生遺傳物質的交換，只有個別修復會導致遺傳重組和交換的發生。DSB的修復還可促進同源染色體的精確配對和聯會。

四、減數分裂染色體的分離

減數分裂時，卵母細胞（2n）的染色體復制一次，經兩次分裂后，形成三或四個只含單倍染色體（n）的子細胞，其中較大的稱為配子。減數分裂的主要特征即染色體復制一次，而細胞分裂兩次；在減數分裂Ⅰ，每條染色體的兩條姐妹染色單體的著絲點都與來自于紡錘體同一極的微管相連，并作為一個整體在分裂后期移向紡錘體的同一極，進入同一個細胞，也就是兩條同源染色體發生分離，分別進入次級卵母細胞和第一極體；減數分裂Ⅱ的過程與有絲分裂相似，姐妹染色體上的著絲粒分別與來自紡錘體兩級的微管結合，在分裂后期彼此分離，并分別移向紡錘體的兩極，分別進入卵子和第二極體。

在減數分裂Ⅰ，在染色體臂上姐妹染色單體之間的Cohesin蛋白復合體被解離，而著絲粒部位的Cohesin由于受到保護而不能被解離，從而保證同源染色體的正確分離。直到第二次減數分裂中-后期轉變時著絲粒部位的Cohesin才被降解，從而確保姐妹染色單體正確分離。當所有的同源染色體都與紡錘體微管結合并排列在紡錘體赤道板上后，染色單體臂間的Cohesin就要被降解，細胞由中期向后期轉變。在減數分裂Ⅰ，同源染色體通過交叉聯系在一起，姐妹染色單體上的著絲粒與來自紡錘體一極的微管結合，當同源染色體正確排列在赤道板上時，后期啟動，姐妹染色單體移向細胞的同一極。重要的是，只有在染色體臂上的Cohesin被解離，而著絲粒部位的Cohesin則是在減數分裂Ⅱ中后期轉變時才被解離。因此，分步分別從著絲粒部位解離Cohesin對于減數分裂Ⅰ同源染色體的分離，以及減數分裂Ⅱ姐妹染色單體的分離都至關重要。在減數分裂Ⅱ，姐妹染色單體之間著絲粒部位的Cohesin降解是在中后期轉變時進行的，Cohesin被降解后，姐妹染色單體才能分別移向紡錘體的兩極。Cohesin的兩次分步降解是減數分裂染色體正確分離的重要分子基礎。總之，Cohesin蛋白復合體的分步降解機制是減數分裂得以進行的重要物質保障，其異常可能會導致非整倍體配子的產生。

此外，減數分裂紡錘體裝配檢驗點（spindle assembly checkpoint，SAC）是保證染色體正確分離的另一重要機制。它監控著紡錘體微管與著絲點之間的連接，并且促使有絲分裂中姐妹染色單體或減數分裂中同源染色體間張力的形成。當所有的染色體與來自紡錘體兩極的微管正確連接并排列在赤道板上時，SAC才能失活，從而解除對細胞由分裂中期進入后期的抑制。SAC是細胞進化出的一套高效的監督機制，它可以通過延遲細胞分裂中-后期的轉變，以給細胞更多的時間，直到所有的染色體被微管捕捉，并正確排列在紡錘體赤道板上，在有絲分裂或減數分裂Ⅱ的姐妹染色單體和減數分裂Ⅰ的同源染色體著絲點（kinetochore）間形成合適的張力。所有的檢驗點蛋白相互作用形成一個復雜的檢驗系統。一旦某個蛋白不能行使功能，SAC就不能發揮正常的作用，染色體分離就會受到影響，導致非整倍體配子的產生。