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Vo1.36。No5 综述与专论 4l 牛卵母细胞体外受精技术 李 魁 (甘肃农业职业技术学院,甘肃兰州 730500) 中国图书分类号:S 823.3 5文献标识码:A文章编号:1006--799X(2006)O5—似1—05 胚胎移植技术作为种公牛的引进、高产 奶牛和优质肉牛扩繁的技术手段,在生产中 发挥了良好作用。但是,胚胎移植技术在应 用过程中均存在胚胎资源短缺、胚胎价格过 值不大;②利用腹腔镜进行活体采卵,可充分 利用优良母牛的卵母细胞。试验表明,此法 对供体牛的生产性能和性周期无显著影响; ③采自屠宰场的遗弃牛卵巢。目前,家畜体 外受精研究中使用最多的是屠宰场遗弃卵 高的问题。利用牛卵母细胞的体外受精 (ⅣF)和体外培养(IVC),可显著降低胚胎成 本,扩大胚胎移植技术的应用范围。 1 卵母细胞的来源 巢,它成本低、取材方便,能满足胚胎体外生 产的大批量需求,但若要用于生产性移植,必 须详细掌握供体牛的相关数据,做好建档 工作。 2牛精子体外获能 卵母细胞的来源主要有三个途径:①利 用超排技术,从输卵管获得成熟卵母细胞,适 用于小型动物,对牛等大型动物而言,适用价 直接将精子输入输卵管或注入卵巢周 some banding and gene localizations support extensive conservation 传图谱。此外,随着经济的发展,许多研究毛 性状的资源参考家系都是经过对毛性状的选 择的群体。因此,建立更多更完善的羊毛性 of chromosome stnlcture between cattle and sheep[J].Cytogenet. Cell Genet.1991,57:127—134。 状QTL作图参考家系,是更迅速开展这方面 研究的首要任务。同时也有一些研究报道已 经确定部分QTL,然而这些因为数据少且不 [2]Parsons'tim,Piper LR,Cooper DW.Linkage relation- ships between keratin—associated protein(KRTAP)genes and growth hormone in sheep[J].Genomics.1994,20(3):5oo一502. 【3]Smlt M.A.,Shay T.L.,Beever】.E.,n 02 Identiifea- 适合的设计群体,过时的分析技术,落后的研 究,重新检测这些数据对于已经确定影响羊 毛性状或产量的重要QTL是必要的。 tion of aIl agouti—like locus in sheep,Anim[J].Genet.2002,33: 383—385. [4]马玉萍.绵羊主要经济性状的微卫星标记研究 【D].石河子大学硕士学位论文.2003. [5]张明亚.凉山半细毛羊1号染色体遗传连锁图和 在以后的研究中,合理地设计实验参考 家系,增大样本含量,集中在侯选区域增加标 记的数目,进一步减小搜索范围,进一步验证结 果,最终得到进行标记辅助选择所要求的与 QTL紧密连锁的微卫星标记是完全可能的。 主要参考文献 [1]Hediger R.,Ansari H.A.,Stranziger G.F.Chromo. 羊毛性状QTL定位研究【D].四川农业大学硕士学位论文. 2004. 【6]Allain D.,Lantier 1.,Elsen】.M.,A.,Berthon P., Lantier F.A design aiming at detecting QTL controlling wool traits and other traits in the INRA401 sheep line[]].Proe.6山wnr1d Cong.Genet.App1.Livest.Prod..Armidale.1998,24:51—54. 维普资讯 http://www.cqvip.com
甘肃畜牧兽医 2006年5(总190)期 ,卵母细胞的受精率很低,碴 有 i: - 0.嗡道内停留一定 日寸闸¨t一・系列的童 匕 .才能具备受精能力,此过程称为精 获 能。精子体外获能技术是推 卵母细l陶体外 要精技术发展的具有划时{ 意义的重:戈突 破,是现代胚胎体外操作的戈踺技术。 .1 影响精子体外荻能的 素 精子获能过程中伴随着一系列生理 童 .匕变化。精子体外获能必须 量接近精于体 内获能的生理生化条件。现有资料表明.F 刈因素可在精子体外获能过程中诱导精子获 钱和发生精子顶体反应,促使精子在体外条 件卜获得受精的能力。 .1.1 精子本身:不同物种的精子体外获能 需时间有所不同,如兔子情予的获能时间 为数小时,而人和小鼠精 {本外获能彳E l h 以内,牛在1 h左右;同种动物不同个体的精 子体外获能的时间也有差肄;此外采精部位 不同,所得精子其获能情况也不相同。因此 精子来源是影响体外获能的一个重要因索 2.j.2温度:大多数哺乳动物精子获能温度 为37~38℃,牛羊精子体外获能的适宜温度 为38.5~39 c【二 有关研究表明,细微的温差 会影响精子膜脂的物理状态.从而影响剁精 子获能效果。 2.i.3 pH值:精子获能的最适i。H值为7.4 ~2.0,低于6.7获能时间延长;高于8 2获 能时间缩短;但pH值偏高 利于精子存活。 2.1.4渗透压:渗透压低予270 Osm/kg tt,O 戏高于343 Osm/kg H O都会影响精于正誊 能.牛精子获能的适宜渗透压范围是295~ 3]0 Osm/kg H2O。 2.1.5钙离子载体(IA):Yan agimachi等发现 情 F的顶体反应是一个窳赖ca 的过程.另 舛 ,ca 可以刺激糖酵解过程为精子活动提 供所需能量,从而加强糕子运动,IA呵与 ca 形成复合物,携带c 进入精子内,从 而诱发精子的顶体反应并激活顶体酶。IA x十精子的 曩 刹烈,处珲时闻过长或浓度 过岛 全 {f 产的急割死f:,在操作中‘圮成 注意。 2.i.6氨琏多键 GAG):母畜发情期输卵管 液中的GAC可促进铺子对ca 哎收,诱发顶 体夏吱 试验征 .GAG能诱导寸、兔、人精 子体外获能 顶停反应,不同类型GAG对精 子获能的 婀程度不同。现在精 获能液常 添均 素(庙GA(;)促进精于获能。 2.1. 高离子设度液(HIS):Brackett首先报 导了 甩179~199mM高离子强度液NaC1 使龟精子体外获能,获缛了试管仔兔 用同 样渗透乐的IjlS处理牛精子,与成熟卵泡卵 母细胞体外受l精后移植,有试管犊牛产生。 栩关研究表明高离 强度液可置换精子表面 抗原物质或l去能因子,从而诱发顶体反应。 2。{.8咖啡 :咖啡因主要通过抑制环腺背 酸二酯酶来细胞内的cAMP水平,增强 精子活动能力.同时与肝素、BSA协同作用促 进精子获能。 2.1。9血清白蛋白(SA):血清白蛋白可凋整 精子膜的脂肪水平,改变精子膜的稳定性,精 子一旦获能,血清白蛋白可促进其迅速穿透 卵子。据报道,在丙酮酸钠和乳酸钠存在的 情况下,应用BSA可使鼠卵受精率高达83% ~95%。现在在精子获能实验中最常用的是 牛血清白蛋白(BSA)。 另外,血小板激活因子(PAF)、谷胱甘肽 (GSH)、FIlEf青霉胺、亚牛磺酸和肾上腺素混 合物)、透明质酸酶、已酮可可碱和茶碱等均 可不同程蛮的提高精子的活力。 2.2精子体外获能方法 2.2.1精 冼洚:精子洗涤就是筛选精子、 去除有害物质的过程,即将洗涤液加入鲜精 冻锖中,经过离心、精子七浮等方法除去精 清、瓦精、弱精, 及鲜精稀释液卵黄液尊物 质和冻精的冷冻保护剂,以获得高密度、高质 量和高活力的精子。目前最常用的牛精子洗 维普资讯 http://www.cqvip.com
Vo1.36.No5 综述与专论 43 涤液为BO液和台氏液TALP,常用的洗涤处 理方法为直接洗涤法、Pereoll密度梯度分离 法和精子上浮法。其中精子上浮法是体外受 精技术中用于精子筛选的最佳方法。 2.2.2精子体外获能:牛体外获能液现在一 般以BO液作为基础液,然后在其中添加肝 素钠20~30t,s/mL,BSA 6 mg/mL,配成pH为 7.8的平衡盐溶液。常用获能方法是将50— 80 的精子悬浮液加入等量的上述获能液 中,放人CO 培养箱培育15min。在直径 30nlln的培养皿中制作3个100 L的受精液 微滴,在每个微滴中加入2~5 L精子悬浮 液,使精子最终密度为1~1.5×106个/mL。 将培养皿放入39cI=、5%CO 和饱和湿度的 CO 培养箱中平衡1 h备用。 2.3获能精子的判定 获能精子的快速检测方法一直是人们研 究热点。目前主要采用观察精子运动形式来 确定精子是否获能。精子开始获能时,运动 非常活跃,尾部振幅大而有力,获能后精子即 出现超活化现象或超激活运动,表现为头部 侧向曲线运动,鞭打幅度加宽,不同动物精子 尾部运动不同,但均表现出一种强有力的鞭 打运动。 3卵母细胞的体外成熟 卵母细胞进行体外成熟和体外受精是一 种不同于体内生产牛胚胎的方法,随着牛体 外受精技术及相关技术的发展,卵母细胞体 外成熟技术将越来越重要。 3.1基础培养基 家畜卵子体外培养的基础培养基主要有 TCM199、Ham’sF10和Ham’sF12,其中牛以应 用TCM199的最多,体外成熟率可以达到 80%以上。 3.2添加成分对卵母细胞体外成熟的影响 研究表明,在基础培养基的基础上,添加 促性腺激素和雌激素、牛卵泡液等成分对卵 母细胞的体外成熟有不同程度的促进作用。 3.2.1促性腺激素和雌激素:卵母细胞在体 内成熟过程中促性腺激素起了重要的作用。 因而许多研究者在卵母细胞体外成熟培养液 中也加入激素成分。Brackett(1988)、旭日干 (1989)等认为,FSH、I.1-I、hCG也能显著提高 IVM卵母细胞的IVF能力及早期胚胎的发育 能力。适量添加可促进卵母细胞的完全成 熟。一般培养液中都同时添加FSH、LH 和E2。 3.2.2牛卵泡液(bFr):牛卵泡液为卵母细 胞成熟的介质,含有大量来自血清的生长因 子和颗粒细胞及卵泡细胞的分泌因子。bFF 作为卵母细胞发育的微环境在决定卵母细胞 未来命运中起主要调节作用(Khatir等, 1996)。根据Fukui报道,体内卵母细胞的成 熟与卵泡液中所含雌激素的量有极大的关 系,特别是由雌激素代谢而来的某种有效物 质可促进细胞质的成熟。卵泡液中足够的孕 酮含量对卵母细胞的成熟具有促进作用。周 颂成等认为在成熟卵泡液中含有多种有效物 质,甚至包括某些未知成分,这些物质对于完 善卵母细胞的成熟不仅具有单一的作用,还 起有相互协同的促进作用。多数研究结果表 明在成熟培养液中添加适量的卵泡液可提高 卵母细胞成熟率,同时促进牛卵母细胞获得 胚胎发育能力,而过量的卵泡液则抑制卵母 细胞的成熟。 3.2.3血清:培养液中添加血清可促进卵母 细胞成熟,它为COC提供所必需的蛋白质并 与卵母细胞周围的卵丘细胞一起能防止透明 带变硬,有利于精子的穿人。江金益(1989) 研究发现,在奶牛卵母细胞成熟培养液中添 加10%犊牛血清,卵母细胞的成熟率、受精 率都显著高于添加20%发情母牛血清组。 3.2.4共培养细胞:在培养基中添加体细胞 (Grocholova等,1995)、输卵管上皮细胞都有 助于提高卵母细胞的成熟率,并影响受精率 和早期胚胎发育。在ⅣM培养多采用 维普资讯 http://www.cqvip.com
44 甘肃畜牧兽医 2006年5(总190)期 卵泡细胞,卵泡细胞主要包括卵丘细胞、颗粒 细胞和内膜细胞。卵母细胞的成熟、受精以 及随后的发育需要卵丘细胞的存在和扩散。 卵丘细胞提供卵母细胞成熟所必需的物质。 据认为,卵丘细胞的扩散是伴随细胞质成熟 同时发生的。扩散的卵丘细胞能够调节物质 的通透性,诱捕从卵子排出的有害因子,从而 有效地抑制卵子的退化。大量研究(Fukui 等)表明,卵丘细胞对卵母细胞的体外成熟有 促进作用,同时影响随后的受精和卵裂以及 胚胎发育。颗粒细胞对卵母细胞作用与细胞 浓度有关。在促性腺激素和血清存在的情况 下,低浓度颗粒细胞(1~5 X 10 个/rTdJ)能够 刺激卵母细胞成熟的复始;高浓度的颗 粒细胞(50~100 X 10 个/mL)则抑制成熟分 裂的复始,而且可以为bFF以及颗粒细胞与 卵丘细胞直接接触所强化(赵伟等)。 3.2.5细胞因子和生长因子:细胞因子和生 长因子对卵母细胞体外成熟和体外发育均有 影响。多肽生长因子(PGFs)是一系列生长因 子的总称,是细胞间传递信号和信息交流的 物质基础。PGFs既能促进细胞的生长。 又能在某些条件下抑制细胞生长,也能调节 细胞的分化。胚胎本身和生殖道提供的因子 都具有促进细胞增殖的作用。EGF,IGF一1。 TGF—Q,TGF—l3、aFGF和bFGF等细胞因子 都能不同程度地促进牛卵母细胞的体外成熟 (1orenzo等,1992;罗海玲等,2002)。生长因 子的浓度、半衰期和来源影响着卵母细胞的 IVM和胚胎的发育。卵母细胞和卵泡液中存 在着成熟抑刹因子(OMI),可通过穿透 透明带的微绒毛与卵母细胞质膜间的间隙联 结进入卵母细胞或通过卵泡液直接被吸收。 已经证明,OMI来源于颗粒细胞或卵泡壁细 胞,由卵丘直接输送到卵母细胞,抑制卵母细 胞的成熟。卵母细胞和卵泡液中同时存 在成熟促进因子(MPF),MPF是减数和 有丝的通用细胞调节因子。具有导致卵 母细胞恢复减数直至成熟的作用,主要 功能是促进微管系统形成及减数纺锤体 的形成。 3.2.6其它因素:环化核苷酸(cAMP)作用 于多种细胞表面的激素,主要作用之一是维 持卵母细胞成熟的静止状态。在卵母细 胞成熟过程中,细胞内游离钙离子浓度 有自发的波动,这些波动与卵母细胞的细胞 质成熟密切相关。输卵管细胞上清液(刘建民 等,1992)也有助于提高卵母细胞的成熟率。 3.3 卵母细胞的体外培养 综合各项研究成果,牛卵母细胞的体外 培养条件为:在温度为38~39℃、湿度为 95%~100%的5%CO,培养箱中,用微滴培 养法培养23~24h。牛卵母细胞的体外培养 成熟液(OM)为以Hepes或NaHCO,缓冲的 TCM一199位基础液,并添加一种或几种其它 成分,如卵泡液、血清、激素、生长因子、颗粒 细胞和环化核苷酸等,改善培养条件,提高卵 母细胞成熟率。 3.4 卵母细胞体外成熟的判断 以卵丘细胞扩张、第一极体排出作为卵 母细胞体外成熟的标志。牛卵母细胞质较 暗,可随机抽取一部分作染色体观察。发现一 个极体和卵子MII期染色体团,判定为卵母 细胞已经成熟。 4 卵母细胞体外受精 卵母细胞体外受精(ⅣF)是指雌雄配子 在体外条件下完成成熟、获能和受精的过程。 4.1 卵母细胞体外受精的方法 将经过体外成熟培养的卵母细胞移入受 精液(BO液)中,洗涤3—5次,再移入经过平 衡处理的精子悬浮液微滴中,每个微滴各移 人10~l5枚卵母细胞,放入CO,培养箱培养 42~48 h后,在显微镜下检查卵裂情况,计算 卵裂率。需要考虑的主要因素是精子的浓度 和精子与卵子相遇的时间。精子浓度要达到 每毫升1 X 10 ~6 X 10 个,精卵相遇的时机 维普资讯 http://www.cqvip.com
综述与专论 是精子在遇到卵子时刚好发生了完全的顶体 反应,顶体酶及时释放,精子顺利穿透卵子透 明带。卵母细胞不成熟或老化也不能完成正 常的受精过程。 卵母细胞的体外受精的另一种方法是单 精子注入法。它是通过显微技术将精子直接 注射到卵母细胞内而受精的方法。将精子直 接注入卵内,对卵子的损伤率较高;而且这一 过程费时费力,有时还会损伤精子中的遗传 物质。 4.2 体外受精存在的问题和解决的办法 4.2.1 多精受精:多精受精一直是体外受 精的一个难点。判定卵母细胞成熟的标准是 核成熟。但是,仅仅根据核成熟来判定卵母 细胞的成熟并不全面,卵母细胞成熟应包括 核成熟、细胞质成熟、透明带成熟等。这样卵 细胞在受精过程中才能发生协调完整的生理 变化,保证多精阻拒,以及激发精子在卵母细 胞内继续发育的能力。目前减少多精受精的 技术措施包括延长4—6h成熟培养时间、降 低卵母细胞周围的精子密度、调整受精液的 组方等。 4.2.2早期胚胎发育阻滞及突破:Bowmane 等(1970)发现体外培养的哺乳动物早期胚胎 存在着发育阻滞的现象。研究表明,早期胚 胎发育阻滞多发生在胚胎母型基因向胚 型基因转化过程中,但Qiu等(2003)的 研究结果显示,早期胚胎发育阻滞不是胚型 基因激活不完全或激活失败,而是胚型基因 激活延迟所致。目前,为了克服阻滞现象,有 助于产生高质量的胚胎,主要采取以下方法: 一是,利用临时中间受体,即把牛体外受精卵 放入结扎的中间受体兔或绵羊的输卵管中, 培养至桑椹胚或囊胚,再移植到受体或冷冻 保存。二是,体外受精卵在体外与体细胞联 合培养。利用血清添加培养液(TCM199+血 清)与体细胞共培养,囊胚发育率可达40%。 目前用于胚胎共培养的体细胞主要有颗粒细 胞(CCs)、输卵管上皮细胞(BOEC)之类,其中 效果最好的是BOEC。三是,胚胎培养在简 单的培养液中,无任何体细胞支持。 5体外受精早期胚胎的培养 早期的胚胎培育利用临时中间受体,把 牛体外受精卵放入兔或绵羊结扎的输卵管 中,培养至桑椹胚或囊胚,再移植到受体或冷 冻保存。但此方法操作过程复杂,胚胎丢失 严重,不适合胚胎的大批量生产。近年来,输 卵管上皮细胞、卵丘细胞、胚胎滋养层细胞、 子宫上皮细胞、纤维细胞等体细胞共培养系 统的确立,都在一定程度上支持早期胚胎的 发育。早期胚胎与输卵管上皮细胞共同培养 能有效改善胚胎的体外发育效果,但是有关 输卵管细胞对体外培养的早期胚胎的作用, 目前仍然不清楚。有关单层卵丘细胞能部分 克服早期胚胎发育的阻滞,Zhao等认为,卵 丘细胞对早期胚胎发育有重要作用,当胚胎 发育到一定时候和卵丘细胞脱离,就和输卵 管上皮细胞直接接触,接受输卵管上皮细胞 的作用。其他类型的体细胞,如胚胎滋养层 细胞、子宫上皮细胞、肾细胞及纤维细胞,对 胚胎的发育都具有不同程度的支持作用,但 是它们的作用远没有输卵管细胞那样有效。 6 小结 卵母细胞体外成熟、体外受精和胚胎体 外培养是胚胎移植、性别鉴定、核移植和转基 因等高新生物技术研究的基础。通过IVF技 术可提供数量更多、成本更低的胚胎。体外 受精技术是对优良公、母畜的综合充分利用。 胚胎体外生产能得到许多优秀的全同胞的后 代;也可将一头母牛的多个卵子与不同公畜 的精子分别进行体外受精,则可获得理想的 母系半同胞组。对繁殖力低、世代间隔长的 种畜更有意义。如果把牛的体外受精技术与 建立MOET核心群育种体系相结合,可以迅 速加速遗传进展,快速扩散优秀基因,提高牛 的生产力。