第五章-受精

1第五章受精受精是单倍体的精子和卵子相互结合和融合而形成双倍体合子的过程，是有性生殖生物个体发育的起点。它一方面保证了双亲的遗传作用，另一方面恢复了染色体双倍体数目。同时受精可以把个体发生过程中产生的变异通过生殖细胞遗传下去，保证了物种的多样性，在生物进化上具有重要意义。第一节受精研究历史的简单回顾1875年和1876年，Hertwig和Fol分别在各自独立的研究中首先在海胆中发现了受精现象。Hertwig发现了海胆精子入卵后雌雄两原核融合的现象，而Fol发现了精子接近和穿入卵子以及受精膜形成的过程，至此结束了胚胎学上的“精源学说”和“卵源学说”。1883年，vanBeneden发表了马副蛔虫受精的细胞生物学研究论文，肯定了在遗传上父母贡献均等的理论，并使精卵作用的研究更为深入。他在马副蛔虫受精卵的第一次有丝分裂纺锤体上看到四条染色体，其中两条来自父方，两条来自母方，提出父母的染色体通过精卵的融合传给子代。此后，H.T.Boveri在马副蛔虫的研究工作进一步巩固了上述理论，把染色体看作是遗传信息的载体。二十世纪以来，有关受精的研究转向探讨受精后生理学变化和两性配子结合的机制。在早期的研究中发现受精后细胞膜通透性变化、耗氧量增加等现象。1912年以后，F.R.Lillie根据在沙蚕和海胆获得的一系列研究结果，提出了精卵相互作用的受精素假说。根据这一假说，卵子分泌称为受精素（fertilin）的物质，使精子运动能力加强，并向卵子聚集。四十年代前后，A.Tyler就受精素的生物学、化学和免疫学特征展开了一系列工作，并进一步强调卵子在成熟过程中分泌的物质对受精有重要意义。与此同时，M.Hartmann在海胆的研究工作中证实，不仅卵子能分泌受精素（雌配素），精子也能排出抗受精素（雄配素），二者相互作用的程度决定着受精的成功与否。不久以后，在两栖类上发现卵外胶膜在精卵相互作用中发挥重要功能，为两栖类受精所必需。与海胆和两栖类相比，哺乳动物的受精研究工作起步较晚，一个主要的原因是哺乳动物受精发生在体内，不易进行研究，并且很难得到大量卵子。十九世纪末到二十世纪中叶，很多人进行过哺乳动物体外受精的实验，并且多位学者声称获得成功。尽管不能排除有少数报道是正确的，但根据目前判断受精发生的知识，例如精子入卵、第二极体2排放等标准，其中绝大部分实验可能不是真正实现了体外受精。原因在于很多早期进行哺乳动物体外受精研究的人员采用的是未成熟的卵母细胞。有的学者意识到了这个问题，授精前把卵巢中的卵母细胞培养一段时间。例如，Rock和Menkin于1944年就在进行体外授精前把人卵巢卵母细胞预先进行了培养，但由于培养时间太短而没有成功。先前判断体外受精成功的标准是看卵子是否卵裂，而当时还不清楚哺乳动物卵子在体外培养时很容易发生孤雌活化和碎裂（fragmentation）。此外，当时很少有人在37C下进行体外授精，而多数是在较低的温度下进行。哺乳动物的体外受精研究真正发展是在Austin和美籍华人张明觉于1951年发现精子获能（capacitation）现象以后。两位科学家几乎同时在大鼠和兔中发现，精子必须在雌性生殖道内滞留一段时间才能获得受精的能力。这一发现导致二十世纪五十年代和六十年代体外受精研究的黄金时期的到来。从精子获能现象发现后大约二十年，即七十年代初开始，人们实现了哺乳动物精子的体外获能，使哺乳动物的体外受精更易操作和方便（精子获能的详细介绍见第三章）。1978年，Steptone和Edwards利用体外受精技术成功地获得第一例试管婴儿，使体外受精成为造福于人类的技术。此后，发展了单精受精技术，使少精症和无精症患者可以得到后代。到目前，全世界大约有一百万不育夫妇通过体外受精技术获得了后代，并且体外受精也已应用于畜牧业生产当中。此外，各种动物体外受精技术的建立，便利了哺乳动物受精的基础研究。第二节受精的概述一、受精的基本过程受精涉及到精卵之间多步骤、多成分的相互作用。就哺乳动物而言，受精发生前精子穿过卵丘细胞后首先与卵子周围的透明带(zonapellucida,ZP)识别和结合(图5-1)。这种精子与卵子ZP之间的初级作用诱发精子头部顶体内容物发生胞吐，这一过程称为顶体反应(acrosomereaction,AR)。顶体反应后的精子与ZP发生次级识别和结合，顶体反应释放的水解酶与精子本身运动协同作用，使精子穿过透明带（图5-2）。精子穿过透明带而到达卵周隙后，精子头部赤道段的质膜又与卵质膜发生结合和融合，精子进入卵子（图5-3）。受精中精卵相互作用的步骤和过程见图5-4。哺乳动物卵子受精前一般停滞在第二次减数分裂的中期（MII期）。精子入卵后，激发卵子使其恢复减数分裂，并释放第二极体。第二次减数分裂器所处的部位的质膜表面一般没有微绒毛，精子不能从3此处穿入卵子（图5-3）。精子入卵引起卵子激活的另一个重要事件是诱发卵子皮质颗粒胞吐，即皮质反应，从而阻止多精受精的发生。精子进入卵子后，尾部很快退化，浓缩的精子头部染色质去浓缩，而后形成雄原核；而卵子的染色体转变成为雌原核。雌雄原核相互靠近，核膜破裂，父母双方的遗传物质混合，启动有丝分裂。受精（fertilization）不同于授精（insemination），前者是精子入卵并形成合子的过程，而后者是人为地把精子置于体内生殖道中或体外培养培养液中，以达到受精目的的操作。二者的概念不能混淆，例如，不能说受精后几个小时形成原核，而应该说授精后几个小时形成原核。图5-1人精子与卵子透明带相互作用扫描电镜图（NilssonL提供）4图2人精子正在穿过卵子透明带扫描电镜图（NilssonL提供）图5-3仓鼠精子与卵子融合的扫描电镜图（引自YanagimachiR，1981）5图5-4哺乳动物精卵相互作用过程模式图（引自PrinmakoffP和MylesDG,2002）。A,精子正穿过卵丘细胞；B1，精子与卵子透明带结合；B2，精子发生顶体反应，释放顶体酶；B3，精子正在穿过透明带；C1，精子头部赤道段的质膜与卵子质膜结合；C2，精卵质膜融合。受精一般发生在排卵后，但也有例外。例如，各种海洋环节动物在排卵前，精子就穿入卵子。不同动物的受精发生在卵母细胞减数分裂的不同阶段，基本上可分为四种类型(图5-5)：第一种类型，受精发生在生发泡（GV）期，这些动物包括线虫、软体动物、环节动物、甲壳类动物、海滨蛤、海绵、沙蚕、狗和狐等；第二种类型，受精发生在第一次减数分裂中期（MI），在该期受精的动物有某些软体动物、环节动物和昆虫等；第三种类型，受精发生在第二次减数分裂中期（MII），大多数脊椎动物都属于这一类型；第四种类型，受精发生第二次减数分裂完成以后，即原核期，这类动物包括海胆、腔肠动物等。也有例外情况，有的动物受精发生在第一次或第二次减数分裂后期。第一、二、三种类型的受精都发生在减数分裂完成前的停滞阶段，精子入卵后，激发减数分裂的恢复。6图5-5不同动物受精发生于卵子发育的不同阶段（引自LongoFJ，1997）二、受精方式（一）体内受精和体外受精凡在雌、雄亲体交配时，精子从雄体传递到雌体的生殖道，逐渐抵达受精部位（如输卵管或子宫），在那里精卵相互融合的，称体内受精（invivofertilization）。凡精子和卵子同时排出体外，在雌体产孔附近或在水中受精的，称体外受精（invitrofertilization）。前者多发生在高等动物如爬行类、鸟类、哺乳类、某些软体动物、昆虫以及某些鱼类和少数两栖类；后者是水生动物的普遍生殖方式，如许多鱼类和部分两栖类等。将哺乳动物精子和卵子人为取出后，再体外进行受精，亦称体外受精。（二）自体受精和异体受精多数动物是雌、雄异体的，但有些动物是雌、雄同体的，即同一个体既能产生卵子，7也能产生精子。在雌雄同体动物中，有些是自体受精的，即同一个体的精子和卵子融合，如绦虫；有些是异体受精，即来自两个不同个体的精子和卵子相结合，如蚯蚓。（三）单精受精和多精受精只有一个精子进入卵子内完成受精的，称单精受精（monospermy），如腔肠动物、棘皮动物、环节动物、硬骨鱼、无尾两栖类和胎盘类哺乳动物。如果一个以上精子入卵，通常会导致胚胎发育异常或发育阻滞，最终夭折。昆虫、软体动物、软骨鱼、有尾两栖类和鸟类，在正常生理条件下，受精过程中可有多个精子入卵，卵子中形成多个雄原核，但最终只有一个雄原核与雌原核结合，完成正常的胚胎发育，而其它雄原核在发育中途退化，称生理性多精受精（polyspermy）。三、精卵化学趋化作用在海洋动物、两栖类和其它非哺乳动物中发现，卵子或其周围的细胞分泌的化学物质可以吸引精子定向运动，到达受精部位，称为化学趋化作用（chemotaxis）。在海洋无脊椎动物，这种作用具有明显的种属特异性，即一种海洋生物的化学趋化物质通常只能吸引同种动物的精子，而对其它种属的精子没有趋化作用。精卵趋化作用具有重要的生理作用，它可使大量的精子到达受精部位，这对于体外受精的水生动物特别重要，因为没有这种化学趋化作用，很难想象排到水中的精子和卵子会有机会受精。卵子释放的使精子定向快速地向卵子运动的可溶性信号是一些肽类和有机小分子化合物，如L-色氨酸、SepSAP肽和硫酸类固醇等.哺乳动物属于体内受精动物。在受精前，精液射到阴道或子宫中。要完成受精，精子要通过长距离的运动到达受精部位（输卵管上1/3处）。那么，哺乳动物精子和卵子的相遇是偶然的事件，还是像低等动物一样存在精卵之间的通讯联系呢？近年来的研究表明，哺乳动物精子在雌性生殖道运行时，也可能受到卵子或卵泡液中化学物质吸引而到达受精部位。人、小鼠和兔的卵泡液对精子都有趋化作用，但仅对获能精子有作用。哺乳动物的精卵化学趋化作用的生理功能可能与低等动物不同，它的主要作用可能是选择性地使获能精子募集到受精部位。哺乳动物的精卵趋化作用没有种特异性。例如，兔和人的精子对人、兔、和牛卵泡液的化学趋化物质的反应没有明显差别，这说明哺乳动物并不是通过种属特异性的化学趋化作用来防止异种受精。哺乳动物的精子化学趋化物质还没有被分离出来，但可能属于对热稳定的肽类。有趣的是，在人精子中有独特的嗅觉受体（olfactoryreceptor），这些受体仅在生精细胞中表达。8免疫细胞化学研究显示，嗅觉受体蛋白定位于精子尾部中段。据推测，嗅觉受体的作用是通过化学嗅觉信号通路使精子定向运动。最近有人从分子、细胞和生理水平上对新发现的嗅觉受体hOR17-4在受精过程中可能发挥的作用进行了探讨，发现嗅觉受体hOR17-4可以控制精子和卵子之间的通讯作用，在人精子趋化运动中具有重要功能。有证据表明，精子在卵子释放的化学物质作用下定向地向其运动，可能是由精子细胞内Ca2+浓度升高引起的。化学趋化物质引起Ca2+浓度升高需要外源Ca2+及Ca2+通道的作用，三磷酸肌醇（IP3）可以介导Ca2+释放。精子中Ca2+升高导致其非对称性鞭毛运动，从而产生化学趋化反应。受精后或人工激活卵子以后，卵子对精子的化学趋化作用消失，有关这方面的机理还不清楚。四、特殊的受精现象经典的受精概念一般是指一个精子和一个卵子融合（配子配合，syngamy），这一过程涉及到卵子发育激活和配子的细胞核的融合（核配合，karyogamy），最终产生一个合子核（synkaryon）。如果考虑到某些原生动物的受精，这一概念需要进行修正。例如，原生动物存在同型配子的融合（isogamy），来自同一亲本的两个配子细胞核的融合（autogamy）和配子母细胞或个体融合产生配子（gamontogamy）等现象。许多动物如寡毛纲动物、蛛形纲动物、昆虫、有尾两栖类、爬行类和鸟类等，在正常生理条件下，可以有一个以上精子进入卵子。有的动物受精时，不发生配子细胞核的融合。如软体动物、硬骨鱼、真兽类哺乳动物等在受精时，雌原核和雄原核不会发生融合而形成一个合子核，而是雌原核和雄原核相互靠近，二者的核膜打折并相互嵌合，最后雌雄染色体混合而形成第一次有丝分裂的纺锤体。另一个特殊的例子是，海绵动物的附属细胞介导精子进入卵子。动物界最特殊的受精