第五章 受精生物学大全

第五章受精 山东师范大学丁乃峥 1 受精 单倍体的精子和卵子相互结合核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 受精的生物学意义 保证了双亲的遗传作用恢复了染色体双倍体数目变异得到遗传 保证了物种的多样性 2 第一节受精的概述 3 1 受精发生在生发泡破裂之前 即第一次减数分裂前期 初级卵母细胞期 例如 狗 狐狸 海绵 蛔虫和沙蚕等 2 受精发生在第一次减数分裂中期 例如 昆虫及海星等 3 受精发生在第二次减数分裂的中期 例如 鱼类 两栖类及哺乳类中 决大多数脊椎动物和文昌鱼 4 受精发生在第二次减数分裂完成后 例如 海胆和腔肠动物 一 受精的时期 4 不同动物受精发生于卵子发育的不同阶段 引自LongoFJ 1997 5 二 受精方式 一 体内受精和体外授精体外受精 排在水里水生动物 如许多鱼类和部分两栖类等体内受精 进入生殖道抵达受精部位高等动物如爬行类 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 6 二 受精方式 二 自体受精和异体受精自体受精 在雌雄同体动物中 同一个体的精子和卵子融合 雌雄同体的绦虫异体受精 大多数动物是雌雄异体动物 雌雄同体的蚯蚓 7 二 受精方式 三 单精受精和多精受精单精受精 只有一个精子进入卵子 如果多精入卵则导致胚胎发育异常 腔肠 棘皮 环节动物 硬骨鱼 无尾两栖类 胎盘类哺乳动物多精受精 生理性多精受精 一个雄原核和雌原核融合 其他雄原核退化昆虫 软体动物 软骨鱼 有尾两栖类和鸟类 8 三 精卵受精能力的维持 哺乳动物一次射出的精子数量很多 但能到达受精部位的精子数量有限 离体后的精子生命比较短暂 不同动物精子维持受精能力的时间有很大差别 9 2 5亿 20个 10 各种动物精子在输卵管中维持活动能力和受精能力的时间 11 卵子排出后 如没有受精 就会发生老化 失去受精能力老化卵子受精时 多精受精的发生率增加 各种哺乳动物卵子维持受精能力的时间 12 四 受精的基本过程 13 哺乳动物精卵相互作用过程模式图A精子穿过卵丘细胞 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 14 精子穿过卵丘细胞 初级识别和结合 ZP3 顶体反应 胞吐 释放顶体酶 次级识别和结合 ZP2 精子穿过透明带 精子头部赤道段的质膜与卵子质膜结合 精卵质膜结合和融合 包括精子尾的整个精子进入卵子 皮质反应 透明带反应 阻止多精入卵 精子核膜破裂 染色质去浓缩 卵母细胞排出第二极体 雄原核形成 雌雄原核融合 卵裂开始 15 第二节精子获能 16 精子的获能 精子成熟后虽然具备了运动能力 却没有受精能力 还需要在通过生殖道的过程中经历一系列生理生化变化 才能获得受精能力 这一过程称为精子获能 spermcapacitation 17 一 获能地点 阴道射精型 大多数哺乳动物 牛 羊 兔和灵长类 在交配期间精液沉积在阴道前庭部位 当精子进入子宫颈时 获能即开始 宫腔射精型 另一些哺乳动物 猪 马 狗和啮齿类 在交配时大部分精液直接进入宫腔 或通过宫颈管进入宫腔 其精子在输卵管峡部较低部位全部或部分完成获能 18 阴道射精型 对于阴道射精型动物 其精子在进入子宫前必须越过高度褶皱并充盈黏液的宫颈 在排卵期 宫颈黏液具有以下作用 保护精子对抗阴道环境及阻止阴道白细胞吞噬 阻止精液进入子宫 排斥形态学上异常的精子进入子宫 保持和储存精子为其后迁移到生殖道上部起重要作用 19 宫腔射精型 子宫 输卵管连接部位是其上行至壶腹部的主要屏障 子宫 输卵管连接处的多数黏膜皱褶和窄小的官腔只能允许小部分宫腔精子进入输卵管 尽管至今未完全确定 但受精前精子的峡部贮存可能是哺乳动物的一般规律 20 二 获能条件 精子获能必须满足若干重要条件 时间 各种动物所需获能的时程不一致蛋白质 体内获能生殖道存在高浓度蛋白 体外若培养液缺乏血清蛋白 体外受精不能发生离子浓度及其比例 Ca2 K Na 和HCO3 都是必须 尤其是Ca2 解除精浆的作用 21 二 获能条件 体内获能没有严格的器官特异性 可以在妇女腹腔中进行 没有种属特异性 因为一种动物精子能够在其他种类动物的雌性生殖道内获能 雌性生殖道中输卵管特异糖蛋白 OGP 对精子获能起直接作用多种激素和因子对获能有促进作用 PAF 孕酮 肝素和载脂蛋白 22 二 获能条件 体外获能温度 一般实验室采用温度为37 38 pH值 最适pH为7 4 8 0 渗透压 最适宜的渗透压为295 310Osm kgH2O 23 精子体外获能处理方法 1 培养法 对啮齿动物 家兔和猪等动物 将取自附睾的精子 放入人工配制的获能液中 培养一段时间后 精子就可获能 这种方法称为培养法 2 化学诱导法 对于牛 羊等家畜 将精子放在一定浓度的肝素或钙离子载体A23187溶液中 用化学药物诱导精子获能 称之为化学法 24 三 精子获能的异质性 同一个体射出的所有精子并不是同时获能 一些精子获能较快 另一些则较慢 称之为精子获能的异质性 heterogeneity 原因 精子膜结构内在分子的多样性 附睾尾部精子成熟程度不同 对影响它们的成熟环境反应性存在着千差万别精子获能的异质性是阻碍精子功能研究的一道屏障 25 四 去获能现象 张明觉 1958 最早发现精子获能是一个可逆过程 获能精子一旦与精浆和附睾液接触 又可去获能 decapacitation 如果把去获能的精子转移到雌性生殖中 并使之停留一段时间 精子又可重新获能 表明精浆和附睾液中存在着一种去获能因子 decapacitationfactor 26 五 精子在获能中产生的变化 主要是生物化学和生理功能的变化 细胞膜的变化去除在雄性生殖道吸附在细胞膜表面的某些成分 细胞膜表面的糖基得到修饰膜脂组成改变 胆固醇 膜流动性 膜蛋白位移 分布和成分重组 酶和离子通道被激活 27 细胞膜的变化意义 暴露与某些信号分子识别的特殊受体 以利于启动细胞内信号转导系统提高膜通透性以活化代谢 增强运动降低膜稳定性 以利于发生顶体反应和精卵膜融合细胞膜的变化可以通过金霉素荧光染色给以显示 28 CTC染色 金霉素染色 未获能和顶体完整 F型 获能和顶体完整型 B型 获能和顶体反应型 AR型 29 代谢活化 获能时多方面代谢明显加强 使精子获得顶体反应能力氧化作用加强 糖酵解 能力产生和利用 提高运动能力膜脂代谢加强 膜分子构筑和理化特性发生改变 离子交换更加频繁 导致膜电位变化 膜稳定性 Ca2 激活多种生化反应多种酶系被激活 cAMP DAG 五 精子在获能中产生的变化 30 超激活运动获能过程中 精子运动能力逐渐加强 运动方式发生改变 许多哺乳动物的精子在发生顶体反应之前运动能力加快 称为超激活 superactivation 五 精子在获能中产生的变化 31 超激活现象当金黄地鼠精子开始接触获能液时 开始时呈活跃的线性向前运动 随后进入相对缓和的运动状态 此时大多数精子以头对头相聚集 尾部颤动 2h后则又互相离开 开始前所未有的活跃运动 起初线性向前 很快出现猛烈的特殊运动 尾部呈现强烈的鞭打样摆动 头的运动轨迹呈不规则8字形 小鼠等多种啮齿类动物和金黄地鼠类似 但许多哺乳动物和人精子获能时不发生凝集 32 人和哺乳动物精子经获能后 普遍发生运动速度和运动方式改变 主要特征是 尾部呈 鞭打样 的不对称运动 头部侧摆显著加大运动轨迹偏离线性以上这种运动方式称超激活运动 hyperactivationmovement HAM 33 卵子识别与顶体反应能力激活获能后重要的变化还有精子能与透明带识别和结合 同时可以接受孕酮或透明带溶解液的诱导而产生顶体反应 HAM 与透明带结合和受诱导后产生顶体反应这3项指标是精子完成获能的标志 五 精子在获能中产生的变化 34 六 精子获能的分子机制 35 第三节精子顶体反应 36 精子核 顶体 穿孔及顶体酶释放 卵膜 顶体反应 精子顶体释放顶体酶的过程 该反应使得精子得以穿越放射冠和透明带 和卵细胞膜接触 从而开始受精 顶体反应 acrosomereaction 37 哺乳动物精子的顶体反应 38 哺乳动物的精子都在穿透卵子前在透明带表面发生顶体反应 大多数动物中都为种特异性 但也有少数 如仓鼠精子不仅可在人卵透明带上经历顶体反应 而且可穿透人卵 羊精子也可在牛卵透明带上发生顶体反应 39 第四节精卵相互作用 40 一 精子与透明带的相互作用 一般情况下 只有同种动物获能精子才能与透明带相互识别 体现了受精的物种专一性 透明带由ZP1 3三种糖蛋白组成 精卵识别和结合发生在卵子的透明带上 透明带组成模式图 41 精子与透明带之间的识别又分为初级识别和次级识别 未发生顶体反应的精子与透明带之间首先发生初级识别 它诱发顶体反应的发生 顶体反应后的精子与透明带之间发生次级识别 精子穿过透明带 一 精子与透明带的相互作用过程 一 精子与透明带的相互作用 42 精子头部的ZP3受体与ZP3结合 一次结合 ZP3 受体结合导致精子的ZP3受体向精子头部的一侧聚集 ZP3 受体结合导致精子的顶体反应 顶体内膜上的特殊蛋白与ZP2的糖蛋白结合 二次结合 43 初级识别 ZP3 ZP3受体 精子质膜 次级识别 ZP2 ZP2受体 顶体内膜 ZP1不与精子直接作用 44 45 1 精子表面的ZP3受体 ZP3受体位于精子顶体区质膜上半乳糖苷转移酶sp56 56kD的多肽 只与ZP3的半乳糖残基结合 而不与ZP2结合 p95 又称透明带受体激酶 95kD的跨膜蛋白 二 精子表面的结合蛋白 一 精子与透明带的相互作用 46 Spermbindingtothemousezonapellucida 半乳糖苷转移酶 47 2 精子表面ZP2受体 位于顶体反应后精子顶体内膜上 与透明带上的ZP2相互作用 一旦一个精子进入卵子后 卵皮质颗粒开始释放 其中的一个蛋白酶可特异性改变ZP2 从而抑制别的发生顶体反应的精子向卵子移动 但现在仍不知道哪种精子膜上的蛋白与ZP2结合 PH 20和顶体素可能与ZP2作用 48 49 一 精子与卵母细胞的相互作用的过程 二 精子与卵母细胞融合机制 三 多精入卵的阻止 四 合子的形成 五 受精过程中的中心体遗传 二 精子与卵母细胞的相互作用 50 精子发生顶体反应穿过ZP以后 很快到达质膜表面 并与卵质膜结合并融合 整个精子进入卵子 首先是精子头的尖部与卵子质膜接触 随后精子头侧面附着在卵子质膜上 胎盘类哺乳类顶体内膜不能参与融合 目前一般认为 精子头部赤道段或其附近的质膜与卵质膜发生融合 一 精子与卵母细胞的相互作用的过程 51 52 精卵的融合很少发生在卵子第二次减数分裂器存在的区域 因为该区域没有绒毛 无皮质颗粒 而卵子其他区域存在大量绒毛 且有皮质颗粒分布 53 次级卵母细胞的膜融合相关分子四跨膜蛋白超家族成员的CD9 CD81 整合素 6 1 糖基化磷脂酰肌醇锚定蛋白GPIAP CD9被广泛关注和认同 二 精子与卵母细胞融合机制 54 精子的的膜融合相关分子附睾吸附蛋白DE 精子细胞膜表面蛋白PH20和受精素Izumo 2005年报道的一种全新的精子特异性跨膜蛋白 敲除鼠精子可穿透透明带 结合卵母细胞表面 但不能融合 二 精子与卵母细胞融合机制 55 三 多精入卵的阻止 1 快速阻止 fastblock 70mV受精 20mV 56 膜电位的变化 57 如果结合在卵膜上的精子不除去 仍有可能发生多精受精 而导致这些精子的脱离是由皮层反应和透明带反应来完成的 2 慢速阻止 三 多精入卵的阻止 58 1 皮质反应 哺乳动物精子入卵后 激发卵质膜下的皮质颗粒发生胞吐 称为皮质反应 这一过程中ZP3及ZP2都发生改变 皮质颗粒中的酶切除ZP3的末端糖残基 从而释放出透明带上结合的精子 并阻止别的精子吸附 59 2 透明带反应 一旦精子与卵子融合 皮质反应后胞吐到卵周隙中的酶类引起透明带糖蛋白发生生化和结构变化 从而阻止多精入卵 这称为透明带反应 60 ZP3被改变 ZP2部分水解 透明带硬化 阻止多精入卵 61 62 63 64 65 66 67 68 四 合子的形成 同时 在卵母细胞质内一些物质影响下 精子也发生了一系列深刻的改变 精卵融合后 精子为卵母细胞提供了父源性的基因组 中心粒 激活因子以及少量的线粒体 其他大部分都被 丢弃在卵母细胞以外 并且激活了卵母细胞 69 早期事件 Ca2 升高 皮质反应 CR 减数分裂的恢复 晚期事件 精子解旋 原核形成 蛋白质合成 DNA合成 卵裂 卵母细胞的激活 70 受体模式 精子与膜受体结合触发Ca2 升高 融合假说 精子可溶性蛋白引起Ca2 升高 卵母细胞激活的机制 71 钙波的形成及扩散 72 Ca2 升高的效应 皮层反应 CR 阻止多精受精 MPF CSF的失活 卵母细胞脱离MII阻滞进入细胞周期 发育的启动 73 74 哺乳动物精子激活卵母细胞的机制 75 原核形成 到此为止 整个受精的过程就已经完成了 父源性和母源性的基因组终于得到了汇合 共同谱写着世上最不可思议的生命现象 76 中心体 中心体由两个相互垂直的中心粒组成 每个中心粒由9组三联微管组成 中心体主要成分是蛋白质 能进行自我复制 1 从腔肠动物到低等脊椎动物都证实 卵子发生中 中心体丢失 在受精时由精子带入中心体 五 受精过程中的中心体遗传 77 2 在小鼠中不同 中心体是母方遗传的 78 五 受精过程中的中心体遗传 小