02-受精作用

第二章 受精作用 第一节 生殖细胞的结构 一、精子(sperm)的结构 动物的精子一般分为两种类型：鞭毛型和无 鞭毛型。哺乳动物和人的精子属于鞭毛型， 而一些海洋和淡水无脊椎动物的精子属于无 鞭毛型。 1．哺乳动物的精子 人的精子大约有60μm长，可分为头部和尾部 两个主要部分。头部主要构成是细胞核和顶体， 尾部又分为颈段(neck)、中段(middlepiece)、主段 (principlepiece)和末段(endpiece)。 ™精子的头部主要由细胞核构成，为扁平结构，包括顶体 (acrosome)和精核(nucleus)两部分。 ™精子的颈段(sperm neck)又称连接段，是连接头部和尾部 的结构，也是尾部形成的开始。颈段中央有一对纵行中央 微管，微管头部与近端中心粒相连，尾端与尾部轴丝相通。 精子尾部分为三部分，即中段、主段和末段。主要结构为 轴丝，该结构是精子的运动装置，可使精子产生鞭毛运 动，在受精过程中使精子游向卵子。 2．无脊椎动物的精子 无脊椎动物的精子一般比哺乳动物精 子大。海洋和淡水无脊椎动物的精子属于 无鞭毛型。 二、卵子的结构 一般卵子的体积比精子大很多，成熟卵子中吸收了大量的 物质，像一个储存库，为以后的生长和发育奠定基础。卵 子胞质中储存了大量的蛋白质、RNA、保护性化学物质和 形态发生因子。 1．卵细胞的结构 （1）卵核： （2）细胞质：皮层(cortex)，内质(endoplasm)；皮 层颗粒，卵黄，生殖质： （3）细胞质膜： （4）质膜外结构：卵黄膜；透明带(zona pellucida) 2．卵细胞内主要生物成分 ™蛋白质： ™核糖体和tRNA： ™mRNA： ™形态发生因子： ™保护性化学物质： 第二节 受精过程 雌雄生殖细胞经过增殖、生长和成熟的发生过程以 后，从各自的性腺中排出，成熟的精、卵相遇，融合而成 为合子，这个过程称为受精(fertilization)。受精是动物个体 发育的起点。 动物受精可以分为体外受精(external fertilization)和体 内受精(internal fertilization)，绝大多数无脊椎动物和低等 脊椎动物都是体外受精，而哺乳动物则为体内受精。 为了达到受精的目的，成熟的精卵必须及时释放相 遇，通过精卵识别，使精子附着于卵外的卵膜，经过顶体 内释放的酶的作用，精子通过卵外各种卵膜导致精卵质膜 融合，精子进入卵内，随后精卵细胞核发生融合，从而完 成整个受精过程。 一、无脊椎动物的受精 1．无脊椎动物的精卵识别 许多体外受精的动物在生殖季节一般是雌、雄动 物同时释放出大量精卵，这些生物就要面临两方 面的问题：一是如何使精子与卵细胞相遇；二是 如何阻止精子与其他物种的卵细胞受精，其核心 就是精卵识别问题。目前主要有两种机制解释此 问题，即物种特异性的精子吸引机制(species- species sperm attraction)和物种特异性的精子活化 机制(species-specific sperm activation)。 2．海胆顶体反应 精子与卵细胞相互作用的第二步是顶体反应(acrosomal reaction)。在大多数海洋无脊椎动物中，顶体反应包括两 个方面：顶体膜与精子质膜的融合和顶体突起(acrosomal process)的延长。 （1）首先在顶体顶部顶体膜与精子质膜在多处发生融 合，随后融合区逐渐扩大，最后顶体膜与精子膜完全融合。 在融合过程中，顶体泡中的顶体颗粒以胞吐形式释放出 来，其中含有多种蛋白水解酶，可以溶解卵子 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面胶膜， 使精子能够到达卵子质膜表面。 （2）在顶体内的物质发生胞吐作用，释放其内含物的同 时，在精子核的前端形成一指状的突起—顶体突起。这种 顶体突起是一细长、柔韧而具有弹性的结构。顶体突起的 形成是由于顶体下腔内的球状肌动蛋白(G-actin)经聚合作 用形成纤维状肌动蛋白(F-actin)，从而组成一束微细丝， 其后端固着于核膜外表面的一个特殊地点，向前伸长，在 核的前端形成一指状突起，即顶体突起。 3．海胆的精卵融合 海胆精子一旦穿过卵胶膜后，就与卵表面的卵 黄膜接触。在海胆卵黄膜上存在着精子受体，这 种精子受体可以特异地识别精子顶体颗粒中的结 合素，从而使精子特异地结合在海胆卵的卵黄膜 表面精子受体上。精子结合于卵黄膜之后就可穿 过卵黄膜。精子穿过卵黄膜后，精子的顶体突起 与卵表面的微绒毛相接触，随即被许多微绒毛所 包围，并扩大成一受精锥(fertilization cone)，精子 逐渐被“拖入”卵内。 4．海胆皮层反应与多精受精的阻止 海胆有两种机制来避免多精入卵：一是通过卵细 胞膜电位变化快速阻碍精子入卵；二是通过皮层 颗粒胞吐作用，形成受精膜持久阻止精子入卵。 (1)卵细胞膜电位变化快速阻止多精入卵— —快封闭反应 阻止多精入卵的快速反应是通过改变卵细 胞膜的电位而实现的。快封闭反应指精子 进入卵细胞触发细胞膜电位势迅速改变， 引起膜外精子与卵细胞识别和融合的障碍。 受精前，海胆卵细胞内膜的Na+浓度远远低于外膜，而K+ 浓度则高于外膜，并在膜两侧形成稳定的电位差。膜的静 息电位一般为–70mV左右(细胞内部电势为负)。在与第一 个精子结合后的l～3s内，由于少量钠离子内流进入卵细 胞内，膜电位开始向正值转换，甚至可以达到+20mV左右。 尽管精子可以与静息电位为–70mV的膜融合，但不能与静 息电位为正的膜融合，因此阻止了多精入卵的发生。快封 闭反应维持的时间大约在1 min左右。 (2)皮层颗粒反应慢速阻止多精入卵——慢封闭 反应 皮层颗粒反应(cortical granule reaction)是指当精 卵质膜融合时卵子被激活，皮层颗粒膜与其外的 卵质膜发生融合，导致皮层颗粒的胞吐作用，这 种现象又称为皮层颗粒反应。 5．海胆卵的激活 成熟的卵母细胞处于休眠状态，表现为代谢降 低，蛋白和核酸的合成大幅度降低，其中DNA的合 成完全停止。经精子刺激，成熟卵从休眠状态进 入活动状态，称为卵激活(activation)。当精膜 与卵膜融合后，通过信号转导激活了卵子的发育。 (1)精子诱导卵激活的两个假说—— (i) 受体假说；(ii) 融合假说 (2)卵子激活过程 海胆卵子的激活可分为“早期”反应和“晚期”反应两个阶段。 “早期”反应指从精卵接触到发生皮层反应的数秒内发生的 事件；“晚期”反应指受精开始后数分钟发生的事件。 (1)早期反应 海胆卵细胞的激活依靠于细胞内钙离子浓度的增 加。海胆卵内钙离子可能来自内质网。钙离子的 释放开始于精卵融合位点并以钙离子波形式扩散 到整个卵细胞。钙离子的释放激活了一系列的代 谢反应。NAD+激酶的激活是其中之一，NAD+激 酶可将 NAD+转化为NADP+。由于NADP+可作 为脂质合成的辅酶，因而这一转化对脂质代谢具 有重要影响。在卵裂过程中，需要构建大量新的 细胞膜，因此NAD+向NADP+的转化对于卵裂中 新的细胞膜合成是非常重要的。 (2)晚期反应 海胆卵细胞钙离子水平升后不久，其细胞内pH值 也会增加。pH值的增加伴随着第二次钠离子的流 入，这种钠离子的流入将会导致海水中的钠离子 与细胞内的氢离子按l:l进行交换，通过这种离子 交换，将海水中的钠离子摄取进细胞内，而将氢 离子排出胞外，从而使卵子内 pH值从6.8上升到 7.2。pH的升高和钙离子浓度的增加激活了蛋白质 与DNA的合成。 6．海胆雌雄原核的形成及融合 精子进入卵细胞质后，雄原核旋转180°，因此精子 的中心体正好位于雌原核与雄原核之间。精子的中心体作 为微管组织中心，延长自身微管，并与卵子微管一起组装 形成星体。雄性原核在微管的引导下，向雌性原核方向迁 移，使雌雄原核彼此靠拢。此时，DNA复制开始，至两核 融合前结束。最后雌雄原核融合，形成二倍性的合子核， 受精结束。 二、哺乳动物的受精 哺乳动物的精子进入雌性生殖道后，它们经过一 个获能(capacitation)过程，以去除某些抑制因素， 便于受精。获能后的精子结合于透明带，引发顶 体反应，酶从顶体泡中释放出来，破坏了透明 带，从而结合于卵质膜上。精子头部的质膜与卵 质膜融合，卵被激活，导致皮层反应的发生，引 起皮层颗粒的释放，精子核进入卵内。随后发生 雌雄原核的形成及融合，完成受精过程。 1．精子获能 精子获能(capacitation)是指射出的精子在若干生殖 道获能因子作用下，精子膜发生一系列变化(如吸 附于精子膜表面精液蛋白的去除，膜表面蛋白的 重组等)，进而产生生化和运动方式的改变。获能 后精子穿越卵母细胞周围的滤泡细胞和透明带的 能力提高，这是精子发生顶体反应的前奏。基本 上所有哺乳动物精子都有获能现象。 (1)精子获能机理 在精子获能过程中，有4类分子发生改变： ™第一，精子细胞膜的流动性的改变，这种改变是由雌性 生殖道内白蛋白去除精子表面的胆固醇而导致。 ™第二，在获能过程中，精子表面特定的蛋白质或糖类丢 失。有可能这些成分阻碍与透明带结合的蛋白识别位点。 ™第三，由于钾离子的流出导致精子的膜电位进一步降低。 膜电位的这种改变导致钙离子通道打开，钙离子进入精子。 钙离子和碳酸盐离子可能对生成cAMP的活化和促进顶体反 应中膜融合是非常重要。 ™第四，蛋白质的磷酸化。 (2)获能精子的变化 获能的精子在结构和功能上都发生一系列特 异性变化，表现在精子的超活化、精子代谢方式 改变和精子膜变化。 2．精子的趋化性 除了增加精子的活性导致精子获能外，输卵 管中的可溶性因子还为精子运动提供指向作用。 据推测在精子迁移的最后阶段，卵子(或者更可能 是卵子周围的滤泡细胞)分泌趋化物质吸引精子向 卵子运动。 3．精卵的识别的分子基础 精卵识别与精子质膜及卵透明带中所含糖蛋 白有直接关系。在精卵识别中存在着精子受体和 卵透明带(zona pellucida，ZP)配体相互作用的糖 类识别机制及精子质膜与卵子质膜的糖蛋白识别。 在哺乳动物小鼠中，通常把卵子透明带中与精子 结合的蛋白(ZP)叫做精子受体，而把精子表面与 ZP结合的蛋白叫做卵结合蛋白。 (1) 卵细胞透明带的结构和性质 透明带（zona pellucida，ZP）在哺乳动物卵 子中扮演了一个重要的角色，它的主要功能包括： 顶体胞吐作用、精卵识别、卵子与精子顶体结合、 精子激活和阻断多精入卵。 在小鼠中，透明带主要由ZP1(200 kDa)、ZP2 (120 kDa)和 ZP3(80 kDa) 3种磺酰化的糖蛋白组成，其中以ZP3的含量 最为丰富。由ZP2和ZP3二聚体重复形成的丝状“串珠”样 结构，通过ZP1二聚体间的二硫键交互连接，组成可通透 大分子的膜孔状透明带。在3种蛋白质中，ZP1仅具结构 功能，而ZP2和ZP3则同时参与配子间的相互作用。 (2) 具受体功能的精子表面蛋白 在精子膜上发现起码有3种受体成分与ZP3的特异识别有 关： ①sp56，可与ZP3分子上的半乳糖端部相结合。 ②βl,4-半乳糖转移酶-I(β1,4-galactosyltransferase， GalTase-I)，是精子表面负责与ZP3结合的蛋白。 GalTase-I能结合ZP3糖链末端的N-乙酰葡糖胺(N- acetylglucosamine)残基，GalTase-I能激活G蛋白，引起 精子顶体反应。 ③分子质量为9.5×104的跨膜蛋白，它的外侧部分可与 ZP3分子特异结合，而内侧部分具有酪氨酸激酶的功能。 4．顶体反应 顶体反应(acrosomal reaction)是指精子获能后，在 穿透卵子卵丘、放射冠和透明带之前或穿透这些 结构时，顶体发生一系列变化，由此导致顶体内 容物水解酶等的释放，酶解卵泡细胞间质、透明 带和卵质膜，形成精子穿过的通道的过程，它是 精卵结合不可缺少的条件。 (1) 顶体反应过程 精子发生顶体反应时，顶体首先膨胀，质膜下空 间变得更加狭窄，从而使质膜与顶体外膜紧贴， 继而发生质膜与顶体外膜的多点融合，融合处破 裂，融合的质膜与顶体外膜形成杂合的膜泡。此 时顶体通过破裂口与精子外部相通，顶体内容 物——水解酶被激活并通过破口扩散出精子头部。 随着顶体反应的进行，杂合膜泡逐渐脱落丢失， 顶体内膜暴露。 (2)顶体反应的调 控机制 在受精过程中， ZP3通过糖链介导 的方式参与雌雄 配子的识别与早 期结合，并作为 调控信号与精子 细胞膜受体结 合，诱导顶体反 应发生。 (2)顶体反应的调 控机制 ™（i）离子调控 ™（ii）脂质调 控 ™（iii）磷酸肌 醇调控 5．二次结合 在顶体反应期间，与ZP3结合的顶体前端发生胞吐作用， 精子必须继续与透明带结合才可以完成穿透作用，这种结 合称为二次结合(secondary binding)。二次结合是通过顶体 内膜上的特殊蛋白质与透明带中的ZP2糖蛋白结合形成的。 ZP2作为受精过程中的另一个重要功能蛋白质，ZP2不能与 完整精子结合，但可以与发生顶体反应的精子结合。这说 明顶体反应后精子与透明带的结合从ZP3分子转到了ZP2分 子，ZP2作为精子的二级受体，其作用在于进一步加固与 精子的结合，同时也具有阻止多精入卵的功能。 6．皮层反应/透明带反应 哺乳类动物在受精后同样通过两种机制阻止多精 进入，一是膜瞬间去极化；二是通过皮层反应， 破坏精子受体。皮质颗粒释放的酶对透明带中的 精子受体分子进行修饰(剥离ZP3分子上的糖基)， 使之丧失与精子结合的能力，因此称为透明带反 应。 7．原核形成和融合 精子的刺激使处于休眠状态的卵子被激活， 重新回到减数分裂阶段，迅速完成第二次分裂， 释放极体。此时精子和卵子的细胞核分别称为雄 原核(male pronucleus)和雌原核(female pronucleus)。 两个原核逐渐在细胞中部靠拢，核膜随即消失， 染色体混合，形成二倍体的受精卵(fertilized ovum)，又称合子(zygote)。 第三节 受精后卵质的重排 受精启动了卵子胞质的重排，这种重排对以后发 育过程中细胞的分化至关重要。在卵裂过程中， 胞质中含有的形态发生决定子分离到特定的细胞 中去，最终导致特定基因被激活或被抑制，从而 使不同的细胞获得不同的特性。 青蛙的精子可在卵子动物区域的任意部位进入， 当精子进入后，就会改变卵细胞质的排布。最初 卵细胞在动物极—植物极轴向上呈辐射对称。然 而，当精子进入卵细胞后，皮层向精子进入的方 向旋转约30°。在动物极皮层含有大量黑色素物 种中，皮层旋转使精子进入位点对面的卵表面形 成“新月形”的灰色区域，该区域称为灰色新月区 (gray crescent。灰色新月区的出现确定了未来 原肠形成部位和胚胎的体轴走向。 被囊动物裂柄海鞘(Styela partita)的未受精的卵子，外 周为一层含有黄色脂肪的皮质层，而细胞核及周围的透明 物质集中在上端的动物极处。在受精5min后，动物极的透 明物质与黄色皮质层向植物极迁移。当雄原核由植物极细 胞向赤道迁移时，黄色皮质层也随之迁移，形成一黄色新 月状结构，从植物极延伸到赤道处。迁移也将黄色胞质携 带到此处，以后此处生成肌肉细胞。受精卵细胞质这一运 动和重排过程的实验有赖于微管动态构建和钙离子的作用。 第二章 受精作用 第一节 生殖细胞的结构 第二节 受精过程 第三节 受精后卵质的重排