第七章受精的機制

第七章受精的機制排卵(ovulation):

在體內(nèi)外諸因素(環(huán)境,神經(jīng),激素,酶等)作用下卵子由卵巢排出。卵子的成熟和排放是互不依靠的兩個過程，只有適當(dāng)成熟的卵子才能受精.受精（fertilization）是兩性細胞（生殖細胞）融合并創(chuàng)造出具備源自雙親遺傳潛能的新個體的過程。受精過程完成兩種不同的活動：

1.性活動（源自雙親基因的組合）

2.復(fù)制活動（新生物個體的產(chǎn)生）受精的兩個功能：

第一個功能是將父母的基因傳遞給子代，

第二個功能是在卵細胞質(zhì)中激發(fā)確保發(fā)育正常進行的一系列反應(yīng)。

受精過程：卵母細胞成熟、精子獲能、精卵間的接觸和識別（包括化學(xué)趨勢向性的距離效應(yīng)）、精子入卵（配子融合和遺傳物質(zhì)的融合）、卵的激活并開始發(fā)育。受精的概念及功能第一節(jié)卵母細胞成熟絕大多數(shù)脊椎動物和文昌魚等動物的受精發(fā)生在卵母細胞第二次減數(shù)分裂中期。

長足的卵母細胞長期停頓于第一次減數(shù)分裂的雙線期。

在適當(dāng)?shù)男盘柎碳は驴梢曰謴?fù)減數(shù)分裂，直至第二次減數(shù)分裂中期，成為等待受精的成熟卵母細胞。卵母細胞成熟的標(biāo)記是生發(fā)泡破裂、染色體聚集、紡錘體形成和第一極體排出。

誘發(fā)卵母細胞恢復(fù)減數(shù)分裂的信號因動物而異：

海星

1-甲基腺嘌呤;

魚類17α,20β-二輕-4-孕烯-3-酮（簡寫17α,20β-DHP)

兩棲類

孕酮;

哺乳類

4,4-二甲基-5α-膽甾基-8,14,24-三烯-3β-酚(簡稱FF-MAS)。在分子水平變化為:

細胞內(nèi)cAMP濃度下降,Ca2+濃度上升,蛋白質(zhì)合成增加(磷蛋白pp39mos,促成熟因子MPF)

啟動卵母細胞成熟分裂恢復(fù)的活動發(fā)生在細胞周期的晚G2相（或稱G2/M相）。由于外源信號能迅速導(dǎo)致卵母細胞cAMP含量下降，推測在外源信號刺激之前，長足卵母細胞被一種依賴cAMP的PKA磷酸化的蛋白質(zhì)控制著，使之停頓在第一次減數(shù)分裂的雙線期。在該蛋白去磷酸化之后，卵母細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成增加。在翻譯的蛋白質(zhì)合成產(chǎn)物中，最引人注目的是pp39mos

。在長足卵母細胞質(zhì)中儲存著母源性c-mosmRNA，經(jīng)外源信號刺激，母源性c-mosmRNA加polyA尾，由此翻譯出相對分子質(zhì)量39*103的磷蛋白pp39mos.該蛋白只在成熟過程中出現(xiàn),受精后迅速降解。

MPF是由調(diào)節(jié)亞基CyclinB與催化亞基p34cdc2(細胞周期調(diào)控蛋白）組成，其激活不依賴于卵母細胞轉(zhuǎn)錄水平的活動，卻依賴于翻譯水平的活動。CyclinB是一種周期性合成和降解的蛋白質(zhì)，對p34cdc2的去磷酸化和磷酸化具調(diào)節(jié)作用。在磷酸酯酶(cdc25基因產(chǎn)物）的作用下MPF前體中p34cdc2的Thr-14和Tyr-15被去磷酸化Thr-161保持原有被磷酸化的狀態(tài)，成為具激酶活性的MPF?；罨腗PF具自我擴增（autoamplification）作用，通過（間接）激活Cdc25進一步使更多的MPF前體活化。在一定量的MPF作用下，細胞即可跨入M相（圖8.12）。隨著受精，受精卵內(nèi)游離Ca2+增加，鈣調(diào)蛋白激活，并進一步使依賴鈣調(diào)蛋白的酪蛋白激酶II（CKII）活化。隨著CKII的活化c-mos基因產(chǎn)物pp39mos降解，Cdc2激酶失活，從而導(dǎo)致CSF解體，受CSF保護的CyclinB降解，細胞周期就由M相跨入G1相。

Cdk2:人?細?胞?周?期?蛋?白?依?賴?性?激?酶2?;CSF:細胞靜止因子;CyclinB:細胞周期蛋白B.第二節(jié)精子獲能哺乳動物新射出的精子不能受精卵子，必須經(jīng)過獲能（capacitation）。精子獲能是指精子在若干生殖道獲能因子作用下發(fā)生一系列變化獲得受精能力的過程。一、獲能精子中蛋白激酶活性的改變影響獲能研究最透徹的激酶(獲能因子)有依賴cAMP

的PKA，磷脂激活的蛋白激酶（PKC）和酪氨酸激酶。

1.PKA:在小鼠精子獲能期間，腺苷酸環(huán)化酶活性和cAMP

合成均增加，PKA的兩種不同成分PKI和PKA的調(diào)節(jié)亞單位可抑制獲能反應(yīng)。

2.PKC：PKC參與精子運動和頂體反應(yīng)，用phorbolester(佛波酯)刺激PKC可加速精子獲能。

3.酪氨酸激酶：用磷酸化酪氨酸抗體發(fā)現(xiàn)小鼠精子中3種不同是磷酸化蛋白：52kDa、75kDa和95kDa。后兩種只在獲能精子中磷酸化，為獲能專一的標(biāo)記物.

二、源于雄性生殖道的受精促進肽受精促進肽（fertilizationpromotingpeptide,FPP）在精子獲能中起一定的作用。

FPP是一種由前列腺分泌到精液中的三肽(pGlu-Glu-ProNH2)。將FPP加人到未獲能的小鼠或人精子懸液中，可以實現(xiàn)獲能反應(yīng)和提高受精／穿透能力。FPP尚可抑制精子頂體的丟失，使精子維持比較高的受精能力。腺苷（adenosine）能調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶的活性，對獲能和未獲能的兩種精子產(chǎn)生的作用與FPP的作用相似。兩種不同受體分子的相互作用可以調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶/CAMP的信號傳遞途徑。體外實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)若于具生物學(xué)活性的FPP連接肽，其中引人最感興趣的是Gln-FPP(pGlu-Gln-ProNH2），存在于人類的輸精管液中，它能改變FPP和腺苷的生物學(xué)活性。Gln一FPP存在于前列腺機能障礙的男人輸精管內(nèi)，在體內(nèi)通常無明顯的活性，但它能與FPP發(fā)生競爭性抑制效應(yīng)。由小鼠t-complex基因編碼的蛋白TCP-11，可能是FPP的受體。人類具有TCP-11的同源基因，提示TCP-11和FPP在生育／低生育力的人中占有一定作用。第三節(jié)精卵識別的分子基礎(chǔ)精卵識別有距離識別和接觸識別，前者見于體外受精動物的向化性距離識別效應(yīng)；在接觸識別中精子與濾泡細胞、透明帶（zonepellucida，ZP）和卵黃膜在三個獨立的水平精確的相互作用，其中精子與透明帶相互作用為專一的反應(yīng)，可誘導(dǎo)頂體反應(yīng)(acrosomalreaction).頂體反應(yīng)的重要作用在于釋放頂體內(nèi)的酶和使精子膜成分重新分配、暴露或被修飾。精卵不僅互相粘附，同時進行融合,并誘發(fā)卵中的一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo),導(dǎo)致生物學(xué)事件發(fā)生.一、

精子的向化性：許多動物卵母細胞在完成第二次減數(shù)分裂后釋放物種特異的向化因子。海膽卵膠膜中分離出含14個氨基酸的精子激活肽resact，可吸引精子.二.具受體功能的精子表面蛋白：已發(fā)現(xiàn)動物精子在與透明帶糖蛋白結(jié)合中存在一些起受體作用的精子表面蛋白。研究較多的有以下三種：1.半乳糖基轉(zhuǎn)移酶(GalTase):

精子和體細胞均表達，是細胞表面的，末端具有N-乙酰葡萄糖胺的寡糖苷配體的受體?；罹颖砻娴腉alTase能選擇的與ZP3(精子結(jié)合蛋白)作用，將半乳糖特異的轉(zhuǎn)移到ZP3。精子表面的GalTase

與其配體結(jié)合,能激活精子的G蛋白并誘導(dǎo)頂體反應(yīng)。2.SP56（透明帶附著分子，半乳糖結(jié)合蛋白）位于頂體完整精子的頭部，能與ZP3結(jié)合，可能結(jié)合ZP3上寡糖的一種外源凝集素.它是一種睪丸獨有的細胞膜蛋白.3.P95能與結(jié)合ZP3結(jié)合，其特點是它的酪氨酸被磷酸化。小鼠p95與ZP3結(jié)合將激活p95中酪氨酸激酶活性啟動一連串信號，導(dǎo)致頂體反應(yīng)。精子與透明帶的相互作用，誘導(dǎo)頂體反應(yīng)，釋放頂體內(nèi)的酶類和使精子膜成分重新分配、暴露或被修飾。精卵不僅互相黏附，同時進行膜融合，并引發(fā)卵內(nèi)一系列反應(yīng),使卵被激活.三、參與配子質(zhì)膜間相互作用的一些具黏附作用的分子

Fertilin原稱PH-30，為可能參與精卵膜間相互作用最有特征性的候選分子。

Fertilin為整聯(lián)蛋白樣蛋白，從屬于ADAM‘S(adisintegrinandmetalloprotease）或者MDC’s(metalloprotease/disintegrin/cysteine-rich)分子家族。

Fertilin是通過篩選豚鼠精子表面單抗而首次分離得到的?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有幾種這類抗精子表面抗體可結(jié)合在參與精卵融合的精子頭后部，其中一個抗體針對PH-30，具抑制精子與無ZP的豚鼠卵融合，因此PH-30被命名為Fertilin。Fertilin是一種異源二聚體蛋白，并可形成高度有序的寡聚體。1.精子膜蛋白受精素Fertilin2.Cyritestin

Cyritestin(ADAM3,tMDCI）位于頂體反應(yīng)或具穿透能力的精子頂體內(nèi)膜或具完整頂體的精子赤道段。Cyritestin具備ADAM/MDC家族成員特征性結(jié)構(gòu)域，但在它的金屬蛋白酶區(qū)無活性位點序列，表明該區(qū)已被酶解失活；同時Cyritestin在半胱氨酸富集區(qū)無融合肽序列。Cyritestin的整聯(lián)蛋白配體區(qū)參與精卵之間的反應(yīng)。3.卵子質(zhì)膜上Fertilin的受體“Integrins”（整聯(lián)素）哺乳動物卵表面的整聯(lián)蛋白的亞單位有：α-2、α-3、α-4,a-5、α-6,α-m,α-v、β-1、β-2和β-3等之分。整聯(lián)蛋白的抗體具阻斷小鼠精卵之間的相互作用，α-2、α-4,a-5抗體在人精子與倉鼠卵間相互作用中具抑制作用。4.參與精卵間相互作用的其他分子DE(CRISP一1,ARP)一種相對分子質(zhì)量37x104的精子結(jié)合糖蛋白，由附睪上皮細胞以依賴雄激素的方式合成并分泌于精子頭部的表面。DE位于大鼠精子頭部的背側(cè)，在精子成熟（雌性生殖道內(nèi)）的過程中，DE轉(zhuǎn)移至赤道段，賦予精子與卵結(jié)合的能力。(2)細胞外基質(zhì)蛋白人精子上存在幾種細胞外基質(zhì)蛋白，如纖連蛋白(fibronectin),層粘連蛋白(laminin)和玻連蛋白(vitronectin)。有報道纖連蛋白與精子赤道段相結(jié)合。玻連蛋白位于具完整頂體的精子頂體部，在頂體反應(yīng)后釋放。(3)補體成分及它們的受體精子入卵似乎涉及多種與巨噬細胞吞噬作用有關(guān)的分子，如αmβ2/C3b/CD46系統(tǒng)。C3由雌性生殖道分泌，被蛋白酶（如頂體素）酶解成為具活性的C3片段“C3b”，能結(jié)合于精子頂體內(nèi)膜上的MCP（membranecofactorprotein,亦稱CD46)；又CR3（αmβ2）能識別Cab的RGD序列區(qū)，由此推測二聚體C3b可能作為一種“橋梁”通過精子的MCP和卵的。mP2使精子與卵結(jié)合在一起。四、頂體反應(yīng)的調(diào)控機制1．離子調(diào)控在離子調(diào)控中Ca2+起主導(dǎo)地位。在大多數(shù)哺乳動物的精子中，Ca2+主要分布于頂體區(qū)、頂體后區(qū)的頂體外膜的外表面，以及精子質(zhì)膜的內(nèi)表面；Ca2+的儲存區(qū)是頂體反應(yīng)的激烈區(qū)?，F(xiàn)已知膜上有Ca2+泵、Na+/Ca2+交換器和鈣離子通道3個Ca2+轉(zhuǎn)移系統(tǒng)均參與調(diào)控細胞內(nèi)的Ca2+濃度。Ca2十內(nèi)流是早期頂體反應(yīng)的關(guān)鍵，這在小鼠、豬、牛、豹中已獲證實。Ca2+內(nèi)流可導(dǎo)致H+外流，使精子內(nèi)部pH升高，誘發(fā)頂體反應(yīng)。2.脂質(zhì)調(diào)控脂質(zhì)在精子頂體反應(yīng)調(diào)控機制中起重要作用，由它調(diào)控膜的流動性和“鈣泵”的活性。牛和豚鼠精子在獲能后，頂體的外膜和精子的質(zhì)膜上的溶血卵磷脂含量下降，而卵磷脂含量升高。卵磷脂是由溶血卵磷脂酸產(chǎn)生的，并依賴于Ca2＋和磷脂酶A2作用產(chǎn)生溶血化合物，導(dǎo)致脂膜溶解，并發(fā)生胞吐作用。3.磷酸肌醇調(diào)控目前認為多磷酸肌醇的產(chǎn)物是誘發(fā)頂體反應(yīng)的第二信使。多磷酸肌醇在磷脂酶C(PLC)的作用下，產(chǎn)生4,5-磷醋酞肌醇二磷酸（PIP2)。PIP2被PLC水解，產(chǎn)生二酰甘油（DAG）和1,4,5一三磷酸肌醇(IP3),在IP3作用下，細胞內(nèi)非線粒體儲存的Ca2+釋放，使細胞內(nèi)Ca2+的水平提高，從而激活一些頂體反應(yīng)所需的關(guān)鍵酶；作為第二信使DAG，它活化PKC，后者使蛋白磷酸化，誘導(dǎo)頂體反應(yīng)。五、阻止多精人卵的機制為確保胚胎正常發(fā)育，必須阻止多精受精。對于海膽阻止多精入卵的機制研究得較清楚。在精卵接觸早期，當(dāng)精子與卵細胞膜結(jié)合（或融合）的最初1-3s內(nèi)，由于Na＋流入卵細胞膜，致使瞬時膜電壓升高。這是早期阻止多精入卵迅速發(fā)生的第一個屏障。但是由于膜電壓升高維持的時間非常短暫，完全阻止多精人卵還依賴于在精卵融合的瞬間發(fā)生的皮質(zhì)反應(yīng)（corticalreaction)或皮質(zhì)顆粒反應(yīng)（corticalgranulereaction)。在卵子發(fā)生中由高爾基體形成的皮層顆粒，以后遷移并分布于整個卵的皮層中。隨著精子與卵細胞膜的接觸和在該處Ca2+釋放，皮層顆粒發(fā)生胞吐蛋白酶和透明素等物質(zhì)，并且以輻射狀向著卵的四周波及。其胞吐的蛋白酶裂解卵細胞膜和卵黃膜之間的連接蛋白，同時其胞吐的黏多糖形成一種滲透梯度。由于滲透壓的作用，水進人細胞膜和卵黃膜之間，透明帶形成。而皮層顆粒胞吐釋放的其他酶使新形成的受精膜變性，出現(xiàn)遲緩但完全的阻止多精入卵的屏障。第四節(jié)遺傳物質(zhì)的融合精子與卵子的膜融合，精子的核和中心粒與線粒體和鞭毛脫離并入卵,精子核解濃縮成雄原核(malepronucleus).卵核變?yōu)閱伪扼w即稱雌原核（femalepronucleus).雄原核入卵后旋轉(zhuǎn)180°,中心粒位于雌雄原核之間,兩個原核彼此相向運動,融合形成二倍體的合子核。人類受精過程中雌雄原核的運動雖然哺乳動物的雌雄原核在遺傳上被認為是相等的,但研究提示它們在功能上可能是不同的(右下圖)。如子宮瘤(水皰狀胎塊)被認為是單倍體精子受精缺少雌原核的卵形成的。同樣孤雌生殖或卵二倍體形成的胚胎具有脊髓、肌肉、骨骼和器官，包括跳動的心臟.但在11-12天(小鼠妊娠期的一半)停止發(fā)育.

第五節(jié)卵新陳代謝的激活成熟的卵在代謝上是一個惰性的細胞,它被精子入卵重新激活.啟動一系列預(yù)定的代謝事件,如海膽:

精卵結(jié)合0秒受精卵電位升高

3秒以前精-卵膜融合30秒以前第一次鈣離子增加30秒皮質(zhì)泡的泡吐作用

30-60秒

NAD酶激活開始于1分鐘

NADH和NADPH增加開始于1分鐘精子進入1-2分鐘

H+離子流出pH升高1-5分鐘精子染色質(zhì)解濃縮2-12分鐘精子核移向卵中央2-12分鐘卵核移向精子核5-10分鐘激活蛋白質(zhì)合成開始于5-10分鐘激活氨基酸運輸開始于5-10分鐘起始D