受精概述
受精的定义与功能
- 定义：两性生殖细胞结合并创造出具备源自双亲遗传潜力的新个体的过程
- 两种活动：
- 性活动：双亲基因的组合并传给后代
- 复制活动：激发卵子发育，产生新生物体
- 主要功能：
- 将父母的基因传递给子代
- 激活卵细胞质中的发育系统
受精过程的主要阶段
- 卵母细胞成熟
- 精子获能
- 精卵间的接触和识别
- 精子入卵
- 卵的激动并开始发育
- 配子遗传物质的融合
精子与卵子结构
精子：头部（含顶体、细胞核）、中段（含线粒体）、尾部（鞭毛）
卵子：质膜、皮层（含皮层颗粒）、卵黄膜（透明带）、胶膜
海胆卵子结构示意图
示精子和卵子的大小比例
受精的专一性（精卵识别）
物种特异性识别
- 受精具有严格的物种特异性，保证个体发育正常
- 卵膜上存在物种特异性受体识别精子
- 海胆胶膜具有凝集精子和诱发顶体反应的作用
- 分离出的精子激活肽（resact）可刺激精子呼吸和游动
海胆模型
- 精子表面结合素与卵膜上对应受体识别
- 胶膜中的多糖物质诱发顶体反应
- 加入10nM呼吸活化肽（resact）后精子快速聚集
哺乳动物模型
- 特异性识别发生在透明带上
- 糖蛋白：ZP1、ZP2、ZP3
- ZP3是主要的精子捕捉分子
精子准备过程
精子获能
- 哺乳动物精子需在雌性生殖道停留特定时期以获得受精能力
- 获能期间精子细胞膜发生系列变化：
- 内膜分子重排
- 精子表面某些成分移除
- 获能位置随物种不同：
- 啮齿类、猪、狗：在输卵管获能
- 其他物种：在子宫或输卵管壶腹部
- 关键分子机制：
- 激酶参与：PKA，PKC，酪氨酸激酶
- 受精促进肽（FPP）：由前列腺分泌，促进获能
精子的趋化性
- 精子向卵子定向游动的能力
- 海胆胶膜中分离出的精子激活肽（resact）：
- 刺激精子呼吸和游动
- 活化鸟苷酸环化酶
- 活化ATP酶
顶体反应
顶体反应机制
- 精子在与卵子结合前释放顶体中的酶系
- 类似胞吐现象：顶体外膜与精子质膜多点融合
- 释放的酶类：
- 透明质酸酶：溶解卵丘细胞间基质
- 卵冠穿透酶：帮助精子穿过放射冠
- 顶体酶：水解透明带中的蛋白质
- 只有发生顶体反应的精子才能进入卵子
海胆顶体反应
- 精子与卵子胶膜结合后触发
- 顶体膜与精子质膜融合
- 形成顶体突起（acrosomal process）
- 释放结合素（Bindin）
哺乳动物顶体反应
- 顶体为帽状结构覆盖精核前端
- 顶体帽质膜与顶体外膜多处融合
- 释放顶体内含物
顶体反应的调控机制
- 离子调控：
- Ca²⁺泵、Na⁺/Ca²⁺交换器和钙离子通道调控Ca²⁺浓度
- K⁺、Mg²⁺、Cl⁻、H⁺参与调控
- 脂质调控：
- 调控膜的流动性和"钙泵"活性
- 磷酸肌醇调控：
- 多磷酸肌醇引起细胞内Ca²⁺释放
- 激活关键酶诱导顶体反应
精卵识别分子机制
哺乳动物精卵识别
- 精子与卵外的滤泡细胞、透明带和卵子质膜相互作用
- 小鼠透明带糖蛋白：ZP1、ZP2、ZP3
- 精子膜上受体：
- sp56：半乳糖结合蛋白，与ZP3半乳糖端结合
- 半乳糖基转移酶：与ZP3的N-乙酰葡糖胺结合，激活G蛋白诱导顶体反应
- P95：跨膜蛋白，外侧与ZP3结合，内侧具有酪氨酸激酶功能
ZP3在小鼠精子与透明带结合中的作用
示精子受体与ZP3的相互作用
海胆精卵识别
- 顶体反应后释放顶体酶降解胶膜
- 顶体突起与卵黄膜相互识别融合
- 特异性结合蛋白（Bindin）介导识别：
- 定位在精子顶体突起上
- 具有种属特异性
- 卵黄膜上存在Bindin受体
配子质膜粘附分子
- 精子质膜粘附分子：
- Bindin（海胆）
- Lysin（鲍）
- Fertilin和Cyritestin（哺乳动物）
- 卵子质膜受体：
- Integrin家族蛋白
受精的唯一性（阻止多精入卵）
快速封闭反应（膜电位变化）
- 第一个精子与卵质膜结合后1-3秒内发生
- 钠离子流入导致膜电位迅速升高（-70mV → +20mV）
- 阻止其他精子与卵膜结合
- 实验证据：
- 维持原有膜电位→诱导多精受精
- 改变初始膜电位→阻止受精
- 降低卵外Na⁺浓度→多精受精比率升高
海胆卵质膜去极化
示膜电位变化与多精受精的关系
慢速封闭反应（皮层反应）
- 受精后20-60秒内发生
- 皮质颗粒与质膜融合，释放内含物
- 形成受精膜（慢速阻止）
- 释放物质：
- 精子受体水解酶：破坏卵黄膜上的精子受体
- 卵黄膜分层酶：水解卵黄膜与质膜连接键
- 粘多糖：形成高渗压差，使受精膜膨胀
- 过氧化物酶：催化蛋白质交联使受精膜硬化
- 透明质素（hyalin）：形成透明质层支持分裂球
海胆皮层颗粒反应示意图
示受精膜形成过程
哺乳动物的透明带反应
- 不形成受精膜，但发生透明带反应
- 皮质颗粒释放酶修饰透明带中的精子受体
- N-乙酰葡糖酶修饰ZP3上的GalTase结合位点
- 阻断透明带外围精子与受精卵结合
配子遗传物质的融合
原核形成与迁移
- 海胆（垂直入卵）：
- 精核与线粒体、鞭毛分离
- 精核解凝聚形成雄原核
- 核膜重新组装
- 雄原核旋转180°，中心粒装配成星体
- 微管牵动两性原核相互靠近
- 哺乳动物（斜向入卵）：
- 整个精子入卵
- 谷胱甘肽还原鱼精蛋白，解凝聚
- 两性原核相向迁移，复制DNA
- 核膜崩解，染色质浓缩为染色体
基因组印记（Genomic Imprinting）
- 雌雄原核基因组不等同，存在选择性沉默
- 印记基因：在配子发生过程中被打上不同印记的基因
- 表达模式差异：
- 有些基因仅来自雄性表达
- 有些基因仅来自雌性表达
- 实验证据：
- 双雌原核或双雄原核胚胎发育异常
- 单性生殖胚胎发育失败
印记基因表达模式示例
| 基因 | 雄性表达 | 雌性表达 |
|---|---|---|
| Igf-2 | ON | OFF |
| H19 | OFF | ON |
| Igf-2r | OFF | ON |
卵子激活与代谢启动
卵子激活过程
- 精子入卵使卵子由休眠状态进入活动状态
- 早期反应：精卵接触到发生皮质反应（数秒内）
- 晚期反应：受精开始后数分钟内发生
- 代谢变化：
- 蛋白合成速率大幅增加
- 多聚核糖体比例迅速上升
- 利用储存的mRNA合成大量蛋白质
激活机制假说
- 受体假说：
- 精卵表面受体结合引发信号传导
- G蛋白偶联到PLC（磷酸脂酶C）
- PLC裂解PIP2生成IP3和DAG
- IP3刺激Ca²⁺从内质网释放
- 融合假说：
- 精子与卵质膜融合后，可溶性精子因子入卵
- 推测是一种蛋白质（尚未分离）
钙信号的核心作用
- Ca²⁺作为细胞内信使发挥关键作用
- 钙波从精子入卵点开始跨越整个卵
- 钙主要储存在卵细胞内质网中
- IP3激活Ca²⁺释放
- IP3的产生与GTP结合蛋白或酪氨酸激酶相关
海胆卵受精时的钙波传播
示从精子入卵点开始的钙离子释放
细胞质重组与卵裂准备
细胞质重组
- 受精后卵细胞成分重新排列分配
- 对后续细胞分化至关重要
- 形态形成决定子分配到特定细胞
- 导致特定基因激活，细胞获得不同特性
柄海鞘模型
- 减数分裂中核破裂释放清亮物质
- 受精5min后清亮层与黄色皮质层向植物极迁移
- 雄原核向赤道方向迁移
- 清亮和黄色胞质决定间充质和中胚层形成
两栖类模型
- 皮层向精子进入方向旋转约30°
- 形成灰色新月区
- 灰色新月决定胚胎背腹轴
卵裂准备
- 启动机制因物种而异，取决于减数分裂时期
- 胞内Ca²⁺浓度增加启动细胞分裂所需细胞器
- 第一次卵裂位置由精子进入点和卵质旋转方向决定
- 植物极半球微管沿背腹轴方向平行排列