移动版 | 网站地图 | 联系我们 | 所长信箱 | English | 中国科学院
 
首 页 机构概况 机构设置 研究成果 研究队伍 博士后 研究生教育 所级中心 合作交流 科学传播 创新文化 党群园地 信息公开
科学传播
科普动态
科普文章
科普专题
科学图片
科普场馆
科学难题
科普短片
现在位置:首页 > 科学传播 > 科学难题
哺乳动物受精时为什么只有一个精子穿入卵子?
  发布日期:2011-05-06  |  来源:  |      

精子和卵子是单倍体细胞,受精时一个精子入卵,与卵子的遗传物质结合,以保证合子重新恢复二倍体。在正常生理条件下,黄卵含量多的动物,例如鸟类、鱼类及许多无脊椎动物受精过程中有多个精子入卵,卵子中出现多个雄原核,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。哺乳动物是单精受精动物,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。在人类,尽管有三倍体和四倍体婴儿出生的报道,但多倍体婴儿通常有严重的缺陷,在绝大多数情况下多精受精会导致自然流产。与其他动物相比,猪的多精受精率很高,体内多精受精率可达到30%-40%,而体外多精受精率通常可超过65%[1]。猪卵母细胞质具有一定的清除多余精子的能力,多精受精的卵子中有多个雄原核形成,但是如果多余的精子不干扰正常的雌雄原核结合,胎儿能发育到期。当有多个雄原核与雌原核结合时,可形成二倍体、三倍体、四倍体胎儿,甚至有的胎儿中既有二倍体细胞,也有四倍体细胞,但生下来的小猪中未发现多倍体现象。

阻止多精受精的机制主要有两方面。一种机制是雌性生殖道的初步筛选。尽管哺乳动物一次射出的精子数量可达数千万甚至上亿个,但最终通过生殖道达到受精部位的精子数量很少,通常精子数与卵子数比例不超过10:1。阻止多精受精的另一个机制是卵子本身具有强烈的阻止多精受精的能力。参与阻止多精受精的是卵子所特有的一种细胞器-皮质颗粒。精子穿入卵子后,卵子皮质颗粒的内容物很快释放到卵周隙中,使透明带发生修饰,几分钟内便会在透明带水平上阻止其他精子再进入卵子;与此同时,精子膜、卵质膜、皮质颗粒膜融合,可能改变了卵质膜的性质,从而在卵质膜水平上阻止多精入卵。根据动物种类不同,多精受精的阻止或主要发生在透明带水平上,或主要发生在卵质膜水平上,或二者兼有。但是透明带和卵质膜通过什么机制来完成这一使命目前了解的还不多。

哺乳动物精子入卵后,激发卵质膜下的皮质颗粒发生胞吐的过程,称为皮质反应。皮质颗粒的胞吐是“爆炸性的”,从精子入卵点开始迅速向四周扩散。可以认为卵母细胞是一种分泌细胞,但它与持续性分泌细胞不同的一点是,其整个生存周期中分泌活动仅发生一次,这一特性非常类似于受精过程中精子的顶体反应。至于卵子皮质反应的机理,目前主要有两种观点。一种观点认为,皮质反应的发生是一个卵质膜受体介导过程,通过活化G蛋白或酪氨酸蛋白激酶,激活磷酯酰肌醇信号通路,导致内源性Ca2+的释放;同时,DAG激活蛋白激酶C(PKC),最终导致皮质颗粒膜与卵质膜融合,发生皮质反应。另一种观点认为,精子入卵时带入可溶性的卵子激活因子,从而诱发皮质反应的发生[2]

皮质反应后胞吐到卵周隙中的皮质颗粒内容物,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。多种动物包括人卵子透明带都有三种糖蛋白(ZP1,ZP2, ZP3),其中ZP3和 ZP2分别是精子的初级受体和次级受体[3]。阻止多精入卵的透明带变化可能包括透明带上精子受体的灭活或水解,改变其识别精子的正常功能,游离的精子不能再与透明带结合,已与透明带结合或部分插入透明带的精子不能再穿过透明带。在小鼠上的研究发现,受精后初级和次级精子受体ZP3和ZP2都发生了修饰,ZP2发生了一定程度的水解,ZP3失去了精子受体的功能。早期研究发现,皮质颗粒内容物中含有类胰蛋白酶,可以引起透明带生化改变,但后来没有人对卵子中类胰蛋白酶进行持续研究。海胆卵母细胞受精后,皮质颗粒胞吐物卵过氧化物酶造成的受精膜硬化,参与多精受精的慢速阻止;卵过氧化物酶也存在于小鼠卵母细胞的皮质颗粒中,并能引起透明带硬化,但相关机制不清楚。爪蟾卵子皮质颗粒中含有的糖苷酶可以引起透明带糖蛋白的构象变化,使透明带变硬,并使精子的受体发生修饰。小鼠卵母细胞的皮质颗粒中含N-乙酰氨基葡萄糖苷酶,能破坏透明带上与精子质膜b-半乳糖苷转移酶的结合位点[4]。目前还不清楚其他哺乳动物卵母细胞的皮质颗粒是否也含有这些酶。

兔卵的多精受精阻止主要发生在卵质膜水平上,猪卵质膜反应在阻止多精受精中也发挥重要作用,但透明带硬化也参与阻止多精入卵[5]。卵质膜反应阻止多精受精只是一种现象描述,对其机理了解的不多[6]。精子与卵子质膜的相互作用经历两个步骤,首先精子与卵子表面结合,然后精卵质膜融合。目前还不清楚卵质膜阻止多精受精是通过阻止精子结合还是融合而起作用的。卵子质膜上与精子相互结合和融合的分子是否在阻止多精受精中发挥重要作用也不清楚。卵子质膜中的整合素和精卵融合有关。有人提出这样一种假说,即精子与卵质膜上的整合素结合激活卵子,反馈抑制其他精子再与整合素结合,参与质膜阻止多精受精,也有人提出精子入卵后可能使卵质膜上的整合素灭活,但这些假说还缺乏实验依据支持[1]。跨膜蛋白CD9在不同动物卵子质膜上均有表达,CD9 / 雌性小鼠发生严重的生育力下降,因为精子不能与CD9 / 卵子融合[7]。受精后,CD9的降低可能与多精受精阻止有关[8]。有人推测,皮质颗粒胞吐时,皮质颗粒膜插入卵质膜,形成新的嵌合膜,改变了质膜原有的性质,使其不再接受精子,但这仍缺乏直接证据。关于皮质颗粒内容物是否参与质膜阻止多精受精,存在两种明显不同的观点。一种观点认为,皮质反应发生后,皮质颗粒的某些成分与卵质膜结合,可能在阻止多精受精中发挥作用。另一种观点认为,质膜阻止多精受精时,皮质颗粒内容物不起作用。

总之,哺乳动物精子入卵后,卵子发生皮质反应,主要以透明带反应和卵质膜反应阻止多精入卵。但是,目前对卵子皮质反应发生的机理、透明带变化的生物化学及生物物理基础还了解的很少,尤其是卵质膜阻止多精受精只是一种现象描述,对其机理了解的不多。(动物所 / 孙青原)

参考文献:

1. 杨增明,孙青原,夏国良. 生殖生物学. 北京:科学出版社,2005.

2. Sun QY. Cellular and molecular mechanisms leading to cortical reaction and polyspermy block in mammalian eggs. Microsc Res Tech. 2003;61(4):342-8.

3. Litscher ES, Williams Z, Wassarman PMZona pellucida glycoprotein ZP3 and fertilization in mammals.Mol Reprod Dev. 2009 ;76(10):933-41

4. Hoodbhoy T, Talbot P. Mammalian cortical granules: contents, fate, and function. Mol Reprod Dev. 1994;39(4):439-48.

5. Coy P, Grullon L, Canovas S, Romar R, Matas C, Aviles M. Hardening of the zona pellucida of unfertilized eggs can reduce polyspermic fertilization in the pig and cow. Reproduction. 2008 ;135(1):19-27.

6. Gardner AJ, Evans JP. Mammalian membrane block to polyspermy: new insights into how mammalian eggs prevent fertilisation by multiple sperm. Reprod Fertil Dev. 2006;18(1-2):53-61.

7. Naour FL, Rubinstein E, Jasmin C, et al. Severely Reduced Female Fertility in CD9-Deficient Mice. Science, 2000, 287:319 - 321

8. Zyłkiewicz E, Nowakowska J, Maleszewski M. Decrease in CD9 content and reorganization of microvilli may contribute to the oolemma block to sperm penetration during fertilization of mouse oocyte. Zygote, 2009, doi:10.1017/S0967199409990189

【来源:《10000个科学难题——生物学卷》P206-208。】

【本文为动物所科研人员原创文字;本文不得转载,不得用于商业用途!】
 

  Copyright © 1995-2018 中国科学院动物研究所 版权所有
备案序号:京ICP备05064604号 文保网安备案号:1101050062
地址:北京市朝阳区北辰西路1号院5号 邮编:100101
电子邮件: ioz@ioz.ac.cn, 电话: +86-10-64807098, 传真: +86-10-64807099