第四章 受精

2.慢速阻止多精受精

慢速阻止多精入卵通过皮层反应得以实现。当第一个精 子与卵子发生质膜融合时，质膜融合处的卵子皮层颗粒 与卵子质膜发生融合。胞吐作用发生，皮层颗粒中的物 质释放入卵黄膜和卵子质膜之间的狭窄卵周隙中。皮层 颗粒的这种变化在一分钟之内波及全卵。
图4.15 海胆卵子的皮层反应
机制
从皮层颗粒中释放出来进入卵周隙的物质主要是蛋白 质和多糖。其中有一类蛋白水解酶能分解卵黄膜和质 膜之间起连接作用的蛋白质，卵黄膜和质膜不再紧紧 相连。 其次，该酶还破坏卵黄膜上精子受体蛋白，使精子不 可能与卵黄膜结合。
图4.7 小鼠精子顶体反应地点
2.海胆精子穿透卵胶膜和卵黄膜

海胆精子和其它无脊椎动物精子在顶体反应前没有经 过获能的阶段。当海胆精子与卵胶膜接触时，精子发 生顶体反应。
图4.8 海胆精子的顶体反应（A.精化，精子水解酶外泄；D.顶体突起。）
1.快速阻止多精受精

快速阻止多精受精由卵子质膜的电位变化来调节。

卵子质膜电位的升高为什么可以阻止多精入卵呢？
有两种可能的解释：
第一种解释认为卵子的质膜具有的精子受体是一种对电压 敏感的蛋白质。只有当卵子质膜的电位是负的状态下，该 精子受体才会与精子结合。 第二种解释认为精子质膜上有一种对电压敏感的蛋白，它 的作用是促进精卵质膜的融合。只有当卵子膜的电位是负 的状态下，精子质膜上的这种蛋白才会发挥作用。

二、皮层反应的调控

未受精的海胆卵子中贮藏有大量的钙离子。这些钙离子位 于内质网腔中，处于束缚状态。当精卵质膜融合时，钙离 子从内质网中泄漏出来，成为自由钙离子。卵子细胞质中 自由钙离子的增加触发了卵子的皮层反应。
受精卵中自由钙离子增加由下述实验证实
图4.18 海胆受精时出现的钙波（海胆卵子预先注入染料，该 染料一旦与钙离子结合就会发出荧光。当精子入卵，钙波出 现。钙波从精子进入点开始出现，在30秒钟之内扩散完毕）

进行孤雌生殖的卵子其染色体必须恢复成二倍体。 这往往在卵裂过程中实现。卵裂球的DNA复制， 而卵裂球却不分裂，这样卵裂球恢复了二倍性。 哺乳类中尚未见到有自然孤雌生殖的现象。
图4.5 精子结合于小鼠卵子透明带上（上） 当未受精卵在抗透明带抗体孵育后，精子不能结合（下）。
精子质膜与ZP3 的结合触发了精子内部自由钙离子的增加。 伴随着精子内部自由钙离子的增加，精子发生了如下变化
图4.6 仓鼠精子的顶体反应（A.精子头部结构； B.顶体反应时膜泡状化；C.顶体反应后的精子结构。）
海胆精子入卵过程（A.精子顶体突起与微绒毛接触； B.受精锥形成；C.精子入卵；D.精子从受精锥入卵。）
二、哺乳类的精卵融合
图4.12 哺乳动物受精过程 （A.精子穿过透明带；B.C.透明 带反应,精子入卵；D.释放第二极体； E.两原核靠拢；F.第一次卵裂中期。）
图4.13 哺乳动物精卵质膜的融合

哺乳动物和其它动物受精时卵子也发生皮层反应

皮层反应也起到阻止多精入卵的作用。小鼠的卵子皮层中 也含有大量皮层颗粒。皮层颗粒中含有水解酶类。当精子 与卵子的质膜融合时，皮层颗粒中的水解酶也会释放到卵 周隙中。透明带硬化。其它精子再也不能穿过透明带。
透明带在皮层反应后的硬化称为透明带反应。在透明带反 应时，ZP3 的化学结构可能发生了改变，ZP3再也不和精 子表面特异蛋白结合，也不诱发精子的顶体反应。ZP3的 结构改变可能是由于从皮层颗粒中释放出来的糖苷酶将 ZP3上的糖基切去的缘故。

如果用丁酸处理未受精卵，可引起卵子内部钙离 子浓度升高。接着再用高渗海水处理，就能促使 卵子中产生星体，这样卵子便会卵裂。经过这样 双重处理之后，未受精海胆卵便可发育到幼虫阶 段。

用蘸有血液的玻璃针在蛙的未受精卵刺一下，也 可以使未受精卵进行孤雌生殖。而用干净的玻璃 针却不能使蛙卵进行孤雌生殖。这可能是因为干 净的玻璃针仅起激动卵子的作用，并没有使卵子 中产生星体。而蘸有血液后，血液中破裂的血细 胞释放出来的星体可能粘附于玻璃针上，随着针 刺蛙卵，这些星体一起进入卵中，这样处理过的 蛙卵就会发育成正常的蝌蚪。
第二节 精卵融合
精子穿过卵膜之后到达卵子质膜表面。在这里精
卵质膜要发生融合，精子细胞进入卵子细胞质中。

一、海胆的精卵融合

海胆精子的顶体突起最先 穿过卵黄膜到达质膜表面。 在结合蛋白的作用下，顶 体突起与卵子微绒毛接触 处的质膜融合，两者细胞 质相连续。接着，与顶体 突起融合的卵子微绒毛扩 大成为半球状的受精锥。 精子的细胞核向受精锥中 的卵子细胞质靠近，最终 被受精锥吞入卵子细胞质 中

本节将详细讨论上述第二种方法即限制穿透卵膜的 精子数量。

海胆和其它多种海洋无脊椎动物在利用这种方法
阻止多精受精时可以分为两个阶段： 第一阶段为快速阻止多精受精。这个阶段开始于 精子接触卵子后的3秒钟之内。快速阻止多精受 精比较短暂。


第二阶段为慢速阻止多精受精。这个阶段发生于
精子接触到卵子后的1分钟左右。慢速阻止多精 受精是永久性的。

第五节 发育的开始

如前所述，精卵质膜的融合触发了一系列的变化。 卵子的这些变化统称为激活程序。 激活程序中的晚期反应直接与胚胎的形成有关。晚期 反应中包括卵子代谢的变化，如氨基酸运输的激活， 蛋白质合成速度的增加，DNA合成开始，与IP3肌醇 三磷酸）和DAG二酰甘油）的产生，自由钙离子的增 加和pH值的升高等有关。

精子在穿过透明带之前要先穿过放射冠，放射冠由 滤泡细胞组成。这些滤泡细胞来自卵丘。
图4.4 仓鼠的未受精卵（A.高倍显微镜示卵子；B.低倍镜下的卵子。）
精子靠自身活跃运动穿过放射冠到达透明带表面。

透明带化学组分之一 ZP3将诱发精子发生顶 体反应ZP3是一种糖蛋 白。它能与精子质膜中 的三种蛋白质产生特异 的结合。精子靠其质膜 中的这些蛋白质结合于 透明带上
海胆卵胶膜中的呼吸活化肽对精子的作用（A.呼吸活化肽未进入海水； B-F.呼吸活化肽进入海水20,40,50,70,90分钟后）
三、精子穿过卵膜

在精子和卵子结合之前，精子必须穿透卵子表
面的卵膜。卵膜除了保护卵子之外，还保证受 精在同种的精卵之间进行。
1.哺乳动物精子穿过透明带

哺乳动物的精子在穿过透明带之前必须在雌性生殖管 道里存在一段时间。在这段时间里精子产生了一个重 要变化称为获能。
有些动物，包括扁形动物、轮虫、昆虫和爬行类中 的某些种类却能进行自然孤雌生殖。自然孤雌生殖 也由卵子的激活程序促成。

胡蜂进行孤雌生殖时，卵子从雌性生殖道排出过 程中受到机械刺激而触发了激活程序。

某些行自然孤雌生殖的蝾螈采用一种很独特的方 法来使未受精卵触发激动程序。它们与异种雄蝾 螈交配。异种精子进入后仅使卵子激活，精子细 胞核在卵子中很快退化。这样卵子便可成功地进 行孤雌生殖。

第二种方法是限制穿过卵膜的精子数量。海胆和哺乳动物 都有效地利用这种方法来阻止多精入卵。
第三种方法是在多个精子入卵之后限制与卵子细胞核结合 的精子细胞核数量。如蝾螈卵子受精时，多达20个精子进 入卵子。尽管这些精子的细胞核都发育成雄原核，但唯有 一个雄原核能与雌原核（卵子的细胞核）结合。其余的雄 原核在受精卵第一次卵裂之前尽行死亡。
一、精子运动的激活
图4.1 细胞内pH值与精子运动

与海胆相比，哺乳类精子运动的激活机制所知甚 少。当精子排入雌性生殖道时，运动被激活。在 雌性生殖道里，精子的活动渐趋活跃。当精子到
达卵子附近时，运动更加激烈。
二、精子趋近卵子

精子运动的激活并不能保证精子能找到卵子。 特别当精子被释放于水域之中时，情况更是如 此。体外受精的动物进化出了一种特异的机制 以使得精子能接近卵子。这就是卵子能释放出 某种化学物质以吸引精子，同时精子也具有趋 化性。

鱼类的卵子外 方包有一层壳 膜。精子只能 通过壳膜上的 受精孔进入卵 子中。受精孔 附近的物质起 着吸引精子进 入受精孔的作 用。
图4.2 鲟鱼精子入卵过程（A.受精过程； B.将壳膜分离后精子从受精孔进入空的壳膜中。）
海胆精子也有趋化性。能吸引精子的物质位于卵胶 膜中。这种物质称为呼吸活化肽

虽然许多精子都能穿过卵膜，但是能进入卵子中 的精子通常只有一只。单精入卵能使受精卵恢复 二倍性，而多个精子入卵将产生多倍体。多倍体 的受精卵则会产生灾难性的后果。
在动物的长期进化过程中，产生了阻止多倍体出现 的三种方法。

其一是限制接近卵子的精子数量。如鱼类的卵膜上有一个 狭窄的受精孔，能穿过该受精孔到达卵子表面的精子数量 极为有限。如果剥离卵膜，多个精子就有可能进入卵子中， 早期胚胎将死亡。
图4.23 被囊动物受精卵 细胞质的重新分布
图4.24 蛙受精卵灰色新月的形成

当受精卵的细胞质发生了重新分布、雌雄原核结 合，DNA开始复制，新的蛋白质开始合成之后， 卵子受精后的第一个细胞周期的间期行将结束， 受精卵即将进入第一个细胞周期的分裂期即第一 次卵裂.
第七节 孤雌生殖

孤雌生殖是动物的卵子不经受精而发育的过程。 孤雌生殖既可自然发生也可人工诱导。人工诱导 孤雌生殖通过物理的或化学的方法来激活卵子。 由于卵子的激活由钙离子引起，因此只要能使卵 子中自由钙离子增加的方法通常能诱发卵子的激 动。但是卵子的分裂还需要中心粒形成星体。

皮层反应和NAD激酶 的激活依赖于卵子内 部自由钙离子的增加。 而其它的激活程序如 DNA和蛋白质合成的 激活既依赖于钙离子 的增加，也依赖于pH 值的升高。
海胆受精卵的激活程序
精卵融合是如何引起卵子中的的钙离子和pH的变化 呢？
图4.22 海胆卵子中钙离子产生的机制
第六节 卵子细胞 质的重新分布