发育：受精

chap5受精：新生命的开始Fertilization: Beginning a New Organism
受精是两性性细胞（配子 gamete）融合到一起而创造遗传了父母双亲基因组的新生命个体的过程。

受精的功能：
第一个功能是将父母的基因传递到后代；
第二个功能是启动卵子细胞质的反应而使发育进行。

虽然受精的细节在不同种动物存在差异，但基本内容包括如下四个主要的事件：
1、精子与卵子的接触和识别。

大多数情况下，这能保障受精的精子和卵子来自于同一个物种。

2、精子入卵的调节。

最终只能有一个精子能与卵子受精。

3、卵子的激活和调整和个体发育的启动。

4、精子和卵子遗传物质的结合以形成合子。

第一节精子与卵子的识别
Recognition of Egg and Sperm
精子与卵子相互反应的基本过程包括5个步骤：
1、卵子通过分泌的可溶性趋化分子吸引精子；
2、精子的顶体通过胞吐作用释放顶体内的酶；
3、精子结合到卵子的外膜上，即卵黄膜或透明带上；
4、精子穿过卵子的外膜；
5、卵子和精子质膜的融合。

许多海洋生物将它们的配子释放到环境中,在同一个时期其它的
动物也在释放出它们的精子和卵子。

这些动物动物面对两个问题：
1、在配子被如此稀释后的浓度下，精子和卵子如何才能相遇；
2、如何阻止精子与其它物种的卵子受精。

为解决这两个问题动物进化出了两种主要的机制：
1、物种特异性精子吸引(species-specific attraction of sperm);
2、物种特异性精子活化（species-specific sperm activation）。

精子吸引：远距离作用(Sperm attraction: action at a distance)在许多物种中，精子因趋化性（chemotaxis）而被吸向同种卵子，即精子跟随卵子所分泌的某种化学物质的浓度梯度而向卵子运动。

腔肠动物 cnidarian 未完成减数第二次分裂的卵母细胞不能吸引精子，而当完成了第二次减数分裂，卵子已准备好受精时，则能吸引精子。

已经从海胆Arbacia punctulata的胶膜(egg ielly)中分离出来了一种趋化性分子，这是一种的含14个氨基酸的精子激活肽Resact。

精子的质膜上有结合Rsact的跨膜蛋白受体，与Rsact结合后，所引起的反应可导致动力蛋白中的ATPase活化和激活线粒体的ATP生产装置，刺激精子的尾部摆动，使精子向Rsact浓度高的方向运动。

A.未加Rsact，B-D. 加Rsact后20、40、90秒的图象。

海胆的顶体反应（The acrosome reaction in sea urchins）
包括两项内容：顶体泡与精子质膜的融合以及顶体突起的伸出。

海胆顶体反应是精子质膜与卵子胶膜接触而启动的；
胶膜中至少有三种成分在精子质膜顶体处有特异性受体； 胶膜成分与受体的结合开启了精子细胞质膜上的钙离子通道，允许环境中的钙离子进入精子的头部；
钙离子介导顶体膜与靠近的精子细胞膜融合而引起顶体泡的胞吐作用；
顶体泡的胞吐作用而使蛋白水解酶释放，蛋白水解酶在胶膜上产生出一个通向卵子表面的通道;
启动顶体反应的海胆胶膜因子通常有高度的物种特异性; 钙离子也能激活定位于海胆精子的顶体区域的RhoB蛋白； 这种GTP结合蛋白可使球状肌动蛋白分子聚合成肌动蛋白纤维制造顶体突起。

海胆受精的物种特异性识别
调节这种识别的海胆顶体蛋白称为结合素（bindin）
从S. purpuratus顶体中分离来的bindin结合到同种的去膜卵上，而不能结合到A. punctulata的去膜卵上。

别的位置处。

海胆卵子的卵黄膜或质膜上存在物种特异性的bindin受体，卵子的表面只有有限的精子结合位点（A）。

结合素受体被认为能在卵细胞表面聚集成复合体，可能需要
数百个这种复合体才能将精子束缚在卵子上（B）。

哺乳动物配子的结合和识别
Gamete binding and recognition in mammals
哺乳动物的受精是在输卵管中进行的。

哺乳动物的精子离开精巢时不具备使卵子受精的能力。

精子在雌性生殖道内获得受精能力的现象称为精子获能。

精子获能的过程可能分为两步：第一步去掉一些附着在精子表面的蛋白质; 第二步是使精子质膜表面的糖蛋白发生改变，从而为顶体反应做好准备。

精子获能可能与蛋白激酶A（PKA）等以及雌性生殖道内的受精促进肽等有关。

已经获能的精子用精液处理又可去获能，失去受精能力。

ZP3抑制实验
小鼠透明带上有精子结合蛋白ZP3，在受精过程中的两种主要作用是：1)、 与精子结合和在结合后启动精子的顶体反应。

2）、 ZP3的碳水化合物部分对精子附着于透明带是关键的。

A. 小鼠精子的ZP3结合蛋白定位于顶体外的质膜上（用红色荧光抗体标记）；
B. 同位素标记的ZP3结合在获能了的精子上；
而不是ZP1和ZP2。

当ZP3与精子细胞膜上的受体交联后就会诱导顶体反应。

机制：交联的精子蛋白之一是半乳糖苷转移酶-I (galactosyl transferase-I)，这是一种膜内酶，其活性部位朝外并结合在ZP3的碳水化合物残基上。

这种交联激活精子细胞膜上的特异性G蛋白，启动一个开启细胞膜上钙离子信道和引起钙离子介导的顶体泡胞吐作用的联级反应。

穿过透明带（travering the zona pellucida）
通过在透明带上进行顶体反应，小鼠精子能够直接在附着处集中蛋白水解酶并通过消化作用在这一细胞外膜上形成一个通道。

在顶体反应过程中，精子前端的细胞膜，即含有ZP3结合位点的区域，会从精子上脱落下来。

精子与透明带的第二次结合是由顶体内膜上一些能与ZP2糖蛋白特异性结合的蛋白质来完成。

因此顶体完整的精子不能与ZP2结合，而发生了顶体反应的则可以。

第二节配子融合与阻止多精受精Gamete Fusion and The Prevention of Polyspermy
拉入卵子内。

部赤道区的地方。

融合是一个主动的过程，通常由特异的“融合”（fusogenic）蛋白介导。

已经有证据表明海胆精子的bindin所起的第二个作用就是作为融合蛋白。

结合素在其N-末端有一个伸展的长疏水氨基酸片段，这个区域可以在体外使磷脂泡融合。

有关哺乳动物精子和卵子融合的机制目前仍存在争论。

基因敲除实验表明CD9基因被敲除的雌性小鼠由于所产的卵子不能与精子融合而是不育的。

这种不育性可以通过显微注射编码小鼠或人CD9蛋白的mRNA而被逆转。

目前仍不知道这种蛋白促进细胞膜融合的确切机制。

一个精子进入了卵子后，带入了一个单倍体的细胞核和一个中心粒。

正常单精受精只有一个精子进入卵子，单倍体的精子核和卵子核合并而形成受精卵的二倍体合子（zygote）核，恢复这个物种的二倍体染色体数目。

精子带入的中心粒在卵裂时分裂形成有丝分裂纺锤体的两极。

防止多精受精（The prevention of polyspermy）
多精受精，即
多个精子进入
卵子，在大多
数动物中会造
成灾难性的后
果。

图为海胆
双精受精后可
能导致的情况。

海胆有两种机制避免多精受精：
1、通过卵子细胞膜上膜电位的变化完成的快速反应机制；
2、由皮层颗粒胞吐作用引起的慢速反应机制。

如果人工保持膜电位的负
电性或环境钠离子的供应
不足以有效引发膜电位的
转换，就会发生多精受精。

快速阻止多精受精是通过卵子质膜上的电位变化实现的：在第一个精子结合到卵子质膜后的1-3秒之内，膜电位由-70mv转变为带正电荷，约为+20mv。

精子能与静止电位为-70mv的卵子质膜融合，但不能与静止电位为正的细胞膜融合。

电阻止多精受精的机制在蛙类中也存在，但在大多数哺乳动物中可能不存在。

在精子进入后，皮层颗粒与卵子质膜融合，将其内含物释放到卵子质膜与卵黄膜之间的空隙中。

这种皮层颗粒的胞吐作用释放出几种蛋白质：
1、胰酶样蛋白酶，称为皮层颗粒丝氨酸蛋白酶（cortical granule serine protease）：这种酶分解连接卵黄膜蛋白与质膜之间连接蛋白，并将结合素受体与结合在其上的精子分离。

2、粘多糖（mucopolysaccharides）：粘多糖释放后形成一种渗透梯度，通过它的吸水而使水分进入到卵黄膜与质膜之间的空隙中，导致卵膜膨胀而变成为受精膜。

3、过氧化物酶（peroxidase）：其作用是通过将相邻蛋白
质的酪氨酸残基交联而使受精膜变硬，防止变性而能有效地保护胚胎的发育。

4、透明素（hyalin）：透明素聚集在受精卵质膜的表面连
成一层，在有钙离子存在的条件下是一种粘性很强的胶状物。

卵子伸出的微绒毛的顶端附着在这层胶状物上，使受精卵在随后分裂时形成的卵裂球能保持在一起而不会分离。

在哺乳动物中，皮层反应不会产生受精膜，但其最终的效应是相同的。

小鼠的皮层颗粒含有N-乙酰氨基葡糖苷酶（N-acetyl-glucosaminidase）。

这种酶能从ZP3碳水化合链上将N-乙酰氨基葡糖苷解离下来。

N-乙酰氨基葡糖苷是与精子结合的碳水基团之一。

ZP2被另一种皮层颗粒分泌的蛋白酶所分解。

然后也失去了与精子结合的能力。

海胆受精膜形成和多余精子被从膜上去掉的照片
游离钙离子启动皮层颗粒反应 ：
皮层颗粒反应的机制与顶体反应的机制相似，并可能涉及同样的分子。

一旦受精，卵子内游离钙离子的浓度大大增加。

在这种高钙离子的环境里，皮层颗粒膜与细胞质膜融合，释放其内含物。

一旦皮层颗粒的融合在精子入卵处开始，皮层颗粒胞吐作用的波就会围绕皮层向卵子的另一面迅速传布。

水母发光蛋白（aequorin）等发光染料或furo-2等荧光染料在结合了游离的钙离子后能发出光来。

当海胆被注入了染料后进行受精，可看到钙离子释放的冲击波从精子入卵点开始，在卵子上的传布，整个过程大约为30秒。

一旦启动，钙离子的释放就是自动扩散的。

游离的钙离子能使被束缚钙离子从储存的
地方释放出来。

实验证明钙离子直接与皮层颗粒反应的传布相关，而且这些钙离子是储存在卵子中的钙离子。

A23187是一种钙离子载体（ionophore），能使游离钙离子穿越细胞膜和向其他地方运输。

将未受精的海胆卵子放在完全没有钙离子，但含有
A23187的海水中，可以引起皮层反应和受精膜的举起。

因此A23187一定是引起了储存在卵子细胞器中的钙离子的释放。

在海胆和脊椎动物中，与皮层颗粒反应相关的钙离子是储存在卵子的内质网中（但螺蛳和线虫不是）。

海胆和蛙的内质网在
皮层中很明显，围绕在皮层颗粒周围。

游离钙离子产生的机制：
在精子接触点上，磷脂酰肌醇（PI）信号传导通路被启动。

几秒之内产生第二信使三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG），以及环鸟苷酸（cGMP）和环腺苷二磷酸-核糖（cAMP-ribose）。

导致一些二价钙离子从此处内质网中释放到细胞浆中，游离钙离子进一步引起邻近内质网中钙离子的释放，从而形成钙波传布至整个卵子。

游离的钙离子很快又被泵回到内质网中被固定起来。

由于游离钙离子引起皮层颗粒胞吐作用，如此，钙离子释放波导致皮层颗粒胞吐波。

第三节 卵子代谢的激活
The Activation of Egg Metabolism
受精除了使两个单倍体核整合之外，另一个同样重要的作用是启动发育过程。

这一事件发生在细胞质中，与细胞核无关。

成熟的海胆卵子是一个代谢处于睡眠状态的细胞，受精能使其代谢被激活。

早期应答（early responses）：早期应答发生在精卵接触后的几秒钟之内。

包括皮层反应、受精膜形成、和一系列代谢反应的激活。

与皮层颗粒反应相关的钙离子释放也与卵子重新进入细胞周期和重新激活蛋白质合成有关。

如果将钙离子螯合剂EGTA注射到海胆卵子中，受精后就不会发生皮层颗粒反应，不会有膜静止电位的变换，也不会重新启动卵子的分裂。

相反，卵母细胞在没有精子参与的情况下可以通过人工处理使钙离子释放而激活。

晚期应答：发生在受精后数分钟之内。

包括DNA合成和蛋白质合成。

海胆精子与卵子的融合引起钠离子向细胞内流入，导致海水中的中的钠离子与卵子中的H+离子按1 ：1的比例进行交换。

H+的流出导致卵子中pH的升高。

钙离子对DNA合成也同样重要。

Ca2+使MAP激酶酶失活，将其从活化的磷酸化状态转换成非活性的去磷酸化状态。

MAP激酶的失活去掉了DNA合成的一个抑制因子。

因此，
游离钙离子波使MAP激酶失活后，DNA合成得以恢复。

钙离子浓度和pH值的升高共同作用刺激新的蛋白质和DNA合成。

活机制
的两种
假说
1、受体假说：精子与卵子表面特异性受体结合，活化磷脂酶C （PLC）。

PLC作用于PIP2（4,5-磷酸酰肌醇二磷酸），使其水解为IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）和DAG（乙酰甘油）。

IP3与钙储存位点结合，促使钙离子从内质网中释放。

DAG则激活蛋白激酶C （PKC），加速钠的流入和H+的流出，使受精卵内的pH上升。

从
而诱导卵的激活。

原核形成和卵裂。

质的合成一般在精子入卵后数分钟出现高峰。

这种蛋白质的合成不依赖于新mRNA的合成，而是利用已经储存在卵母细胞质中的mRNA 。

这些mRNA编码组蛋白，微管蛋白，肌动蛋白以及早期发育过程中需要的一些形态发生
因子。

储存的mRNA翻译活性的全面提高的机制似乎是mRNA的抑制因子被解除。

在海胆卵母细胞中有一种抑制因子结合在翻译启动因子eIF4E上，能阻止翻译的发生。

但在受精后，这种4E结合蛋白被磷酸化并被降解，从而允许储存的mRNA进行翻译。

有人认为受精时被激活的一种激酶与4E结合蛋白的磷酸化有关。

第四节，遗传物质的融合
Fusion of The Genetic Material
海胆遗传物质的融合：
在海胆中，受精发生在第二次减数分裂之后。

因此，在精子进入时卵子细胞质中存在一个雌性原核（female pronucleus）。

精子核入卵后通过去致密形成雄性原核（male pronucleus）的过程：
1、精子核膜破裂、泡状化，使浓缩的染色质直接与卵子细胞质接触。

2、精子的染色质去致密。

当精子与卵子胶膜中的一种糖蛋白
接触，这种蛋白质可提高一些依赖于c-AMP的蛋白激酶的活性。

这些蛋白激酶使精子特有的组蛋白的一些碱性氨基酸残基磷酸化，改变这些组蛋白与DNA的结合能力，从而被正常染色体组蛋白所替代。

3、核膜重建而形成雄原核。

动
，这样精子中心粒便处在了雄原核和雌原核之间。

然后，精子中心粒作为微管组织中心伸出自己的微管并整合卵子的微管形
体。

这些微管伸展在整个卵子中并与雌原核接触，使雌、雄原核相互靠近。

雌雄原核最终融合形成二倍体
(zygote
乳
动
物
中
遗
传
物
质
的
融
合
中心体伴随着雄性原核产生星状体，其微管连接到两个原核上并使其相互靠近。

一旦相遇，两个原核的核膜就破裂。

但不象海胆中那样形成一个共同的合子核，雌雄原核的染色质分别浓
缩形成染色体再排列在共同的有丝分裂纺锤体赤道板上。

哺乳动物精子入卵时，卵母细胞的核正被抑制在第二次减数分裂的中期。

分别形成雌、雄原核后再结合。

雄原核形成的过程中卵子细胞质中的谷光苷肽分解鱼精蛋白的二硫键，使精子染色质去致密，组蛋白取代鱼精蛋白。

雌原核的形成：
在完成减数分裂后雌核的染色体分开；
每条染色体被膜所包裹，形成染色体小泡；
染色体小泡相互靠近，合并而形成雌原核。

哺乳动物真正的二倍体细胞核不是在合子期出现的，而是在两细胞期才出现的。

精子的线粒体或者不进入卵子，或者在卵子细胞质中被降解。

所以个体的所有线粒体都来自于母亲，线粒体基因组主要是母本遗传来的。

几乎所有已经研究过的动物中，形成有丝分裂器纺锤体所需要的中心体来自于精子的中心粒。

只有小鼠是例外。

第五节卵子细胞质的重排
Rearrangement of The Egg Cytoplasm
受精能启动卵子细胞质物质的重新排列。

在哺乳类和海胆中这种细胞质的运动不是很明显，但在一些物种中这种卵母细胞质的重排对以后发育的细胞分化有非常重要的意义。