5-受精的机制.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第五章 受精的机制与生命的起始,受精（,fertilization,）,:,是两性细胞融合并创造出具备双亲遗传潜能的新个体的过程。即：来自父本的精子和来自母本的卵子相互作用产生合子的过程。,受精过程发生了几个重要的事件：包括精子的顶体反应、精子穿透卵子透明带、卵子的皮层反应和透明带反应、减数分裂的完成及多精入卵屏障的产生。,第一节 配子的结构,精子的结构,人类精子由头部、中部（颈部）和尾部组成。,精子头部由,顶体囊泡（,acrosomal vesicle,）,和精核构成。大部分精子的细胞质在精子成熟过程中被排除。顶体位于精核前端，由高尔基体演化而来。,顶体中含有多种水解酶，主要作用是溶解卵子的外膜,。有些动物的顶体中还有与精卵识别有关的分子。整个,精核,是一致密结构，几乎看不到染色质丝和核仁，,精子中所有的基因都不表达,。,不同的动物以不同的形式推动精子游动。大多数动物的精子依靠尾部或鞭毛波浪式的摆动，推动精子在水或雌性动物生殖道中移动。,鞭毛具有特殊的结构,，轴纤丝（,axoneme,）是鞭毛中起推动作用的主要部分，具有典型的,“,9,2”,结构,。,哺乳动物精子鞭毛的横切面，示中央的轴纤丝（,central axoneme,）和外围的纤丝（,external fibers,）,。,精子的运动装置,鞭毛的超微结构，示微管排列的,“,9,2,”,结构。,A.,精子的成熟过程,B,、,C,分别为牛和小鼠的精子。,早期初级卵泡,在成年女性卵巢中大多数的卵母细胞被阻断在第一次减数分裂前期的双线期阶段；,每个卵母细胞都由一个初级卵泡包裹，初级卵泡是由单层滤泡（,follicle,）上皮细胞和无规则的间质壁细胞构成。,卵子的结构,卵子发生过程中存在两个显著的特点，一个是减数分裂期，另一个是卵母细胞生长。在卵母生长过程中，由于合成了大量的,RNA,和蛋白质，细胞体积增加了很多倍，有的基因如核糖体,RNA,基因扩增了几百倍甚至上百万倍，有的蛋白形成了卵子的外壳，有的蛋白形成了卵质中的皮质颗粒。,目前有关卵子发生研究的焦点问题主要是,3,个：卵原细胞怎样从有丝分裂转入减数分裂？卵母细胞中的,RNA,是如何转录和储存的？卵母细胞的生长是如何调控的？,诱发卵母细胞恢复减数分裂的固有信号随动物而异，海星卵的为,1,甲基腺嘌呤，两栖类的为孕酮，鱼类的为,17a,20-,二羟,4,孕烯,3,酮（即：,17a,20,DHP,），哺乳类动物的为,4,，,4,二甲基,5a,胆甾基,8,，,14,，,24,三烯,3,酚（即：,FF-MAS,）,由于卵巢内激素的作用，卵子继续成熟，以后停顿在第二次减数分裂中期等待受精。,辐射冠,滤泡细胞,腔,卵子,透明带,卵质外是质膜；,质膜外是卵黄膜，在哺乳动物中特称为透明带,(zona pellucida,ZP),；,卵子外是滤泡细胞，紧靠着透明带的一层滤泡细胞称为辐射冠；,质膜下是皮层，皮层内是皮质颗粒，皮质颗粒包含有消化酶，黏多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白。,成熟卵泡,卵子的结构,成熟卵子中合成和吸收了大量的物质，包括大量的蛋白质、核糖体和,tRNA,、,mRNA,、形态发生因子（,morphogenetic factor,）以及保护性化学物质（如,Ig,），为以后的生长和发育奠定了基础。,卵质外是,质膜（,plasma membrane,）,，质膜外是,卵黄膜（,vitelline envelope,）,。,质膜,在受精时可以调控特定的离子在卵子内外的流动，且能与精子质膜融合。,卵黄膜,能识别同一物种的精子，对受精的物种特异性有非常重要的作用。在哺乳动物中特称为,透明带（,zona pellucida,），紧靠着透明带的一层滤泡细胞称为放射冠（,corona radiata,）,。,海胆卵子的结构，示精子和卵子的大小比例,。,海胆未受精卵的扫描电镜照片，示卵黄膜（,vitelline envelope,）和质膜（,plasm membrane,）,仓鼠卵子受精前的卵子被包裹在透明带（,zona pellucida,）内，透明带的外围为卵丘细胞（,cumulus cell,）层所包围。,低倍显微镜下观察，小鼠未受精的卵细胞被卵丘细胞所包围。,皮层（,cortex,）,是质膜下一层约,5um,厚的胶状胞质，比内部的胞质硬，含有高浓度的肌动蛋白分子，受精时，聚合成微丝，延伸到细胞表面形成微绒毛（,microvilli,），帮助精子进入卵子。,皮层内有,皮层颗粒（,cortical granule,）,，含消化酶、粘多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，阻止多精入卵并可以为卵裂球提供支持。,第二节 配子识别,受精过程中，精卵的识别具有,种属特异性,，即给定物种的卵子对同源精子的识别与结合具有,绝对的特异性,。造成这种特异性的原因在于雌雄配子表面具有某些,结构互补的特异分子,，通过这些特异分子之间的相互作用，保证了雌雄配子的正确识别。,精子和卵子的相互作用主要分为,5,个步骤：,1.,精子的趋化性（,chemotaxis,）,2.,精子的顶体反应，释放水解酶。,3.,精子与卵子外围的卵黄膜（透明带）结合,4.,精子穿过卵外的结构,5.,精卵细胞质膜的融合,一、精子激活,精子在受精前是不活动的，通过射精，它们开始获得活力精子游动及呼吸。,精子获得游动和呼吸的能力是一种化学促活现象，它是由精子所在的液体环境决定的。这种环境是精液和（或）卵子发出的化学信号组成的。,二、获能,哺乳动物的精子需要在雌雄生殖道中停留一个特定的时期，以获得对卵子授精的能力，这一过程被称为获能（,capacitation,）,.,精子获能是指射出的精子在若干生殖道获能因子的作用下，精子膜发生一系列变化，包括内膜分子重排、精子表面某些组分移除，进而产生生化和运动方式的改变。,一般来说，精子获能期间，细胞内离子、新陈代谢、腺苷酸环化酶和细胞核、细胞膜、顶体等均会发生改变。人类精子细胞核呈现出一种持续的,Zn,2+,流失现象。,现在一般认为，获能的一个重要作用是对精子表面物质的修改及移除。精子获能后，顶体上的凝集素结合区域发生改变，不能特异识别来自未获能精子表面抗原的抗体。,三、顶体反应（,acrosomal reaction,）,是在受精前精子顶体发生的一系列变化。大量的研究证明，在具有顶体结构的无脊椎或脊椎动物中，只有发生顶体反应的精子才能进入卵子并与卵子发生融合，也只有在精子与卵子接触时才发生顶体反应。,顶体反应的过程：无脊椎动物中，顶体事件包括,2,个事件：顶体膜与精子质膜发生融合，顶体突起,(acrosomal process),。,哺乳动物精子的顶体是一个由膜包围的帽状结构，覆盖在精核的前端。顶体反应时，顶体帽部分的质膜与顶体外膜在多处发生融合，使顶体内的物质从融合处释放出来。,仓鼠精子的顶体反应,顶体外膜,顶体内膜,精膜,赤道段,顶体后区,哺乳动物的顶体反应,哺乳动物的顶体是一个,帽状结构,，覆盖于精核的前端。顶体反应时，顶体帽部分的质膜与顶体外膜在多处发生融合，使顶体内的物质从融合处释放出来。,仓鼠精子的顶体反应,小鼠精子顶体反应地点,顶体酶的一个功能是在卵子外围打一个洞，包括浆膜层、卵黄层或透明带。,海胆的顶体反应,精子与卵子胶膜结合后，可引起顶体反应。顶体发应包括两个主要的事件：顶体膜与精子质膜发生融合以及,顶体突起（,acrosomal process,）,的形成。,顶体突起,海胆精子的顶体反应过程,海胆精子结合于卵黄膜上,无脊椎动物顶体反应的调控,许多海生无脊椎动物的精子在卵水和碱性条件下可以发生顶体反应。,现在海星中发现了,3,种成分可以引起精子的顶体反应：,一种分子量很大的硫酸化糖蛋白，它有一个外源糖结构，可能是,ARIS;,硫酸化固醇类皂角苷，也是,co-ARIS;,精子激活的多肽；,顶体反应的调控机制,离子调控：在离子调控中,Ca,2+,起主导地位。,脂质调控：脂质在精子顶体反应调控中起重要作用，由它调控膜的流动性和“钙泵”的活性。,磷酸肌醇调控：目前认为磷酸肌醇的产物是诱发顶体反应的第二信使。,第三节 精卵结合,一、海胆中精卵识别的特异性：,海胆的卵子卵黄膜上存在着精子受体，对精子的识别具有高度的物种特异性。,结合素（,bindin,）,:,存在于海胆精子顶体突上。,透明带在哺乳动物卵子中扮演了一个重要的作用。不同动物卵子的透明带的厚度不一样。小鼠的约为,5um,，人的约为,13um,，均由多层组成。,它的主要功能包括：顶体胞吐作用、精卵识别、卵子与精子顶体结合、精子激活和阻断多精入卵。,二、哺乳动物的配子结合,在小鼠中，透明带主要由,ZP1,、,ZP2,、,ZP3,三种磺酰化的糖蛋白组成。,由,ZP2,、,ZP3,二聚体重复形成的丝状“串珠”样结构，通过,ZP1,二聚体间的二硫键交互连接，组成可通透大分子的膜孔状透明带。,ZP1,仅具结构功能，而,ZP2,、,ZP3,则同时参与配子间的相互作用。,（一）透明带的结构和性质,透明带的分子结构,（二）精子透明带吸附蛋白,透明带与精子相互识别的分子机制已经被广泛研究，现在认为哺乳动物精子上有一系列蛋白质可以特异性识别,ZP3,蛋白的糖区域。,有三种吸附蛋白可以与,ZP3,结合：半乳糖结合蛋白（,SP56,）、半乳糖转移酶,(GalTase),和透明带受体激酶,(ZRK),。,精子细胞膜上有三种受体：,1.,sp56,（,56kDa,，半乳糖结合蛋白）,-,可与,ZP3,分子上的半 乳糖端部相结合。如果,ZP3,的一个半乳糖基发生丢失或改变，精子将无法与卵子结合。,2.,半乳糖基转移酶,(GalTase),可与,ZP3,分子上的,N-,乙酰葡糖胺结合，使精子,G,蛋白激活并诱导顶体反应。,3.,P95,（,ZP,受体激酶）,(95kDa),一种跨膜蛋白，其外侧部分可与,ZP3,分子特异结合，而内侧部分具有酪氨酸激酶的功能。该酶被激活后，导致顶体反应。,精子与透明带的结合,海胆精子入卵过程,哺乳动物受精过程,第四节 配子融合与阻止多精入卵机制,精子通过与卵黄膜或透明带的相互作用，发生顶体反应，使和精子结合的卵黄膜或透明带被顶体反应释放的水解酶溶解，并在该位置进行精卵细胞膜的融合。,一、配子融合,哺乳动物精卵质膜的融合,二、阻碍多精入卵与皮层颗粒反应,许多精子都可以到达卵子的表面并与之吸附，但是通常只有一个精子能完成受精，称为单精入卵（单精受精,monosperm,）。,某些动物（如两栖类有尾目、爬行类及鸟类）的卵较大，但是也只有一个精子的雄性原核能与雌性原核发生融合，从而恢复物种正常的染色体数目。,多个精子入卵受精称为多精入卵，将导致死亡或不正常的发育。,海胆双精子入卵的结果,生命发展了多种机制防止多倍的染色体组融合，最普通的方法是阻碍多精入卵，其作用方式在海胆中包括：,卵子细胞膜去极化引起的短暂的快速的阻碍作用；,卵子皮层颗粒的胞吐作用产生的一种较慢的阻碍作用；,卵子细胞质降解额外精子的核酸或排出包含有额外精子核酸的细胞质。,1.,快速阻碍多精入卵,卵膜中存在离子通道，,卵膜的快速阻碍多精入卵作用是通过改变自身膜电位形成的。,精子进入卵细胞触发,细胞膜静息电位迅速去极化,，引起膜外精子与卵细胞识别和融合的障碍。,如人为维持原有的膜电位，可诱导多精受精现象发生；如改变正常的初始膜电位，则会阻止卵细胞的受精。,2.,皮层颗粒反应,多精受精,快速阻碍机制中膜电位的变化时间非常短暂（,1 min,左右），不足以永久实现阻碍多精入卵。,结合到卵黄膜的精子是通过皮层的小泡破裂，发生,皮层反应,被移除的；否则将导致多精入卵。,皮层由皮层颗粒组成，通常分布在没有微绒毛结构的卵膜下方。当精子进入卵子时，皮层颗粒与卵膜发生融合，颗粒内容物被释放到卵膜和卵黄膜之间的区域,卵黄周隙（,perivitelline space,）,，这些释放物中有几种蛋白质在皮层颗粒反应中发挥了重要的作用。,海胆皮层颗粒反应示意图,未受精卵（左）和受精卵（右）的皮层,皮质颗粒内含物中含有的蛋白质：,1,）,.,蛋白水解酶,可以使卵黄膜与质膜间的联系分离；剪除卵膜上,bindin,的受体及与之结合的精子。,2,）,.,粘多糖,：进入卵周隙吸水膨胀，使卵黄层向外隆起，形成,受精膜（,fertilization envelope,）,举起。,3,）,.,过氧化物酶,：皮层颗粒分泌的过氧化物酶通过交联相邻蛋白质的酪氨酸残基使受精膜变硬。受精膜最先在精子入卵的位置形成，并向外扩张至整个卵细胞，从而阻止多精入卵。,4,）,.,透明质素,（,hyalin,）：在卵外形成透明质层,(hyalin layer),，它与卵裂中对分裂球的支持作用有关。卵细胞质膜突起的微绒毛深入到其基部。,哺乳动物不形成受精膜,，但皮质颗粒中释放的酶对透明带中的精子受体分子进行修饰，使之丧失与精子结合的能力，因此，称为,透明带反应,。,(,半乳糖基转移酶,(GalTase),可与,ZP3,分子上的,N-,乙酰葡糖胺结合，使精子,G,蛋白激活并诱导顶体反应。卵激活时皮质颗粒释放出来的,N-,乙酰葡糖酶,能对,ZP3,上的,GalTase,结合位点进行修饰，由此阻断透明带外围的精子与受精卵结合。）,3,、钙的作用,皮层颗粒反应的作用机制与顶体反应基本相似，,Ca,2,作为细胞内信使发挥了及其重要的作用。研究证明，,启动皮层颗粒反应的钙主要储存在卵细胞的内质网中，而不是卵外钙离子的内流,。,卵细胞内的信号分子,三磷酸肌醇,IP3,激活,Ca,的释放,，而,IP3,的产生是与,GTP,结合蛋白或酪氨酸激酶相关的。,海胆受精膜的形成,海胆卵子受精前后微绒毛的变化,哺乳动物中，皮层颗粒与卵膜融合释放出多种酶类，可以改变透明带上的精子结合受体,ZP2,和,ZP3,，即切除,ZP2,和,ZP3,蛋白的末端糖基，从而把与其结合的精子从透明带上释放出来，并防止精子重新结合，这一反应又称为带状反应（,zona reaction,）,.,皮质反应,在精卵融合的瞬间发生，其生理意义在于改变卵质膜和透明带的特性，阻止多精入卵，以确保胚胎正常发育。皮质反应是一个,Ca,2+,依赖的反应过程，其调控机制类似于精子的顶体反应。,哺乳动物卵子受精示意图,五、遗传物质的融合,1.,雌雄原核的形成及融合,单倍体的精子核进入卵细胞后，解凝聚形成,雄原核,（,male pronucleus,），卵细胞核则形成雌原核（,female pronucleus,）。精核形成雄性原核的过程受到卵子的严格控制。精子入卵时线粒体与鞭毛在卵细胞内降解，因此,线粒体基因一般认为是母源性的；但中心体是父源性的,。,海胆雌雄原核的融合,海胆雄原核形成后旋转,180,，其,中心体,位于雌、雄原核之间，装配成,星体,，连接并牵动雄原核与雌原核相互靠近，最后融合形成,合子核,（,zygote nucleus,）。,海胆雌雄原核的迁移,中心体发出的微管形成星光，,连接并牵动雄原核与雌原核相互靠近,海胆雌雄原核的融合,哺乳动物雌雄原核的融合,哺乳动物,精子入卵,后，在卵母细胞胞质中谷胱甘肽的作用下,精子染色体解凝聚,。随着,卵母细胞完成第二次减数分裂,，雄原核增大，,中心体产生星光,，并向,雌性原核的方向迁移,。雌雄原核彼此靠拢，在迁移过程中复制,DNA,。,两原核相遇,后，,核膜解体,，染色质浓缩成染色体，定位于纺锤体上。因此，在合子中观察不到真正的二倍体核，两细胞期才可看见。,人类受精过程中雌雄原核的运动,A:,精子入卵，雄原核膨大，精子的尾在卵中；,B:,雌雄原核并排；,C:2,细胞期，两个细胞中的核清晰可见。,2.,哺乳动物雌雄原核的不均等性,形成合子的雌雄原核所携带的单倍体基因组并不等同。,一个尚未被了解的生物学进程选择性地沉默父本或母本来源的等位基因，即印记,。目前已有,60,多个哺乳动物的印记基因得到克隆，这些基因在发育过程中起着重要的作用。,粪蝇父本的基因组是沉默的，仅表达来自母本的基因。,Imprinting,基因,:,在卵子发生或精子发生过程中被打上了不同印记的基因。由于印记不同，来源于雌核和雄核基因的表达模式也不同，即在胚胎发育过程中，有些基因仅来自于雄性的表达，而另一些基因仅来自于雌性的表达。,因此,只有来自于精子和卵子的二倍体才能正常发育，而仅来自于雌核或雄核的二倍体胚胎则要在发育过程中夭亡,。,正常对照（左）和两个雌原核发育成的胚胎（右）,3.,细胞质成分在受精后的的重组,卵细胞受精后引起卵细胞成分的重新排比和分配称为,卵细胞质重排,，这种重排对于以后发育过程中细胞的分化至关重要。,在卵裂过程中，胞质中含有的形态形成决定子被分配到特定的细胞中去,，最终导致特定的基因被激活，从而使不同的细胞获得不同的特性。,背囊动物,Styela partite,减数分裂中，核破裂释放出一种清亮物质，集中在动物极。受精,5min,后，清亮层与黄色皮质层,(,含脂肪,),向植物极迁移。随着雄原核向赤道方向迁移，脂包涵体和清亮物质也随之迁移。清亮和黄色胞质的最终位置将分别形成间充质和中胚层。,两栖类的灰色新月,精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约,30,，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为,灰色新月,。,第五节 卵的激活,成熟的卵母细胞处于休眠状态，蛋白和核酸的合成大幅度降低，其中,DNA,的合成完全停止。经精子刺激，成熟卵从休眠状态进入活动状态，显示出的最早系列事件总称为“卵激活”（,activation,）,.,包括皮质反应、减数分裂恢复、第二极体排出、,DNA,复制和第一次卵裂。,启动卵激活的信号是卵胞质溶胶中游离的,Ca,2+,。,离子浓度的变化激活了蛋白质和,DNA,的合成。在精子入卵后几分钟，蛋白质的合成就急剧上升，其合成过程不依赖于新的,mRNA,的合成。蛋白质的合成主要利用储存在胞内的母源,mRNA,，包括组蛋白、微管蛋白、肌动蛋白和早期发育所需的形态生成因子。,两栖类的灰色新月,精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约,30,，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为,灰色新月,。,