第九节　精子发生、成熟和获能过程

一、精子发生

精子发生是指精原细胞经过一系列分化，发育为精子的过程，主要在睾丸里完成。人类整个精子发生过程大约为64天。在青春期，精原细胞通过有丝分裂快速增殖。一些精原细胞开始有丝分裂变成初级精母细胞，继续通过减数分裂Ⅰ变成次级精母细胞。减数分裂Ⅱ完成后，次级精母细胞产生精子细胞，精子细胞分化形成精子。在变形过程中精子的细胞质和细胞核发生多方面的变化，包括细胞质的丢失，顶体的形成，鞭毛的形成和细胞器向特定位置移动等。精子发生从最初到最后各阶段或多或少有连续性，且沿着小管的片段顺序地重复，被称为生精上皮波。如果在固定的精曲小管点观察精子发生，在64天的周期中，六种可辨认的细胞（生精上皮周期的各阶段）按照一种可预测的、连续的模式，共同存在并接连发生（图1-9-1）。相应地，精子发生的增殖期（Ap型到B型精原细胞的分化）在周期中发生了4次（每16天一次）并从Ap型精原细胞分化为精子。因此，睾丸内往往同时存在精原细胞、精母细胞、精子细胞和精子。这种精原细胞的时期性增殖可保证每日数百万精子的有效产生。

精子的发生受激素的调节。LH通过刺激Leydig细胞合成睾酮，而FSH通过刺激生精上皮Sertoli细胞促进精子发生。睾酮的分泌量和生精的频率由睾丸与上位生殖轴之间的负反馈网络来协调。睾酮很确切地启动并维持人类精子的发生，其机制可能是通过影响Sertoli细胞调节精子发生。男性和其他哺乳动物睾丸内睾酮水平比外周血循环高近100倍，而有研究表明20%~30%的不育男性外周血睾酮浓度低，也从侧面表明了睾酮在精子发生过程中可能的重要作用。一些研究提示，垂体摘除术后可出现精子细胞成熟的阻断、减数分裂前期的严重损害和在一定程度上影响A型精原细胞的产生数量。其在睾丸的特征是Leydig细胞萎缩，小管周围的透明样变化，以及与仅含有精原细胞和散在精母细胞的小管不同的生殖细胞缺失。在GnRH促效剂治疗的大鼠睾丸内注射睾酮微粒可使生精恢复到接近正常，由此可见睾丸内睾酮浓度高对精子发生有重要作用。FSH在精子发生中的作用尚有许多争议。对性腺功能减退症男性的研究证实，在缺乏FSH的情况下存在生育力。有动物研究提示，FSH可促进青春期精子发生的启动和引发垂体摘除术后生精上皮退化的精子发生。尽管FSH在低促性腺素性功能减退症的启动精子发生中不是必须的，但是FSH疗法可以促使达到最理想的精子数量和质量的发生要求。虽然在FSH缺乏的情况下睾丸内仍有精子产生，但只有FSH和睾酮的联合才能产生质量和数量足够正常的精子发生。

精子发生的遗传学基础与精子发生是研究的热门课题。例如Y染色体上存在对精子发生非常关键的无精症因子AZF（azoospermic factor）区域。如果这些区域缺失，被称为Y染色体微缺失，很可能出现无精子症。Y染色体微缺失的检出率为5%~10%。AZFa区域完全缺失的男性出现精子缺失，睾丸活检可显示只有Sertoli细胞的结构；AZFb区域对精子发生成熟具有关键性调节作用，AZFb区完全缺失病理表现为生精阻滞；AZFc区缺失的表现为无精子症、严重少弱精症等。另外，Klinefelter综合征（又称克氏综合征）47，XXY的患者主要表现为小睾丸和无精子症。随着研究的进展，越来越多的与精子发生有关的基因被发现。

其他直接或间接地调节精子发生的自分泌和旁分泌因子可能包括：精子生长因子（sperm growth factor，SGF）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、IGF-1、Sertoli细胞分泌的生长因子（Sertoli cells secrete growth factors，SCSGF）、转化生长因子-α（transforming growth factorα，TGF-α）、白介素-1、白细胞抑制因子、减数分裂抑制物和减数分裂阻挡物等。

二、精子成熟过程

精子的成熟主要是通过附睾实现。据测算，人类精子在附睾中的运输需要2~12天。精子从附睾的头部到体部的运输时间与在附睾尾运输的时间相近。精子在附睾中的运输时间受到睾丸内每日精子产量的影响而不是年龄的直接影响。精子在附睾头和体内的运输时间没被性活动所影响，近期“泌精”可缩短在附睾尾运输时间的68%。

附睾不仅是精子输送和储存的场所，也是精子成熟（获得前向的活动力和授精能力）的场所。当人类精子通过附睾时可获得前向的活动力。从附睾头取出的精子使其再悬浮于培养基中时，大部分是不能动的或者仅显示微弱的尾部运动。特征是导致精子宽弧形鞭打样小幅度向前运动。在附睾的中部，具有活动的精子数量增加且活动力增强，特征是导致向前活动力的高频低幅搏动。在附睾尾，当精子在培养基中稀释时50%以上获得成熟精子的活动力模式，其余的精子是不动的或者有类似附睾近端观察到的不成熟的活动力模式。将取自输精管、附睾头、附睾体近端、附睾体远端或附睾尾部的精子在生理缓冲液中稀释，活动精子的比例分别为0、12%、30%或60%。

此外，动物实验和临床证据表明：精子的成熟也可能部分不依赖与附睾特殊相互作用的内在过程。例如，输精管梗阻或先天性输精管缺如的患者在输精管的水平实施输精管附睾吻合术后可获得妊娠。人类附睾内精子活动力的成熟过程仍需进一步研究。精子生育力的成熟有可信的实验研究证明，睾丸内的精子不能使卵子受孕，除非采用细胞质内精子注射的方法将其带到卵子内。大多数动物精子的授精能力是在进入附睾远端区域时逐渐获得。例如，家兔附睾头、体、尾的精子使家兔卵子受精的能力分别为1%、3%和92%。多个研究证明，从附睾近端区域取出的精子可与无透明带的卵子连接，只有从附睾尾取出的精子能够和卵子相结合并穿透卵子。提示人类精子生育力的成熟很大程度上是在附睾体远端和附睾尾的水平完成。

在通过附睾时，精子经历繁多的分子生化改变。例如，精子在附睾内运输过程中其表面膜有逐渐增加的阴性剩余电荷，精子膜上的巯基团经历氧化作用成为二硫化物结合物。实验动物的研究描述了其他有关精子在附睾内迁徙的精子膜的变化，包括精子出睾丸后的膜成分变更，新的膜成分添加，以及精子在睾丸内原始膜成分的丢失。特异性变更包括精子凝集素结合特点的变化，磷脂和脂质内容物，糖蛋白组分，免疫反应性及磺化作用特征。Orgebin Crist等证明在大鼠精子通过附睾时膜的变更会导致其与卵子透明带黏附能力的增加。

三、精子获能

精子获能过程即为去除精子表面去能因子并获得授精能力的过程。这些表面因子来自于附睾、前列腺和精囊腺，包括唾液酸等去能因子。人类射出的精液在最初为凝固状态并随后被前列腺产生的蛋白酶液化，主要为前列腺特异抗原。是什么机制协助人类射出的精液凝块使精子保留在阴道内还不清楚。在射精后，精子必须通过宫颈黏液，随后运行到子宫进入输卵管，并在输卵管授精。在子宫内的运输需要5~68分钟。在女性生殖道内停留期间，精子在与卵母细胞结合之前必须经历获能的过程。每个精子获能的发生有不同的频率。在获能过程中，从结构和生化的角度来看发生一系列的变化，而最明显的变化是顶体反应和超强活动力的形成。是否前列腺和精囊腺的分泌有助于获能的过程尚不清楚。维持精子功能的精浆生化特征尚未阐明。产生于精囊腺的果糖，将为射出的精子提供能量来源；大分子，包括白蛋白有助于支持和刺激精子。人类精液存在丰富的抗氧化酶和抗氧化分子，为敏感的精子提供抗氧化的保护作用。精子获能以后，精子膜的不稳定性增加，并去除了抑制顶体反应的因子，精子才可能发生顶体反应。在精子获能过程中，由于去除了糖链末端的唾液酸，可使精子的膜结构发生显著改变，表现为膜内蛋白重排成簇现象，这可能与精子与卵子识别有密切关系。精子与卵子透明带结合后也发生顶体反应，释放顶体蛋白酶，分解透明带，逐步穿入卵子。

【思考题】