受精及早期胚胎发育过程 2精卵识别和结合

精卵识别和结合

精子膜表面和卵子膜表面都有特殊的相互识别装置，精子和卵子的识别（sperm-ovum recognition）包括两步：精子附着在卵子表面称为附着；精子和卵子的透明带结合称为结合。

1.透明带蛋白

精卵结合是由精子表面的配体和卵子透明带上精子受体结合介导完成的，人类卵子透明带由卵子分泌的糖蛋白组成，已知有ZP1、ZP2、ZP3和ZP4四种透明带蛋白，其中ZP3最为丰富，它们是卵子表面的主要精子受体。卵透明带中的ZP3被认为是精子的初级受体和顶体反应的诱导物。ZP2与顶体反应后的精子结合，是次要的精子受体。形成了受精机制的经典理论。精子与卵子透明带的结合是精子质膜上的初级卵子结合蛋白和卵子透明带上的初级精子受体ZP3的结合，形成受体-配体复合物。人类精卵识别的初级识别是精子质膜上的配体与卵子表面的ZP3和ZP4结合形成受体-配体复合物，配体-受体复合物一方面使精子附着在透明带上，另一方面是激发顶体反应。顶体酶释放后精子与透明带之间发生次级识别，精子的次级卵子结合蛋白与透明带中的ZP2结合参与透明带反应，防止多精受精。研究表明，ZP1可能也是精子的次级受体，在精卵结合中发挥作用。受精后这些糖蛋白的结构发生改变导致其失活。ZP基因只表达在生长的卵子上，很多哺乳类动物的ZP3 DNA序列有高度相似性，说明该基因在进化过程中是保守的。精子和透明带上的ZP结合是哺乳动物受精过程的共同机制。ZP3基因异常小鼠产生的卵子缺乏透明带而不能受孕；来源于猪的抗透明带疫苗可以用来控制多种雌性哺乳动物的生育，包括大象、鹿等，制作人类抗透明带疫苗受纯化糖蛋白技术的阻碍，但目前已经可以应用重组技术合成。

2.与透明带相互作用的精子受体分子

精子与透明带相互作用非常复杂，透明带的多糖部分可能是精子受体的关键结构，受精后可能因为这些糖基脱落，导致受精卵的透明带不再结合精子，人卵透明带的N糖链和O糖链的末梢有丰富的选择素配体sialyl-Lewis ^X 结构[NeuAc _α2-3 Gal _β1-4 （Fuc _α1-3 ）GlcNAc]，因此sialyl-Lewis ^X 可能是人类精卵识别的主要碳水化合物。目前鉴定出几个存在于精子上的透明带受体，如1，4-半乳糖基转移酶、sp56、甘露糖苷酶和透明带外源凝集素等，它们都有识别特殊糖残基的凝集素样的亲和力，它们中的每一个分子在识别过程的不同阶段起到特殊的作用。

3.顶体反应

顶体反应是指精子获能后，在穿透放射冠和透明带之前穿透这些结构，在很短一段时间内顶体所发生的一系列形态和生化变化。

（1）顶体与顶体酶

顶体（acrosome）是指精子头前部有膜包围的帽状结构，顶体的前部为顶体帽，内含各种水解酶类。顶体内所包含的顶体酶至少有20种以上，其中主要是顶体蛋白酶（acrosin）和透明质酸酶，顶体蛋白酶又叫顶体素，位于顶体内膜上，起初与顶体内膜紧密结合，无生物学活性，为一种顶体素酶原（proacrosin）。当大量Ca ²⁺ 内流时顶体素酶原被激活成为顶体素酶，进而分解透明带；透明质酸酶的作用主要使卵丘细胞分散及透明质酸分解，利于精卵接触。

（2）顶体反应的形态学变化

从形态上可见，精子获能后部分精子接触放射冠，顶体内透明质酸酶释放出来分解卵丘细胞之间的透明质酸等物质，使获能精子能够接触到透明带。精子接触透明带后，精子头部脱去顶体帽外的质膜和顶体外膜，释放出水解酶，这个过程叫顶体反应。通过顶体反应，精子最终和卵子融合。

（3）顶体反应的机制

一旦精子获能，精卵通过特异的糖蛋白完成配受体结合，顶体反应就被受体糖蛋白的肽链成分激发，传统理论认为ZP3是激发顶体反应的始动子，近几年也有研究认为ZP1及ZP4都有诱发顶体反应的能力。精子头部存在G蛋白信号系统，该系统及时地被孕激素激活，打开Ca离子通道增加细胞内钙离子水平，Ca ²⁺ 的大量流入对顶体反应是必需的。蛋白激酶C激活在顶体反应中也是重要的一步，它可以导致涉及该过程的蛋白的磷酸化。

很多离子参与精子获能和顶体反应过程，而且受女性生殖道调控，这些离子的成分和浓度在生殖道的不同部位及其在月经周期的不同时期有所变化。Ca ²⁺ 是研究最多的一种离子，它对精子获得活力、精子获能以及顶体反应都是必需的。有人认为，精子与透明带ZP结合启动了G-蛋白通路，导致结合Ca ²⁺ 的释放刺激腺苷酸环化酶产生环腺苷酸（cAMP），而cAMP又激活cAMP依赖性蛋白激酶，从而改变精子受精前的功能。Na ⁺ 和K ⁺ 对精子获能和顶体反应都是非常重要的，顶体反应比精子获能需要更高浓度的Na ⁺ ，适当浓度的K ⁺ 有利于精子获能，但过高浓度的K ⁺ 抑制精子的受精潜能。在排卵前，女性生殖道的Na ⁺ 和K ⁺ 浓度对精子获能来说是足够的，但对于顶体反应和受精来说却过高了。排卵后随着卵泡液的释放K ⁺ 浓度降低和Na ⁺ 浓度的升高，这使得精子获得了受精的潜能。所以，精子获得顶体反应和受精能力靠各种离子浓度调节，而离子浓度在女性生殖道的不同部位和不同时间的变化也确保了精子能够获得最佳的受精状态。