精卵识别的分子机制与受精过程

2021年1月22日发(作者：费穆)
精卵识别的分子机制和受精过程

樊国达

（生命科学学院，河北大学，保定
071002
）

摘要



哺乳动物精卵识别以及受精过程是一系列有序而复杂的过程，
包括精子的 获能，
精子识别卵子的透明带；
与透明带结合后发生顶体反应，
完成顶体反应后的精子 与卵子的质
膜融合，融合后精子对卵子的激活，卵子对精子的激活，雄原核和雌原核的融合。

关键词

获能；顶体反应；质膜融合；受精

The molecular mechanisms of sperm-egg recognition and
fertilization process
Fan guoda
(College of Life Sciences
，
Hebei University
，
Baoding 071002
，
China)


Abstract


Mammalian sperm-egg recognition and fertilization process is a series of orderly
and
complex
process,
including
sperm
capacitation,
sperm
identify
zona
pellucida;
acrosome
reaction after Combined with zona pellucida, the fusion of plasma membrane of egg and sperm
after
completion
of
acrosome
reaction,
the
activation
of
sperm
to
egg
after
the
fusion,
the
activation of eggs to sperm, and the fusion of male pronucleus and female pronucleus.

Key
words

sperm
capacitation;
acrosome
reaction;
he
fusion
of
plasma
membrane;
fertilization

哺乳动物精卵识别以及受精过程是一系列有序而复杂的过程，
首先精子必须获能，< br>使自
身超活化，
超活化后的精子能识别卵子的透明带，
而且这种识别具有特异性 ，
主要是一些糖
蛋白的相互结合，
与透明带结合后发生顶体反应，
完成顶体反 应后的精子与卵子通过一些膜
上的蛋白物质进行质膜融合，
融合后精子对卵子的激活，
并且伴随着预防多精受精，
卵子对
精子的激活主要体现在对精核的重编程，
最后雄原核 和雌原核进行融合形成合子，
完成受精。

1

精子的获能

在精子获能过程中，
钙离子起重要作用。
精子超激活运动就与鞭毛区

Ca
2+

浓度升高有
关。而在小鼠精子的鞭毛区发现了一种重要 的钙离子通道，即
Catsper
通道。通过膜片钳技
术发现
Catsper
通道在调控
Ca

2+
的内流中起重要作用。在后来的研究中发现，
Catsper
通道
的激活依赖于精子内部的
pH
值。当
pH
值变大，精子内部呈碱性时，可以激活
Catsper
通
道。
在 人类精子中，
通过全细胞膜片钳技术发现，
Ca
2+
内流主要通过鞭毛区的
Catsper
通道，
而鞭毛区的
Hv1
通道的激活可以使精子内部
H
+
浓度降低，从而使
pH
升高，进一步激活
Catspe r
通道。
Hv1
通道的激活则与精子外环境有关，如外环境的碱性，或外部的
Zn
2+
（精
液中的
Zn
2+
可以阻断
Hv1通道，预防未成熟的精子提前活化）的去除，以及精子膜电位的
去极化，这些都可以激活
H v1
通道。而在小鼠精子中，内部碱性环境主要通过
Na
+
依赖性的
cl
-
/HCO
3
-
交换器和
Na
+
/H
+
交换器。这两个交换器都有膜电位的去极化激活
[1]
。

将精子内环境和外环境分隔开的精子质膜，
被认为是获能的起始点。
在一些早期研究中
发现获能伴随着精子质膜成分的改变。
去获能因子的作用是防止精子过早发生获能，
存在于< br>精浆中包被在精子表面，
当精子在获能过程中时被自动移去。
常见的去获能因子有牛精浆 蛋
白，如
BSPs(bovine seminal plasma proteins)
、
gly- codelin-S
等。
PDC-109
是牛精浆蛋白的一
种，
< br>它能与精子质膜的磷脂胆碱结合，通过阻止脂类自由移动，从而起到稳定精子质膜的
作用，
当精子通过输卵管时还能将精子绑定在输卵管上皮细胞上，
延长精子的生存力。
发生
获能时

PDC-109
会连同质膜上的胆固醇一起被移去，从而诱发获能。在人类 精液中的
Zn
2+
也是一种去获能因子，
它会被子宫和输卵管的上皮细胞吸收 ，
从而使精子表面的质子交换器
（
Hv1
）活化。

胆固醇 外流在精子获能中起重要作用。在一些体外受精实验中，介质中血清白蛋白
(
通
常使用 小牛血清白蛋白，
BSA)
是非常重要的成分，
BSA
可以与胆固醇结合，在 一定程度上
起到诱导胆固醇外流的作用。
胆固醇外流可以改变质膜结构，
使得质膜通透 性和流动性增加，
+

-
导致质膜中一些转运体
(
例如
NBC(H

/HCO
3
)
转运体
)
和离子通道
(
例如
Ca

2+
通道
CatSper)

激活，
促使精子获能中需要的信号调节因子进入

cAMP-PKA
信号通路传递状态，
最终参与
精子获能。
2010
年，
Botto
等
[2]
发现
β
-
环状糊精
(β
-CD)
能代替
BSA
引起精子质膜上胆固醇外
流，
并通过
cAMP -PKA
信号通路增加蛋白酪氨酸磷酸化，
促进精子获能，
且效果比
BSA< br>好。

2

精子与卵透明带的相互作用及分子机制

卵透明带是卵外的一道物理屏障，
在精卵识别和结合中起重要作用。
卵透明带是伴随着
卵子的发生而形成的。透明带中有
ZP
1
，
ZP
2
，
ZP
3
三种糖蛋白，三者比例是
1
：
2
：
2，分子
间以二硫键连接，构成网络：
ZP
2
和
ZP
3< br>交互排列成锁状的异构二聚体，
ZP
1
在其二维结构
上交叉连接，三者之间形成一种三维网状结构
ZP
3
是第一精子受体，
能与顶体完整的 精子结
合，并诱发顶体反应，使精子失去头部质膜，暴露顶体膜
[3]
，段崇文利用< br>ZP
3
探针进行原位
杂交，发现
ZP
3
由卵母细胞或 卵泡细胞分泌，从而形成卵透明带。他们还发现
ZP
3
蛋白合成
的两个时期，
在卵母细胞最初的生长期合成大量的
ZP
3
蛋白，
在生长后期合成量 减少，
而卵
丘细胞开始大量合成
ZP
3
蛋白，通过这两个时期形成卵 透明带
[4]
。对于精子表面的
ZP
3
受体
识别分子的研究 ，研究人员用交叉连接和亲和层析的方法在小鼠精子质膜上分离出了
sp56
蛋白。
它 是一种外周膜蛋白，
在精子顶体边缘呈三个月状分布，
定位在精子顶体上端的质膜
上， 是
ZP
3
的结合部位位点。经研究表明，
sp56
参与了
Z P
3
识别，并与
ZP
3
的
O-
连接寡糖
链 特异性结合。
赵明，
孙册等研究人员在猪的精卵识别中发现了不同的机制，
他们发现精 子
质膜上的蛋白与
ZP
3
的结合需要凝集素的介导
[5]
。 还有一种识别机制是距离识别，如海胆卵
胶中存在一种精子激活肽
Resact
，能与精子上的受体结合，
增加

ATPase

活性，
进而加强精
子尾部摆动，促使精子定向朝卵母细胞游动
[6]
。精子暴露顶体膜后，顶 体膜与
ZP
2
通过精子
蛋白酶相互作用，
以维持精子与卵的结合，< br>而且只有与
ZP
2
结合的已发生顶体反应的精子才
能穿过透明带，即< br>ZP
2
为第二精子受体，而
ZP
1
只起连接作用。

3

精子与卵膜的相互作用及分子机制

3.1
去整合素
(ADAM)
和整合素结合方式

精子和卵子质膜融合的位 置开始于精子赤道段。
在精子精子表面的去整合素和卵膜上的
整合素的相互作用。

精子表面具有去整合素金属蛋白酶

(ADAM)

家族成员，目前 已发现
39
种，它们都具
有去整合素结构域和一个富含半胱氨酸结构域。而且近一半的
ADAM
家族成员是睾丸特异
性或高表达的，可能参与精子的发生和功能的形成，所以
ADAM
分子被认为参与了精卵质
膜的融合。其中
ADAM1
、ADAM2
和
ADAM3
是研究最广的分子
[7]
。
A DAM1
和
ADAM2
形成异二聚体，分布于睾丸精子整个头部质膜
,
在附睾转运过程中
,
ADAM1
的去整合素蛋白
肽段在加工时大部分被水 解，所以成熟的
ADAM1
可能不能与卵细胞膜上的受体整合素结
合。最近用红外二向 色性法测得的实验数据提示
ADAM1
可能作为激发精卵融合的中间体
来起作用。ADAM2
在附睾中成熟的过程中保留了去整合素结构域、富含半胱氨酸结构域。
光亲和标 记的去整合素结构域保守序列
Asp-Glu-Cys-Asp(DECD)
多肽能够抑制精卵 融合，
并
且这种光标记存在于整个卵子表面
,
提示去整合素结构域能够与卵膜 结合
[8]
。

由于精子表面

ADAM
分子有 去整合素结构域，有些研究者认为卵子表面的整合素作
为去整合素的受体在精卵质膜融合中起重要作用。 已发现由
18
种
α
亚基和
8
种
β
亚基组成
了
24
种不同的整合素蛋白，
比如在小鼠卵质膜上微绒毛区域发现了整合素蛋 白
α
6
β
1
，
卵子
表面整合素
α
6
的抗体能抑制体外精卵质膜融合
[9]
。
ADAM3
是一种精子顶 体膜蛋白，定位
于顶体内膜和赤道区域。
ADAM3
单抗可显著降低体外的精卵结合和 融合能力。
有证据显示，
ADAM3
的去整合素结构域参与了精卵相互作用。在
IVF
条件下，应用其去整合素结构域的
合成多肽或单抗可明显抑制精
-
卵 的结合和融合
[10]
。

但是后来的一系列实验发现推翻了之前的假设，这 些实验主要采用了基因敲除的方法，
缺失
ADAM2
或
ADAM3
基 因的小鼠精子能与卵子正常结合并融合，这说明
ADAM2
或
ADAM3

分子在精卵质膜结合融合方面并非必需
[11]
。

研究人员还发现 了卵子质膜上一种四次跨膜蛋白
（
TM4
）
CD9
也参与精卵的质膜 融合，
排出了
CD9
通过整合素结构与
ADAM
的结合方式后，有些研究人员提出一种新的假设，
妊
[13]
娠特异性糖蛋白（
PSG< br>）家族成员
PSG17
是
CD9
的配体
。重组蛋白试验表明，
PSG17

直
接与
CD9
的胞外大环（
EC2< br>）结合，确定了
PSG17
是
CD9
的受体。卵子表面的
C D9
以反
式作用与精子表面的
PSG17
相关配体相结合参与精卵质膜的融合 。

3.2
富含半胱氨酸的
Crisp
家族蛋白
DE

Crisp
是一个进化上非常保守的蛋白质家族，其主要特征是
Crisp
家族蛋白< br>C
末端均富
含半胱氨酸。例如
DE
蛋白，在小鼠和大鼠体内都发现有该 蛋白的存在。精子沿附睾管腔成
熟的过程中，
DE
分子逐渐附着于精子表面。

间接免疫荧光标记显示，
DE

蛋白定位于大鼠
精子顶体区的背部，
体外获能
5 h
后
, 51
％的精子
DE
蛋白聚集于赤道板区。
如果获能液缺乏
Ca
2+

，
DE
的分布不发生变化，而离子载体
A23187
诱发顶体反应后，

DE
蛋白分布发生
变化的精子比例增大。大鼠 体内实验也显示精子在穿过卵子透明带后
DE

蛋白存在同样的
分布。
DE

蛋白与精子的亲和力并不均一，大部分在获能过程中从精子释放，余下的黏附紧
密的

DE
迁移到赤道板区。体外实验中，抗

DE
多克隆抗体对精子 活动力以及精子和去透
明带卵子结合没有明显作用，但显著抑制精卵质膜的融合
[12]
。

3.3
免疫球蛋白超家族成员
Izumo
Izumo是第一个被证实与精卵质膜融合有关的关键精子蛋白，
氨基酸序列分析表明它属
于免疫球蛋 白超家族成员，
属
I
型膜蛋白
,
在细胞外免疫球蛋白结构域存在一个可能的糖基
化位点。在完整精子上
,
I zumo
不能被抗体检测到，而在已发生顶体反应的精子头部呈阳性
反应，提示

Izumo

可能存在于顶体内膜，在顶体反应后暴露。用同源重组法建立的
Izumo
基因缺失小鼠，证实了
Izumo
在精卵质膜融合中的关键作用。
Izumo
-/-

雌鼠表观正常，精
子能正常结合卵子透明带和发生顶体 反应，
但卵子无一受精，
穿过透明带的精子全部聚集在
卵周间隙。说明
Izu mo
不会影响精卵识别，但会影响精卵质膜融合
[14]
。

3.4
阻止多精受精的溶菌酶样蛋白
1
（
SLLP1
）