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受精与卵的激活

受精把两个配子的相遇、识别和融合，与卵开始胚胎发育连接起来。精子离开雄性生殖道时已经具有完整形态，通常还需进一步获得受精能力；排卵的卵则带有卵外被、皮质颗粒、内质网钙库和停滞的细胞周期装置。精子穿过卵周围结构并与卵膜融合后，卵内的 Ca\(^{2+}\) 信号依次启动皮质反应、减数分裂退出、亲本基因组重塑和第一次有丝分裂。

这些事件在动物中共享若干细胞学原则，具体分子和先后关系则有明显物种差异。海胆等体外受精动物把配子释放到海水中，需要远距离趋化、快速识别和适应高精子密度的阻断机制；哺乳动物则把配子运输、精子筛选和受精安排在雌性生殖道内。“受精”由一串有条件的状态转换组成，各物种采用不同的步骤组合。

卵母细胞成熟的细胞周期与皮质装置

卵母细胞在受精前先完成生长并恢复减数分裂。以哺乳动物为例，排卵前信号解除第一次分裂前期停滞后，生发泡核膜破裂，染色体凝缩并组装纺锤体；细胞周期蛋白依赖性激酶 1–细胞周期蛋白 B（cyclin-dependent kinase 1–cyclin B，CDK1–cyclin B），即成熟促进因子（maturation-promoting factor，MPF），与 Cdc25 之间的正反馈使这一转换迅速而协调。第一次不均等分裂排出第一极体，保留大部分细胞质的次级卵母细胞随后进入第二次分裂。Mos–MAPK、Emi2 对后期促进复合物／周期体（anaphase-promoting complex/cyclosome，APC/C）的抑制以及纺锤体检查点共同维持第二次分裂中期状态，构成传统细胞静止因子（cytostatic factor，CSF）的多组分功能。

成熟还同步改造细胞质。皮质颗粒移动到质膜下，内质网重新组织并提高释放 Ca\(^{2+}\) 的能力，母源信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）的选择性翻译准备细胞周期退出和早期胚胎所需蛋白。不同动物的卵在排卵、产卵或受精时可停在不同减数阶段；第二次分裂中期停滞是常见的哺乳动物模式。

精子获能与受精能力

哺乳动物精子在附睾中获得前向运动能力，并在射精时接触精浆成分；进入雌性生殖道后，它们还要经历获能（capacitation）。输卵管和实验室获能液中的 HCO\(_3^-\)、Ca\(^{2+}\) 与白蛋白等成分改变精子膜和信号状态。胆固醇从质膜外流会提高膜的流动性，HCO\(_3^-\) 和 Ca\(^{2+}\) 激活可溶性腺苷酸环化酶（soluble adenylyl cyclase，sAC），生成的环腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）激活蛋白激酶 A（protein kinase A，PKA），继而改变一批蛋白的磷酸化。细胞内碱化、膜电位变化和脂质重新分布与这条通路并行发生，使运动、顶体胞吐和膜融合装置逐渐进入可用状态。1

精子群体中的获能是异步过程，各细胞进入可受精状态的时间不同，从而延长一次射精所覆盖的受精窗口。在不少哺乳动物中，一部分精子还会短暂黏附于输卵管峡部上皮，形成动态的精子储库；临近排卵时，分泌环境和精子状态改变，使部分精子脱离并向壶腹部移动。人类受精通常发生在输卵管壶腹部，储库的形态、维持分子和重要性则具有物种差异。配子运输和生殖道环境与这里的精卵细胞变化共同构成受精环境。

获能后，精子鞭毛的弯曲幅度和不对称性可增大，形成超活化运动。这种运动有助于精子脱离储库、穿过黏稠的卵丘基质并作用于卵外被。CatSper 是精子主段鞭毛上的 Ca\(^{2+}\) 通道复合体，胞内碱化能增强其开放；人精子 CatSper 还会被卵丘细胞产生的孕酮迅速增强，小鼠则采用不同的配体调节方式。缺失 CatSper 的小鼠或携带 CATSPER 功能缺陷的人，其精子可以形成并具有一定运动，却无法正常超活化和受精，因此 CatSper 是受精能力的功能标志。2

卵丘与卵外被的识别环境

哺乳动物排出的次级卵母细胞被卵丘细胞及富含透明质酸的细胞外基质包围，其内侧是由透明带糖蛋白（zona pellucida glycoprotein，ZP）聚合而成的透明带。精子穿越卵丘依赖鞭毛运动、细胞间孔隙和包括透明质酸酶在内的多种表面或顶体成分。透明带的三维聚合状态、不同 ZP 蛋白和糖链共同影响精子黏附、穿行以及受精后的阻断。

早期小鼠研究曾把 ZP3 描述为唯一的初始精子受体和顶体反应诱导物。遗传替换、实时成像和受精后透明带研究扩展了这一模型：不可切割的 ZP2 会使两细胞胚仍能结合精子，删除曾被认为必需的 ZP3 糖基位点也未阻断受精；小鼠和人的 ZP2 氨基端还参与物种选择性的结合。透明带识别因而需要在完整基质和物种背景中理解。3

外部受精动物面对的是另一种空间问题。海胆卵胶层释放的小分子可改变同种精子的游动方向，精子到达卵外被后再通过顶体过程与卵黄层分子识别；精子蛋白 bindin 与卵表面受体的快速演化有助于形成种间边界。趋化增加相遇概率，接触识别提高融合选择性，二者作用的距离和证据尺度不同。

顶体胞吐与精子头部重塑

顶体是覆盖精子头部前端的溶酶体相关细胞器。顶体胞吐时，精子质膜与顶体外膜发生多点融合并形成囊泡，部分可溶内容物释放，顶体内膜和原先隐藏的蛋白随之暴露；IZUMO1 等蛋白也会重新分布到参与卵膜接触的区域。这个过程既提供蛋白水解和基质相互作用成分，也改变精子能够使用的膜表面。

荧光报告精子的小鼠体外受精实验显示，多数最终完成受精的精子在接触透明带之前、经过卵丘时就已开始顶体胞吐；已经完成顶体胞吐的精子仍可穿过透明带并受精。4 精子运动产生的机械作用、透明带聚合物的动态结合以及顶体成分的渐进暴露共同支持穿行；单一顶体蛋白缺失后仍可能受精，显示其中还存在部分冗余。

配子膜融合的多分子协作

到达卵周隙的精子通常以头部赤道段附近接触卵质膜。哺乳动物精子表面的 IZUMO1 与卵膜上的 JUNO 直接结合；任一基因缺失都会使配子能够接近，却无法正常结合和融合。卵膜四跨膜蛋白 CD9 对融合也至关重要，它组织膜微区和微绒毛状态，并与其他精卵识别组分协同。5 顶体反应后的精子还需要 SPACA6、TMEM95、SOF1、FIMP、DCST1／2 等蛋白；相应敲除精子常能运动、穿过透明带并携带 IZUMO1，却停在卵膜结合或融合阶段。6

IZUMO1–JUNO 因而提供了必要的跨细胞识别桥，却不足以单独把两层脂双层合并。尚未完全解析的蛋白复合体、膜曲率和脂质环境共同把黏附推进为融合。融合孔扩大后，精子核及部分精子结构进入卵细胞质；精子线粒体通常随后被选择性清除，中心体是否由精子提供则随物种而异。例如许多非啮齿类哺乳动物的精子中心粒参与组织合子微管，而小鼠早期胚胎主要依赖卵来源的无中心粒微管组织中心。

钙信号与卵激活

配子膜融合把精子携带的激活信号送入卵细胞质。哺乳动物中，精子磷脂酶 Cζ（phospholipase C zeta，PLCζ）水解磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate，PIP\(_2\)）并产生肌醇 1,4,5-三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate，IP\(_3\)），促使内质网通过 IP\(_3\) 受体反复释放 Ca\(^{2+}\)。第一次 Ca\(^{2+}\) 升高从精子进入附近传播，随后可形成持续数小时的振荡；振荡频率和次数随物种及卵状态而变。把 PLCζ RNA 或蛋白导入小鼠卵可以重建接近受精时的 Ca\(^{2+}\) 振荡，而缺少功能性 PLCζ 的人精子可出现卵激活失败，支持它是哺乳动物主要的精子来源触发因子。7

Ca\(^{2+}\) 波或振荡是高度保守的激活枢纽，启动方式具有物种差异。海胆卵通常出现一次跨越全卵的 Ca\(^{2+}\) 波，非洲爪蟾更多依赖卵内 Src 家族激酶和 PLCγ 通路，哺乳动物则主要使用 PLCζ。Ca\(^{2+}\) 信号一方面触发皮质颗粒胞吐，另一方面改变蛋白翻译、细胞骨架和代谢，并解除卵细胞周期停滞。卵激活由这些并行响应组成，细胞核尚未合并时，发育程序已经在细胞质中启动。

皮质反应与卵外被改造

皮质颗粒在卵成熟期间排列于质膜下方。受精引起的 Ca\(^{2+}\) 升高使其与质膜融合，颗粒内容物进入卵周隙并改造卵外被。海胆中，蛋白酶切断卵黄层与质膜的连接，渗透活性物质吸水扩张卵周隙，结构蛋白交联后形成抬升的受精膜。哺乳动物不会形成同样的受精膜；小鼠皮质颗粒蛋白酶 ovastacin 切割 ZP2，使已受精卵的透明带失去支持后续精子结合的状态。8

这类改变构成较持久的多精阻断。部分海胆、两栖动物和其他外部受精动物还具有更快的电阻断：第一枚精子融合后，离子通透性变化使卵膜迅速去极化，短暂降低其他精子的融合概率，为皮质反应争取时间；哺乳动物卵主要采用其他阻断机制。JUNO 在受精后迅速从哺乳动物卵膜脱落，可能参与膜层面的阻断，但现有证据还支持其他组分共同作用。鸟类和爬行动物中甚至常见生理性多精入卵，只有一枚精子的基因组参与正常合子形成，显示多精控制取决于各物种的卵结构和早期发育方式。

减数分裂退出与雌雄原核

许多哺乳动物排出的卵停在减数第二次分裂中期，CDK1–cyclin B 活性和 Emi2 对 APC/C 的抑制共同维持停滞；这段停滞的建立见生殖系建立与配子发生。受精后的 Ca\(^{2+}\) 振荡激活钙／钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（Ca\(^{2+}\)/calmodulin-dependent protein kinase II，CaMKII），促使 Emi2 失活并解除对 APC/C 的抑制。APC/C 降解 securin 和 cyclin B，使姐妹染色单体分离、第二极体排出，并使剩余的母源染色体去凝缩形成雌原核。Ca\(^{2+}\) 信号、蛋白降解和纺锤体共同完成这一细胞周期转换；calpain 对 Mos 的切割只涉及部分物种或情境。

精子核进入卵细胞质后，富含二硫键的精蛋白（protamine）逐步移除并由母源组蛋白替代，父源染色质随之去凝缩形成雄原核。卵的内质网承担激活过程中反复释放 Ca\(^{2+}\) 的主要任务。两个原核分别进行脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）复制并相互靠近，在哺乳动物中通常各自保持完整核膜，直到第一次有丝分裂开始时分别破裂。母、父染色体随后由协调的纺锤体装置分配到两个子细胞。小鼠活体成像进一步显示，两套亲本染色体可各自组织纺锤体并在第一次分裂中保持空间分隔；常用的“原核融合”图示代表亲本基因组会合，不代表原核膜发生融合。9

第二极体、两个原核和一次正常卵裂常被用作受精观察指标，却各有边界。孤雌激活也能引起 Ca\(^{2+}\) 升高、减数分裂退出和极体排出；原核数目还会受精子进入数、减数分裂异常或观察时间影响。证明正常受精应把精子进入、Ca\(^{2+}\) 响应、单精性、减数分裂完成、亲本基因组存在以及后续分裂能力连成证据链，而不能仅凭两个极体或一个形态瞬间下结论。原核膜破裂以后，亲本染色体进入第一次有丝分裂，发育主线由此转入卵裂、母合子转换与胚泡形成。

参考资料与延伸阅读

  1. HCO\(_3^-\) 响应的 sAC、cAMP–PKA 与获能表型之间的因果关系见 Hess 等的 The “Soluble” Adenylyl Cyclase in Sperm Mediates Multiple Signaling Events Required for Fertilization；研究同时表明运动、磷酸化与顶体胞吐不是一个不可分割的单一输出。 ↩

  2. CatSper 的人类遗传和电生理证据见 Smith 等的 Disruption of the principal, progesterone-activated sperm Ca\(^{2+}\) channel in a CatSper2-deficient infertile patient；较大样本人类功能研究见 Human fertilization in vivo and in vitro requires the CatSper channel to initiate sperm hyperactivation。 ↩

  3. Gahlay 等以不可切割 ZP2 和改变 ZP3 糖基位点的小鼠检验两类模型，见 Gamete Recognition in Mice Depends on the Cleavage Status of an Egg’s Zona Pellucida Protein；小鼠与人 ZP2 氨基端的物种选择性证据见 A single domain of the ZP2 zona pellucida protein mediates gamete recognition in mice and humans。 ↩

  4. Jin 等利用携带顶体荧光报告的转基因小鼠精子追踪最终完成受精的细胞，见 Most fertilizing mouse spermatozoa begin their acrosome reaction before contact with the zona pellucida；结论限于该小鼠体外受精体系。 ↩

  5. Bianchi 等通过配体筛选、直接结合与基因缺失确定 JUNO，见 Juno is the egg Izumo receptor；卵 CD9 的遗传证据见 Miyado 等的 Requirement of CD9 on the egg plasma membrane for fertilization。 ↩

  6. Noda 等分别敲除 Sof1、Tmem95 和 Spaca6，所得精子保留 IZUMO1 却不能与卵膜融合，见 Sperm proteins SOF1, TMEM95, and SPACA6 are required for sperm–oocyte fusion in mice。这些必要因子尚未构成一个足以在异源细胞中重建融合的完整装置。 ↩

  7. Saunders 等鉴定精子特异 PLC\(\zeta\) 并以去除和显微注射检验 Ca\(^{2+}\) 振荡，见 PLC zeta: a sperm-specific trigger of Ca\(^{2+}\) oscillations in eggs and embryo development；缺少 PLCZ1 的人精子与卵激活失败关联见 Human sperm devoid of PLC zeta 1 fail to induce Ca\(^{2+}\) release。 ↩

  8. Burkart 等证明 ovastacin 位于受精前的小鼠皮质颗粒、可直接切割 ZP2，且 Astl 缺失后受精卵不能正常阻止精子继续结合，见 Ovastacin, a cortical granule protease, cleaves ZP2。 ↩

  9. Reichmann 等以光片显微镜追踪小鼠合子第一次分裂，见 Dual-spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos；这是小鼠机制，其他哺乳动物的中心体来源和纺锤体组织方式可不同。 ↩