第一节　精子发生的过程

一、精子发生的三个阶段

睾丸精子发生（spermatogenesis）是精原细胞经过多个发育阶段形成精子的过程，主要包括三个阶段：精原细胞（spermatogonia）的增殖与分化、精母细胞（spermatocyte）的减数分裂以及精子细胞（spermatid）的精子形成（图2-1-1）。生精小管中可见嵌在支持细胞（又称Sertoli细胞）之间的各级生精细胞（图2-1-2、图2-1-3），其中，紧靠生精小管基膜的是精原细胞，这些细胞通过有丝分裂增殖；精原细胞内侧的是减数分裂（也称为成熟分裂）过程中的精母细胞，首先形成初级精母细胞，然后形成次级精母细胞，最后产生精子细胞；精子细胞经过复杂的形态变化由圆形形成蝌蚪状的精子，为精子形成（spermiogenesis）过程。

（一）精原细胞的增殖与分化

胚胎期原始生殖细胞通过迁移，到达未分化的性腺，未分化性腺向睾丸分化时，原始生殖细胞和支持细胞的前体细胞形成睾丸索，并发育为睾丸生精小管。新生儿时期，睾丸生精小管的生精上皮是由未成熟的Sertoli细胞与管腔中央少量的性原细胞组成，性原细胞迁移到Sertoli细胞紧密连接下方的基底小室形成精原细胞。精原细胞是生精小管中最靠近生精小管基膜的一层细胞，直径约12μm，核为圆形或卵圆形，染色质呈细颗粒状，染色较深，有1～2个核仁。临近青春期，促性腺激素增加，处于分裂间期的生精细胞被启动进入周而复始的有丝分裂，这些细胞被称作A型精原细胞，A型精原细胞分为暗型精原细胞（dark type A spermatogonia，Ad）和亮型精原细胞（pale type A spermatogonia，Ap）。它们在增殖过程中形成了两种精原细胞：一种是与精原干细胞完全相同的细胞，一种是正在分化的精原细胞。A型精原细胞转变为B型精原细胞，B型精原细胞开始进入减数分裂。为了维持足够的精子数量，精原干细胞不断增殖。精原细胞的增殖是精子发生的重要环节，其不仅是成年后精子发生长期存在的必要前提，而且也是大量精子不断产生的重要保证。

（二）精母细胞的减数分裂

精母细胞位于生精上皮中层，分为初级精母细胞和次级精母细胞。初级精母细胞由精原细胞分化而来，经过第一次减数分裂，形成两个次级精母细胞，后者的间期很短，很快进行第二次减数分裂，形成精子细胞。初级精母细胞的染色体呈双倍体（46，XY）在细胞分裂间期或前细线期，初级精母细胞复制DNA，使DNA量达到4n，然后细胞进入分裂期。

在减数分裂前期，初级精母细胞细胞核的染色质变化过程很复杂，根据染色质形态变化，可以分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。减数分裂起始于前细线期的初级精母细胞，初级精母细胞在该阶段进行最后的DNA半保留复制。作为减数分裂的早前期，染色质浓缩，形成细丝状染色体，仅性染色体形成致密的异固缩小体。在细线期和偶线期，精母细胞通过Sertoli细胞的紧密连接从生精小管的基底小室进入到近腔小室，初级精母细胞的核形态发生明显变化。在细线期，虽然DNA已经复制，但是看不到两条姐妹染色单体，染色体浓缩成细丝状。减数分裂进入偶线期时，染色体进一步浓缩，此时来自两个亲本的同源染色体双双配对，称作染色体联会。来自父本和母本的同源染色体，两两靠拢进行准确的配对，形成二价体，即一对染色体含有四条染色单体，但仅有两个着丝点，所以又称四分体，是减数分裂的重要特征。联会复合体不仅对同源染色体结构起稳定作用，还能够帮助同源染色体小片段之间进行交换和重组。联会复合体是减数分裂中一个高度保守的结构，是父源和母源染色体基因互换和重组的一个特异的结构。在粗线期的精母细胞，染色体螺旋进一步变紧，染色体进一步变短变粗，染色加深，紧密排列成对，每条染色体出现明显纵裂，且包含两条染色单体，由着丝点将它们联结在一起。此时在同源染色单体之间能发生某些片段的断裂和交换，这一现象能在光镜下看到，称之为交叉。通过交叉，来自父系和母系的同源染色体间进行遗传物质的互换，具有重要的生物学意义。此时细胞核增大，胞质变多，成为生精细胞中最大的细胞。在双线期时，联会复合体开始解体，同源染色体相互分离。在终变期，核仁消失，交叉数目明显减少，同源染色体只有端部在一起，纺锤丝出现于染色体区，构成纺锤体。前期完成后，细胞经历中期、后期和末期，每一个初级精母细胞分成两个次级精母细胞，各对同源染色体分别移向细胞两极，每一个染色体由两条染色单体组成，两条染色单体靠着丝点处相连。

第一次减数分裂完成后，次级精母细胞很快进入分裂间期（此时的DNA为2n），但由于不需要进行DNA复制，时间很短，很快进行第二次减数分裂。在第二次减数分裂时，两条染色单体在着丝点处分开，各自移向细胞两端，形成单倍体的精子细胞，DNA为1n，染色体为23，X或者23，Y。每个初级精母细胞经过两次减数分裂最后形成四个圆形精子细胞，随后进入精子形成阶段。

减数分裂是一个极其复杂的过程，需要许多新的结构蛋白和酶的参与，它们对染色体的排列、断裂、重组和修复等具有重要的意义。

（三）精子细胞的精子形成

精子细胞靠近管腔面，呈圆形，体积较小，直径8～9μm，核圆形，着色深。精子细胞形成后不再分裂，但是要经历一个形态结构方面复杂的改变过程，才形成最后的蝌蚪状精子，这个过程称作精子形成，包括：细胞核的浓缩和蛋白转型；高尔基复合体囊泡于精子细胞核顶部形成顶体；中心粒迁移到细胞核的尾侧；鞭毛发育；线粒体鞘形成；多余胞质的丢失。

精子形成过程中，细胞核变化明显，核由细胞中心移向细胞边缘，靠近精子膜，且浓缩体积变小。随着精子核的浓缩，核内蛋白类型也发生变化。早期精子细胞内的蛋白为组蛋白，随着精子细胞伸长，组蛋白被过渡蛋白取代，到精子形成晚期，鱼精蛋白又逐渐替代了过渡蛋白。鱼精蛋白通过中和DNA之间电荷，降低DNA的经典排斥，使得染色质形成层层叠叠的结构，高度浓缩。

早期精子细胞内高尔基复合体十分发达，随着精子形成，在其中央凹面出现几个圆形小泡，称之为前顶体囊泡，内含致密颗粒，称之为前顶体颗粒。随后前顶体囊泡逐渐融合形成了一个大的顶体囊泡，与核膜贴在一起，前顶体颗粒也融合为顶体颗粒。顶体囊泡之后变扁并向细胞核两侧延伸，顶体颗粒弥散，形成顶体。顶体内富含糖与各种水解酶。与此同时，精子细胞由圆形变成长形，并且有鞭毛，细胞核失水，染色体紧密结合，体积缩小，构成精子头部的绝大部分。

当顶体形成时，精子细胞中的两个中心粒迁移到细胞核的尾侧。远侧中心粒周围产生9个纵行的节柱构成鞭毛中轴，节柱的远端与鞭毛轴丝外新形成的9根纵行外周致密纤维相接。与此同时，线粒体聚集在鞭毛起始部的周围形成线粒体鞘，分化形成中段。而在主段，线粒体鞘被纤维鞘替代，由两条纵向柱和环形交织物组成，其他结构与中段相似。至此，精子尾部基本完成。在精子形成的后期，部分染色质浓缩成为一个不规则的胞质块，该胞质块称作残余体，随后残余体脱落。至此精子形成，释放入管腔。

减数分裂时，来自父方与来自于母方的23对染色体之间随机组合并被分到次级精母细胞中，形成223（8 388 608）种不同的染色体组成；此外，由于染色体联会，同源染色体之间发生交叉互换，产生新的连锁关系。因此尽管每一个精子都属于一个大的克隆群体，且这个群体是由一个A型精原细胞通过多次的有丝分裂增殖和减数分裂而来的，但在这个群体中，没有完全相同的精子。减数分裂时非同源染色体之间的自由组合，同源染色体之间的相互交换，确保了每一个精子携带有不同的遗传信息，这是人类表现出复杂的遗传和变异现象的基础。

生精细胞分化以产生功能成熟的精子是一个漫长而复杂的过程，此期间所经历的许多分化的步骤常常由于各种因素干扰而发生改变，造成精子发生过程中的遗传损伤和结构异常。

二、精子发生的时相

精子发生包括有丝分裂、减数分裂和精子形成等一系列复杂的步骤，完成这些步骤需要几周的时间。包括人类在内的各种动物，从精原细胞有丝分裂、精母细胞减数分裂到精子细胞精子形成称为精子发生时程。不同种属之间精子发生的时程是不同的；但在同一个种属内，整个精子发生过程中的细胞发育速率是恒定的，同一种属的所有A型精原细胞用同样的时间完成精子发生的过程。激素或各种外界的有害物能够影响到精子是否发生，但不能改变精子发生的速率。

（一）精子发生的规律

在一个A型精原细胞有丝分裂增殖时，产生新的A型精原细胞作为干细胞而保留，新的干细胞经历几天的静息周期后将会进入新一轮的有丝分裂增殖，重复上述过程。相同的种属中，所有A型精原细胞的静息周期时间相对固定，即每个种属具有其自身特异的静息周期时间。

在大鼠中，相邻两批A型精原细胞进入精子发生周期的时间间隔为12天，即A型精原细胞静息周期为12天，占整个精子发生时程的1/4，所以在同一时间会出现4批精原细胞分化在4个不同的精子发生阶段。最早启动分裂的细胞其位置不断被后分裂的细胞所取代，向管腔迁移，随着一批A型精原细胞开始分裂分化，前面3批细胞在精子发生过程中处于3个不同时期，因此在大鼠每一个A型精原细胞从启动分裂到精子形成共有4个周期，每一个周期表示一种细胞类型，称之为精子发生周期。不同种属间精子发生周期数不同。

尽管精原干细胞静息时间固定，但人类青春期A型精原细胞是随机启动进入有丝分裂，即使不同的细胞其发育的速率和周期均恒定，但其进入精子发生的时间被错开，使精子释放连续进行。

（二）生精上皮周期

从生精小管的某一局部来看，某一特定的细胞组合到下一次再出现同一细胞组合所经历的时间称作一个周期。因为相邻两批A型精原细胞进入精子发生的间隔恒定且细胞发育时间相同，所以精子发生过程中，无论在什么生精小管的横切面，细胞的排列都具有其特征。每个周期中所经历的各种细胞组合称作周期中的各个生精时相（期）。以大鼠为例，精子发生的周期间隔为12天，当一个新的A型精原细胞经过12天6次的有丝分裂进入减数分裂时，上一批细胞又经过了12天完成了减数分裂，成为早期的精子细胞。由于精子细胞精子形成分化为精子的过程需要12天，因此同一时间内存在有进入有丝分裂的细胞、进入减数分裂的细胞以及开始精子形成过程中的精子细胞。在这12天的时程中，处在4个周期不同阶段的所有细胞组成易于辨认的、典型的14个特殊的细胞组合称之为生精时相（期）。这种特殊细胞组合随时都在变化，在12天中连续出现14个阶段，随后不断重复。

多数哺乳动物的分期沿着生精小管的纵轴依次排列，精子发生的周期周而复始，整个过程是高度严密有序的。在人类生精小管横截面，与生精细胞很有规律排列的啮齿类动物不同，常发现包含不止一个分期的细胞组合，即可识别的细胞组合只占据生精小管上皮较小的楔形区域。这一现象不是因为人类的精子发生周期和细胞发育的速率调控机制不同于其他种属，而是由于人类精子发生在生精小管内的空间排列比较特殊。人类生精细胞组合在生精小管中螺旋形排列，而啮齿类动物为线性排列。精子生成过程在时间和空间上有严格的顺序性。生精小管中不同成熟阶段的生精细胞在管腔中连续、依次排列，提示精子生成过程按照顺序依次从第一阶段到第二阶段，再到第三、第四阶段，这个顺序称为精子发生波。

人类睾丸生精具体表现为6个时相，一个典型的横截面由其包含的经典的生殖细胞区分。Ⅰ期的特点是有Sa和Sd1型精子细胞，Ⅱ期有Sa和Sd2型精子细胞，Ⅲ期的特点是有Sb1型精子细胞和前细线期精母细胞，Ⅳ期存在有Sb2型精子细胞和细线期初级精母细胞，Ⅴ期以Sc和粗线期末的初级精母细胞为特征，Ⅵ期有初级精母细胞、次级精母细胞和Sc型精子细胞（图2-1-4）。人体内的6个时相的发生需要16天，称作一个精子发生周期。从精原细胞开始，人精子发生的整个过程至少64天，经历约4.6个周期。沿生精小管的纵轴，人类精子发生的形态学结构具有明显的特征。在青春期，生精小管纵轴的中央处的A型精原细胞最先被启动进入有丝分裂增殖，产生第一个精子发生周期。与此同时，激活物沿生精小管纵轴向两端缓慢伸展，进行性地启动A型精原细胞产生第二个精子发生周期、第三个精子发生周期……在整个生精小管的纵轴上形成精子发生波。为了保证精子质量，整个过程往往伴随着大量生精细胞的凋亡，约占60%。关于人精子发生的时相机制的研究仍然不是十分清楚。