禽类受精过程中的精卵互作

日期:2020-01-14编辑作者:饲料营养

  在任何有性生殖的动物中,受精是繁殖后代必不可少的过程。总体而言,受精是一个按时序逐步发生的重要生理过程,包括精卵物种特异性的结合、顶体反应的诱导、精子渗透进入卵子以及配子的融合。大量研究表明:透明带 ( 包围在哺乳动物卵子周围的卵膜 ) 在受精过程中精卵互作的第一步上起着重要作用。当精子接触到卵子时,它们必须先穿过透明带,然后才能进行精卵融合。尽管我们尚未完全理解受精过程中这些生理活动的分子机制,但研究人员从利用如转基因和基因敲除等反向遗传技术的研究中,已找到了哺乳动物中调控受精过程的大量证据和关键作用分子。
与哺乳动物相比,禽类的卵子特别大,这导致我们无法在体外通过直接观察禽类的精卵互作来研究这个过程。举例来说,至今还未有可行的禽类体外受精 (in vitro Fertilization,IVF) 方法,研究人员只好将分离的卵周膜 ( 哺乳动物透明带的类似物 ) 与采集的精子进行体外培养作为体外受精的替代模型。此外,由于系带层 ( 也称为卵黄膜外层,由输卵管漏斗部分泌 ) 会在排卵后会迅速覆盖在卵周膜表面,排出的卵子很快会失去受精能力。随后,精子将不再与这些卵子互作,而被阻留在系带层或卵清蛋白中。尽管存在这些困难,但包括我们实验室在内的多个研究小组使用家养禽类 ( 主要是鸡和鹌鹑 ) 研究了禽类受精的机制。
本文我们将总结人们对禽类受精过程中精卵互作机制的最新认识,特别是对精卵结合、精子顶体反应以及卵周膜孔形成所必需的真精子蛋白酶。
1 精卵结合
精 卵 结 合 是 受 精 过 程 的 第 一 步。1980 年,Wassarman 研究小组在小鼠上确定了 3 种透明带蛋白 ZP1、ZP2 和 ZP3,并发现 ZP3 负责 ( 小鼠 ) 物种特异性的精卵结合。在此基础上,随后研究人员也 在很多动物的卵膜中鉴定出了精卵结合所必需的 ZP蛋白。尽管 ZP 蛋白的结构和功能在进化上比较保守,但有趣的是不同动物的 ZP 蛋白来源却不相同。例如,小鼠的 3 种 ZP 蛋白是在不断发育的卵细胞中合成,而兔的 ZP3 蛋白则产生于卵巢颗粒细胞。在一些卵生动物 ( 例如鱼和鸟类 ) 中,一些卵外膜蛋白由肝脏分泌,并经血液循环运输至卵巢;不过,在非洲爪蟾中,卵细胞则是 ZP 蛋白的唯一来源。
我们之前报道了鹌鹑的卵周膜至少由 5 种蛋白组 成 (ZP1、ZP2、ZP3、ZP4 和 ZPD)。 正 如 前 言 中所提及的,禽类无体外受精系统,一般以离体卵周膜作为研究精卵互作机制的替代途径 ( 图 1)。利用这个系统,我们曾报道了纯化的鹌鹑 ZP3 蛋白的特异性抗血清在日本鹌鹑上能有效阻止精子穿透卵周膜。对于这一抑制现象,有 3 种可能的解释:(1)抗血清覆盖了 ZP3 蛋白 ( 精子的一个结合位点 ),从而阻止了精卵结合;(2) 抗血清阻止了精子的顶体反应;(3) 抗血清抑制了消化卵周膜的蛋白酶的作用。尽管我们没有进行进一步的试验,但 Bausek等通过测试纯化的 ZP1 或 ZP3 蛋白与精子的结合,证明了两种 ZP 蛋白均能特异性地结合到精子头部的顶端。然而,在鸡上,仅 ZP3 蛋白能能够通过与分子量为 180 kDa 的精子蛋白产生互作而发生结合反应。这些结果表明 ZP3 蛋白是鸡和鹌鹑卵周膜上的精子结合蛋白,不过具体的精卵结合机制仍不清楚。在小鼠中,有报道称 ZP2 蛋白也有助于精子结合;ZP2 蛋白被卵巢皮质颗粒蛋白酶的有限消化会产生结构性改变,这能防止多精受精。在禽类中,ZP2 蛋白表达于未成熟卵泡的卵细胞中,并作为一种微量组分存在于卵周膜中。前不久,Nishio 及其同事证明了鸡的 ZP2 蛋白在未成熟的卵细胞包被层中累积,并驻留在成熟卵子的胚盘区。尽管 ZP2 蛋白与精子的结合特性尚未进行测试,但研究鸡中报道的 ZP2 蛋白位置是否与精子穿透卵子更多地发生在胚盘区的这种现象相关将会十分令人关注。要证明禽类中的精卵结合分子机制还需进一步的研究。

正如前文所述,ZP 蛋白在精卵结合过程中起着重要作用。然而,禽类中负责精卵互作的辅助分子,包括在精子表面与 ZP 蛋白互作的活性组分仍有待研究。为此,我们制备了抗鹌鹑精细胞膜组分的单克隆抗体 (Monoclonal Antibody,MAB) 库,并在体外通过精子检测了 MAB 库 ( 成员 ) 抑制卵周膜孔形成的能力。在 MAB 库的上浮物中,我们发现上浮物 19A16A13 能强有力地阻止卵周膜孔的形成。对抗原使用串联质谱分析表明 MAB 能识别精子顶体素( 精子头粒蛋白 )。免疫组化分析和超微结构分析发现精子顶体素位于精子细胞质膜和顶体基质中。事实表明,MAB 确能有效地阻止有完整顶体的精子与卵周膜结合。尽管精子顶体素 ZP 蛋白的结合能力还未知,但这些研究结果表明在鹌鹑受精过程中,精子质膜上分子量为 45 kDa 的精子顶体素有助于精子与卵周膜结合。
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