精子与卵子识别(他俩是咋认识的)

精子膜表面与卵子透明带表面都有特殊的相互识别装置,识别是受精过程的启动或扳机,也是保证种族特异性的关键。精子和卵子识别可分两步:第一步是精子附着在卵子表面,称为附着(attachment);第二步是精子与卵子透明带的结合(bind),是由精子表面的配体和卵子透明带上精子受体的结合而实现的。

研究发现,人类及其他许多哺乳动物的卵子透明带仅由3种糖蛋白构成:ZP1,ZP2,ZP3。有证据表明ZP3是精子识别卵子以及与卵子结合的部位,也即卵子的识别装置。其主要依据是:

  1. 体外纳摩尔浓度的纯化的卵子ZP3可特异性地与精子头部结合,并阻止精子与卵子结合及体外受精;
  2. 纯化的卵子ZP3能体外诱导精子发生顶体反应。

多种哺乳动物(包括人类)的ZP3基因已被克隆。由此推断出不同哺乳动物之间(从人到小鼠)ZP3的多肽链一级结构非常相似(约70%相同),包括恒定含有13个半胱氨酸残基。不过,不同动物广泛的异质性主要是由于其中寡糖(oligosaccharides)的差别而不是由于其多肽链大小的差异。例如,尽管小鼠和仓鼠中的多肽链大小相同(约44 000),而且一级结构非常相似(82%相同),但是他们的相对分子质量却分别为83 000和56 000。进一步研究发现,精子识别和结合的部位是ZP3中的寡糖而非多肽链。如小鼠的相对分子质量为83 000,由44 000的一个多肽链和39 000的寡糖组成(与N连接的寡糖为30 000,与O连接的寡糖为9000)。用链霉菌蛋白酶(pronase)消化ZP3中的蛋白质骨架不能破坏其精子受体活性,表明精子结合部位是寡糖。用糖苷酶选择性消化与N相连的寡糖,精子受体仍然完好无损;当用强碱处理ZP3,使与O相连的寡糖释放后,便破坏了精子的受体活性。凝胶过滤这些被强碱所释放出来的寡糖链表明,相对分子质量为3000~4000的寡糖具有精子受体活性。透明带表面糖基在识别中具有重要作用的另一个例子是用麦芽凝集素(wheat germ agglutinin,WGA)预先处理卵子可封闭体外受精,而WGA可选择性地与N乙酰葡萄糖胺及涎酸结合。不过,有研究结果表明,尽管ZP3中多肽链不直接参与精子-卵子结合,但多肽链可影响寡糖的构象,进而可影响精子与ZP3的亲和力。

深入研究精子上ZP3结合蛋白,发现有如下候选蛋白质:

  1. SP56:这是一种凝集素样的蛋白质,与精子头部质膜相连。它可以识别O-相连的寡糖的末端半乳糖基,也属于蛋白受体超家族的一员。
  2. P95:是一种独特的己糖磷酸激酶的酪氨酸磷酸化形式,作为精子膜的组成蛋白而定位于精子头部和尾部,具有内在酪氨酸激酶的活性,这种活性受ZP3的调节。
  3. PH-20:是一种精子膜及顶体膜的糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(glycosyl-phosphatidyl inositol onchored protein)。此蛋白质为单链,与蜜蜂毒液透明质酸高度同源并显示透明质酸酶活性。它使得精子可穿过卵子周围的卵丘层。
  4. β-1,4-半乳糖转移酶(β-1,4-galactosyltransferase):是一个与精子头部膜相结合的酶,可特异性地识别卵子中O相连的寡糖末端乙酰葡萄糖胺残基。
  5. 受精素β(fertilin-β,PH-30):又称为精子凝集素,由α和β亚单位组成异二聚体,含金属蛋白酶样和去整合素样功能区。受精素β以去整合素样功能区域与卵细胞膜上的整合素结合来参与精卵识别过程。
  6. 低相对分子质量的精子蛋白质:如精子黏附素(spermadhesins)和兔精子自身抗原(rabbit sperm autoantigen,RSA)也涉及配子的黏附。下表列出了与透明带作用的精子蛋白。

与透明带作用的精子蛋白

与透明带作用的精子蛋白

有关精子上结合候选蛋白的研究之所以不尽相同,可能的原因如下:

  1. 鉴定蛋白的实验方法不同:诸如Western blotting、亲和交联法、抗体抑制法等。
  2. 使用了处于不同获能阶段的精子。
  3. 使用具有或不具有完整顶体的精子。

迄今为止,对海胆精子的识别装置研究得最为彻底。其识别装置为一种蛋白质,称结合素(bindin)。哺乳动物精子结合素中有糖基,它们在识别中起重要作用(下图)。体外受精时,加入岩藻糖、半乳糖或N乙酰葡萄糖胺等可抑制识别。识别不但与糖基种类有关,而且与糖基的空间构型也有关。如1→2岩藻糖有明显的抑制作用,而1→3岩藻糖则无此作用;用一种特异性与岩藻糖结合的凝集素预先处理精子,则此精子不能受精,表明精子膜糖蛋白末端的岩藻糖对于识别是必需的,只有在去除精子表面的去能因子后,才能暴露出末端的岩藻糖基。有证据表明,精子膜上的结合素作为一种凝集素去识别卵子透明带上蛋白多糖分子中的特异性糖基决定簇。

 海胆精子顶体突出表面上的顶体素分子模式图

海胆精子顶体突出表面上的顶体素分子模式图

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