弱水三千只取一瓢飲──哺乳類受精之神奇


1990年3月243期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1990、3 ＃期號：0243 ＃專欄：＃標題：弱水三千只取一瓢飲──哺乳類受精之神奇＃作者：劉世成節譯．透明區是關鍵所在．頭帽反應、皮質反應和區反應．ZP3即是神奇的分子．圖一：很多的精子能與未受精卵的透明區結合並穿透它，但是僅有一個精子能和卵細胞的細胞膜結合，使卵細胞受精，形成一個新胚始（註一）。本圖為放大一千倍的老鼠精子和卵細胞。．圖二：受精過程．圖三：ZP3是構成透明區的主要成分之一，它是一種醣蛋白，和ZP2同為架構的基礎，彼此交替連成一條條的細絲，絲與絲間由第三種醣蛋白ZP1連結。圖左是細絲的電子掃描顯微照片。．圖四：頭帽反應．圖五：將精子和未受精卵放在一起（上），精子上的卵結合蛋白會和卵細胞上的精子受體結合。在競爭測定法中，首先將精子和假設的受體放在一起培養（下），如果受體確實存在，精子上的卵結合蛋白會和它結合，此時，精子上的卵結合蛋白將被受體完全占滿；再將精子和未受精卵放在一起，精子上因為沒有剩餘的結合蛋白，而無法和卵細胞結合。如果推測的受體並不存在，則精子仍可和卵細胞結合。自老鼠卵細胞分離出來的ZP3正具有干擾精卵結合的能力，ZP1和ZP2則無此能力，這顯示ZP3正是卵細胞透明區上的精子受體。．圖六：圖中圓球是一個塗有ZP3的玻璃珠，因此精子也能附著在上面，ZP1和ZP2則不具此作用。．圖七：區反應的效果在暗視野照片中看得很清楚，精子可和未受精的卵結合（圖上方和右下角毛茸茸的圓球），卻無法和雙細胞的胚胎結合（圖左下角和下方）。ZP3和區反應有關，被釋放至透明區的皮質顆粒酵素以某種方式改變了ZP3，使得以前是精子受體的ZP3，現在反而成為阻擋精子的屏障。		弱水三千只取一瓢飲 ──哺乳類受精之神奇【摘要】當成千上萬的精子雄兵衝向卵細胞時，卵細胞如何只讓一個幸運者進入它的懷抱？某一分子似乎正扮演了這關鍵的角色。哺乳類動物（包括人）的繁衍是屬於有性生殖，也就是生殖細胞必須經減數分裂先形成精子或卵細胞。在這過程中，染色體由雙套變成單套，由於染色體的隨機分離，造成精卵細胞內遺傳特質的差異，因此減數分裂是演化的重要基礎。一般說來，精卵的結合是有種別特異性的，亦即其有同種的精卵細胞才能結合，結合的過程就稱為受精。為了使染色體恢復原來的雙套，精卵的結合必定是一對一的配對，任何第三者介入，將會造成多套染色體的受精卵，這個悲劇的結局就是死亡。因此卵細胞到底是如何只讓一個精子與它結合，就成了生物學家很感興趣的事。由於人類的卵細胞取得不易，以下所提及的成果都是以老鼠為實驗材料而來的。透明區是關鍵所在卵細胞的外面包圍一層透明區（zona pellucida，見圖一），透明區和卵細胞間的空隙稱為卵黃周圍隙（perivitelline space，見圖二）。人類的卵細胞透明區約厚0.014公釐（卵細胞直徑約0.1公釐）。透明區在受精過程中肩負重責大任，它是一個精密的生物安全系統，首先它能選擇適合受精和發育的精子（例如防止異種生物的精子進入）。當精子和透明區結合後，它會使精子的頭帽活化，精子因而得以穿過透明區。雖然只要是同種的精子即可穿過透明區，但只要有一個精子碰到卵細胞本身，透明區立刻變成無法穿透，以確保僅有一個精子能和卵細胞結合。老鼠的透明區主要是由三種不同的醣蛋白（註二）構成，分別是ZP1、ZP2和ZP3（見圖三）；ZP2和ZP3相互結合成絲狀，絲和絲間由ZP1來連結。這些醣蛋白是由發育中的卵母細胞（oocyte，註三）所分泌，彼此連結成多孔性的透明區。頭帽反應、皮質反應和區反應頭帽（acrosome）是位於精子頭部前方的胞器，位置就在精子頭部細胞膜的正下方（見圖四）。頭帽富含消化酵素，可將透明區溶出一條路，使精子得以穿越透明區。當精子和透明區結合後，精子就會發生頭帽反應（acrosomal reaction），頭帽外膜和精子頭部細胞膜融合，形成一個個小泡，接著小泡脫落，使頭帽內膜和消化酵素裸露出來，足以發揮溶化透明區的功能。此時的精子即稱為頭帽活化的精子（acrosome-activated sperm），才具有穿越透明區的能力。精子穿過透明區後，緊接著會遇到卵細胞的細胞膜，並和它融合（見圖二）。這時位於卵細胞膜內面，富含酵素的皮質顆粒（cortical granule）會和細胞膜融合，將它的酵素釋放到卵黃周圍隙，由此再滲流至透明區，這種現象即稱為「皮質反應」（cortical reaction）。皮質反應由精卵接觸點下方的皮質顆粒開始，向四方進行，釋出的酵素會使透明區的結構發生改變，變成無法穿透，而防止發生多重受精，透明區的這種變化就叫做「區反應」（zona reaction）。 ZP3即是神奇的分子至於精子和透明區藉由什麼力量來結合呢？科學家們利用競爭測定法（見圖五），得知透明區有精子受體可和精子頭部的卵結合蛋白（egg-binding protein）緊密結合，這個精子受體事實上就是ZP3（見圖六）！當ZP3和精子頭部結合後，即促使精子發生頭帽反應，使一連串緊接其後的受精過程得以進行。當皮質顆粒的酵素被釋放至透明區時，它會破壞ZP3的受體活性，使得ZP3因無法再辨識精子而不能與其結合，如此則其他的精子就無法再進入透明區了（見圖七）。由此可知，ZP3正是前面提到的那個神奇的單一分子！雖然很多有關哺乳類受精的問題，在分子層次上已為人所知，但有更多方面仍待研究。例如透明區的變化可阻擋未進入的精子，但已進入的精子如何阻擋？還有，精子頭部的卵結合蛋白仍待分離研究。更重要的是，人類受精的過程又是如何？和上述的過程是否有相似之處？期待對人類受精的分子層次研究，能為我們在控制生育方面找出新方法。例如藉干擾卵結合蛋白和精子受體的結合而達到避孕的目的；或者，治療因精卵分子結構異常而導致的不孕症。（本文摘譯自Paul M. Wassarman, "Fertilization in mammals", Scientific American, Dec.1988.）劉世成中國醫藥樂學院醫學系畢業，現服役中註一：卵細胞一但受精即稱為「胚胎」，而受精卵就是單細胞的胚胎。註二：醣蛋白即糖分子附著於多胜鏈而成，而多胜鏈是由一串胺基酸組成，分子量很大的多胜鏈就是蛋白質。註三：卵細胞在發育至完全成熟前稱為「卵母細胞」。
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1990年3月243期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1990、3 ＃期號：0243 ＃專欄：＃標題：弱水三千只取一瓢飲──哺乳類受精之神奇＃作者：劉世成節譯．透明區是關鍵所在．頭帽反應、皮質反應和區反應．ZP3即是神奇的分子．圖一：很多的精子能與未受精卵的透明區結合並穿透它，但是僅有一個精子能和卵細胞的細胞膜結合，使卵細胞受精，形成一個新胚始（註一）。本圖為放大一千倍的老鼠精子和卵細胞。．圖二：受精過程．圖三：ZP3是構成透明區的主要成分之一，它是一種醣蛋白，和ZP2同為架構的基礎，彼此交替連成一條條的細絲，絲與絲間由第三種醣蛋白ZP1連結。圖左是細絲的電子掃描顯微照片。．圖四：頭帽反應．圖五：將精子和未受精卵放在一起（上），精子上的卵結合蛋白會和卵細胞上的精子受體結合。在競爭測定法中，首先將精子和假設的受體放在一起培養（下），如果受體確實存在，精子上的卵結合蛋白會和它結合，此時，精子上的卵結合蛋白將被受體完全占滿；再將精子和未受精卵放在一起，精子上因為沒有剩餘的結合蛋白，而無法和卵細胞結合。如果推測的受體並不存在，則精子仍可和卵細胞結合。自老鼠卵細胞分離出來的ZP3正具有干擾精卵結合的能力，ZP1和ZP2則無此能力，這顯示ZP3正是卵細胞透明區上的精子受體。．圖六：圖中圓球是一個塗有ZP3的玻璃珠，因此精子也能附著在上面，ZP1和ZP2則不具此作用。．圖七：區反應的效果在暗視野照片中看得很清楚，精子可和未受精的卵結合（圖上方和右下角毛茸茸的圓球），卻無法和雙細胞的胚胎結合（圖左下角和下方）。ZP3和區反應有關，被釋放至透明區的皮質顆粒酵素以某種方式改變了ZP3，使得以前是精子受體的ZP3，現在反而成為阻擋精子的屏障。		弱水三千只取一瓢飲 ──哺乳類受精之神奇【摘要】當成千上萬的精子雄兵衝向卵細胞時，卵細胞如何只讓一個幸運者進入它的懷抱？某一分子似乎正扮演了這關鍵的角色。哺乳類動物（包括人）的繁衍是屬於有性生殖，也就是生殖細胞必須經減數分裂先形成精子或卵細胞。在這過程中，染色體由雙套變成單套，由於染色體的隨機分離，造成精卵細胞內遺傳特質的差異，因此減數分裂是演化的重要基礎。一般說來，精卵的結合是有種別特異性的，亦即其有同種的精卵細胞才能結合，結合的過程就稱為受精。為了使染色體恢復原來的雙套，精卵的結合必定是一對一的配對，任何第三者介入，將會造成多套染色體的受精卵，這個悲劇的結局就是死亡。因此卵細胞到底是如何只讓一個精子與它結合，就成了生物學家很感興趣的事。由於人類的卵細胞取得不易，以下所提及的成果都是以老鼠為實驗材料而來的。透明區是關鍵所在卵細胞的外面包圍一層透明區（zona pellucida，見圖一），透明區和卵細胞間的空隙稱為卵黃周圍隙（perivitelline space，見圖二）。人類的卵細胞透明區約厚0.014公釐（卵細胞直徑約0.1公釐）。透明區在受精過程中肩負重責大任，它是一個精密的生物安全系統，首先它能選擇適合受精和發育的精子（例如防止異種生物的精子進入）。當精子和透明區結合後，它會使精子的頭帽活化，精子因而得以穿過透明區。雖然只要是同種的精子即可穿過透明區，但只要有一個精子碰到卵細胞本身，透明區立刻變成無法穿透，以確保僅有一個精子能和卵細胞結合。老鼠的透明區主要是由三種不同的醣蛋白（註二）構成，分別是ZP1、ZP2和ZP3（見圖三）；ZP2和ZP3相互結合成絲狀，絲和絲間由ZP1來連結。這些醣蛋白是由發育中的卵母細胞（oocyte，註三）所分泌，彼此連結成多孔性的透明區。頭帽反應、皮質反應和區反應頭帽（acrosome）是位於精子頭部前方的胞器，位置就在精子頭部細胞膜的正下方（見圖四）。頭帽富含消化酵素，可將透明區溶出一條路，使精子得以穿越透明區。當精子和透明區結合後，精子就會發生頭帽反應（acrosomal reaction），頭帽外膜和精子頭部細胞膜融合，形成一個個小泡，接著小泡脫落，使頭帽內膜和消化酵素裸露出來，足以發揮溶化透明區的功能。此時的精子即稱為頭帽活化的精子（acrosome-activated sperm），才具有穿越透明區的能力。精子穿過透明區後，緊接著會遇到卵細胞的細胞膜，並和它融合（見圖二）。這時位於卵細胞膜內面，富含酵素的皮質顆粒（cortical granule）會和細胞膜融合，將它的酵素釋放到卵黃周圍隙，由此再滲流至透明區，這種現象即稱為「皮質反應」（cortical reaction）。皮質反應由精卵接觸點下方的皮質顆粒開始，向四方進行，釋出的酵素會使透明區的結構發生改變，變成無法穿透，而防止發生多重受精，透明區的這種變化就叫做「區反應」（zona reaction）。 ZP3即是神奇的分子至於精子和透明區藉由什麼力量來結合呢？科學家們利用競爭測定法（見圖五），得知透明區有精子受體可和精子頭部的卵結合蛋白（egg-binding protein）緊密結合，這個精子受體事實上就是ZP3（見圖六）！當ZP3和精子頭部結合後，即促使精子發生頭帽反應，使一連串緊接其後的受精過程得以進行。當皮質顆粒的酵素被釋放至透明區時，它會破壞ZP3的受體活性，使得ZP3因無法再辨識精子而不能與其結合，如此則其他的精子就無法再進入透明區了（見圖七）。由此可知，ZP3正是前面提到的那個神奇的單一分子！雖然很多有關哺乳類受精的問題，在分子層次上已為人所知，但有更多方面仍待研究。例如透明區的變化可阻擋未進入的精子，但已進入的精子如何阻擋？還有，精子頭部的卵結合蛋白仍待分離研究。更重要的是，人類受精的過程又是如何？和上述的過程是否有相似之處？期待對人類受精的分子層次研究，能為我們在控制生育方面找出新方法。例如藉干擾卵結合蛋白和精子受體的結合而達到避孕的目的；或者，治療因精卵分子結構異常而導致的不孕症。（本文摘譯自Paul M. Wassarman, "Fertilization in mammals", Scientific American, Dec.1988.）劉世成中國醫藥樂學院醫學系畢業，現服役中註一：卵細胞一但受精即稱為「胚胎」，而受精卵就是單細胞的胚胎。註二：醣蛋白即糖分子附著於多胜鏈而成，而多胜鏈是由一串胺基酸組成，分子量很大的多胜鏈就是蛋白質。註三：卵細胞在發育至完全成熟前稱為「卵母細胞」。
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