三、配子发生
（一）精子发生
一旦原始生殖细胞到达男性胚胎的生殖嵴，它们成为精原细胞，并植入性索内静止直到个体发育成熟。在这个过程中，生殖嵴管化形成精曲小管。管道的上皮细胞分化为支持细胞，通过自身和生精细胞表面的N-钙黏素分子和自身糖类受体与生精细胞表面的半乳糖基转移酶使两者黏附，包绕生精细胞，起营养和保护作用。人类精子发生大约需要65 d的时间。
精曲小管主要含有Sertoli细胞和生殖细胞包含有精原细胞、精母细胞、精细胞和精子。其中精原细胞为干细胞，具有分化为其他生殖细胞的能力，并自我更新。在近管腔基膜部是精原细胞。精原细胞是干细胞，越向管腔方向，细胞的特化越强，越趋近于分化为成熟的精子。Sertoli细胞为支撑营养细胞，它包绕各种生殖细胞，营养、保护和调节生殖细胞的成熟与功能。
1.精液
精液呈乳白色或淡黄色，精液射出后，在精囊酶的作用下凝固，在前列腺酶的作用下液化。精液内包含精子、精浆和其他细胞成分。精子由睾丸产生，具有运动能力，含有生殖所需的遗传物质，具备使卵子受精的能力。每毫升精液含有2000万到2亿精子，每次射精有2～4 mL。精浆由前列腺、精囊和尿道球腺分泌产生。精浆里含有果糖、蛋白质和其他一些化合物如前列腺素等。精液内还含有少量的白细胞、生皮细胞和非成熟的生殖细胞如精细胞等。在感染等情况下，可能有较多的白细胞或脓细胞。
2.精子的形态
精子为蝌蚪状，长约60μm，分为头部和尾部两部分。头部正面为扁梨形，正面长度4.0～5.0um，宽2.5～3.5μm，长/宽＝1.50∶1.75。内部主要为浓缩的细胞核；细胞核的前2/3有顶体覆盖。顶体内含有顶体蛋白酶、透明质酸酶、酸性磷酸酶等水解酶，受精时，精子发生顶体反应，释放这些酶，分解卵子外周的颗粒细胞外的间质和透明带，使之与卵子接触。
精子的尾部是运动装置。分为颈段、中段、主段和末段4部分。颈段较短，内有中心粒。由中心粒发出的纵形微管构成了尾部中心的轴丝。微管按2根1组，四周9组，中间1组排列。中段宽度＜1μm，与颈部一起大致为头部长度的1.5倍，其纵轴与头部的纵轴方向一致。微管的外周有9根纵形的致密纤维，外周再包绕一圈线粒体，为鞭毛摆动提供能量。主段细长而均匀，长约45μm，没有线粒体鞘，代之以纤维鞘。末段较细，一般光镜下不易观察到。
精子的颈部和中段有重要的细胞器，如中心粒，在辅助生殖中要避免损伤。
3.精子发生
精子在精曲小管发生。从精原细胞到形成精子，历时共计65 d左右。期间发生了减数分裂，核染色体经过了修饰并进行了特殊包装，精子发生了形变，并取得了运动能力和受精的能力。
（1）精原细胞增生：生精过程在青春期后开始。决定增生或分化的因素在于Wnt和BMPs通路间的相互作用。精原细胞同时具有Wnt和BMP两种受体。Wnt使干细胞增生，而当BMPs（如BMP 8 b）增加到一定水平时，细胞发生分化。青春期生精功能启动与精原细胞表达BMPs有密切关系。
精原细胞紧贴生精上皮基膜，圆或椭圆形，直径约12μm。它分为A形和B型。A型又分为暗型（Ad，又称A1型）和亮型（Ap，包括A2型、A3型和A4型）两种类型。A1型细胞是干细胞，具有自我更新功能，在分裂过程中产生另一个A1型细胞和一个A2型细胞。A2型细胞分裂产生A3型细胞，再进一步产生A4型细胞。A4型精原细胞是定向干细胞型，又称中间精原细胞，它进一步分裂产生B型精原细胞。B型精原细胞是精母细胞的前体，将定向分化为精子。支持细胞、间质细胞和血管的交界处可能是干细胞的小生境，Ad型精原细胞多位于此。
精原细胞与精母细胞间的转换取决于支持细胞分泌的胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）和SCF的相互作用。当GDNF增高，精原细胞倾向于向生精方向分化，反之则倾向于自我复制；SCF则促进干细胞自我复制。FSH上调支持细胞的GDNF和SCF的表达。这样，支持细胞就成了内分泌系统与生精功能的联系，并在调节青春期后的生精功能。要保持干细胞的稳定，即使未分化细胞和分化细胞具有恰当的比例，是十分精密而困难的事情。例如luxoid突变小鼠，由于缺乏相应的转录调节因子，所有的精原干细胞同时分化为精子，睾丸内失去了干细胞，从而导致不育。
生精细胞需要合成一些特异性的蛋白，才能保障生精功能。RNA合成酶Ⅱ转录因子也被精子特异性变异物取代。TFIID复合体由TATA结合蛋白和14TAFs组成，具有识别RNA多聚酶的作用。TAF4 b是精子特异性的TAF，是精子生成所必需的。缺乏这个因子，生精的干细胞将不能合成Ret（GDNF受体），使luxoid转录因子合成，生精受阻。
在生精的细胞分裂过程中细胞质的并没有完全分开，细胞与细胞间有直径约1μm的“桥”发生交流。这样在连续的分裂中产生了一系列的“合体”细胞，它们间发生了信息和分子交流，保障了细胞的同步成熟。
（2）单倍体精细胞形成：1个B型精母细胞产生2个初级精母细胞。1个初级精母细胞通过减数分裂Ⅰ产生2个次级精母细胞，减数分裂Ⅱ后形成4个细胞。此时染色体为单倍体，称为精细胞，各精细胞间仍然通过细胞间的胞质桥相连。此时，虽然各精细胞为单倍体，但由于细胞间胞质桥的彼此连接，功能上仍然为双倍体。这个过程中，精母细胞一些基因开始转录，以形成顶体和轴丝。
从A1型精原细胞开始分裂、生精，到精细胞生成，细胞逐步由精曲小管的基底部向管腔顶部位移，精子成熟后进入精曲小管管腔。因此，发育不同阶段的细胞会定位于精曲小管特定的细胞层内，精细胞位于精曲小管的管腔界面。
（3）精子形成：哺乳动物的精细胞为圆形，没有尾部，与成熟的精子形态完全不一样。精细胞形变为精子形态的过程称为精子形成。要实现受精的目的，精子必须与卵子相遇并结合，精子的形成就是使精子获得运动和与卵子相互作用的能力。
首先是由高尔基复合体构建顶体，称为帽状覆盖精子核。一旦顶体形成，精子获得了与卵子发生相互作用的能力。生精最后，精子核发生旋转，对向精曲小管的基膜。这个过程较为重要，因为在核的另一边形成的尾部将转向管腔。在精子形成的最后阶段，精子核扁平，浓缩，细胞质脱失，线粒体在尾部基膜处环状分布。脱落的细胞质部分称为胞质小滴。一旦精子细胞质脱落、形成尾部，便获得了运动的能力。生精过程中，细胞合成精子特异性蛋白-鱼精蛋白以取代组蛋白。在精子脱落到精曲小管管腔前，细胞核几乎类似于晶体状，转录完全停止。
男性每天大约产生1亿精子，每次射精大约有2亿精子射出。没有射出的精子将被吸收。从理论上讲，成年后，男性生精没有年龄终点，男性一生中产生102～103个精子。
（二）卵子发生
卵子以初级卵母细胞状态、卵泡形式存在于成体个体的卵巢组织内的。女性每天都有一定数量的卵泡开始发育，全部卵泡耗竭后进入绝经。卵母细胞经过85 d左右的时间发育，期间绝大部分发育的卵泡死亡，每月只有一个卵母细胞发育成熟并排卵。
1.卵原细胞的增生与卵母细胞的产生
在人类的胚胎期，上千卵原细胞到达生殖腺后，于胚龄2个月到7个月期间迅速增至，形成600万～700万个卵原细胞，并与相应的辅助细胞形成原始卵泡。此后，大多数卵原细胞死亡，剩下的进入减数分裂，称为初级卵母细胞。减数分裂进行到偶线期即停止在此阶段，虽然每天都有部分卵泡开始发育，但直到女性发育成熟后（大约在12岁以后）才能恢复有丝分裂发育成熟，其中最长者可停滞在偶线期长达50年。在众多的卵母细胞中，400个左右成熟。
原始卵泡保持静止状态的机制尚不明确。近来发现，一些抑制分子对于维持原始卵泡的静止状态、保持哺乳动物的卵巢储备具有重要的作用。敲除小鼠这些基因后，原始卵泡在成熟前即消耗殆尽，形成卵巢功能早衰。Fox12与人类卵巢功能早衰相关。此外，还发现一些卵母细胞和体细胞的生长因子通过自分泌和旁分泌参与了促性腺激素不依赖阶段的发育调节。
2.卵泡
卵子发生以卵泡为基础，它由卵母细胞、来自性索上皮的颗粒细胞和来自间质的卵泡内膜细胞构成。卵泡发育依赖于众多因子的作用。
卵泡的发育先后经历了原始卵泡、生长卵泡和成熟卵泡3个阶段。
（1）原始卵泡：原始卵泡是出于静止状体的卵泡，位于卵巢的皮质浅层。卵泡的中央有一个初级卵母细胞，30～40μm，核大而圆，略偏心，核染色质疏松，核仁大而明显；外周为单层扁平的前颗粒细胞，包体小，核扁圆，与周围结缔组织之间有较薄的基膜。颗粒细胞与卵母细胞间有较多的缝隙连接，具有支持和营养卵母细胞的作用。
（2）生长卵泡：原始卵泡发育变为生长卵泡。生长卵泡分为初级卵泡和次级卵泡。
初级卵泡：在出现卵泡腔前的生长卵泡称为初级卵泡。主要变化有：①初级卵母细胞体积增大，核变大呈泡状，核仁深染，细胞质内核仁高尔基复合体、粗面内质网、游离核糖体增加；②前颗粒细胞成为立方状的颗粒细胞，并增生为多层；③在卵母细胞和颗粒细胞之间出现一层均质样的糖蛋白，称为透明带。透明带外层是由颗粒细胞分泌的酸性糖胺多糖构成，内层由卵母细胞分泌的中性糖胺多糖构成。初级卵母细胞和颗粒细胞都有微绒毛伸向透明带内，发生缝隙连接。这些结构有利于营养物质、离子、激素、小分子化合物的交流，实现功能协调。透明带在受精中具有重要的作用；④在初级卵泡生长中，逐步出现FSH受体、睾酮受体和雌二醇受体。
次级卵泡：当颗粒细胞增加到12层左右时，其间出现卵泡腔，称为次级卵泡。次级卵泡的主要变化有：①颗粒细胞层次增加，其间出现卵泡腔（又称囊状卵泡），其内充满的液体称为卵泡液，内含垂体和卵巢分泌的激素、透明质酸酶等；②卵母细胞增大到125～150μm，透明带约5μm。透明带外为放射排列的颗粒细胞称为放射冠。卵母细胞与放射冠和其外面的颗粒细胞向卵泡腔内突出，称为卵丘；③卵巢间质在颗粒细胞的诱导下开始形成卵泡膜，进而分成内外两层。内层有较多的血管，细胞多边形，称为膜细胞，有激素合成功能；外层为非特异性纤维组织，有少许平滑肌；④FSH诱导颗粒细胞产生芳香化酶，卵泡合成雌激素；FSH诱导产生LH受体；产生前列腺素和催乳素（PRL）受体。
（3）成熟卵泡：次级卵泡继续发育为成熟卵泡，直径可达20 mm，并向卵巢表面突出。颗粒细胞增生停止，颗粒层变薄，卵丘底部的颗粒细胞间出现裂隙。在排卵前36～48 h左右恢复减数分裂，在排卵前后完成，形成较大的次级卵母细胞和较小的第一极体。
成熟卵泡体积迅速增加，卵巢表面部的卵泡壁、卵巢间质变薄形成透明缺血的区域，称为卵泡小斑。继而胶原被裂解，卵泡外膜内的平滑肌收缩，卵泡破裂，卵丘排出卵巢称排卵。排卵时间个体间因月经周期的长短不同有一定的差异，一般在月经前14 d左右。(https://www.daowen.com)
（4）黄体：卵泡排卵后，剩下的颗粒细胞分别发育成颗粒黄体细胞和内膜黄体细胞，并有脂质聚集，呈黄色，称为黄体。如果不受孕的话，将于排卵后14 d萎缩丧失功能。
（5）激素分泌：卵泡的发育与躯体之间的信息交流是通过颗粒细胞核内膜细胞的内分泌功能实现的。卵泡分泌的激素包括雄激素、雌激素、孕激素和一些多肽类激素，作用于卵泡自身、生殖道、乳腺、外周的其他靶器官和小丘脑，参与生殖准备和月经周期的调节。
3.卵母细胞成熟
卵母细胞成熟包括核成熟和胞质成熟。
（1）卵母细胞核的成熟和减数分裂：卵母细胞的核成熟指的是卵母细胞的减数分裂进程，与精子有显著的区别，主要反映在3个方面：一是卵母细胞核在胎儿7个月之前即停止在减数分裂Ⅰ前期的双线期，直到排卵前才得以恢复；二是细胞分裂不均等，两次分裂产生的子细胞一个几乎保留了全部的细胞质，另一个几乎不含细胞质，成为极体；三是排卵的“成熟卵子”并没有完成减数分裂，减数分裂Ⅱ需要在精子的刺激化才能完成。也就是说，人类没有单一的卵细胞，当卵细胞形成时，受精过程已经开始。人类的成熟的卵母细胞是指处于减数分裂Ⅱ中期的卵母细胞。
初级卵母细胞的细胞核较大，称为生殖泡。成熟的卵母细胞在形态上具有典型的特征-生殖泡消失，第一极体出现。在辅助生殖技术中，体外见到的卵细胞有生殖泡期、减数分裂Ⅰ中期卵母细胞和减数分裂Ⅱ中期卵母细胞。
黄体生成素（LH）峰是卵母细胞恢复减数分裂的信号。在颗粒细胞与卵母细胞间存在缝隙连接，LH刺激颗粒细胞合成上皮生长因子样因子，导致颗粒细胞内cGMP流入卵母细胞下降。cGMP抑制磷酸二酯酶3A（PDE3A）的活性。cGMP流入下降导致PDE3A的活性提高，进而导致卵母细胞内cAMP下降，通过WEE2和CDC25B磷酸化触发减数分裂恢复机制。卵母细胞恢复减数分裂是通过较为复杂的分子机制形成的，涉及细胞周期蛋白B、细胞周期蛋白依赖性激酶1（CDK1）、激活核激酶WEE2、磷酸酶CDC25B、促后期复合物（APC-CDH1）、卵母细胞磷酸酯酶3A等分子调节网络。
（2）卵母细胞胞质成熟：卵母细胞胞质的成熟对卵子功能乃至胚胎功能至关重要。卵原细胞的直径大约13μm，而成熟的卵母细胞可达到100～150μm，体积增加了500～1000倍。排卵后卵子的受精、胚胎早期发育所依赖的物质基础都来自卵母细胞细胞质的储备，这是卵母细胞体型巨大的重要原因。卵母细胞的储备包括：物质储备，满足受精与植入前胚胎发育过程中的主要物质需求；酶储备，保障受精与植入前胚胎发育过程中新陈代谢所需的酶需求；蛋白合成储备，储备大量的mRNA和修饰，满足胚胎发育过程中对新功能蛋白合成的需求。卵母细胞细胞质储备不足，或者直接影响到受精与胚胎发育，或者在不能维持胚胎发育到自身基因组启动或着床以获得物质供应保障阶段而导致胚胎死亡，受孕失败。由于卵母细胞发生了较大变化，其细胞器及其分布与功能发生了相应的调整，如线粒体的储备与特征。
尽管细胞质成熟对于卵子功能十分重要，目前没有在无创伤的条件下观察判断细胞质成熟的可靠指标。卵泡期过短、卵母细胞过小，或细胞质的透光性异常，常常预示着卵母细胞细胞质异常或储备不足。
（3）线粒体：生殖中线粒体是母系遗传，具有独立的DNA-mRNA-蛋白质体系。胚胎只有在植入后才开始线粒体复制，卵母细胞储备了大量的线粒体以保障受精和胚胎的早期发育。卵母细胞的线粒体除了合成ATP为卵母细胞和早期胚胎的生存和功能提供能量外，在内质网释放的Ca2＋刺激下发生Ca2＋释放，加强钙振荡现象，促进受精中的卵母细胞激活。
卵母细胞的线粒体具备以下特点：
（1）数量多。通常一个细胞具备约1000个线粒体，但成熟卵的线粒体数量12万～35万个。卵母细胞线粒体是卵细胞质储备的重要内容，当卵母细胞线粒体数量少于2万～6万时，胚胎的发育可能在某阶段受阻。
（2）形态幼稚，功能低下。卵母细胞的线粒体处于低发育状态，小而圆，间质致密，线粒体嵴少，功能低下。随着胚胎的发育和细胞分裂发育，线粒体的功能逐步增强。线粒体处于低功能状态对于含有大量线粒体的卵母细胞无疑具有重要的保护意义。
（3）线粒体在细胞内的分布与不同区域功能的活跃程度相一致，以保障能量的供应。
卵母细胞和早期胚胎线粒体异常对生殖构成不良影响。线粒体过高的DNA异质负荷、数量不足、功能低下或过于旺盛、在细胞内的空间分布异常都会对胚胎的发育带来极为不利的影响。母体年龄、促排卵用药和人类辅助生殖技术（ART）对卵母细胞、胚胎的体外操作都可能对线粒体及其功能产生不良影响，应当引起关注。
4.卵子发生与排卵调节
（1）月经周期与卵子成熟：卵子的发生成熟是伴随着卵泡的成熟完成的，大约经历了85 d的时间。育龄女性每天有大约数个到20个原始卵泡启动发育，它由每个卵泡自身因素所决定，是个自发过程。卵泡经过大约65 d的发育，颗粒细胞达到约20层以上，开始出现卵泡腔。此后的发育则依赖于生殖内分泌激素的调节，临床上称为月经周期调节。尽管每天有较多卵泡具有继续发展的潜力，但每个月只有一个卵泡发育成熟并排卵。
月经周期的调节基于以下基础：卵泡的生长发育依赖于一定量的尿促卵泡素（FSH）和LH；卵泡发育过程中产生雌激素；雌激素除了作用于生殖道外，还提高卵泡对FSH和LH的敏感性、负反馈抑制FSH和LH分泌、正反馈产生FSH和LH峰值释放。
（2）月经周期的形成：子宫内膜是胚胎着床的场所，它依赖雌孕激素支持。当体内雌、孕激素低、子宫内膜坏死、月经来潮时，对下丘脑的负反馈作用减轻，血液中FSH/LH，特别是FSH水平较高，正处于晚期的初级卵泡开始生长。
卵泡发育与成熟：卵巢中处于晚期的初级卵泡继续发育须依赖于较高水平的FSH。月经早期的FSH水平达到了期继续发育形成次级卵泡的水平。次级卵泡分泌雌激素，一方面使生殖器官和其他相应的器官发育，为生殖进行准备，另一个方面对生殖内分泌自身的影响，使卵泡自身对FSH/LH的敏感性增高，对下丘脑产生负反馈抑制，垂体分泌的FSH/LH下降。这个作用结果是发育较好的卵泡可以继续发育，而较为滞后的卵泡因产生雌二醇少、对FSH/LH的敏感性低下而闭锁。在这个机制的运行下，一个月经周期只有一个卵泡发育成熟。
排卵：成熟卵泡分泌大量的雌二醇对下丘脑产生正反馈，形成十分明显的LH分泌峰和相对较小的FSH峰。在LH峰的作用下，卵母细胞完成减数分裂Ⅱ，卵泡破裂并排出卵子。
黄体与月经：卵泡破裂后，剩下的颗粒细胞和卵泡内膜细胞在LH的作用之下形成黄体。血中的雌二醇在经过短暂的下降后，伴随着黄体的形成，与孕激素一同上升。在雌、孕激素的联合作用下，子宫内膜发生分泌期反应，宫颈黏液、基础体温和阴道脱落细胞都发生相应的改变。同时，雌、孕激素对下丘脑产生负反馈作用，使FSH/LH分泌下降。在排卵后的14 d左右，下降的FSH/LH不能够维持黄体，黄体发生萎缩，月经来潮。这样黄体对下丘脑的抑制减弱，FSH/LH增高，新的月经周期开始。
除了癌细胞常出现非整倍体细胞外，在胚胎的形成和发育中也可出现染色体数量异常，其中以16号染色体3体为多见。大多数胚胎非整倍体异常在发育过程中出现流产，但部分异常胚胎可以出生，大约1/160的活产出现非整倍体异常。在人类，活产中最多见的染色体异常为21、18和13号染色体三体。非整倍体可以发生于配子形成过程中的减数分裂，也可以发生于体细胞有丝分裂过程中。出现染色体异常常由以下机制产生。
1.染色体不分离
细胞周期检验点弱化是染色体不分离的常见原因。检验点的作用是延迟有丝分裂，直到染色体处于有丝分裂盘。当检验点弱化情况下，一个子细胞会多出染色体，而另一个子细胞将丢失染色体而形成非整倍体。当检验点完全失活，则出现多倍体。
2.着丝点黏附异常
在着丝粒的两侧有由着丝粒结合蛋白构成的着丝点，与染色体分离密切相关。有丝分裂时，染色体着丝粒的每侧着丝点分别通过微管连接到有丝分裂纺锤体的两极。当一侧着丝点与纺锤体的两极都发生附着时，细胞出现不均等分裂导致非整倍体异常。
3.多极纺锤体
当细胞有两个以上的中心粒，分裂时形成多极纺锤体。在多极纺锤体细胞分裂，双倍体染色体将分裂到多极形成两个以上的非整倍体子细胞。如双精子受精后，受精卵内形成4极，分裂时形成4个子细胞。这种胚胎不能存活。
4.单极纺锤体
细胞只有1个中心粒，细胞不能分裂形成多倍体。
5.四倍体中间体
当细胞以类似单纺锤体的过程形成四倍体后，再进行分裂时形成4极纺锤体，同时细胞一分为四。在子细胞中，染色体总数无异常，但每号染色体并不均匀，成为非整倍体。
（林晓潭）