小鼠精子发生与相关基因调控研究进展

精子发生是一个生殖细胞不断增殖和分化的特殊历程,此过程中精原细胞进行自我更新和分化,产生的精母细胞经历2次减数分裂形成了圆形精子,而圆形精子最终经过形态和细胞学变化成为长形精子。文章阐述了这一复杂而有序的过程中受生精细胞内众多基因的调节,这些基因具有时间和空间上阶段性表达特征,在同源重组、染色体联会、染色质浓缩和精子头尾形成等精子发生的特殊过程中起决定性作用。并就近年来许多基因在精子发生中重要作用进行综述。

过氧化物酶体生物发生因子5(PEX5)缺失导致小鼠精子发生失败和不育

目的:过氧化物酶体生物发生因子5(PEX5)对雄性小鼠精子发生及生育功能的影响。方法:利用CRISPR/Cas9及LoxP/Cre技术构建睾丸特异性Pex5基因敲除(Pex5 cKO)小鼠模型,通过苏木精-伊红染色(HE)、免疫蛋白印迹(Western blot)和免疫荧光(IF)染色分析评估雄性小鼠的生殖器官及精子发生的情况。结果:Pex5 cKO雄性小鼠正常成熟交配窝仔数为0,与野生型(WT)雄性小鼠窝仔数(6.32±0.26)相比差异有统计学意义(t=21.46,P<0.0001),且HE染色结果发现,Pex5 cKO小鼠附睾中无精子发生。结论:PEX5在小鼠精子发生过程中发挥重要作用。

广西北部湾海域织锦巴非蛤精巢发育、精子发生及超微结构研究

为了解广西北部湾海域织锦巴非蛤(Paphia textile)精巢发育、精子发生及成熟精子的超微结构,文章采用解剖观察、精巢组织切片、扫描和透射电镜技术进行了研究。结果表明,所采集织锦巴非蛤中未发现雌雄同体,观察的个体皆为雌雄异体,将其精巢发育划分为增殖期、生长期、成熟期、排放期、休止期5个时期,织锦巴非蛤精巢成熟与排放期在9月-翌年1月。精子发生分为精原细胞期、初级精母细胞期、次级精母细胞期、精细胞期、成熟精子期5个时期。织锦巴非蛤成熟精子由头部、中部和尾部组成,为典型的鞭毛型精子,全长约为46.04μm。精子头部分为顶体和精核,顶体为圆锥形,精核呈长圆柱形,前端直径约为0.71μm,后端直径约为1.34μm;中部由4个环绕成瓣状的线粒体与2个相互垂直的近、远端中心粒组成;尾部鞭毛长约38.8μm,直径约为0.21μm,外被质膜,为典型“9+2”双联体微管结构。研究结果为织锦巴非蛤的繁殖生物学、人工苗种繁育及种质资源保护提供研究基础。

广西北部湾海域施氏獭蛤精巢发育、精子发生及超微结构观察

为探究广西北部湾海域施氏獭蛤精巢周年发育、精子发生的组织学和超微结构变化,文章采用组织切片、扫描及透射电镜技术对广西北部湾海域施氏獭蛤精巢周年发育、精子发生和超微结构进行了研究。结果表明,广西北部湾海域施氏獭蛤精巢发育周期为1年,可划分为增殖期、生长期、成熟期、排放期和休止期,繁殖盛期为12月至翌年4月,每期5%~10%个体精巢发育略滞后。精子发生可划分为增殖期、生长期、成熟期和变态期。雄性生殖细胞的发育可划分为精原细胞期、初级精母细胞期、次级精母细胞期、精细胞期、成熟精子期。施氏獭蛤精子属于鞭毛型,全长(39.76±0.50)μm。精子头部由近椭圆形的顶体和精核组成,顶体底部与精核相连处凹陷形成亚顶体腔,精核顶部形成核前窝,精核底部形成核后窝,细胞核内电子密度均匀,核中部存在间隙。中心粒复合体周围有4个线粒体围绕组成精子中部,线粒体近圆形,内嵴明显。质膜包裹轴丝形成精子尾部,尾部横切面可明显观察到“9+2”双联体微管结构。此外,施氏獭蛤存在A、B两种不同类型的精原细胞,A型精原细胞核内核仁不明显, B型精原细胞核内核仁明显, B型精原细胞存在于增殖期和生长期。

D930020B18Rik在小鼠精子发生过程中的表达特征及其潜在功能

目的:揭示D930020B18Rik(RIKEN cDNA D930020B18)基因在小鼠和人各发育阶段睾丸的表达特征,探讨其在哺乳动物精子发生中的可能作用。方法:基于小鼠基因表达芯片筛选到睾丸高表达基因D930020B18Rik,利用实时定量RT-PCR、免疫组化、免疫印迹、免疫荧光等方法揭示其在小鼠和人睾丸中的表达特征,应用生物信息学分析及双荧光素酶分析、细胞周期同步化等方法进行初步的功能和分子机制验证。结果:D930020B18Rik在小鼠出生后前2周的睾丸组织中表达水平较低,且主要定位在精原细胞细胞质;从第3周开始直到性成熟,D930020B18Rik在睾丸持续高丰度表达,且主要定位在精母细胞、圆形精子和长形精子的细胞核,但是在成熟精子的细胞核表达缺失。进化树分析显示在哺乳动物中D930020B18Rik蛋白序列高度保守。基因富集生信分析提示D930020B18Rik及其同源蛋白,可能通过参与核质浓缩(NES=1.652,P<0.01,FDR=0.153)、减数分裂(NES=1.960,P<0.01,FDR<0.001)、有丝分裂微管细胞骨架组成等(NES=1.903,P<0.01,FDR=0.009)实现对哺乳动物精子发生的调控。通过双荧光素酶试验发现了转录因子klf5和foxo1可以识别和结合D930020B18Rik启动子,并分别发挥正向和负向转录调控作用。结论:D930020B18Rik在小鼠睾丸呈与精子发生高度相关的时空特异性表达,且主要定位在生精细胞的胞核,可能参与了精母细胞减数分裂和精子变形等过程。

精子发生障碍分型诊疗中国专家共识

中国不孕不育症日趋严重,发病率高达18%,主要由配子发生障碍导致[1]。精子发生障碍(spermatogenic failure,SPGF)简称生精障碍,是男性不育的疑难重症,包括非梗阻性无精子症(non-obstructive azoospermia,NOA)、隐匿精子症(cryptozoospermia)和严重少精子症(oligozoospermia,精子浓度小于5×10~6/ml)[2-3]。

染色质三维构象在精子发生中的研究进展

染色质是调节生物体遗传的重要物质,是维持细胞有序表达基因及蛋白质的重要载体。随着科学技术的不断进步,许多研究通过染色质构象捕获技术(High-Through Chromosome Conformation Capture,Hi-C)对染色质内部结构进行解析,对染色质区室、染色质疆域等有了更清晰的认识。在哺乳动物的精子发生过程中,染色质结构的改变对基因调控等起到了重要作用。精子发生是精原细胞增殖分化形成精子的过程,包括精原细胞的自我更新与分化、精母细胞的减数分裂以及精细胞的变形。本文主要阐述染色质三维构象捕获技术及其衍生技术、染色质的层级结构、精子发生过程中染色质三维构象变化的前沿进展,为精子发生的机制研究提供新思路。

单细胞转录组测序技术在精子发生研究中的应用进展

精子发生是在哺乳动物睾丸内通过一系列细胞分化和发育,最终形成精子的过程,在时间和空间上具有高度异质性。随着生物信息学的不断更新与发展,以往研究大多依赖于对各种细胞类型的RNA进行分析。然而,从睾丸中分离每一种细胞类型是非常大的挑战,因此在转录组水平上对于不同类型的睾丸生殖细胞的研究相对较少。近年来,由于科技的进步和发展,单细胞转录组测序(scRNA-Seq)技术已推出多种测序平台,其使用范围和场景不断扩大,在神经、肿瘤、免疫、生长发育和疾病等领域广泛应用,研究对象主要涉及人、模式生物及家畜。该技术可高效捕获睾丸内单个细胞,进行高通量测序分析,获取其转录组水平信息,精细描述其细胞类型,揭示细胞异质性,并推测其发育轨迹。目前,scRNA-Seq已经开始从家畜生殖细胞的角度对家畜精子发生相关机制进行更深入的探究,以此进一步研究家畜精子发生的相关过程。因此,作者在阐述scRNA-Seq技术方法的基础上,总结论述了其在牛、羊和猪等家畜精子发生领域中的应用进展,为家畜精子发生的研究提供理论基础。

睾丸类器官在体外精子发生中的研究进展

随着全球不孕不育问题的日益严重,特别是男性不育症的比例逐年上升,睾丸类器官的研究为这一领域提供了新的希望和策略。本综述全面探讨了睾丸类器官在模拟自然生精环境、深入探究精子发生机制以及应对男性生殖健康挑战中的应用。首先,介绍了睾丸的生理功能和精子发生过程的重要性,关注了睾丸组织体外培养和睾丸细胞重聚类器官的技术及其研究进展。其次,探讨了睾丸类器官在探究分子机制、药物筛选和毒性评估及男性生育力保存方面的潜在应用。最后,对当前方法的局限性和未来研究方向进行了讨论,特别是在提高体外环境下精子质量和成熟度方面的研究成果。尽管睾丸微环境复杂,在体外完整模拟人类精子发生仍面临挑战,但睾丸类器官领域的不断发展有望为临床生殖医学和男性健康研究提供新的解决方案。

支持细胞在精子发生中的关键功能及调控机制研究进展

支持细胞作为睾丸曲精细管内唯一的体细胞,不仅为生殖细胞提供物理支撑和营养环境,还通过形成紧密连接构成血睾屏障,保护生殖细胞免受外界干扰。精子发生时,TGF-β/Smad、AMPK和MAPK等多种信号通路共同调控紧密连接的拆解和重建过程,确保生殖细胞顺利穿越生精上皮,完成精子发生。近年来,随着组学技术的发展,研究者对支持细胞的关键功能及其调控机制有了更加深入的理解。本文结合新兴技术的应用,综述了支持细胞的结构与功能、紧密连接的组成以及支持细胞调控精子发生的信号通路,以期为精子发生机制的研究提供新的视角和参考。

硒对环磷酰胺致生精功能损伤小鼠精子发生的改善作用及机制

目的:基于溶质载体家族7成员11-谷胱甘肽过氧化酶4(SLC7A11-GPx4)信号通路探讨硒对环磷酰胺(CTX)致生精功能损伤(SI)模型小鼠精子发生的改善作用及机制。方法:将36只KM小鼠随机分为6组,每组6只,分别为SI模型对照组、缺硒模型(-Se SI)组、加硒模型(+Se SI)组,所有模型组均腹腔注射100 mg/kg CTX,正常对照组、-Se对照组、+Se对照组,对照组均注射生理盐水,注射周期为每周1次,连续6周。采用HE染色法观察各组小鼠睾丸组织形态学及病理学变化,并对附睾中精子进行计数,Western印迹试验检测GPx4和SLC7A11蛋白表达,RT-qPCR检测铁死亡相关基因变化。将GC2-spd细胞随机分为正常对照组,Ferrostatin(Fer-1)组,Erastin组,-Se组,亚硒酸钠(SeS)0.5、5.0μmol/L组,硒代蛋氨酸(SeM)5.0、50μmol/L组,SeS+Erastin组,SeS+Fer-1组,SeM+Erastin组,SeM+Fer-1组,观察GC2-spd细胞铁死亡相关蛋白和基因水平的变化。结果:CTX诱导的SI模型组小鼠睾丸和前列腺脏器指数明显低于正常对照组,生精细胞内层次减少,空洞增加,血清铁蛋白浓度下降(P<0.05),转铁蛋白浓度上升(P<0.05);+Se SI模型组、+Se对照组分别较-Se SI模型组、-Se对照组的脏器系数升高(P<0.05,P<0.01),且+Se组睾丸组织病理变化明显改善。SI模型对照组较正常对照组小鼠睾丸GPx4和SLC7A11基因表达量降低(P<0.01),而+Se SI模型组、+Se对照组分别较-Se SI模型组、-Se对照组小鼠睾丸GPx4和SLC7A11基因显著上升(P<0.01,P<0.05),但两种蛋白表达量却无明显差异。体外GC2-spd细胞实验结果显示,-Se组较正常对照组GPx4基因和GPx4蛋白水平均显著降低(P<0.05),SLC7A11基因水平下降(P<0.01);不同剂量的SeS和SeM均显著提高-Se组GPx4蛋白表达,低剂量SeM促进GPx4基因水平显著上升,高剂量SeS使SLC7A11基因和SLC7A11蛋白表达量增加(P<0.05,P<0.01)。-Se组较正常对照组,acsl4和ptgs2基因水平明显下降,SeM促进acsl4表达,SeS促进ptgs2和fth1的表达(P<0.01,P<0.05)。GC2-spd干预结果显示Erastin组较正常对照组ptgs2降低,SeS+Erastin、SeM+Erastin组较Erastin组ptgs2基因表达均增加,但Fer-1较正常对照组ptgs2表达降低,SeS+Fer-1、SeM+Fer-1组较Fer-1组ptgs2基因水平降低(P<0.05);SeM+Erastin、SeM+Fer-1组分别较Erastin、Fer-1组均GPx4的基因量增加(P<0.01,P<0.05);SeM+Erastin、SeS+Erastin较Erastin组和SeM+Fer-1、SeS+Fer-1组较Fer-1组SLC7A11均降低,且伴随着acsl4和fth1的升高(P<0.01)。结论:硒缺乏导致小鼠睾丸和精母细胞SLC7A11和GPx4基因水平降低,铁死亡相关基因表达异常,GPx4蛋白表达下降。硒促进GPx4基因和GPx4蛋白表达,提高SLC7A11基因表达量,改善生精功能损伤小鼠睾丸的精子发生,且有机硒SeM和无机硒SeS对铁死亡通路相关基因的调控存在差异。

热应激对哺乳动物精子发生的影响及其防控措施

热应激不仅可对动物健康造成影响,还会对养殖业造成巨大的经济损失。高温会使哺乳动物出现热应激现象,造成动物生殖激素分泌紊乱和精子生成障碍,严重降低动物的精液品质,导致母畜的受孕率、胚胎成活率、家畜繁殖能力降低。文章论述了热应激对睾丸组织、生殖激素调节、精液品质的影响,总结动物养殖过程中针对热应激的防控对策,为缓解家畜由高温导致的负面影响,提高家畜繁殖能力,降低经济损失提供参考。

射精球蛋白EBP在果蝇精子发生中的功能初探

射精球蛋白EBP主要由射精管释放,是果蝇精液的重要组成部分。但是,EBP的具体作用机制及其在果蝇其它生命活动中的功能仍不清楚。本文检测了果蝇Ebp和EbpII基因在不同发育阶段以及成虫精巢与卵巢中的表达水平。结果发现,Ebp和EbpII基因在成虫中的表达水平显著高于其它发育阶段的果蝇,且它们在精巢中的表达显著高于卵巢。生物信息学分析表明,EBP和EBPⅡ蛋白仅包含若干低复杂区域,不含特殊的结构域,且它们的理化性质存在差异。在精细胞中特异性敲降Ebp后,果蝇储精囊中缺乏成熟的精子,但敲降EbpII后精巢没有显著的表型变化。TUNEL实验结果显示,在精细胞和生殖干细胞中特异性敲降Ebp的表达均能引起精子束的异常凋亡。由此,推测Ebp基因参与果蝇精子发生过程,并在维持精细胞存活过程中起关键作用。

组蛋白及变体在染色质重塑中的功能:以水生动物精子发生为例

两性生殖中,精子作为携带父本信息的载体,是物种延续的关键因素。精子发生经历精原细胞、初级和次级精母细胞、圆形精子、成熟精子阶段。在圆形精子形成成熟精子过程中,染色质进行重塑,细胞形态发生剧烈变化,其中,组蛋白修饰和组蛋白变体在这些过程中发挥了重要作用:如甲基化主要与基因表达的激活或抑制有关;乙酰化激活转录活性并参与组蛋白沉积和DNA修复;磷酸化促进转录后修饰或参与DNA双链断裂修复;泛素化调节不同细胞途径中各式各样的蛋白质底物。组蛋白变体在调节染色体结构中发挥重要功能:如组蛋白H1变体在分化过程中具有抑制转录的作用;组蛋白H2A和H2B变体在精子染色质包装过程中发挥特有功能;H3.3是H3最重要的变体,在细胞周期的各时期都有表达;组蛋白H4则是进化最慢的组蛋白之一,目前还没有发现其组蛋白变体。本文围绕组蛋白翻译后修饰,梳理了甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等方面的最新进展和组蛋白变体在染色质重塑过程中的功能研究进展,随后针对各类组蛋白变体及其功能进行了总结,最后以半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)为例简要介绍这些研究对水生动物精子发生的启示。

自噬基于精子发生过程介导男性不育的研究进展

男性不育是指机体在内、外因作用下破坏正常精子产生、运输等过程,导致生育能力低下的一类疾病。精子由生精细胞经精子发生过程产生。自噬是一种重要的细胞内清除机制,通过自噬溶酶体降解受损或衰老的细胞器或蛋白质,实现细胞成分的更新及细胞稳态的维持。睾丸中生精细胞和体细胞存在稳定自噬,对维持它们的生理功能有重要意义;而当细胞受到致病因素刺激后引起自噬水平失调,出现结构损伤或功能异常,甚至死亡,干扰正常精子发生过程,从而影响男性生育能力。本文将基于精子发生过程对自噬与生精细胞、体细胞及常见致不育因素的相关研究进行综述,希望可以为男性不育的发病机制和治疗提供新的思路。

可口革囊星虫的精子发生及精子结构

为了探究可口革囊星虫(Phascolosoma esculenta)精子发生过程及结构上的特殊性,用显微及亚显微技术研究了可口革囊星虫的精子发生和精子结构。可口革囊星虫的精巢位于收吻肌基部,为一曲折的带状组织。成熟精巢内可观察到精原细胞、精母细胞以及精细胞等各阶段的生精细胞。在精子形成早期,很多精细胞脱离精巢,以精细胞团的形式掉落到体腔中。精细胞团内的精细胞同步发育为精子后,脱离精子团进入肾管。成熟精子由头部和尾部组成。头部由钟形顶体与鼓形细胞核构成。顶体后段下包于精核的前端。顶体分内、中、外三层,外层有横隔;顶体下腔内有颗粒状物质不均匀分布,中央有一束丝状纤维组成的顶体棒。核物质电子密度高,核内含空泡。无核前窝,具浅的核后窝。尾部分中段和末段,中段由6个(偶见5个或7个)线粒体围绕近、远端中心粒构成;末段细长鞭状,由轴丝及包绕轴丝的质膜组成,轴丝为典型的"9+2"结构。分析认为:可口革囊星虫精子发生过程以及超微结构上存在特殊的结构与机制:①精细胞团保证了精子形成的同步性;②顶体后段下包于精核的前端使精子头部小而灵巧,利于快速运动;③顶体的横隔使精子顶体的牢固性增强,确保受精时顶体反应的正常进行;④中段较多的线粒体使精子具有更强的环境适应性,有利于有效的受精。

半滑舌鳎精子发生和精子形成的超微结构

用电子显微镜对半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)精子发生的过程及精子的超微结构进行了观察。半滑舌鳎精巢属于小叶型,精小叶由各期生精细胞和支持细胞构成。半滑舌鳎的精子发生经历了初级精原细胞、次级精原细胞、初级精母细胞、次级精母细胞和精子细胞,再经过精子形成过程发育成为精子。初级精母细胞成熟分裂的前期Ⅰ,同源染色体经历了联会复合体形成和解聚的变化。在精子形成的过程中,精细胞大致经历了核质浓缩、线粒体迁移及鞭毛的发生等过程。核质浓缩时,精细胞核内位于植入窝周围的染色质首先由细颗粒状浓缩成粗大颗粒状,然后细胞核其他部位的染色质也逐渐浓缩成粗大颗粒状。这些已浓缩成粗大颗粒状的染色质再进一步浓缩为电子密度高的均匀状物质。随着核质的浓缩,核外膜与核内膜之间的间隙增大形成核膜间隙,核内一些没有参与染色质浓缩的物质通过出芽形成囊泡,先排入核膜间隙,然后再外排到细胞质中。核浓缩过程中细胞核的体积和表面积都大大缩小;鞭毛的形成与细胞核的浓缩是同步进行的,当一对中心粒移近细胞核时,核膜凹陷形成植入窝,其周围染色质浓缩的同时,远端中心粒(基体)逐渐向后产生轴丝。成熟精子无顶体,头细长,主要为核占据,核凹窝发达,线粒体4-5个环绕在鞭毛基部形成袖套,尾细长,具侧鳍,尾部轴丝为"9+2"结构。

中国淡水蛏精子发生的超微结构研究

利用透射电镜观察了中国淡水蛏的精子发生和精子结构。描述了精子发生过程中各细胞形态结构的变化 ;揭示了细胞核、线粒体和顶体等的演变过程。中国淡水蛏的精子经过精原细胞、初级精母细胞、次级精母细胞和精子细胞 ,最终发育为成熟的精子。精子为典型的原生型 ,由头部、中段和尾部构成。顶体复合体位于精子头部前端 ,呈“⊥”形 ,精核近圆形 ;中段包括 2个中心粒和 4或 5个紧密排列的椭圆形线粒体 ;尾部鞭毛断面为典型的“9+2”

精子发生过程中的相关基因

在哺乳动物精子发生过程中,原生殖细胞发育成为精原细胞,再发育为精母细胞,精母细胞经过两次减数分裂成为圆形精细胞,这些圆形精细胞经过细胞变态形成精子。精子发生过程经历了复杂的细胞分化阶段,这一阶段受许多因素的调控作用,其中生精细胞内的基因调节起着决定作用。精子发生中的重要基因与一系列精子发生过程中阶段性的细胞事件密切相关,例如减数分裂重组、联会丝复合物的形成、姊妹染色体的结合、减数分裂后精子的变态以及减数分裂周期中的关键点和必需因子等。生精细胞许多特异基因的阶段特异性表达,参与了精子发生这一特殊的细胞分化过程。近年来随着基因克隆、表达和功能研究技术的发展和应用,发现了许多与精子发生相关的基因,而且有的被证明在精子发生过程中具有重要作用。文章较全面综述了这一研究领域的一些进展,着重讨论了与精子发生相关的周期蛋白基因、原癌基因、无精子因子基因、细胞骨架基因、热休克基因、核蛋白转型基因、中心体蛋白基因和细胞凋亡相关基因等。

斑节对虾精子发生的超微结构

斑节对虾精子发生划分为精原细胞、初级精母细胞、次级精母细胞、精子细胞和精子五个阶段。精子发生中，从精原细胞到精子，染色质经历了从以异染色质为主变为高度凝聚态，再经解聚为弥散絮状的变化过程。同时，核从具有完整核膜变为核膜不完整。成熟的精子含有核仁。顶体由高尔基囊泡逐渐演化而成，并向外伸长成为棘突。这是斑节对虾精子发生的主要特征。