科学家发现:人类卵子对某些人的精子更喜爱,甚至为其“开后门”
在人类的细胞当中,生殖细胞可以说是充满了最多的奥秘的,比如科学家曾经发现,卵子会挑选自己心仪的精子,而精子为了获取卵子的青睐,就需要通过层层比试。
为此,人类精子在游向卵子的过程中能利用尾部获得力量。来自英国的研究人员发现,健康精子的尾部覆盖着一个强化层,这使它们能够做出强有力且有节奏地摆动尾部,从而冲破宫颈的黏液屏障。
据统计,在受孕期间,男性释放的5500万个的精子中,只有大约15个精子能够通过生殖道。宫颈黏液的黏稠度是水的100倍,使得卵子与精子的结合成为自然界中最艰难的选择挑战之一。
精子尾部由大约1000个组件构成,包括被称为微管蛋白(tubulin)的结构,它们是组成微管的主要成分。附着在这些微管上的是一类能够移动的分子,称为马达蛋白(motorprotein)。这些分子的移动促成了精子尾部的拉伸和弯曲,从而使精子游动起来。精子尾部的能量来自线粒体。众所周知,线粒体是细胞中产生能量的发电站。
不过,由于没有中枢神经系统来决定如何运动和何时运动,因此控制精子运动的因素仍然是一个科学谜题。“我们知道,就像我们的手臂和双腿一样,精子也具有微小的肌肉,使它们可以将尾部弯曲,但没有人知道尾部的这一切是如何在纳米尺度上精心组织的。
而当通过挑战的精子来到卵子面前,其实胜负早已揭晓,卵子会挑选自己最心仪的精子,然后立即释放出卵泡液(卵泡液是在卵子发育和释放过程中包围着卵泡的富含营养的液体,精子必须游过卵泡液才能到达未受精卵),它诱导具备极强基因相容性的精子靠近它并结束这一择偶过程,而其他精子则会因为卵泡液前进受阻,惨遭失败。
科学家通过从16对接受生育治疗的夫妻中采集了卵泡液和精子样本,然后通过不同的组合放在一起,科学家发现,虽然人类自身选择了配偶,但是不代表配偶的精子也能够得到卵子的垂青,卵子并不总是与女性对伴侣的选择一致。当比较两个男人的精子时,卵子从中意的男人那里吸引的精子要多出18%到40%。
因为只有一颗精子能够和卵子结合,这也就大大提高了卵子被自己喜欢的精子受孕的几率,这可以说是堂而皇之的“开后门”。而卵子喜欢男性的标准究竟是什么?科学家目前还处于研究之中。
这也导致了一些人生育能力正常,但是却无法怀孕。
在挑选完心仪的配偶之后,卵子就需要对精子进行身份识别,判断是否是来自人类,精子也是如此,精子膜表面与卵子透明带表面都有特殊的相互识别装置 ,精子与卵子相遇、互相识别并融合成新一代的生命,是人体60万亿细胞中会发生的最重要事件之一。科学家长期以来都在寻找精卵膜融合事件的重要因子。2005年,科学家发现了新蛋白质lzumo1,其作用是让精子和卵子在受精时融合,而这个蛋白质也决定了雄性的生殖能力,而英国研究人员究人员找到了卵细胞与精子细胞表面蛋白质lzumo1结合的受体Folr4,正是lzumo1与 Folr4的结合完成了卵子的受精过程。
在成功结合之后,它们会释放“锌焰火”庆祝,2011年,任职于西北大学的研究人员Teresa Woodruff和同事通过化学和物理探针,首次发现小鼠的卵子在成熟过程中会吸收近20亿个锌离子,并将它们存储在卵子透明带的囊泡(也称为皮层颗粒)中。而在受精卵形成时,这些锌离子会向外喷射,触发一场令人惊艳的“锌焰火”。他们采用一种能够在活细胞内追踪锌运动的新型荧光传感器,一窥卵细胞的储锌能力——卵细胞内约有8千个储锌区,每个区域约含100万个锌原子。受精之后,这些小小的“烟花”持续了约两个小时。
经过了10年的研究,2021年,一篇发表在国际顶级科学期刊《自然-化学》的论文详细揭示了这个现象。
研究人员发现,从精子进入卵子的位点开始,受精卵内的钙离子会反复升高,这个过程也称为“钙离子振荡”,能激活卵细胞。与此同时,锌离子也会开始从皮层颗粒中释放出来。囊泡之中数以十亿计的锌原子,会像烟花一样瞬间被点燃爆发出去,发出一阵惊天大闪光。
锌为何如此特别?研究人员发现,卵细胞通过分配锌来控制健康胚胎的发育,高浓度的锌离子会激活细胞静止因子(cytostatic factor,CSF)——EMI2,以维持成熟的、未受精的卵细胞的活性。只有当锌离子被排出、浓度降低后,EMI2才会失活,而这个过程会激活受精卵,使其从减数分裂后的状态中脱离,进入有丝分裂,继续后续的生长和分类过程。这种情况普遍存在于哺乳动物中。
即锌在控制卵细胞“决定”发育为胚胎中起到重要作用。因此,锌释放得越多,光芒就越耀眼,卵细胞的发育能力便越强。首先,卵细胞必须储存锌;然后,它必须释放部分锌,以便成功地引导成熟与受精,并开始形成胚胎。
这项研究还发明,两栖动物在受精时,和人类、小鼠等多种动物一样,存在相同的“火花四溅”的过程。这也意味着,这场“烟花”秀已经持续了3亿年。
而科学家的这项研究可用于预测胚胎的质量和发育情况。时至今日,生殖细胞对于人类来说,依然是神秘的存在,还等着科学家去揭秘。