睪丸發(fā)育過程概述及生殖生物學研究意義

孫武，馬世科，孫永剛，韓銀倉

(1.青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，西寧 810016；2.青海省高原家畜遺傳資源保護與創(chuàng)新利用重點實驗室，西寧 810016)

睪丸是雄性哺乳動物的生殖器官，其基本功能是產(chǎn)生精子和分泌雄激素[1]。精子由雄性生殖細胞經(jīng)歷3個階段形成：(ⅰ)精原細胞的增殖和分化；(ⅱ)精母細胞的減數(shù)分裂；(ⅲ)精子形成。首先，具備自我更新能力的精原干細胞通過有絲分裂分化出B型精原細胞。接著，B型精原細胞分裂為初級精母細胞。DNA進行復(fù)制后，四倍體的初級精母細胞通過2次減數(shù)分裂，相繼生成次級精母細胞和精細胞。然后，單倍體的精細胞經(jīng)過至少4種不同的形態(tài)變化形成精子，包括細胞核的濃縮、頂體的形成和鞭毛的形成以及多余細胞質(zhì)的丟棄等[2，3]。此時就可以受精。因此，精子的質(zhì)量是妊娠的保障。精子發(fā)生不僅涉及到生精細胞，也涉及到睪丸組織中多種體細胞，如支持細胞和間質(zhì)細胞。支持細胞位于生精小管內(nèi)，起著支持、保護和營養(yǎng)生殖細胞的功能。間質(zhì)細胞是睪丸間質(zhì)組織中的主要細胞類型，能夠分泌雄激素(多為睪酮)，從而促進性腺發(fā)育和精子發(fā)生，維持雄性第二性征。絕大多數(shù)哺乳動物，睪丸的大小與繁殖力密切相關(guān)，差的繁殖力常常與小睪丸有關(guān)。因此，了解睪丸的發(fā)育過程以及睪丸大小的生殖生物學意義非常必要。

1 睪丸發(fā)育過程概述

睪丸是雄性哺乳動物的生殖器官，其基本功能是產(chǎn)生精子和分泌雄激素[1]。一般來說睪丸發(fā)育主要包括初生期、幼齡期、性成熟期(青春期)和成年期幾個關(guān)鍵階段(圖1)[4]。在胚胎期之間，絕大數(shù)睪丸的發(fā)育主要處于細胞水平發(fā)育，此階段睪丸組織生長速度很慢，但是至關(guān)重要的睪丸支持細胞繁殖啟動了。從圖1可以看出，動物的睪丸發(fā)育過程支持細胞增殖/睪丸生長主要集中于兩個生命階段，一個是胎兒或新生兒期，另外一個是青春期前期，這對所有哺乳動物都適用。新生兒期和青春期之間有一個靜止期，睪丸發(fā)育處于動態(tài)平衡狀態(tài)(圖1)[5]。嚙齒動物是生命周期最短的哺乳動物，例如小鼠15～30 d達到青春期，60～90 d達到成熟期，靈長類動物是生命周期最長的哺乳動物，例如人在10～13周歲達到青春期，18周歲達到成熟期。而處于兩者之間的就是一些其他哺乳動物，例如公牛的性成熟周期大約8個月；公豬在4～6月齡達到性成熟，其妊娠期為3個月3周3天；公羊在4～7月齡達到性成熟。盡管這些物種中新生兒期和青春期之間的時間間隔相對于人類縮短了許多，但是其中兩個相應(yīng)的支持細胞增殖峰是很清晰的[6]。研究報道，支持細胞的數(shù)量將決定通過精子發(fā)生可以支持的生殖細胞的數(shù)量，因此，從一定程度上決定了精子生成的程度[7]，而眾所周知精子生成的程度顯著與雄性動物的可育性緊密相關(guān)。此外，不同種類哺乳動物初情期時間也不同，我國地方品種初情期普遍比較早，例如湖羊3月齡即進入初情期，一些引進品種的豬、山羊、綿羊等初情期7月齡，雙峰駝為3～4周歲，而人則在10～13 周歲達到青春期[8]。盡管不同動物從出生到青春期時間間隔長短差異很大，但是哺乳動物睪丸發(fā)育過程中支持細胞增殖/睪丸生長主要集中在胎兒出生前后和初情期，而在胎兒出生后到初情期之間有一個相對靜止期(圖1)[5]。

圖1 人類，恒河猴和大鼠在初生期，新生兒期和青春期支持細胞增殖時間示意圖。圖改自Sharpe 等(2003)

一般而言，睪丸發(fā)育主要依賴于支持細胞、間質(zhì)細胞以及各級生殖細胞。支持細胞(Sertoli cell)的作用不言而喻，支持細胞位于生精小管內(nèi)，起著支持、保護和營養(yǎng)生殖細胞的功能[9]。間質(zhì)細胞在睪丸發(fā)育和精子發(fā)生中也發(fā)揮著重要生理功能，間質(zhì)細胞分泌的雄激素一方面通過旁分泌方式進入曲細精管，與支持細胞分泌的雄激素結(jié)合蛋白(Androgen receptor binding protein，ABP)結(jié)合，形成局部高濃度雄激素，促進各級生精細胞的生長發(fā)育和分化，啟動和維持精子發(fā)生[10]。雄激素還可以隨著睪丸液進入附睪管，有利于精子進一步成熟。另一方面，雄激素還可以通過內(nèi)分泌方式負反饋調(diào)節(jié)下丘腦、垂體分泌GnRH、LH和FSH，通過間質(zhì)細胞表面LH受體(LHR)和支持細胞表面FSH受體(FSHR)調(diào)節(jié)精子發(fā)生和睪丸發(fā)育。圖1雖然展示的是支持細胞增殖時間示意圖，但是由于支持細胞決定生殖細胞的數(shù)量，甚至決定整個睪丸組織大小，因此上圖也間接的反應(yīng)了睪丸大小隨時間增殖變化趨勢。間質(zhì)細胞(leydig cell)也發(fā)揮重要作用。間質(zhì)細胞是睪丸間質(zhì)組織中的主要細胞類型，能夠分泌雄激素(多為睪酮)，從而促進性腺發(fā)育和精子發(fā)生，維持雄性第二性征[11]。此外，間質(zhì)細胞除了分泌產(chǎn)生起關(guān)鍵作用的睪酮，還可以產(chǎn)生FSH，它則主要作用于支持細胞(Sertoli cell)，與其特異性受體結(jié)合后，使Sertoli細胞產(chǎn)生雄激素結(jié)合蛋白(ABP)，后者可與睪酮結(jié)合，將其轉(zhuǎn)運至生精小管內(nèi)以維持管腔內(nèi)的睪酮濃度，促進各級生精上皮細胞的生長發(fā)育[10]。如果沒有Sertoli細胞的物質(zhì)代謝、生殖細胞分化，進而減數(shù)分裂和轉(zhuǎn)化為精子的過程也就不會發(fā)生[12]。因此從上面描述可以看出，三者關(guān)系相互獨立又相互協(xié)同，他們相輔相成共同維持著睪丸正常發(fā)育以及生精過程。因此，睪丸發(fā)育、精子發(fā)生是一個復(fù)雜而精密的生理過程?？傊G丸的發(fā)育是一個通過細胞增殖和細胞分化，連續(xù)獲得更高水平組織結(jié)構(gòu)的過程。

2 睪丸大小生殖生物學意義

雄性動物繁殖力主要由精液品質(zhì)決定，研究指出每個支持細胞(Sertoli cell，SC)上精子數(shù)目是一定的，睪丸支持細胞數(shù)目決定睪丸生精能力[7]。睪丸大小主要由支持細胞決定，因此睪丸大小在一定程度上反映了公畜繁殖能力。目前在牛、羊和豬等家畜中的研究均發(fā)現(xiàn)睪丸大小與精液品質(zhì)密切相關(guān)，是遺傳改良公畜繁殖力的一個重要指標。因此，了解控制睪丸的發(fā)育和大小的生殖生物學過程和遺傳機制具有重要的科學意義和生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

在絕大多數(shù)動物中，一般睪丸的生精功能從青春期開始后，可以持續(xù)終生。將睪丸大小作為家畜繁殖力重要指標一直是育種學家探討的課題。由于陰囊周徑(Scrotum circumference，SC)與睪丸重量成線性關(guān)系，因此通常用SC來表示睪丸的大小[13]。一般而言，睪丸越大，產(chǎn)生的精子數(shù)目也就越多。在模式動物糞蠅上做了一項研究，睪丸較大組的精子競爭能力明顯要好于小睪丸組[14]。此外雄性大鼠研究報道，睪丸重量和體積大小與體重顯著正相關(guān)[15]。睪丸大小在許多家畜方面應(yīng)用相當廣泛，因為在豬、牛和羊的生產(chǎn)上，發(fā)現(xiàn)睪丸大小與動物的繁殖性能密切相關(guān)。在羊上，Yarney等[16]研究發(fā)現(xiàn)薩福克公羊的睪丸周徑與日射精量呈現(xiàn)較強的線性關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)睪丸大的公羊可以與更多的母羊交配。山羊上已經(jīng)做了附睪精子數(shù)量與睪丸大小的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)睪丸大小、陰囊大小與附睪精子數(shù)目密切相關(guān)[17]。由此可以從公羊群體中基于睪丸大小來進行育種公畜的初步選擇。綿羊睪丸的大小與生產(chǎn)性能的提高有較大關(guān)系。研究表明公羊SC與被配母羊數(shù)量呈正相關(guān)[18]。比如，美利奴大公羊的SC達到30～34 cm，可交配母羊數(shù)量可以達到75～125只， 相反如果SC為28 cm，可交配母羊數(shù)量僅為50只。研究還發(fā)現(xiàn)睪丸大小與自然交配體系中綿羊產(chǎn)羔率之間呈正相關(guān)[18]，這一發(fā)現(xiàn)對產(chǎn)多羔綿羊品種具有重要的意義。在豬上，Huang等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)150日齡公豬的睪丸可以使精液中精子濃度以及一次性射精中精子數(shù)量達到最大化，該研究暗示我們可以通過選擇睪丸大小來提高公豬的繁殖力，此外對于豬人工受精提供了很重要的理論參考依據(jù)。此外還發(fā)現(xiàn)公豬睪丸大小對與配母畜的產(chǎn)仔數(shù)以及后代母畜的繁殖力也有顯著影響[20]。睪丸大小也屬于公牛繁殖力重要預(yù)測指標之一，它與公牛的精子產(chǎn)量有直接關(guān)系[21]。研究發(fā)現(xiàn)父親的睪丸周長每大1 cm，其后代的睪丸也會相對應(yīng)的大0.25 cm[22，23]。在牛上，Van Melis等[24]發(fā)現(xiàn)睪丸大小影響母牛群體第一情期生產(chǎn)力以及妊娠率，睪丸較大公牛的女兒能更早達到初情期。據(jù)估計公牛SC在群體平均基礎(chǔ)上每增加1 cm，其女兒的初情期能提前4 d，并具有更大的繁殖潛力和繁殖壽命[24]。在牛上的研究發(fā)現(xiàn)SC顯著影響年精子產(chǎn)量、精子活力、精子正常率、精液濃度和精子畸形率[13,25,26]。因此從以上數(shù)據(jù)可以看出，睪丸大小與動物的生產(chǎn)性能、精子的正常率、配母畜數(shù)和配母畜產(chǎn)仔數(shù)成正相關(guān)，與精子畸形率成反比。

3 展望

在早期，人們對優(yōu)秀種公畜的選育，往往通過一些表型數(shù)據(jù)的測量，比如睪丸大小(scrotal circumference，SC)、正常精子數(shù)比例(percentage of normal sperm，PNS)、不返情率(Non-return rate，NRR)，此外還包括一些繁殖激素濃度[27](根據(jù)繁殖激素的濃度早期預(yù)測種公羊的種用價值,1994)。但是這些數(shù)據(jù)一般是到了特定階段才能獲取，一般而言是直到性成熟后才能測量，不能用傳統(tǒng)的方法在早期預(yù)測。但是往往對家畜的選擇要做到早期選種，越早越好。到目前為止，關(guān)于睪丸大小的分子機理的研究也很少。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是測序的發(fā)展帶來的契機，人們可以提取從出生到成年家畜血液的基因組DNA，通過測序進而找到階段特異性分子Mark，通過這些分子輔助標記，育種工作者可以做到有效的早期育種，可以在早期去選育具有較大睪丸潛力的公畜，從而加速高繁殖力公畜的篩選。更重要的是早期選育優(yōu)良公畜，淘汰繁殖力低下公畜能大大減少公畜的選育時間和花費。