精子发生（spermatogenesis）是指精原细胞经过增殖分化，最后形成精子的整个过程。其全过程包括精原细胞的更新分化、精母细胞的成熟分裂和精子细胞变态（精子形成）三个阶段（图4-7）。精子发生在生精小管中进行，还包括了生精细胞由生精小管基底面移向管腔并最后释放精子进入管腔的过程，即生精细胞的转位。

精原细胞有储备型和更新型两种。储备型精原细胞通常处于静止状态，仅在病理因素作用下，当更新型精原细胞损耗殆尽时，才增殖形成更新型精原细胞和新的储备型精原细胞。所以，一般讲精子发生中的精原细胞更新分化是指更新型精原细胞的增殖和分化。虽然目前对精原细胞的增殖更新方式有几种不同的看法，但一般认为，更新型精原细胞增殖分裂后，将形成新的更新型精原细胞和分化型精原细胞。分化型精原细胞将进一步发育成为精母细胞。在这个阶段进行的细胞分裂都是有丝分裂。这个阶段中除了增殖分化外，也有大量的精原细胞发生凋亡（apoptosis）。所以，精原细胞有三种去向：①作为干细胞保留；②作为分化型细胞进一步分化，进入精子发生；③作为死亡细胞而消失，死亡的主要方式是细胞凋亡。

在这个阶段，二倍体（46，XY）的初级精母细胞经过两次成熟分裂形成4个单倍体（23，X或23，Y）的精子细胞。虽然生成四个相同的精子细胞，但两次分裂过程中仅在初级精母细胞的S期进行一次染色体复制，第二次（次级精母细胞）分裂前并不进行染色体的复制。第一次为减数分裂（meiosis），同源染色体分离，形成两个单倍体的细胞，即次级精母细胞。次级精母细胞迅速完成第二次成熟分裂，与普通的细胞分裂相同，同一染色体上的两条染色单体分离，形成精子细胞。

这一阶段所进行的成熟分裂的重要意义在于保证了物种染色体数的恒定，两性生殖细胞结合后又会重新获得与亲代细胞相同的染色体数；另外，在分裂过程中，同源染色体发生联会，进行遗传基因的交换，使精子具有不同的基因组合。

又被称为精子细胞变态，是指圆形精子细胞不再分裂，变态形成高度特化的蝌蚪状精子的过程（图4-8）。是精子发生过程的最后一个阶段。在这个阶段，精子细胞的形态发生了明显的变化，也发生了很多的分子事件；其基因的表达调控也有特殊之处。

早期的精子细胞在形态上与体细胞相似，具有几种主要的细胞器和一个典型的核，所不同的是精子细胞为单倍体。精子形成期的主要形态变化包括顶体的形成，细胞核浓聚拉长且形态改变，尾部形成，胞质丢失等。

精子顶体（acrosome）是由高尔基复合体形成的。精子细胞的高尔基复合体由一系列的膜组成，以后产生许多小液泡，它们彼此合成一个聚合体。开始由一个或几个液泡扩大，并在液泡中出现一个小的致密体，称为顶体前颗粒（proacrosomal granule）。同时亦可见发生几个液泡和几个颗粒，但最后形成一个大液泡，这就是顶体囊，内含一个大的颗粒，称为顶体颗粒（acrosomal granule）。由于液泡壁失去液体，以致液泡扩展于核的前半部，组成一双层膜，称为顶体帽（acrosomal cap），内含有一个顶体颗粒。以后顶体颗粒物质分散于整个顶体帽中，这就形成顶体（acrosome，perforatorium）。剩余的高尔基复合体移向核后的细胞质中，逐渐退化，最后成为高尔基复合体残留物。当精子形成时，高尔基复合体残留物与精子细胞留下的一些细胞质一起被支持细胞分解掉。

精子细胞核在精子形成期也发生了很大而独特的变化。细胞核浓缩拉长，变为扁平梨状，逐渐变得致密，精子细胞中原先与DNA结合的富含赖氨酸的组蛋白绝大部分被碱性的过渡蛋白替代，进一步又被富含精氨酸的鱼精蛋白所替代（正常人的成熟精子中鱼精蛋白含量为85%，组蛋白含量为15%）。鱼精蛋白能中和DNA电荷，降低DNA分子间的静电排斥作用，并通过二硫键的交联使细胞核更为致密。

精子细胞的中心体由两个中心粒组成。在精子分化早期，两个中心粒刚好移到核后面，与顶体的位置恰好相对。其中一个中心粒位于核后的凹窝中，这就是近端中心粒，参与形成植入窝和受精卵纺锤体，以促使卵裂。而远端中心粒的轴与精子的主轴平行，分化形成精子鞭毛的中轴。

在精子形成刚开始时，精子细胞中的线粒体形态即发生改变，线粒体嵴贴附在线粒体膜周围，最后变为月牙状而集中于精子尾鞭毛起始部，形成线粒体鞘。在精母细胞和精子细胞中，每个细胞的线粒体数目超过1000个。但在精子中大部分线粒体被遗弃，每个精子仅保留了约75个线粒体。事实上，成熟精子的胞质很少，大部分的细胞器及胞质都形成残余体而被支持细胞吞噬。

在精子形成阶段，精子细胞的基因表达及调控有着与一般细胞的不同之处。因为在精子形成阶段，鱼精蛋白替代组蛋白，细胞核变致密，一般认为，雄性生殖细胞核转录停止于精子形成的中期。因此，在精子形成的早期，或在减数分裂的前后，一些精子形成及精子结构、功能相关基因的mRNA即被转录，通过转录后调控机制这些蛋白有序而适当的表达。与翻译不同步而早期转录的mRNA需保持其翻译活性，现在已经初步揭示了参与哺乳动物精子形成中转录后调控可能的部分途径：mRNA脱腺苷化，多聚A结合蛋白等。

如前所述，精子发生包括有丝分裂、减数分裂和精子形成等一系列复杂的步骤，完成这些步骤所需要的时间即为精子发生的时程。种属不同，精子发生的时程也不一样（表4-1）。但同一种属的精子发生时程是恒定的，不受激素或各种外界有害物质的影响。形态学观察发现，精子发生是一个复杂的动态过程，但精子发生也是一个有规律的、高度组织化的过程。青春期，精原细胞随机启动进入有丝分裂，并分批进入精子发生，使精子释放连续进行，精原细胞分裂不是同时启动的，如果那样，势必造成精子脉冲式释放，这将会导致不育。大鼠相邻两批精原细胞进入精子发生的间隔是12天，而大鼠整个精子发生的时程为48天，所以，在生精小管的特定部位，可以有来源于四个批次的精原细胞，以及处于发育、分化不同阶段的生精细胞组合。这些特定的易于辨认的细胞组合（cell association）称为期（stage）。在大鼠可见到14个期，这种细胞组合随时发生着变化，12天中会连续出现14个期，并且每12天重复1次。在生精小管的特定部位，先后两次出现同一特定细胞组合（即期）所需的时程，称为周期（cycle），也就是相邻两批精原细胞进入精子发生的间隔。

人类精子发生的时程为64天，每个周期为16天。所以，生精小管横断面的细胞组合会含有四个周期中的不同阶段生精细胞。在人类可明确区分的有6个期相（图4-9），但每个期只占较小的楔形区域，并不占满生精小管的整个横断面。所以，在同一横断面上可同时见到几个期，这与啮齿类动物生精细胞很有规则排列不同。

不同的生精小管横断面或同一生精小管横断面在不同的时间，精子发生所处的时期都不同，精子发生是沿着生精小管长轴呈现的一定的生精细胞组合的波浪式过程。

Sertoli细胞，也称支持细胞（supporting cell），是体内唯一与生精细胞直接接触的体细胞，在精子发生中起了很重要的作用。

Sertoli细胞是血-睾屏障最重要的组成部分，为精子发生创造了相对稳定的内环境。相邻支持细胞形成的血-睾屏障由三部分组成：紧密连接、质膜下内质网和微丝束。

紧密连接是由该处支持细胞的膜上密集成排的膜蛋白颗粒贴附成的紧密的融合线条而成，此种膜蛋白颗粒融合线条最多可达50条，是机体内隔离效应最强的细胞间生物屏障。

质膜下内质网是指靠近紧密连接处的一排内质网，其囊池较大，囊腔与质膜平行，向质膜一面平滑，向细胞质面则附有核糖体。

微丝束由肌动蛋白组成，位于紧密连接质膜下内质网之间，呈平行排列，环绕紧密连接，具有收缩功能。

当发育中的生精细胞由基底室向近腔室移动时，紧密连接可临时启开，允许生精细胞通过，而当生精细胞通过后，紧密连接又像拉链一样收缩闭合。

相邻支持细胞形成的血-睾屏障将生精上皮分隔成基底小室和连腔小室两部分。精原细胞和细线前期精母细胞位于基底小室，其他各级生精细胞位于连腔小室，这在精子发生中有很重要的作用，具体可归纳为三个方面：①两个室分别具有不同的微环境，最明显的是连腔小室与血液循环和淋巴循环是分隔开的，睾丸间质的血液循环和淋巴循环中的一些物质可进入基底小室，但不能透过支持细胞形成的血-睾屏障，这就保证了连腔小室内精母细胞的成熟分裂和精子变态在稳定的微环境中进行。②血-睾屏障还是一道免疫屏障，是睾丸作为免疫豁免（immune privilege）器官的重要物质基础。血-睾屏障防止了逐渐分化的生殖细胞由于有了新的特异性抗原而引起机体的自身免疫，循环中的抗精子抗体也不能进入连腔小室。在临床上，有很多血液中抗精子抗体阳性男性患者，精子发生并未受到明显的影响，多为通过睾丸后途径影响精子的功能。支持细胞还能杀死入侵的免疫细胞，如其表达的FasL能与侵入的免疫细胞膜上的Fas受体结合，从而诱导免疫细胞凋亡。③血-睾屏障使基底小室和连腔小室之间维持着一定渗透压梯度，有利于生精上皮产生的液体向管腔方向排泌。

对支持细胞的功能研究结果提示，生精细胞存在于支持细胞构成的支持网架中。因此，支持细胞对生精细胞的支持、营养、保护和代谢等保护性功能，受到越来越多的关注。

支持细胞对生精细胞的作用主要有：

支持细胞是各级生精细胞的支架。支持细胞与各级生精细胞形成复杂的连接结构，包括了桥粒、缝隙连接、连接复合体、胞浆化特异复合体、支持细胞隆突、精子细胞隆突和精子残余体等。其种类多而复杂，并随着生精周期而相应地发生变化。这些连接结构不仅参与了支持细胞和生精细胞的连接，还参与了物质转运和信号转导。

上述支持细胞与各级生精细胞之间的连接结构参与了生精细胞的转位和精子释放，支持细胞还能合成分泌一些生精细胞的转位和精子释放所需的蛋白水解酶。经变态形成的精子，仍深嵌在支持细胞顶部的陷窝内，在间质细胞刺激素（ICSH、LH）的触发下，支持细胞顶部变小，滑面内质网小泡肿胀，陷窝因此而逐渐变浅，变平，乃至消失，精子也随之依次向外推移，终而被释放入管腔。另外，支持细胞含有较多纵形的肌动蛋白微丝。在生成的晚期，微丝发生收缩，支持细胞顶部受到牵拉，精子逐渐被释放。

一般认为，基底小室的生精细胞可以直接从固有膜的血管中通过渗透扩散而获得营养物质，而连腔小室内生精细胞发育所需的营养物质及代谢废物的排出，则依赖于支持细胞的转运。

支持细胞还担负着生精小管内成分的自我清拭功能。在生精过程中的出现的变性退化的生精细胞和精子变态过程中大量遗留的残余胞质等，虽然它们也可经激活自我的溶酶体进行前期处理，但主要靠支持细胞的异噬作用进行吞噬、消化和清理。经支持细胞溶酶体异噬消化后的物质仍可重新利用。

支持细胞有旺盛的分泌功能，这也是它能在复杂的精子发生中担当重要角色的功能基础。生精小管管腔液主要由支持细胞分泌，另外，支持细胞能合成和分泌很多物质，主要种类有：①转运蛋白类：雄激素结合蛋白（androgen binding protein，ABP）与睾酮和脱氢睾酮有高亲和力，与雄激素结合并维持生精小管内高浓度的雄激素水平，形成了精子发生必需的内环境。并随睾丸液到达附睾，对附睾功能的维持有重要意义。其他转运蛋白如运铁蛋白、铜蓝蛋白、维生素结合蛋白则是铁、铜、维生素的转运载体，运输相应物质至生精细胞。②生长因子类：抑制素（inhibin）是支持细胞分泌的肽类激素，这种激素的一个突出特点就是能选择性地通过下丘脑抑制腺垂体远侧部合成和分泌卵泡刺激素（FSH），因此，它是垂体释放FSH的负反馈调节因子。FSH和睾酮等的协同作用则可促进ABP的分泌。其他生长因子包括有激活素（activin）、转化生长因子、白介素-1等。③连接蛋白及黏附分子类：如层粘连蛋白、Ⅳ型胶原等，参与了生精小管基膜的构成及生精细胞的黏附和转位等。④蛋白水解相关酶类：如纤溶酶原激活子和抑制子，参与基膜更新和支持细胞连接复合体的开放和关闭。⑤调节蛋白类：如间质细胞激活素，可促进间质细胞的功能。⑥雌激素和甾体类物质：有资料表明，支持细胞含有将C ₂₁类固醇（孕烯醇酮、黄体酮等）转化为睾酮羟化酶，并在芳香化酶作用下，将睾酮转化为雌二醇。所以支持细胞也具有合成和分泌雌激素的能力。雌激素又可反馈抑制间质细胞的睾酮生成。这一环路事实上也构成了睾丸内的自身反馈。这一问题，无论对于解释精子发生中的局部调节机制，还是解释唯支持细胞综合征患者精浆和外周血中雌激素水平很有指导意义。

间质细胞一般三五成群分布于睾丸间质中，又称Leydig细胞（Leydig cell）。尽管间质细胞不像支持细胞那样直接与生精细胞接触，但在精子发生中起着不可或缺的作用。

间质细胞存在一个发育成熟的过程，其数量及活性受激素的刺激而定。在胚胎早期，由于母体内促性腺激素的作用，其数量增加；到胚胎约4个月时，随母体内促性腺激素的降低而下降；至出生时，间质细胞小而少；到青春期，由于促性腺激素的分泌增加，且呈脉冲式，间质细胞增加且成熟。

成熟的间质细胞体积较大，圆形或多边形，细胞质呈嗜酸性；细胞核圆而大，居中且核仁明显。酶组织化学显示胞质中乳酸脱氢酶、3β-羟甾脱氢酶和6-硫酸脱氢酶，其中3β-羟甾脱氢酶是间质细胞的标志性酶。间质细胞是典型类固醇激素分泌细胞，有丰富的滑面内质网，线粒体大而丰富，细胞质中还常见脂滴，脂滴内有合成类固醇激素所必需的一些物质。

间质细胞的主要功能是合成雄激素。LH与间质细胞膜上的受体结合，促进间质细胞睾酮的合成与释放。男性体内95%的雄激素来自睾丸间质细胞。

雄激素在多个时期发挥着重要的作用，它参与了胚胎生殖管道及外生殖器的分化，青春期男性生殖系统发育的启动和成熟以及青春期后男性性与生殖功能的维持等。另外，间质细胞还分泌雌激素、非甾体类激素和生长因子，这对精子发生、支持细胞和间质细胞自身的分泌功能有调节作用。