第五章　受精、胚胎发育与性别形成

精子和卵子的发生和成熟是胚胎发生的前提，精子和卵子的结合即受精，是新个体的开端。

卵子以卵泡的形式发生于卵巢，受精过程中才完全成熟。卵子的发生过程也要经历减数分裂，即染色质复制1次，细胞连续分裂两次。但两次分裂时细胞的胞质分配不均等，分裂产生的4个子细胞中只有1个是大而圆的卵子，其余3个均为小而圆的极体细胞。女性胎儿出生前，其卵巢中的卵原细胞全部变成了初级卵母细胞，并开始了第一次减数分裂且停留在分裂前期。进入青春期后，在垂体周期性分泌的促性腺激素的影响下，初级卵母细胞开始分批分期地发育，于排卵前完成第一次减数分裂生成次级卵母细胞，随即开始了第二次减数分裂并停留在分裂中期。

从卵巢排出的卵子是处于第二次减数分裂中期的次级卵母细胞，在受精时才完成第二次减数分裂。若未受精，于排卵后12～24小时退化。

传统认为，人的卵泡发育至成熟排卵是在1个月经周期的增生期内完成（约10～15天）。近些年对一些动物和人卵泡生长发育的研究揭示，卵泡生长速度较慢，跨几个月经周期才能发育成熟。在1个月经周期内，卵巢虽然有若干不同发育状况的卵泡，但通常只有1个发育至一定大小的卵泡在垂体促性腺激素的作用下，于月经周期增生期内迅速生长成熟并排卵。

排卵后由于孕激素的作用，输卵管伞端广泛分散、充血，输卵管壁收缩强度增加，加上伞端大量纤毛的摆动，几分钟内卵子就被迅速捡拾并送至输卵管壶腹部。输卵管液在输卵管的峡部流速比较快，而在壶腹部的流速则很慢，便于卵子在壶腹部停留，并在此处受精。

精子和卵子结合形成受精卵的过程称为受精（fertilization）。受精始于精子细胞膜与卵子细胞膜的接触，止于两者细胞核的融合。受精的过程可分为三期（图5-1）。

Ⅰ期：穿过放射冠。当大量获能的精子与卵子相遇时，它们首先与卵子周围的放射冠接触并自由穿过，最终只有1个精子能穿过透明带与卵子结合，其他多数精子起辅助作用。

Ⅱ期：穿过透明带。当精子穿越卵子周围的放射冠和透明带时，其顶体外膜和精子，即与精子质膜间，形成局部点状融合，继而破裂形成许多小孔，顶体内含的酶逐渐释放出来，这一过程被称为顶体反应（acrosome reaction）。精子与卵子透明带上的精子受体糖蛋白分子ZP3结合后，释放的顶体酶分解透明带，形成一个精子穿过的通道。

精子接触透明带、释放顶体酶的同时，卵子浅层细胞质内的皮质颗粒立即释放多种溶酶体酶样物质，使透明带结构发生变化，特别是使ZP3分子变性，称为透明带反应（zone reaction）。这一反应阻止了其他精子穿越透明带，保证了单精受精。

Ⅲ期：精子、卵子融合。精子穿过透明带进入卵周隙，以头部外侧与卵子细胞膜相贴融合，随即精子的细胞核和细胞质进入卵子内，卵子迅速完成第二次减数分裂。此时精子和卵子的细胞核分别称为雄原核（male pronucleus）和雌原核（female pronucleus）。两个原核逐渐在细胞中部靠拢，核膜消失，染色体混合，形成二倍体的受精卵（fertilized ovum），又称合子（zygote）。

受精的意义在于：①精子与卵子的结合，恢复了细胞的二倍体核型，维持了物种的稳定性；②受精决定了新个体的性别，带有Y染色体的精子与卵子结合发育为男性，带有X染色体的精子与卵子结合则发育为女性；③受精卵的染色体来自父母双方，生殖细胞在减数分裂时曾发生染色体联合和片段交换，使遗传物质重新组合，因此新个体既维持了双亲的遗传特点，又具有与亲代不完全相同的性状；④受精使卵子的代谢由缓慢转入旺盛，从而启动细胞不断地分裂，启动了胚胎发育的进程。

受精后，母体血浆内很快出现一种免疫抑制物，称早期妊娠因子（early pregnancy factor），它是目前检查早期妊娠的一种指征。

受精需具备以下条件：发育正常并已获能的精子与发育正常的卵子在排卵后12～24小时相遇是受精的基本条件。具体为：

1. 男方有足够的、形态和功能均正常的精子，以及适合于精子游动的液体环境。如果每毫升精液所含精子少于500万个，受精的可能几乎为零；如果小头、双头、双尾等畸形精子的数量超过20%，或者精子的活动力太弱，受精成功的几率则很小，并且容易出现胚胎畸形。

2. 女方能产生正常而成熟的卵子，而且输卵管通畅。

3. 雌激素和孕激素是维持和调节生殖细胞发生、发育及其在生殖管道中正常运行的重要条件，如果这两种激素的水平太低，也会影响受精。

受精卵由输卵管向子宫运行中，不断进行细胞分裂，此过程称卵裂（cleavage）。卵裂产生的细胞称卵裂球（blastomere）。每次卵裂，核内物质重新合成增长，细胞质没有增长，但其理化性质发生变化，因而卵裂球几乎不生长即迅速地进行下次分裂，卵裂球体积越来越小，一旦核质比达到平衡，细胞分裂速度开始减慢。到受精第3天时形成一个由12～16个卵裂球组成的实心胚，称桑葚胚（morula）（图5-2，3），此时透明带仍包绕在细胞外周。

桑葚胚的细胞继续分裂，细胞间逐渐出现小的间隙。小的间隙逐渐融合成一个大腔，腔内充满液体，整个胚就像被透明带包绕着的一个囊泡，故称为胚泡（blastocyst，又称囊胚）。胚泡于受精的第4天形成并进入子宫腔。胚泡外表为一层扁平细胞，称滋养层（trophoblast），中心的腔称胚泡腔（blastocoele），腔内一侧有一群细胞，称内细胞群（inner cell mass）。胚泡逐渐长大，透明带变薄而消失，胚泡得以与子宫内膜接触，植入开始。

胚泡逐渐埋入子宫内膜的过程称植入（implantation），又称着床（imbed）。植入约在受精后第5～6天开始，第11～12天完成。胚泡植入子宫内膜，获得进一步发育的适宜环境和充足的营养供应。植入时，内细胞群侧滋养层先与子宫内膜接触，并分泌蛋白酶消化与其接触的内膜组织，胚泡则沿着被消化组织的缺口逐渐埋入内膜功能层。在植入过程中，与内膜接触的滋养层细胞迅速增殖，滋养层增厚，并分化为内、外两层。外层细胞间的细胞界线消失，称合体滋养层（syncytiotrophoblast）；内层由单层立方细胞组成，称细胞滋养层（cytotrophoblast）。后者的细胞通过细胞分裂使细胞数目不断增多，并补充合体滋养层。胚泡全部植入子宫内膜后，缺口上皮修复，植入完成。这时整个滋养层均分化为两层，合体滋养层内出现腔隙，内含有母体血液（图5-4）。

植入时子宫内膜处于分泌期，植入后血液供应更丰富，腺体分泌更旺盛，基质细胞变肥大，富含糖原和脂滴，内膜进一步增厚。子宫内膜的这些变化称蜕膜反应（decidua reaction），此时的子宫内膜称蜕膜（decidua）。根据蜕膜与胚胎的位置关系，将其分为三部分：①基蜕膜（decidua basalis），是位居胚深部的蜕膜；②包蜕膜（decidua capsularis），是覆盖在胚宫腔侧的蜕膜；③壁蜕膜（decidua parietalis），是子宫其余部分的蜕膜（图5-5）。

胚泡的植入部位通常在子宫体和底部，最多见于后壁。若植入位于近子宫颈处，在此形成胎盘，称前置胎盘（placenta previa），分娩时胎盘可堵塞产道，导致胎儿娩出困难。若植入在子宫以外部位，称异位妊娠（ectopic pregnancy），常发生在输卵管，偶见于子宫阔韧带、肠系膜，甚至卵巢表面等处。异位妊娠胚胎多早期死亡。

胚泡的植入是以母体性激素的正常分泌使子宫内膜保持在分泌期为基础的，透明带消失和胚泡适时进入宫腔是植入的条件。若母体内分泌紊乱或内分泌受药物干扰，子宫内膜周期性变化则与胚泡的发育不同步，子宫内膜有炎症或有避孕环等导物，均可阻碍胚泡的植入。

人卵体外受精（fertilization in vitro，VIF）技术建立于1969年。用IVF技术获得的受精卵在体外发育到桑葚胚或早期胚泡，再移植到子宫内的技术称胚胎移植（embryo transfer，ET）。应用IVF 和ET技术于1978年在英国诞生了第1例试管婴儿（test tube baby），我国大陆地区于1988年春天诞生了首例试管婴儿。IVF和ET技术的开展，可以解决因输卵管堵塞而不能妊娠妇女的生育问题。目前，体外受精获得的早期人胚，经冷冻保存后再移植入子宫也获得成活。

在胚泡植入第2周时，内细胞群的细胞也增殖分化，逐渐形成一个圆盘状的胚盘（embryonic disc），此时的胚盘由上、下两个胚层构成，也称二胚层胚盘。上胚层（epiblast）为邻近滋养层的一层柱状细胞；下胚层（hypoblast）是靠近胚泡腔侧的一层立方细胞，两层紧贴在一起，中间隔以基膜（图5-4）。继之，在上胚层的近滋养层侧出现一个腔，为羊膜腔。邻近细胞滋养层的一层上胚层细胞称成羊膜细胞，与上胚层的其余部分共同包裹羊膜腔，形成羊膜囊（amniotic sac）。羊膜囊与上胚层的周缘续连，故上胚层构成羊膜腔的底。下胚层的周缘细胞向下生长延伸，形成另一个由单层扁平细胞围成的囊，即卵黄囊（yolk sac），下胚层构成卵黄囊的顶。羊膜腔的底（上胚层）和卵黄囊的顶（下胚层）紧相贴连构成的胚盘是人体的原基。滋养层、羊膜腔和卵黄囊则是为胚胎提供营养和起保护作用的附属结构。

在羊膜腔和卵黄囊形成的同时，胚泡腔内出现松散分布的星状细胞和细胞外基质，充填在细胞滋养层、卵黄囊和羊膜腔之间，称为胚外中胚层。继而胚外中胚层细胞间出现腔隙，腔隙逐渐汇合增大，在胚外中胚层内形成一个大腔，称胚外体腔。胚外中胚层分别附着于滋养层内面及卵黄囊和羊膜的外面，羊膜腔顶壁尾侧与滋养层之间的胚外中胚层将两者连接起来，称体蒂（body stalk）（图5-6）。

人胚发育第3周初，部分上胚层细胞增殖较快，在上胚层表面的一条向心线线上形成一条增厚条带，称原条（primitive streak）。原条的向心端略膨大，为原结（primitive node）（图5-7）。继而原条的中线出现浅沟，原结的中心出现浅凹，分别称原沟（primitive groove）和原凹（primitive pit）。原条深面的细胞增殖并在两个方向上迁移：一部分细胞逐渐迁移到上、下胚层之间，形成胚内中胚层（intraembryonic mesoderm），即中胚层（mesoderm），它在胚盘边缘与胚外中胚层续连；另一部分细胞进入下胚层，并逐渐全部置换了下胚层的细胞，下胚层改称内胚层（entoderm）。在内胚层和中胚层形成之后，原上胚层改称外胚层（ectoderm）（图5-8）。至此，内细胞群分化为由内、中、外三个胚层构成的胚盘，它是人体各器官和组织的原基；胎膜与胎盘也渐形成和发育。

原条的出现使胚盘有了明显的头端和尾端，左侧和右侧之别。此时的胚盘呈梨形，头端大、尾端小。从原凹向头侧迁移的细胞，在内、外胚层之间形成一条单独的细胞索，称脊索（notochord）。脊索是脊索动物的重要支持结构，其在胚胎时期的出现，对神经管和椎体的发生起着重要的诱导作用（图5-7）。在脊索的头端和原条的尾侧，各有一个无中胚层的椭圆形区域，由内胚层和外胚层直接相贴而成，分别称口咽膜（oropharyngeal membrane）和泄殖腔膜（cloacal membrane）。随着胚体的发育和脊索的形成及延伸，原条逐渐向尾端退缩，最终消失。若原条细胞残留，在人体骶尾部可分化形成由多种组织构成的畸胎瘤。

从第4周初至第8周末，胚盘的三胚层分化发育，建成各器官系统的雏形，胚胎初具人形；胎膜和胎盘也于此时期发育形成。

胚体形成的同时，三个胚层也逐渐分化形成各器官的原基。

胚胎发育至18～19天，脊索诱导其背侧中线的外胚层增厚呈板状，称神经板（neural plate）。构成神经板的这部分外胚层也称神经外胚层（neuroectoderm），为假复层柱状的神经上皮。神经板随脊索的生长而增长，且头侧宽于尾侧。随后神经板的左右两侧缘高起，形成神经褶（neural fold），中心凹陷，形成神经沟（neural groove），两侧神经褶靠拢并愈合形成神经管（neural tube），神经管两侧的表面外胚层在管的背侧靠拢并愈合，使神经管位居于表面外胚层的深面（图5-9）。神经褶首先开始在神经沟的中段靠拢并愈合，继之向两端愈合，最后在头尾两端各留有一个开口，分别称前神经孔（anterior neuropore）和后神经孔（posterior neuropore）（图5-10）。胚胎发育至25天左右，前神经孔闭合；27天左右，后神经孔闭合。神经管是中枢神经系统以及松果体、神经垂体和视网膜等的发育原基。衬在神经管腔面的上皮细胞层构成室区（ventricular zone），该区的细胞产生神经元和神经胶质细胞（星形胶质细胞、少突胶质细胞和Schwann细胞）。在神经管关闭过程中，一些细胞迁移至神经管的背外侧，形成两条纵行的细胞索，称神经嵴（neural crest）（图5-9）。神经嵴主要分化为周围神经系统及肾上腺髓质等结构。位于体表的表面外胚层，将分化为皮肤的表皮及其附属器，以及牙釉质、角膜上皮、晶状体、内耳膜迷路、腺垂体、口腔和鼻腔与肛门的上皮等。

中胚层以脊索为中轴，在其两旁由内向外依次分化为轴旁中胚层（paraxial mesoderm）、间介中胚层（intermediate mesoderm）和侧中胚层（lateral mesoderm）（图5-11）。分散存在的中胚层细胞，称间充质（mesenchyma），分化为结缔组织以及血管、肌组织等。脊索则大部分退化消失，仅在椎间内残留为髓核。

轴旁中胚层：受精后第17天左右，紧邻脊索两侧的中胚层细胞迅速增殖，形成两条纵行的细胞带，即轴旁中胚层。受精后第20天左右，轴旁中胚层呈节段性增生，形成分节状的团块，称体节（somite）。体节左右成对，从胚的头端向尾端依次形成，随胚龄的增长而增多，每天大约出现3对，故可根据体节的数量推算早期胚龄。第5周时，体节全部形成，共约42～44对。体节将分化为皮肤的真皮、皮下组织、软骨、大部分中轴骨骼（如脊柱、肋骨）及骨骼肌。

间介中胚层：位于轴旁中胚层与侧中胚层之间，分化为泌尿生殖系统的主要器官和结构。

侧中胚层：是中胚层最外侧的部分，位于间介中胚层的外侧、胚盘的边缘。两侧的侧中胚层在口咽膜的头侧汇合为生心区（cardiogenic area）。随着胚体的形成，生心区移到胚体原始消化管的腹侧，口咽膜的尾侧，分化形成心脏。侧中胚层组织中，先是出现一些小的腔隙，后融合成为一个大的腔隙，即胚内体腔（intraembryonic coelomic cavity）。胚内体腔将侧中胚层分隔成两层。紧贴外胚层的一层，称体壁中胚层（somatic or parietal mesoderm），将分化为腹侧和外侧体壁（包括肢体）的骨骼、肌肉、血管、结缔组织和腹膜、胸膜、心包膜的壁层；另一层紧贴在内胚层形成的原始消化管外表面，称脏壁中胚层（visceral mesoderm），将分化为消化和呼吸系统的肌组织、血管、结缔组织和腹膜、胸膜、心包膜的脏层。两层之间的腔为原始体腔，最初呈马蹄形，继而从头端到尾端分化为心包腔、胸膜腔和腹膜腔。

在胚体形成的同时，内胚层及部分卵黄囊被包入胚体，卷折形成原始消化管。其余部分的卵黄囊被卷出了胚体之外，通过缩窄的蒂部，即卵黄蒂（vitelline stalk）与原始消化管的中段连通（图5-12）。原始消化管将分化为消化管、消化腺、呼吸道和肺的上皮组织，以及中耳、甲状腺、甲状旁腺、胸腺、膀胱和阴道等的上皮组织。

在三胚层形成和分化的同时，胚盘边缘向腹侧卷折形成头褶、尾褶和左右侧褶，扁平形的胚盘逐渐变为圆柱形的胚体。胚盘卷折主要是由于各部分生长速度的差异所引起。如左右侧褶的发生是由于胚盘中轴部的神经管和体节的生长以及外胚层的生长速度快于内胚层，结果致使外胚层包于胚体外表，内胚层卷到胚体内，胚体凸到羊膜腔内。胚盘头尾方向的生长速度快于左右方向的生长，头侧的生长速度又快于尾侧，因而胚盘卷折为头大尾小的圆柱形胚体，胚盘边缘则卷折到胚体腹侧。随着胚的进一步发育，胚体腹侧的边缘逐渐靠近，最终在胚体腹侧形成圆索状的原始脐带，与绒毛膜相连（图5-12）。

圆柱形胚体形成后的大体结构为：胚体凸入羊膜腔的羊水内；体蒂和缩窄的卵黄蒂连于胚体腹侧，外包羊膜，形成原始脐带；口咽膜和泄殖腔膜分别转到胚体头和尾的腹侧；外胚层包被胚体外表；内胚层卷折到胚体内，形成头尾方向的原始消化管，其中段的腹侧通过卵黄蒂与卵黄囊连通，头端由口咽膜封闭，尾端由泄殖腔膜封闭。至第8周末，胚体外表已可见眼、耳和鼻的原基及发育中的四肢，初具人形（图5-13）。

卵子受精后启动发育程序。研究表明，哺乳动物卵子的胞质中已贮存有丰富的mRNA、tRNA 和rRNA，在受精后的第一个细胞周期可直接用于指导蛋白质的翻译，不需要从染色体水平开始指导蛋白质的合成，这时即使将细胞核从细胞中取出也不会影响其发育进程。在哺乳动物，卵裂早期细胞内即合成RNA，胚胎来源于父方的遗传信息开始起作用。

卵子的细胞质在胚胎发育过程中起重要的作用。德国学者施佩曼（1928）用较细的头发将蝾螈的受精卵结扎成两个半球状，其中一个半球中含灰新月区（受精时，蝾螈卵细胞上出现一个浅灰色的半月形区带）和细胞核，另一个不含这个区带。结果前者发育成了胚，后者则不能。即使后者含有细胞核，细胞也不能分化，只能发育成没有一定形状的团块。这个实验说明在灰新月区（细胞质）中，含有某种物质，只有完全具备这种物质，胚胎发育才能正常进行。实际上，细胞质在胚胎发育过程中的作用，具有影响细胞核基因表达的作用。细胞核在胚胎发育过程中起主导作用。施佩曼将蝾螈的受精卵结扎成两个半球后，一个半球含细胞核，另一个半球不含细胞核。结果发现有细胞核的半球能够进行正常的卵裂，没有细胞核的则不能卵裂。在16个或32个细胞的时期，他让一个细胞核通过结扎处进入无核的半球，结果这个半球也开始卵裂，并且发育成了正常胚胎。这表明在胚胎发育过程中细胞核起着主导作用。

现代生物学的研究表明，细胞核之所以在胚胎发育过程中起主导作用，是因为细胞中的绝大部分基因位于细胞核内的染色体上，通过转录产生的mRNA进入细胞质，翻译成各种蛋白质，从而决定细胞的新陈代谢类型和个体发育方向。但是，细胞核的主导作用不是绝对的，核的活动不仅要受到细胞质中一些物质的调节和制约，而且还要对细胞质的不同状态做出不同的反应。

正常体内受精情况下，一个精子和一个卵子形成一个受精卵，为单精受精。在极少的情况下，两个精子同时进入卵子形成三倍体细胞的胚胎，此种胚胎均流产或出生后很快死亡。

体外受精（invitro fertilization，IVF）和单精子卵胞浆内注射（intracytoplasmic sperm injection，ICSI）周期中，常有异常受精的情况出现。有研究显示IVF周期中，多精受精率达30%。IVF和ICSI后单原核孕卵（monopronuc leus zy-gotes，IPN）的发生率为2%～5%。多精受精不仅易致胚胎着床失败，自然流产率上升，还可导致部分性葡萄胎的产生和染色体异常儿的出生。

导致IVF中受精卵出现多倍体的主要因素有：

1. 多个精子同时进入卵子，尤以两个精子的同时进入最常见。研究认为，可能是促排卵药的使用促进了卵泡的募集和发育，在卵泡募集和发育较多的周期中，必定存在较多的过成熟或者不成熟卵。卵母细胞在受精过程中主要是通过透明带反应防止多精受精，不成熟的卵母细胞和过熟的卵母细胞的皮质颗粒都不能发挥正常的作用，从而增加了多精受精的机会。

2. 二倍体的精子或二倍体的卵子形成的受精卵。研究认为，在ICSI过程中只有一个精子被注入卵细胞浆，此时多倍体孕卵形成机制可能为第二极体未正常排出而形成，或是严重少精子症或无精子症患者的睾丸或附睾穿刺出的双倍体精子被注入卵细胞浆所致。

3. 第二极体不能正常排出，则形成两个雌原核或是一个二倍体卵子和一个雄原核的受精卵。第二极体未能正常排出有以下三方面的原因：第一，ICSI过程中损伤了赤道板区域，分裂中期的细胞受损；第二，第二次减数分裂纺锤体的错误定位；第三，hCG血清高E2水平。