曲细精管及精子发生不同时期解读-实用篇

1 背景知识介绍

1.1 睾丸（testis）

睾丸(testis)是男性和出生时被指定为男性(Assigned Male At Birth, AMAB)的人的解剖结构的一部分。一般来说，哺乳动物有两个睾丸，该部位能够产生精子（sperm）和激素（hormone），主要是雄性激素（Androgens）。人类的每个睾丸重约25克(0.875盎司)，长4-5厘米(1.6-2.0英寸)，直径2-3厘米(0.8-1.2英寸)。每一个都被称为白膜（Tunica Albuginea）的纤维囊覆盖，并被白膜的纤维组织分割成200到400个楔形部分（edge-shaped sections）或小叶（lobes）。在每个叶内有3到10个卷曲的小管，称为精管（seminiferous tubules），它们产生精细胞（sperm cells）。

(图1 人类睾丸-附睾结构示意图)

1.2 曲细精管（seminiferous tubule）

哺乳动物睾丸的精小管（seminiferous tubule）是成年动物持续发生精子（spermatogenesis）的部位。在胚胎中，原始生殖细胞(primordial germ cells，PGCs)分裂并迁移到生殖嵴。在发育中的精索（seminiferous cords）中，PGCs成为生殖母细胞/性原细胞（gonocytes），生殖母细胞位于精小管基底膜上，在那里分化为精原干细胞(spermatogonial stem cells，SSCs)并开始自我更新分裂。曲细精管主要由三种细胞类型构成，即管周肌样细胞（Peritubular myoid cells）、支持细胞（Sertoli cells）、生殖类细胞（Germ cells），而间质细胞（Leydig cells）是存在于曲细精管之间睾丸内的细胞，在接收到到垂体分泌的黄体生成素（luteinizing hormone， LH）激活时是分泌雄激素的主要细胞。成年男性（20岁）据报道大概才拥有700万个间质细胞。

（图2 睾丸细胞群示意图）

SSCs通过两种不同的方式的实现其功能，一般认为是对称分裂和非对称分裂，对称分裂一般实现自我更新，非对称分裂一般实现分化。自我更新使得其保持原有特性，分化实现SSCs向其它细胞类型发育。SSCs非对称分裂会得到A_S(single)精原细胞，一般认为是具有干细胞特性的，它现靠近几组支持体细胞，包括小管周围肌样细胞和支持细胞，这可能有助于干细胞生态位建立。进入A型的精原细胞（spermatogonia）将持续向最后的精子发育，这包括Apr（成对的，换句话说就是两个精原细胞排列）、Aal（排列型，换句话说就是一行精原细胞排列）、然后进入A1-A2-A3-A4性细胞发育（这些细胞一般认为还具有一定的干性），接着向In（中间型精原细胞，从现在开始已经不具有干性，现目前，相关研究还很少，也没有很好的说明，为什么回从A4到In是不可逆的，且调控机制还不是很清楚），中间型精子接着向B型精子发育（从As-B型，主要是根据细胞的排列，后期结合细胞胞质和细胞核进行识别），减数分裂前不同的发育类型的精，主要一桥联量的方式实现信息和物质的传递，一般情况下从As到B型的一个完整发育，会得到512（亦可能是256）个B型精子细胞。

1.3 精子减数分裂（Meiosis）

减数分裂是真核生物有性生殖动物在繁殖前减少细胞中染色体数量的过程。许多生物体将这些细胞包装成配子，如卵子（egg）和精子（sperm）。然后，配子在繁殖过程中相遇，融合产生一个新的受精卵。由于在减数分裂过程中等位基因的数量减少，两个配子的结合将产生一个与亲本等位基因数量相同的受精卵。在二倍体生物中，每个基因都有两个拷贝。

在其他生物体中，多倍体（polyploidy）是常见的，它们可以存在许多相同基因的拷贝。然而，如果多倍体的生物体不能存活/繁殖/繁育等（例如植物界中的无籽西瓜，三倍体；动物界的骡子因存在异常不能配对染色体32条（马）+31条（驴）=63条染色体），那么在动物繁殖之前必须进行减数分裂，减数分裂发生在两个不同的分裂中，每个分裂都有不同的阶段。减数分裂主要分为减数分裂1期，减数分裂2期，其中1期是比较复杂的，下边对对二者进行简单的描述：

1.3.1 减数分裂I期

在减数分裂之前，DNA被复制，就像有丝分裂（mitosis）一样。减数分裂由两次细胞分裂组成，称为减数分裂I和减数分裂II。在前期I，有丝分裂开始出现差异。在有丝分裂中，染色体开始凝聚，但在减数分裂I中，它们也配对。每条染色体都仔细地与其同源染色体（homologue）配对，以便两条染色体在其全长的相应位置上匹配，并进行遗传物质的交换。

减数分裂Ⅰ即第一次减数分裂，包括前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ和末期Ⅰ。遗传物质的交换与重组等变化主要发生在这个过程：

前Ⅰ期

细线期（leptotene stage）：染色质逐渐凝集成光镜下可见的细长染色体丝，DNA虽已复制，但分辨不出染色单体的双线结构。由于小区域浓缩的结果，染色体细丝上有许多粒状结构，称为染色粒（chromomere）。此期染色体端部与核膜紧密相连，这样有利于同源染色体配对。核仁及核均膨大。

偶线期（zygotene stage）：成对的同源染色体开始配对，这一过程称为联会（synapsis），并形成联会复合体（synaptonemal complex）。联会一般是从靠近核膜的一端开始，或者在染色体全长的若干位点上同时进行。联会复合体是在两条同源染色体间沿长轴形成的一种蛋白质的非永久性复合结构，包括侧体结构和中央结构，介导同源染色体的配对、联会和重组。电镜下显示组成联会复合体的一对同源染色体每一条仅一侧有动粒，另一侧无动粒并产生特殊的侧体结构。侧体通过对同源染色体之间的彼此识别起作用，使随机分布在核中的同源染色体相互配对，两个侧体之间立即形成中央结构，像拉锁一样使同源染色体紧密相连。联会复合体是同源染色体配对过程中产生的临时性结构，在进入第一次减数分裂中期之前消失。

粗线期（pachytene stage）：染色体进一步螺旋化，明显变粗变短。光镜下可见细胞中有n个二价体，每一条染色体都由两条染色单体构成，因此，二价体又称四分体（tetrad）。每条染色体的两条染色单体之间互称为姐妹染色单体，同源染色体的染色单体之间互称为非姐妹染色单体。在粗线期，非姐妹染色单体的相对位置之间可发生片段互换，称交换（crossing over），可使同源染色体之间的基因产生部分重新组合，即重组（recombination）。

双线期（diplotene stage）：染色体进一步缩短，联会复合体解体。同源染色体开始分离，使交换后的染色体之间出现交叉（chiasma）。一般认为，交叉是非姐妹染色单体之间发生了交换的表现，随着时间的推移，交叉点向末端移动的现象称为交叉端化。人和许多动物的双线期经历时间比较长。如人的卵母细胞在五个月胎儿已达双线期，至12~50岁的排卵年龄期间，卵子的生成一直停留在双线期。

终变期（diakinesis）：染色体变得更加短粗，交叉渐移至两端，核仁、核膜消失，纺锤体开始形成（一半时间很短，很难在曲细精管中被管擦到）。

（这些信息务必了解清楚，方能对后期曲细精管的十二个时期进行比较明确的分辨）

中期Ⅰ（Metaphase Ⅰ）：二价体排列在赤道面上，形成赤道板。纺锤体形成，纺锤丝微管与着丝粒区的动粒相连，一对同源染色体的动粒朝向两极。此期二价体仍有交叉联系着。

后期Ⅰ（Anaphase I）：二价体中的两条同源染色体彼此分开，在纺锤丝的牵引下，分别向两极移动。后期Ⅰ完成时，每一极只获得每对同源染色体中的一条（n），即二分体（dyad）。因此经过减数分裂Ⅰ，染色体由2n数目减为n，这时的每条染色体是由两条染色单体组成的，所以，从DNA含量来看它们并没有减半。由于粗线期中同源染色体非姐妹染色单体之间发生了交换，所以，每条染色体的姐妹染色单体上的DNA组成并不完全相同。此过程父源或母源的染色体向哪一极移动是随机的。

末期Ⅰ（Telophase I）：二分体移至两极后，染色体解旋伸展，核仁重新形成，核膜重建，同时进行细胞质分裂形成两个子细胞，每个子细胞各具有几个二分体，即n个复制了的染色体。在大多数生物类型中没有末期Ⅰ，而由后期Ⅰ直接进入第二次减数分裂的前期。

1.3.2 减Ⅱ间期

间期Ⅱ为完成第一次减数分裂后与第二次减数分裂细胞前的短暂间期，没有DNA合成。过程与有丝分裂基本相同，主要是间期Ⅰ复制的姐妹染色单体彼此分离。包括前、中、后、末四个时期。

1.3.3 前Ⅱ期

前期Ⅱ（Prophase II）：每个二分体凝缩，中心体向两极移动，组装纺锤体，核膜消失。

中期Ⅱ（Metaphase II）：二分体通过着丝粒与纺锤丝连结，排列形成赤道板。

后期Ⅱ（Anaphase II）：着丝粒纵裂，姐妹染色单体分离，并移向两极，每一极各含有n个单分体（monad），即n条染色体。

末期Ⅱ（Telophase II）：各染色体移至两极后解旋伸展，核膜重新组装，核仁重现。纺锤体消失，细胞质分裂。

（经过上述两次分裂，首先实现同源染色体的分裂，紧接着是姐妹染色体（二价体）分裂形成染色单体，从而形成单倍体配子（germ）。）

2 曲细精管不同时期辨别

2.1 曲细精管时期简介

首先明确曲细精管不同时期是能够同时容纳4-5个阶段的精子发生时期，其次结合曲细精管管腔（lumen）的大小，最后是结合精子发生的时候，三者或者更多的其它信息能够很好的分辨曲细精管处于的时期，在这里我们将引用不同的研究者的研究成果，对管腔处于的不同时期加以解释。

2.2 精子发育及精子发生

As-Apr-Aal-A1-A2-A3-A4-In-B-Prl-L-Z-P-Dip-Dia-Mei1-Mei2-Ss1…Ss16.

(Ser: Sertoli cell; A: type A spermatogonium; As: A single, Apr: A paired, Aal: A aligned, A1, A2, A3, A4: differentiated A spermatogonia; In: intermediate spermatogonium; B: type B spermatogonium; Prl: preleptotene spermatocyte; L: leptotene spermatocyte; Z: zygotene spermatocyte; EP: early pachytene spermatocyte; P: pachytene spermatocytes; Dip: diplotene; Dia: diakinesis; Mei1–2 first and second meiotic divisions; SS secondary spermatocyte, S1–8 round spermatids; S9–11elongating spermatids, S16 late spermatids. 务必识记这些单词，在后期的标注过程中只涉及到简写。)

精子发生（spermatogenesis）的16个时期：精子发生是从雄性性腺细胞完成两次减数分裂后行的圆形精子（round spermatids）到最终变形后的精子（sperm/ spermatozoa）中存在的16步，主要根据细胞核+细胞质+精子尾部形态三者共同来区分处于16个阶段的什么阶段。

2.3 管腔中不同时期的精子分布标注

图3 将向读者展示，曲细精管中不同细胞类型以及对应的曲细精管时期。当然本图是一个曲细精管的具体时期，这个时期几个乎包含了所有精子发生所有的精子（标尺=10 um）；

（图3 管腔中细胞类型和精子发生及对应的时期）

图 4 将曲细精管中不同生殖细胞类型按照不同时期进行标注，这样能够更好的根据生殖细胞类型去判断曲细精管处于的时期 （标尺=10 um）；

（图4 实物排列不同类型细胞及对应曲细精管发育时期）

图 5 将不同时期的细胞类型，根据细胞其特性进行描述性模拟为示意图，并展示不同曲细精管不同时期中包含的生殖细胞类型。

（图5 曲细精管中不同细胞类型及曲细精管不同时期示意图）

图 6 曲细精管粗略估计不同时期依据，可以根据管腔和长型精子以及圆形精子大概估计曲细精管处于什么时期（下边的示意图仅供参考，具体细节可根据右边的描述加以细分）。

（图 6代表曲细精管不同时期阶段的实例：阶段I到V；VI至VIII；IX；X至XI和XII。）

I到V：这几个阶段拥有精原细胞-粗线期-圆形精子-晚期长型精子，且这些生殖类细胞呈现桥联的方式排布，管腔较大；

VI至VIII：晚期长型精子不在呈现桥联排列，而是开始向管腔中排列（VI）或排列在管腔边缘（Ⅶ-VIII），B型精子以及减I时期的精子出现在管腔基底膜，且提及较大，此时的管腔较小；

X：圆形精子数量较少，开始出现长型精子，且晚期长型精子开始聚集排列，此时的管腔进一步缩小；

X至XI：精子细长，但没有完全凝结，顶端呈钩状，缺乏 RS。晚期精子体积很大，早期精子体积很小，管腔呈现扩张趋势。

XII：存在进行减数分裂的细胞和/或次级精母细胞，为精子发生做准备，此时的管腔进一步扩大，管腔中无精子。

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