睾丸发育过程概述及生殖生物学研究意义

孙武，马世科，孙永刚，韩银仓

(1.青海大学畜牧兽医科学院，西宁 810016；2.青海省高原家畜遗传资源保护与创新利用重点实验室，西宁 810016)

睾丸是雄性哺乳动物的生殖器官，其基本功能是产生精子和分泌雄激素[1]。精子由雄性生殖细胞经历3个阶段形成：(ⅰ)精原细胞的增殖和分化；(ⅱ)精母细胞的减数分裂；(ⅲ)精子形成。首先，具备自我更新能力的精原干细胞通过有丝分裂分化出B型精原细胞。接着，B型精原细胞分裂为初级精母细胞。DNA进行复制后，四倍体的初级精母细胞通过2次减数分裂，相继生成次级精母细胞和精细胞。然后，单倍体的精细胞经过至少4种不同的形态变化形成精子，包括细胞核的浓缩、顶体的形成和鞭毛的形成以及多余细胞质的丢弃等[2，3]。此时就可以受精。因此，精子的质量是妊娠的保障。精子发生不仅涉及到生精细胞，也涉及到睾丸组织中多种体细胞，如支持细胞和间质细胞。支持细胞位于生精小管内，起着支持、保护和营养生殖细胞的功能。间质细胞是睾丸间质组织中的主要细胞类型，能够分泌雄激素(多为睾酮)，从而促进性腺发育和精子发生，维持雄性第二性征。绝大多数哺乳动物，睾丸的大小与繁殖力密切相关，差的繁殖力常常与小睾丸有关。因此，了解睾丸的发育过程以及睾丸大小的生殖生物学意义非常必要。

1 睾丸发育过程概述

睾丸是雄性哺乳动物的生殖器官，其基本功能是产生精子和分泌雄激素[1]。一般来说睾丸发育主要包括初生期、幼龄期、性成熟期(青春期)和成年期几个关键阶段(图1)[4]。在胚胎期之间，绝大数睾丸的发育主要处于细胞水平发育，此阶段睾丸组织生长速度很慢，但是至关重要的睾丸支持细胞繁殖启动了。从图1可以看出，动物的睾丸发育过程支持细胞增殖/睾丸生长主要集中于两个生命阶段，一个是胎儿或新生儿期，另外一个是青春期前期，这对所有哺乳动物都适用。新生儿期和青春期之间有一个静止期，睾丸发育处于动态平衡状态(图1)[5]。啮齿动物是生命周期最短的哺乳动物，例如小鼠15～30 d达到青春期，60～90 d达到成熟期，灵长类动物是生命周期最长的哺乳动物，例如人在10～13周岁达到青春期，18周岁达到成熟期。而处于两者之间的就是一些其他哺乳动物，例如公牛的性成熟周期大约8个月；公猪在4～6月龄达到性成熟，其妊娠期为3个月3周3天；公羊在4～7月龄达到性成熟。尽管这些物种中新生儿期和青春期之间的时间间隔相对于人类缩短了许多，但是其中两个相应的支持细胞增殖峰是很清晰的[6]。研究报道，支持细胞的数量将决定通过精子发生可以支持的生殖细胞的数量，因此，从一定程度上决定了精子生成的程度[7]，而众所周知精子生成的程度显著与雄性动物的可育性紧密相关。此外，不同种类哺乳动物初情期时间也不同，我国地方品种初情期普遍比较早，例如湖羊3月龄即进入初情期，一些引进品种的猪、山羊、绵羊等初情期7月龄，双峰驼为3～4周岁，而人则在10～13 周岁达到青春期[8]。尽管不同动物从出生到青春期时间间隔长短差异很大，但是哺乳动物睾丸发育过程中支持细胞增殖/睾丸生长主要集中在胎儿出生前后和初情期，而在胎儿出生后到初情期之间有一个相对静止期(图1)[5]。

图1 人类，恒河猴和大鼠在初生期，新生儿期和青春期支持细胞增殖时间示意图。图改自Sharpe 等(2003)

一般而言，睾丸发育主要依赖于支持细胞、间质细胞以及各级生殖细胞。支持细胞(Sertoli cell)的作用不言而喻，支持细胞位于生精小管内，起着支持、保护和营养生殖细胞的功能[9]。间质细胞在睾丸发育和精子发生中也发挥着重要生理功能，间质细胞分泌的雄激素一方面通过旁分泌方式进入曲细精管，与支持细胞分泌的雄激素结合蛋白(Androgen receptor binding protein，ABP)结合，形成局部高浓度雄激素，促进各级生精细胞的生长发育和分化，启动和维持精子发生[10]。雄激素还可以随着睾丸液进入附睾管，有利于精子进一步成熟。另一方面，雄激素还可以通过内分泌方式负反馈调节下丘脑、垂体分泌GnRH、LH和FSH，通过间质细胞表面LH受体(LHR)和支持细胞表面FSH受体(FSHR)调节精子发生和睾丸发育。图1虽然展示的是支持细胞增殖时间示意图，但是由于支持细胞决定生殖细胞的数量，甚至决定整个睾丸组织大小，因此上图也间接的反应了睾丸大小随时间增殖变化趋势。间质细胞(leydig cell)也发挥重要作用。间质细胞是睾丸间质组织中的主要细胞类型，能够分泌雄激素(多为睾酮)，从而促进性腺发育和精子发生，维持雄性第二性征[11]。此外，间质细胞除了分泌产生起关键作用的睾酮，还可以产生FSH，它则主要作用于支持细胞(Sertoli cell)，与其特异性受体结合后，使Sertoli细胞产生雄激素结合蛋白(ABP)，后者可与睾酮结合，将其转运至生精小管内以维持管腔内的睾酮浓度，促进各级生精上皮细胞的生长发育[10]。如果没有Sertoli细胞的物质代谢、生殖细胞分化，进而减数分裂和转化为精子的过程也就不会发生[12]。因此从上面描述可以看出，三者关系相互独立又相互协同，他们相辅相成共同维持着睾丸正常发育以及生精过程。因此，睾丸发育、精子发生是一个复杂而精密的生理过程。总之，睾丸的发育是一个通过细胞增殖和细胞分化，连续获得更高水平组织结构的过程。

2 睾丸大小生殖生物学意义

雄性动物繁殖力主要由精液品质决定，研究指出每个支持细胞(Sertoli cell，SC)上精子数目是一定的，睾丸支持细胞数目决定睾丸生精能力[7]。睾丸大小主要由支持细胞决定，因此睾丸大小在一定程度上反映了公畜繁殖能力。目前在牛、羊和猪等家畜中的研究均发现睾丸大小与精液品质密切相关，是遗传改良公畜繁殖力的一个重要指标。因此，了解控制睾丸的发育和大小的生殖生物学过程和遗传机制具有重要的科学意义和生产指导意义。

在绝大多数动物中，一般睾丸的生精功能从青春期开始后，可以持续终生。将睾丸大小作为家畜繁殖力重要指标一直是育种学家探讨的课题。由于阴囊周径(Scrotum circumference，SC)与睾丸重量成线性关系，因此通常用SC来表示睾丸的大小[13]。一般而言，睾丸越大，产生的精子数目也就越多。在模式动物粪蝇上做了一项研究，睾丸较大组的精子竞争能力明显要好于小睾丸组[14]。此外雄性大鼠研究报道，睾丸重量和体积大小与体重显著正相关[15]。睾丸大小在许多家畜方面应用相当广泛，因为在猪、牛和羊的生产上，发现睾丸大小与动物的繁殖性能密切相关。在羊上，Yarney等[16]研究发现萨福克公羊的睾丸周径与日射精量呈现较强的线性关系，并且发现睾丸大的公羊可以与更多的母羊交配。山羊上已经做了附睾精子数量与睾丸大小的相关性研究，发现睾丸大小、阴囊大小与附睾精子数目密切相关[17]。由此可以从公羊群体中基于睾丸大小来进行育种公畜的初步选择。绵羊睾丸的大小与生产性能的提高有较大关系。研究表明公羊SC与被配母羊数量呈正相关[18]。比如，美利奴大公羊的SC达到30～34 cm，可交配母羊数量可以达到75～125只， 相反如果SC为28 cm，可交配母羊数量仅为50只。研究还发现睾丸大小与自然交配体系中绵羊产羔率之间呈正相关[18]，这一发现对产多羔绵羊品种具有重要的意义。在猪上，Huang等[19]通过研究发现150日龄公猪的睾丸可以使精液中精子浓度以及一次性射精中精子数量达到最大化，该研究暗示我们可以通过选择睾丸大小来提高公猪的繁殖力，此外对于猪人工受精提供了很重要的理论参考依据。此外还发现公猪睾丸大小对与配母畜的产仔数以及后代母畜的繁殖力也有显著影响[20]。睾丸大小也属于公牛繁殖力重要预测指标之一，它与公牛的精子产量有直接关系[21]。研究发现父亲的睾丸周长每大1 cm，其后代的睾丸也会相对应的大0.25 cm[22，23]。在牛上，Van Melis等[24]发现睾丸大小影响母牛群体第一情期生产力以及妊娠率，睾丸较大公牛的女儿能更早达到初情期。据估计公牛SC在群体平均基础上每增加1 cm，其女儿的初情期能提前4 d，并具有更大的繁殖潜力和繁殖寿命[24]。在牛上的研究发现SC显著影响年精子产量、精子活力、精子正常率、精液浓度和精子畸形率[13,25,26]。因此从以上数据可以看出，睾丸大小与动物的生产性能、精子的正常率、配母畜数和配母畜产仔数成正相关，与精子畸形率成反比。

3 展望

在早期，人们对优秀种公畜的选育，往往通过一些表型数据的测量，比如睾丸大小(scrotal circumference，SC)、正常精子数比例(percentage of normal sperm，PNS)、不返情率(Non-return rate，NRR)，此外还包括一些繁殖激素浓度[27](根据繁殖激素的浓度早期预测种公羊的种用价值,1994)。但是这些数据一般是到了特定阶段才能获取，一般而言是直到性成熟后才能测量，不能用传统的方法在早期预测。但是往往对家畜的选择要做到早期选种，越早越好。到目前为止，关于睾丸大小的分子机理的研究也很少。随着生物技术的不断发展，尤其是测序的发展带来的契机，人们可以提取从出生到成年家畜血液的基因组DNA，通过测序进而找到阶段特异性分子Mark，通过这些分子辅助标记，育种工作者可以做到有效的早期育种，可以在早期去选育具有较大睾丸潜力的公畜，从而加速高繁殖力公畜的筛选。更重要的是早期选育优良公畜，淘汰繁殖力低下公畜能大大减少公畜的选育时间和花费。