从精原干细胞（spermatogonia type A stem cell）形成高度分化和特异的精子这一极其复杂的细胞分化过程被称为精子发生，这一过程主要可分为精原干细胞的增殖分化、精母细胞的减数分裂和精子形成三个阶段。增殖分化是指精原干细胞通过有丝分裂形成了大量的生精细胞；减数分裂包括染色体配对和遗传重组，并形成单倍体的细胞；精子形成是通过独特的形态学转化的过程，使一个球形细胞变成一个种属特异、形状特异的精子。

胚胎期，原始生殖细胞通过迁移，到达未分化的性腺，这个过程依赖于干细胞因子（SCF）和Kit受体的相互作用。Kit受体是具有酪氨酸激酶活性的细胞表面受体，原始生殖细胞在迁移过程中结合了许多可溶性／膜结合型SCF，而SCF与Kit受体在原始生殖细胞表面的相互作用刺激了原始生殖细胞的增殖和生存。在未分化性腺向睾丸分化时，原始生殖细胞和Sertoli细胞的前体细胞处于睾丸生精小管内。

在新生儿，精子发生上皮是由松散的未成熟的Sertoli细胞和极少量的由原始生殖细胞分化形成的精原细胞组成。在青春期睾丸，处于分裂间期的生精细胞被启动进入周而复始的有丝分裂，这些细胞称之为A型精原细胞，它们在增殖过程中形成了两种精原细胞：一种是与精原干细胞完全相同的细胞；一种是正在分化的精原细胞。鼠类的A型精原细胞分化显示出混合的细胞型，包括A0、A1、A2、A3、和A4型精原细胞，但不清楚在这些种类的A型精原细胞中究竟哪种细胞与原始的精原干细胞相同。目前对于精原干细胞的更新和分化提出了几种模式，其中被广泛接受的模式是：在生精小管的基底小室，A0型精原细胞是一种储备型的细胞，这些细胞分裂缓慢，在睾丸损伤后，这种细胞能加快分裂。A1～A4型精原细胞是更新精原干细胞以维持生育能力，经数次有丝分裂形成同源的姐妹细胞群。其间分裂的次数和产生的细胞群数目视种属而定。如大鼠在42小时内进行了6次分裂，理论上是应产生64个细胞，但由于许多细胞发生凋亡，实际增殖的细胞数较低。大鼠A1型精原细胞的前三次有丝分裂，形成A1～A4型（type A1～4）精原细胞，第四次的分裂形成中间型精原细胞（type intermediate），第五次的分裂及以后形成B型（type B）精原细胞（图4-1）。一旦精原细胞进入中间型和B型，实际上就进入了形成精子的分化之路，这些细胞分裂分化的程序不再可逆，此时的精原细胞不能再回到干细胞。B型精原细胞分裂形成初级精母细胞。在精子发生的有丝分裂增殖的过程中，有丝分裂的精原细胞均位于睾丸的基底小室。

灵长类动物的睾丸包含两种形态不同的未分化A型精原细胞，最初被确定为A1和A2，但现在基于核结构与苏木精染色组织学差异，如精原细胞核的形态，染色质的致密程度及核仁的数量等，一般将A型精原细胞分成A暗型（dark type A）精原细胞（Ad型）和A亮型（pale type A）精原细胞（Ap型）。Ap型精原细胞是更新干细胞，为精子发生不断提供干细胞，是否Ad型精原细胞是Ap型精原细胞的前身以及是否有储备干细胞存在，这些仍需要进一步研究。Weinbaure等人发现在猴和人类精子发生的过程中，处于细胞分裂周期S期的Ap型精原细胞能特异表达一种特有的标志蛋白，称之为增殖细胞核抗原（proliferating cell-nuclear antigen，PCNA），成年灵长类Sertoli细胞和Ad型精原细胞不表达PCNA，表明成年灵长类睾丸Sertoli细胞不发生分裂，Ad型精原细胞是处于静止期的细胞。在未成熟的罗猴睾丸，FSH和hCG刺激Ap型精原细胞增生，同时也增强Ap型精原细胞表达PCNA，提示这些精原细胞具有增殖的活性。此外激素也作用于Ad型精原细胞增殖，但这些细胞极少表达PCNA，支持了Ap型精原细胞起源于Ad型精原细胞的推论。

减数分裂（meiosis）起始于前细线期的初级精母细胞，这一时期的男性生殖细胞进行最后的半保留DNA复制，在这些男性生殖细胞中所有的DNA合成均是DNA修复合成，作为减数分裂的前期，染色体呈细线状，仅性染色体形成致密的异固缩小体。随着细线期（leptotene）和偶线期（zygotene）精母细胞从生精小管的基底小室通过Sertoli细胞的紧密连接进入近腔小室，初级精母细胞的核形态发生明显的变化，在细线期，虽DNA已复制，但染色体看不到两条姐妹染色单体，染色体丝折叠成珠状，形成染色粒（chromomere）。随着染色体的进一步包扎，染色粒越来越大，数目也越来越少，减数分裂进入偶线期。此时同源染色体配对，称为染色体联会。染色体配对是高度特异的，在点与点、染色粒与染色粒之间配对是绝对准确和特异的，配对的同源染色体不互相融合，其间有0.15～0.32μm的间隙，间隙中主要成分是蛋白质，形成联会复合体。联会复合体除帮助稳定同源染色体配对，更重要的是帮助同源染色体小片段之间的交换和重组。联会复合体是减数分裂细胞中一个高度保守的结构，自然界存在生命的万物中，无论是水中真菌还是人类都需要有效的联会，这是父源和母源染色体基因互换和重组的一个特异的结构。在粗线期（pachytene）的精母细胞，随着染色体的进一步包扎，每条染色体出现二条染色单体，每条染色单体均有自己的着丝点。此时在同源染色单体之间能发生某些片段的断裂和交换（crossing over），这一现象能在光镜下看到，称之为交叉（chiasma）现象，也是染色体基因互换和重组的基础。在双线期（diplotene）时，同源染色体之间开始分离，但在交叉的部位仍连在一起。在终变期（diakinesis），核仁消失，交叉数目明显减少，同源染色体只有端部在一起。由终变期进入减数分裂的中期、后期和末期，每一个初级精母细胞分成为两个次级精母细胞。每一个次级精母细胞中容纳单倍体染色体数，每一个染色体由两条染色单体组成，两条染色单体靠着丝点处相连。

第一次减数分裂完成后，经过短暂的间期（有时此期并不存在），染色体不再进行复制即进入第二次减数分裂。在第二次减数分裂时，两条染色体在着丝点处分开，各自移向细胞两端，在较短的时间里，次级精母细胞即分裂成为早期的精子细胞（图4-2）。

在减数分裂前的同源重组中，同源染色体配对，X和Y染色体的配对仅限于这两条性染色体的假常染色体区，形成在粗线期可见的性小体。放射自显影技术显示性小体染色质转录活性很低。性小体的形成可防止X和Y染色体的不配对区形成非同源性组合，也可防止X和Y染色体的不配对区绕过监视同源染色体机制的可能。

减数分裂是一个极其复杂的过程，需要许多新的结构蛋白和酶的参与，它们对染色体的排列、断裂、重组和修复等具有重要的意义。

在精子发生的过程中，最明显的形态学变化是精子细胞的改变。包括：高尔基复合体囊泡融合成一个大的顶体囊泡，覆盖于精子细胞核大部分的表面，形成顶体；中心粒迁移到细胞核的尾侧，远端中心粒分化形成精子尾部的鞭毛中轴；线粒体集中在鞭毛起始部，形成线粒体鞘；多余的胞质形成残余体而弃之，细胞核发生浓缩，如图4-3所示。

在精子细胞形成的早期，胞质内含有大量的高尔基复合体。随着精子形成（spermiogenesis）过程的开始，高尔基复合体产生圆形囊泡，称之为前顶体囊泡，囊泡内含有致密的颗粒，称之前顶体颗粒。随后前顶体囊泡逐渐融合形成了一个大的顶体囊泡。随着精子细胞核的浓缩变长，顶体囊泡成为扁平状，覆盖在细胞核的表面，由顶部向尾部逐渐包绕精子细胞核的大半部，形成顶体。

在精子细胞形态变化中，较为明显的是细胞能量供应器——线粒体的改变。在精子形成刚刚开始的时候，精子细胞中的线粒体形态已完全不同于精原细胞或体细胞的线粒体形态，此时的线粒体嵴贴附在线粒体膜的周围，其间为弥散的和空泡化的基质。当线粒体组成精子尾部线粒体鞘时，线粒体的形态为月牙状。随着线粒体结构的改变，线粒体的蛋白成分也随之改变。在精子形成完成时，精子细胞多余的胞质已被除去，在留下的很少的胞质中不含核糖体，胞质蛋白质的合成停止了，但线粒体蛋白质的合成仍在继续。形态统计显示在精母细胞和精子细胞中线粒体数超过每细胞中1000个，但每个精子中段仅容纳约75个线粒体，表明在精子形成的过程中大量的线粒体被遗弃。

精子发生时，生精细胞的核染色体组成及结构在从有丝分裂的精原细胞向减数分裂的精母细胞及减数分裂后单倍体精子细胞的发育过程中发生了极大的变化，核小体中以组蛋白为基础的结构被排列紧密的鱼精蛋白为基础的结构代替，通过一系列的变化，形成新的染色质重组。在雄鼠干细胞的减数分裂前组蛋白的合成有两个波峰，分别在细线前期和粗线期。鼠睾丸精原细胞表达睾丸特异的H3蛋白，细线前期表达tH2A蛋白和tH2B蛋白，粗线期表达H1t蛋白。到减数分裂后的精子细胞特异表达H2B蛋白。在精子细胞变形的过程中，通过蛋白转化，使鱼精蛋白替代核小体上的组蛋白。在鼠和人类，有两种转换蛋白（TP1和TP2），和两种鱼精蛋白（P1和P2），在组蛋白移去之前，具有对其翻译后的修饰（图4-4）。在精子细胞核拉长期间，睾丸特异表达高活性的家族蛋白，在局部DNA拓扑异构酶Ⅰ的调节下，该DNA结合蛋白将有助于染色质结构的变化。

鱼精蛋白与DNA之间的联系导致染色质形成层层折叠的结构，使精子细胞核高度浓缩，其DNA至少比有丝分裂染色体DNA多6次折叠。在精子细胞的基因组发生浓缩时，其转录活性消失，但仍有蛋白合成，许多精子细胞的mRNA贮存以便用于翻译。

整个精子发生的过程是在Sertoli细胞围成的微环境中进行的，发生中的各级生精细胞嵌入在Sertoli细胞质的深处并与Sertoli细胞膜形成独特的半连接接触（图4-5）。在精子发生过程中，生精细胞在Sertoli细胞作用下，由生精小管的基底小室通过Sertoli细胞之间的紧密连接移向近腔小室。当精子细胞完成变形后，被Sertoli细胞释放到管腔（图4-6），浸泡在睾丸液中，并随睾丸液的流动，通过睾丸的输出小管，储存在附睾中。

整个睾丸组织由四部分组成：V表示血管；I表示含有淋巴管和Leydig细胞等间质；B表示生精小管中基底小室；A表示生精小管中的近腔小室。生精小管界膜由基膜，肌样细胞和间质成纤维细胞等部分构成。肌样细胞间有点状的细胞连接，没有血管、淋巴管和神经穿过界膜，进入生精小管。生精小管中Sertoli细胞间的紧密连接复合体分隔近腔小室和基底小室。在紧密连接两侧胞质中存在内质网池，称表面下池（subsurface cisternae），与粗面内质网相连续；在表面小池和紧密连接之间存在相互平行的微丝束，这是Sertoli细胞连接中的收缩系统，可启开Sertoli细胞的紧密连接，使正在发育的生精细胞从基底小室移向近腔小室。精原细胞位于基底小室；精母细胞、精子细胞和精子位于近腔小室，并与Sertoli细胞间存在密切的联系，形成半连接（hemijunctions）。

每一个精子都是一个大的克隆的成员之一，这个群体是由一个A型精原细胞通过多次的有丝分裂增殖和减数分裂而来的，但在这个群体中，没有完全相同的精子。第一次减数分裂时，初级精母细胞中来自于父方与来自于母方的23对染色体之间按2 ²³随机组合被分到次级精母细胞中，就会形成2 ²³=8 388 608种不同的染色体组成；此外，在每一条染色体上都有许多基因，其中许多基因都相互连锁，由于联会时，同源染色体之间可能发生染色单体的部分片段交换，产生新的连锁关系。减数分裂时非同源染色体之间的随机组合和同源染色体之间的相互交换，确保了每一个精子具有自己独特的遗传信息，这是人类表现出复杂的遗传和变异现象的基础。

生精细胞分化以产生功能成熟的精子，其过程很长，在期间所具有的许多分化的步骤常常由于各种因素干扰而发生改变，造成精子发生过程中的遗传损伤和结构异常。在减数分裂中，尽管具有一系列复杂的保护措施，包括DNA配对、DNA修复等，但时常还会发生易位和非整倍体。统计资料表明在正常人的精子中，1号染色体双体发生率为0.09%，2号为0.08%，4号为0.11%，9号为0.14%，12号为0.16%，15号、16号和18号为0.11%，20号为0.12%，21号为0.29%，性染色体为0.43%。不育症患者精子中，除总的染色体双体数目增多外，性染色体双体的数目显著升高。因此，不育男子中有相当一部分患者是由于生精细胞分裂阻滞在减数分裂期，这些患者几乎绝大多数为染色体异常配对和等位基因分离。在精子形成的过程中，对于正在成熟的生精细胞也是极易产生遗传和结构缺陷的。在精子形成时，DNA的修复能力已降低，此时组蛋白从核小体上被替换下来，能导致单倍体基因组DNA的损伤；此外，由于大量的形态学改变均可能使生精细胞阻滞在精子形成阶段而导致男子不育，如精子的轴丝缺少中部的线粒体合成或尾部的装配异常导致精子运动障碍；与精子核和精子核形成的相关蛋白质突变将导致精子头部畸形。

生精上皮由Sertoli细胞和生精细胞组成，在灵长类和大鼠的生精上皮中，其Sertoli细胞和生精细胞的数量明显不同。大鼠Sertoli细胞占10%～20%，生精细胞占50%～80%；在人类和猴，Sertoli细胞占30%～40%，生精细胞占20%～60%。根据单位体积计数，灵长类睾丸Sertoli细胞比大鼠多2～5倍，人睾丸的Sertoli细胞密度高于大鼠2倍。在不同种属的睾丸中Sertoli细胞与生精细胞的比率不同，使得各种属睾丸Sertoli细胞的工作负担不同，而每一个Sertoli细胞与其发生联系的长形精子细胞的数量不同。大鼠长形精子细胞／Sertoli细胞是10，非人类灵长类是6，人类是4。生精细胞密度较低和Sertoli细胞工作负担较低使灵长类性腺每日生产精子的数量较低，大鼠每日产生精子数为（10～24）×10 ⁶／g睾丸，仓鼠、兔、牛、马、羊和猪均≥12×10 ⁶／g睾丸，非人类灵长类为4～5×10 ⁶／g睾丸和人类为（3～7）×10 ⁶／g睾丸，表明灵长类精子发生的效率较低。

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，完成这些步骤需要几周的时间，称之为精子发生的时程。精子发生的生物学研究需要借助一些特殊的物质，这些物质能够进入到细胞内并能渗入到细胞增殖周期中，细胞分裂后通过对这些物质的观察评估早期的生精细胞。目前最常用的是5-溴脱氧尿苷（BrdU），在细胞增殖周期的S期，BrdU能被参入DNA中，并能非常容易地被免疫组织化学所显示。Weinbauer用BrdU测定了罗猴精子发生周期的时程，在成年罗猴的静脉注射（33mg／kg体重）BrdU，注射后3小时、10小时和11小时分别取睾丸组织，组织块经Bouin固定，按常规方法制片，用抗BrdU单克隆抗体-胶体金的免疫胶体金-银染方法，及套用PAS和苏木精染色，能同时测定精子发生的过程及BrdU定位。在注射BrdU3小时，BrdU出现在精原细胞和细线期、偶线期的精母细胞；在注射BrdU 10小时，粗线期精母细胞含有BrdU，提示前面标记BrdU的细胞已开始减数分裂。通过渐进的BrdU标记的生殖细胞分裂，能测定精子发生周期的时程。包括人类在内的各种动物，从进入第一次减数分裂到精子释放称之为精子发生的时程，各种属间精子发生的时程是不同的（表4-1）。

从表4-1可见，种属的不同，其精子发生的时程不同，但在同一个种属内，整个精子发生过程中的细胞发育速率是恒定的。同一种属的所有A型精原细胞用同样的时间完成发生的过程。激素或各种外界的有害物能够影响到精子是否发生，但不能改变精子发生的速率。

在一个A型精原细胞有丝分裂增殖时，产生新的A型精原细胞作为干细胞而保留，这些新的干细胞在几天的静息周期后又将进入新一轮有丝分裂的增殖过程，并又保留下一些新的干细胞。在相同的种属，所有A型精原细胞的静息周期的时间是恒定的，每个种属具有其自身特异的静息周期时间。

大鼠相邻两批A型精原细胞进入精子发生周期的间隔时程为12天，即大鼠A型精原细胞静息周期为12天，占整个精子发生时程的1／4，因此在同一时间必然出现4批精原细胞各自在4个不同的精子发生的时程中。最早被启动分裂的细胞其位置不断被随后分裂的细胞所取代，向管腔迁移。随着一批A型精原细胞开始分裂，前面三批细胞在朝向精子发生的过程中处于三个不同周期，因此在大鼠，每一个A型精原细胞从启动分裂到精子形成共有四个周期，每一个周期表示一种细胞类型，称之为精子发生周期（spermatogenic cycle）。各种属间精子发生周期数不同（表4-1）。

如果在青春期所有的A型精原细胞都准确地在同一时间开始有丝分裂和产生精子，而增殖的干细胞经过一定的静息周期后再进入精子发生，这势必造成脉冲式释放精子，导致男子不育。实际上青春期A型精原细胞是随机启动进入有丝分裂的，尽管不同的细胞其发育的速率和周期均是恒定的，但其进入精子发生的时间被错开，使精子释放连续进行。

相邻的两批A型精原细胞进入精子发生的间隔是恒定的，并且精子发生过程中，细胞增殖发育的速率也是恒定的，因此在同一周期中，所有的细胞发育均是平行的，无论在任何生精小管的横切面，细胞的排列都具有其特征。在大鼠，精子发生的周期间隔为12天，当一个新的A型精原细胞经过12天6次的有丝分裂进入减数分裂时，上一批细胞又经过了12天完成了减数分裂，成为早期的精子细胞。由于精子细胞变形成为精子的过程需要12天，因此进入有丝分裂的细胞不仅与进入减数分裂的细胞同处，而且也与开始变形的精子细胞同处。在这12天的时程中，处在四个周期中的所有细胞组成明确的和容易辨认的14个特殊的细胞组合称之为期（stage）。这种特殊细胞组合随时都在变化，在12天中连续出现14个阶段，然后便出现一次重复。

与啮齿类动物不同，人类的生精细胞排列很不规则。在人类的生精小管横断面上，可以辨别出界限清楚的6个期（图4-7），但并不是每个期都占满生精小管的整个横断面，可识别的细胞组合只占据生精小管上皮较小的楔形区域。这一现象并不意味着人类的精子发生周期和细胞发育的速率调控机制不同于其他种属，这似乎显示人类精子发生过程中，单个细胞群并列的空间较小。

沿生精小管的纵轴，精子发生的时相呈现出有序的周期性排布，相邻阶段的生精时相在空间上也彼此相邻分布（图4-8），在整个生精小管的纵轴上形成精子发生波（spermatogenic wave）。这种现象使得精子的排放发生在不同时期，从而在整个生精小管中呈现出连续的精子发生过程。

早先的观点认为在精子形成后，精子的染色体组被压缩成如同晶体般紧缩的结构并失去其活性，只有在受精解螺旋后才具有活性。随着关于精子DNA结构和功能的发现，提示精子染色体结构是非常复杂的，它的有些属性与体细胞DNA结构相似，而有些则是生精细胞所特有的。

Ward通过自己和其他人的研究对精子形成中染色体结构的变化建立了精子染色体结构模式。在这个模式中，从长链状裸露的DNA到逐渐组装成染色体，其过程共分成四个阶段：①裸露的双链DNA附着于精子细胞核中的特殊结构——核环，称之为染色体锚定；②锚定的染色体通过特殊的片段——基质连接区（MAR）与核基质中的蛋白质每隔30～50kb相连接，使染色体链形成一系列环状结构；③DNA环结合鱼精蛋白而浓缩成紧密的结构；④浓缩的染色体进行空间排列。

根据这个模拟的精子染色质组装模式，染色体锚定是代表着一种新型DNA结构，这种结构只存在于生精细胞中。如果将精子核经去垢剂NP-40洗涤，再经盐溶液萃取除去鱼精蛋白，DNA螺旋完全解除，核结构也同时被破坏，此时的DNA仍被锚定在精子核尾部的核环上。精子的染色质如同扫帚，精子尾像扫帚的柄。由于精子核中鱼精蛋白已被除去，染色体的锚定结构仍然存在表明鱼精蛋白的结合与染色体锚定的核环无关。核环是DNA在解螺旋时的附着点，核环的形状像一个弯曲的环，约2mm长。尽管现在仍不知道在生精过程中的哪一个阶段形成核环，但是它只是存在于精子核中，在体细胞没有发现任何证据以表明其核中存在核环样的结构。

Ward已在仓鼠精子的植入窝中分离得到核环，并从仓鼠的DNA中分离得到四个与核环有重要联系的DNA克隆片段，称之为NA-DNA。由于这些片段序列都是特异的，表明核环是通过与特殊的DNA片段来锚定染色体的。已有证明显示核环也存在于人、小鼠和非洲蟾蜍精子核中。每一条染色体只有一个在核基部的位点与核环结合，每一条染色体上NA-DNA位点均集中在一个结构区域。核环可能也影响精子核的形状，长的染色体可能伸长形成细长鱼钩状的核，核中高度浓缩的DNA位于核的尾部，浓缩程度不高的DNA则位于核的钩状部位。电镜观察发现靠近植入窝的染色质是精子发生过程中首先进行浓缩的部位之一，为上述的假设提供了有力的依据。

精子DNA组装过程中，锚定的染色体组成为DNA环区。在DNA链中，每隔30～50kb均含有基质连接区（MAR），该区域与核基质中的蛋白质连接，使染色体链成为一系列环状结构，称之为“核圈”。核圈上每一个环区组成了体内呈浓缩状态的染色质结构单位。在染色体的锚定过程中，DNA环区的形成与鱼精蛋白结合是两个独立的过程，DNA组成的环区是唯一的既可以在体细胞又可以在精子细胞中发现的结构。体细胞DNA卷曲成核小体，接着又进一步卷曲成30nm螺线管纤维状的结构，最后形成环区。精子的染色体结构与体细胞完全不同。尽管在精子核中仍含有少量的组蛋白，它仍可能组织成核小体，但大多数DNA与鱼精蛋白结合。由于鱼精蛋白结合所引起的不同卷曲，DNA折叠形成密集的超环面（toroids）的结构，但是最终还是形成环区。在体细胞中DNA环区在DNA的复制和转录中起着重要的作用，但成熟精子核已不再进行DNA的复制和转录，所以精子DNA环区的作用不清楚。Ward认为其环区的作用有两种可能性：①是生精细胞在发生过程中转录和复制后的一种残留结构；②可能参与调节早期胚胎发育中的转录和复制。在精子发生的过程中，生精细胞核中的组蛋白逐渐被鱼精蛋白取代。由于组蛋白结合DNA所形成的体积大，因此取代的结果将导致生精过程中细胞核逐渐浓缩。DNA环绕在组蛋白构成的八聚体周围，形成核小体，而鱼精蛋白在DNA的螺旋沟中结合DNA，完全中和DNA，使DNA相邻的两条链通过范德华力结合在一起（图4-9）。在人精子和小鼠精子核中的所有染色体着丝点均聚集在核中心，而端粒则位于核外周。

人类精子核与其他物种相比，含有相对少的鱼精蛋白（约85%）。人精子染色质浓缩不完整，经常包含DNA链断裂。为了实现一种独特的凝聚态，精子DNA必须以一种特定的方式组成，基本上与体细胞不同。哺乳动物的精子染色质的基本单位是一个环形结构的含有50～60kb的DNA，称之为核环，核环即是高度浓缩的鱼精蛋白固定在核基质；环是由二硫键交联，通过巯基的半胱氨酸氧化形成鱼精蛋白。人类精子染色质是经常变化的。这种变异主要是由于其基本的蛋白质成分，首先是因为15%组蛋白的保留，其次是人类和小鼠的精子中含有二型鱼精蛋白，这是缺乏半胱氨酸残基的鱼精蛋白。因此，二硫键交联负责形成更稳定的染色体。

组蛋白被鱼精蛋白替换是精子发生的必经过程。影响精子中组蛋白替换的主要因素有：组蛋白乙酰化修饰、组蛋白变体的影响、转换蛋白TP1和TP2的作用、鱼精蛋白P1和P2的比值等。

大多数组蛋白及组蛋白变体在组蛋白被替换成鱼精蛋白的过程中被移至核小体外。一些组蛋白变体只在睾丸中检测到而不存在于体细胞中。这可以归因于组蛋白变体有三个本质特征：①典型的组蛋白只在细胞周期的S期合成并依赖复制的形式进入核小体，而组蛋白变体在整个细胞周期中都表达。这些特性对生殖细胞尤为重要，因为生殖系发生定向分化，即精原干细胞分化成精子。②组蛋白变体往往由疏水性或亲水性氨基酸组成的，这可能与“开放”或“抑制”的染色质状态有关，通过维持或破坏单核小体的稳定性实现。③组蛋白变体包括特殊的翻译后修饰（PTM）标志（组蛋白密码），可以作为对接位点的效应蛋白连接下游信号通路。总的来说，一些组蛋白变体从早期精母细胞减数分裂形成长形精子细胞的过程中始终存在，而有些只存在于单倍体精子细胞中组蛋白被鱼精蛋白取代之前的瞬间。这表明，这些变体可能在精细胞发展的后期协助修饰了父系的基因组。

有数据表明在小鼠睾丸精子细胞中，CHD5在组蛋白被鱼精蛋白替代的过程中有不可或缺的作用。在睾丸中，CHD5在核中被特异检测到，类似于H3K27me3的染色体分布模式，其在异染色体中丰富存在，同时在单倍体的圆形精子和长形精子中也存在。 CHD5基因敲除的纯合小鼠在外表上是正常的，但雄性的纯合小鼠的精子产量和活力显著降低，存在高比例的头部形态异常的精子。组织学检查发现长形精子的细胞数量减少。值得关注的是，长形精子细胞的核小体组蛋白异常潴留，转换蛋白水平增高。

转换蛋白1和2（TP1&2）是基本的染色体蛋白，在鱼精蛋白沉积于哺乳动物生殖系之前，存在于一个特定的时间窗（冷凝精子）。类似于转换蛋白，鱼精蛋白也是主要蛋白，富含赖氨酸和半胱氨酸残基。大多数哺乳动物有一个鱼精蛋白基因。然而，在人类和小鼠中有两个基因，鱼精蛋白1（ Prm1）和鱼精蛋白2（ Prm2）聚集在同一染色体上。有趣的是，不同于转换蛋白基因，鱼精蛋白1或鱼精蛋白2中一个等位基因的功能缺失导致雄性小鼠不育，这种现象名为“单倍剂量不足”。

生殖细胞中大部分的组蛋白，小鼠是99%和人是90%，将首先由转换蛋白取代，最后在单倍体精子细胞发育的后期阶段由鱼精蛋白取代。鱼精蛋白的DNA结构，称为核精蛋白，超螺旋成环形线状精子，导致精子头部高度压缩。鱼精蛋白的染色质结构内的浓缩程度是核小体染色质结构6～20倍以上，这是父系生育中是必不可少的。超螺旋染色质使精子分散在细胞质中各处，赋予了精子快速泳动的能力，从而使它们能够高效地穿过女性生殖管道，到达输卵管与卵子结合；染色质的高度浓缩能有效地保护DNA物质免受物理应激和损伤；最新的研究表明，在早期胚胎发育过程中发现鱼精蛋白的翻译后修饰构成了独特的“鱼精蛋白编码”在细胞重编程中起关键作用。因此，组蛋白被鱼精蛋白替换过程中出现任何缺陷不仅会导致男性不育，还可能引起下一代发育异常。

真核细胞一个基因的表达在许多不同水平被调节，细胞核染色质结构的改变和DNA甲基化对基因转录的时空具有调控作用。包括睾丸在内许多组织虽然转录的时间经常是由基本的基因表达调控子调控，但在雄性生殖细胞许多蛋白质合成的实际时间常依赖于转录后的mRNA加工活动。转录后调节（post-transcriptional regulation）对于促使精子发生的完成极其重要，因为与其他任何一种真核细胞相反，在雄性生殖细胞的核转录停止在精子形成的中期，在雄性生殖细胞成熟的晚期，合成的大量精子细胞蛋白质和精子蛋白质需要mRNA保存其翻译的活性，精子的许多结构蛋白质和同工蛋白质分子均是在这种转录后调控的作用下产生的。

在真核细胞mRNA被转录后，经过了许多重要的修饰过程。这些包括移去内含子，在尾部连接多聚腺苷酸（poly A）并在翻译之前转运到特定的胞质部位。虽然很少知道调控剪接、转运和稳定减数分裂后雄性生殖细胞mRNA的机制，但已初步揭示了哺乳类精子形成中调控多聚腺苷酸、翻译和mRNA定位的机制。

近年来研究发现，小RNA（small RNA）可作为转录后及翻译水平上基因表达调节的重要调节因子，利用小RNA来阐明调节精子发生的分子机制取得了显著进展。这些小RNA主要分为3类，即小干扰RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）以及与piwi蛋白相互作用的RNA（piRNA）。在减数分裂和精子发生过程中，小RNA具有多种生物学功能，如利用siRNA体外转染或体内注射来沉默特定基因从而研究该基因在精子发生过程中的作用；miRNA可能参与精子发生中有丝、减数及后减数分裂阶段的基因表达调节；piRNA主要参与调节雄性生殖细胞减数及后减数分裂的过程；在精子发生中起抑制反转录转座子（retrotransposons）的作用。

多聚腺苷酸尾在维持mRNA的稳定性和翻译过程中至关重要。然而，最近的研究已经挑战了这一观点，发现多聚腺苷酸尾的长度和翻译效率在非胚胎细胞中是减弱的。利用多聚腺苷酸尾序列和核糖体图谱，科学家研究了多聚腺苷酸尾在体细胞周期中的动力学和翻译调控，发现在体细胞周期中的调控基因如 CDK1， TOP2A和 fbxo5的多聚腺苷酸尾的长度有剧烈变化，在M期解释了它们的翻译抑制。同时发现，多聚腺苷酸尾被耦合到翻译过程中时，多聚腺苷酸尾的长度小于20个核苷酸。然而，由于大多数基因都有大于20核苷酸长度的多聚腺苷酸尾，它们的翻译主要是通过在细胞周期中的多聚腺苷酸尾长度独立的机制调控。具体地说，我们发现，帽状终端（terminal oligopyrimidine tract，TOP）包含某个转录本，避开了M期全部的翻译抑制并且其有活跃的翻译过程（图4-10）。

由多聚腺苷酸尾的翻译调控最深入的研究是在细胞的减数分裂过程中。在卵子发生的早期阶段，母系的基因以失活的形式存在，以便让他们在翻译过程中沉默。经刺激后，细胞周期进程所需的总RNA被激活进行高效的翻译。激活和失活的调节是及时让细胞减数分裂周期有序进行的一系列过程。类似的多聚腺苷酸介导的翻译调控也被描述在早期的有丝分裂的体细胞周期。相比于早期胚胎细胞中的翻译调控是以多聚腺苷酸尾的长度控制，在体细胞周期可能存在几种不同的机制平行调控翻译过程。

在许多种属卵细胞中mRNA的多聚腺苷酸常与储存的mRNA的活性相关。在睾丸，同样多聚腺苷酸尾出现在许多编码蛋白的mRNA，如乳酸脱氢酶C和细胞色素Cs基因，这些基因在减数分裂期时表达，表达的mRNA储存一直到生精细胞减数分裂后才翻译。在精子形成中许多mRNA的时序调节和翻译调节均根据翻译的活性缩短多聚腺苷酸的长度。多聚腺苷酸缩短的功能在mRNA代谢中已逐步明朗，其出现是减数分裂后mRNA的特性。一些基因的3’非编码区缩短对精子的成熟有重要作用，而睾丸特异基因3’非编码区缩短显然比其他基因更加明显，暗示了多聚腺苷酸环化与精子形成的相互作用。有趣的是，带有缩短3’UTRs的基因在精母细胞具有较高水平的RNA聚合酶II和H3K4me3。另外，3’UTRs缩短能够在精子形成的过程中保护基因避免TE／piRNA／Miwi-based mRNA的降解。

多聚腺苷酸尾的长度发生改变，其可能性是不同的蛋白质结合在mRNA的3′非翻译区，在这些蛋白质中，一个广泛被表达的蛋白质是多聚腺苷酸结合蛋白（poly A binding protein，PABP），长度大约70kDa，对mRNA的转录翻译及稳定有关键作用。PABP是由两部分组成：高度保守的N端含有4个RNA结合区域（RRMS），负责聚A尾和eIF4G的结合以及更多的可变C端。

比较酵母、人类、小鼠、非洲爪蟾和果蝇编码PABP的cDNA序列，在高保守蛋白中含有靠近其氨基末端四个RNA结合区域，该区域能与25个聚A组结合。这个蛋白-RNA相互作用是稳定mRNA，通过调节多聚腺苷酸尾和60S核糖体亚单位的相互作用以增强其翻译，并作用于多聚腺苷酸特异核酸酶，促使多聚腺苷酸缩短。

PABP mRNA水平在精子发生的过程中发生明显改变，在减数分裂前期生精细胞中，PABP mRNA低水平表达，而高水平的PABP mRNA出现在减数分裂的细胞和早期减数分裂后细胞。虽然PABP mRNA在圆形精子细胞的水平最高，长形的精子细胞PABP mRNA水平却很低。在蛋白质水平，PABP广泛分布在哺乳类动物睾丸中，圆形精子细胞中水平最高。大鼠中PABP一直到精子细胞的XIV-XV期均维持较高水平表达，提示PABP是一个稳定的蛋白质，因为在这些细胞中含很少的PABP mRNA。

miRNA在雄性生殖细胞发育过程中发挥重要作用，表达谱研究证实哺乳动物睾丸中有多种miRNA，其基本功能是抑制细胞中mRNA的翻译或降解mRNA。越来越多的证据表明，miRNA是不同类型的细胞和组织的基因表达调控的重要方式，大约有一半miRNA位于基因的内含子，转录受到所在基因的调节。有一类miRNA称为epi-miRNA，可以调节表观遗传修饰相关基因的表达，能直接或间接调控DNA甲基转移酶和组蛋白甲基化与乙酰化调控酶，而由epi-miRNA调控的表观遗传修饰也可以影响miRNA的表达。研究表明，miRNA有可能参与精子发生中有丝、减数及后减数分裂阶段的基因表达调节。

Dicer是miRNA发生的关键调控酶，无论是在生殖细胞还是支持细胞中，敲除Dicer都会导致小鼠雄性不育，精子发生障碍。一些基因，如Gdnf、Kitl、Man2a2和Serpina5等，是精子发生的关键调控基因，在Dcr缺失的新生睾丸支持细胞中明显下调。

piRNA与Piwi亚家族蛋白结合形成piRNA复合物（piRC），piRC通过对基因转录后的调节抑制与精子发生异常的相关基因表达，实现对精子发生的调控。piwi亚家族蛋白MIWI、MIWI2、MILI等是无脊椎动物干细胞自我更新及雄性生殖细胞发育所必需。哺乳动物MIWI、MIWI2、MILI蛋白表达于生殖细胞中、后期，而且为小鼠精子发生所必需。MIWI蛋白存在于精母细胞胞质、圆形精子细胞拟染色质小体（chromatoid body）和胞质中，在翻译和维持mRNA的稳定性方面起作用。

在敲除MILI小鼠中，精子发生停留在粗线期精母细胞阶段；在MIWI缺失小鼠中，精子发生停留在圆形精子阶段，不能形成长形精子；MIWI2缺失的小鼠则表现为减数分裂1期早期缺陷以及随年龄增长的生殖细胞进展性缺失。这些研究都表明了MIWI在精子形成过程中的重要作用，由于piRNA主要表达与粗线期精母细胞和圆形精子，因此piRNA主要是参与调节雄性生殖细胞减数及后减数分裂的过程，在精子发生中起抑制反录转座子（retrotransposons）的作用。近来研究认为：Nct1及Nct2是piRNA前体，主要表达于粗线期精母细胞，表明piRNA在精子发生减数分裂阶段的调节中起作用。然而，Nct1／2-缺失的小鼠表现为第2号染色体中一小部分piRNA基因簇的减少（如反义LINE1-相关重复序列piRNA），并不影响小鼠精子发生或生育，说明这些在第2号染色体的piRNA对维持转座子沉默是必需的。

促性腺激素释放激素（gonadotropin releasing hormone，GnRH）是动物生殖过程中最重要的激素之一，最早于1971年由诺贝尔奖得主AndrewV.Schally发现，随着研究的深入，其在生殖调控中的重要作用日益明晰。

哺乳类（猪和羊的下丘脑以及人的胎盘）GnRH（mammalian GnRH，mGnRH）具有相同的化学结构，是由9种不同氨基酸残基组成的十肽（PGlu-His-Try-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH ₂，其中PGlu为末端带一个磷酸基的谷氨酸），它的10个氨基酸形成U形排列，而禽类、两栖类及鱼类的GnRH则具有不同的结构。

在这10个氨基酸中第1～3位是与效应细胞上的受体结合点，通过细胞膜的Ca ²⁺通道进入细胞。第8位氨基酸（精氨酸）是GnRH调控促性腺激素合成后释放的关键，第6位甘氨酸与第5及第7位氨基酸的连接易被内肽酶所破坏，第9与第10位氨基酸的连接又易被羧基酰胺肽酶所断，故GnRH在血液循环中留存的半衰期甚短，仅约5～6分钟。

GnRH前体激素（prepro-GnRH）的组成包括10个氨基酸的GnRH、23个氨基酸组成的信号序列、用于分子处理的三个氨基酸序列：甘-赖-精序列以及一个由56氨基酸组成的GnRH相关肽（GnRH-associated peptide，GAP）。GAP的主要功能是抑制泌乳素的释放。在所研究的动物中，免疫细胞化学方法可发现GnRH前体分子、GAP、GnRH定位于视前区内侧和下丘脑前区的周围的大部分神经元中。在灵长类动物的弓状核中可以发现有GnRH神经元存在，但是在噬齿类动物中则不存在这种现象。GnRH前体激素由神经内分泌细胞释放后，先以大颗粒沿轴突转移，转移过程中裂解成信息蛋白、GnRH和GAP。

GnRH的生理功能：GnRH对生殖过程的神经内分泌调控起着中心作用，是性行为的重要介导者。GnRH在哺乳动物中含量极低，且不同组织中的GnRH具有不同的生物学功能。下丘脑中GnRH可调控促性腺激素的释放；胎盘中的GnRH可调控人绒毛膜促性腺激素（human chorionic gonadotropin，hCG）的分泌；肿瘤中的GnRH可抑制癌细胞的增殖；消化系统中GnRH的功能目前尚不明确。一般认为，GnRH通过旁分泌／自分泌机制，局部调节血浆促性腺激素以及性类固醇激素的水平，从而改变动物的性行为。因此，GnRH可在垂体、性腺等多个水平上影响生殖活动过程。无论是GnRH的合成、储存、释放或是在作用过程出现异常，都会部分或完全地影响性腺的功能。

GnRH并不是从下丘脑中连续释放的，而是以脉冲形式分泌，大约每小时有一个脉冲。垂体促性腺细胞也呈脉冲式分泌LH与FSH，GnRH的脉冲式释放可调节LH／FSH的比值。门静脉血管中GnRH的脉冲峰与周围血浆中LH的峰同步性出现。在破坏了下丘脑的基底正中部后，可以发现促性腺激素水平明显下降，然后在静脉内脉冲式注射GnRH，可以使GnRH恢复至原来的浓度。只有脉冲式注射GnRH才能使FSH和LH的分泌恢复正常。GnRH以脉冲模式分泌是促性腺激素分泌的必要条件，性腺激素分泌水平不足会导致不孕不育。

GnRH以一系列脉冲的方式被释放入门脉血管中，与促性腺激素细胞膜表面的特异受体结合，启动了第二信使系统肌醇三磷酸而出现三种反应：首先在数分钟内储存的FSH和LH先释放，持续约30～60分钟。随着第二次GnRH峰的到来，分泌反应要强于第一次反应（释放储存），这称之为GnRH的自预激（self-priming）作用。使用电镜免疫细胞化学技术，可以发现引发促性腺激素细胞的第一次GnRH脉冲引起分泌颗粒向质膜下边缘区移动，颗粒的体积也变小，可能是颗粒成分发生成熟变化，但有少部分消失了。GnRH的持续作用可以引起LH的释放和小的分泌颗粒的显著减少。其次，经过数小时或数天后，促性腺激素细胞又开始合成分泌颗粒。第三，又经过几天后，GnRH又与促性腺激素细胞继续结合以维持它的分泌状态。

GnRH在神经内分泌控制生殖功能中发挥重要和中心作用。GnRH受体位于合成促性腺激素LH和FSH的垂体细胞的质膜上。该受体属于G蛋白耦联受体的超家族，优先与G（q／11）蛋白耦联；其通过GnRH类似物的激活刺激LH和FSH的合成和释放。

GnRH与受体（R）结合后，一些GnRH-R复合物保留在质膜上，而其他的则经过包被小窝（coated pits）进入脂质结构中，发生降解或经过其他多肽的处理后进入胞质中。如果GnRH继续作用或注射长效GnRH类似物使受体被持续占领，最终将引起垂体中LH和FSH的含量和分泌减少即促性腺细胞的脱敏现象。这表明受体的持续被占领使得它不能完成随后发生的涉及信号传递的生化反应。这也是在临床上早期连续性注射GnRH或企图加强其生物性效应而改用GnRH激动剂后，反而引起GTH明显减少，甚至抑制精子发生，从而发现了一种新的男子避孕途径的生化基础和一系列临床应用长效GnRH类似物治疗青春期早熟、晚期前列腺癌等疾病的新途径。GnRH脉冲的幅度或频率的改变，导致促性腺激素细胞对GnRH的脱敏或使LH／FSH的比值明显升高，将分别引起男女一些生殖内分泌病。GnRH-R参与决定腺垂体的性腺功能的遗传变化，GnRH-R的氨基酸取代导致对GnRH的应答性降低。改变激素与受体相互作用的病理生理学决定了性腺功能减退的表型和治疗在个体患者中的效果。新GnRH激动剂和拮抗剂通过变体GnRH-R的体外诱变研究和分子受体模拟来帮助治疗GnRH-R功能紊乱患者，调节促性腺激素分泌不足性腺功能减退。

Kisspeptin／gpr-54是下丘脑-垂体-性腺轴（HPG轴）的关键调节分子，Kisspeptin是KiSS-1基因编码的肽产物，为恶性黑色素瘤细胞的一种转移抑制蛋白。大鼠Kisspeptin是G蛋白耦联受体gpr-54的配体。Kisspeptin和gpr-54首先被描述为与癌症转移有关，后来发现它们通过调节促性腺激素释放激素（GnRH）分泌在下丘脑-垂体-性腺轴的控制中发挥关键作用。

在人静脉注射100mg GnRH可使垂体分泌黄体生成素（LH）和卵泡刺激素（FSH）明显增多，GnRH抗血清则可减弱或消除GnRH的作用。下丘脑的GnRH通过垂体可刺激睾酮生成与精子生成，治疗不育症；但是，对性腺的直接作用则是抑制作用，特别是药理剂量的GnRH的抑制作用更为强烈，在男子表现睾酮生成下降，精子生成障碍等。近来，大剂量的GnRH及其类似物已被用为抗生育药物之一。通过垂体所致的刺激作用依赖cAMP作为第二信使；直接作用于性腺时依赖磷脂酰肌醇系统所产生的Ca ²⁺作为第二信使。另外近年来的研究表明GnRH具有抗抑郁药物类似作用，能影响学习和记忆的功能。

垂体腺苷酸环化酶激活肽（pituitary adenylatecy clase activating poly-peptide，PACAP）是下丘脑大细胞性神经系统（如视上核和室旁核）分泌的一种神经多肽。PACAP是一种能够激活垂体细胞的腺苷酸环化酶。人的PACAP基因为单拷贝基因，位于18号染色体短臂（18p11）。PACAP的mRNA存在于下丘脑，并在下丘脑合成PACAP，然后通过垂体门脉系统到达垂体，刺激垂体细胞增强腺苷酸环化酶的活性，释放生长激素（GH）、催乳素（PRL）、促肾上腺皮质激素（ACTH）和LH。PACAP的受体具有两种类型，Ⅰ型受体为PACAP特异受体，分子量为57kDa，主要分布于中枢神经系统，如下丘脑和垂体，此外，睾丸、附睾和肾上腺等部位也具有Ⅰ型受体；Ⅱ型受体为PACAP和血管活性肠肽（VIP）共同受体，分子量在46～53kDa，主要分布于肺、肝等外周组织。

PACAP通过其在下丘脑-垂体-睾丸轴中广泛分布的Ⅰ型受体激活腺苷酸环化酶的活性，具有促垂体激素的作用。在成年大鼠睾丸的12天生精周期中，旁分泌信号激素调节PACAP以循环方式的表达。PACAP在生殖细胞发育中的精确功能是不确定的，但循环和阶段特异性表达可增加生殖细胞和相关的支持细胞中cAMP调节的基因表达。此外，下丘脑还能通过PACAP直接调节睾丸的功能。睾丸的PACAP含量丰富，而且其受体广泛分布于睾丸Sertoli细胞和生精细胞，提示PACAP在精子生成和分化等过程中具有重要的调节作用。

生长素释放肽（ghrelin）是一种酰化的28氨基酸胃肽，作为生长激素（GH）促分泌素受体的内源性配体从胃中分离出来。循环生长素释放肽主要由胃中的特定细胞产生。生长素释放肽有效地刺激GH释放和食物摄取，并且表现出不同的作用，包括对葡萄糖代谢和对胃肠道的分泌和运动的作用。除了这些对食物摄取和能量稳态的影响之外，生长素释放肽也参与控制生殖功能，调节下丘脑-垂体-性腺轴的功能。

生长素释放肽抑制大鼠体内干细胞因子（SCF）mRNA转录并导致在体外培养过程中生精小管内SCF显著减少。值得注意的是，SCF是Sertoli细胞旁分泌产生的，以阶段特异性方式，在成年大鼠的生精上皮中作为精原细胞和精母细胞的生存因子。此外，睾丸SCF已被证明有利于Leydig细胞发育和存活。因此，生长素释放肽对于管腔SCF mRNA表达的作用可能具有的影响不仅是对精子发生的控制，而且影响Leydig细胞增殖。

调节睾丸功能的神经内分泌系统与调节卵巢功能的既有基本共性，又有截然不同的特点，对男女性腺的生长与发育和维持其正常功能所必需。LH受体位于睾丸的Leydig细胞和卵巢的膜、颗粒、黄体及间质细胞中。FSH受体位于卵巢的颗粒细胞和睾丸的Sertoli细胞中。PRL受体在人体内分布很广泛。表4-2为男子体内LH、FSH和泌乳素的特性。男女性腺功能主要区别是男子配子的产生和类固醇激素的分泌在青春期后是持续进行的，而女性则是周期性的。这表明睾丸激素对促性腺激素的释放没有正反馈的作用，因而也没有峰式的激素形式和配子的周期性产生。

垂体细胞受GnRH刺激时，LH分泌量的变化幅度比FSH的大。有研究表明，GnRH主动免疫引起动物血浆中LH水平急剧降低，而FSH只有轻度降低，从而进一步证实了上述差异的存在，即在GnRH刺激下，垂体细胞LH分泌相应地出现明显脉冲，而FSH分泌则缓慢而持久。造成这种差异的原因可能有以下两方面：一是下丘脑GnRH神经元受到神经中枢其他部位传入的信息的影响及性腺激素反馈作用，以不同的脉冲频率释放GnRH后作用于垂体，引起垂体细胞分泌反应的改变。因为一些研究发现，GnRH以较高脉冲频率（3次／小时）释放且作用时间较短时，主要促进LH分泌，而以较低频率（1次／小时）且持续释放时，则主要引起FSH分泌。所以，在GnRH刺激下，垂体细胞LH分泌相应地出现明显的脉冲，而FSH分泌则缓慢而持久。二是性腺分泌的抑制素（inhibin）对垂体FSH特异性的抑制作用，可能是引起FSH对GnRH的促分泌反应不如LH明显的一个因素。除了调节促性腺激素的分泌以外，GnRH对促性腺激素亚单位的mRNA表达也有调节作用。

垂体水平调节睾丸功能主要是通过分泌FSH和LH来进行（图4-11）。LH作用于睾丸间质细胞，调控睾酮合成与分泌；FSH主要通过支持细胞与睾酮协同调控精子发生。通过其在睾丸内的特异受体将激素信息传递到细胞内，促进细胞的活动，潜在调节睾丸的生精作用。LH结合在睾丸间质细胞，刺激产生睾酮、类固醇激素，扩散到生精小管。在生精小管只有支持细胞具有睾丸激素受体和FSH受体。

LH和FSH的受体属于具有7个跨膜域的G蛋白耦联超级家族成员，优先与Gq／11蛋白耦联；其通过GnRH类似物的激活刺激LH和FSH的合成和释放。这些蛋白质具有与LH和FSH特异结合的能力而引起化学应答。细胞膜上激素受体传递化学信号到细胞质而调节细胞内活动的机制十分复杂。在睾丸，LH和FSH可能通过cAMP途径将信号传入细胞。LH和FSH能够通过增大胞质内第二信使cAMP的浓度而将信号传递进细胞。激素受体在细胞膜内通过耦联机制产生cAMP。当LH和FSH与受体结合时，G蛋白被激活，激活跨膜域3的G蛋白将位于内膜表面的腺苷酸环化酶激活，该酶以ATP为底物产生cAMP而增大细胞内cAMP浓度。cAMP激活蛋白激酶而诱导一连串的磷酸化，最终导致细胞应答。激酶由亚群组成，以蛋白质作为其底物，激酶从ATP上转移一个磷酸到底物，而使底物磷酸化。蛋白激酶-C既能存在于胞质中，也能存在于胞膜上，胞质中的蛋白激酶-C通常没有活性，而被激活的蛋白激酶-C均与胞膜相接。cAMP参与激酶的激活机制：依赖cAMP的蛋白激酶具有一个调节亚基和一个催化亚基，在缺乏cAMP时，调节亚基与催化亚基结合在一起。一旦胞质中产生cAMP，cAMP与调节亚基结合，调节亚基与催化亚基相分离，蛋白激酶具有活性。当胞质中cAMP的浓度下降时，与调节亚基结合的cAMP能游离下来，调节亚基与催化亚基重新结合在一起，蛋白激酶的活性消失。依赖cAMP的蛋白激酶将激素产生的cAMP与生物化学通路连接起来，使得激素完成其代谢的作用。在上述细胞活动中，Ca ²⁺起着一个关键性的作用。当激素与受体结合而使细胞激活性时，引起细胞内游离Ca ²⁺浓度升高，这些Ca ²⁺来源于细胞外液和细胞内的Ca ²⁺库，如内质网。Ca ²⁺浓度升高使Ca ²⁺与钙调蛋白（calmodulin，CaM）结合，改变了CaM的蛋白构型，而使其形成活性形式，这种CaM与Ca ²⁺敏感蛋白结合后，启动一系列的细胞活动，如激素分泌、细胞分裂、细胞运动和新陈代谢。

Leydig细胞位于睾丸生精小管间，产生的睾酮对雄性表型、生殖管道的形成及维持正常的精子发生和性欲具有重要作用。在个体的发生不同阶段，Leydig细胞的雄激素产生和最主要的调节因素LH及其受体功能都有不同的多样性或非均一性。

Leydig细胞本身并非均一，是由处于不同发育阶段Leydig细胞群组成。Leydig细胞分为胚胎型（FLC）和成熟型（ALC）两种。FLC的主要功能是产生雄激素，维持机体男性。ALC包括三个分化阶段的细胞，即祖Leydig细胞，未成熟Leydig细胞及成熟Leydig细胞。祖Leydig细胞来源于间充质干细胞，于出生后14天发育而成。在生后28天分化为未成熟Leydig细胞，60天时分化为成熟Leydig细胞。随着Leydig细胞的分化，LH的结合能力、滑面内质网的含量及睾酮的产生能力都增加。非成熟型，包括早期胚胎型Leydig细胞具有更强的雄激素生成能力，并主要生产5α-还原型雄激素，如DHT等，成熟型Leydig细胞主要生产睾酮。这两种Leydig细胞的前体都是间充质在LH刺激下，由前体细胞的增殖与分化，逐步形成不成熟Leydig细胞，然后再形成成熟的Leydig细胞。对大鼠胚胎的研究证明，LH是前体细胞分化的最主要刺激因素，前体细胞上有LH的受体，能与LH结合，由前体细胞分化为Leydig细胞需时1～3天。两种类型的Leydig细胞在功能上有所区别。

LH在调节Leydig细胞增殖及分化中的作用主要为：LH可通过调节类固醇合成酶的表达来诱导Leydig细胞合成睾酮。一方面认为LH与Leydig细胞增殖的关系不大，因为Leydig细胞数量与LH浓度增加无关。体外实验也发现，在未成熟Leydig细胞中，LH不诱导DNA合成，而且在成年大鼠睾丸见不到有丝分裂的Leydig细胞。但另一方面发现LH可以刺激21天龄大鼠祖Leydig细胞DNA的合成，并可以上调PCNA及CyclinD3的水平。当用特异性抗血清去除内源性LH时，2天后祖Leydig细胞CyclinD3全部丢失，PCNA浓度明显降低。这些结果表明祖Leydig细胞的增殖需要LH。早期的研究结果表明，Leydig细胞表达IGF-1及其受体，IGF-1可促进Leydig细胞增殖。破坏小鼠的IGF-1可导致祖Leydig细胞数量减少，当向培养基中加入IGF-1抗体时，LH刺激细胞DNA合成的能力明显降低，表明IGF-1介导LH对祖Leydig细胞增殖的刺激。LH在调节Leydig细胞增殖中的作用可通过人类自然突变来反映，人LH—B亚单位的突变导致Leydig细胞丢失，LH受体突变导致Leydig细胞发育不全。近来研究表明LH受体敲除小鼠及促性腺激素释放激素（GnRH）无功能小鼠的Leydig细胞数量减少，功能降低，表明LH为Leydig细胞数量调控的重要因素。

Leydig细胞膜上的LH受体基因表达产物具有多样性，现已分离鉴定出至少四种不同的LH受体mRNA并编码出不同大小的受体蛋白。此外还有13种变异型（结构上残缺不全）的受体蛋白。这些缩短的或结构残缺不全的LH受体蛋白的功能不清，但已知某些变异型受体蛋白只能同hCG结合而不与LH发生反应。另外，全分子长的LH受体蛋白能同缩短的受体蛋白相互作用，结果产生一种新的重组LH受体蛋白，其对hCG有更高的亲和力和结合能力，并能更强地刺激第二信使的产生，而有更高的合成与释放雄激素的生物效应。

LH和cAMP对类固醇生成途径的作用之一是加速胆固醇裂解成孕烯醇酮，这是所有类固醇生物合成的第一步。cAMP的作用，可能的途径有：①增大NADPH的浓度，这是胆固醇裂解为孕烯醇酮所需的辅因子；②通过激活胆固醇酯酶，而增大胆固醇的浓度；③转运胆固醇进入线粒体，在胆固醇侧链裂解酶的作用，胆固醇被裂解成孕烯醇酮；④激活胆固醇侧链裂解酶系统；⑤转运孕烯醇酮离开线粒体。LH刺激Leydig细胞释放睾酮，虽然LH脉冲式释放对维持Leydig细胞功能和睾丸的其他功能极为重要，但睾酮的释放特点并无明显的脉冲波动。

目前发现一些新的蛋白质参与调节了更为复杂的过程，首先受LH的调控，在急性LH刺激下，睾酮呈连续释放，但其释放峰呈双相，第一峰（2小时内），第二峰（48～72小时）。在生理情况下，睾酮的释放有昼夜节律波动性，但不如肾上腺皮质激素如皮质醇的昼夜节律明显，血睾酮含量早晨稍高于晚间。最近发现两种新的蛋白调节睾酮的释放：一是在线粒体外膜上有一浓度很高的外周苯并二氮受体（peripheral benzodiazepine receptor，PBR），调节Leydig细胞的急性反应，它的蛋白质激动剂也能刺激甾体细胞，引起睾酮的急性释放。另一种存在于类固醇激素生产组织中的一种30kDa蛋白，它以剂量与时间依赖方式刺激睾酮的急性释放。如果阻断这一转变过程，可完全阻断类固醇激素生成。这些新发现提示雄激素合成与释放的调控机制极为复杂，尚待深入研究。

睾酮和卵泡刺激激素（FSH）是获得生殖潜力所必需的。在睾丸中，Sertoli细胞将来自睾酮和FSH的信号转导到生殖细胞。

FSH、LH，人绒毛膜促性腺激素和甲状腺刺激激素均有共享共同的α亚基，但具有的异源二聚体独特的b亚基，不同的激素具有各自的特异性。FSH通过75kDa的FSH受体传递其信号（675氨基酸）。FSH受体是G蛋白耦联受体，具有七次跨膜α螺旋，晶体结构显示FSH及其受体以类似于手铐的方式相互作用。与其他G蛋白耦联受体类似，FSH受体的63个C端残余位于细胞内，含有包括丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸等氨基酸。这个受体包裹在激素的中间部分，与C-末端片段和其他循环的相互作用。

最初，FSH结合FSH受体通过受体耦联的G蛋白激活腺苷酸环化酶（AC）增加细胞内cAMP水平。FSH可以导致Ca ²⁺流入睾丸支持细胞，高Ca ²⁺水平可以激活钙调蛋白和钙调蛋白激酶多个潜在的下游蛋白，包括CREB的磷酸化。FSH可作用于生精小管，促进生精上皮分裂，刺激精原细胞增殖，并在睾酮的协同作用下促进精子形成。此外FSH还可以促进睾丸的Sertoli细胞分泌雌激素和抑制素。

FSH对精子发生具有下列调节作用：①诱导动物和人精子发生的启动或始发；②引起去垂体大鼠与冬眠动物精子发生的再启动；③与睾酮一起参与维持性成年灵长类的精子发生，特别对维持精子发生正常的数量与质量具有重要作用。

用药物单独除去Leydig细胞，然后分别单用睾酮、FSH或者睾酮与FSH合用的方法，睾酮与FSH分别单独地作用于精子发生的不同阶段，说明两者的协同作用。即便如此，两者合用也不能使这种动物模型的精子发生完全恢复正常。因此，以往认为睾酮单独应用足以维持大鼠的精子发生的结论是值得商议的。至少是睾酮单独不能长期维持质和量完全正常的精子发生，对灵长类和人尤其如此。但是，对FSH β基因敲除的小鼠以及男子编码FSH受体基因突变失活患者观察，发现精子发生仍能进行，但精子发生的数目受到影响。

雄性动物生精小管内的支持细胞也是FSH的靶细胞。FSH对支持细胞的作用之一，就是刺激分泌一种雄激素结合蛋白（androgen binding protein，ABP）。这种结合蛋白对睾酮有很强的亲和力，与睾酮结合，借以保持生精小管腔内睾酮的高水平，从而在生精小管内对精子发生起作用。FSH对于包裹在支持细胞中的精子的释放也起作用。

FSH对精子发生的调节作用是通过Sertoli细胞介导的。Sertoli细胞在各种哺乳动物和人体是唯一的具有FSH受体的体细胞。同LH对Leydig细胞的作用一样，FSH激活细胞膜上的cAMP环化酶，使cAMP水平增高，通过蛋白激酶的作用，导致细胞内一些蛋白质磷酸化，在30～60分钟后，细胞内mRNA和rRNA的水平明显提高，Sertoli合成和分泌物质种类繁多，性质与功能各异，这些物质直接或间接参与精子发生过程。

FSH的部分作用是通过其刺激Sertoli细胞中雄激素受体间接地来实现的。离体与在体研究都证明FSH对雄激素受体有两种效应：①短期内（5小时以内）引起雄激素受体mRNA稳定下降，从而导致雄激素受体mRNA水平降低，但这一效应并不影响雄激素受体蛋白的水平，因其半衰期远长于雄激素受体mRNA的半衰期；②长期效应（24小时以后）FSH能刺激雄激素受体基因转录率，从而升高雄激素受体mRNA和雄激素受体蛋白的水平。

泌乳素（PRL）又名促乳素，是一个190～200个氨基酸的多肽激素，含有三个二硫键，分子量为22.5kDa，是腺垂体嗜酸细胞（在妊娠子宫蜕膜和免疫细胞等也分泌）分泌的，是一种具有广泛生理功能的腺垂体激素，在睾丸内由Leydig细胞和生殖细胞产生。通过垂体门脉系统进入血液循环，影响生殖活动的许多环节。泌乳素信号由Leydig细胞中的NR5A1调控泌乳素受体表达。主要是对哺乳动物的乳腺发育和泌乳起作用，对有些动物的黄体维持、性行为的变化起调节作用，其他功能包括水和电解质的平衡，生长发育、内分泌和代谢，大脑和行为，与免疫调节。现在已有4个不同的分泌泌乳素细胞被发现，泌乳素以分泌颗粒形式储存于细胞中，呈脉冲式分泌，这与下丘脑控制泌乳素分泌的激素也是以脉冲式释放有关。给予垂体切除后的大鼠外源性PRL，可以明显增强睾丸间质细胞对LH的反应性。在Sertoli细胞中，PRL能增加FSH的受体数量。对精子的影响包括：增加钙结合和／或运输的精液和精子能量的代谢，维持卵母细胞流动性和附着性，减少获能时间。这些研究结果意味着PRL在精子发生过程中发挥作用，睾丸功能的正常与血清PRL水平正常有关。无论是在垂体水平还是Leydig细胞本身，泌乳素的功能也体现在促进LH刺激睾酮的产生，其中它主要是增加3β-HSD（在大鼠中）和17β-HSD（在小鼠中）的活性。泌乳素在睾酮的产生中具有营养作用。尽管在Leydig细胞中存在泌乳素受体主要作用于LHCGR的表达，但是一个小鼠泌乳素受体完全敲出模型中没有观察到睾丸表型，这一现象表明虽然泌乳素支持睾酮的产生，但它不是必不可少的。此外，高水平的PRL抑制促性腺激素释放激素的分泌，并且减少促性腺激素和睾酮产生。

垂体激素的分泌受下丘脑神经激素调节。在下丘脑特定神经元的轴突及周边区域，在正中隆起门静脉血管和分泌释放（或抑制）激素，进入垂体门脉系统。这些下丘脑的释放（或抑制）激素，然后向下传递至垂体，它们的作用是靶向调节，增加（或减少）垂体激素的分泌。泌乳素的分泌受神经内分泌的三个群体调节：结节-漏斗多巴胺（TIDA），垂体结节（THDA），脑垂体神经元多巴胺（PHDA）。

儿茶酚胺、多巴胺是最重要的泌乳素抑制因子（prolactin inhibitory factor，PIF）。它们分布在弓状核的神经元中，这些神经元和轴突投射到正中隆起外层的中间和侧面栅栏区的门脉毛细血管。从正中隆起-漏斗-多巴胺系统末梢分泌入血的多巴胺被运至含有多巴胺受体的泌乳素细胞。胺及其胺类激动剂能抑制泌乳素的分泌，而其拮抗剂则能通过泌乳素细胞表面的多巴胺受体促进泌乳素的分泌。与受体结合后多巴胺进入细胞，使分泌颗粒中的泌乳素脂质发生降解，因而减少激素的释放。

虽然多巴胺被认为是最重要的PIF，但并不是唯一有这种作用的激素。例如γ-氨基丁酸（GABA）也能抑制泌乳素分泌，含有GABA的弓状核神经元也投射到正中隆起的毛细血管中，实际上在很多情况下，GABA和多巴胺共同存在于同一个弓状核神经元中。此外，与促性腺激素释放激素有关的肽——GAP也能抑制泌乳素的分泌。GAP可在正中隆起的GnRH神经末梢中发现，并且可能从那里释放出来。

有许多激素能促进泌乳素的释放。下丘脑促甲状腺素释放激素（TRH）能明显地刺激泌乳素的释放，TRH受体位于泌乳素细胞上。但是TRH调节泌乳素释放的生理意义目前还没有了解清楚。

肠血管活性多肽（vasoactive intestinal polypeptide，VIP）是促进泌乳素释放的强有力的释放剂，其受体也分布在泌乳素细胞上。并且泌乳素细胞对VIP敏感性升高与正中隆起分泌的多巴胺减少有关系。虽然门静脉中可发现VIP，但是在正常男子和非泌乳期的女性的脑部神经元中VIP含量非常低。在哺乳的雌性大鼠，可在室旁核小细胞群中发现有VIP神经元，并可在正中隆起的外层中发现丰富的VIP神经元的神经末梢。并且在这时期，VIP的mRNA量也增加。这些现象表明VIP可能是在泌乳素高分泌期如哺乳期特别重要的泌乳素释放因子。

雌激素也能引起高泌乳素血症，它可能是通过降低泌乳素细胞对多巴胺的敏感性和增加TRH受体的数量。长期给予雌激素能增加垂体DNA和mRNA的合成而引起继发性增生，并且引起泌乳素分泌的增加。因此泌乳素对雌激素的反应是缓慢的，并且与VIP、TRH作用方式不同。

除了受激素调节外，泌乳素的分泌一天之间都有波动，在夜间睡眠时血浆浓度最高。睡眠转为觉醒能引起泌乳素分泌成为白昼节律。这证明泌乳素分泌是睡眠促动而非光促动。在一个正常睡眠觉醒周期中，泌乳素在睡眠开始1～1.5个小时后开始分泌增加，表现在其脉冲幅度的逐渐增大。在随后的睡眠期血浆浓度升高，在醒前不久浓度开始降低，在早上10：00和中午12：00浓度最低（图4-12）。此外，泌乳素也是人体内最主要的应激激素，任何应激因素或状态均可引起PRL急骤升高。

从结节-漏斗多巴胺（tubero-infundibular dopamine，TIDA）神经元释放进入门脉毛细血管的多巴胺是泌乳素分泌的主要调节因素，而多巴胺本身又可调节TIDA神经元的活性。血中泌乳素浓度的升高能引起正中隆起的TIDA神经元末梢多巴胺的释放，从而导致泌乳素的下降。多巴胺的释放能引起酪氨酸羟化酶活性升高，此酶能限制神经元内多巴胺合成的速度。这成为下丘脑TIDA神经元活性短环反馈（short-loopfeedback）调节。

泌乳素受体是细胞因子受体家族中的一员，与泌乳素的多效性作用一致，其在全身广泛存在。泌乳素受体通过二聚体的激活进行信号转导。泌乳素结合两个泌乳素受体分子形成活性异源三聚体受体-配体-受体复合物。催乳素诱导的信号转导是复杂的，在不同的细胞中可以激活不同的信号转导通路。

泌乳素在乳房外的功能很多，除了与卵巢激素、肾上腺激素和促性腺激素相协调外，泌乳素还能影响多个组织功能。在性成熟的动物中，LH使睾丸间质细胞PRL受体减少，而高PRL则抑制LHR的表达。在季节性交配的仓鼠中，PRL的作用更加明确，低水平PRL与动情周期及睾丸的卷曲有关，给予外源性PRL后这种效应消失。泌乳素能在前列腺中增加雄激素的吸收和5α-还原酶的活性，促进睾酮在精囊腺中作用，而睾酮则能维持泌乳素受体在精囊腺中的数量。PRL病理高分泌引起男性性腺功能减退和／或阳痿，PRL影响促性腺激素的释放和性行为的中枢神经系统控制。

PRL在人类睾丸中的作用仍然存在争议，PRL受体既有正性作用又有负性作用，高泌乳素血症会引起睾丸功能不全。男子血浆泌乳素浓度病理性升高往往引起生育力的损伤，血液中睾酮浓度降低和性欲的丧失。在这种情况下，泌乳素对生殖功能具有重要作用。高泌乳素浓度主要是由于晨起醒来的泌乳素分泌并不降低而引起的。引起男子高泌乳素血症的原因可能是广泛用于治疗精神病的多巴胺受体阻断药或某些病理情况，如垂体肿瘤-泌乳素细胞肿瘤都可以引起此综合征。

应用多巴胺激动剂是治疗高泌乳素血症有效和简单的方法，多巴胺激动剂能迅速降低血浆泌乳素浓度。

间质细胞合成睾酮并分泌到睾丸间隙液（interstitial fluid）中，然后一部分被选择性输送到睾丸的生精小管中，与生精小管Sertoli细胞内的雄激素受体结合及管腔中的雄激素结合蛋白结合，促使精子发生。

睾酮是通过与其受体结合而发挥调节精子发生的功能，睾酮受体分布在间质细胞、管周细胞和支持细胞的核内，而在生殖细胞中则未检测到，表明睾酮是通过支持细胞或管周细胞间接作用于生精细胞。临床上睾酮缺乏的患者或雄性激素受体突变的患者表现为原发性无精子症。将实验动物的垂体切除、免疫中和LH、使用抗雄激素受体或用二甲磺基乙烷（ethane dimethane sulphonate，EDS）破坏睾丸间质细胞后，可使睾酮作用阻断，导致Ⅶ-Ⅷ期的生精细胞退化。这种退化作用可以通过使用外源睾酮或LH而抑制，说明睾酮并非作用于整个精子发生过程，而仅仅作用于精子发生的某一个或几个时期。

睾酮自间质细胞分泌后，可经支持细胞进入生精小管，睾酮被5α-还原酶还原为活性更强的双氢睾酮（DTH），与生精细胞的雄激素受体结合，促进精子的生成。支持细胞在FSH的作用下，可产生对睾酮和DHT亲和性很强的蛋白质，称为雄激素结合蛋白，ABP与睾酮或DHT结合后，转运至生精小管，提高雄激素在生精小管的局部浓度，有利于生精过程。

男性胎儿中外部生殖器的形成需要睾酮和DHT。睾酮和DHT的调节需要借助位于靶细胞的细胞质中的功能性AR。DHT（或睾酮）结合诱导构象变化，其促进AR核转运，磷酸化和二聚化，最终调节雄激素依赖基因的转录速率。损害DHT形成或AR的正常功能都可能导致雄性胎儿中的雄激素作用不足。

睾酮对精子发生调节作用的主要证据是：①临床上睾酮缺乏的患者或雄激素受体突变的患者表现为原发性无精子或精子发生完全停止；②在垂体切除的大鼠，其睾丸体积小于正常，精子生成减少，精子发生被阻断在初级精母细胞阶段；Leydig细胞大量减少，睾酮水平低下，睾酮依赖的副性腺如前列腺和精囊腺退化。当垂体切除后，给予大剂量的睾酮，精子发生将继续进行，副性腺也没有明显退化。假两性畸形（testicular feminized，Tfm）小鼠是由于伴X基因隐性遗传所致的假两性畸形，表型为缺乏依赖雄激素分化的特征而具有雌性特征。尽管血浆中LH、FSH和催乳激素的含量均较高，睾丸中Leydig细胞的数量也基本正常，然而由于Leydig细胞内17α-羟化酶的活性低下，使其合成睾酮的能力明显降低。此外，由于Tfm小鼠编码雄激素受体的基因在第1112位有一个碱基发生缺失，该基因结构的改变使其合成的雄激素受体也被过早的终止，产生的受体缺乏与DNA和类固醇结合的区域而导致雄激素依赖组织因缺乏雄激素受体而对雄激素完全不敏感。Tfm小鼠睾丸体积仅为正常小鼠睾丸的1／10，精子发生严重障碍，表明睾酮在调控精子发生的过程具有十分重要的作用。

AR基因由X染色体中的单拷贝基因编码，由8个外显子组成，并编码属于类固醇／核受体超家族的细胞内转录因子，其成员包括雌激素，黄体酮，肾上腺激素，甲状腺激素，类视黄酸和维生素D的受体。与其他类固醇受体一致，AR被雄激素活化后转移到细胞核，并结合AR调节基因的调节区（启动子／增强子）中的特异性染色体DNA序列（雄激素反应元件）。雄激素与AR结合形成复合物，激活或抑制雄激素调节蛋白质的表达。AR包含四个主要功能域：氨基末端反式激活结构域（TAD）、中心定位的DNA结合结构域（DBD）、铰链区和羧基末端配体结合域（LBD）。TAD是由氨基酸，谷氨酰胺（由CAG编码）和甘氨酸（由GGN编码）的重复组成的两个区段（图4-13）。这些重复序列是多态性的，因为它们在正常人群中的个体之间存在变化。

雄激素和雄激素受体（AR）在男性繁殖中具有重要的作用， AR基因被灭活的遗传小鼠模型可以确定雄激素在雌性繁殖中的作用。在男性中， AR基因失活严重破坏精子发生，通过中断减数分裂的完成，从而停止产生成熟精子，导致雄性不育。雄激素的作用由单个AR介导，所述单个雄激素受体在与配体结合后易位至核内，以调节雄激素响应基因的表达。研究已经揭示， AR突变不会导致其活性的完全消除，但是会导致轻度的雄激素不敏感综合征。最近的研究表明，在AR的配体结合域中的错义氨基酸取代通过涉及受体结构域和共激活蛋白之间的缺陷蛋白-蛋白相互作用的发生机制导致不育。在涉及新加坡，澳大利亚，北美和日本受试者的研究表明，在 AR的反式激活结构域中编码多聚谷氨酰胺延伸的三核苷酸重复（CAG）链的长度增加会导致精子发生缺陷的概率增加。然而这种关联在欧洲人群中并没有观察到，这表明遗传背景可能在AR缺陷的表达中起重要作用。

腺垂体分泌过多的FSH和LH，将会抑制下丘脑的GnRH分泌，使FSH和LH的释放减少，称作“短环负反馈”；血浆水平过高的睾酮将会抑制下丘脑分泌GnRH和腺垂体分泌FSH和LH，称作“长环负反馈”；GnRH可作用于自身细胞，使自身分泌量减少，称作“超短环负反馈”，如此复杂的关系由此构成了下丘脑-垂体-睾丸轴（图4-14）。

腺垂体合成和分泌FSH和LH是依靠下丘脑门静脉的GnRH信号调控。由于下丘脑GnRH神经元的同步性分泌而引起的GnRH脉冲式分泌，这是引起血浆FSH和LH脉冲式分泌的原因，当睾丸被摘除后，其血浆中LH和FSH浓度很高，这表明男子促性腺激素的分泌是由睾丸负反馈调节所控制的。目前的研究提示至少有两种睾丸激素，即睾酮和抑制素参与了这个控制系统，它们分别与LH和FSH相联系。

睾酮对垂体-Leydig细胞轴的调节睾酮是由LH刺激睾丸中Leydig细胞所分泌的，睾酮又是调节LH分泌的主要激素。免疫中和恒河猴的睾酮可以导致血中LH浓度升高，而在所有被阉割的动物中，给予睾酮则引起LH浓度的陡然下降。睾酮的负反馈作用主要是降低LH峰的频率，其幅度也有一些改变。由于FSH和LH脉冲式释放是由相似的GnRH分泌所控制，所以睾酮负反馈部位是在下丘脑。

睾酮也能改变垂体对GnRH的反应性，所以如同女性一样，下丘脑和垂体同时受控于睾酮的负反馈作用。这两个部位都有大量的雄激素受体，在阉割后的雄性大鼠的下丘脑基底正中的弓状核周围注射睾酮可以使血中LH浓度明显降低；至少在啮齿动物中，不管从周围血还是从下丘脑给予5α-双氢睾酮，都能对LH的分泌起着一定的调节作用，这表明睾酮的代谢物除了在周围发挥作用外，还可能参与负反馈调节。

抑制素对垂体-生精小管的调节腺垂体分泌FSH同样也受一种非甾体、高分子量的蛋白质-抑制素（inhibin）的控制。在男子，抑制素由睾丸Sertoli细胞分泌，其结构有两种同分异构体A、B，分子量为32kDa。每一种抑制素都由α亚单位和β亚单位所构成，α、β亚单位之间由二硫键所连接（抑制素的结构模式图见“精子发生”章节）。FSH作用于生精小管的Sertoli细胞，抑制素可以通过负反馈调节垂体分泌FSH。从睾丸萃取液中、睾丸淋巴液、睾丸网睾丸液、精液和Sertoli细胞培养液中获得了类似抑制素效应的物质，研究表明Sertoli细胞分泌的睾丸抑制素与生精过程的完成有关。

血清和精浆中FSH的含量与抑制素的浓度之间存在负相关，精液中精子数与抑制素浓度之间亦存在负相关。雄性大白鼠出生前后血清和性腺中的抑制素水平高于性成熟时的水平，而且在发育早期，血清中FSH和抑制素浓度之间就存在负相关。研究表明，抑制素除了主要作用于垂体外，还作用于下丘脑和性腺，它与其他睾丸物质如雄激素等相互作用，促使精子的发生。而卵泡抑素在睾丸上可以通过旁分泌的形式调节激活素的生物功能的发挥，从而影响精子的生成活动。

目前的男性激素避孕（MHC）方案主要是在下丘脑垂体睾丸轴内的各种水平发挥作用。单用外源性雄激素通过负反馈抑制促性腺激素的分泌，使得精子发生停滞；与此同时，又可以维持性功能和代替雄激素在外周血的作用。通过对数百名志愿者的研究表明：每周200mg庚酸睾酮（TE）肌注是最佳剂量，不良反应很少。另外单用的外源性的雄激素还有睾酮环丁酯（TB）、7α甲基-19去甲睾酮（MeNT）、11酸睾酮注射液（TU）等。

睾酮单独治疗方案对许多男性有效，但是高剂量的要求对于10%～30%的男性是限制使用的。有研究和资料表明睾酮和孕激素的新型组合更为有效孕激素是LH和FSH释放的强烈抑制剂。孕激素与雄激素联合应用可通过对其各自对下丘脑／垂体的负反馈抑制促性腺激素的分泌，进而导致精子发生停滞。孕激素和雄激素具有协同或叠加抑制效果并可以减少联合用药中各自的用量，同时有些孕激素还可以直接作用于睾丸水平影响精子发生。而生理水平的睾酮浓度可起替代作用。这样可以使得收试者避免暴露于超生理水平的雄激素，减少了与雄激素有关的不良反应，降低了大剂量雄激素长期应用的风险。目前的雄激素与孕激素的组合有雄激素+长效醋酸甲黄体酮（DMPA）、雄激素+左炔诺酮（LNG）、雄激素+第3代孕激素及雄激素+杂交孕激素等组合。

GnRH类似物与雄激素结合使用也能用于男性激素避孕。GnRH类似物包括激动剂（GnRH-a）和拮抗剂（GnRH-at）。给予GnRH-a最初1～2周能刺激促性腺激素的分泌，随后垂体失去对GnRH的反应，引起促性腺激素的下降。应用GnRH-at对于GnRH的抑制效果更强烈。作为避孕药，这两种GnRH类似物必须与雄激素制剂合用，否则会减弱类似物抑制精子发生的效果。但GnRH类似物价格昂贵，需要皮下注射，半衰期短，长期使用不现实。目前，科学家正在通过受体结合分析法来筛选廉价、长效可口服的GnRH类似物，并同长效睾酮酯合用，寻求安全高效实际可用的男性激素避孕方案。

1865年，Enrico Sertoli（1842—1910）阐述了在人睾丸的生精小管中有一种特殊的有分支的细胞存在，Sertoli认为它与生精过程有关。1899年Peter进一步分析Sertoli细胞及其与生精细胞发育之间的关系，认为这种“nurse cell”对生精细胞的生精过程起着至关重要的作用。

要想了解Sertoli细胞和生精细胞之间的结构关系就必须弄清楚单个Sertoli细胞的三维结构。Russell等人的研究表明，每个Sertoli在其基部与周围的5个Sertoli细胞相连接，并且与各种不同发育阶段的47个生精细胞相接触（图4-15）。因此Sertoli细胞的形态是非常复杂的，它与50多个邻近细胞的连接提示细胞间机械作用的重要性。

支持细胞有一个多形核，有丰富的细胞质和细胞器，包括丰富细长的线粒体、一个很大的高尔基复合体、丰富的内质网，一些溶酶体、微丝和微管。在大鼠生精上皮周期的12～14期，支持细胞中线粒体的体积增大，同时伴随着大量脂质形成，以及内吞活性明显增强，反映了生精上皮周期中支持细胞对能量需求的变化。已证明在大鼠中支持细胞的内吞活性具有周期性变化的特征。支持细胞的骨架发达，在同一支持细胞中的不同区域，构成细胞骨架的胞质微丝及微管的数量与分布变化很大。微丝主要分布于细胞核周围及细胞基底部。Sertoli细胞在光镜下，细胞核形态不规则，染色浅，核仁明显，在电镜下，呈不规则高柱状，基底部较宽，紧贴基膜，顶端稍窄，直达管腔；侧面为由细胞质翼状突起围成的圆形壁龛，龛中嵌有发育中的各级生精细胞；游离面具有较多深浅不一的泡状、管状内陷，陷窝内则嵌有变态晚期的精子细胞或待排精子。从生精小管的基部一直延伸至顶部，为精原细胞的有丝分裂、精母细胞的减数分裂和精子细胞的变形成为精子提供了场所。它们比生殖细胞大得多，而且形态复杂，它们不再分裂，支持着整个上皮，附着于生精上皮的基底层，并穿过生殖细胞间伸向管腔。

Sertoli细胞同时还能通过胞质间桥和由同一精原细胞分化而来的生精细胞保持联系。Sertoli细胞在其基部有紧密连接和缝隙连接，称之为连接复合体，将生精小管分成相互分离且功能不同的小室，即基底小室（basal compartment）、近腔小室（adluminal compartment）和过渡型中间小室。这是一个基本的机械结构，对血-睾屏障的形成和构建生精小管内的微环境至关重要。一般认为，基底间可直接接受血液中的激素，而中央间则通过支持细胞接受激素和营养物质，解释了基底间中的细胞更容易受到激素水平的影响。通过紧密连接进行的物质运转依赖于物质分子大小和物理性质，对物质的转移具有筛选作用。

在Sertoli细胞和生精细胞之间也存在特殊的机械结构。Sertoli细胞中朝向精母细胞和精子细胞顶体的内质网膜的嵴是平整的。这些结构被普遍认为是连接装置。另一种Sertoli细胞和生精细胞之间的机械结构称为管球复合体（tubulobulbar complex），成熟期精子细胞头部的胞膜呈狭窄的管状突起，陷入邻近的Sertoli细胞膜中。

生精细胞发育的连续性和生精上皮周期性都表明Sertoli细胞和生精细胞间作用是动态的，并且随着组织构型的快速变化而改变。最初的组织构型变化是早期精母细胞从基底小室通过紧密连接转移至近腔小室。组织构型改变需要Sertoli细胞所合成的纤维蛋白溶酶原激活剂和其他的蛋白酶，这些物质能引导精母细胞的迁移、连接复合体的断裂和成熟精子释放进入生精小管管腔中。

支持细胞经历了发育和成熟的过程。青春期前为未成熟型支持细胞，有三种：Sf型、Sa型、Sb型，Sf型为胚胎型支持细胞，在出生后2周转化为Sa型。一岁后，Sa型转化为Sb型。青春期时，随着生精小管管腔的出现，Sb型突然转化为Sc型支持细胞，即成熟型支持细胞。

在显微镜下可以观察到的Sertoli细胞和生精细胞之间是直接接触的，这种物理性接触是细胞间的黏着，是温度依赖性的。参与同Sertoli细胞机械作用的生精细胞膜蛋白已经被鉴别出，并且Sertoli细胞分泌的蛋白质也参与这一过程。同时Sertoli细胞还必须黏着胞质残余体以防它们从生精上皮的表面脱落。这些残余体必须与精子脱离，附着在Sertoli细胞的表面最终为Sertoli细胞所吞噬降解。

Sertoli细胞分别将营养成分运输给生精细胞，这对生精细胞的生存和代谢至关重要。早期人们就认为Sertoli细胞是一种护理性细胞，它能促进生精细胞的发育。在分子水平上鉴别出的许多Sertoli细胞的功能都直接或间接地与生精细胞营养供应有关。由于血-睾屏障的存在导致Sertoli细胞必须为生精细胞提供不可缺少的营养。上节已提到Sertoli细胞的一个重要功能就是将必需的营养物质从血浆中运输到生精细胞。

在胚胎期，生精细胞与未成熟的Sertoli细胞的连接可能有利于它们之间的营养成分的运输。到了成年期，细胞间形成了连接复合体：桥粒、缝隙连接。这些连接主要发生在粗线期精母细胞和Sertoli细胞之间，较少发生在精子细胞上。这些连接复合体能通过分子量小于600～700kDa的物质，并且能在生精细胞和Sertoli细胞间转运代谢产物如胆碱。由于生精细胞存在同步化和胞质间桥，这些连接对每个Sertoli细胞和生精细胞都是必需的。由于血-睾屏障的屏蔽作用，各级生精细胞无法与间质内的高浓度的葡萄糖直接接触，Sertoli细胞能将葡萄糖代谢为乳酸和丙酮酸，这样使胞外糖的代谢产物浓度升高。丙酮酸和乳酸都能被生精细胞所利用，它们能高效地提供能量。对代谢酶如乳酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的分析以及FSH作用于Sertoli细胞而引起的葡萄糖转运的分析也表明Sertoli细胞能为生精细胞提供能量物质。此外，生精过程所需的其他代谢物如辅酶、核苷酸和氨基酸都需要细胞间通道来运输。

虽然许多小分子量可溶性的营养成分可通过细胞间的机械连接或细胞分泌直接转运，但是大量的物质由于溶解度小、化学特性活跃需要由结合蛋白来转运。对Sertoli分泌的蛋白进行功能分析可以发现它能合成许多不同的转运蛋白。细胞可能在细胞基底面从间质液中的特殊结合蛋白上获得营养成分。血清结合蛋白能进入Sertoli细胞中将营养成分转移到刚合成的结合蛋白上。Sertoli细胞能通过结合蛋白分泌至各级生精细胞中而将营养成分运输到生精细胞。最先被发现的转运蛋白是雄激素结合蛋白（ABP）。虽然ABP是Sertoli细胞的功能标志，但是ABP的功能是将雄激素运至整个生殖管道，因此ABP可能并不仅仅只是介导Sertoli细胞和生精细胞间营养作用。Sertoli细胞还能合成转铁蛋白，转铁蛋白是一种能结合铁的蛋白质，以前人们认为它主要由肝脏合成，它能在循环系统中结合和转运铁。铁离子水溶性小，而与转铁蛋白具有高度亲和力。所有的细胞都需要铁离子，它能维持细胞色素的功能和呼吸作用。Sertoli细胞合成的转铁蛋白与血清中的转铁蛋白是同一基因的产物。转铁蛋白将铁离子转运至细胞中是通过受体介导的。转铁蛋白受体复合物被内吞至细胞中与酸性小泡融合，铁离子被释放、转铁蛋白和受体被转运至细胞表面循环使用。所有的细胞表面都有转铁蛋白受体，而粗线期精母细胞有高浓度的转铁蛋白受体。另一种由Sertoli细胞合成的金属结合与转运蛋白是铜蓝蛋白。铜蓝蛋白是一种铜离子转运蛋白，主要由肝脏合成，它能将铜离子结合并运至细胞中以满足某些辅酶的需要。铜蓝蛋白与转铁蛋白运输离子过程很相似，只不过铜蓝蛋白受体被内吞至细胞后被降解而不能被循环使用。

脂质也是由特殊的结合蛋白来转运。在Sertoli和生精细胞中发现有几种独特的脂肪酸，人们推测它们可能从Sertoli细胞转运至生精细胞中。虽然由Sertoli细胞合成的用于脂质转运的蛋白还没有全部被发现，但目前已找到了主要由Sertoli细胞分泌的一种特殊的脂质结合蛋白，称为硫酸糖蛋白1（SGP-1），该蛋白质是唯一的鞘脂类结合蛋白，参与鞘脂结合与代谢的鞘脂激活蛋白前体与SGP-1具有高度同源性。SGP-1是否还能与其他的脂质结合目前还不清楚。生精细胞大量增殖需要更多的Sertoli细胞转运的脂质前体和一些特殊的脂肪酸。此外，Sertoli细胞代谢和降解脂质残余体也需要脂质结合蛋白对脂质的运输。

Sertoli细胞同时还能将维生素转运至生精细胞。许多维生素在循环系统中通过结合蛋白来实现运输和转移。叶酸结合蛋白和生物素结合蛋白是最早发现的由Sertoli细胞合成的转运维生素结合蛋白。对睾丸功能和生精过程很重要的维生素是维生素A和类维生素A。在Sertoli细胞和生精细胞中已经发现有类维生素A结合蛋白。类维生素A和维A酸能直接增强Sertoli细胞的几项功能参数，如转铁蛋白的合成。维生素A的缺乏也直接能影响Sertoli细胞的功能。类维生素A可能通过Sertoli细胞核中的类维生素A受体来调节Sertoli细胞的功能。但是根据维生素A对生精过程的影响显示，类维生素A也直接影响生精细胞的发育。由于维生素A溶解度很低，所以血清中的维生素A结合蛋白和细胞膜上、细胞内维生素A和维A酸结合蛋白都有助于类维生素A的运输。聚集在Sertoli细胞中的大部分类维生素A能与脂质酯化，并以复合物形式存在如类维生素A软脂酸酯。

Sertoli细胞和生精细胞之间的调节作用是通过旁分泌因子和局部的营养因子来进行。Sertoli细胞和生精细胞共同培养能促进生精细胞内RNA和DNA的合成，刺激生精细胞表面抗原的出现和维持谷胱甘肽的生成。由Sertoli细胞介导的非受体途径，用三种对Sertoli细胞功能相对特异的蛋白质（SGP-2、蛋白-14、ARP-2）作指标的研究发现，这三种蛋白质的合成是“自主”的，基本上不受睾酮的调节。破坏Leydig细胞完全消除睾酮之后Sertoli合成的大多数蛋白质不变，只是分泌量减少，加入外源性睾酮后，这一现象并未改善，而没有雄激素受体的圆形精子细胞蛋白产物的分泌却受到刺激而升高。其次，睾丸内睾酮浓度的20%足以使睾丸内所有的雄激素受体达到饱和，而实际上为维持啮齿类动物的精子发生所必需的睾酮浓度要比周边血浓度高出40倍，人需高约200倍。所以认为睾酮对生精小管的作用与其对其他靶器官或组织的作用机制有根本性的区别。基于这些发现，有人推测：①生殖细胞蛋白产物的分泌受控于Sertoli细胞的某些尚属未知的功能；②睾酮可能通过生殖细胞膜效应直接对其行使调节，而不通过雄激素受体，因生殖细胞内无雄激素受体的存在。有人最近提出一种假说：在精子发生过程中生殖细胞的发育四次通过“睾酮-调节窗口”时，如有足够睾酮的存在，则生殖细胞分泌的蛋白有所改变。反之，如果无睾酮或浓度不足，则这些生殖细胞的正常发育就不会出现，从而进一步退化萎缩，并认为这是因无睾酮而缺乏窗口蛋白分泌的后果。然而在垂体切除的大鼠，尽管LH或睾酮能促使精子发生，但其大鼠睾丸的体积和精子产生的数量均低于正常约20%。在许多其他种属包括一些灵长类，垂体切除后尽管使用大剂量的LH或睾酮，精子的生成数仍十分低下。完整和持续的精子发生除依靠LH对Leydig细胞的作用外，还需要FSH对Sertoli细胞的作用。

对成年动物进行详细的研究显示，FSH增加精原细胞数目并促进这些细胞进入减数分裂，而雄激素增加会使生殖细胞进入减数分裂，并使这些细胞完成减数分裂。因此，在成人中，显然雄激素对维持精子发生和生育更重要，但FSH可能在精子发生过程中起着更重要的作用。

除了FSH和雄激素，其他激素和生长因子已被报道能够改变Sertoli细胞功能，包括TH和TGFβ超家族。

在生精小管外周与Sertoli细胞基底面相互作用的细胞称为管周细胞。管周细胞在多种物种中广泛存在，提示它是哺乳动物睾丸功能的一个不可缺少的成分，但是在不同物种中管周细胞层的厚度却是不同的。管周细胞构成生精小管的完整性并可能参与小管的收缩。在睾丸发育早期就形成管周细胞层，而只有在青春期早期由于雄激素的作用肌样细胞才开始分化。在病理情况下，由于组织厚度增加而引起管周细胞层的改变。Sertoli细胞对维持睾丸的功能起着不可缺少的作用。管周细胞与睾丸其他类群细胞的相互作用，协调维持着睾丸内环境的动态平衡。管周细胞的发育依赖于雄激素作用，间质细胞合成雄激素的过程被阻断或抗雄激素抗体的出现都能抑制管周细胞的发育与功能。单独雄激素不能促使管周细胞分化，它需要同时有促性腺激素作用于支持细胞，间接地刺激管周细胞分化。管周细胞分泌旁分泌因子等调节支持细胞功能，促进支持细胞合成雄激素合成蛋白和转铁蛋白。管周细胞、间质细胞和支持细胞相互之间密切联系，协调促进精子发生和睾丸雄激素合成。

细胞外基质维持生精小管的结构完整性并且帮助维持血-睾屏障。管周细胞和胞外基质的连接形成一道渗透性屏障。Sertoli细胞和管周细胞间的胞外基质是由这两种细胞共同形成的，Sertoli细胞能合成层粘连蛋白Ⅰ型和Ⅳ型、胶原蛋白和一种独特的糖蛋白。管周细胞能合成Ⅰ型胶原蛋白、一种独特的糖蛋白和纤维粘连蛋白。因此Sertoli细胞和管周细胞各自合成构成基膜的不同成分，它们对于胞外基质的形成不可缺少。管周细胞和Sertoli细胞共同形成生精小管的基膜。将这两种细胞共同培养能增强Sertoli细胞的黏着力和生存率，改变它的迁移方式以及迁移率。将Sertoli细胞培养于管周细胞层上也可以观察到同样的结果。因为Sertoli细胞和管周细胞是通过胞外基质而进行作用的，所以许多实验室都研究胞外基质对Sertoli细胞的作用。在培养中，胞外基质可以增强Sertoli细胞的黏着力和生存率，促使其组织构型转化为体内的一种柱性、核位于基部的细胞，并促进Sertoli细胞间的紧密连接。虽然胞外基质能促进Sertoli细胞发生结构改变，但是它并不在分子水平上影响Sertoli细胞的功能。同样胞外基质也能促使管周细胞在体外培养中表现出其在体内的形态。因此Sertoli细胞和管周细胞共同形成基膜，反之基膜也促进管周细胞和Sertoli细胞的分化。

由于胞外基质能促使Sertoli转化为柱形，所以可以用双室培养系统来研究Sertoli细胞的极性分泌。在一层通透膜上培养一层Sertoli细胞可以产生顶端小室和基底小室，如果加入胞外基质共同培养可以更有利于细胞极性化和通透屏障的形成，通过功能检测可以发现细胞以极性的方式分泌ABP、转铁蛋白、纤维蛋白溶酶原激活因子和抑制素。管周细胞能增加通透屏障的效率和改变Sertoli细胞分泌的极性。所以管周细胞和Sertoli细胞之间的机械作用能促进和维持Sertoli细胞的极性和顶端分泌的特性。

蛋白酶抗蛋白酶能影响管周细胞和Sertoli细胞之间的机械作用。由Sertoli细胞分泌的纤维酶原激活剂能参与基膜层粘连蛋白的降解和更新，并且能影响细胞之间的连接。由管周细胞分泌的蛋白酶抑制物能抑制纤维蛋白溶酶原激活因子的活性。因此管周细胞分泌的抗蛋白酶可能调节蛋白酶的活性，以抑制Sertoli细胞和管周细胞之间的胞外基质的降解以及维持血-睾屏障。

单独的雄激素并不能促使管周细胞的分化，它需要同时有促性腺激素作用于Sertoli细胞以间接地刺激管周细胞分化。将管周细胞与Sertoli细胞共同培养能发现：它能增加Sertoli细胞的ABP产量；刺激人Sertoli细胞合成转铁蛋白；改变Sertoli细胞的组织化学特性；影响Sertoli细胞合成的蛋白质的顶端分泌。这些事实表明管周细胞可能调节Sertoli细胞的功能。它能分泌一种非有丝分裂原性旁分泌因子改变Sertoli细胞的功能，称之为P-Mod-S。无血浆的管周细胞培养基能刺激许多由Sertoli细胞合成的蛋白质的产量，如ABP和转铁蛋白。P-Mod-S已经被分离和纯化，并且人们发现在体外培养环境中它比其他的调节因子，如FSH，对Sertoli细胞具有更强的调节作用。P-Mod-S能刺激Sertoli细胞分泌转铁蛋白，其生成量与FSH、胰岛素和retinol的混合物刺激下的产量相同。如果将P-Mod-S与这些激素共同刺激Sertoli细胞则能将其功能增强8～10倍。PMod-S刺激ABP和转铁蛋白合成与mRNA水平升高以及信号传递系统有关。P-Mod-S刺激与细胞分化有关的大部分功能，但是它抑制与细胞分化无关的功能，如顶体酶活性。

P-Mod-S以比任何个体调节剂作用更强并以类似于FSH、胰岛素、视黄醇和睾酮（FIRT）的组合的方式刺激Sertoli细胞产生转铁蛋白。P-Mod-S与FIRT组合反应效果加倍。用P-Mod-S和FIRT的组合增加转铁蛋白的产量是观察到的最高水平的刺激（高达8倍）。P-Mod-S对Sertoli细胞功能的这些深远的影响暗示了对于旁分泌因子的潜在的独特的作用机制。用FSH和FIRT处理60分钟和72小时能刺激cAMP水平升高。相比之下，用P-Mod-S处理60分钟时对cAMP水平没有影响，并且在72小时治疗时仅有小幅的增加。P-Mod-S在15和60分钟之间的处理不影响磷酸肌醇水解。P-Mod-S对cGMP水平的作用在分子水平影响Sertoli细胞功能。Northern印迹分析表明P-Mod-S和FIRT都刺激了转铁蛋白的2600碱基转录本和雄激素结合蛋白的1700碱基转录本表达水平。P-Mod-S刺激转铁蛋白和雄激素结合蛋白表达水平为稳态的2倍，作用类似于FIRT。两种形式的P-Mod-S具有相似的生物活性和作用机制。P-Mod-S（A）和P-Mod-S（B）均刺激cGMP，改变Sertoli细胞基因表达，并对转铁蛋白产生具有深远的影响。尽管化学结构略有不同，但两种形式的P-Mod-S似乎在功能上相似。联合观察表明由管周细胞，P-Mod-S产生的旁分泌因子部分通过cGMP介导的反应作用于Sertoli细胞，以影响特异性基因的表达，随后对Sertoli细胞功能和分化具有深远的影响。

哺乳动物的精子发生（spermatogenesis）依赖于雄激素驱动，由生殖细胞和体细胞相互作用共同完成的。在特定基因表达调控下，精原干细胞经有丝分裂、减数分裂和分化等事件，持续不断产生正常功能精子（functional sperm）。精子发生过程中的转录调控方式有多种：如激素通过与其受体结合成复合物，该复合物与靶基因的顺式作用元件结合，调控该基因转录；转录因子能够直接结合靶基因顺式作用元件调控基因转录，或者染色质相关因子通过DNA组蛋白去甲基化或乙酰化来调控转录。除了转录调控，精子发生还受到复杂的转录后调节，最近睾丸表达多种非编码RNA，如microRNA和piRNA，其中miRNA可以通过结合靶基因的3′-UTR区域调节mRNA的翻译与稳定。可见精子发生相关基因调控十分复杂，阐明精子发生相关基因的表达调控非常重要，不仅助于理解精子发生过程，而且有利于发现治疗男性不育和避孕的新策略、新方法。

第二信使cAMP通过CREs（cAMP response elements）引发转录应答。CREs的保守回文序列（TGACGTCA）能够特异性结合转录因子CREB、CREM和ATF-1。CREM有许多异构体，其中CREM-t在精子发生中起作用，睾丸特异表达，但青春期前小鼠睾丸中并不表达，成年期突然表达升高，在生殖细胞中控制减数分裂后分化事件的关键基因表达。靶向干扰CREM使精子发生停滞在圆形精子阶段，导致雄性不育。CREM的缺失引起某些对精子分化必需的减数分裂后期关键蛋白表达下调，如转换蛋白TP1和TP2、精蛋白PN1和PN2、前顶体蛋白（proacrosin）和钙精蛋白（calspermin）编码的基因。这些基因的启动子都有CREs，是CERM-t直接靶基因。因此， CERM-t可能是生殖细胞中掌控减数分裂后分化事件的关键基因。CERM-t以非磷酸化形式存在，必须与共激活分子（coactivator molecules）结合才能激活下游靶标，睾丸CREM激活子蛋白（activator of CREM in testis，ACT）是CERM-t共激活分子，能反式激活CERM-t。睾丸特异性驱动蛋白KIF17b与ACT结合，是ACT转运子，当精子在Ⅸ期开始延长时，KIF17b与ACT一起转位至胞质，把ACT运出细胞核以便关闭依赖ACT和CERM-t的基因转录。

部分敲除 CREB（缺失α或δ异构体）小鼠生育力低、生殖细胞数量少；完全敲除 CREB所有异构体（α、β和δ）小鼠出生后死亡；用表达CREM显性失活突变体的腺病毒载体选择性敲除 CREB可避免围生期死亡，但生殖细胞凋亡且圆形精子细胞数量锐减。当显性失活 CREB载体在初级支持细胞中表达时，可以引起c-Fos（CREB依赖的转录因子）表达完全抑制。

精子发生中有两类孤儿受体，一是睾丸受体4（testicular receptor 4，TR4），在第一次生精波中发挥作用。TR4特异表达于初级精母细胞，峰值在小鼠出生后21天（减数分裂前期结束），以后持续表达。TR4缺失小鼠表现出生育力下降、产生不到50%的精子，第一次生精波明显推迟，减数分裂前期和后续减数分裂的时间延长。减数分裂终止的特异性分子标记cyclin A1和sperm1在第一次生精波中延迟表达，生殖细胞分裂缺陷导致精子发生停滞在Ⅺ～Ⅻ期。TR4跟NRs一样通过TR4结合位点激活转录，如TR4激活编码甲状腺激素基因和睫状神经营养因子（ciliary neuro trophic factor，CNTF）基因启动子，抑制编码21-羟化酶（steroid21-hydroxylasegene，CYP21）基因的启动子。

另一个孤儿受体是TR2，于小鼠出生后16天的睾丸中表达，28天表达大量上调，成年持续高表达，表达于圆形和长形精子细胞。TR2在手术诱导隐睾（cryptorchidism）和维生素A缺乏（vitamin A depletion）两种睾丸损伤模型中表达降低，表明其在精子发生中可能起到重要作用。对TR2缺失动物表型分析表明，睾丸发育和成年生育方面并没有影响。因此，将来有必要确定TR2在精子发生中的重要性。

热休克因子（heat-shock factor，HSF）对热休克产生应答激活转录。不存在热休克时，HSF也调控胚胎发育和精子发生基因的表达。脊椎动物主要表达HSF1、HSF2和HSF4，在胞质中都以单体存在。受环境因素刺激时，磷酸化并转位入核，然后与其他因子形成高分子量的转录促进复合物。转基因小鼠过表达HSF1引起精子发生阻滞； Hsf2敲除鼠生育能力低下（subfertility），睾丸重量减少，精子数量锐减70%，精原细胞大量凋亡，表明HSF2能够促进减数分裂生殖细胞或分化的精子存活。敲除 Hsf1对精子发生没有明显影响，但同时敲除 Hsf1和 Hsf2出现完全不育，表明 Hsf1和 Hsf2功能冗余但对精子发生很关键。双突变没有晚期精母细胞或精子，生殖细胞不能通过减数分裂粗线期。基因芯片分析显示，100个基因表达降低（超过5倍），多数是分化过程中表达的HSF1及HSF2靶基因，如meg1（殖细胞减数分裂早期表达的细胞周期蛋白）、Xmr（联会复合物促进因子）、同源框基因（ Hoxa4，早期减数分裂表达）和 Pem／Rhox5（Sertoli细胞中表达）。

利用染色质免疫共沉淀技术（ChIP）及与芯片方法（chip）结合（ChIP-on-chip）的方法检测成睾丸HSF2结合位点，显示HSF2主要与Y染色体位点相互作，其靶基因如 Ssty2和 Sly是Y染体臂（MSYq）的雄性特异区域内多拷基因簇部分，专表达于精子发生期间。先前研究表明，删除MSYq区域可导致精子头部缺失和生育缺陷。同样， Hsf2突变生育力降低且有精头部缺陷。上述现象提示， Hsf2突变的生殖缺陷源于Y色染体HSF2靶基因失调。除Y染色体基因表达改变之外， Hsf2还能调节转换蛋白2（TNP2），精蛋白-1（PRM1）和精蛋白-2（PRM2）转录，证明其在精子发生的后期阶段染色质组装事件中发挥要作。

高等脊椎动物锌指蛋白（zinc-finger protein，ZFP）是转录因子中最大的家族。在精子发生中唯一已知起作用的是早幼粒细胞白血病锌指因子Plzf（zinc-finger protein 145，Zfp145）。Plzf开始表达于交配后17.5天的雄性生殖细胞，峰值出现在生殖细胞向精原细胞转化的产后7天，然后表达限定在部分精原细胞。基因芯片分析发现Plzf调控的多是编码转录因子、RNA结合蛋白、代谢酶和细胞周期调控蛋白的基因，但都属于间接调控，因为启动子区都没有Plzf结合序列。

Ovol1是锌指蛋白转录因Ovo家族员。破坏 Ovol1导致表达 Ovol1的组织异常，如睾丸、皮肤、肾脏和生殖道，尤其是睾丸缺陷常明显，出现殖细胞减少及生育力低下。如精原细胞缺失 Ovol1，则约50%不能通过晚粗线期阶段，伴随晚期粗线期精母细胞凋亡。 Ovol1突变的生殖细胞表现为继续增殖和分化，细胞核出现异常早熟cyclin B1。 Ovol1还能通过抑制启动子直接抑制细胞分化抑制因子-2（ID2）基因转录，调控决定植细胞增殖或者分化的分表达。

Wilms肿瘤基因（ Wt1）编码锌指转录因子和肿瘤抑制因子，对胚胎期生殖腺（gonads）发育至关重要。小鼠 Wt1最初主要表达于生殖嵴（genital ridge）细胞，一般是在交配10.5～11.5天。靶向干扰 Wt1后引起生殖嵴细胞凋亡，阻断生殖腺形成。

Wt1条件敲除小鼠生殖管道结构异常，睾丸尺寸减少，说明双向潜能生殖嵴发育为雄性生殖腺需要WT1。在出生后的小鼠表达人工microRNA靶向干扰Wt1，可导致顶部外质特化区（apical ectoplasmic specialization，ES）破坏，ES是长形精子与Sertoli细胞的连接复合物，其破坏可引起生殖细胞凋亡、精子数量减少、运动能力和生育力降低，这与干扰Sertoli细胞Wt1后导致的Eps8和Icap1-α（编码ES关键信号分子）失调有关，WT1可能通过Rac介导的信号转导事件促进Sertoli细胞和生殖细胞联系，最终形成顶部外质特化区。

SRY相关高可变区基因盒（ SRY-related highmobility group box，SOX）转录因子有一个79个氨基酸的可变区盒（High-mobility group box，HMG）DNA结合结构域，指导雄性生殖腺形成。 Sox9位于 SRY下游，负责协调哺乳动物睾丸形成。SOX9和SOX8都表达于支持细胞，与WT1和RHOX5具有一样的促进精子发育功能。干扰 Sox8能引起年龄依赖的精子发生障碍，特征是精子细胞和圆形精子细胞脱落、精子释放阻滞、精子发生周期瓦解，原因可能是缺乏Sertoli细胞和生殖细胞之间的黏附。正常小鼠顶端ES在生精小管周期的Ⅶ和Ⅷ期之间溶解，利于成熟精子从管中释放，而 Sox8缺失小鼠则会出现精子释放的异常。因此，WT-1和SOX8主要负责调控生殖细胞与Sertoli细胞的黏附基因的表达。

X染色体上的 Sox3基因是 SRY前体， Sox3敲除小鼠睾丸变小（约为野生型的40%），附睾精子比正常低3倍，生精小管缺陷多样，最严重的仅仅有支持细胞，生殖细胞完全消失。生殖细胞这种缺陷可能是 Sox3间接作用的结果，因为免疫组织化学分析显示， Sox3在支持细胞核表达。 Sox3同样也在生殖细胞中表达，直接调控生殖细胞分化和存活。 Sox3缺失对支持细胞形态有影响，胞质内有大量液泡（vacuoles）提示可能是Sertoli细胞吞噬作用增强导致液泡形成，与Sertoli细胞吞噬坏死生殖细胞有关。

目前发现20多个 Sox基因，有些可能跟精子发生有关，如 Sox8、 Sox9和 Sox10在支持细胞中重叠表达。 Sox9在成年睾丸生精小管上皮细胞呈阶段特异性表达（主要在第Ⅶ阶段）。 Sox9和 Sox8基因敲除研究表明，二者在胚胎生殖腺发育过程中同样重要，都在交配后第12天开始到第16天的支持细胞中达到峰值，他们与GATA因子、WT1和类固醇生成因子-1一起激活抗穆勒管激素（anti Mullerian Hormone，AMH）表达。

双性和Mab3相关转录因子（double sex and Mab-3-related transcription factor-1，Dmrt1）是具有DM结构域的高度保守转录因子，最初表达于生殖嵴组织，利于生殖腺形成。Dmrt1 mRNA在原始生殖腺支持细胞和生殖细胞表达，产后第1天Dmrt1蛋白表达水平上调，在第7天（此时刚开始启动减数分裂）达到高峰。成年睾丸精原细胞和支持细胞表达Dmrt1蛋白。Dmrt1缺失小鼠表型分析显示其对出生后睾丸分化和支持细胞增殖分化很重要，小鼠睾丸发育不全，几乎没有生殖细胞，不成熟支持细胞过剩，生殖细胞无法迁移到生精小管上皮上，造成增殖缺陷，产后7～10天细胞死亡。最近研究发现，缺失Dmrt1可引起精原细胞进入减数分裂阶段，并干扰Sertoli细胞中周期蛋白基因表达。

同源框（homeobox，Hox）基因编码带60个氨基酸DNA结合基序的转录因子，高等真核细胞基因组发现超过150个同源框基因。Hox亚族的 Rhox（X染色体生殖同源框）基因簇有30多个基因，成年和出生后 Rhox基因主要表达于雄性和雌性生殖组织，编码同源结构域转录因子，调控生殖功能。 Rhox基因有3个亚簇，每一个亚簇的基因在睾丸发育中根据其所处位置顺序表达，如α亚簇第一个基因是 Rhox1，在第一次生精波中表达。多数 Rhox表达于睾丸中的体细胞，一些在Sertoli细胞增殖时表达，另一些是在支持细胞终末分化时表达，提示可能参与支持细胞有丝分裂和发育。

染色质相关基因（chromatin-associated factors）与转录因子互相作用以接近转录调控区域。含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶-2A（Jumonji-C-domaincontaining histone demethylase-2A，JHDM2A）可在组蛋白尾部特定位点去甲基化，是精子成熟正调控因子。另外2个染色质相关因子—PYGO2和BRDT，同样可以促进精子成熟。他们都有可以结合到特异组蛋白修饰位点的结构域，PYGO2有植物同源结构域（plant homeodomain，PHD），能够特异性结合到甲基化的组蛋白残基上，BRDT有一个溴结构域（bromodomain），能够结合在乙酰化的组蛋白残基上，调控转录和染色质浓缩。

JHDM2A（最近命名为赖氨酸去甲基化酶3A，KDM3A），Jhdm2a缺失表现出减数分裂后染色质凝集缺陷，精子染色质包装和凝集所需的过渡蛋白（TNP1）和鱼精蛋白（PRM1）基因是JHDM2A的靶点，JHDM2A直接结合并控制这两个基因的表达。JHDM2A催化结构域突变后引起精子数量减少及不育，形态和核异常，很少有圆形精子细胞能够发育成长形精子细胞。JHDM2A能够通过结合并去除负调控标记—组氨酸H3第9位赖氨酸的甲基（H3K9），进而调控TNP1和PRM1基因表达。

Pygopus（Pygo）是PHD-finger蛋白家族中一员，Wnt通路的共激活子，能在核内结合并维持β-catenin。小鼠有 Pygo1和 Pygo2基因，靶向去除 Pygo1对发育和受精没有明显影响，但去除 Pygo2则产生严重发育异常，包括晶状体发育不全和肾脏畸形，最终导致胚胎死亡。 Pygo2突变后降低减数分裂后基因表达，如PRM1、TNP2和H1fnt这些染色质浓缩需要的蛋白，表明 Pygo2在雄性生殖细胞中与导致核浓缩的染色质重塑事件有关。 Pygo2突变第9阶段的精子细胞缺失组蛋白H3在第9（H3K9）和14位（H3K14）的乙酰化，表明PYGO2能够通过促进这两种组蛋白残基乙酰化，激活精子发生过程中的基因表达。此外，PYGO2的PHD基序能结合组氨酸H3尾部第4个赖氨酸的三甲基化位点（histone H3 tails trimethylated on lysine 4，H3K4me3），这是一个与转录激活基因密切相关的标志。因此，PYGO2转录激活基因的可能过程是：结合到被H3K4me3修饰的等待激活的基因上，然后促进组氨酸修饰（H3K9和H3K4酰化），最后导致转录激活。

“溴”结构域睾丸特异性蛋白（bromodomain testis-specific protein，BRDT）在初级精母细胞和圆形精子细胞中表达丰富，调控染色质浓缩。缺失BRDT引起生殖细胞缺陷，Brdt突变有非正常延伸的（第Ⅸ～Ⅻ阶段）、正常头部的、低数量的精子。睾丸特异性组蛋白异构体基因H1t表达上升，BRDT结合H1t启动子，推测H1t可能在生殖细胞中介导BRDT的功能。Steilmann等发现，可育精子的BRDT启动子区域组蛋白甲基化，提示其表达在受精后会被抑制，但在不育患者中这种甲基化水平较低，表明不育与BRDT转录水平增加有关。

RNAⅡ多聚酶的核心TFIID由TATA结合蛋白（TATA-binding protein，TBP）和14个TBP相关因子（TBP-associated factors，TAFs）组成。TAFs广泛表达于所有细胞，其中TAF4B在生殖细胞中特异起作用，Taf4b缺失小鼠雄性不育，伴随生殖细胞的丢失。

在过去十年，包括miRNA在内的非编码小RNA（small non-coding RNA）的发展被认为是细胞分化翻译调节中最重要的发现。作为雄性配子发生中的关键调节因素，高水平基因表达并不总是与蛋白质表达水平的上升相关。一些积累的研究证据表明，转录后表达的调节机制对于精子发生的成功是至关重要的。越来越多的证据表明，miRNA在转录后表达的调控是睾丸生殖细胞肿瘤（testicular都不加sgerm cell tumours，TGCT）和精母细胞瘤的病因之一。在精子发生期间，对基因表达的时间和空间的调控是至关重要的。特别是转录后调控对精子发生必不可少，这也就是为什么在精子发生期间，一些生殖细胞会发生周期性沉默mRNA。而睾丸生殖细胞肿瘤被认为是一个进展型疾病，正如精原细胞瘤和非精原细胞瘤是由前驱病变原位癌（carcinoma in situ，CIS）发展而来的。睾丸肿瘤有一个特殊的miRNA表达图谱，一些miRNA分子与相关肿瘤赘生物有关。

一些miRNA分子在精子发生期间具有特定调控模式，例如miR-34c在粗线期精母细胞和圆形精子高度表达，miR-34c家族被认为与许多细胞周期调控基因（例如 notch1， cdk4和 myc）相互作用。后来一些研究表明，作为miR-34c的直接目标， tgif2和 notch2在精子发生中的作用非常重要。Notch信号促使生殖细胞从精原细胞开始分化。相反， tgif2是一个tgfb信号的负调控因子，并因此抑制第二次减数分裂。miR-34c与vasa一起在HeLa细胞中过表达可以促进生殖细胞标记物的表达，并由此可以假设，miR-34c可以下调细胞的体细胞特性，增强细胞的生殖细胞特性。

总之，miRNA在生殖细胞功能和细胞命运分化中是关键的因素，可以干扰并转换细胞信号，可以维持未分化的干细胞数量，并允许生殖细胞在精子发生期间分化。miRNA在此期间的一些基本功能对于研究正常或者不育乃至肿瘤发生提供了启示。

目前我们已经确认了40多种癌／睾丸抗原（cancer／testis antigen，CT）。在正常组织中，它们通常由人类生殖细胞中特异表达的基因编码，但又表达于多种肿瘤组织，包括黑色素瘤以及膀胱、肺肾的癌症。这些免疫原性蛋白常常被用作癌症疫苗的靶点。

目前发现的CT抗原中，有44个确定的CT抗原家族，其中一些家族包含多个成员，例如MAGEA和GAGE1，包括例如XAGE1a和XAGE1b之类的剪切复合体。当一个蛋白被确定为CT，它一定是在睾丸／胎盘和肿瘤组织有所表达，且不会在多于两个非生殖组织表达，非生殖组织的表达水平低于生殖细胞。许多其他在体细胞中有所表达的基因，也在生殖细胞的发展和分化中起到重要作用。研究这些基因是否会与CT一同激活，是未来研究癌症中CT基因功能的重要方向。

CT抗原可以依据位于X染色体和不位于X染色体分为两类。44个已列出的CT抗原中的24个，都是CT-X抗原（定位于X染色体上）。在正常睾丸组织中，CT-X抗原主要表达在具有增殖能力的生殖细胞—精原细胞中。 CT-X基因经常是共表达的，表达某个CT-X抗原的肿瘤也会表达其他几个CT-X抗原。 CT-X基因表达的关键元素是启动子的去甲基化。基因启动子的CpG岛甲基化可以影响染色体的结构以及转录因子的结合，导致基因沉默。“表观遗传的重编程”是由DNA甲基化改变和染色体重构，主要发生于配子发生和早期胚胎发生阶段。所有被研究过的 CT-X基因都在体细胞中CpG岛被甲基化，且在精子发生中被去甲基化激活。一些实验证明， CT-X基因启动子的甲基化会导致细胞中正常情况下不表达的抗原表达。

常染色体上的基因，在睾丸中主要表达于分化晚期的生殖细胞，例如精原细胞。一些常染色体CT抗原在睾丸中与减数分裂相关。例如，常染色体CT抗原SCP1和SPO11是联会复合体（synaptonemal complex）的组成部分，SPO11导致DNA双链断裂（double-stranded DNA breaks，DSB），并引起减数分裂期间重组（recombination）的开始。SCP1是联会复合体的横向组分，被认为是进入减数分裂粗线期的标记物。

精子发生受多种基因的调控，其中无精子症因子（azoospermia factor，AZF）区域某些基因的丢失可导致生精障碍并出现严重少精子或无精子。AZF位于Y染色体上，为一基因家族，许多基因与其有关。其中DAZ（deleted in azoospermia）基因为AZF重要候选基因之一。

在人类中，通过新生睾丸的核与胞质染色，发现DAZL在性腺组织均有表达。在男性中，DAZL与BOULE在粗线期精母细胞的核与胞质均有表达，并在减数分裂期间持续存在，在精子细胞中逐渐减少。一些研究表明，缺失了DAZ基因之后，精子虽然可以产生，但是其数量非常少，这提示了DAZ与DAZL之间功能有一些重叠。有趣的是，过表达DAZL、BOULE和DAZ会导致人类胚胎干细胞和多能诱导干细胞分化进入原始生殖细胞样细胞，说明这些蛋白在哺乳类动物原始生殖细胞形成与分化方面起到重要作用。

前体mRNA经过3’聚腺苷酸化和5’加帽修饰等一系列编辑和剪切，最终形成mRNA。mRNA被转运到胞质，其分布、稳定性与功能均到受调节。mRNA转录后的调节被认为对人类胚胎干细胞的形成、精子发生均有重要影响。DAZ家族成员与mRNA相互作用，一般特别是作用于3’非编码区，这提示DAZ在胞质中调节mRNA功能。因为它与3’非编码区有所联系，它们可以在配子发生、性别决定中进行不同水平的转录后调控（图4-16）。

引起男性不育的原因常有系统疾病、营养不良、内分泌疾病、精子运送的解剖学障碍、感染与环境毒物等。此外，尚有约11%的患者病因不明，称为特发性不育（idiopathic infertility），最常见的表现是无精子和少精子。Habennann等发现DAZ基因编码蛋白定位于人后期精子细胞和精子尾部，提示DAZ蛋白在精子发生后期精子细胞变成精子过程中也发挥重要作用。Reijo等对35个少精患者进行118个DNA位点PCR筛选出2名男子存在DAZ基因微缺失。Nakahori等报道153例特发性不育症中发现16例DAZ基因微缺失。Naimabadi等检测60例无精子症和严重少精子症患者中有4例缺失。

RNA生物学近年来备受科学界的广泛关注，尤其是一些非编码小RNA（non-coding RNA，ncRNA）分子，这些ncRNA调节细胞生长和发育的生理过程十分重要。ncRNA调控细胞的生命过程包括转录水平和转录后水平的基因沉默。转录水平基因沉默主要通过改变染色体构象的方式调节基因表达，转录后水平基因沉默是通过mRNA去稳定化或通过抑制mRNA翻译行使其功能。ncRNA基因沉默过程由与小RNA有关的蛋白复合体来执行其功能，而复合体均由Argonaute蛋白家族成员和一些其他蛋白组成。

Mette等在对果蝇雄性生殖细胞的研究时发现了另一群小RNA分子，称之为重复相关小干扰RNA（repeat associating small interfering RNA，rasiRNA）。该类小分子RNA所含核苷酸片段大约由24～26bp的分子组成，富集于果蝇的雄性生殖细胞中，rasiRNA由细胞基因组中的重复序列双向转录所产生，其功能是保护生物体免受外源病毒和转座子对自身基因组的干扰、维持基因组稳定。鉴于rasiRNA富含在果蝇雄性生殖细胞中，和Piwi亚类与细胞的发育调节相关联，最近Lau等在雄性大鼠生殖细胞中纯化出一类含有小RNA和Riwi（鼠类中人Piwi的同源物）复合体，将小RNA和Piwi复合体分离纯化后加以鉴定，发现在复合体中存在一种新型的小RNA分子，该类RNA分子长度大约在25～31nt且在生理状态下与Piwi蛋白相互作用，调节雄性大鼠生殖细胞的发育成熟，科学家将与Piwi蛋白结合的小分子RNA称为piRNA（Piwi-interacting RNA）。

随后，几个研究小组通过检测Piwi复合体中piRNA链的特性，发现一个更有意义的现象：Piwi与Aubergine蛋白偏好结合相对于转座子反义链的piRNA，相反Ago3蛋白偏好结合正义链，最重要的是他们发现正义piRNA与反义piRNA之间存在独特的互补关系，表现为互补piRNA的5′末端相距10个碱基。独特的互补方式暗示人们piRNA以不同于siRNA或miRNA的方式剪切，同时暗示人们在Piwi介导的剪切机制中可能产生新的piRNA。在此基础上，多个研究小组同时提出piRNA自我扩增模型，该模型类似于植物中由RNA依赖性的RNA聚合酶产生次级piRNA过程。piRNA扩增起始于初级piRNA转录物剪切，初级piRNA来源于基因组中异染色质区域缺陷转座子拷贝。该群piRNA与反义基因组中可表达的转座子转录物、并结合到Piwi或Aubergine蛋白上。然后Piwi／Aubergine-piRNA复合体识别并剪切目标转座子转录物，产生新的正义piRNA分子，正义piRNA可以结合Ago3蛋白，然后正义piRNA-Ago3蛋白复合体识别初级piRNA转录物，并剪切生成新的反义piRNA并结合到Piwi或Aubergine蛋白，至此完成了piRNA扩增的一个循环过程，这就是乒乓循环（ping pong-cycle，图4-17）。从该模型中可以看出扩增事件发生基于不同piRNA群之间序列之间的相互作用，只要次级反义piRNA能够识别并沉默目标转座子即可使扩增通路呈正反馈状态。

在胚胎发育的E7.5天，原始生殖细胞开始分化。它们在E11.5天迁移到性腺，成为性原细胞，并被阻滞在G1期。在这一时期，胚胎生殖细胞通过对体细胞DNA甲基化擦除（erasure of somatic DNA methylation patterns，DNA deMe），从而对全基因组的表观遗传重编程。在出生后，两波大范围的转录发生在减数分裂和精子形成期。与粗线期piRNA不同，粗线期前piRNA片段富集，并与转座子（transposable elements，TE）配对，从而表达在特定的精子发生时期。粗线期前的miRNA与MIWI2同步表达。MVH也在生殖细胞中长期表达。

来自miRNA基因的长dsDNA环被Drosha在核中分离，并导致miRNA未来暴露于胞质，并由Dicer处理为成熟miRNA。一般，在RNA介导沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）中，miRNA介导的翻译抑制和mRNA降解与Ago蛋白有关。在出生后的精原细胞和精母细胞中，piRNA通过乒乓循环（ping pong-cycle）产生。这些正向piRNA可以与MILI完美的结合，反向piRNA也会在。MIWI2特异性富集于piRNA，可以介导转录水平的DNA甲基化。出生后，MIWI2不再表达，MILI继续起作用，MIWI开始介导转座子基因转录沉默。piRNA也会与精子发生相关mRNA结合，并在圆形精子阶段调控精子的形变。

虽然睾丸功能的调节主要是由下丘脑-垂体睾丸轴中枢结构控制，但是睾丸内部的各种细胞和结构也会进行各种局部调节（local interaction）机制。局部调节和交流机制可以被分类为旁分泌（paracrine），指的是相邻细胞间扩散的因子作用；自分泌（autocrine），指的是因子由某个细胞释放后，返回作用于同一个细胞；胞内分泌（intracrine），指的是那些没有离开过细胞的因子和化学物质，它们产生和工作的场所是同一个细胞。

很显然，内分泌机制在睾丸功能调控中扮演了很关键的角色。局部调节因子对于睾丸激素调控很重要。因此，局部因子被视为激素活动和细胞内／细胞间交流的中介。基于此观点，无论是配子发生（gametogenesis）还是睾丸内分泌功能都受局部调节控制。

许多局部调节物质都通过自分泌和旁分泌的作用参与了精子发生中的有丝分裂增殖、减数分裂和分化，包括类固醇激素、胰岛素样因子、生长因子、免疫系统因子等。

睾酮（testosterone），以及双氢睾酮（DHT）、雄酮（androsterone）、雄烯二酮（androstenedione）、17-羟黄体酮（hydroxyprogesterone）、黄体酮（progesterone）、孕烯醇酮（pregnenolone）是睾丸主要的分泌产物。雄烯二酮、黄体酮、17-羟黄体酮在睾丸中的作用依然未知，但是在小管旁和精子上找到了孕激素的受体。使用黄体酮、庚酸炔诺酮的衍生物，没有发现直接在睾丸、附睾上的作用。

对于睾酮，一个经典的内分泌因子，是一个重要的精子发生调控者，在睾丸中既是内分泌因子也是局部（旁分泌和自分泌）因子。啮齿类动物的数据证明了Leydig细胞的选择性淘汰。管周细胞雄激素选择性受体敲除小鼠展示了具体的Sertoli细胞和管周细胞异常。患leydig细胞肿瘤的男孩睾丸中会有精子发生，但是只在毗邻肿瘤的生精小管，而不在无肿瘤区域。类似的，LH受体突变也会导致大量正常精子发生提前产生。

在生育力良好的男性睾丸中，睾酮浓度超过SHBG／ABP约200倍，这提示睾丸中睾酮处于显著的盈余。同时，睾丸的睾酮浓度超过血清约200倍。睾酮被睾丸中5α-还原酶代谢为双氢睾酮，被睾丸芳香酶代谢为雌二醇。除了睾酮本身，这些代谢活动相对于精子发生重要到什么程度，依然有待研究。对志愿者进行5α-还原酶代谢抑制剂非那司提治疗，精子发生并无改变。然而近期，有报道指出非那司提和度他雄胺治疗导致精子数量轻度的减少。激素避孕（睾酮和乙羟基二降孕甾烯炔酮）时增加度他雄胺并没有增加精子发生的抑制效果。考虑到雌二醇，芳香酶和雌激素受体-β存在于人类Sertoli细胞和生殖细胞。非人类灵长类季节性生育模型（帽猴）给予芳香酶抑制剂，导致精子发生的损伤，改变了精子染色质浓缩。

胰岛素样因子3（insulin-like factor3，INSL3）是由leydig细胞产生的松弛肽类蛋白质激素（relaxinlike proteohormone）。它们通过G蛋白耦联受体（LGR8）发出信号，且表达于间质细胞和减数分裂后的人类睾丸组织，但不表达于管周细胞和Sertoli细胞。有证据表明INSL3是leydig细胞分化和进入雄性青春期的标记物。其表达水平受hCG／LH影响，但是这个影响与LH在睾酮合成期间的类固醇产生效应无关。INSL3受体展现在晚期的生殖细胞，说明INSL3在精子发生中的有局部调控作用。

生长因子与表面受体结合，通过分化信号转导传递，介导细胞特定分化。在这些因子中，参与精子发生局部调节的是转化生长因子（transforming growth factor，TGF-α／TGF-β），抑制素（inhibin）和活化素（activin），神经生长因子（nerve growth factor，NGF），胰岛素样生长因子I（insulin-like growth factor I，IGF），成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF），以及表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）。

抑制素和活化素在Sertoli细胞中表达，抑制素异二聚体是由一个α亚基和一个βA或βB亚基构成的，而激活素是同源二聚体（βAβA或βBβB）。这些α-β多肽是促性腺激素FSH释放的有效抑制剂。抑制素A抑制Ⅰ型精原细胞和前细线期精母细胞合成DNA，在Leydig细胞，α-β多肽增强雄激素的合成，而在Sertoli细胞，FSH和LH能刺激抑制素的释放，因此在体内产生了负反馈系统。

IGF-1和TGF-α对睾丸精子发生有促进作用，然而TGF-β起抑制作用。人类Leydig细胞的类固醇激素活动也受EGF控制。IGF-I由Sertoli细胞分泌，其浓度与粗线期精母细胞数量正相关。在人类中，IGF-I于精母细胞高表达，在减数分裂细胞中刺激DNA合成。IGF-I增强LH与Leydig细胞的结合，增加LH诱导的睾酮和脱氢表雄酮硫酸酯的含量，在小鼠编码IGF-1的Igf1基因突变时，其睾丸体积小于正常，而精子发生仅为正常的18%，在体外培养手术隐睾小鼠睾丸组织时，10ng／ml IGF-1能诱导A型精原细胞分化。原发性生长激素抵抗（primary growth hormone resistance，Laron syndrome）患者给予IGF-1能增加睾丸尺寸，但也可能与促性腺激素和睾酮分泌增加有关。

神经生长因子可能与人类生精小管结构组织有关，因为生精小管的培养只有在NGF的存在下才可以成功的，NGF免疫细胞化学结果显示定位在小管外周。在大鼠中，神经生长因子是减数分裂重要的调控因子。

表皮生长因子是颌下腺分泌产物，在睾丸内与膜受体具有高亲和力（KD=0.77nmol）和低容量（Bmax=8.15 fmol／mg蛋白质），其分子量为170kDa。EGF对睾丸细胞的调节作用较多。能增加Sertoli细胞对FSH的应答，也能增加Sertoli细胞分泌IGF-I，并能刺激Leydig细胞合成黄体酮和雄激素，调节精子发生。在大鼠，神经营养蛋白受体由低亲和力P75NGF受体（LNGFR）和高亲和力酪氨酸激酶（trK）受体组成。LNGFR分子量为75kDa，定位于Sertoli细胞和管周肌样细胞。LNGFR基因表达产物和trK受体基因表达产物首先出现在不成熟的大鼠睾丸，出生后10～20天的大鼠睾丸表达最为丰富；随着年龄增长，大鼠睾丸P75 LNGFR和trK受体的表达呈进行性下降，到出生90天时，已难以观察到其表达。在小鼠和大鼠，LNGFR mRNA随精子发生的开始又出现在粗线期精母细胞和圆形精子细胞。手术唾液腺切开引流的8周小鼠，血中EGF水平降低，导致前细线期和粗线期的精母细胞及圆形精子细胞减少，精子数减少，产生的精子其运动能力和受精能力也降低。在刚出生的牛睾丸，LNGFR分布在管周成纤维样间质细胞中。随着这些细胞分化为Leydig细胞和管周肌样细胞，LNGFR表达出现在间质的纤维细胞和成纤维细胞。LNGFR也分布在前精原细胞（prespermatogonia）、A型精原细胞和Ⅰ型精原细胞的胞膜上，B型精原细胞没有表达。在A型和Ⅰ型精原细胞中，LNGFR的表达在细胞分裂的特定周期，出现在G1期。在人类，正常人群EGFR在Sertoli细胞和生精细胞中弱表达，在睾丸疾患的不育症，如精子发生严重低下、精原细胞和精母细胞阻滞及唯Sertoli细胞综合征等，EGFR具有很强表达。这些患者血浆中FSH水平高于正常人。如给机体外源性FSH时，EGFR表达增强，提示FSH对EGFR的表达具有调节作用。

成纤维细胞生长因子包括酸性FGF（FGFa）、碱性FGF（FGFb）和basic FGF（bFGF）。FGFa增强Sertoli细胞对FSH的敏感性，促使Sertoli细胞分泌IGF-1。在胚胎大鼠睾丸、新出生的大鼠睾丸和出生后3天的大鼠睾丸细胞培养中，加入1ng／ml FGF-2能明显增大Sertoli细胞存活数量，但不增加Sertoli细胞摄取3H-胸腺嘧啶，提示FGF是Sertoli细胞体外存活因子。1、5、10ng／ml FGF对精原细胞的增殖具有明显的刺激作用，当加入抗FGF抗体时，精原细胞的体外存活率明显下降，提示FGF不仅是一个细胞存活因子，也是一个促细胞分裂因子，对启动精子发生具有重要作用。bFGF由大鼠睾丸精母细胞分泌，免疫组织化学和Western印迹分析，bFGF分布在粗线期精母细胞和Leydig细胞；bFGF受体分布在圆形和长形精子细胞及Sertoli细胞。大鼠睾丸中具有两种分子量大小不同的受体，120kDa和145kDa。生殖细胞含两种受体，而Sertoli细胞仅表达120kDa受体。提示bFGF具有调节Sertoli细胞的功能，bFGF及其受体的表达可能是精子发生过程中生殖细胞与Sertoli细胞和／或生殖细胞与生殖细胞之间信息传递的一个重要成分。

免疫系统的细胞为睾丸提供了生殖细胞发展的特殊环境。在睾丸类固醇激素生成的过程中，免疫因子也会处于一个直接的角色，且可能与雄性不育有关。这些因子包括白细胞（leucocyte）、巨噬细胞（macrophage）、肥大细胞（mast cell product）产物，例如，干扰素（interferon）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、白介素（interleukins）、白血病抑制因子（leukemia inhibing factor，LIF）、干细胞因子（stem cell factor，SCF）、巨噬细胞迁移抑制因子（macrophage migration inhibiting factor，MIF）等细胞因子（cytokine），均与细胞表面受体结合，引起细胞增殖和分化。TNF和LIF被怀疑是在Sertoli细胞和生殖细胞中互动以及Sertoli细胞增殖的自分泌控制中起作用。MIF是由Leydig细胞产生的。随着Leydig细胞的凋亡，在Sertoli细胞、基底生殖细胞和管周细胞中有表达，提示是维持睾丸MIF产生的一个补偿机制。与白介素不同，SCF和其受体（c-kit）是原始生殖细胞迁移和成人睾丸精原细胞分化的重要局部调控因子。SCF由Sertoli细胞合成和分泌，其受体表达于精原细胞表面。SCF／c-kit系统对于精原细胞分化和发展非常重要。

细胞的程序性死亡（programmed cell death，PCD），又称细胞凋亡（apoptosis），与坏死（necrosis）不同，这种类型的细胞死亡发生在生理状况下（自发凋亡），也可能在毒物暴露、内分泌紊乱、分子生物学调控等情况下引发。

在人类睾丸中，存在有精原细胞、精母细胞和圆形精子的凋亡。在非人类灵长类实验中，内分泌失衡或热治疗会导致睾丸内生精细胞通过内源性或外源性途径凋亡。有研究表明，在非人类灵长类模型中，Ap型精原细胞向B型精原细胞的分化是促性腺激素独立调控的。而根据研究数据表明，相对于刺激细胞增殖，促性腺激素更有可能是精原细胞的存活因子。例如FSH会使细胞增殖，减少细胞的死亡。

成熟精子的产生是一个复杂的过程。在小鼠中，此过程开始于胚胎，在交配后第11.5天，此时原始生殖细胞（primordial germ cells，PGC）占据生殖嵴（genital ridge）并开始产生性腺。基于承载Y染色体的支持细胞的影响，一些原始生殖细胞开始增殖分化，而一些开始凋亡。而此时剩余的细胞变成性原细胞（gonocyte）。性原细胞在出生后保持静止，直到它们被激活。

在年轻动物体内，一连串由性原细胞起始发展为精原细胞再分化到精子的过程称为精子发生。整个过程中，各种生殖细胞被支持细胞所包裹。支持细胞具有营养、运输和附着的功能，此外，它还会产生决定生殖细胞命运的信号。第一波精子发生起始于性原细胞分化的精原细胞。在小鼠中，发生于出生后5天，在人类中，发生于出生后6个月内。一些精原细胞分化为精原干细胞，另一些分化为精母细胞，在出生后大约10天的小鼠以及青春期的人类开始发生减数分裂。在小鼠中，单倍体精子在第20天产生，在第35天被释放到生精小管管腔。第一波精子发生有生殖细胞凋亡的聚集，这在小鼠出生两周后达到顶峰。这一过程由多种信号调控，同时可以反映在由Sertoli细胞主导的生殖细胞数目上的调整。为了证明该理论，有研究在未成熟大鼠睾丸中还原增加了Sertoli细胞数量，结果发现精原细胞数量也随之增加。

在成年动物体内，精子发生的特征是由连续的生殖细胞成熟并进入管腔的中央：精原细胞的有丝分裂增殖、精母细胞的减数分裂、精子细胞的分化和最终精子释放进入管腔。为了达到雄性个体内各种生殖细胞的稳态，生殖细胞更新、增殖、排出和凋亡必须达到平衡。雄性生殖细胞确切的凋亡事件依然不清楚，因为并不是所有退化的生殖细胞都有一个明显的经典凋亡形态学变化。精原细胞和精母细胞都能发生凋亡，因为它们展示了许多经典的形态学和生物化学特征，例如DNA在核边缘的浓缩和通过末端脱氧核糖核苷酸转移酶（terminal deoxynucleotidal transferase）标记。观察凋亡的圆形精子会发现，凋亡的生殖细胞既会脱落于管腔，也会被Sertoli细胞吞噬。精母细胞的和长形精子细胞的凋亡会显得更不明显，一些可以被末端脱氧核苷酸转移酶和Annexin V标记，但它们并不显现与凋亡相关的核酸特征。

在成熟精子释放进入管腔的过程中，残余体（residual body）从多余的胞质中形成，且被支持细胞吞噬。这些残余体可能会通过独立于细胞核的凋亡程序清除，因为一些凋亡标记物在大鼠支持细胞的胞质中能检测到。精原细胞的凋亡，与经典凋亡有所不同，因为没有半胱氨酸蛋白酶（caspases）的表达。

一些旁分泌信号是生殖细胞命运的调控者，它们在胚胎发展期间非常重要。例如原始生殖细胞（PGC）表面会形成受体，PGC在培养中会在细胞表面表达白细胞抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）受体，且PGC的存活是由LIF介导的。其他一些因子也会维持PGC在体外存活，包括白介素4（interleukin-4，IL-4），基本纤维生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF），可溶性干细胞因子（a soluble form of stem cell factor，SCF），以及骨形态发生蛋白4（bone morphogenetic protein，BMP-4）。相比之下，转化生长因子（transforming growth factor，TGF-α／TGF-β）会导致性原细胞在体内的凋亡（图4-18）。因此，就像原始生殖细胞一样，性原细胞的命运最终也会由旁分泌因子调控。

在成年时期，BMP家族成员会推动生殖细胞的在体凋亡。由圆形精子分泌的BMP-8A和BMP-8B，会向精母细胞提供存活因子。小鼠缺少BMP8B，会导致其初级精母细胞凋亡的比例上升。缺少BMP8A的小鼠也会出现相同的异常，但其表型更加复杂。Dhh是一个间接推动凋生殖细胞亡的旁分泌信号，其由Sertoli细胞分泌。缺乏Dhh的小鼠会因为Leydig细胞功能异常加速了精母细胞的凋亡。

很多有毒物质对生殖细胞存活的影响都有研究，为精子发生凋亡毒理学领域提供了的许多有趣的观点。

邻苯二甲酸盐（phthalates）是一种普遍存在的环境毒物，在动物实验中，它可通过生殖细胞凋亡介导睾丸萎缩，这与睾丸Sertoli细胞Fasl水平上升有关。硝基苯（nitrobenzene，NB）是橡胶、杀虫剂和药物的重要组成部分，被认为是体内的一种睾丸毒物。患全身性淋巴增生疾病（generalized lymphoproliferation disease，gld）成年小鼠使用单次口服量800mg×kg ^-1的硝基苯后，其凋亡指数相对于野生型小鼠明显上升。类似的，8周龄的Fas变异小鼠，经过硝基苯处理后，其凋亡指数相对于野生型小鼠也有所上升。电离辐射（ionizing radiation）对生殖细胞凋亡的影响也不容小觑，X或γ射线对新生或前青春期啮齿类动物生殖细胞凋亡的影响。相对于其他影响睾丸的化合物，人们熟知乙醇（ethanol）对健康的影响。过量乙醇的暴露会影响下丘脑-垂体-性腺轴（hypothalamic-pituitary-gonadal axis），并且会反作用于Sertoli细胞。当暴露使用20%酒精的时候，普遍过表达人类FasL的转基因小鼠在使用20%酒精处理后，相比野生型会显著出现更多的凋亡生殖细胞。这提示了FasL表达会提高小鼠睾丸对酒精的敏感度。双酚A（bisphenol A，BPA）是一个有机化合物，是塑料和聚碳酸酯的重要组成部分。它被归类为一个内分泌的干扰物，会导致Sertoli细胞的空泡化，生殖细胞的退化。2-溴丙烷（2-bromopropane，2-BP）是合成药物、染料和其他有机化合物。他被认为是一个生殖系统的毒性物质，流行病学调查和动物实验也提示2-溴丙烷会导致生殖系统和造血功能的紊乱，会导致精原细胞开始初步凋亡，并且会下调抗凋亡蛋白Bcl-2，以及上调促凋亡蛋白Bax。

近年来的研究已经发现许多基因都具有介导凋亡的能力，相关机制的研究也越来越完善。原始生殖细胞起源于胚胎外胚层并逐渐迁移到生殖嵴，在这个阶段，凋亡的细胞会显示异常的迁移。这个阶段细胞发生凋亡，主要依赖于Bcl-xL和Bax。Bcl-x敲除的杂合［Bcl-x（+／-）］小鼠表现出了严重的雄性生殖细胞发育障碍。在敲除Bax和过表达Bcl-2或Bclx的转基因小鼠，其早期凋亡减少，引起精原细胞和精母细胞的聚集，并导致实验动物的不育。而缺乏Bcl-2的小鼠并没有发生显著的不育，那些表达低水平Bcl-xL的小鼠显示了生殖细胞死亡数量增加。因此，基因表达会改变凋亡保护和凋亡介导蛋白之间的平衡，这与Bax过表达类似。FasL可以激活281aa的长跨膜分子Fas，FasL和其相应的Fas受体都与寡聚体相互作用，激活后的Fas受体复合体启动了受体介导细胞的促凋亡信号。Fas受体和配体都在睾丸中表达，其受体的上调与大鼠精子发生中精母细胞凋亡有关。

cAMP反应元素调节子（cyclic AMP-responsive element modulater，CREM）在减数分裂后精子细胞中高度表达，是一种转录激活因子，它对一些单倍体生精细胞转变为精子的基因的激活有重要作用。CREM基因突变小鼠中精子形成过程的第一步即被阻断，生精上皮中后期的精子细胞、成熟精子均缺失，而发生凋亡的生精细胞数量显著增加。 CREM基因突变所致精子缺失可能在人类男子不育症中也起一定的作用。70kDa的热休克蛋白（heat shock protein，HSP）基因突变可使减数分裂后精子细胞缺失并导致不育。研究表明，HSP70-2通过抑制进入减数分裂期精母细胞核染色体联会而干扰减数分裂，使生精上皮中精母细胞凋亡急剧增加。以上结果表明 CREM， HSP70-2基因均能抑制细胞凋亡，其突变型则可诱导细胞凋亡。大量研究证实，50多种不同细胞和组织类型肿瘤中约55%存在P53基因的突变，这种突变通过胞核内异常P53蛋白过度表达来起作用。对25例睾丸生精细胞癌研究发现 p53基因也有突变，且部分细胞核内可见过度表达的异常P53蛋白，该蛋白失去抑制肿瘤的作用。同时 mdm-2基因的mRNA过度表达，并与P53蛋白过度表达相关，因此认为 mdm-2基因mRNA水平是由P53来调节的。有报道认为转移性睾丸癌细胞有两个特征，对药物诱导细胞凋亡具有高度敏感性：①具有功能性P53：P53依赖基因 waf-1的产物在药物处理后增加；②睾丸癌能表达高水平的凋亡促进蛋白bax而无凋亡抑制蛋白bcl-2的表达。因此临床上转移性睾丸癌可以治愈而膀胱癌等实体瘤不能治愈。原发性睾丸癌对何种刺激（如药物，放射线等）最敏感，其分子机制如何有待深入探讨。

21世纪是生命科学的世纪，医学科学和环境科学面临严峻挑战。全球工业化，都市化和现代化进程的加快，伴随着环境污染和环境质量的日益恶化，这已构成对全民健康的严重威胁。其中，环境有害因素对睾丸精子发生的毒理作用问题是当代毒理学研究的热点之一。丹麦学者Carlson和Giwercman对全球20个国家（1938—1991）14 947人的精液质量做了分析，表明人精子密度已由113×10 ⁶／ml降至66×10 ⁶／ml，精液量由3.40ml降至2.75ml。与1940年相比，欧洲和美国男子的精子密度下降了50%，精液量减少了25%，精子活动力也有所下降。我国张树成等对39个县、市（1981—1996）成年男子11 726人次精液质量分析结果表明，精子密度已由103.02×10 ⁶／ml降至83.84×10 ⁶／ml，精液量由3.31ml降至2.97ml，精子异常率由14.98%上升至22.11%，同时男子不育和男子生殖系统发育异常明显增多。精子发生涉及由相对未分化的二倍体干细胞到高度特化、能运动的单倍体细胞的连续复制而复杂的变化。而且，这些单倍体配子必须能够于女性生殖道内游动，并使一个卵子受精，发生在生殖系统的这一高度复杂过程由下丘脑-垂体和睾丸激素严格调控，从而使其容易受内分泌器官尤其是大脑的影响。毫无疑问环境因素可以在不同阶段通过多种方式对生殖细胞发育产生不良的影响。

研究表明，多种环境污染因素可能影响精子发生过程，主要有化学因素、物理因素、生物因素三大类。

在诸多污染物中约有70%以上与环境内分泌干扰物（含环境类雌激素）有关，其对人类健康影响最广，危害最大，因此也是相关研究的重点和热点。

在1999年国际职业与环境医学会议报告中明确，环境内分泌干扰物是指具有类似或抑制天然激素功能或干扰生物体对免疫和神经内分泌系统自生调节功能的一大类环境化合物。环境内分泌干扰物是存在于环境中、干扰生物和人体正常内分泌功能的化学物质，主要由人类活动释放到环境中并对生物和人体内正常激素的合成、释放、转移、代谢等施加影响，且具有类似雌激素作用，统称为EDCs，也称内分泌干扰化学物。在1999年美国环境保护署内分泌干扰物筛选测试咨询委员会，确定环境内分泌干扰物是指通过干扰激素的功能，引起个体或人群可逆性或不可逆性生物学效应的环境化合物。

EDCs大都是亲脂性的化学物质，具有富集作用，通过食物链在生物和人体脂肪组织中累积浓集，从而增强其浓度和生物药效性。EDCs具有潜在干扰内分泌系统的作用，主要影响体内维持动态平衡和调节生长发育的激素的产生、释放、转运、代谢、结合、活化或灭活。实验证明，EDCS对动物雌激素、雄激素、甲状腺激素、儿茶酚胺等都有显著的影响作用。EDCs主要用于除草剂、杀虫剂、防腐剂、杀菌剂、防污剂及洗涤剂等。

2008年，内分泌学会召集了一个专家小组，审查环境内分泌干扰化学品（EDCs）对内分泌影响的现状，2009年出版了具有里程碑意义的科学声明，以下称为“EDC-1”。EDCs是干扰激素作用的任何方面的数百或更多种“外源性化学物质或化学物质的混合物”。在接下来的5年中，该领域大大向前迈进。四个方向的研究加深了我们对EDCs的了解：①描述EDC暴露对发育和生理学的影响的研究（主要在啮齿动物模型中进行，但在羊和非人灵长类动物中有一些显著的例外）；②报告调查这些疾病的机制基础（在细胞和组织培养中诱导的基因表达和表观遗传改变，以及在EDC暴露的动物内分泌组织中进行的分子和细胞工作）；③记录某些EDC的身体负担与人类疾病倾向之间的关系（主要是流行病学工作）；④对已知职业或急性暴露于具有EDC活性的特定化学品或化学品组的人的研究。

关于EDC的第二个科学声明“EDC-2”，重点介绍了在过去5年中获得最大研究进展的内分泌系统的一个子集：肥胖，糖尿病和心血管疾病；女性和男性繁殖；某些激素敏感性癌症；前列腺；甲状腺；大脑，特别是神经内分泌系统和神经发育。在已知的EDC中，几类研究进展迅速，包括双酚A（BPA），邻苯二甲酸酯，除草剂，农药如DDT，以及工业化学品如多氯联苯（PCB）和多溴二乙醚（PBDEs）。这些和其他EDC对多种内分泌终点具有广泛的影响，并通过体内的各种机制起作用。此外，EDCs通常具有多种同源物和代谢物，其可以通过各种机制影响身体（表4-3，表4-4）。

EDC在体内起作用的机制是相当复杂的，与内源性激素不同，EDC不是天然配体，并且不以相同的特异性和亲和力与激素受体相互作用。然而，EDCs干扰内源性系统。大多数关于EDCs的先前研究集中在它们对雌激素受体（ER）的作用，以及在较小程度上抗雄激素和甲状腺作用。在过去5年中，已经有越来越多的证据表明EDC对这些受体类别以及核受体超家族的其他成员如糖皮质激素和过氧化物酶体增殖激活受体（PPAR）家族的影响超越核受体超家族。现在更多的是研究EDC对核和膜受体，包括类固醇膜相关受体，肽和蛋白质受体和神经递质受体的影响。

EDC领域的一部分复杂性是外源性化学物质被添加到内源激素环境的顶部，使得激素和化学物质形成复杂混合物，剂量加和性和协同作用是常态。Kortenkamp及其同事清楚地表明，尽管每种异种雌激素的浓度都低于它们产生观察效应的浓度，多种异种雌激素可以在酵母雌激素系统测定中调节17β-雌二醇的作用。此外，Nagel等人证明了异丙雌激素对雌激素受体的相对结合亲和力如何通过缓冲液中血清结合蛋白的存在而改变。这项工作有两个重要的影响。它首先表明，即使“弱”雌激素可以显著改变雌激素作用，其次，没有明显的效应阈值。因此，我们不应该认为化学品是单独作用，而是混合作用。ER可能是混合物效应的重要目标，因为存在与ER的配体结合结构域相互作用的许多种类的化学结构，并且雌激素信号转导对生殖具有重要的可观察到的影响。

研究表明，EDCs可明显减少精子的形成，导致可逆性或永久性生精障碍，其作用因素和环节有许多，其中遗传性状的改变是一个重要方面。EDC领域在雄性生殖生物学中具有很重要地位。有越来越多的机制证据表明EDCs，特别是那些抗雄激素的，在男性健康的发展和维持的损伤中发挥关键作用。与发育性接触EDCs相关的一些潜在缺陷和疾病是尿道下裂，隐睾，睾丸生殖细胞癌和精液质量下降。在组合中，这些缺陷被称为睾丸发育不全综合征，并且已经提出睾丸发育不良综合征的增加部分原因是发育期间过多的暴露于EDCs。

邻苯二甲酸酯类：如二乙己基邻苯二甲酸酯（DEHP）、二正丁基邻苯二甲酸酯（DBP）等，被广泛用于化学工业，可引起明显睾丸损害，DBP和DEHP可破坏睾丸Sertoli细胞间的紧密连接结构，增强Fas／FasL细胞凋亡系统表达，导致生精细胞从生精上皮上脱落，这可能是引起睾丸萎缩的一个主要原因。DBP和DEHP可破坏Sertoli细胞间的紧密连接结构，表现为紧密连接蛋白ZO-1、E-Cadherin和F-actin表达减弱，Sertoli细胞功能变化启动了细胞凋亡程序，诱导Fas／FasL蛋白表达增强。使携带Fas的生精细胞凋亡增强，通过细胞凋亡作用而清除的生殖细胞增多，从而引起生精细胞从生精上皮上脱落，导致睾丸生精上皮变薄，甚至引起睾丸萎缩。Sertoli细胞已被公认为是邻苯二甲酸酯的靶细胞，Sertoli细胞中的线粒体和受FSH激发的腺苷酸环化酶系统是DEHP的代谢产物MEHP的靶位点，能使Sertoli细胞的突起和微丝萎缩，ATP生成量减少25%，FSH激发的cAMP减少40%。同样研究发现，DBP可使生精细胞脱落，生精小管萎缩，生精细胞与Sertoli细胞分离，原因是DBP的代谢产物MBP可透过血-睾屏障到达生精小管腔内，明显抑制Sertoli细胞琥珀酸脱氢酶和生精细胞山梨醇脱氢酶的活性，可使以葡萄糖，山梨醇糖和果糖为来源的能量供应缺乏，干扰Sertoli细胞的能量代谢从而影响生精过程的能量供应。另外，MBP可与铁离子形成一种复合物，导致铁的水平降低，而正常情况下，Sertoli细胞分泌的转铁蛋白主要结合于初级精母细胞，铁的丢失提示生精细胞表面可发生变化而阻碍其附着于Sertoli细胞，造成两者的分离，干扰之间的联系。

硝基苯类化合物：研究表明，硝基苯类化合物可引起动物睾丸损伤，间二硝基苯（mDNB）的睾丸毒性是对Sertoli细胞的直接损害所致。mDNB对Sertoli细胞的攻击有精子发生期的特异性，对Ⅸ、Ⅹ阶段生精小管的Sertoli细胞产生特异危害。McLaren等证明，mDNB、NB对大鼠生精小管的蛋白质分泌呈明显的阶段特异性影响，NB可使Ⅵ～Ⅷ和Ⅸ～Ⅻ阶段生精小管结合35S蛋氨酸进入分泌蛋白的量减少，而mDNB则使Ⅶ阶段生精小管结合35S蛋氨酸进入分泌蛋白的量增加。已知Sertoli细胞通过分泌不同的蛋白质控制精子的发生过程，使生精小管发生周期性的变化，而mDNB等正是对Sertoli细胞的如上作用影响到精子发生的过程。近期研究发现，三硝基甲苯（TNT）可使大鼠睾丸萎缩，输精管上皮变性、坏死，引起精子和精母细胞减少，睾丸的多种酶的活性降低：低剂量可引起6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G-6-PD）和酸性磷酸酶（ACP）活性降低，高剂量可引起乳酸脱氢酶（LDH）和琥珀酸脱氢酶（SDH）活性降低，由此可见，TNT可影响生精过程能量代谢而影响精子发生。

多环芳烃类：双酚A（BPA），双酚F（BPF）是典型的多环芳烃类环境内分泌干扰物。根据美国疾病控制和预防中心进行的国家健康和营养调查，在美国超过90%的一般人群的尿液中检测到BPA的生物活性。在中国，在汽车和工业生产迅速增加的情况下，最近的一项研究表明，在100%的测试候选物中检测到多环芳烃的代谢物，与男性不育有关。在环境相关剂量水平，能够通过膜雌激素受体（ER）和可能的G蛋白耦联介导其生物效应（例如增加睾丸精原细胞瘤的增殖）。事实上，BPA可以通过非膜ER启动通路。此外，BPA显示在产前和新生儿暴露后以小于50μg／（kg·d）（目前由美国食品和药物推荐的人每日摄入可接受的“安全”剂量）引起男性和女性生殖系统的缺陷，表明BPA可以通过多个途径和不同的机制影响生殖系统。

农药及环境雌激素类：农药按其化学成分可分为有机磷农药（如对硫磷、内吸磷），有机氯农药（如双对氯苯基三氯乙烷、六氯环己烷），甲丙氨酯类（如1-萘基-N-甲基甲丙氨酯）以及苯氧羧酸类除草剂，杀虫脒类和二溴氯丙烷（DBCP）等。其中有机磷农药和甲丙氨酯类男子生精毒性不明显，个别品种有影响，如敌敌畏可引起大鼠输精管上皮细胞受损和睾丸间质增生，马拉硫磷可影响幼鼠的精子发生，西维因可引起大鼠精子生成减少，精子的活动能力降低。

有机氯农药有拟雌激素作用，如DDT及其代谢产物DDE等，它们进入人体后通过和内源性雌激素相同的作用机制，干扰内分泌系统而影响生精功能。

环境雌激素对生精过程的影响是当前关注的焦点，可直接作用于成年男子，也可作用于孕期妇女，影响子代男子生殖系统发育及精子发生。如TCDD（二 英）可使大鼠、小鼠的睾丸、附睾的重量及精子生成降低，并使血浆睾酮含量降低，由此影响精子发生。研究证实，二 英对细胞信号转导过程有影响。二 英可模拟内源性激素结合到Ah受体使其活化，与转录因子（Ah受体转运蛋白）形成二聚体，这种三元复合物结合到DNA调控子序列上，使某些蛋白（如CYP1A1、CYP1A2）表达发生改变，从而影响细胞内信号转导链，导致内分泌功能失调，生精过程障碍。人工合成雌激素如己烯雌酚，也可引起生殖细胞的凋亡。

另外，职业接触二溴氯丙烷（DBCP）或二硫化碳，精子DNA易发生变性。某些诱变剂可使精子DNA断裂，如MMS使核染色质鱼精蛋白烷基化，染色质变性而致DNA断裂。

其他一些物质，如2，5HD（2，5-hexanedione）（2，5-己二酮）对Sertoli细胞有毒副作用，引起生精细胞的凋亡。二甲磺基乙烷（ethane dimethane sulphonate，EDS）是选择性破坏Leydig细胞的化学物质，可引起Leydig细胞的死亡，导致雄激素的合成，分泌降低，间接引起生殖细胞凋亡增加。苯可诱发小鼠生殖细胞突变，表现为初级精母细胞畸变，精原细胞姐妹染色单体互换增高。职业调查发现，接触苯乙烯的男工血清睾酮（T）和促卵泡生成素（FSH）明显降低。目前认为苯的毒理作用过程有：直接损伤精子细胞；干扰下丘脑-垂体-睾丸轴的内分泌调节功能，导致生精障碍。

环磷酰胺、丝裂霉素C、长春新碱等都是临床常用的抗癌药物，可引起大鼠和小鼠生殖细胞（如精母细胞）的凋亡。这种现象在大鼠和人类中并不完全一致，但其共性是激活细胞中的钙离子依赖性核酸内切酶。苯丙胺等一些中枢神经系统兴奋剂能影响神经递质的合成与释放，受体的激活，以使下丘脑-垂体-睾丸性腺轴的功能状态改变，从而影响生精功能。

金属元素及其化合物是人类生产活动的重要原料。目前已发现的有生精毒性的金属元素有铅、锰、铬、汞、钴、镉等。

铅：是目前对金属元素生精毒性研究资料最多的一种。动物实验表明，铅可通过恒河猴的血-睾屏障，睾丸组织和精液中的铅含量增高，早期精子细胞顶体泡扩大，缺少顶体颗粒。人体研究表明，铅可直接作用于睾丸以及干扰下丘脑-垂体-睾丸性腺轴的内分泌调节功能（如抑制Sertoli细胞的FSH受体结合FSH），间接影响生精功能。另外，铅可降低精子乳酸脱氢酶同工酶（LDH-X）和琥珀酸脱氢酶（SDH）的活性，且FSH、LH和睾酮的平均含量均低于对照组且与血铅值呈明显负相关，导致精子的质和量发生改变。也有报道认为，铅可影响精液中的果糖代谢，直接降低精子的活动能力。在中国进行的一项职业性铅暴露研究发现，当血液铅浓度＞400mg／L时，该浓度与其对精子总数、精液量的不良影响呈正相关，而在铅冶炼厂工人的研究中发现同样的结果。然而，通过工业卫生措施以及社区措施（如消除铅基涂料、铅管和汽油等）使铅含量达到较低水平，则不足以引起对人类男性生殖的不良影响。对低铅暴露男性的有限研究提示血铅水平（＜150mg／ml）与异常的精液及性类固醇参数之间存在相关性。吸烟与铅暴露之间的协同作用很可能导致对精子参数的不良影响。

锰：是机体必需微量元素之一，其对生精功能的影响多见于职业接触或环境事故暴露。雄性动物的睾丸对锰特别敏感，对其他器官尚未发生中毒反应的剂量，即可引起睾丸受损。早期主要表现为睾丸间质水肿、充血，生精小管受损，精母细胞明显减少，生精上皮细胞的解离、脱落，输精管中精子变异，数目减少。对接触锰烟尘的男子工人调查发现，精液中乳酸脱氢酶同工酶（LDH-X）明显降低，血清睾酮下降，FSH、LH增高。锰还能抑制生精上皮中线粒体的琥珀酸脱氢酶，使大量细胞死亡。

镉：据报道，用低剂量镉处理后，大鼠Ⅷ阶段生精小管中的成熟精子不能正常释放到管腔中去，睾丸血管和生精细胞明显受损。另外，镉还可影响Sertoli细胞间紧密连接的形成及抑制素的分泌。把精浆中镉含量升高或电池工人汞中毒与精子发生缺陷联系的可信性较低。一项对睾丸内高水平镉的两个患者的详细研究发现，精浆中重金属残留与生育力之间并无明确的关联。

汞：其毒性受Sertoli细胞介导。大鼠染毒实验证实，汞定位于Sertoli细胞中的溶酶体，可使细胞功能受损，影响生精发育。另外，甲基汞也可破坏Sertoli细胞的隐窝区而使精子细胞脱落。

钴：研究证实，钴可使Sertoli细胞空泡变性，精子细胞核异常，由于钴对血浆转铁蛋白的结合力比铁高，使得钴可与睾丸转铁蛋白结合，干扰Sertoli细胞对生殖细胞的铁供应，从而使生精细胞得不到正常发育所必需的足量的铁。

铬：是一种破坏睾丸血管的物质。Jones等发现，铬可以导致生精细胞的凋亡，这种凋亡可被金属螯合剂或硒阻断。

另外，微量元素锌、硒、铜的缺乏，也可以直接或间接地通过影响脑垂体的功能，来作用于性腺激素的释放和与精子发生和活动有关的酶类，从而影响睾丸的生精过程。

吸入香烟的烟雾中含有许多有害化合物，其中一些化合物（如丙烯醛）具有生殖毒性。此外，它可能诱发睾丸内大分子的氧化损伤。赵景春等进行的被动吸烟对小鼠生殖毒性的研究证实，香烟烟雾中的诱变物质可通过血-睾屏障对精子的染色体造成影响，最早受损的是各级生精细胞，精子畸形出现在较晚时期。早期精细胞微核率、精原细胞染色体畸变率和精子畸形率随吸烟浓度的升高而升高。多数科学价值较小的研究证实，某些精子输出和精子活力降低或基因损伤可能是由于吸烟的生物学作用，但更有可能是由于心理性的自我选择，例如吸烟者可能也是其他危险因素暴露更严重的人群，这些危险因素可能引起在吸烟者身上所见的不良影响。

在各种物理因素中，热环境是最确定的损伤睾丸的因素。相对于其他大型哺乳动物，男性的精子生产量很低，而且精子的形态和活力也较差。人的精子在形态上与别的哺乳动物相似，比较特别的是精子头部鱼精蛋白仅含有约8%的半胱氨酸，使得人类精子头部刚性较低。人精子的另一个显著特征是人精液中精子质量普遍不高，反映在产生的数量／睾丸质量，以及精子活力的百分比，特别是异常精子形态的发生率较其他物种高。即使在形态正常的人精子中，核的结构特征也异常多样。动物实验中，将动物的睾丸转移到腹部，提高睾丸温度大约1.5℃，将会引起精子产生的减少和精子发生异常，而这在人类正常精子细胞的形态学上是很常见的。人类精子质量不高的其中一个原因可能是衣物引起的阴囊温度升高，由于缺少观察样本，这个问题没有被证实。动物模型中强加温度的平行结果似乎提供了令人信服的证据，即服装带来的温度升高对精子发生和附睾都有负面影响，这反映在人的精液质量中。现代生活方式越来越多地涉及长途驾驶和使用笔记本电脑等活动，这些都有可能使阴囊温度升高，从而使睾丸温度升高。环境温度对睾丸生精的影响是目前研究的一个热点。

Bedford JM选择了两个睾丸位于腹股沟的动物（臭闙和智利鼠）进行了观察，当将他们的睾丸升至腹腔后，位于睾丸敏感的铜电极检测到约1.5℃温度的升高，几周后，隐睾睾丸与对照组睾丸比较，发现有类似于人类的生精上皮精子异常的现象。隐睾动物模型的建立是研究环境温度对睾丸生精影响的主要方法。Socher等人在雄性成年CD-1鼠上建立了隐睾动物模型，研究了睾丸p53表达的情况。他们用单克隆p53抗体pAb240进行了Western杂交，发现隐睾侧第8、9天重量下降40%，第7天起有两种p53的新的亚型47kDa和30kDa）的表达。此实验证明了p53的表达比干细胞凋亡要早一二天，提示了p53在温度介导的干细胞凋亡中的作用。多项实验表明，大鼠睾丸经短时间增温处理或人为造成短时间隐睾，均能增加睾丸生精细胞的凋亡。Qiu Jian等证实，隐睾术后睾丸重量下降，生精细胞减少，凋亡细胞增多，且以精母细胞和精子细胞为主，并可见凋亡小体，伴随着BCL2蛋白的减少和BAX蛋白的明显增多，结果提示BCL2和BAX基因在小鼠生精细胞凋亡中起重要作用。Guo等通过单侧隐睾鼠模型，采用DDRT-PCR显示并克隆测序了精子发生过程中隐睾特异表达的三个EST：TRS1、TRS3和TRS4。原位杂交显示TRS1主要表达于隐睾侧的精母细胞和圆形精子细胞。另外，有报道如蒸汽浴，穿紧身裤，高温作业的工作人员等阴囊环境温度过高，也能影响生精过程。

电离辐射是研究最深入、也是第一个已知对人类具有抗精子发生作用的环境因素。20世纪50年代至60年代期间在美国囚犯志愿者中进行过一次研究，给予单次一定剂量的电离辐射后，检测包括系列的精子计数和睾丸活检，结果证实其对精子发生具有显著的剂量依赖性和可逆性损害。生殖细胞对电离辐射作用是非常敏感的，如X射线、γ射线及“电子雾”对生精过程有多方面的影响，可抑制睾丸间质细胞产生性激素，使生精细胞染色体发生突变，Henriksen等人报道2Gy和3Gy的X射线可分别诱发小鼠和大鼠生殖细胞凋亡明显增加，开始时是精原细胞和减数分裂的精母细胞，以后影响到其他阶段的生殖细胞。

其他的如噪声、振动、微波等都被认为对精子发生有阻碍作用。

精子发生过程可受到多种病原微生物，寄生虫的影响。

溶脲脲原体是生殖道感染的常见病原体。研究表明，UU可侵入生精细胞中，造成生精细胞结构破坏，从生精小管上脱落，其代谢产物对精子有毒副作用可破坏精子膜的完整性，精子广泛变性，相互融合成多核细胞，Sertoli细胞塌陷，贴壁。周葵等人实验证明，UU感染可明显抑制Sertoli细胞分泌IL-1，破坏Sertoli细胞，导致其功能下降，而Sertoli细胞分泌的细胞因子IL-1是精子发生的主要调节因子，故UU感染对生精过程有较大的影响。

沙眼衣原体在睾丸炎患者中的检出率显著高于正常人，而睾丸炎等可影响精子发生，引起精子畸形，染色体异常。CT感染使男子抗精子抗体明显增高，精子质量降低。

肺炎支原体会黏附于精子、损坏精子细胞。有报道弓形虫可侵入睾丸生殖细胞寄生、增殖，导致生精细胞分裂和坏死，干扰睾丸功能使生精能力下降。此外，淋病奈瑟菌、结核分枝杆菌、滴虫、白念珠菌及一些金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌的L型感染，均可导致生精功能下降。

环境污染导致环境质量的日趋恶化，成为影响我国社会可持续发展的突出问题。揭示环境影响因素的时空分布特征和迁移转化规律，从整体、细胞和分子水平及分子流行病学调查，研究睾丸精子发生与环境因素的相互关系及作用机制，是一个孕育重大突破的基础研究的前沿领域，其研究成果可为我国政府制定科学合理的环保政策、规划和保健政策提供科学决策依据，可加速我国社会的稳定持续发展和人民卫生保健水平的提高。

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