孫武，馬世科，孫永剛，韓銀倉(cāng)

(1.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，西寧 810016；2.青海省高原家畜遺傳資源保護(hù)與創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016)

睪丸是雄性哺乳動(dòng)物的生殖器官，其基本功能是產(chǎn)生精子和分泌雄激素[1]。精子由雄性生殖細(xì)胞經(jīng)歷3個(gè)階段形成：(ⅰ)精原細(xì)胞的增殖和分化；(ⅱ)精母細(xì)胞的減數(shù)分裂；(ⅲ)精子形成。首先，具備自我更新能力的精原干細(xì)胞通過(guò)有絲分裂分化出B型精原細(xì)胞。接著，B型精原細(xì)胞分裂為初級(jí)精母細(xì)胞。DNA進(jìn)行復(fù)制后，四倍體的初級(jí)精母細(xì)胞通過(guò)2次減數(shù)分裂，相繼生成次級(jí)精母細(xì)胞和精細(xì)胞。然后，單倍體的精細(xì)胞經(jīng)過(guò)至少4種不同的形態(tài)變化形成精子，包括細(xì)胞核的濃縮、頂體的形成和鞭毛的形成以及多余細(xì)胞質(zhì)的丟棄等[2，3]。此時(shí)就可以受精。因此，精子的質(zhì)量是妊娠的保障。精子發(fā)生不僅涉及到生精細(xì)胞，也涉及到睪丸組織中多種體細(xì)胞，如支持細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞。支持細(xì)胞位于生精小管內(nèi)，起著支持、保護(hù)和營(yíng)養(yǎng)生殖細(xì)胞的功能。間質(zhì)細(xì)胞是睪丸間質(zhì)組織中的主要細(xì)胞類(lèi)型，能夠分泌雄激素(多為睪酮)，從而促進(jìn)性腺發(fā)育和精子發(fā)生，維持雄性第二性征。絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物，睪丸的大小與繁殖力密切相關(guān)，差的繁殖力常常與小睪丸有關(guān)。因此，了解睪丸的發(fā)育過(guò)程以及睪丸大小的生殖生物學(xué)意義非常必要。

1 睪丸發(fā)育過(guò)程概述

睪丸是雄性哺乳動(dòng)物的生殖器官，其基本功能是產(chǎn)生精子和分泌雄激素[1]。一般來(lái)說(shuō)睪丸發(fā)育主要包括初生期、幼齡期、性成熟期(青春期)和成年期幾個(gè)關(guān)鍵階段(圖1)[4]。在胚胎期之間，絕大數(shù)睪丸的發(fā)育主要處于細(xì)胞水平發(fā)育，此階段睪丸組織生長(zhǎng)速度很慢，但是至關(guān)重要的睪丸支持細(xì)胞繁殖啟動(dòng)了。從圖1可以看出，動(dòng)物的睪丸發(fā)育過(guò)程支持細(xì)胞增殖/睪丸生長(zhǎng)主要集中于兩個(gè)生命階段，一個(gè)是胎兒或新生兒期，另外一個(gè)是青春期前期，這對(duì)所有哺乳動(dòng)物都適用。新生兒期和青春期之間有一個(gè)靜止期，睪丸發(fā)育處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)(圖1)[5]。嚙齒動(dòng)物是生命周期最短的哺乳動(dòng)物，例如小鼠15～30 d達(dá)到青春期，60～90 d達(dá)到成熟期，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物是生命周期最長(zhǎng)的哺乳動(dòng)物，例如人在10～13周歲達(dá)到青春期，18周歲達(dá)到成熟期。而處于兩者之間的就是一些其他哺乳動(dòng)物，例如公牛的性成熟周期大約8個(gè)月；公豬在4～6月齡達(dá)到性成熟，其妊娠期為3個(gè)月3周3天；公羊在4～7月齡達(dá)到性成熟。盡管這些物種中新生兒期和青春期之間的時(shí)間間隔相對(duì)于人類(lèi)縮短了許多，但是其中兩個(gè)相應(yīng)的支持細(xì)胞增殖峰是很清晰的[6]。研究報(bào)道，支持細(xì)胞的數(shù)量將決定通過(guò)精子發(fā)生可以支持的生殖細(xì)胞的數(shù)量，因此，從一定程度上決定了精子生成的程度[7]，而眾所周知精子生成的程度顯著與雄性動(dòng)物的可育性緊密相關(guān)。此外，不同種類(lèi)哺乳動(dòng)物初情期時(shí)間也不同，我國(guó)地方品種初情期普遍比較早，例如湖羊3月齡即進(jìn)入初情期，一些引進(jìn)品種的豬、山羊、綿羊等初情期7月齡，雙峰駝為3～4周歲，而人則在10～13 周歲達(dá)到青春期[8]。盡管不同動(dòng)物從出生到青春期時(shí)間間隔長(zhǎng)短差異很大，但是哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育過(guò)程中支持細(xì)胞增殖/睪丸生長(zhǎng)主要集中在胎兒出生前后和初情期，而在胎兒出生后到初情期之間有一個(gè)相對(duì)靜止期(圖1)[5]。

圖1 人類(lèi)，恒河猴和大鼠在初生期，新生兒期和青春期支持細(xì)胞增殖時(shí)間示意圖。圖改自Sharpe 等(2003)

一般而言，睪丸發(fā)育主要依賴于支持細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞以及各級(jí)生殖細(xì)胞。支持細(xì)胞(Sertoli cell)的作用不言而喻，支持細(xì)胞位于生精小管內(nèi)，起著支持、保護(hù)和營(yíng)養(yǎng)生殖細(xì)胞的功能[9]。間質(zhì)細(xì)胞在睪丸發(fā)育和精子發(fā)生中也發(fā)揮著重要生理功能，間質(zhì)細(xì)胞分泌的雄激素一方面通過(guò)旁分泌方式進(jìn)入曲細(xì)精管，與支持細(xì)胞分泌的雄激素結(jié)合蛋白(Androgen receptor binding protein，ABP)結(jié)合，形成局部高濃度雄激素，促進(jìn)各級(jí)生精細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育和分化，啟動(dòng)和維持精子發(fā)生[10]。雄激素還可以隨著睪丸液進(jìn)入附睪管，有利于精子進(jìn)一步成熟。另一方面，雄激素還可以通過(guò)內(nèi)分泌方式負(fù)反饋調(diào)節(jié)下丘腦、垂體分泌GnRH、LH和FSH，通過(guò)間質(zhì)細(xì)胞表面LH受體(LHR)和支持細(xì)胞表面FSH受體(FSHR)調(diào)節(jié)精子發(fā)生和睪丸發(fā)育。圖1雖然展示的是支持細(xì)胞增殖時(shí)間示意圖，但是由于支持細(xì)胞決定生殖細(xì)胞的數(shù)量，甚至決定整個(gè)睪丸組織大小，因此上圖也間接的反應(yīng)了睪丸大小隨時(shí)間增殖變化趨勢(shì)。間質(zhì)細(xì)胞(leydig cell)也發(fā)揮重要作用。間質(zhì)細(xì)胞是睪丸間質(zhì)組織中的主要細(xì)胞類(lèi)型，能夠分泌雄激素(多為睪酮)，從而促進(jìn)性腺發(fā)育和精子發(fā)生，維持雄性第二性征[11]。此外，間質(zhì)細(xì)胞除了分泌產(chǎn)生起關(guān)鍵作用的睪酮，還可以產(chǎn)生FSH，它則主要作用于支持細(xì)胞(Sertoli cell)，與其特異性受體結(jié)合后，使Sertoli細(xì)胞產(chǎn)生雄激素結(jié)合蛋白(ABP)，后者可與睪酮結(jié)合，將其轉(zhuǎn)運(yùn)至生精小管內(nèi)以維持管腔內(nèi)的睪酮濃度，促進(jìn)各級(jí)生精上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育[10]。如果沒(méi)有Sertoli細(xì)胞的物質(zhì)代謝、生殖細(xì)胞分化，進(jìn)而減數(shù)分裂和轉(zhuǎn)化為精子的過(guò)程也就不會(huì)發(fā)生[12]。因此從上面描述可以看出，三者關(guān)系相互獨(dú)立又相互協(xié)同，他們相輔相成共同維持著睪丸正常發(fā)育以及生精過(guò)程。因此，睪丸發(fā)育、精子發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜而精密的生理過(guò)程?？傊?，睪丸的發(fā)育是一個(gè)通過(guò)細(xì)胞增殖和細(xì)胞分化，連續(xù)獲得更高水平組織結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

2 睪丸大小生殖生物學(xué)意義

雄性動(dòng)物繁殖力主要由精液品質(zhì)決定，研究指出每個(gè)支持細(xì)胞(Sertoli cell，SC)上精子數(shù)目是一定的，睪丸支持細(xì)胞數(shù)目決定睪丸生精能力[7]。睪丸大小主要由支持細(xì)胞決定，因此睪丸大小在一定程度上反映了公畜繁殖能力。目前在牛、羊和豬等家畜中的研究均發(fā)現(xiàn)睪丸大小與精液品質(zhì)密切相關(guān)，是遺傳改良公畜繁殖力的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，了解控制睪丸的發(fā)育和大小的生殖生物學(xué)過(guò)程和遺傳機(jī)制具有重要的科學(xué)意義和生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

在絕大多數(shù)動(dòng)物中，一般睪丸的生精功能從青春期開(kāi)始后，可以持續(xù)終生。將睪丸大小作為家畜繁殖力重要指標(biāo)一直是育種學(xué)家探討的課題。由于陰囊周徑(Scrotum circumference，SC)與睪丸重量成線性關(guān)系，因此通常用SC來(lái)表示睪丸的大小[13]。一般而言，睪丸越大，產(chǎn)生的精子數(shù)目也就越多。在模式動(dòng)物糞蠅上做了一項(xiàng)研究，睪丸較大組的精子競(jìng)爭(zhēng)能力明顯要好于小睪丸組[14]。此外雄性大鼠研究報(bào)道，睪丸重量和體積大小與體重顯著正相關(guān)[15]。睪丸大小在許多家畜方面應(yīng)用相當(dāng)廣泛，因?yàn)樵谪i、牛和羊的生產(chǎn)上，發(fā)現(xiàn)睪丸大小與動(dòng)物的繁殖性能密切相關(guān)。在羊上，Yarney等[16]研究發(fā)現(xiàn)薩?？斯虻牟G丸周徑與日射精量呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)睪丸大的公羊可以與更多的母羊交配。山羊上已經(jīng)做了附睪精子數(shù)量與睪丸大小的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)睪丸大小、陰囊大小與附睪精子數(shù)目密切相關(guān)[17]。由此可以從公羊群體中基于睪丸大小來(lái)進(jìn)行育種公畜的初步選擇。綿羊睪丸的大小與生產(chǎn)性能的提高有較大關(guān)系。研究表明公羊SC與被配母羊數(shù)量呈正相關(guān)[18]。比如，美利奴大公羊的SC達(dá)到30～34 cm，可交配母羊數(shù)量可以達(dá)到75～125只， 相反如果SC為28 cm，可交配母羊數(shù)量?jī)H為50只。研究還發(fā)現(xiàn)睪丸大小與自然交配體系中綿羊產(chǎn)羔率之間呈正相關(guān)[18]，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)多羔綿羊品種具有重要的意義。在豬上，Huang等[19]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)150日齡公豬的睪丸可以使精液中精子濃度以及一次性射精中精子數(shù)量達(dá)到最大化，該研究暗示我們可以通過(guò)選擇睪丸大小來(lái)提高公豬的繁殖力，此外對(duì)于豬人工受精提供了很重要的理論參考依據(jù)。此外還發(fā)現(xiàn)公豬睪丸大小對(duì)與配母畜的產(chǎn)仔數(shù)以及后代母畜的繁殖力也有顯著影響[20]。睪丸大小也屬于公牛繁殖力重要預(yù)測(cè)指標(biāo)之一，它與公牛的精子產(chǎn)量有直接關(guān)系[21]。研究發(fā)現(xiàn)父親的睪丸周長(zhǎng)每大1 cm，其后代的睪丸也會(huì)相對(duì)應(yīng)的大0.25 cm[22，23]。在牛上，Van Melis等[24]發(fā)現(xiàn)睪丸大小影響母牛群體第一情期生產(chǎn)力以及妊娠率，睪丸較大公牛的女兒能更早達(dá)到初情期。據(jù)估計(jì)公牛SC在群體平均基礎(chǔ)上每增加1 cm，其女兒的初情期能提前4 d，并具有更大的繁殖潛力和繁殖壽命[24]。在牛上的研究發(fā)現(xiàn)SC顯著影響年精子產(chǎn)量、精子活力、精子正常率、精液濃度和精子畸形率[13,25,26]。因此從以上數(shù)據(jù)可以看出，睪丸大小與動(dòng)物的生產(chǎn)性能、精子的正常率、配母畜數(shù)和配母畜產(chǎn)仔數(shù)成正相關(guān)，與精子畸形率成反比。

3 展望

在早期，人們對(duì)優(yōu)秀種公畜的選育，往往通過(guò)一些表型數(shù)據(jù)的測(cè)量，比如睪丸大小(scrotal circumference，SC)、正常精子數(shù)比例(percentage of normal sperm，PNS)、不返情率(Non-return rate，NRR)，此外還包括一些繁殖激素濃度[27](根據(jù)繁殖激素的濃度早期預(yù)測(cè)種公羊的種用價(jià)值,1994)。但是這些數(shù)據(jù)一般是到了特定階段才能獲取，一般而言是直到性成熟后才能測(cè)量，不能用傳統(tǒng)的方法在早期預(yù)測(cè)。但是往往對(duì)家畜的選擇要做到早期選種，越早越好。到目前為止，關(guān)于睪丸大小的分子機(jī)理的研究也很少。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是測(cè)序的發(fā)展帶來(lái)的契機(jī)，人們可以提取從出生到成年家畜血液的基因組DNA，通過(guò)測(cè)序進(jìn)而找到階段特異性分子Mark，通過(guò)這些分子輔助標(biāo)記，育種工作者可以做到有效的早期育種，可以在早期去選育具有較大睪丸潛力的公畜，從而加速高繁殖力公畜的篩選。更重要的是早期選育優(yōu)良公畜，淘汰繁殖力低下公畜能大大減少公畜的選育時(shí)間和花費(fèi)。