在高等生物的演进中，受精具有十分重要的作用。因此一直是科学家们非常感兴趣的研究课题。1875年至1880年伯奈登（E. Van Beneden）等人对受精的研究作出了最早的贡献，在此基础上，人们对哺乳类受精的生物学和化学很快有了了解。近年来，对受精知识的了解已影响到人类受孕和避孕的医学和伦理两方面，而且这种影响将继续下去。
本文阐述了哺乳类受精过程中一些主要的细胞和分子特征，包括从精卵相遇，互相融合到形成合子。虽然以小鼠的配子作体外试验为例，但所阐述的受精机制和过程可能适用于许多哺乳类动物包括人类。本文将小鼠和海胆的受精作了比较，这种比较结果表明在这两种不同的生物有机体中，受精过程有许多共同的细胞学和分子学特征。
受精的程序步骤
小鼠卵受精的过程由几个步骤，并以特定的程序进行。
1）精子首先与排出的卵子的外围透明带表面结合，这是一种松散的结合，也可被视为“附着”。
2）然后，附着的精子与卵子形成一种较牢固的，一种特异性的结合，附着期间配子间的定向可能影响精、卵之间的作用以及关系到能否进程到相互结合。在体外实验中精子浓度非常高时，一个小鼠卵可与多达1500个精子结合，精子通过头部前端上面的质膜与透明带结合。精卵结合受透明带中的精子受体及精子细胞质膜中精卵结合辅助蛋白的调节。
3）结合后的精子完成顶体反应，准备穿透卵子透明带并与卵浆膜融合。顶体是类溶酶体细胞器，位于精子头部的细胞核之上。顶体反应指外顶体膜和精子细胞质膜在许多部位上的融合，并导致精子头部前端释放出微囊及顶体内膜的暴露。
4）顶体反应后的精子依靠与顶体内膜结合的精子顶体蛋白酶，一种类胰蛋白酶，穿过透明带。
5）到达透明带与卵浆膜之间的精子与卵融合（受精）。融合通常发生在精子头部后端细胞质膜和卵浆膜之间。正常情况下，一个精子和一个卵的受精排斥了其余精子对该卵的融合，防止了多精受精、这种阻断作用可能是卵浆膜的去极化所致
6）由单精受精所激活的卵子随后进行胚胎发育。受精也诱导皮质反应，反过来皮质反应再导致透明带反皮质颗粒是种小的、由膜包被的类溶酶体细胞器，正好位于卵浆膜下面的细胞质中，小鼠卵有几千个皮质颗粒，皮质反应包括皮质颗粒膜与卵浆膜的融合，这种融合导致皮质颗粒内含物，其中包括各种酶释放至卵黄周隙。在受精后几分钟内，这些物质进入透明带并引起透明带反应。透明带反应通常包括透明带的物理性状变化（变硬），并失去与精子的结合力。这种变化被视为是对多精受精的一种慢阻断作用。总之，上述的受精过程包括三个不同的膜融合过程，即顶体反应（精子），精子和卵的融合和皮质反应（卵）。
精子受体
人们已知道卵子的透明带在阻止种间受精中起着重要作用。不同种的精子受精是很少发生的，除非将透明带先去除。这种结果支持了一种设想即精子和卵的结合是由透明带中的种族特异性精子受体调节的。因比受精后，已受精的卵透明带不能再与精子粘附，其原因可能是这些精子受体的失活。
最近小鼠精子受体已被人们识别、分离和描述。受体ZP3（分子量为83，000）是组成卵透明带的三种不同糖蛋白之一。ZP3是由44，00道尔顿的多肽链及与其共价结合的几个天门冬酰胺和丝氨酸 - 苏氨酸连接的低聚糖。每一透明带中大约含有10亿个ZP3，这些ZP3和另外两种透明带的糖蛋白（ZP1和ZP2）是由发育中的卵母细胞合成和分泌的。在卵子发育成熟的2—3周中，这三种糖蛋白聚集成长形并相互连结成纤维状，形成多孔的透明带，厚约hm，围绕着成熟卵母细胞。
卵结合蛋白
小鼠中，有几种不同的蛋白可被视作卵结合蛋白作用的候选者。这些蛋白包括凝集素，糖基转移酶、蛋白酶和糖苷酶。每一例子中，该蛋白与围绕精子头部的细胞质膜结合。例如糖基转移酶，通常催化半乳糖从尿苷5' - 乙磷酸 - 半乳糖转化至N - 乙酰氨基葡糖残基上时形成N - 乙酰乳糖胺。该酶是精子与卵结合的一个潜在媒介者。估计该酶识别ZP3上的特异性N - 乙酰氨基葡糖残基，并与之结合，这情况与精卵作用中ZP3的低聚糖的可能作用相一致。同样，有些证据提示—种类胰蛋白酶的蛋白酶可能参与精子与ZP3的结合，正如糖基转移酶一样，识别和结合将通过酶 - 底物复合体的形成而完成。在该复合体中ZP3作为底物。复合体的构成不仅导致结合，还导致诱发顶体反应。另外，无论卵结合蛋白的确切特性是什么，在卵进化成具种特异性地与精子结合的过程中，其结构必须变化使之与精子受体的结构一致。
顶体反应
与卵结合后的精子要穿透透明带并与卵浆膜融合，首先要完成顶体反应。这个反应可被视为胞吐作用，完全类似于分泌腺的体细胞外分泌现象。顶体反应包括融合，精子细胞质膜与外顶体膜的囊泡化及导致顶体内含物的释放，内顶体膜及与其结合的酶类的暴露。顶体反应的特征是Na2+和Ca2+经精子头部的质膜流入及H+的流出，后者还有腺苷5' - 三磷酸依赖性H2泵参与并导致细胞内pH的增加。对细胞外Ca2+的需要是不可缺的，并且位于精子头部浆膜与外顶体膜的Ca2+结合蛋白——钙调素也参与反应。基于此点，作者应用了离子载体抗生素A23187，该抗生素能选择性地使细胞质膜对的渗透性_效，增加细胞质内的游离Ca2+，可在体外引起小鼠和海胆精子的顶体反应。有充分的理由相信，正如体细胞膜的融合一样，磷酯酶和溶血磷脂在精子细胞质膜和外顶体膜的融合中发挥作用。
由于小鼠精子在与透明带结合后完成顶体反应，估计透明带成分诱发顶体反应，事实上在体外试验中，与溶解的透明带接触的精子才进行顶体反应。这种情况类似于海胆中有人描述的那样，在体外试验中，暴露于溶解的卵胶质外壳（厚约30μm，由唾液酸蛋白质和岩藻糖硫酸多聚糖等组成）的精子才进行顶体反应。在海胆中，岩藻糖硫酸粘多糖诱导顶体反应。
最近，ZP3被鉴定为溶解的卵透明带中顶体反应的诱导剂，在体外诱发精子进行顶体反应中，毫微克分子浓度的纯化ZP3和离子载体抗生素A23187同样有效。这个结果提示顶体完整的精子经精子头部前端区域的质膜与ZP3的结合已足够改变精子质膜使之能与外顶体膜融合。从Ca2+和离子载体A23187的作用来看，精子头部与ZP3的结合很有可能会影响精子细胞质獏的离子渗透性。
由于ZP3作为精子受体的作用仅取决于它的低聚糖，而顶体反应的诱导作用则依赖于它的多肽链，所以来源于ZP3的小糖肽和低聚糖能结合到顶体完整的精子头部并阻止精子与未受精卵结合。
精子穿透
海胆中，顶体反应过的精子呈现一较长的、与膜连着的突起（顶体突）。它穿入卵的胶质外壳并通过结合素作用与卵黄膜结合。另一方面，小鼠中顶体反应后的精子并无这一突起，但必须穿透透明带而与卵浆膜融合。很明显，穿透是由朝前运动的精子前端有限的蛋白水解完成的。一种类胰蛋白酶的蛋白酶，称为顶体酶参与了这一过程，虽然其他的精子蛋白酶可能也参与了该过程。
精卵融合
—旦穿透透明带，精子便可与卵结合并融合。与精子和透明带结合相比，精卵融合并不特别强调种特异性。小鼠中，精子头部的后端区域质膜与卵浆膜融合。这与海胆的情况显然不同的海胆中，顶体突前端的内顶体膜与卵浆膜融合。在体外试验时发现仅顶体反应过的小鼠精子才与去透明带卵融合。很明显，作为顶体反应的结果，和精子头部仍保持结合的浆膜发生了变化，这种变化使之能与其它膜融合。正如其他类似的生物系统，膜接触部位的局部脱水和疏水性相互作用可能是精子细胞质膜和卵浆膜融合的关键步骤。一旦与卵浆膜融合后，精子如何进入卵内？小鼠和海胆的卵表面由数千个与膜连接的突出物（称为微绒毛纤维）覆盖，有证据表明，海胆中膜融合后一组伸展的微绒毛紧紧地丛集在精子头部周围并且交错对叉，当这些微绒毛再吞噬时，精子被拖入卵内，无须精子本身运动。而且在小鼠和海胆中，当精子融合时，其本身运动已停止。很明显，对融合精子的吞没力量来自于卵浆膜下面的胞浆区域即所谓的卵皮层。皮层中含有收缩蛋白、肌动蛋白和肌球蛋白，在受精时进后收缩。由于肌动蛋白束从微绒毛延接至皮层，这种收缩可能将微绒毛和已结合的精子拉进卵胞质中。
多精受精的快速阻断
海胆卵在受精3秒钟内可发生较大的去极化作用。这种由膜对某些离子的渗透性改变引起的电位变化在再次极化前可高达80 mV，时间长达约1分钟。受精后卵浆膜的这种快速去极化作用提供了对多精受精的快速抑止，其过程是短暂的。但受精后一分钟内卵黄膜转变为受精膜可对多精受精提供较慢的阻止，这过程是长时间的，小鼠卵在应答受精后是否也呈现一种电解质及对多精受精的快速阻断，目前还难以确定，虽然已注意到有膜电位的改变，但这些变化的形式和强度看来不像海胆中发生的情况，因为在活体中仅有非常少的精子可到达卵黄周隙。与海胆比较，对多精受精快速阻断的需要也就必然要小。但这种以目的论观点的争论和现有的证据并不排除在小鼠和其他哺乳类中存在着一种对多精受精的电阻断可能。
皮质反应
小鼠卵母细胞生长时，作为卵母细胞大量的高尔基复合体产物，皮质颗粒开始出现，随着卵母细胞直径的增长，皮质颗粒数量也增加。这些由膜包被类溶酶体细胞器直径约为200 ~ 600 nm，其中大多数位于卵皮层上，每一来受精小鼠卵大约有4，000皮质颗粒。海胆卵大约有15，000，小鼠和海胆中，受精时皮质反应包括艾质颗粒膜与卵浆膜的融合。这种融合是以波浪式展开的，从精卵融合点开始逐渐扩及整个卵表面。很明显，细胞质中储存的Ca2+释放主要与刚受精卵的波浪式融合有关。这期间皮层中的游离Ca2-可能超过1μm至5 μm。基于此点，离子载体A23187诱导未受精卵体外进行皮质反应，正如它引起精子顶体反应一样、皮质反应导致卵表面积的短时间增加，这主要表现在卵表面数千微绒毛的伸长或者也许由于浆膜的重新组成。作为皮质反应的结果，皮质颗粒内含物沉积在卵黄周隙，其中包括各种水解酶，例如蛋白酶，过氧化物酶。由于透明带是高度通透性的，对一些大分子甚至小病毒都具渗透性。这些酶能进入透明带并改变它的成分（即引起透明带反应）。这种现象在许多方面又类似于海胆。海胆卵的皮质颗粒内含物包括酶，结构蛋白和粘多糖，并和卵黄膜中失活的精子受体一起形成一个受精膜被，这有利于防止多精受精并对合子和卵裂阶段的胚胎提供一保护层。
透明带反应
很明显，小鼠透明带反应中透明带发生的变化比海胆中产生受精膜的变化更微妙。在这两种情况中，透明带的变化均是由卵皮质颗粒内含物作为受精应答或单性生殖激活（如离子载体A23187）而引起的，并表现为细胞外层变硬和精子受体失活，前者使精子难以穿入，后者防止精子与已受精卵结合，两者共同构成对多精受精的慢阻断作用。然而海胆中受精膜的形成是以其卵黄膜的超微结构变化为特征，而受精后的小鼠卵透明带则类似于未受精卵的透明带。
体外试验中，从受精卵透明带分离到的ZP3（称为ZP3f）既不具有精子受体功能也不能诱导顶体反应，这些结果与精子不能和受精卵的透明带或胚胎结合是一致的。因此可推测在小鼠精、卵融合后，ZP3立即发生变化以致失去生物功能。ZP3转变成ZP3f也可解释为什么体外试验中精子不能和皮层颗粒渗出物处理过的未受精透明带结合。受精后无论ZP3变化的分子特性如何，它并不导致糖蛋白分子量或等电点的明显变化。虽然海胆精子受体在受精后的失活也有—类胰蛋白酶、皮质颗粒蛋白酶参与，但还没有证据表明ZP3的蛋白水解，从低聚糖在ZP3的精子受体功能中的主要作用来看，应考虑有可能是皮层颗粒糖苷酶，而不是蛋白酶将ZP3转化为ZP3f。初步的证据提示ZP3的低聚糖去除其特异性糖基以防止低聚糖与精子结合。
小鼠透明带反应不仅包括精子受体的失活，还包括所谓的透明带硬化。在体外，无论受精卵还是未受精叩的透明带可被各种制剂溶解。这些试剂或破坏共价键（如蛋白酶和还原剂）或不能破坏共价键（如加热和降低pH值），但受精卵的透明带对这些制剂的抵抗力要比未受精卵大。这种溶解度的差异被认为可反映结构上的变化，而正是这种变化使受精卵的透明带不易被精子穿透。因此，透明带反应前，部分穿入的精子次透明带反应后就难以再前进。海胆中已受精卵的受精膜同样对这些溶解因子的耐受力要大于未受精卵的卵黄膜，卵黄膜的硬化很大程度上归因于皮质颗粒过氧化物酶催化的酪氨酸残基交联。二或三酪氨酰残基的形成使每一卵黄膜和皮质颗粒蛋白（二者共同构成受精膜）转变成一伸展的，共价连接且极不易溶解的蛋白质网络。
小鼠卵受精后酪氨酸的交联能否解释透明带的硬化？显然不能。虽然在皮层反应中卵过氧化物酶从皮层颗粒释放至卵黄周隙，但在受精卵透明带中ZP1、ZP2和ZP3不能互相共价连接，能破坏蛋白质之间非共价作用的制剂可继续溶解这些透明带。而且在受精卵透明带的溶解制品中未发现有大分子量的ZP1、ZP2 ft ZP3的交联聚合物。另一方面，与皮层反应相一致，ZP2（分子量为120，000）进行有限的蛋白水解，产生一个或更多的小肽。这些小状通过分子间的二硫键共价地结合于糖蛋白上。用还原剂处理这种ZP2可释放出小肤，同时产生90，000道尔顿的ZP2f。仅ZP2的有限蛋白水解能否说明受精后透明带的变硬仍待确定。由于ZP2和ZP3—起形成一透明带的重复结构单位，ZP2构象的改变可解释细胞外层的物理性质的变化。
[Science，235（4788）：1987]