精子（sperm）英文單詞源于希臘文“sperma”，意為種子。自20世紀60年代至今，通過持續不斷的研究，精子的結構以及功能被逐漸認識。人精子形態呈蝌蚪狀，全長約60μm，與體細胞相比具有較少的細胞質，并且缺乏細胞器。精子主要組成分為頭和尾兩部分（圖8-1），頭部由高度濃縮的細胞核、核前的頂體和少量細胞質組成，核內含有遺傳物質，為遺傳信息的攜帶者。頂體內含多種酶，與精子穿越放射冠、透明帶和卵細胞膜有關。尾部呈鞭毛狀，含有軸絲和線粒體鞘等結構，與精子運動有關。

人精子頭部呈扁卵圓形，長約4～5μm，寬約2.5～3.5μm，厚約1.0μm。正面觀呈卵圓形，側面觀呈梨形，頭部主要包括細胞核、核前的頂體、骨架結構和少量細胞質。在頂體尾部還存在與受精密切相關的頂體后環和核后環。

精子的主要功能是將精子核中的父源遺傳信息運輸到卵細胞中。精子核位于精子頭部的中央偏后，表面包有核膜，其內為核質，核質主要為高度濃縮的染色質。電鏡下核內染色質呈不規則的纖維顆粒狀，在濃密的核染色質中，具有其獨特的形態特征。精子的染色質高度濃縮，核體積僅為卵細胞染色質的1／13，小于體細胞核體積的5%。

哺乳動物的精子有大量的精蛋白和少量的組蛋白。精蛋白（protamine）是精子細胞中特有的一種低分子量的堿性蛋白質，最早由魚類精子的頭部分離所得，所以又稱為魚精蛋白，以后發現人類精子的核蛋白也以精蛋白為主。人精子核內的精蛋白分為兩大類，一類為P1精蛋白，存在于所有哺乳動物精子核中，人精子核中的稱HP1（human protamine 1），另一類為P2族精蛋白，P2族精蛋白只存在于人類及很少幾種哺乳動物（如小鼠、倉鼠等）。P1和P2精蛋白都是雄性生育所必需的，在小鼠中雜合突變其中一種精蛋白都會導致精子DNA穩定性下降。在精子細胞的變形過程中，核內的組蛋白首先轉換成兩種過渡蛋白，稱TP1和TP2（transition protein，TP），接著精子細胞新合成的TP3和S12取代了TP1和TP2，最終替換為成熟精子內的精核蛋白。睪丸特異絲氨酸激酶6（testis-specific serinekinase 6，TSSK6）缺失的小鼠精子染色質濃縮異常，最終導致精子運動和形態異常。這種異常主要出現在長形精子在精子變形過程中組蛋白被過渡蛋白替換的過程中。除了精蛋白之外，人精子還保留部分組蛋白，這些蛋白被認為可能參與了早期胚胎發育過程中的特定基因的啟動和表達。

在精子核內，精蛋白主要和DNA結合，關于結合方式，有兩種觀點，多數認為精蛋白分子位于DNA雙螺旋的大溝內，蛋白分子中央區的精氨酸簇能與DNA分子上的磷酸基相互作用，而蛋白分子的N端和C端則充填在DNA雙螺旋的小溝內，與鄰近的DNA或精蛋白發生作用，使DNA形成環形線圈狀。少數學者認為精蛋白分子位于DNA螺旋的小溝內，暴露部分則鑲嵌在鄰近DNA螺旋的大溝內，蛋白質N端和C端的一個精氨酸，可與鄰近DNA螺旋大溝內的基團形成氫鍵，同時蛋白分子上的半胱氨酸可形成分子間的二硫鍵，使平行排列的染色質絲更趨于穩定。大多數哺乳動物的精子染色質壓縮成眾多“環形線圈”狀，每個“環形線圈”包含大約50kb的DNA。這種精蛋白-DNA的“環形線圈”結構緊密堆疊在精子核中，可能起到保護精子染色質的作用，以應對氧化損傷和生殖道中的其他有害分子的影響。

盡管精子核中大部分DNA和精蛋白結合，但是依然有小部分（2%～15%）組蛋白結合DNA黏附于核基質中。組蛋白結合區域在精子基因組中是非隨機的，有研究發現其分布與一些特異基因相關，特別是基因的啟動子區域。這樣的結構使得精子可以將組蛋白為基礎的染色質結構傳遞到剛受精的卵細胞中，并且這種核基質結構可能對1細胞期胚胎中的DNA復制有著重要作用。

精子的DNA有其獨特性，由于精子是單倍體，故DNA量僅是體細胞的一半，同時由于精子除合成少量功能蛋白外，基本上處于休止狀態，故其染色質的致密度明顯高于體細胞，體積也很小，有利于精子的穿透功能。

表觀遺傳是可遺傳的非DNA為基礎的信息。表觀遺傳發生在原始生殖細胞（primordialgerm cells）、配子發生（gametogenesis）和受精之后的胚胎發育過程中。哺乳動物中攜帶父源基因組進入卵細胞的精子同時包含著表觀遺傳信息。目前研究的比較普遍的表觀遺傳改變包括DNA甲基化和組蛋白翻譯后修飾。

DNA甲基化主要是指胞嘧啶（cytosine nucleotide）的甲基化狀態，參與例如基因印跡或者X染色體失活等細胞生物學事件，導致單等位基因表達。這種修飾常發生在CpG雙核酸的胞嘧啶殘基，參與基因表達調控，例如H19基因在男性被甲基化修飾而沉默，在女性中低甲基化或者去甲基化，從而在后代中表達。在少精子癥患者的精子中H19基因區甲基化水平異常比例較正常人群顯著性增加。另有報道，父源表達基因MEST在少精子癥患者中有較高比例的異常高甲基化。

組蛋白修飾包括乙酰化、磷酸化、甲基化、和泛素化等。在精子發生過程中，組蛋白（H2A，H2B，H3，H4）被精蛋白替換，從而使得染色質濃縮。然而在生育能力正常男性的精子中，依然有5%～15%的基因組并未發生精蛋白替換。這些殘留的組蛋白結合在一些參與早期胚胎發生的轉錄因子和信號通路組分編碼基因的啟動子區，同時這些區域的DNA也呈低甲基化的狀態。對精子組蛋白H3第12位賴氨酸乙酰化（H3K12ac）的研究發現H3K12ac主要定位于人精子的頂體下方，而在小鼠的受精卵中雄原核相比雌原核存在更多的H3K12ac。H3K12ac可以結合特定基因的啟動子區，與這些基因的轉錄水平呈正相關。另一個組蛋白H4的第12位賴氨酸乙酰化（H4K12ac）主要發現于頂體后區，不同于精蛋白1（PRM1）分布于整個精子核的定位。由于精子組蛋白具有潛在的受精后遺傳調控功能，因此我們有理由相信精子濃縮異常或者組蛋白修飾異常可能與父源表觀遺傳信息不能傳遞到卵細胞有關，從而導致男性不育。

人和小鼠的成熟精子中都含有mRNA，長鏈非編碼RNA、小RNA和tRNA等RNA。精子核中的RNA被認為與早期胚胎發育密切相關。同時也有研究發現成熟精子可以進行蛋白質的翻譯，抑制這種翻譯活動可以導致精子運動和功能的異常。近年來研究發現精子中攜帶的tRNA片段可以參與表觀遺傳，將父本的表觀遺傳信息傳遞到子代。

精子核的表面為核膜，為類脂雙層結構，精子的核膜較體細胞的核膜薄，厚約7～10nm，與體細胞相比精子核膜有著自己的特點，這種特點主要形成于精子變形階段。大部分核膜無核孔，但在核后環處，精子變形過程中，核染色質濃縮，核體積縮小，多余的核膜形成一下垂的皺褶（redundant nuclearenvelope，RNE），在RNE上存在大量的核孔，一直延伸到頸段，此處的核膜較厚，同體細胞的核膜一樣約40～60nm。

核膜的內表面有一層蛋白質形成的網，稱核纖層（nuclear lamina），作為核骨架（karyoskeleton）的一部分，起支撐核膜的作用，并可固定染色質。這個網絡包括核纖層蛋白A（LMNA）和核纖層蛋B（LNMB）、核纖層相關多肽2（lamina-associatedpolypeptide 2，LAP2）以及核纖層蛋白B受體（lamin B receptor，LBR）。除了核纖層蛋白B1外的大部分這些蛋白存在于精子發生過程中，卻不存在于成熟精子。LMNA敲除可以導致精子發生異常，大量粗線期精母細胞發生凋亡。此外 Gmcl1、 DPL19l2等基因缺失后可以導致小鼠精子頭部畸形，可能與核纖層有關。

在精子變形的染色體濃縮過程中，精子核中存在一個位于核后環之后RNE內的一個染色體不濃縮區域，并在精子成熟后消失。有研究認為該區域存在大量多聚泛素化蛋白質以及蛋白酶體。

核空泡主要發現于人類的精子中，而在其他哺乳動物中少見。核空泡大小為1～3μm，常呈不規則形。核空泡通常被正常濃縮的染色質包圍，有時內含細胞質或者頂體組分。有研究顯示核空泡的多少可以衡量精子質量，然而其結構是否有作用仍然有待研究。

頂體為精子特有的細胞器，起源于高爾基復合體，內含精子穿透顆粒細胞和透明帶的必須酶類，對精子受精十分重要。頂體覆蓋于精子細胞核前2／3的帽狀結構，大部分頂體結構在精子變形過程中形成，少部分成分在粗線期晚期精母細胞中合成。

光鏡下，精子未染色時較透亮，用瑞氏：吉氏染液為9∶1的混合液進行染色，可觀察頂體形態，位于精子核的前端；電鏡下，頂體由頂體外膜、頂體內膜和頂體腔三部分組成。頂體外膜與細胞膜之間有薄層的細胞質，頂體內膜與核膜間也有一間隙，約20nm，稱頂體下間隙。內、外膜在頂體后緣相互延續，頂體腔內容物呈均質狀，含多種與受精有關的化學物質。頂體又可分為帽區（acrosomal cap）和赤道部（equatorial segment）兩部分，前者位于精子的前部，構成頂體的大部分，后者較短，位于頭部較寬處。頂體反應時，頂體外膜與細胞膜發生間斷性融合，融合后的細胞膜和頂體外膜形成囊狀小泡，最終囊狀小泡消失，頂體內膜暴露。在多數物種中頂體內膜和赤道部內容物繼續保留直到精卵融合。赤道部在人的竹片狀精子頭中主要覆蓋赤道處，而在小鼠的鐮刀狀精子中常覆蓋更多的精子頭側表面。

根據和精子核的關系頂體分為兩部分：通過核前緣延伸出的邊緣段（尖段，外周段）和疊加在核上的主段（頂體段）。在人、猴、牛、豬、兔和蝙蝠的頂體較小，因此邊緣段忽略不計，而豚鼠、栗鼠和黃鼠的頂體具有巨大的邊緣段。通常情況下具有邊緣段的精子在涂片中具有更為復雜的形態結構。

精子頂體形態受兩個方向的力量影響包括：來自精子細胞和Sertoli細胞骨架的外部力量，以及來自精子細胞核的內部力量。大體上來說，哺乳動物的精子頂體及其組分在精子發生過程中持續地進行結構和化學組分方面的變化，并且在附睪遠端最終發育完成。臨床和基因編輯小鼠模型的研究發現SPATA16等一些基因參與了頂體形成過程。

頂體外膜內表面存在電子致密物質，主要成分是糖蛋白，可以與麥胚素（Wheat germ agglutinin，WGA）等凝集素結合。這些糖基化分子可能幫助穩定頂體膜，并且可能參與頂體反應過程中的膜融合。頂體內膜的形成開始于早期精子細胞的前頂體囊泡和精子核的接觸，之后在精子核一側形成一個平臺。頂體囊泡在精子變形過程中延伸并覆蓋精子的尖端。頂體內膜也包含糖蛋白，同時對于化學和物理刺激較外膜更為穩定，然而有研究發現內膜具有較強的流動性，其中一個例子是SPAM1蛋白在豚鼠精子頂體反應過程中從細胞膜遷移至精子頂體內膜。此外也有報道EQTN和IZUMO1錨定于精子頂體的內膜和外膜，頂體反應后轉移至赤道部的細胞膜。赤道段由于有豐富的細胞骨架網絡連接頂體內膜和外膜，因此相對穩定。這種細胞骨架網絡在精子進入卵細胞之前相對難于辨認，而在受精后容易被觀察到，推測可能是由于剩余的頂體內容物釋放導致的。

頂體內含受精相關的多種酶和蛋白質等物質，見表8-1。在頂體反應過程中，受鈣離子信號刺激，頂體內容物胞吐釋放，精子穿透卵細胞周圍的透明帶，這一過程可以被蛋白酶抑制劑阻斷。

ACR（acrosin）是絲氨酸蛋白酶超家族的成員，僅存在于生精細胞中，其前體主要合成于圓形精子，分布于在人、豬、牛和兔的精子頂體內膜。ACR敲除小鼠可育，但出現精子受精減慢，提示穿透透明帶過程受阻，同時提示多種絲氨酸蛋白酶參與頂體反應的過程。ACRBP可以結合ACR前體，而非成熟的ACR。在PCSK4敲除小鼠中ACRBP不能被水解成27.5kDa的成熟形式，提示ACRBP是PCSK4的底物。ACR抑制劑存在于頂體內和精漿中，人精子頂體中也可以檢測到其他絲氨酸蛋白酶抑制劑。

精子的透明質酸酶不同于通常溶酶體酶。在小鼠中分別敲除已知的2種精子透明質酸酶SPAM1（sperm adhesion molecule 1）和HYAL5（hyaluronoglucosaminidase 5）都不能導致不育。SPAM1和ACR同時缺失或者SPAM1／PRSS21（serine protease 21）同時缺失和缺失了SPAM1的精子相比，穿過顆粒細胞基質的能力降低。

其他被報道的頂體酶包括β-半乳糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酸、芳香基硫酸酯酶、膠原酶樣多肽酶、組織蛋白酶D樣蛋白酶、組織蛋白酶H、胰酶樣蛋白酶、鈣蛋白酶、神經氨（糖）酸苷酶、非特異性酯酶、芳基酰胺酶、天冬氨酰胺酶、芳基硫酸酯酶A、酸性磷酸酶、磷脂酶C和磷脂酶A2等。盡管普遍認為這些酶是頂體的溶解組分，可以在頂體反應中釋放，但大部分酶的編碼基因功能依然有待研究。睪丸特異表達的絲氨酸蛋白酶39（PRSS39）和絲氨酸蛋白酶40（PRSS40）以及廣泛表達的胰酶同源物絲氨酸蛋白酶2（PRSS2）也存在于精子頂體中。另一個絲氨酸蛋白酶PRSS21敲除小鼠后精子體外受精率降低。

精子中非酶類蛋白質主要參與頂體基質的組成，這些基質通常不溶于非離子型清潔劑，并且在頂體反應后大部分依然保留在精子上。參與頂體膜組成的蛋白包括SPACA1、STY4、ZAN等。一些基質可能參與了透明帶結合，包括：MC41抗原、ACVR1、ZPBP。此外，精子頂體中存在的一些非酶類蛋白質可能參與了G蛋白介導的胞吐作用，包括豚鼠精子中的acrogranin，大鼠精子中的proenkephalin，人精子中的gastrin和小鼠、大鼠、猴精子中的膽囊收縮素等。然而這些多肽在精子發生或者受精中的功能仍然未被闡明。

哺乳動物的精子頭部存在細胞骨架成分，主要分布于頂體下間隙、頂體后間隙和頂體周間隙。其中頂體周間隙狹窄，內含精子-卵子識別相關分子。

結構：頂體和細胞膜之間存在頂體外細胞骨架；頂體下的細胞骨架和頂體后的細胞骨架共同組成核鞘（perinuclear theca），見圖8-2。以頂體后側邊緣為界核鞘分為兩個部分：頂體下核周鞘（subacrosomal perinuclear theca）和頂體后核周鞘（postacrosomalsheath perinuclear theca）。頂體下核周鞘內的細胞骨架主要位于頂體內膜與精子核膜之間，是鐮刀狀精子（小鼠、大鼠、倉鼠等）的主要結構，是竹片狀精子（人、猴等）的次要組成部分。在附睪轉運過程中頂體下細胞骨架形成大量二硫鍵，可能對穿透卵細胞的過程有所幫助。頂體后核周鞘（postacrosomalsheath perinuclear theca）延伸至核后環（posterior ring）。核后環區精子細胞膜、頂體后細胞骨架和精子核膜三者緊密黏附形成一個致密區域。已經發現的人精子的核周鞘組分與其他哺乳動物相近。

精子頭部細胞骨架有較強的對抗化學刺激的能力，提示這一結構可以參與精子頭部形態維持以及受精過程中的頂體反應和穿透卵細胞的過程。精子頭部細胞骨架蛋白列表見表8-2。除此之外，在核周鞘也可以檢測到一些蛋白質，包括：肌動蛋白、血影蛋白、鈣調蛋白、肌萎縮蛋白（DP71F亞型）、抗原AJ-p90和PLCZ1。其中PLCZ1可能是精子攜帶的卵細胞激活因子。

精子頭部細胞骨架參與精子核形態的維持，為受精過程中的頂體反應和穿透卵細胞的過程提供結構支持。在精子變形過程中，頂體下細胞骨架和頂體后細胞骨架參與了頂體形態和核形態的維持。頂體前區參與頂體反應的過程，因此頂體周圍細胞骨架在頂體反應過程中扮演重要的角色。其中在頂體周間隙中發現的CPLX1、CPLX2和SNARE（N-乙基馬來酰亞胺-敏感因子附著蛋白受體）可以參與胞吐作用。CPLX1敲除小鼠精子對于透明帶誘導的頂體反應敏感性下降，可以導致體外受精率減少。頂體區可鑒定到SNARE調節蛋白NAPA、NSF、RAB3A和突觸結合蛋白（SYT），提示SNARE復合體可能參與頂體胞吐的調控。此外，有報道發現核周鞘蛋白MN13可能參與精子核形態的維持，在人和小鼠圓頭精子癥的精子中都檢測不到MN13。

精子尾部又稱鞭毛，鏈接于核基底部的基層板，人類精子長約60μm，其中鞭毛長約55μm，直徑大于1μm。不同物種的精子鞭毛長度差異較大，小鼠的精子鞭毛長度達120μm，大鼠的精子鞭毛長度達190μm，中國倉鼠的精子鞭毛長度達250μm，兔的精子鞭毛長度達46μm，海膽的精子鞭毛長度達50μm。精子鞭毛可分為頸段、中段、主段和尾段四個節段。鞭毛的主要組分為軸絲、線粒體鞘、外周致密纖維、纖維鞘。軸絲是由“9+2”微管復合體構成，貫穿頸部至整個鞭毛。在精子變形的早期，遠端中心粒募集形成精子的軸絲，而近端中心粒遷移至精子核周。在哺乳動物中，精子的鞭毛包含2個附屬結構包裹軸絲：外周致密纖維和纖維鞘。外周致密纖維與軸絲相鄰，從頸段延伸至主段后段。纖維鞘起始于終環，是主段的特征性結構；而線粒體鞘包裹外周致密纖維是精子中段的特征性結構。在尾端的鞭毛外周致密纖維和纖維鞘缺如，僅剩軸絲（圖8-3）。

人精子頸段為精子尾和頭的連接部位，故又稱連接段（connecting piece），由前端的小頭（capitulum）、后端的節柱（segmented coulumn）和中央的中心粒組成。在核的后極，有一淺窩，稱植入窩，與尾部頸段起始端嵌合、加強頭與尾的連接。小頭嵌入植入窩并連接節柱頂端。植入窩處覆蓋基層板，據有較高的電子致密度，連接細胞膜和核膜。頸段功能主要是連接精子頭和精子尾，儲存部分中心粒蛋白以及穩定鞭毛起始部分。頸段具有一定彈性，被認為可能與精子尾部鞭打循環和彎曲相關。節柱從小頭后方延伸1～2μm連接外周致密纖維。然而節柱和外周致密纖維的起源并不相同，在早期精子變形過程中，中心粒與細胞膜對接并啟動軸絲發生，節柱形成于中心粒周圍。中心粒參與了精子頸段和軸絲的形成，然而不直接參與精子運動過程。

哪些蛋白質參與介導了精子頸段和精子核的結合仍然有待研究。有研究發現，鳥氨酸脫羧酶抗酶蛋白（ornithine decarboxylase antizymes，OAZs）參與調控精子頭和尾之間的剛性連接。OAZ家族蛋白中OAZ-t／OAZ3特異性表達于精子變形階段，OAZ1和OAZ2廣泛表達。OAZ3在精子變形過程中通過結合鳥氨酸脫羧酶并使其失活從而調節多胺濃度，OAZ3缺失的小鼠，精子頭尾容易分離，導致雄性不育。這種精子頭尾分離的現象主要發生于小頭與基層板，與胰酶消化后的精子頭尾分離相類似，不同于超聲處理后的精子尾部隨機斷裂。

中心體是一個模糊的細胞質區域，長約0.5μm，直徑約0.2μm。中心體作為動物細胞中的微管組織中心，同時調節微管的聚合和空間組織。在精子變形過程中，核的正后方植入窩中，一個中心粒恰位于此處中，稱為近端中心粒（proximal centriole），另一個稱為遠端中心粒（distal centriole），位于近端中心粒的后方，其長軸平行于精子的長軸。近端中心粒在多數物種中保留其結構，而遠端中心粒在晚期精子細胞中消失。在人和牛的受精卵中可以發現精子攜帶的中心粒，而嚙齒類動物沒有這種現象。

中心粒周圍物質包含微管蛋白TUBG1并參與了微管聚合。TUBG1可以在人、獼猴、小鼠、大鼠、豚鼠、兔、牛等動物的精子細胞中表達，同樣存在于除了人和牛以外的多數物種的晚期精子分化過程。Centrin（CETN1）也是一個經典的中心粒周圍物質，存在于人、獼猴、小鼠、豬、兔的精子細胞中。此外精子頸部存在另一個蛋白SPATC1，在人精子中位于近端中心粒周圍，并且可以通過小鼠精子傳遞至小鼠卵細胞中。雖然人和大多哺乳動物的中心粒可以在受精卵中形成精子星狀體，然而小鼠精子的中心粒在卵細胞中被降解而不能被受精卵繼承。睪丸特異的絲氨酸激酶家族（the testis-specific serine kinase，TSSK）可能參與了頸段的調節。TSSK包括6個家族成員TSSK1-6，其中TSSK1，TSSK2，TSSK4和TSSK6存在于小鼠睪丸生殖細胞和附睪精子中。睪丸特異的絲氨酸激酶底物（testis-specific serinekinase substrate，TSKS）包含2個中心粒相關結構域coiled-coil regions，通過這一結構，TSKS可以募集TSSK2至精子細胞中心粒發揮功能。TSKS定位于精子變形過程中的中心粒，并存在于人精子中心粒，但是在小鼠精子中的中心粒并不存在。小鼠的TSKS和TSSK2存在于附睪精子的頂體區，人精子中的TSSK2定位于赤道段。TSSK2激酶活性同時存在于睪丸和成熟精子中。小鼠中敲除TSKS和TSSK2都導致單倍體劑量不足（haploinsufficiency）效應，而無法進行生殖系傳遞。敲除嵌合體小鼠研究發現精子發生阻滯，附睪出現大量圓形精子脫落細胞。TSSK6敲除精子染色質濃縮異常。也有報道發現TSSK1和TSSK2雙敲小鼠不育，線粒體鞘排列紊亂，終環位置異常，與SEPT4敲除小鼠表型部分相似。

CNTROB與子中心粒和微管穩定有關。大鼠中突變CNTROB導致精子頂漿復合物（acroplaxome）邊緣環形成異常，中心粒常不能正常錨定導致精子變形障礙，與臨床上少、弱、畸精子癥的患者表現類似。

精子尾部軸絲的結構與大多動物和植物的纖毛和鞭毛相同，主要組分為細胞骨架蛋白（tubulin）和動力蛋白（dynein）。典型的軸絲結構為“9+2”形式，由周邊的9對雙聯微管和中央兩根單獨的微管組成，每對雙聯微管分為A亞微管和B亞微管，其中A亞微管管型完整，距離中軸較近，B亞微管呈“C”字形，以其開口的兩端附著于A亞微管。每根亞微管均由螺旋形排列的原絲組成，A亞微管有13根原絲，B亞微管有10～11根原絲圍在A管一側，另有3根原絲與A管合用。中央兩根單獨的微管管型完整，外包有中央鞘，根據雙聯微管的部位，將9組微管編為1～9號，編號原則為在橫斷面上，通過兩個中央微管連線的中點作一垂直線，與此相交的一個雙聯微管為1號微管，然后按順時針方向將其余8對雙聯微管分別命名為2～9號。在大多數哺乳動物中，中央微管與植入窩或者小頭相連，而周圍微管與遠端中心粒殘留部分相連。微管主要由βtubulin（tubulin，alpha 1a，TUBA1A）（56kDa）和α-tubulin（tubulin，alpha 1b，TUBA1B）（54kDa）形成的二聚體共同組成。許多TUBULIN編碼基因在精子變形過程中表達，包括一些睪丸特異的轉錄本，而這些轉錄本翻譯后的蛋白質差異可以被翻譯后修飾進一步擴大。放射輻（radial spokes）基于A亞微管向中央二聯微管（central pair apparatus）延伸，在衣藻的鞭毛中至少含有23種多肽（8～210kDa）組成。這些蛋白質包括鈣離子／鈣調蛋白信號通路或者cAMP依賴的細胞內信號通路的蛋白質CALM和激酶錨定蛋白RSP3等。其中RSP3突變可以導致軸絲結構異常，男性不育。中央成對裝置至少包含17種蛋白質。微管連接蛋白-動力蛋白調節復合體（nexin-dynein regulatory complex，N-DRC）存在于周邊雙聯微管之間，在有鞭毛生物中結構保守，近期的研究表明缺失其組分TCTE1可以導致精子運動障礙，從而導致不育。

軸絲外周的雙聯微管中每個A亞微管向下一個B亞微管伸出兩個短臂，稱為動力蛋白臂，含有內側動力蛋白臂（inner dynein arm，IDA）和外側動力蛋白臂（out dynein arm，ODA）。動力蛋白是一個微管相關馬達蛋白家族，參與了纖毛和鞭毛的運動功能。動力蛋白具有ATP酶活性，在鞭毛運動中給微管提供單向滑動的力。有研究發現動力蛋白為Mg ²⁺依賴的ATP酶，酶活性占鞭毛ATP酶總活性的50%，其余的酶活性在放射輻的頭部，動力蛋白的作用是分解ATP，每個丹寧蛋白分子每秒鐘可分解11～35個ATP分子，精子鞭毛在一次擺動中能水解一個ATP分子，使化學能轉變為機械力，使精子能夠運動。體外ATP酶抑制劑可抑制精子的運動能力。動力蛋白由重鏈（heavychains）、中鏈（intermediatechains）、輕中鏈（light intermediatechains）、輕鏈（lightchains）組成。大多軸絲動力蛋白的功能報道來自有纖毛的單細胞生物和海膽精子的研究，用以推測哺乳動物精子中的功能。關于精子尾部能夠擺動的機制，一般都接受“滑動微管模型”假設，鞭毛的運動不是微管收縮的結果，而是二聯微管的A管和B管可相互滑動，這主要是放射輻和中央鞘連接和脫離連續往返進行的結果，二聯體臂上的ATP酶能水解ATP，產生能量，供鞭毛運動所需。微管結構異常，如周圍微管或動力臂缺乏均可導致精子運動功能喪失，如纖毛不動綜合征就是由動力臂缺失引起精子不能游動，同時體內的纖毛也不能擺動，使得在不育的同時伴有呼吸道疾病。小鼠中軸絲相關組分基因缺失或者突變可以導致小鼠精子的運動能力改變和雄性不育。

外周致密纖維（outer dense fiber）是脊椎動物精子中存在的特異性細胞骨架結構，不同于其他真核細胞的纖毛和鞭毛。外周致密纖維對于精子鞭毛的穩定、鞭打和彈性回彈十分重要，圍繞軸絲，由9根縱行的柱狀結構組成，與頸段的節柱相連，延伸貫穿尾部中段和主段大部分。每根外周致密纖維的內側與雙聯微管相鄰，故將纖維給予與相鄰雙聯微管相同的編號。不同部位的外周致密纖維粗細不一，在尾部中段起始段較粗，以后逐漸變細。在人、恒河猴、蝙蝠的精子中，外周致密纖維終止于大約尾部主段一半的位置，而在大鼠、倉鼠、豚鼠等精子中，外周致密纖維終止于尾部主段末端。1、5、6、9號纖維較其他的粗，橫斷面上，纖維呈梨形，底部朝外。3、8號纖維在尾部主段逐漸消失，由纖維鞘的縱柱（longitudinal columns）代替。主段中較粗的1、5、6號纖維一般延伸較長。外周致密纖維形成過程在大鼠的研究中描述的較為清晰，在第8步（step 8）精子細胞中少量致密纖維在頭尾連接處黏附于雙聯微管；第14步精子細胞中延伸至尾部主段；于第15至19步時繼續由近端向遠端延伸。一般認為外周致密纖維前體由胞體合成并運輸至尾部的遠端。

外周致密纖維在透射電鏡觀察下，分為皮質和髓質。皮質由直徑6～7nm的球形顆粒組成單層板狀，髓質則是均質狀。在大鼠睪丸生精小管即將釋放的精子外周致密纖維近髓質處可見衛星原纖維。一系列蛋白質參與了外周致密纖維的組成，見表8-3。其中ODF1和ODF2是組成外周致密纖維的主要蛋白質。ODF1與ODF1相互作用定位于外周致密纖維、基層板、小頭、節柱。ODF1、ODF2、ODF3和ODF4等蛋白質雖然都以ODF命名但是并非同源蛋白，結構并不相似。其中ODF1半胱氨酸含量較高，蛋白質內含有大量的二硫鍵，因此較為穩定，是大鼠外周致密纖維的主要成分，主要分布于髓質。ODF1高度保守，其敲除小鼠精子頭尾分離，精子線粒體鞘，以及外周致密纖維結構紊亂。ODF2是一個84kDa的蛋白質，在人、小鼠、大鼠的精子中都有表達。ODF2在外周致密纖維的皮質和髓質都有定位。ODF2在生精細胞中高表達，同時也表達于體細胞的中心粒。在睪丸中，ODF2定位于精子的頂漿復合物、尾部、頸段和Sertoli細胞、精原細胞、精母細胞的核仁。 Odf2基因編碼ODF2、cenexin 1和cenexin 2三種蛋白質，條件性敲除 Odf2基因，導致纖毛結構和功能異常，從而引起呼吸道疾病等多種表型，對精子鞭毛的影響仍有待研究。

線粒體鞘決定了精子中段的長度，其排布和長度在物種間有較大差異。大多數哺乳動物中線粒體鞘長度為5～12μm（人5.5μm、恒河猴10μm、牛12μm、兔8.5μm、豚鼠9μm），大鼠可達64μm，倉鼠100μm。精子線粒體呈螺旋形包繞外周致密纖維形成線粒體鞘。線粒體鞘的形成主要發生在精子細胞階段，分為以下幾個步驟：

1.終環（annulus）從頸段下降至纖維鞘起始段。

2.長形線粒體圍繞鞭毛形成右旋的線粒體排布。

3.長形線粒體分裂形成球形線粒體。

4.球形線粒體變長并連接形成致密的左旋雙螺旋結構。

線粒體長度存在一定變異，然而在大多數物種中排列方式高度一致。線粒體鞘黏附于線粒體下網狀結構（sub-mitochondrial reticulum）。線粒體下網狀結構是由絲狀物質交互連接形成，這個結構融合在線粒體鞘末端與終環相融合。

每個精子約含75個線粒體，線粒體為橢圓形的細胞器，直徑為0.5～1.0μm，每一線粒體由外膜、內膜及基質三部分組成。內膜又向內折疊形成平行排列的膜片狀嵴，線粒體的主要功能是產生能量，在線粒體的內膜及基質中含有多個參與三羧酸循環的關鍵酶及能量轉換的耦聯磷酸化裝置，為精子運動提供ATP。一些小鼠模型研究發現，線粒體鞘結構形成受SMCP（sperm mitochondria-associatedcysteinerich protein）調節，敲除SMCP的小鼠出現弱精子癥，同時降低精子穿卵的能力。另一個蛋白質GPX4（Glutathione peroxidase 4）作為線粒體鞘的結構組分，參與了線粒體鞘結構的維持，GPX4敲除小鼠精子線粒體鞘排列紊亂同時伴隨多種精子畸形，導致雄性不育。

終環在中段線粒鞘最后一圈的尾側，細胞膜返折特化，形成一層致密的板狀結構，稱終環（annulus／terminal ring）。細胞膜附著于此環上，可防止線粒體在精子運動時向尾端移位，同時維持鞭毛的機械完整性。胞質小滴（cytoplasmicdroplets）常出現在終環位置。在精子發生過程中，隨著軸絲的延長，在圓形精子中形成了高電子密度結構——終環。這一結構早期伴隨著擬染色質（chromatoid body）位于鞭毛的基部，隨著鞭毛的延伸向鞭毛的遠端移動。

Septin（SEPT）家族蛋白屬于GTP酶超家族，被認為通過與tubulin或者actin相互作用，參與多種細胞功能，同時也是終環的重要組分。其中SEPT4敲除的精子，終環結構被松散的纖維網代替。SEPT12敲除小鼠出現單倍體劑量不足效應，即雜合子小鼠出現精子細胞階段阻滯，尾部畸形，線粒體鞘排列紊亂等一系列表型。在不育患者中發現c.266C＞T／p.Thr89Met和c.589G＞A／p.Asp197Asn兩種SEPT12突變，存在于GTP酶結構域中，提示這些突變可能改變了蛋白質的關鍵結構。其中c.589G＞A／p.Asp197Asn突變的患者精子終環缺失，同時出現尾部畸形。此外與SEPT4敲除的精子類似，SLC26家族陰離子轉運蛋白SLC26A8缺失的精子，出現缺失或不完整的終環。

纖維鞘是精子尾部主段的重要組分，位于細胞膜之下并緊貼細胞膜，并黏附于終環。纖維鞘由背側縱柱、腹側縱柱和環形肋柱組成，背側和腹側縱柱與精子長軸平行，分別起始于軸絲的第3、8對二聯微管的外側，直徑約15～20nm。在主段的頭側，附著于第3和第8根外周致密纖維，在尾側外周致密纖維消失后，兩縱柱的內側各發出縱行的嵴狀突起，與相對應的二聯微管相連。由于有9對二聯微管，因此在橫斷面上縱柱將主段分成不對稱的兩部分，一部分含4根外周致密纖維（4、5、6、7），另一部分含3根（1、2、9）。肋柱是由緊密排列的環形細絲組成，兩端變寬，與縱柱相連，肋柱之間的間隙較小，且相鄰肋柱發出分支相連。纖維鞘的功能是調整精子尾部擺動的平面，由于3號和8號二聯微管與背側和腹側縱柱相連，限制了微管的滑行運動，只有其余7對二聯微管可以滑行，同時由于縱柱的存在使得精子尾部的彎曲只能發生在與背、腹軸相垂直的平面上，也就是在與中央微管連線相垂直的平面上。

在大鼠的研究中發現，纖維鞘形成的方向與外周致密纖維相反，精子變形過程中從遠端向近端形成。縱柱出現于step 2精子細胞鞭毛的遠端第3、8對二聯微管的外側，并于step 2至step 10延長。肋柱前體出現于step 11精子細胞鞭毛的后端，呈等間隔的成對纖維帶。肋柱前體與step 12至step 14與縱柱結合。在step 15至step 16，肋柱形成增加，縱柱增粗完成纖維鞘發育。

纖維鞘具有高耐酸溶解性，并且存在大量二硫鍵交聯蛋白質，起到穩定纖維鞘的作用。目前已經發現許多蛋白質定位于纖維鞘或者與纖維鞘密切相關，見表8-4。一系列cAMP依賴的蛋白激酶A錨定蛋白家族AKAPs（cAMP-dependent protein kinase A anchoring proteins）存在于纖維鞘，其中AKAP4具有結合調節亞基PRKAR1A和PRKAR2A的能力。缺失AKAP4小鼠不育，主要表現為精子運動能力下降，以及纖維鞘發育不全，尾部長度縮短。

此外，纖維鞘上還含有許多睪丸特異的同工酶以及酶活性相關蛋白質。包括糖酵解相關酶：己糖激酶（hexokinasetype 1，spermatogenic cell variant，HK1S）、3-磷酸甘油醛脫氫酶（glyceraldehyde3-phosphated dehydrogenase，spermatogenic，GAPDHS）以及丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase subunits）等。一些自由基代謝酶也存在于纖維鞘，如：谷胱甘肽S-轉移酶（mu-class glutathione S-transferase，GSTM5）以及硫氧還蛋白TXNDC1（thioredoxin-related transmembraneprotein 1）和TXNDC2（thioredoxindomain containing 2）。其中GAPDHS缺失的精子形態正常，出現精子ATP產生障礙，精子運動異常，雄性不育。提示著精子尾部能量來源主要來自于主段中糖酵解，而非氧化磷酸化。

精子膜和其他細胞的細胞膜一樣，主要由類脂雙層組成，脂質雙層的親水端向外，疏水端向內，脂質雙層中鑲嵌有蛋白質。精子膜的脂質主要是磷脂。精子具有獨有的極化形態，其表面高度分化，并且由于組分和功能的不同，區分為多個亞區。精子表面分化和表面分子區隔發生于精子發生階段，這種區隔被推測參與防止未成熟精子提前發生成熟精子在運動和精卵識別以及受精過程中按時發生的一系列事件，包括獲得運動能力、超激活、獲能、頂體反應等。

大多數哺乳動物精子頭部的細胞膜主要分為頂體區和頂體后區，頂體區的細胞膜按照頂體分區對應的精子細胞膜可以分為邊緣區（marginalsegment）、主體區（principal segment）和赤道區（equatorial segment），見圖8-4。在不同物種之間。精子頂體區細胞膜分區的面積大小和形狀的變異較大，主要由于物種間的精子細胞核以及頂體的形狀有所不同導致。

核后環（posterior ring）位于精子頭和頸段連接處，細胞膜與核膜緊貼，形成一環狀線，作為一個屏障隔離頭部和尾部的細胞質。其余精子尾部的細胞膜按照尾部的結構組成，也分為中段、主段和尾端。中段和主段由終環分割。在精子變形過程中，大多數精子細胞膜分區的形成，部分細胞膜分區的最終形成完成于附睪的精子成熟中。隨著附睪精子胞質小滴從前向后至終環的遷移過程，精子尾部中段的細胞質也隨之改變；同時精子頭部形狀和組成也發生部分改變，例如頂體減小體積，因此精子頭部的細胞膜組分可以遷移至精子的其他分區。

在精子表面不同部位的細胞膜可有不同的特征，細胞膜總體上比較光滑，但近頂體前端部位的細胞膜比較粗糙，頂體區表面有凹陷，膜上有一些小的顆粒。精子表面（包括頭部和尾部）結合來自附睪上皮分泌的蛋白質，包括去獲能因子以及一些復雜成分，在脂質雙層的外面組成細胞外衣，由糖脂、糖蛋白基團和從細胞膜表面伸出的寡糖鏈組成，細胞衣上的蛋白常作為受體在精卵識別等過程中發揮重要作用。

然而這種表面分子區隔并不是絕對的，在區隔形成之后，一些分子仍然可以在成熟精子表面的不同亞區重新分布。這種重新分布可以導致某些蛋白質相互作用從而啟動特異的信號通路最終導致精子功能狀態的改變。因此精子表面的亞區動態變化伴隨精子發生乃至發揮功能的整個階段。

在以往的研究中，精子細胞膜的不同區域通過多種方法進行標記和鑒定，包括凝集素染色、冷凍斷裂、冷凍蝕刻、原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）等。此外一些膜插入分子試劑也常用來對精子細胞膜進行分區，例如：β-hydroxysterols和固醇的混合物、filipin、C16diI等。其中應用原子力顯微鏡觀察偶蹄目動物的精子，發現赤道下存在不同于頂體前區、赤道區和頂體后區的一個物種特異結構區。應用filipin參入細胞膜內形成filipin-sterol復合體，在冷凍斷裂技術觀察下可見細胞膜內顆粒，用于區分精子細胞膜的不同區域。此外也可以應用C ₁₆diI參入細胞膜，對細胞膜組分進行區分，例如公羊精子的頂體區C ₁₆diI參入水平較頂體后區明顯增高。對于精子膜非免疫方法區分往往依賴于不同探針對于精子膜中脂類和蛋白質的不同親和效率導致的膜平面中的不均勻分布，由此判斷不同分區中的組分差異。

免疫學方法主要依賴特異性抗體，由于抗體可以直接結合多種標記分子，或者通過結合二抗的方式，標記目標分子，并可以通過光學或電子顯微鏡示蹤。近年來大量抗體，特別是多克隆抗血清被生產并且投入應用，然而抗血清常存在成分復雜或者非特異性結合的問題，因此在鑒定精子膜組成分子的生化特性和功能等方面常受限。通過制備特異性較高的單克隆抗體的方式，部分精子膜亞區的分子可以被鑒定到。用這些單克隆抗體，精子部分表面蛋白和糖蛋白可以被識別，它們可以獨立存在于一些精子膜的亞區，或者同時存在于多個亞區之中。一些免疫共沉淀的實驗發現，應用單克隆抗體去鑒定特異性分子相互作用復合體時，可能出現非特異性的識別具有相似抗原表位的其他功能不相關的分子。例如單克隆抗體MC121可以識別一種鞘糖脂GalNAcβ1-3Galβ1-4GlcNAcβ1-3Galβ1-4Glcβ1-ceramide，但同時也可以識別小鼠精子的一種54kDa唾液酸糖蛋白和人類血紅細胞中的脂類成分。此外，利用轉基因小鼠將目的蛋白與綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，GFP）進行融合，可以在體內觀察目標蛋白質的定位和狀態。

在影響精子功能的離子中，Ca ²⁺最引人注目。最早用熒光探針等方法觀察到精子獲能和受精過程中細胞內Ca ²⁺濃度的變化。許多頂體反應的激發因子也均能使Ca ²⁺內流增加，繼而觸發一系列后繼過程。精子表面存在大量蛋白質，其中Ca ²⁺通道蛋白參與調節Ca ²⁺穩態從而參與精子的多種功能。其中CATSPER家族包括4個堿激活電壓門控鈣離子通道蛋白（CATSPER1，2，3，4），這些蛋白質在人和小鼠中高度保守。CATSPER1包含6個跨膜結構域，主要存在于小鼠精子的尾部主段。CATSPER2同樣也存在于小鼠精子的尾部主段，敲除CATSPER1或CATSPER2都導致雄性小鼠不育、影響精子超激活和受精。CATSPER蛋白復合體包含通道組成蛋白之外還包含附加蛋白CATSPERB、CATSPERG和CATSPERD。這些附加蛋白的組裝，依賴于CATSPER1。在臨床研究中發現，至少2個CATSPER1基因突變可能導致男性不育。

另一類電壓門控通道蛋白分布于精子不同分區的細胞膜上，Cav1.2和Cav2.2分布于頂體區的細胞膜上，Cav2.3分布于頂體后區，同時Cav1.2、Cav2.2與Cav2.3也存在于精子尾部主段。Cav2.3亞基蛋白（alpha 1E）出現異常，可以導致精子運動異常。

細胞膜鈣離子轉運ATP酶4（plasma membrane Ca ²⁺-transporting ATPase 4，PMCA4），在精子中主要存在于尾部主段細胞膜，并少量分布于頂體區的細胞膜。在牛精子精囊腺中發現分泌蛋白PDC-109，通過使膽固醇、磷脂和精子表面膽堿脂類結合，激活PMCA4。PMCA4敲除可以導致精子內鈣離子濃度增加，從而精子不能啟動超激活運動，導致雄性不育。PMCA4的兩個剪接體PMCA4a和PMCA4b被研究的較多。在對小鼠的研究中發現，PMCA4a具有較PMCA4b更強的基礎活性。PMCA4b在牛睪丸、附睪頭和體部中作為主要的剪接體形式存在，然而在牛附睪尾部中轉變為以PMCA4a為主，這種轉變可能與附睪精子更強的鈣離子轉運需求有關。

在附睪的精子成熟過程中，一些蛋白質黏附于精子表面，包括分子伴侶CLGN（calmegin）和CALR（calreticulin）、ADAMTS10、CRISP1、PCSK4、defensins、PLCZ1（phospholipase C zeta 1）和一些抗原分子SMA4和T21。分子伴侶如熱休克蛋白，常參與細胞應激反應、代謝、生長、分化、凋亡等事件。這些分子存在于精子表面，常在附睪和女性生殖道中發揮作用，例如：睪丸特異的分子伴侶CLGN和CALR參與ADAM1A和ADAM2二聚體的形成，及隨后ADAM3的精子表面定位。缺失CLGN和CALR導致精子在雌性生殖道遷移能力以及透明帶結合能力受損，從而引起雄性不育，表型與Adam1a和Adam3基因敲除小鼠相似。分子伴侶參與的蛋白質修飾、折疊等事件相關，因此分子伴侶敲除導致的表型常常與靶蛋白功能相關。

ADAM家族是已知的一類參與多種細胞外基質黏附事件的金屬蛋白酶。除了ADAM1、ADAM2和ADAM3之外，ADAMTS10也屬于此家族。ADAMTS10在小鼠中表達起始于精子發生，并進入精子細胞的頂體區細胞膜。在成熟精子中位于頂體后區細胞膜表面，參與精子與卵細胞結合的過程。

在哺乳動物中，存在保守的鈣離子依賴絲氨酸內源性蛋白酶PCSK4，可以參與蛋白質水解，從而激活分泌蛋白前體成為活性形式。在小鼠精子中PCSK4主要分布于頂體區細胞膜。PCSK4缺失并不影響睪丸中精子發生過程，但是可以嚴重影響受精過程，從而導致雄性亞生育力。有研究發現ADAM2是其底物蛋白。

附睪上皮分泌蛋白質也是精子表面重要的組成部分，其中CRISP1黏附于精子表面。在大鼠的研究中發現，在精子獲能后其重新分布于精子赤道區。CRISP1敲除后，小鼠仍然保留生育能力，然而精子的酪氨酸磷酸化水平降低，提示其參與了精子獲能的調控。另一個CRISP家族蛋白質CRISP4也可以通過附睪上皮分泌。在小鼠和大鼠的附睪中，CRISP4與一種小囊泡—附睪分泌小體（epididymosome）一起被釋放進入附睪管腔，結合于精子表面。CRISP4可以通過抑制受體蛋白TRPM8（transient receptor potential cation channel，subfamilyM，member 8）發揮作用。CRISP4敲除后影響了精子對于黃體酮介導的頂體反應，提示CRISP4是TRPM8的內源性調節器。

另一個由附睪分泌到精子上的蛋白質DEFB126（defensin beta 126），具有保守的beta防御素核，并且可以被糖基化修飾。DEFB126丟失后的精子才具備識別透明帶的能力，同時DEFB126對于精子在雌性生殖道中的遷移、免疫豁免相關。小鼠中存在其同家族蛋白DEFB22。另一個小鼠精子表面抗原T21擁有與DEFB22相似的分子量，同時也是由附睪分泌的糖蛋白，這種糖蛋白被嚴重的唾液酸化，被認為和維持精子的負電荷外殼有關。

由于精子膜組分的不同，特別是蛋白質的差異，使得精子的細胞膜區室化，可以特異性的針對細胞外環境和信號做出反應。這個區室化的過程起始于精子發生過程中，在成熟精子中，跨膜蛋白的穩定和區域分布主要依賴于骨架蛋白的連接。

骨架蛋白參與了精子發生中的一系列重要事件，包括精子核和細胞質變形、重構，同時也參與了頂體反應。在精子頂體區，存在一系列睪丸特異的肌動蛋白相關蛋白質，包括ACTRT2（actin-related protein T2）、ARC（activity regulated cytoskeletal-associatedprotein）和FSCN3（fascin homolog 3）。在大鼠頂體下間隙，豚鼠的頂體，大鼠、兔、牛、豬頂體后區，倉鼠、牛、兔的頸段中均發現肌動蛋白絲的存在。在人精子的各個組分幾乎都可以檢測到其存在，包括精子頭部前區、尾部頸段、中段、主段。睪丸特異蛋白PFN3（profilin 3）和ACTRT3（actin related protein T3）組成復合體參與精子核組分。

在精子核膜和頂體之間存在頂漿復合物結構，肌球蛋白（myosin）作為其中的重要組成部分存在于頂漿復合物中。同時在核周鞘中也存在多種骨架蛋白及其相關蛋白，包括Arp-T1、Arp-T2、CCIN、CAPZA3和CAPZB3。頂體前區還存在一種常見的骨架蛋白——血影蛋白（spectrin），在豚鼠的研究中發現鈣離子依賴的蛋白酶CALPN1在精子獲能后可以從細胞質中重新分布并定位于細胞膜，可能參與血影蛋白的切割，從而利于頂體反應的發生。

精子表面分區的維持和分區特異蛋白質的隔離可能有以下幾個主要過程：限制表面分子的移動，分區屏障的形成和熱力動力學驅動分子進入特異區域。例如，在睪丸中ADAM2均勻分布于精子的頭部，而在附睪中局限于頭部后區。

精子的細胞膜和內部結構可能是組成限制分子移動的屏障組分，例如在精子頭和頸段之間形成的核后環（posterior ring），在精子尾部中段和主段之間形成的終環。這些屏障可能抑制了某些分子的移動，例如抗原2B1，2D6無法遷移至精子頭部以及PT-1無法從精子尾部遠端進入精子尾部中段。也有一些分子例外，例如BSG在精子中的重分布就不受后環和終環的影響。

此外，在冷凍斷裂技術發現的一些細胞膜內顆粒可能起到了束縛或者錨定精子膜的作用。常見的包括纖維鞘相關的拉鏈狀排列顆粒以及線粒體相關的膜內斜條狀排列顆粒。

精子膜結構中包含大量磷脂特別是縮醛磷脂（占20%～40%），以及具有長鏈多聚不飽和脂肪鏈的脂類。在動物研究中發現，磷脂可以占豬精子膜組分的70%，在羊精子頭部前區中2／3的磷脂為膽堿磷脂。類固醇是另一個精子膜的主要成分，膽固醇／磷脂質摩爾比率為0.12。在大鼠的研究中發現，類固醇含量在精子頭部中明顯高于尾部。人精子中較高的膽固醇／磷脂質摩爾比率可能導致精子膜缺少熱致相過渡。在哺乳動物的精子頭部類固醇分布呈現頂體前區多于頂體后區的趨勢。在頂體后區主要包含少量類固醇或者陰離子脂質。其中膽甾醇硫酸鹽僅占類固醇的一小部分，然而卻是人精子頂體區的主要組分之一。

在豬的精子膜中，游離脂肪酸占比例很小，而甘油二酯和糖脂類為主要組分，且比例相近。豬的精子膜的磷脂／蛋白質比例約為0.68，由于方法上的偏倚，測量所得脂質質量略高于實際值，提示膜中的脂質和蛋白組分質量相近，然而在不同分區中，變異較大。糖脂類主要為硫酸半乳糖甘油酯，廣泛存在于精子的頭部和尾部。

熒光漂白恢復技術（fluorescence recovery after photobleaching，FRAP）發現，精子膜中很多區域的脂類不能自由擴散。在附睪精子成熟過程中，這種不能自由擴散的脂類增加到大于50%。在牛、豬、羊的精子中，脂類擴散率在精子膜頂體區和頂體后區中要顯著高于精子尾部中段和主段。在羊精子研究中，熒光漂白恢復技術觀察到脂類交換可以發生于精子頭和尾部中段，以及中段和主段，頭部主體區和赤道區，然而不能發生于赤道區和頂體后區，提示此處存在一個200nm的屏障。

用低滲處理精子后，精子膜表面出現小泡，比較小泡和正常精子膜的脂類擴散發現沒有明顯差異，提示與精子膜相結合的細胞骨架成分并不影響脂類的擴散率。進一步用精子膜提取的脂類人工制造雙層膜結構同樣導致脂類不擴散，提示這種現象是由于脂類與脂類相互作用導致的。差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry）發現羊精子頭部前區存在膠狀脂類，這種在生理溫度下膠狀和液態并存的脂類形態可能起到隔離脂類擴散的作用。

脂質筏是分散在精子膜的脂質區，其中富含膽固醇、鞘糖脂（glycosphingolipids）、糖基磷脂酰肌醇（glycosyl-phosphatidylinositol，GPI）以及GPI錨定蛋白并且不溶于低濃度的非離子去垢劑。脂質筏分布很廣，并不局限于特定區域。精子中存在脂質筏相關蛋白，包括：CAV1（caveolin 1），定位于頂體前區和主體區；TRPC1于CAV1共定位；在頭部后區存在脂質筏標記物CD59、GM1、FLOT2（flotillin2）；此外PRSS21（Serine protease 21）廣泛存在于精子頭部、胞質小滴、尾部中段。精子脂質筏主要功能是參與精子和透明帶的結合，以及透明帶誘導的頂體反應。

精子膜的脂類組分和分布在附睪精子成熟過程和獲能過程中動態變化，這種變化可能對精子膜不同區域的組分和功能產生本質的影響。在多數物種中，精子膜的總的脂類和膽固醇含量隨著附睪精子成熟過程而降低。此外膽固醇／磷脂質摩爾比率，磷脂酰絲氨酸、雙磷脂酰甘油、乙醇胺縮醛磷脂濃度均降低。然而磺基類固醇和不飽和脂肪酸含量在人和倉鼠附睪精子成熟過程中增高，同時總脂肪酸含量降低、甘油二酯含量增加，飽和脂肪酸含量不變。在羊精子頭部前區的細胞膜中富含乙醇胺和膽堿磷酸甘油酯，在附睪精子成熟過程中鏈甾醇和乙醇胺逐漸減少，膽固醇／磷脂質摩爾比率增加，同時脂類擴散率在除了尾部中段的區域外，均呈現增加的趨勢。

在精子獲能過程中，膽固醇從精子細胞膜外流。冷凍斷裂技術發現精子獲能過程中，精子頂體區細胞膜出現點狀膽固醇丟失。這種膽固醇的動態變化改變了精子膜的流動性和相關蛋白的移動性，啟動蛋白激酶A信號轉導通路，從而進一步促進獲能過程。這種現象可能參與頂體反應過程中的細胞膜和頂體膜的膜融合，以及精子赤道區和卵細胞微絨毛的膜融合。流出泵ABCG2（ATP binding cassette transporter G2）參與了許多化合物的運輸，包括了膽固醇，并且定位于睪丸和附睪，提示其可能參與了膽固醇在精子發生乃至附睪精子成熟過程中的膽固醇調控。

由于精子形態差異較大，使得臨床評估結果變異度較大，分析較為困難。有研究發現，從女性生殖道，尤其是從性交后子宮頸管內黏液中獲得的精子，以及從透明帶表面收集到的精子的形態來定義有受精潛能的精子，即形態學正常精子。通過應用這種嚴格形態學標準，我們可以建立正常精子形態率和各種生育指標［獲得妊娠間期（time-to-pregnancy TTP）以及體內、體外妊娠率］之間的關系。子宮頸內黏液里面廣泛存在的精子被認為是有受精潛能的精子，而這正是這里所描述的形態分類系統的基礎。通過這些標準，生育和不育男性的正常形態率為0～30%，很少超過25%。因此，正常值下限很低。在關于體外受精、宮腔內人工授精和體內生育的研究中，正常值下限可以為3%～5%。

此外，通過人透明帶也可以選出一組形態相似的精子，但這種“透明帶選擇”精子的形態變異度同樣比較大。在有生育男性精液中，這種“透明帶選擇”活動精子比例也很低（8%～25%）。說明分析精液中精子的形態仍然是最常用的方法。

根據WHO第五版人類精液檢驗與處理實驗室手冊，精子形態學檢查需進行：制備精液涂片；空氣干燥，固定并染色涂片；在亮視野，×100倍油鏡下檢查涂片；計數200個精子并區分正常形態或者異常形態；重復檢查并比較結果，如果結果可以接受，計算百分比，如果不行，重新讀片。

一旦精液涂片空氣固定好，就需要固定和染色，以顯示精子的細節部分。手冊推薦使用巴氏染色、Shorr或者Diff-Quick染色。

在亮視野光學顯微鏡下，通過這3種方法染色的精子在頂體區域為淡藍色，在頂體后區為深藍色。中段為偏紅色，尾部為藍色或淡紅色。殘余的胞質殘余體，通常位于頭部后面，且包繞中段，巴氏染色通常為粉紅色或者紅色，Shorr染色通常為粉紅-橙色。

常用的精子染色方法：

為男科學實驗室中的常用染色方法，精子涂片經巴氏染色后，精子頭部頂體、頂體后區、中段和尾部著色，其中頭部頂體區呈藍色，頂體后區呈深藍色，中段可能呈淡紅色，尾部染成藍色。巴氏染色可以使精子和其他細胞得到較好的染色效果。精子頭部的頂體區、頂體后區、過多的胞質殘余體、中段和主段可以著色。常規的染色過程已經被改良，現在不用乙醚（用于固定）和二甲苯（用于封片）（ESHRE／NAFA，2002）。改良巴氏染色可以有效地應用于精子形態學檢測、不成熟精子細胞和非精子細胞的檢測。采用巴氏染色的玻片可以被永久封片保存，以備將來用于內部質量控制體系。它們可以在避光條件下保存數月或者數年。試劑包括：①巴氏染液；②酸性乙醇：在200ml 70%（v／v）的乙醇中加入1.0ml濃鹽酸；③二甲苯：乙醇，1+1（1∶2）：混合等份100%乙醇和二甲苯。

Shorr染色后所得到的精子正常形態率與巴氏染色相似。主要試劑包括：①Harris蘇木素；②Shorr溶液：將4g Shorr粉溶解于220ml溫50%（v／v）乙醇中，冷卻，再加入冰乙酸（在通風櫥中）2ml，過濾；③酸性乙醇：在75ml 95%（v／v）乙醇中加入25ml冰乙酸；④氨性乙醇：在95ml 75%（v／v）乙醇中加入5ml 25%（v／v）氫氧化氨。

對于那些需要當天出具報告的臨床實驗室而言，快速染色特別有用。有許多染色試劑盒可以使用。與巴氏染色方法相比，一些快速染色的涂片背景色很深，分析的質量較低。Diff-Quick快速染色試劑盒包括：①固定液（溶解于甲醇的三芳基甲烷染料）；②染色液1（嗜酸性氧雜蒽）；③染色液2（嗜堿性硫氮雜苯）。

由于缺乏客觀性以及外部質量控制評估的可操作性差，評估精子形態有許多困難。WHO第五版人類精液檢驗與處理實驗室手冊推薦一種簡單的正常／異常分類：用肉眼計數異常精子的異常部位。當評估精子正常形態率時需要采用下述標準：精子包括頭部、頸部、中段、主段和尾段。由于在光學顯微鏡下很難看到尾段，僅評價精子的頭部和尾部中段、主段。只有頭部和尾部均正常，才可以認為精子形態正常。臨界形態都應認為異常。正常精子頭部和尾部中段大小參考值見表8-5。

頭部在外形上必須是平滑的、弧度規則的、大體上為橢圓形。頂體部分邊界清晰，且占頭部面積的40%～70%。頂體區域沒有大的空泡，不超過2個小的空泡，空泡的面積不能超過精子頭部的20%，頂體后區不能有任何空泡。

中段必須是纖細的、規則的且長度與頭部相同。中段的主軸必須與精子頭部的主軸相延續。胞質殘余體在過多時（超過精子頭部尺寸的三分之一）時屬于異常。

主段必須直徑一致，比中段細，且長度大致為45μm（大約為精子頭部長度的10倍）。可以有自然彎曲，且沒有成角彎折（成角彎折提示有精子尾部損傷）。

人類精子存在多種不同的畸形類別。睪丸精子發生功能缺陷和某些附睪病變通常會導致精子異常形態率的增高。精子畸形通常是混合型的。異常精子通常受精潛能低，也可能攜帶染色質異常。形態異常通常伴隨著精子DNA碎片增高，提示染色質結構缺陷、不成熟的染色質和凋亡增多。因此，精子頭部為觀察精子畸形的重點，同時尾部也需要考慮，見圖8-5。

常見畸形的類型包括：

精子頭部畸形：大或者小，錐形的，梨形的，圓形的，無定形的，有空泡的（大于2個空泡或者大于20%頭部區域為未染色的空泡），頂體后區有空泡，頂體區域過大或者過小（小于40%或者大于70%的頭部區域），雙頭，或者以上類別任意組合。

精子尾部頸部和中段畸形：中段和頭部連接點非中點，粗或者不規則，成角彎折，異常纖細，或者以上類別任意組合。

精子尾部主段畸形：主段短，多尾，斷裂，光滑的發夾樣彎曲，成角彎折，寬度不規則，卷曲，或者以上類別任意組合。

過多的胞質殘余體：這與生精過程缺陷導致異常精子生成有關。特征為精子有大量不規則的、能被染色的細胞質成分，為精子頭部大小的1／3或者更多，通常伴有中段畸形。這種異常的多余胞質不能被稱作胞質小滴。

精子頭部的主要結構為濃縮的細胞核和頂體，前者為遺傳物質的攜帶者，后者含有多種酶，對于精子穿越卵細胞表面的放射冠和透明帶均具有重要作用。此外，精子頭部細胞膜的核后環處為精卵識別的部位，對于精子穿入卵細胞也極其重要，因此，精子頭部的畸形常通過影響這些環節而降低精子的受精能力。

正常精子在生成過程中，要發生核的濃縮，這樣既可使精子頭部的體積縮小，利于精子進入卵細胞，濃縮的細胞核又使遺傳物質的穩定性增加，保證了遺傳性狀不改變，如果核濃縮異常，如核過大、密度過低、核內空泡數量增多，均為精子成熟障礙的表現，也提示核遺傳物質或者表觀遺傳出現異常，這類精子常無受精能力，即使受精也極易發生流產。

常表現為頂體缺失，可見于小頭精子，特別是圓頭精子綜合征，為所有的精子均缺乏頂體，可以由遺傳因素造成，已經發現DPY19L2、SPATA16等基因缺失與圓頭精子癥密切相關；同時頂體異常也可為小頂體，可見于小頭畸形或頭部不規則畸形的精子，頂體薄、體積小。第三種頂體異常為結構異常，形式多樣，常見的為泡狀頂體，頂體泡內常無內容物或電子密度降低，也可表現為頂體膜的異常，如邊緣卷曲，內外膜不平行等。頂體的異常常使精子不能穿越放射冠和透明帶。

精子的尾部分為頸段、中段、主段和尾段，功能是使精子能夠自主運動，主要的結構是尾部中央的軸絲和中段周圍的線粒體鞘，前者是精子運動的結構基礎，后者則是精子運動的供能裝置，線粒體和軸絲的異常可導致精子運動方式的改變或運動能力的喪失。

表現為線粒體排列紊亂、分布不對稱，線粒體形態異常，甚至線粒體部分或全部缺失，伴有精子活力下降或無活力。

精子尾部的軸絲由微管組成，周圍9組雙聯微管，中央是兩個單獨微管，軸絲的異常常表現為超微結構的改變，在光鏡下往往難以發現，這些異常可以是內側臂缺失、外側臂缺失或內外側臂同時缺失，也可以是放射輻或中央連接缺失。這些異常常使精子的活力嚴重下降甚至完全喪失活動力。

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