정자 (생물학)
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1. 개요
정자(sperm)는 동물의 수컷 생식 세포로, 난자와 결합하여 수정(fertilization)을 통해 새로운 개체를 형성하는 데 필수적인 역할을 한다. 1677년 안톤 판 레이우엔훅에 의해 처음 발견되었으며, 정자 발생 과정을 통해 생성된다. 정자는 머리, 중간 부위, 꼬리로 구성되며, 머리에는 유전 정보를 담은 핵과 난자 수정에 필요한 효소를 포함하는 첨체가 있다. 정자 활성화 과정을 거쳐 난자에 접근하며, 첨체 반응을 통해 난자를 뚫고 들어가 수정이 이루어진다. 정자는 인공 수정, 세포질 내 정자 주입술(ICSI)과 같은 의학적 시술에 활용되며, 정액 희석 및 동결 보존 기술을 통해 보존될 수 있다.
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정자 기증은 난임 부부, 미혼 여성, 레즈비언 커플 등을 위해 정자를 제공하는 행위이며, 익명성, 자녀의 권리, 법적 책임 등 다양한 윤리적, 사회적 문제를 야기하고, 각 국가 및 지역별로 법률 및 규제가 다르다.
| 정자 (생물학) | |
|---|---|
| 세포 정보 | |
| 이름 | 정자 |
| 라틴어 | spermatozoon |
| 그리스어 | σπερματοζωάριο |
 | |
| |
| 전구체 | 해당 없음 |
| 계통 | 해당 없음 |
| 동맥 | 해당 없음 |
| 정맥 | 해당 없음 |
| 신경 | 해당 없음 |
| 림프 | 해당 없음 |
| 어원 | |
| 어원 정보 | 그리스어 σπέρμα (스페르마, 씨앗) + 그리스어 ζῷον (존, 동물) |
| 추가 정보 | |
| 관련 정보 | CBC 뉴스 |
2. 역사
1677년, 미생물학자 안톤 판 레이우엔훅이 정자를 발견했다.[1] 1841년, 스위스의 해부학자 알버트 폰 쾰리커는 자신의 저서 ''정자 가닥의 중요성에 대한 연구 (Untersuchungen über die Bedeutung der Samenfäden)''에서 정자에 대해 기술했다.[2]
정자는 원시 생식 세포가 남성 호르몬의 작용으로 정원 세포가 되고, 체세포 분열을 반복하여 일차 정모세포가 되는 것으로 시작된다.[44] 일차 정모세포는 감수 분열을 거쳐 두 개의 이차 정모세포가 되고, 각각 다시 두 개의 정세포로 분열한다. 최종적으로 정세포는 변태하여 정자가 된다.[44] 이 과정에서 정조세포는 유사분열로 분열하여 남성의 일생 동안 정자 공급을 유지한다.[52]
3. 정자 발생
일부 종의 초파리는 자연에서 발견되는 가장 큰 정자를 생산한다.[28][29] ''초파리''는 최대 1.8mm의 정자를 생산하며,[30] 그 친척 종인 ''Drosophila bifurca''는 58mm가 넘는 가장 큰 정자를 생산한다.[28]
멧밭쥐 ''Apodemus sylvaticus''는 초승달 모양의 정자를 가지고 있으며, 정자 머리에 있는 정단 갈고리를 이용해 다른 정자와 응집하여 이동성 군집을 형성한다. 이러한 군집은 암컷 생식 기관에서 운동성을 향상시켜 수정을 촉진한다.[32]
생쥐의 정자 형성 후 단계는 환경적인 유전독성 물질에 매우 민감하며, DNA 손상 복구 능력이 점차 감소한다.[33] 방사선 조사나 멜팔란과 같은 화학 요법제는 정자 유래 염색체 이상을 증가시킬 수 있다.[34][35]
성게 ''Arbacia punctulata''는 많은 수의 정자를 바다에 산란하여 정자 연구에 이상적인 모델 생물로 사용된다.[36]
유대류의 정자는 일반적으로 태반 포유류의 정자보다 길다.[37]
선태식물, 양치식물 및 일부 겉씨식물의 배우체는 운동성 정자 세포를 생성하며, 이는 정자와 난자가 만나기 위한 물이 필수적이다. 일부 조류와 균류는 운동성이 없는 정세포를 생성하며, 고등 식물과 일부 조류 및 균류에서는 정핵이 수정관을 통해 난세포에 도달한다.
사람의 경우, 1일 동안 고환에서 5,000만~1억 개의 정자가 만들어지며, 크기는 60마이크로미터 정도이다. 고환에서 만들어진 정자는 부고환에서 성숙하여 사정을 기다리며, 최대 10억 개까지 저장될 수 있다. 사정 1회당 정액에는 1~4억 개의 정자가 포함될 수 있다. 정자는 자궁 경부, 자궁, 난관 내에서 수일 정도 생존 가능하다.[42]
3. 1. 정원세포와 제1차 정모세포
정원 세포는 체세포 분열을 반복한다. 남성 호르몬에 의해 정원 세포는 일차 정모세포가 된다.[44] 정조세포는 유사분열로 분열되며, 남성의 일생 동안 정자 공급을 유지할 수 있다. 세포분열로 만들어진 1개의 딸세포는 줄기세포로서 정세관 벽에 있기 때문에 일생 동안 일정한 숫자를 유지한다.[52] 또 하나의 딸세포는 '''제1차 정모세포(Primary Spermatocyte)'''가 되며, 1차 정모세포는 감수분열을 거치는 동안 체세포와는 유전적으로 구별되기 때문에 면역계로부터 보호되어야 한다. 1차 정모세포의 앞에서 지지세포와 지지세포 사이에 있는 치밀이음이 분해되고, 정모세포의 뒤에서 새로운 치밀이음이 생성된다. 정모세포는 마치 우주비행사가 우주선의 이중 기밀실을 나가는 것처럼 내강으로 이동하면서 뒤로 장벽을 폐쇄하면서 보호받는다.[52]
3. 2. 감수분열과 정자세포
정조세포(Spermatogonium)는 유사분열로 분열하며, 남성의 일생 동안 정자 공급을 유지할 수 있다. 세포분열로 만들어진 딸세포 중 하나는 줄기세포로서 정세관 벽에 있어 일생 동안 일정한 숫자를 유지한다.[52] 다른 하나는 제1차 정모세포(Primary Spermatocyte)가 된다.[52]
제1차 정모세포는 감수분열을 거치는 동안 체세포와는 유전적으로 구별되기 때문에 면역계로부터 보호되어야 한다. 제1차 정모세포 앞에서 지지세포와 지지세포 사이에 있는 치밀이음이 분해되고, 정모세포 뒤에서 새로운 치밀이음이 생성된다. 정모세포는 마치 우주비행사가 우주선의 이중 기밀실을 나가는 것처럼 내강으로 이동하면서 뒤로 장벽을 폐쇄하면서 보호받는다.[52]
혈액을 통해 전달되는 항체로부터 안전하게 격리된 제1차 정모세포는 1차 감수분열 시기에 있게 된다. 이때 제1차 정모세포는 똑같은 크기의 반수체 2개인 제2차 정모세포(Secondary Spermatocyte)를 만든다.[52]
각각의 제2차 정모세포는 2차 감수분열 시기에 2개의 정자세포(Spermatid)로 분열되는데, 결국 1개의 정조세포에서 총 4개의 정자세포가 만들어진다.[52]
정자세포는 더 이상 분열하지 않지만, 정자생산(Spermiogenesis) 과정을 통해 1개의 정자로 분화된다. 이 과정에서 정자세포는 꼬리가 생기고 대부분의 세포질을 제거하여 가볍게 움직일 수 있게 되며, 스스로 추진력을 갖게 된다. 하지만 사정되기 전까지는 스스로의 힘으로 움직일 수 없다.[52]
정자가 만들어지는 과정[44]은 다음과 같다.
# 원시 생식 세포가 남성 호르몬의 작용으로 정원 세포가 된다.
# 정원 세포는 체세포 분열을 반복한다.
# 남성 호르몬에 의해 정원 세포는 일차 정모세포가 된다.
# 일차 정모세포는 2개로 분열하여 이차 정모세포가 된다.
# 이차 정모세포는 2개로 분열하여 정세포가 된다.
# 정세포는 변태하여 정자가 된다.
'' (자세한 내용은 「정자 형성」참조)''
3. 3. 정자생산 (정자 완성)
정조세포는 유사분열로 분열되며, 남성의 일생 동안 정자 공급을 유지할 수 있다. 세포분열로 만들어진 1개의 딸세포는 줄기세포로서 정세관 벽에 있기 때문에 일생 동안 일정한 숫자를 유지한다. 또 하나의 딸세포는 제1차 정모세포가 되며, 1차 정모세포는 감수분열을 거치는 동안 체세포와는 유전적으로 구별되기 때문에 면역계로부터 보호되어야 한다. 1차 정모세포 앞에서 지지세포와 지지세포 사이에 있는 치밀이음이 분해되고, 정모세포 뒤에서 새로운 치밀이음이 생성된다. 정모세포는 마치 우주비행사가 우주선의 이중 기밀실을 나가는 것처럼 내강으로 이동하면서 뒤로 장벽을 폐쇄하면서 보호받는다.[52]
혈액매개 항체로부터 안전하게 격리된 1차 정모세포는 1차 감수분열 시기에 있게 된다. 이때 1차 정모세포는 똑같은 크기의 2개 반수체인 제2차 정모세포를 만든다. 각각의 2차 정모세포는 2차 감수분열 시기에 2개의 정자세포로 분열되는데, 결국 1개의 정조세포가 총 4개의 정자세포가 된다. 정자세포는 더 이상 분열하지 않지만, 1개의 정자로 분화된다. 이러한 변화 과정을 정자생산이라고 하며, 이 과정에서 정자세포는 꼬리가 생기고 대부분의 세포질을 제거하며 가볍게 움직일 수 있으며, 스스로의 추진력을 갖게 된다. 하지만 사정되기 전까지는 스스로의 힘으로 움직을 수 없다.[52]
정자가 만들어지는 과정은 다음과 같다.[44]
# 원시 생식 세포가 남성 호르몬의 작용에 의해 정원 세포가 된다.
# 정원 세포는 체세포 분열을 반복한다.
# 남성 호르몬에 의해 정원 세포는 일차 정모세포가 된다.
# 일차 정모세포는 2개로 분열하여 이차 정모세포가 된다.
# 이차 정모세포는 2개로 분열하여 정세포가 된다.
# 정세포는 변태하여 정자가 된다.
'' (자세한 내용은 「정자 형성」참조)''
4. 인간 정자의 구조 및 기능
인간의 정자는 남성의 생식 세포이며, 따뜻한 환경에서만 생존할 수 있다. 남성 신체를 떠나면 정자의 생존 가능성이 감소하여 죽게 되며, 이는 전체적인 정액의 질을 감소시킨다.[3] 정자는 X 염색체를 가진 것과 Y 염색체를 가진 것으로 나뉘는데, 전자는 수정 후 여성(XX) 자손을, 후자는 남성(XY) 자손을 낳게 한다.[3]
인간 정자는 머리, 목, 중간 부위, 꼬리의 네 부분으로 구성된다.
| 구조 | 설명 |
|---|---|
| 머리 | 납작하고 원반 모양이며, 핵과 첨체를 포함한다. 핵은 고도로 응축된 DNA를, 첨체는 수정에 필요한 효소를 함유한다. |
| 목 | 가장 짧은 부분으로, 두 개의 중심소체를 포함한다. |
| 중간 부위 | 미토콘드리아가 나선형으로 배열되어 정자의 운동 에너지를 생성한다. |
| 꼬리 | 가장 긴 부분으로, 편모 운동을 통해 정자를 추진시킨다. |
정자는 후각 수용체를 통해 나팔관으로 이동하며, 난자에 도달하기 전 능력 획득 과정을 거친다.[6] 정액은 알칼리성이며, 정자는 산성 질의 액체에 의해 알칼리성 pH가 중화될 때까지(고운동성) 완전한 운동성에 도달하지 못한다. 이 과정은 20-30분 정도 걸리며, 정낭에서 나온 피브리노겐이 혈전을 형성하여 정자를 보호하고, 전립선에서 나온 피브린 용해소가 혈전을 용해시켜 정자의 진행을 돕는다.
정자는 최소한의 세포질과 고도로 응축된 DNA를 가지며, DNA/염색질, 중심소체, 난자 활성화 인자(OAF)를 난자에 제공하고, 부계 전령 RNA (mRNA)를 통해 배아 발달에 기여한다.[10] 또한, 인간 정자는 최소 7500개의 서로 다른 단백질을 포함하고 있으며,[11] 2020년 연구에 따르면 인간 정자 유전자는 인류 진화와 관련이 있다.[12][13][14]
4. 1. 머리
인간의 정자는 납작하고 원반 모양의 머리(5.1μm x 3.1μm)와 꼬리(길이 50μm의 편모)로 구성된다.[4] 머리는 염색질 물질만 있는 콤팩트한 핵을 가지고 있으며, 얇은 림의 세포질로 둘러싸여 있다. 핵 위에는 골지체의 변형으로 형성된 첨체라고 하는 캡 모양의 구조가 있는데, 수정에 필요한 효소인 '''정자 용해소'''(''히알루론산 분해 효소, 코로나 관통 효소, 부위 용해소,'' 또는 ''아크로신'')를 분비한다. 정자가 난자에 접근함에 따라 첨체 반응을 겪게 되는데, 이는 첨체를 둘러싼 막이 정자 머리의 세포막과 융합하여 첨체의 내용을 노출시킨다.[7]체세포의 유사 분열 염색체와 비교할 때 정자 DNA는 최소 6배 더 응축되어 있다.[9]
4. 2. 목
사람의 정자는 목이 가장 작은 부분(0.03 μm)이며, 핵 기저부에 평행한 근위 중심소체와 이전 중심소체에 수직인 원위 중심소체가 있다. 근위 중심소체는 성숙한 정자에서도 존재하며, 원위 중심소체는 축사 조립 후 사라진다. 근위 중심소체는 수정 시 난자에 들어가 난할을 시작하며, 난자에는 중심소체가 없다. 원위 중심소체는 꼬리를 형성하는 축성 섬유를 발생시키고 (9+2) 배열을 갖는다. '만셰트'라고 하는 일시적인 막이 중간 부위에 있다.[7]4. 3. 중간 부위
중간 부위에는 세포질 내의 축성 섬유를 둘러싸고 있는 10–14개의 미토콘드리아 나선이 있다. 이는 운동성을 제공하므로 정자의 발전소라고 불린다. 또한 중간 부위와 주 부위 사이에 확산 장벽을 형성하고 꼬리 강성을 위한 안정화 구조 역할을 하는 고리 중심소체(환상)를 가지고 있다.[8]4. 4. 꼬리
정자의 꼬리(편모)는 가장 긴 부분(50μm)으로, 세포질과 세포막으로 둘러싸인 축성 섬유를 가지고 있지만, 후방 끝에서는 축성 섬유가 노출되어 있다. 편모는 세포에 움직임을 부여한다.[4]5. 정자의 활동 및 수정
인간의 정자는 남성의 생식 세포이며 따뜻한 환경에서만 생존할 수 있다. 남성 신체를 떠나면 정자의 생존 가능성이 감소하고 죽을 수 있으며, 이는 전체적인 정액 질을 감소시킨다. 정자는 X 염색체를 가진 것과 Y 염색체를 가진 것, 두 가지 유형으로 나뉜다. 전자는 수정 후 여성(XX) 자손을, 후자는 남성(XY) 자손을 낳는다.[3]
정자는 최소한의 세포질과 진핵생물에서 가장 밀집된 DNA를 가지며, 체세포의 유사 분열 염색체보다 최소 6배 더 응축되어 있다.[9] 정자는 DNA/염색질, 중심소체, 그리고 아마도 난자 활성화 인자(OAF)를 기여하며,[10] 부계 전령 RNA (mRNA)를 제공하여 배아 발달에 기여할 수도 있다.[10]
고환에서 하루에 만들어지는 정자는 약 5,000만~1억 개 정도이며, 크기는 약 60마이크로미터이다. (사람 난세포는 지름 100~150 마이크로미터). 고환에서 만들어진 정자는 부고환으로 운반되어 성숙하고 사정을 기다린다. 부고환에는 최대 10억 개 정도의 정자가 저장될 수 있다. 사정 1회당 정액에 포함되는 정자 수는 개인차나 컨디션에 따라 다르지만, 보통 1~4억 개 정도이다. 사람의 경우 정원 세포에서 약 70일 동안 분화하여 정자가 된다.[42] 정자는 일반적인 공간에서는 수 시간 정도면 사멸하지만, 자궁 경부, 자궁, 난관 내에서는 축적된 에너지로 수일 정도 생존할 수 있다.
5. 1. 정자의 운동성과 능력 획득
인간의 정자는 후각 유도 메커니즘을 가지고 있으며, 나팔관에 도달한 후 난자를 관통하기 전에 능력 획득 과정을 거쳐야 한다.[6] 정액은 알칼리성이며, 정자는 산성 질의 액체에 의해 알칼리성 pH가 중화될 때까지(고운동성) 완전한 운동성에 도달하지 못한다. 이 점진적인 과정은 20–30분 정도 걸린다. 이 기간 동안 정낭에서 나온 피브리노겐은 혈전을 형성하여 정자를 고정하고 보호한다. 정자가 고운동성을 갖게 되자마자 전립선에서 나온 피브린 용해소가 혈전을 용해시켜 정자가 최적으로 진행될 수 있도록 한다.정자 활성화는 정자가 난자를 수정할 수 있는 능력을 얻는 정자 발달의 마지막 단계이다. 생체 내에서는 사정 중에 발생하며, 정자가 질을 떠나 여성 생식기 상부로 이동할 때 일어난다. 시험관 내에서는 정자를 세척하고 정제할 때 발생한다. 불임의 약 30-40%는 남성 요인에 기인하므로, 기능적 정자를 회복하기 위해 여러 전략이 개발되었다. MMP(밀리리터당 백만 개의 운동성 진행 정자) 측정은 정자 활성화와 동의어이며, 정자 검사와 함께 필요한 치료 유형을 결정하는 데 매우 유용한 매개변수이다. 이는 정자 활성화에서 얻은 운동성 진행 정자의 비율과 사정액에서 얻은 운동성 진행 정자의 비율 사이의 비율을 나타낸다. 이는 회수율을 기반으로 한다. 백분율에 따라 운동성 정자 회복의 질을 결정한다. 1500만에서 2500만 개의 정자/ml는 최적, 500만에서 1500만 개는 충분, 500만 개 미만은 최적 미만 또는 불충분으로 간주된다.
예를 들어, 밀리리터당 100만 개 이상의 운동성 진행 정자가 발견되면 성관계를 권장하고, 실패할 경우 다음 단계는 자궁내 인공수정이며, 그 다음에는 일반적인 체외 수정이 될 것이다. 밀리리터당 100만 개 미만의 운동성 진행 정자가 있는 경우, 세포질 내 정자 주입술을 시행할 것이다. 무정자증(사정액에 정자가 없음)의 경우, 고환에 정자가 있는지 또는 정자가 생성되지 않는지 확인하기 위해 고환 생검을 수행할 것이다.
5. 2. 첨체 반응
정자가 난자에 접근하면 첨체 반응이 일어난다. 첨체 반응은 첨체를 둘러싼 막이 정자 머리의 세포막과 융합하여 첨체의 내용을 노출시키는 과정이다.[7] 첨체는 골지체가 변형된 캡 모양의 구조로, 수정에 필요한 효소인 '''정자 용해소'''(''히알루론산 분해 효소, 코로나 관통 효소, 부위 용해소,'' 또는 ''아크로신'')를 분비한다.[7]
5. 3. 주화성
선태식물, 양치식물 및 일부 겉씨식물의 배우체는 대부분의 겉씨식물과 모든 속씨식물에서 사용되는 꽃가루와 달리 운동성 정자 세포를 생성한다. 이는 정자와 난자가 만나기 위한 필수 매개체인 물이 없으면 성적 생식이 불가능하게 만들기 때문이다. 조류와 하등 식물의 정자 세포는 종종 다편모를 가지며 따라서 동물 정자와 형태학적으로 다르다.[38]일부 조류와 균류는 운동성이 없는 정자 세포인 정자를 생성한다. 고등 식물과 일부 조류 및 균류에서 수정에는 정핵이 수정관(예: 고등 식물의 꽃가루관)을 통해 난세포에 도달하는 과정이 포함된다.
6. 정자와 면역 반응
사정된 정자 세포 표면의 당단백질 분자는 모든 인간 여성의 면역계에 의해 인식되며, 세포가 거부되지 않아야 한다는 신호로 해석된다. 그렇지 않으면 여성의 면역계가 생식기에서 정자를 공격할 수 있다. 정자 세포를 코팅하는 특정 당단백질은 일부 암세포, 세균 세포, 일부 기생충 및 HIV 감염된 백혈구에서도 사용되어 숙주 유기체의 면역 반응을 피한다.[27]
혈액-고환 장벽은 정세관의 세르톨리 세포 사이의 밀착 연접에 의해 유지되며, 고환 내에서 형성되는 정자와 간질액 내 혈관 (및 혈관 내 순환하는 면역 세포) 사이의 통신을 차단한다. 이는 면역 반응을 유발하는 것을 막는다. 혈액-고환 장벽은 또한 독성 물질이 정자 형성을 방해하는 것을 막는 데에도 중요하다.
7. 다양한 생물의 정자
식물은 크게 종자식물과 그 외로 나뉘며, 기본적으로 종자식물은 암술과 수술로 수정한다. 은행나무와 소철은 예외적으로 정자를 사용한 수정을 한다.
양치식물과 선태식물은 정자를 사용해 수정한다. 종자식물과 같이 암술과 수술로 분류되며, 각각 난자와 정자가 존재한다. 양치식물이나 선태식물은 비가 오는 등의 일정한 조건을 만족하면 정자가 방출되어 수정란이 탄생한다. 정자 방출 조건은 종류에 따라 다소 다르지만, 물에 의해 정자가 방출된다는 점은 같다.[50]
조류는 분류학적으로 식물과는 다르지만, 여기서는 유사한 생물로서 소개한다. 조류는 다른 생물과 마찬가지로 난자와 정자로 수정한다. 수정된 세포는 가근 세포가 되어 바위 등에 뿌리를 내린다. 같은 장소에 머물면서, 바다에서의 수정 성공 확률을 높이는 생존 전략이다.[50]
7. 1. 동물의 정자
대부분의 유성 생식을 하는 동물에게 정자(생물학)의 수정에는 정자가 필요하다.일부 종의 초파리는 자연에서 발견되는 가장 큰 정자를 생산한다.[28][29] ''초파리''는 최대 1.8mm의 정자를 생산하며,[30] 그 친척 종인 ''Drosophila bifurca''는 58mm가 넘는 가장 큰 정자를 생산한다.[28] ''초파리''에서 정자 꼬리를 포함한 전체 정자는 난자 세포질에 통합되지만, ''Drosophila bifurca''의 경우 꼬리의 작은 부분만 난자에 들어간다.[31]
멧밭쥐 ''Apodemus sylvaticus''는 초승달 모양의 정자를 가지고 있다. 이러한 생식 세포를 독특하게 만드는 또 다른 특징은 정자 머리에 있는 정단 갈고리의 존재이다. 이 갈고리는 다른 정자의 갈고리나 편모에 부착하는 데 사용된다. 이러한 부착으로 응집이 발생하고 이동성 군집이 형성된다. 이러한 군집은 암컷 생식 기관에서 운동성을 향상시키고 수정이 촉진되는 수단이 된다.[32]
생쥐의 정자 형성 후 단계는 환경적인 유전독성 물질에 매우 민감하다. 왜냐하면 수컷 생식 세포가 성숙한 정자를 형성하면서 DNA 손상을 복구하는 능력을 점차 잃기 때문이다.[33] 후기 정자 형성 동안 수컷 생쥐에게 방사선을 조사하면 수정 정자에서 최소 7일 동안 지속되는 손상을 유발할 수 있으며, 모체 DNA 이중 가닥 절단 복구 경로의 파괴는 정자 유래 염색체 이상을 증가시킨다.[34] 화학 요법에 자주 사용되는 이중 기능성 알킬화 제인 멜팔란으로 수컷 생쥐를 처리하면 감수 분열 동안 DNA 병변이 유발되어, 생식 세포가 정자 발생의 DNA 복구 가능 단계에서 진행될 때 복구되지 않은 상태로 지속될 수 있다.[35] 수정 후 정자 내에서 복구되지 않은 이러한 DNA 손상은 다양한 이상이 있는 자손을 초래할 수 있다.
''Arbacia punctulata''와 같은 성게는 정자 연구에 사용하기에 이상적인 생물이다. 그들은 바다에 많은 수의 정자를 산란하여 실험을 위한 모델 생물로 적합하게 만든다.[36]
유대류의 정자는 일반적으로 태반 포유류의 정자보다 길다.[37]
동물의 정자는 난자에 비해 작고, 운동 능력을 가진 수컷 생식 세포이다. 정자의 구조는 유전 정보인 핵 DNA를 함유하는 머리 부분, 미토콘드리아가 모인 중간 부분, 그리고 중심소체에서 뻗어 나온 축사로 이루어진 꼬리 부분으로 구성되어 있다. 정자의 머리 부분에는 첨체아크로솜라고 불리는 부위가 존재하며, 다양한 단백질 분해 효소 (아크로신, 히알루로니다아제)가 함유되어 있다. 수정에서 첨체의 형태적 변화인 첨체 반응은 난자의 세포질을 덮고 있는 당단백질인 투명대의 통과에 관여한다고 생각된다. 한편, 중간 부분 및 꼬리 부분은 편모 구조를 취하고 있으며, 그것을 진동시킴으로써 운동한다. 난자의 위치를 파악하기 위해 정자에는 난자나 난구 세포에서 분비되는 유인 물질을 감지하는 기능이 갖춰져 있다고 생각된다.
수정의 메커니즘은 아직 불명확한 부분이 많아, 정자가 능력을 얻기 위해 필요한 수정능 획득이나 운동 패턴의 변화인 초활성화 등에 대해 현재에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 난자 세포막과의 융합을 위해 정자 측에서 필요한 분자로서, 일본인 연구자들에 의해 단백질 "Izumo"의 존재가 2005년에 보고되었다.
정자는 정원세포로부터 분화되어 만들어진다. 생식 세포는 생식선과는 다른 장소에서 발생하지만, 발생 과정에서 이동하여 정소 원기로 흡수되어 정소를 형성한다. 정원세포는 세포 분열에 의해 수를 늘리고, 이 중에서 1차 정모세포가 생기며, 이어서 감수 분열에 의해 2개의 2차 정모세포, 최종적으로 4개의 정세포가 만들어진다. 정세포는 정자 완성을 거쳐 정자가 된다.
정자 완성 시 골지체가 첨체로, 중심체가 편모가 된다. 미토콘드리아는 편모의 근본 주변에 응축되어 편모의 동작에 필요한 에너지를 공급하게 된다. 이후 정세포의 세포질 기질의 일부는 소실되고 핵도 응축되어 정자의 형태가 된다.
사람을 포함한 동물과 어류의 정자는, 보통 정자를 포함한 액체인 정액으로서 수컷(남성)으로부터 방출되는 것이며, 정액을 가리켜 "정자"라고 부르는 경우도 많다(예: 암컷이 낳은 알에 수컷이 정자를 뿌리는 (어류의 생식) 등). 1일 동안 고환에서 만들어지는 정자의 수는 5,000만~1억 개 정도이다. 크기는 60µm 정도(사람의 난세포 크기는 지름 100µm~150µm)이다. 고환에서 만들어진 정자는 부고환까지 운반되어 성숙하여 사정을 기다린다. 부고환에서는 최대 10억 개 정도의 정자를 저장할 수 있다고 생각된다. 사정 1회당 정액이 포함하는 정자 수는 개인차나 컨디션에 따라 차이가 크지만, 일반적으로 1~4억 개 정도이다. 사람의 경우 정원 세포로부터 약 70일 동안 분화하여 정자가 된다.[42] 일반적인 공간에서는 수 시간 정도면 사멸하지만, 자궁 경부 내나 자궁 내, 난관 내 등에서는 정자에 축적된 에너지에 의해 수일 정도 생존이 가능하다. 남성의 생식 능력에 대해서는 정자의 질과 양이 매우 중요하지만, 마카의 뿌리가 남성의 생식 능력을 높인다는 보고도 알려져 있다.[43]
정자가 만들어지는 과정[44]은 다음과 같다.
# 원시 생식 세포가 남성 호르몬의 작용에 의해 정원 세포가 된다.
# 정원 세포는 체세포 분열을 반복한다.
# 남성 호르몬에 의해 정원 세포는 일차 정모세포가 된다.
# 일차 정모세포는 2개로 분열하여 이차 정모세포가 된다.
# 이차 정모세포는 2개로 분열하여 정세포가 된다.
# 정세포는 변태하여 정자가 된다.
''(자세한 내용은 「정자 형성」참조)''
7. 2. 식물, 조류 및 균류의 정자
식물은 크게 종자식물과 그 외로 나뉘며, 기본적으로 종자식물은 암술과 수술에 의해 수정이 이루어지지만, 예외적으로 은행나무와 소철이 정자를 사용한 수정을 한다.종자식물에 분류되지 않는 양치식물과 선태식물은 정자를 사용한 수정을 한다. 또한, 종자식물과 같이 암술과 수술로 분류되며, 각각 난자와 정자가 존재한다. 양치식물이나 선태식물은 비가 오는 등의 일정한 조건을 만족하면 정자가 방출되어 수정란이 탄생한다. 정자가 방출되는 조건은 종류에 따라 다소 다르지만, 물에 의해 정자가 방출된다는 점에서는 일치한다.[50]
조류는 분류학적으로 식물과는 다른 분류에 속하지만, 여기서는 유사한 생물로서 소개한다. 조류는 다른 생물과 마찬가지로 난자와 정자로 수정한다. 수정된 세포는 가근 세포가 되어 바위 등에 뿌리를 내린다. 같은 장소에 머물면서, 바다에서의 수정 성공 확률을 높이는 생존 전략이기도 하다.[50]
8. 정자의 인공 보존
정자의 인공 보존은 정자를 장기간 보관하기 위해 사용되는 기술이다.
선태식물, 양치식물 및 일부 겉씨식물의 배우체는 대부분의 겉씨식물과 모든 속씨식물에서 사용되는 꽃가루와 달리 운동성 정자 세포를 생성한다. 이는 정자와 난자가 만나기 위한 필수 매개체인 물이 없으면 성적 생식이 불가능하게 만든다. 조류와 하등 식물의 정자 세포는 종종 다편모를 가지며 따라서 동물 정자와 형태학적으로 다르다.[38]
일부 조류와 균류는 운동성이 없는 정자 세포인 정자를 생성한다. 고등 식물과 일부 조류 및 균류에서 수정에는 정핵이 꽃가루관과 같은 수정관을 통해 난세포에 도달하는 과정이 포함된다.
8. 1. 정액 희석 및 냉장 보존
글리세롤, 다이메틸설포옥사이드, 당류를 동결보존제로 사용하여 정자를 액체 질소 중에 동결 보존할 수 있다. 다만, 동결 보존법은 동물의 종에 따라 다르므로, 종에 따라 최적의 동결 보존법을 사용할 필요가 있다.[38]최근, 생쥐에서 정자를 냉장 보존하는 기술이 개발되었다. 냉장 보존된 정자는 며칠 동안 높은 수정 기능을 유지할 수 있다.
일본 야마나시 대학 등은 동결건조 기술을 응용하여 정자나 난자를 진공 동결 건조하여 보존하고 상온에서 며칠 보존해두었다가 필요에 따라 수정 기능을 회복시키는 기술을 연구 중이다. 저온 설비가 없는 상황에서도 우편 발송이나 야생 생물의 샘플 채취가 가능해진다.[47]
8. 2. 정액 동결 보존
정자는 글리세롤, 다이메틸설폭사이드, 당류를 동결보존제로 사용하여 액체 질소 중에 동결 보존할 수 있다. 다만, 동결 보존법은 동물의 종에 따라 다르므로, 종에 따라 최적의 동결 보존법을 사용할 필요가 있다.[38]최근, 생쥐에서 정자를 냉장 보존하는 기술이 개발되었다. 냉장 보존된 정자는 며칠 동안 높은 수정 기능을 유지할 수 있다.
일본 야마나시 대학 등은 동결건조 기술을 응용하여 정자나 난자를 진공 동결 건조하여 보존하고 상온에서 며칠 보존해두었다가 필요에 따라 수정 기능을 회복시키는 기술을 연구 중이다. 저온 설비가 없는 상황에서도 우편 발송이나 야생 생물의 샘플 채취가 가능해진다.[47]
8. 3. 정자 동결 건조
야마나시 대학 등은 동결건조 기술을 응용하여 정자나 난자를 진공 동결 건조하여 보존하고 상온에서 며칠 보존해두었다가 필요에 따라 수정 기능을 회복시키는 기술을 연구 중이다. 저온 설비가 없는 상황에서도 우편 발송이나 야생 생물의 샘플 채취가 가능해진다.[47]9. 정자와 관련된 의학적 이용
인공 수정은 배란 시기에 맞춰 정자를 자궁에 주입하여 임신을 돕는 방법이다. 이 방법은 정자 감소증이나 정자 무력증과 같이 정자 자체에 문제가 있거나 성교에 어려움이 있는 경우에 효과적이다. 하지만 여성의 나이가 많거나 정자에 문제가 없는 경우에는 효과가 낮을 수 있다.[48][49]
폴리데옥시리보뉴클레오티드(PDRN)는 조직 복구 자극제로 사용되는 의약품이며, 태반이나 송어(학명: ''Oncorhynchus mykiss''), 연어(학명: ''Oncorhynchus keta'')의 정자에서 추출한다.[45][46]
9. 1. 인공 수정
인공수정은 배란 시기에 맞춰 세척 및 농축된 정자를 자궁에 주입하는 방법으로, 자연 임신과 거의 유사한 형태로 임신이 가능하다. 수정 확률은 1회에 약 10%, 3회에 약 80%, 5회에 약 90%이다.[48][49]'''절차'''
# 정액을 채취한다.
# 살균하여 세균을 제거한다.
# 정자를 농축한다.
# 자궁에 정자를 주입한다.
| 장점 | 단점 |
|---|---|
9. 2. 세포질 내 정자 주입술 (ICSI)
세포질 내 정자 주입술(영어: Intracytoplasmic sperm injection영어, ICSI)에 대한 내용은 주어진 원문에 정보가 없으므로, 이 섹션은 작성할 수 없습니다.9. 3. 의약품
폴리데옥시리보뉴클레오티드(PDRN)는 처음에는 태반에서 추출된 조직 복구 자극제로 발견되었으며[45], 그 외에도 이들 생물의 정자에서 추출되어 이용되고 있다.[46] https://patentscope2.wipo.int/search/ja/detail.jsf?docId=WO2021200299&_gid=202140
10. MMP (밀리리터당 백만 개의 운동성 진행 정자)
정자 활성화와 동의어인 MMP(밀리리터당 백만 개의 운동성 진행 정자) 측정은 정자 검사와 함께 필요한 치료 유형을 결정하는 데 매우 유용한 매개변수이다. 이는 정자 활성화에서 얻은 운동성 진행 정자의 비율과 사정액에서 얻은 운동성 진행 정자의 비율 사이의 비율을 나타내며, 회수율을 기반으로 한다. 백분율에 따라 운동성 정자 회복의 질을 결정한다.
| 정자 수 (ml당) | 상태 |
|---|---|
| 1500만 ~ 2500만 | 최적 |
| 500만 ~ 1500만 | 충분 |
| 500만 미만 | 최적 미만 또는 불충분 |
얻은 값은 정자 검사 결과와 함께 다양한 기술을 나타낸다.
예를 들어, 밀리리터당 1.0×106개 이상의 운동성 진행 정자가 발견되면 성관계를 권장하고, 실패할 경우 다음 단계는 자궁내 인공수정이며, 그 다음에는 일반적인 체외 수정이 된다. 밀리리터당 1.0×106개 미만의 운동성 진행 정자가 있는 경우, 세포질 내 정자 주입술을 시행한다. 무정자증(사정액에 정자가 없음)의 경우, 고환에 정자가 있는지 또는 정자가 생성되지 않는지 확인하기 위해 고환 생검을 수행한다.
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