Sự hình thành giao tử (quá trình tạo giao tử, tạo giao tử) từ thời kỳ phôi thai đến khi trưởng thành trải qua 3 giai đoạn: (1) Sự di cư tế bào mầm từ ngoài phôi (ở túi noãn hoàng) đến các tuyến sinh dục nguyên thủy, (2) nguyên phân tăng số lượng tế bào mầm, (3) giảm phân và thay đổi cấu trúc, chức năng của giao tử. Giai đoạn 1 giống nhau ở cả hai giới, 2 giai đoạn sau thì có sự khác biệt giữa nam và nữ.
- Giai đoạn 1: Di cư tế bào mầm (germ cell)
Các giao tử được bắt nguồn từ tế bào mầm nguyên thủy (primordial germ cells), chúng được hình thành từ nguyên ngoại bì (epiblast) trong tuần lễ thứ 2 của thai kỳ sau đó di chuyển đến nằm trong thành của túi noãn hoàng. Từ tuần thứ tư đến tuần thứ năm của thai kỳ, những tế bào mầm này rời túi noãn hoàng di cư qua biểu mô ruột sau rồi theo mạc treo ruột sau đến các tuyến sinh dục nguyên thủy.
Các tế bào mầm nguyên thủy di cư sai vị trí không đến tuyến sinh dục nguyên thủy sẽ bị chết, nếu sống chúng sẽ tạo u quái (teratomas) là hỗn hợp mô được biệt hóa gồm da, tóc, xương, sụn, răng, thường có ở vùng trung thất, cùng-cụt và miệng.
- Giai đoạn 2: Nguyên phân tăng số lượng tế bào mầm
Sau khi đến tuyến sinh dục nguyên thủy các tế bào mầm nguyên thủy nhanh chóng nguyên phân tạo các tế bào lưỡng bội (2n) có bộ gen giống nhau. Số lượng tế bào mầm tăng lên hàng trăm, hàng triệu.
Quá trình nguyên phân thì giống nhau giữa các loại tế bào mầm sinh dục, tất cả đều trải qua các pha như ở hình 2. Nhưng có sự khác biệt ở nam và nữ là tuổi bắt bắt đầu nguyên phân lần đầu tiên, thời điểm kết thúc không còn nguyên phân nữa và số lần nguyên phân của tế bào mầm.
- Nguyên phân tế bào mầm ở nữ
Nguyên phân bắt đầu từ tháng thứ 2 đến tháng thứ 5 của thai kỳ, xảy ra ở buồng trứng nguyên thủy. Trong giai đoạn này số lượng tế bào mầm có khoảng vài ngàn đến tối đa khoảng 7 triệu. Tại thời điểm đạt số lượng đó, các tế bào mầm nguyên thủy (noãn bào nguyên thủy) bắt đầu chết. Đến tháng thứ 7 phần lớn chúng đã bị thoái hóa ngoại trừ một số ở gần bề mặt của buồng trứng. Tất cả các noãn bào nguyên thủy còn sống được đi vào kỳ trước của giảm phân I, hầu hết chúng được bao bọc xung quanh bởi 1 lớp tế bào biểu mô lát, noãn bào nguyên thủy cùng với biểu mô lát đơn được gọi là nang noãn nguyên thủy (nang trứng nguyên thủy).
- Nguyên phân tế bào mầm ở nam
Nguyên phân diễn ra suốt đời, bắt đầu ở tinh hoàn nguyên thủy. Biểu mô ống sinh tinh có chứa các tinh nguyên bào. Đến tuổi dậy thì sẽ có từng nhóm các tinh nguyên bào tham gia vào chu kỳ nguyên phân từng đợt và lặp lại theo chu kỳ gần như trong suốt cuộc đời người nam.
- Giai đoạn 3: Giảm phân và thay đổi cấu trúc, chức năng của giao tử. Giảm phân trải qua 2 lần phân chia tế bào là giảm phân I và giảm phân II.
Ở giảm phân I, DNA cũng được nhân đôi, các kỳ diễn ra tương đối giống như ở nguyên phân nhưng khác ở chỗ là các nhiễm sắc thể tham gia trao đổi chéo, chuyển đổi các đoạn giữa các nhiễm sắc thể với nhau trong kỳ trước, đến kỳ sau thì các nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng sẽ di chuyển về các cực của thoi phân bào đối nhau, mà không phân ly ở chỗ tâm động như trong nguyên phân làm cho các tế bào con có chất liệu di truyền không bằng nhau sau giảm phân I. Kỳ cuối, nhiễm sắc thể giữ nguyên số lượng và đi vào các kỳ của giảm phân II mà không nhân đôi.
Ở giảm phân II, các nhiễm sắc thể cũng sắp xếp trên mặt phẳng xích đạo (kỳ giữa giảm phân II) và sau đó tách ra ở tâm động để mỗi chiếc đơn đi về 2 cực của tế bào hình thành nên các giao tử mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội (1n).
- Diễn biến và thời điểm giảm phân ở nữ
Giảm phân diễn ra chậm và muộn, thời điểm gần sinh tất cả các nguyên noãn bào (noãn bào nguyên thủy – primary oocyte) đi vào kỳ trước của giảm phân I, các nguyên noãn bào ở kỳ trước giảm phân I gọi là nguyên bào I (nang trứng nguyên thủy) có bộ nhiễm sắc thể 4n, tiếp theo đó chúng dừng lại ở giai đoạn này và chuyển sang trạng thái diplotene, quá trình giảm phân ngừng lại lần một.
Trạng thái diplotene là giai đoạn nghỉ ngơi trong suốt kỳ trước được đặc trưng bởi các nhiễm sắc thể ngưng tụ ở mức độ thấp hơn kỳ trước của giảm phân I, các cặp nhiễm sắc thể tương đồng liên kết chặt với nhau tại vị trí bắt chéo (sẽ xảy ra chuyển đoạn nhiễm sắc thể khi phân ly). Các nguyên noãn bào vẫn ở trạng thái nghỉ ngơi và không tiếp tục giảm phân cho đến tuổi dậy thì. Trạng thái này có được là do chất ức chế sự trưởng thành của nang trứng (ức chế giảm phân), 1 loại peptide nhỏ được tạo ra bởi những tế bào nang dẹt của biểu mô lát đơn. Chất ức chế giảm phân này được chuyển từ nang bào sang noãn bào bởi các liên kết khe giữa noãn bào và tế bào nang. Sự ức chế giảm phân này chấm dứt trước rụng trứng khi các hormon hoàng thể (LH) do tuyến yên tiết ra tăng vọt đột ngột phá vỡ các liên kết khe. Noãn bào chịu tác động bởi sự tăng trưởng của các nang bào, đặc biệt khi nang trứng chín.
Số lượng nang noãn nguyên thủy tại thời điểm sinh có khoảng 600.000 đến 800.000. Trong suốt tuổi nhi đồng (trước tuổi dậy thì) các nang trứng nguyên thủy tiếp tục thoái triển, đến tuổi dậy thì còn khoảng 400.000, trong số này thì sẽ có ít hơn 500 nang trứng nguyên thủy tiến triển đến chín, số còn lại sẽ bị thoái triển trong các giai đoạn trưởng thành của nang trứng trước khi trứng chín.
Các nang trứng sẽ lần lượt đi vào trưởng thành (chín) vì vậy có những nang trứng sẽ tồn tại ở trạng thái diplotene hơn 40 năm mới đi vào chín. Mặc dù giai đoạn diplotene là giai đoạn thích hợp nhất để bảo vệ những nang trứng chống lại sự ảnh hưởng của môi trường. Nhưng thực ra vẫn có nguy cơ bất thường về nhiễm sắc thể ở những nang trứng được cất giữ lâu trong trạng thái diplotene. Nói cách khác, nang trứng càng lâu đi vào quá trình chín thì càng có nhiều nguy cơ bất thường các vật chất di truyền bên trong noãn bào, vì vậy phụ nữ càng lớn tuổi (>35tuổi), càng có nhiều nguy cơ sinh ra những đứa con bị bất thường về nhiễm sắc thể.
Đến tuổi dậy thì, mỗi tháng có khoảng 15 – 30 nang trứng nguyên thủy bắt đầu đi vào giai đoạn trưởng thành, trải qua 3 giai đoạn: (1) nang trứng sơ cấp, (2) nang trứng thứ cấp (3) nang trứng trước khi chín. Trong đó giai đoạn 2 là dài nhất, trong khi giai đoạn trước khi rụng trứng cách khoảng 37 giờ trước khi rụng trứng.
Khi nang noãn nguyên thủy bắt đầu phát triển, tế bào nang trứng xung quanh thay đổi hình dạng từ hình lát sang hình khối (lúc này gọi tên là nang trứng sơ cấp) và bắt đầu tăng sinh thành biểu mô tầng với những tế bào chứa hạt chế tiết bên trong (tế bào hạt hay hạt bào). Các nang bào tựa trên 1 màng đáy ngăn cách chúng với các tế bào đệm xung quanh (mô liên kết), tất cả tạo thành vỏ nang. Chúng cũng cùng với noãn bào chế tiết ra 1 lớp glycoprotein trên bề mặt của noãn bào, đó chính là màng trong suốt (zona pellucida).
Tiếp tục phát triển thành nang trứng thứ cấp, các tế bào của vỏ nang tạo thành 2 lớp: lớp trong gồm những tế bào chế tiết gọi là vỏ trong (theca interna) có nhiều mao mạch máu cung cấp dinh dưỡng để tế bào nang trứng phát triển và lớp vỏ sợi ngoài (theca externa) có nhiều mô liên kết. Các nhánh bào tương của tế bào nang có khuynh hướng xuyên qua màng trong suốt, tiếp xúc với noãn bào để vận chuyển vật chất từ tế bào nang vào trong noãn.
Nang trứng tiếp tục phát triển, các nang bào tiếp tục phân chia và có sự xuất hiện các khoang dịch giữa các nang bào, tạo nên những cái hốc, ngày một lớn lên theo thời gian. Các nang bào xung quanh noãn vẫn được duy trì và hình thành gò noãn. Lúc trưởng thành nang trứng có hốc có thể có đường kính hơn 25mm.
Các tế bào nang lớp vỏ trong của nang trứng có khả năng chế tiết các steroid. Các tế bào này có thụ thể tiếp nhận LH của tuyến yên để điều khiển chế tiết androgen (testosterone) đi qua màng đáy, đến các tế bào hạt ở vỏ ngoài gặp các enzym aromatase do các tế bào này tiết ra dưới sự điều khiển của FSH biến androgen thành estradiol. Estradiol rời khỏi nang trứng đến các vùng khác ở cơ thể đồng thời kích thích tạo các thụ thể tiếp nhận LH ở các hạt bào, nhờ vậy các hạt bào có khả năng đáp ứng với một lượng LH tăng vọt để kích thích rụng trứng.
Một số nang trứng trong số 15- 30 nang đi vào giai đoạn trưởng thành tiếp tục phát triển, rồi cuối cùng chỉ có một vài nang trứng trưởng thành đến chín, số còn lại sẽ teo đi và để lại vết tích trên buồng trứng. Khi nang trứng thứ cấp trưởng thành, LH tăng đến cực đỉnh sẽ đưa nang trứng vào giai đoạn trước rụng trứng. Giảm phân I hoàn thành, kết quả cho ra 1 tế bào noãn mới (noãn thứ cấp) chứa hầu hết tế bào chất từ tế bào mẹ và 1 cực cầu chứa 23 cặp nhiễm sắc thể (cực cầu 1 – nằm giữa màng trong suốt và màng đáy của nang bào). Sau đó, noãn bào đi vào giảm phân II nhưng nghỉ ở kỳ giữa II khoảng 3 giờ trước khi rụng trứng. Giảm phân II hoàn thành khi noãn bào được thụ tinh, noãn có thể duy trì khoảng 24 giờ sau khi rụng trứng. Cực cầu 1 cũng sẽ phân chia tạo 2 cực cầu mang bộ NST 1n.
- Diễn biến và thời điểm giảm phân ở nam:
Lúc mới sinh, những tế bào mầm phát sinh giao tử nằm trong tinh hoàn của đứa bé trai, nó được bao quanh bởi những tế bào nâng đỡ (tế bào Sertoli) nằm ở đáy biểu mô tinh. Việc tạo tinh trùng được bắt đầu lúc dậy thì ở các ống sinh tinh của tinh hoàn. Quá trình này khởi đầu bằng nguyên phân các tinh nguyên bào.
Trước khi dậy thì 1 thời gian ngắn, ống sinh tinh được hình thành có lòng rõ rệch từ những dây đặc (gọi là sex cord) chứa các tế bào mầm.
Trong khoảng thời gian đó, những tế bào mầm nguyên thủy bắt đầu nguyên phân vài lần (tế bào có khả năng nguyên phân gọi là tinh nguyên bào A) cuối cùng tạo ra các tinh nguyên bào B không còn khả năng nguyên phân nữa mà sẽ đi vào giảm phân tạo tinh trùng. Vì vậy tinh nguyên bào A còn được xem là tế bào gốc tạo tinh trùng có khả năng nguyên phân và bảo tồn số lượng trong suốt cuộc đời người nam.
Các tinh nguyên bào B bắt đầu giảm phân kích thước to lên (lúc này có thể gọi tên là tinh bào I – primary spermatocyte) và đi vào kỳ trước của giảm phân I rồi nghỉ ở trạng thái giống diplotene khoảng 22 ngày, sau đó nhanh chóng hoàn thành giảm phân I và hình thành tinh bào II (secondary spermatocytes). Tinh bào II tiếp tục giảm phân II tạo tiền tinh trùng mang bộ nhiễm sắc thể 1n. Tóm lại, từ tinh nguyên bào A giảm phân cho ra các tiền tinh trùng (tinh tử). Các tinh tử không phân chia nữa nhưng sẽ đi vào 1 quá trình biệt hóa thành tinh trùng trong các hốc của tế bào Sertoli. Tế bào Sertoli có nhiệm vụ nâng đỡ, bảo vệ các tinh trùng, tham gia cung cấp dinh dưỡng và hỗ trợ sự trưởng thành của tinh trùng.
Sự tạo tinh trùng được chi phối bởi LH và FSH của tuyến yên. LH gắn kết với các receptor trên tế bào Leydig và kích thích sản xuất testosterone để gắn kết với những tế bào Sertoli thúc đẩy biệt hóa tinh trùng. FSH rất cần thiết vì nó gắn kết với các thụ thể trên tế bào Sertoli kích thích sản xuất tinh dịch và kích hoạt tổng hợp protein receptor androgen nội bào.
Các nhánh tế bào Sertoli nối với nhau tạo hàng rào máu tinh hoàn ngăn để tách biệt các tế bào dòng tinh đang trưởng thành với hệ miễn dịch của cơ thể. Chính vì thế khi giảm phân các tinh nguyên bào B không chịu tác động của miễn dịch của cơ thể. Vô sinh do miễn dịch xảy ra nếu hàng rào máu – tinh hoàn bị hỏng.
Sự chuyển dạng tinh tử thành tinh trùng có các thay đổi ở nhân và bào tương. Nhân giảm kích thước và cô đặc nhiễm sắc chất do histon được thay bằng protamin. Bào tương giảm số lượng, các bộ golgi tập trung về vùng đỉnh nhân tạo cực đầu chứa các enzym có chức năng thụ tinh. Ở cực đối lại, đuôi hình thành từ vị trí trung tử. Các ti thể sắp xếp xoắn quanh đoạn gần của đuôi. Các đầu gắn (domain) hình thành ở protein màng bào tương tinh trùng. Các đầu gắn protein màng bào tương này thay đổi trong khi tinh trùng di chuyển bên trong đường sinh dục nữ. Bào tương tinh tử mất dần dưới dạng các thể vùi bong ra và tạo đuôi, các thể vùi sẽ được tế bào Sertoli thực bào.
Trước đây người ta cho rằng không có sự biểu hiện gen ở các tinh trùng. Hiện nay các nghiên cứu đã chứng minh các tinh tử không những có mà còn thường xuyên có biểu hiện gen. Hàng trăm loại protein được tạo ra trong và sau giảm phân II.
Tổng thời gian cho việc tạo được 1 tinh trùng hoàn chỉnh với hình dạng và chức năng đầy đủ (tính từ lúc bắt đầu giảm phân) khoảng 64-74 ngày. Mỗi ngày có khoảng 300 triệu tinh trùng được tạo ra. Tinh trùng có đầu (đường kính ngang khoảng 2-3µm, dài khoảng 4-5 µm) chứa nhân và cực đầu, đoạn giữa có các trung tử, đoạn gần của đuôi có các ti thể xếp xoắn ốc, đuôi dài 5 µm cấu tạo đặc thù tiêm mao.
Sau khi được biệt hóa hoàn chỉnh, tinh trùng còn ở ống sinh tinh chưa có khả năng tự chuyển động và không thể thụ tinh. Từ ống sinh tinh, tinh trùng được chuyển đến mào tinh hoàn nhờ dịch tiết ống sinh tinh. Lúc ở mào tinh hoàn, tinh trùng trưởng thành thêm về sinh hóa, được bao bởi lớp glycoprotein và sửa đổi protein bề mặt vùng đầu. Bên trong đường sinh dục nữ, lớp glycoprotein bị loại bỏ do cắt bởi màng bào tương đầu tinh trùng để tinh trùng có thể thụ tinh. Các biến đổi sinh hóa tiếp theo sau khi tinh trùng được phóng tinh, ở trong hỗn hợp dịch giàu năng lượng gồm dịch tiết tiền liệt tuyến và dịch tiết túi tinh, từ lúc này tinh trùng có thể tự di chuyển.
Khoảng 10% tổng số tinh trùng bất thường do sai sót trong quá trình biệt hóa gồm tinh trùng có 2 đầu, cụt đuôi hay đầu to nhỏ bất thường. Tinh trùng bất thường không có khả năng thụ tinh. Nếu tỉ lệ tinh trùng bất thường trên 20% thì khả năng thụ tinh giảm.
