수정(fertilization) 중에 난자와 정자가 융합해 새로운 이배체(diploid) 구조를 만듭니다. 인간의 경우, 이 과정은 난소(ovary)에서 난자가 방출되고 나팔관(fallopian tube) 안으로 이동한 뒤 발생합니다. 수정엔 몇 가지 주요 단계가 필요합니다. (1) 생식기관에 존재하는 정자는 난자의 위치를 찾아야 합니다. (2) 정자는 난자의 보호 구역인 투명대(zona pellucida)를 파고들 수 있도록 효소를 방출해야 합니다. (3) 하나의 정자와 난자의 막이 융합해야 하며, 정자는 핵과 중심체(centrosome)를 포함한 내용물을 난자의 세포질(cytoplasm)로 방출해야 합니다. 이러한 단계가 성공적이면, 두 배우자(gamete)의 유전 물질이 결합하고 유사분열(mitosis)이 시작되어 이배체 배아(embryo)를 형성합니다.

칼슘 신호전달과 수정

정자와 난자의 결합은 다양한 변화를 가져오는데, 그 중 하나는 난자를 관통하는 칼슘 이온(Ca²⁺)의 파동입니다. 이런 진동은 정자-난자 융합에 의해 시작되며, 난자의 소포체(endoplasmic reticulum)에서 발생하는 내인성(endogenous) Ca²⁺의 방출과 흡수, 그리고 난자의 세포 외 환경에서 발생하는 Ca²⁺의 동시적인 방출과 흡수에서 비롯됩니다. 중요한 것은, 칼슘 신호전달은 원형질막(plasma membrane) 바로 아래에 있는 겉질 과립(cortical granule; 피질 과립)이란 소포(vesicle)를 유발해 그 내용물을 투명대 아래의 열린 공간으로 방출하게 만들어 난자를 수정한다는 것입니다. 이러한 내용물에는 투명대의 표면을 변화시키고 추가 정자의 유입을 막는 정자 결합 단백질을 절단하는 효소가 포함됩니다. 이 과정은 다정자수정(polyspermy)을 막는 방법의 하나입니다.

또한 Ca²⁺ 파동은 또한 난자를 “활성화”합니다. 난자는 난소에서 방출될 때 감수분열(meiosis)을 중지하고 수정 후에만 그 과정을 재개합니다. 이러한 재개는 부분적으로 수정에 의해 유도된 Ca²⁺ 신호전달로 인해 발생하는데, 이는 분열을 재개할 수 있는 난자의 인산화효소(kinase)를 활성화하기 때문입니다. 감수분열이 다시 시작되면 난자는 세포질의 대부분을 포함하는 큰 성숙한 난자(ovum)와 나중에 분해되는 더 작은 극체(polar body)로 나뉩니다. 감수분열이 끝나면 난자는 난자 전핵(pronucleus)이라고 불리는 중복되지 않은 염색체 한 세트를 가진 핵을 포함하고 있습니다.

전핵의 결합

난자의 전핵이 형성될 때, 정자의 유전 물질에서도 변화가 일어납니다. 처음에 정자의 염색질(chromatin)은 단단히 응축되어있지만, 일단 정자의 핵이 난자로 들어가면, 그 세포막은 녹고, 염색체가 풀리기 시작합니다. 이어서 느슨하게 응축된 정자 물질 주위에 새로운 핵막이 형성되어 정자 전핵을 생성합니다. 정자의 중심체(centrosome)는 수정과 동시에 난자 세포질에도 도입되며, 이 구조는 난자 전핵과 정자 전핵 사이에서 방향을 잡고 전핵을 서로 끌어당기는 미세소관(microtubule)을 형성합니다. 전핵은 서로 만나면서 세포막을 잃고, 염색체가 섞이며 유사분열의 과정이 시작됩니다.