Quá trình hình thành tinh trùng có thể phân chia thành 2 giai đoạn chính theo trình tự:

1. giai đoạn phân bào sinh tinh (spermatocytogenesis);
2. giai đoạn biến thái tạo tinh trùng (spermiogenesis),
   từ đó mới tạo ra tinh trùng là giao tử đực trực tiếp tham gia thụ tinh.[3], [7], [8]

Sự phân chia thành bao nhiêu giai đoạn là do quy ước. Tác giả bài viết này phân chia dựa vào phân bào có hay không xảy ra ở giai đoạn đó, như nhiều tài liệu. Nhưng cũng có tác giả khác chia thành 3 giai đoạn (do giai đoạn đầu tách thành 2 dựa vào nguyên phân và giảm phân)[9] hoặc thậm chí thành 4 giai đoạn.[6]

Diễn biến hai giai đoạn

Cơ chế quá trình phát sinh tinh trùng không giống nhau hoàn toàn ở các loài động vật. Trong bài viết này chỉ trình bày tổng quát sự tạo tinh ở người - đối tượng đã được nghiên cứu rất kĩ đến cấp độ phân tử. Ở người, hai giai đoạn nói trên tương ứng với từng loại tế bào chuyên biệt, trong giai đoạn đầu có phân bào, còn giai đoạn sau không phân bào mà chỉ có sự biến đổi hình thái tế bào con.[10]

1) Giai đoạn phân bào sinh tinh (spermatocytogenesis)

Giai đoạn này gồm nhiều lần phân bào từ tế bào mầm ban đầu cho đến khi tạo ra tiền tinh trùng (cũng gọi là tinh tử).

• Các tế bào mầm nằm sát thành trong của ống sinh tinh ở tinh hoàn (gọi là màng cơ sở) tạo thành một lớp mỏng (quy ước là tế bào màu hồng, chú thích 1 ở hình 1). Giai đoạn này bắt đầu khi một tế bào mầm nào đó tách khỏi lớp này - đó là tế bào gốc tinh trùng (spermatogonial stem cells) - lớn lên, chín và trở thành tinh nguyên bào (spermatogonium).
• Mỗi tinh nguyên bào tiến hành nguyên phân hình thành nên nhiều tinh bào bậc I (primary spermatocyte).
• Mỗi tinh bào bậc I (quy ước là tế bào màu xanh sáng, chú thích 2 ở hình 1) phân chia hai lần qua cơ chế giảm phân:

- Lần thứ nhất tạo thành hai tinh bào bậc II (secondary spermatocyte, tế bào màu xanh biển, chú thích 3 ở hình 1). Sinh học phổ thông ở Việt Nam gọi lần phân bào này là giảm phân I (GP1).[4]

- Lần thứ hai (tức là giảm phân II hay GP2) tạo thành bốn tiền tinh trùng (spermatid, cũng gọi là tinh tử)[3]. Các tiền tinh trùng này chưa phải là giao tử (tế bào màu vàng, chú thích 4 ở hình 1), nghĩa là không có khả năng thụ tinh.[2], [3], [11]

Sự phân bào nói trên diễn ra không hoàn toàn giống như phân bào thông thường, bởi vì các tế bào "con" sinh ra không tách rời nhau như thông thường, mà còn kết nối với nhau qua các cầu nối nguyên sinh chất để được "đồng bộ hoá" (synchronous, theo Bloom & Fawcett, 1975).[12] Các tiền tinh trùng sẽ chuyển sang giai đoạn tiếp theo sau đây mới tạo thành giao tử.

2) Giai đoạn biến đổi hình thái, tạo tinh trùng (spermiogenesis)

• Trong giai đoạn 2 này, tiền tinh trùng (tinh tử) biến đổi hình thái. Ở giai đoạn biến thái có hai sự kiện quan trọng:

- Sự kiện 1. Tinh tử "mọc đuôi" nhờ cơ chế phát triển các vi ống từ trung thể (centriole). Về mặt cấu tạo, cái đuôi này như roi của một số động vật theo cấu trúc trong Sinh học phân tử thường gọi tắt là "cấu trúc 9+1" (xem hình 2), vì thế nó có thể bơi rất nhanh. Một tinh trùng người dài khoảng 50 μm (20 "con" nối đuôi nhau mới dài 1mm),[13] nhưng có thể di chuyển với tốc độ 0,1 mm/s [14] nghĩa là mỗi giây nó bơi được gần gấp 3 lần chiều dài của nó.

- Sự kiện 2. Tinh tử "đội mũ" lên đầu gọi là "thể đỉnh hoá", rất quan trọng cho thụ tinh vì nó giúp tinh trùng xâm nhập được vào trứng (nếu gặp).

• Khi qua giai đoạn "lột xác" này thì tinh tử mới biến đổi thành tinh trùng hoàn chỉnh và đó là giao tử đực đã chín muồi, thuộc loại tế bào mà thuật ngữ khoa học gọi là spermatozoa (số nhiều của spermatozoon, nghĩa là tinh trùng) như đã nói trên.

Hình 3 sau đây tóm tắt toàn bộ sự sinh tinh vừa trình bày.

• Hình 2: Đuôi tinh trùng. 1=trục. 2=màng tế bào. 3=thể IFT (intraflagellar transport). 4=thể gốc. 5=sơ đồ cắt ngang thể hiện cấu trúc "9+1". 6=Sự xếp lớp các bộ ba ở thể gốc.
• Hình 3: Sơ đồ tóm tắt sự tạo tinh (bên trái) và ảnh hiển vi lát cắt ngang ống sinh tinh có tế bào Sertoli (bên phải).

3) Bổ sung

Trên đây là cơ chế tổng quát. Trong các nghiên cứu chuyên sâu, còn nhiều chi tiết mà dưới đây chỉ giới thiệu một số.

• Khi đã trưởng thành, nam giới có thể sản xuất tinh trùng liên tục, không ngừng nghỉ hàng tuần hay nhiều tháng như sự tạo noãn ở nữ giới. Trong đời mỗi nam giới, số lượng tinh trùng được sinh ra vô cùng lớn.
• Ở người, kể từ khi tế bào gốc tinh trùng xuất hiện đến khi có thể xuất tinh cần một thời gian khoảng 70 ngày. Ngoài ra sự tạo tinh còn chịu ảnh hưởng của nhiều tác động nội môi (nhất là hoocmôn), nhiệt độ (tinh hoàn nóng trên 37oC sẽ bị ức chế tạo tinh), v.v.[3], [15]
• Sự hình thành tinh trùng không thể thiếu các tế bào Xectôli (Sertoli cell) là nhóm tế bào xôma, không phải là tế bào sinh dục, nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong sự tạo tinh. Con đường phát triển từ tế bào mầm đến tinh trùng xảy ra trong các hốc do các tế bào Xectôli tạo nên ở bên trong ống sinh tinh của tinh hoàn (mà ảnh hiển vi ở hình 3 đã mô tả mặt cắt ngang). Ban đầu quá trình tạo tinh, các tế bào gốc tinh trùng liên kết với tế bào Xectôli nhờ các phân tử N-cadherin phân bố ở cả hai bề mặt của hai loại tế bào đó. Ngoài ra, các phân tử galactosyltransferase trên bề mặt tế bào sinh tinh các kiểu có liên kết với thụ thể carbohydrate trên tế bào Xectôli (Newton và cộng sự, 1993; Pratt và cộng sự, 1993). Nhờ đó, các tế bào Xectôli không chỉ nuôi dưỡng, bảo vệ sự tạo tinh mà còn góp phần điều hoà nó.[16]

Biến đổi số nhiễm sắc thể trong sự tạo tinh

Trong bảng sau, mức bội thể, số phân tử ADN (cả bản gốc và bản sao) và số nhiễm sắc tử (chromatine) được tính trong một tế bào của người.