精子線粒體與男性不育的相關(guān)性研究進(jìn)展

王巧剛++陳黎亞++盛禮建

[摘要] 全球報告顯示，目前不孕不育正成為一個全世界的問題，約15%的夫婦受其影響，其中約50%的因素由男方引起。影響男性生殖能力的原因眾多，主要分為性功能障礙和精子質(zhì)量異常兩大塊。其中，精子活力低下主要包括精子的數(shù)量和質(zhì)量（弱精癥）或精子形態(tài)異常（畸形），是引起男性不育的一個重要因素。線粒體是唯一含有獨(dú)立基因組的細(xì)胞器，是細(xì)胞的主要能量來源，也是精子獲得能量的主要來源。細(xì)胞生命活動所需的能量95%來源于線粒體。醫(yī)學(xué)研究者已經(jīng)展開對精子線粒體與男性不育的相關(guān)性研究。本文將對目前國內(nèi)外相關(guān)性研究進(jìn)展作一綜述。

[關(guān)鍵詞] 男性不育；線粒體；基因；精子活力；突變

[中圖分類號] R698.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-9701（2017）04-0160-04

Advances in studies on the correlation between sperm mitochondria and male infertility

WANG Qiaogang CHEN Liya SHENG Lijian

Department of Laboratory， Dongyang People's Hospital in Zhejiang Province， Dongyang 322100， China

[Abstract] The global report shows that infertility is currently becoming a worldwide problem， and about 15% of the couple affected by it， of which about 50% of the factors caused by the man. There are many reasons for the male reproductive capacity， mainly divided into sexual dysfunction and abnormal sperm quality. Among them， low sperm motility mainly including the number and quality of sperm （weak sperm） or sperm abnormalities （deformity） is an important factor in male infertility. Mitochondria are the only organelles containing independent genomes， the main source of energy for cells， and the main source of energy for sperm. 95% of the energy required for cell life activities comes from it. Medical researchers have begun to study the correlation between sperm mitochondria and male infertility. This paper will review the current research progress at home and abroad.

[Key words] Male infertility； Mitochondria； Gene； Sperm motility； Mutation

隨著生活節(jié)奏的加快，現(xiàn)代人生活壓力的增加，以及年輕人生活方式的改變，特別是目前全球性環(huán)境污染的日趨加重等因素，不孕不育的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，正逐漸成為社會中的一個多發(fā)現(xiàn)象。男性不育作為導(dǎo)致不孕不育其中的一個重要原因，也越來越受到相關(guān)研究者的關(guān)注和深入研究。研究表明，全球男性精液質(zhì)量近年來以每年1%的速度下降，而其中主要表現(xiàn)為精子活力下降、精子密度的降低以及精子畸形率的上升。精子是不孕不育夫婦中男方最關(guān)鍵的因素，精子基本參數(shù)以及功能狀態(tài)正常與否直接關(guān)系到女方能否正常受孕。線粒體是細(xì)胞中制造能量的場所，擁有自身的遺傳物質(zhì)和體系，是新陳代謝和生物能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。線粒體的改變已被證實(shí)與多種疾病密切相關(guān)。本文就目前國內(nèi)外對精子線粒體和男性不育的相關(guān)性研究進(jìn)展作一綜述。

1 精子線粒體DNA拷貝數(shù)與男性不育的研究

線粒體是有兩層膜包被的細(xì)胞器，存在于大多數(shù)細(xì)胞中，直徑一般為0.5～1.0 μm，在光學(xué)顯微鏡下可見。線粒體是能量生產(chǎn)的工廠，其主要功能為參與能量轉(zhuǎn)化、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化（OXPHOS）以及儲存鈣離子。1949年，在線粒體中首次發(fā)現(xiàn)DNA，后被認(rèn)為是線粒體的核心物質(zhì)即線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。mtDNA的遺傳改變將直接影響線粒體參與氧化磷酸化功能?？截悢?shù)是指某基因在某一生物的基因組中的個數(shù)。mtDNA拷貝數(shù)即每個精子的mtDNA，是線粒體的主要遺傳特征之一。mtDNA拷貝數(shù)的改變被認(rèn)為是導(dǎo)致不育的一個重要因素。Tian M等[1]采用實(shí)時PCR檢測mtDNA拷貝數(shù)發(fā)現(xiàn)，mtDNA拷貝數(shù)與精液參數(shù)呈負(fù)相關(guān)，包括精子活力、濃度、形態(tài)、級數(shù)和運(yùn)動特征。Timothy Wai等[2]指出精子線粒體拷貝數(shù)的下調(diào)對精子的正常功能很重要。Panloup等[3]研究發(fā)現(xiàn)，精子mtDNA拷貝數(shù)在男性不育患者中較正常男性有顯著增加。Song GJ等[4]通過實(shí)時PCR檢測發(fā)現(xiàn)，正常參數(shù)精液組較異常參數(shù)精液組mtDNA拷貝數(shù)降低明顯。Maria San Gabriel等[5]通過對精索靜脈曲張對精子質(zhì)量影響研究發(fā)現(xiàn)，精子mtDNA拷貝數(shù)與精子活力顯示出顯著的負(fù)相關(guān)性（r=-0.71，P=0.002）。Gyun JS等[6]通過長鏈和實(shí)時定量PCR對正常精液參數(shù)和弱精樣本檢測mtDNA拷貝數(shù)，發(fā)現(xiàn)mtDNA拷貝數(shù)在弱精癥患者精子中顯著增加，與精子密度顯著相關(guān)。

各國的研究者發(fā)現(xiàn)精子mtDNA拷貝數(shù)和精子活力及男性不育呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。mtDNA拷貝數(shù)在不同活力精子間具有差異，活力越好，mtDNA拷貝數(shù)反而越低，活力越差，其拷貝數(shù)反而增高。精子mtDNA拷貝數(shù)可以作為精子活力是否正常的一個重要參數(shù)，測定mtDNA拷貝數(shù)對了解精子狀態(tài)也有一定的作用。

2 精子線粒體DNA大片段缺失與男性不育的研究

線粒體和mtDNA在精子運(yùn)動和發(fā)育過程中是必不可少的。它主要通過氧化能量的供應(yīng)控制精子生長、發(fā)展和分化。因此，mtDNA對精子的重要性不言而喻。mtDNA大片段缺失可出現(xiàn)在許多組織中，如心臟、腦、肝臟和睪丸。這種mtDNA大片段的缺失，可能導(dǎo)致聚合酶錯誤閱讀，導(dǎo)致線粒體基因組的大片段缺失。Maryam Gholinezhad Chari等[7]研究發(fā)現(xiàn)，4977bp和4866bp大片段缺失頻率在精子運(yùn)動能力異常組較運(yùn)動能力正常組顯著增加，4977bp和4866bp大片段缺失頻率在兩組中具有差異性。Fotini leremiadou等[8]研究表明，mtDNA 4977bp缺失和精子能力表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。4977bp缺失可以考慮作為精子生育潛力的分子指標(biāo)。Ambulkar PS等[9，10]研究發(fā)現(xiàn)大片段7436bp缺失的mtDNA與精子運(yùn)動異常相關(guān)，7436bp缺失可能是導(dǎo)致精子功能障礙和非活動精子的重要原因。此外在異常精子中，4977bp的缺失比正常精子更為常見，比例更高，可能原因為4977bp的缺失導(dǎo)致部分和氧化磷酸化相關(guān)基因的缺失，從而引起精子功能障礙。Bahrehmand Namaqhi I等[11]對弱精癥患者和健康受試對照者mtDNA 4977bp缺失檢測發(fā)現(xiàn)，兩組研究者差異明顯，4977bp缺失會導(dǎo)致精子大規(guī)模能量障礙，進(jìn)而影響精子活力導(dǎo)致弱精癥。Gholinezhad Chari M等[12]對不育男性的精子分為精子活力正常組和異常組，分別檢測mtDNA片段缺失，最后發(fā)現(xiàn)，在兩組中都有發(fā)現(xiàn)常見的4977bp缺失，同時還有一個新的4866bp缺失。然而，活力異常組的缺失率顯著高于正?；盍M。

目前主要認(rèn)為精子mtDNA大片段缺失將導(dǎo)致相應(yīng)編碼蛋白復(fù)合物的損害，影響氧化磷酸化的進(jìn)行，從而導(dǎo)致ATP合成受阻。一旦ATP合成受阻，即不能產(chǎn)生足夠的ATP，精子受精過程中將得不到足夠的能量。精子沒有獲得足夠的能量就不能驅(qū)使其到達(dá)受精部位，受精過程就不能成功進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致男性不育現(xiàn)象的發(fā)生。

3 精子線粒體DNA基因突變與男性不育的研究

過去十年，超過200種點(diǎn)突變在人類mtDNA中被發(fā)現(xiàn)，并且其中45種被證實(shí)和疾病發(fā)生有關(guān)。真核生物細(xì)胞的能量來源，生物體內(nèi)約90%的ATP均是通過線粒體產(chǎn)生，因此線粒體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是細(xì)胞分化和生長發(fā)育所必不可少的。精子受精過程需要大量的能量到達(dá)輸卵管受精，線粒體DNA上的基因缺失或點(diǎn)突變會影響正常的線粒體蛋白功能，使ATP生成減少，導(dǎo)致男性精子活力不足。Holyoake AJ等[13]在嚴(yán)重少精患者中發(fā)現(xiàn)mtATPase6基因上T8821A點(diǎn)位突變，而在成熟精子中未見突變，分析mtATPase6突變可能使精子無法成熟，導(dǎo)致男性不育。金龍金等[14]對27例弱精子癥精液標(biāo)本和28例精子活力正常精液標(biāo)本進(jìn)行mtATPase6基因突變分析發(fā)現(xiàn)，弱精子癥組mtATPase6基因突變率顯著高于對照組，顯示出一定的相關(guān)性。 Baklouti-Gargouri等[15]研究者對弱精子癥不育男性、精液參數(shù)正常以及可生育男性的線粒體細(xì)胞色素氧化酶Ⅲ的基因序列比對，發(fā)現(xiàn)在所有的弱精子癥患者精子mtDNA均存在m.9588G>A的突變，而精液參數(shù)正常以及可生育男性在此位點(diǎn)均未出現(xiàn)突變。D Prabhu Kumar等[16]研究發(fā)現(xiàn)，精子活力低下與精子mtDNA A3243G高水平的突變表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

研究表明，mtDNA點(diǎn)突變、基因單核苷酸多態(tài)性和mtDNA單倍群都可以影響到精液質(zhì)量[17-20]。人類精子中線粒體DNA易受氧化損傷和發(fā)生突變。遺傳異常在人類男性不育病因中的重要作用日益被人們所認(rèn)識。目前雖然有關(guān)基因突變和男性不育的研究有相關(guān)報道，但是總體來說類似研究仍然比較少，發(fā)現(xiàn)診斷不育的特異性位點(diǎn)也比較少。因此可以尋找與男性不育相關(guān)的特異性mtDNA突變位點(diǎn)，探討男性不育的原因，為該病的基因診斷和治療提供科學(xué)依據(jù)。

4 精子線粒體功能改變與男性不育的研究

線粒體作為細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場所，其主要功能是合成ATP為細(xì)胞提供能量。精子受精過程所需的能量主要來自線粒體合成的ATP。目前主要有以下幾個指標(biāo)評價線粒體功能：精子內(nèi)活性氧的含量、精子早期凋亡率、線粒體膜電位、線粒體細(xì)胞色素氧化酶活性以及鈣離子含量等。

線粒體是活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）主要產(chǎn)生部位，精子內(nèi)活性氧的含量可間接反映線粒體功能，少量的ROS有助于精子獲能和頂體反應(yīng)，ROS產(chǎn)生過高超過機(jī)體抗氧化體系的還原能力時，就會引起氧化應(yīng)激反應(yīng)使線粒體功能發(fā)生衰退，線粒體在利用氧分子的同時，也受到氧毒性的傷害。符浩等[21]研究發(fā)現(xiàn)，ROS水平高組精子DNA碎片指數(shù)顯著高于ROS低水平組，而精子活力、前向運(yùn)動精子百分率等反映精子運(yùn)動能力的指標(biāo)均顯著降低。白雙勇等[22]研究發(fā)現(xiàn)，精子線粒體膜電位在超重及肥胖男性不育患者中下降明顯，同時其膜電位正常率與精子向前運(yùn)動率表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。Kasai T等[23]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體膜電位與精液參數(shù)以及體外受精能力密切相關(guān)，精液參數(shù)異常以及受精能力下降的精子線粒體膜電位都有不同程度的下降。吳佳學(xué)等[24]通過對不育男性以及正常生育男性的精子線粒體膜電位檢測發(fā)現(xiàn)，不育男性組膜電位明顯低于正常生育組，而線粒體膜電位與精子向前運(yùn)動率以及正常精子形態(tài)率呈顯著正相關(guān)性。周秀芬等[25]比較弱精癥患者與正常人的線粒體膜電位發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，弱精癥組線粒體膜電位降低明顯，兩組具有統(tǒng)計差異性（P<0.01），同時線粒體膜電位喪失率又與精子早期凋亡率呈顯著正相關(guān)性（r=0.789，P<0.01）。線粒體細(xì)胞色素氧化酶是線粒體內(nèi)一種氧化還原酶，發(fā)揮傳遞電子的功能，是呼吸鏈中的最后環(huán)節(jié)。一旦其活力受阻，電子傳遞以及整個呼吸鏈過程將受到影響，進(jìn)而影響到氧化磷酸化能量合成，導(dǎo)致精子活動能量來源障礙。李敦高[26]應(yīng)用反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，線粒體細(xì)胞色素氧化酶亞基Ⅰ和Ⅱ在弱精癥患者的表達(dá)比正常精子明顯降低。精子活動所需的能量主要由精子線粒體對能量物質(zhì)的氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP所提供，因此精子線粒體功能狀態(tài)將直接影響到精子是否有足夠的運(yùn)動能量來源，進(jìn)而與男性不育產(chǎn)生一定的關(guān)聯(lián)性。

男性不育目前已成為人類生殖系統(tǒng)中一個非常嚴(yán)重的問題，但其分子機(jī)制仍不是很清楚，難以明確診斷，因此也被許多人稱為特發(fā)性不育。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對精子的產(chǎn)生和受孕過程有了更深入的了解和研究，其涉及到的分子機(jī)制也開始逐漸被揭開。精子發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，受許多基因的調(diào)控影響，同時又受到外界環(huán)境甚至其他多種器官疾病，如皮膚病、感染和惡性腫瘤等因素的影響[27]。不育男性中90%屬于低精子數(shù)或低精子質(zhì)量或兩者都有[28]。因此，歸根到底，男性不育主要原因還是精子本身的問題。目前，臨床上主要以宏觀的精液常規(guī)分析評價男性精子狀態(tài)和生育能力。但伴隨著分子生物學(xué)水平的發(fā)展，近年來越來越多的研究者已經(jīng)在微觀分子水平上對男性不育的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行研究。精子線粒體作為精子活動能量來源場所，與精子受精過程關(guān)系密切，與男性不育有重要的相關(guān)性。本文就目前國內(nèi)外有關(guān)精子線粒體與精子活力以及男性不育相關(guān)性的研究進(jìn)展作了綜述。相關(guān)研究表明，精子線粒體DNA拷貝數(shù)與精子活力呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。線粒體大片段缺失、基因突變以及功能改變均可以引起精子活力的下降，甚至影響到不育的發(fā)生[29-32]。因此對精子線粒體的深入研究，特別是分子水平上的研究，在本質(zhì)上了解男性不育的發(fā)生機(jī)制以及男性不育的治療均具有十分重要的意義。

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（收稿日期：2016-11-15）