活性氧影響精子超微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

張喜艷，閻一鑫，秦紅平，宋 誠(綜述)，王 玲(審校)

成熟的精子是高度分化的單細(xì)胞，其包括頭部和尾部區(qū)域。精子的頭部有一個(gè)高度濃縮的細(xì)胞核，核的前三分之二部有頂體覆蓋。尾部是精子的運(yùn)動(dòng)裝置，尾部的中段包有一圈線粒體鞘，線粒體為鞭毛擺動(dòng)提供能量。在《世界衛(wèi)生組織人類精液檢查與處理實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)》[1]關(guān)于精液質(zhì)量的分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，將精子分類為前向運(yùn)動(dòng)、非前向運(yùn)動(dòng)和不活動(dòng)精子。前向運(yùn)動(dòng)精子百分率+非前向運(yùn)動(dòng)精子百分率≥1.5×107/ml，精液體積≥1.5 ml。精子正常形態(tài)和質(zhì)量參數(shù)是臨床精液分析的關(guān)鍵指標(biāo)。活性氧(reactive oxygen species，ROS)代表廣泛的分子類別，包括自由基、非自由基和氧衍生物等。ROS損害精子形態(tài)結(jié)構(gòu)包括脂質(zhì)過氧化、脫氧核糖核酸(DNA)損傷增加、線粒體損傷而導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)性降低、精子相關(guān)參數(shù)異常、卵母細(xì)胞與精子融合減少。形態(tài)異常精子超微結(jié)構(gòu)的發(fā)生機(jī)制為男性不育的臨床治療提供可能的理論依據(jù)。本文就精子形態(tài)異常的發(fā)生機(jī)制作一綜述。

1 ROS對(duì)精子核DNA的影響

ROS引起的精子核DNA損傷機(jī)制包括DNA片段化[2]、DNA突變[3]、DNA堿基的氧化[4]和DNA損傷精子過早進(jìn)入凋亡途徑[5]。研究顯示，在不同發(fā)育階段精子亞群中ROS產(chǎn)生水平有顯著差異，發(fā)現(xiàn)ROS的產(chǎn)生在一部分未成熟精子中最高，而在一部分成熟精子中最低，所以在精子形成過程中從生精小管到附睪未成熟精子產(chǎn)生的內(nèi)源性ROS對(duì)成熟精子的氧化損傷可能是ROS對(duì)精子核DNA損傷的重要機(jī)制之一[6]。有研究在精子的終末分化過程中，核組蛋白被魚精蛋白所取代，魚精蛋白具有許多半胱氨酸殘基，在附睪運(yùn)輸過程中被氧化，建立了一系列分子間和分子內(nèi)二硫鍵，用于穩(wěn)定核染色質(zhì)結(jié)構(gòu)[7]。這種穩(wěn)定性使DNA更能抵抗氧化應(yīng)激，然而精子的保護(hù)機(jī)制也是其損傷機(jī)制的基礎(chǔ)。研究者使用熒光探針(色霉素與精蛋白競爭精子DNA小溝中的結(jié)合位點(diǎn))檢測，結(jié)果顯示精蛋白化過程受損越嚴(yán)重，觀察到的標(biāo)記越多，提出男性生殖系中的染色質(zhì)保護(hù)和對(duì)DNA損傷的易感性，即在精子形成受損的情況下觀察到的有缺陷的染色質(zhì)重塑，通過創(chuàng)造一種易受攻擊的狀態(tài)，構(gòu)成了精子DNA損傷病因?qū)W的又一個(gè)原因。DNA片段化可以通過脂質(zhì)過氧化的副產(chǎn)物被ROS間接誘導(dǎo)，特別是丙二醛和4-羥基壬烯醛，它們可以引入DNA加合物，導(dǎo)致DNA損傷[8-9]。直接氧化損傷DNA堿基導(dǎo)致形成加合物如8-羥基-20-脫氧鳥苷，特別是在具有功能欠佳的魚精蛋白保護(hù)下[10]。自由基可以引發(fā)生殖細(xì)胞的凋亡，導(dǎo)致Caspase介導(dǎo)的DNA酶促降解[11]。細(xì)胞凋亡可確保沒有缺陷的生殖細(xì)胞分化為精子，開始凋亡但未完成凋亡過程的生殖細(xì)胞將產(chǎn)生受損的精子。過量的ROS會(huì)誘導(dǎo)DNA損傷[12]，并激活精子的凋亡途徑[13]。由上述可知，精子核DNA易受ROS攻擊，臨床研究顯示反復(fù)性流產(chǎn)患者的配偶DNA碎片化水平明顯升高[14]。一些研究還表明，特發(fā)性男性不育癥患者的精子DNA碎片明顯多于正常的可育對(duì)照男性[15]。氧化應(yīng)激介導(dǎo)的DNA損傷在早產(chǎn)、先天性畸形、兒童癌癥、不孕癥和輔助生殖技術(shù)中具有重要指導(dǎo)意義。

2 ROS對(duì)精子頂體的影響

頂體是位于精子核區(qū)域的膜結(jié)合細(xì)胞器，類似于覆蓋細(xì)胞核前部的帽子[16]。頂體反應(yīng)涉及頂體內(nèi)容物的胞吐作用以及精子質(zhì)膜與頂體外膜的融合[17]。在頂體反應(yīng)中，丙烯醛從頂體囊泡中釋放出來，水解并穿透卵母細(xì)胞周圍的外膜。丙烯醛的活性在此過程中起著至關(guān)重要的作用[18-19]，有研究報(bào)道氧化應(yīng)激與丙烯醛活性受損有關(guān)[20]。精子為了獲得受精能力，首先需要在雌性生殖道中獲能。獲能的精子具有結(jié)合卵母細(xì)胞透明帶并經(jīng)歷頂體反應(yīng)的能力，頂體反應(yīng)可以使精子滲透并與卵母細(xì)胞受精，并被認(rèn)為是受精的決定因素，大量的ROS產(chǎn)生導(dǎo)致精子頂體膜的過氧化和頂體活性降低，導(dǎo)致精子-卵母細(xì)胞融合受損。由氧化應(yīng)激所致頂體反應(yīng)受損是男性不育因素之一。

3 ROS對(duì)精子線粒體的影響

線粒體DNA容易受到氧化損傷及突變[21]。ROS是線粒體氧化磷酸化系統(tǒng)的副產(chǎn)物，這一反應(yīng)可能是ROS損害線粒體DNA基礎(chǔ)。由于線粒體DNA的空間接近線粒體電子傳輸鏈介導(dǎo)的線粒體ROS生成位點(diǎn)，缺乏保護(hù)性組蛋白及其有限的DNA修復(fù)機(jī)制，線粒體DNA更容易受到氧化損傷。此外，線粒體DNA的細(xì)胞改變可能會(huì)損害線粒體氧化磷酸化并促進(jìn)ROS的產(chǎn)生，從而加快DNA突變的速度。所以，線粒體DNA是ROS誘導(dǎo)和攻擊的第一個(gè)位點(diǎn)[22]。線粒體影響精子發(fā)生過程，線粒體基因組缺陷和相關(guān)呼吸鏈功能障礙可能會(huì)破壞線粒體的正常分化導(dǎo)致精子發(fā)生缺陷[19]。繼發(fā)ROS的產(chǎn)生導(dǎo)致線粒體生理功能的下降[23-24]。繼而功能失調(diào)的線粒體中ROS的產(chǎn)生顯著增加形成自我破壞循環(huán)。線粒體膜電位是通過在線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅰ、Ⅳ耦合電子轉(zhuǎn)移過程中通過質(zhì)子梯度產(chǎn)生的，是促進(jìn)復(fù)合物V構(gòu)象變化的關(guān)鍵點(diǎn)，從而導(dǎo)致了腺嘌呤核苷三磷酸的產(chǎn)生[25]。實(shí)驗(yàn)顯示，主要的線粒體膜蛋白的表達(dá)降低與線粒體膜去極化和ROS的產(chǎn)生增加有關(guān)，線粒體產(chǎn)生ROS水平升高與主要的線粒體膜蛋白表達(dá)降低有關(guān)，并且可能通過降低線粒體膜電位水平和脂質(zhì)過氧化作用調(diào)節(jié)精子活力[26]。線粒體內(nèi)膜中打開鈣依賴性孔，鈣超載引起的線粒體通透性轉(zhuǎn)變尤其會(huì)導(dǎo)致體細(xì)胞中ROS產(chǎn)生增加和線粒體膜電位耗散，ROS產(chǎn)生增加與DNA片段化有關(guān)[27]。由于脂質(zhì)過氧化作用而產(chǎn)生的親電子醛(例如4-羥基壬烯醛和丙烯醛)靶向人類精子的線粒體，并以劑量和時(shí)間依賴性方式刺激線粒體超氧化物的產(chǎn)生。研究表明4-羥基壬烯醛激活線粒體電子泄漏涉及琥珀酸脫氫酶活性的破壞和固有凋亡級(jí)聯(lián)的后續(xù)活化，首先是線粒體膜電位的喪失并終止于氧化DNA加合物的形成，DNA鏈斷裂和細(xì)胞死亡[28]。父體的線粒體DNA通常不會(huì)傳遞給胚胎，父體線粒體DNA在合子內(nèi)降解，配子進(jìn)入卵母細(xì)胞，所以精子線粒體損傷會(huì)導(dǎo)致弱精癥和男性不育。

4 ROS對(duì)精子軸突的影響

有實(shí)驗(yàn)使用過氧化氫或黃嘌呤和黃嘌呤氧化酶組合治療Percoll分離的精子時(shí)，精子鞭毛搏動(dòng)頻率會(huì)逐漸下降，直到完全停滯，從而證實(shí)精子軸突受到ROS的影響，并且存在有限的內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制來逆轉(zhuǎn)這些損傷[29]。精子活動(dòng)力受到損傷可影響精子質(zhì)量而導(dǎo)致男性不育。

5 ROS對(duì)精子質(zhì)膜的影響

脂質(zhì)膜由大量的多不飽和脂肪酸組成[30]，二十二碳六烯酸是人類精子質(zhì)膜中主要的多不飽和脂肪酸。自由基可將其雙鍵氧化形成的共軛二烯自由基，迅速與氧氣反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧自由基，該自由基從其他脂質(zhì)分子中提取氫原子形成脂質(zhì)氫過氧化物。金屬(鐵鹽和銅鹽)或其絡(luò)合物會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)氫過氧化物生成烷氧基和過氧基自由基，然后這些自由基會(huì)繼續(xù)在膜內(nèi)進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并在整個(gè)細(xì)胞內(nèi)傳播損傷，脂質(zhì)過氧化物分解的副產(chǎn)物之一是丙二醛。ROS誘導(dǎo)的精子膜過氧化會(huì)降低其流動(dòng)性，從而降低其尾部運(yùn)動(dòng)，降低精子運(yùn)動(dòng)能力及與卵母細(xì)胞融合的能力，導(dǎo)致較少的精子到達(dá)卵子進(jìn)行受精。

6 結(jié)語

ROS目前被認(rèn)為是男性不育的主要原因之一。精子的生理功能需要低水平的ROS，其水平的升高會(huì)干擾精子的功能，從而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、核DNA損傷和線粒體損傷等，導(dǎo)致男性不育。因此，早期診斷不育癥是有必要的，以防止患者因長期氧化應(yīng)激造成不可逆轉(zhuǎn)的損失。精子形態(tài)學(xué)和精子超微結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制，從病因?qū)W的角度解釋男性不育癥，為臨床治療提供了參考價(jià)值。