錳的雄性生殖毒理效應及其機制研究進展*

褚　慧 綜述，王乾興 審校（遵義醫(yī)學院細胞生物學教研室，貴州遵義563000）

·綜述·

錳的雄性生殖毒理效應及其機制研究進展*

褚慧 綜述，王乾興 審校
（遵義醫(yī)學院細胞生物學教研室，貴州遵義563000）

錳中毒；精子；精細胞；睪丸；細胞凋亡；綜述

錳作為一種古老的職業(yè)危害因素和環(huán)境污染物，其來源多樣，用途廣泛。與錳相關的行業(yè)，如采礦、精煉、干電池生產(chǎn)、焊接等領域均可增加人類的錳暴露水平。近年來，無鉛汽油及殺真菌劑的廣泛使用更加大了空氣、土壤和食物的錳污染的程度。機體長期低劑量的錳暴露會引起職業(yè)性慢性錳中毒［1］。近年來的人群調(diào)查顯示，錳可對接觸錳男工的生殖功能造成很大的影響，嚴重降低其的生殖能力，接觸錳的男工其妻子自然流產(chǎn)率和死胎率可隨著其丈夫接觸錳時間的增長而升高［2］。部分男工在接錳后可出現(xiàn)陽瘺、早泄、性欲改變、生精困難等癥狀［3］。另有報道發(fā)現(xiàn)，錳對職業(yè)暴露男工精子有直接損傷作用，高濃度接錳（0.94 mg/m3）男工的子女出生數(shù)量明顯減少，而低濃度接錳（0.14 mg/m3）的男工精子數(shù)量、精子活力、精液濃度和活動精子百分比明顯降低［4］。因此，錳對人體生殖系統(tǒng)的影響和危害已成為人們關注的熱點?，F(xiàn)將錳的雄性生殖毒性研究綜述如下。

1　錳對睪丸的影響

1.1對睪丸的形態(tài)學影響錳對睪丸損傷的形態(tài)學影響主要體現(xiàn)在對精子發(fā)生、曲細精管上皮結(jié)構及間質(zhì)細胞的影響，表現(xiàn)為精原細胞核固縮，精子細胞、次級精母細胞發(fā)育障礙，細胞膜皺縮，核固縮或出現(xiàn)空泡，間質(zhì)細胞出現(xiàn)核固縮，少數(shù)支持細胞脫落。

1.2睪丸組織生化的改變錳作用于機體后可引起睪丸組織生化改變，這些變化注要體現(xiàn)在曲細精管的酶系統(tǒng)和睪丸的氧化應激狀態(tài)，即可引起睪丸內(nèi)抗氧化酶活性的降低，細胞內(nèi)活性氧（ROS）的氧化應激狀態(tài)增加［5］。有報道稱，錳暴露可明顯降低雞睪丸細胞內(nèi)過氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的活性，抑制羥自由基（·OH）的活性，引起睪丸組織病理改變，最終使細胞凋亡增加［6］。

2　錳對生精細胞的影響

錳對生精細胞的影響主要表現(xiàn)在對動物生精上皮細胞數(shù)、精子數(shù)量、畸形率和活動度等產(chǎn)生嚴重的影響［7］。郭海等［8］通過對健康SD大鼠腹腔注射氯化錳（每天1次，每周 5 d，共計 4周）的研究發(fā)現(xiàn)，染錳 15 mg/kg組與30 mg/kg組28 d時小鼠精子畸形率均升高，而染錳56 d時升高更顯著，提示染錳15 mg/kg 28 d已經(jīng)造成小鼠睪丸生精功能的明顯損害。此外，張先平等［9］研究發(fā)現(xiàn)，大鼠腹腔注射15、30 mg/kg氯化錳溶液可導致大鼠生精細胞凋亡指數(shù)（apoptosis index，AI）增加、生精細胞增殖指數(shù)（proliferating index，PI）降低。錳還可誘導大鼠生精細胞細胞色素C（cyto-C）和支持細胞波形蛋白（vimentin，VM）的表達，抑制生精細胞增殖，從而產(chǎn)生生殖毒性效應［10］。

3　錳對性腺激素的影響

錳能引起多巴胺（DA）和5-羥色胺（5-HT）含量減少［11］，降低DA和5-HT對促卵泡生成激素（FSH）、促黃體生成素（LH）的抑制作用，引起FSH和LH濃度升高，下丘腦受循環(huán)中性激素水平的負反饋作用，致使血中睪酮濃度降低、LH和FSH濃度升高，從而導致睪酮分泌減少。有研究發(fā)現(xiàn)，長期低劑量的錳暴露可導致接錳工人的血清中的泌乳素（PRL）、促甲狀腺激素（TSH）、促黃體激素（LH）水平下降，并在一定程度上影響神經(jīng)內(nèi)分泌激素的代謝［9］。

4　錳對睪丸酶系統(tǒng)的影響

錳可抑制機體多種酶的活性，尤其抑制含鋅酶、含巰基酶和能量代謝酶的活性，干擾曲細精管細胞的能量合成，使曲細精管葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的活性降低，曲細精管生精細胞變性壞死，從而影響雄性生殖能力。錳通過抑制乳酸脫氫酶同工酶LDHx，阻礙精子能量來源，干擾粗線期初級精母細胞的減數(shù)分裂，進而影響精子的數(shù)量和活動力［12］。適量的錳可在生物體內(nèi)對抗氧自由基，激活細胞色素氧化酶P450（CYP450）的活性，進而引起細胞死亡［13］。

5　錳與線粒體凋亡途徑

線粒體是細胞內(nèi)主要的ATP生產(chǎn)場所，具有高度動態(tài)的網(wǎng)狀結(jié)構，可通過持續(xù)的融合、分裂來維持平衡，可介導細胞凋亡［14］，在人的衰老細胞、癌癥細胞凋亡及信號轉(zhuǎn)導過程中起著非常重要的作用。大量的研究表明，錳對線粒體有特殊的親和力［15］。錳作用后，細胞可通過線粒體發(fā)生凋亡，表現(xiàn)出細胞凋亡的各種形態(tài)特征，即胞質(zhì)濃縮、DNA大規(guī)模片段化、細胞膜內(nèi)陷形成凋亡小體。

5.1線粒體膜通透性的改變線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）位于線粒體內(nèi)外膜之間，由多個蛋白質(zhì)組成，在線粒體內(nèi)外信息交流中占據(jù)重要地位。MPTP的開放可引起線粒體跨膜電位的消失、基質(zhì)的Ca2+外流，超氧離子產(chǎn)生caspase家族激活因子，將caspase激活，caspase激活后又可增加膜的通透性。MPTP的開放是一個自我放大的過程，其可以加速細胞的凋亡，而且可以協(xié)調(diào)某些凋亡反應［16］。

5.2錳與cyto-C正常情況下，cyto-C是一個定位于線粒體定位序列（IMS）的水溶性蛋白質(zhì)，可穩(wěn)定地結(jié)合于線粒體內(nèi)膜，但不能通過外膜。cyto-C的釋放是細胞凋亡的關鍵步驟，其可在脫氧腺苷三磷酸（deoxyadenosinetriphosphate，dATP）存在的情況下，與凋亡蛋白酶活化因子-1（apoptosis protease activating factor 1，Apaf-1）結(jié)合，并形成多聚體，促使caspase前體蛋白（pro-caspase）與其結(jié)合為凋亡小體，其中主要是與caspase-9前體蛋白（pro-caspase-9）結(jié)合，從而激活caspase-9，被激活的caspase-9又能夠激活其他caspase，如caspase-3等，進而導致細胞發(fā)生凋亡［17］。畢明玉等［18］發(fā)現(xiàn)，隨著染錳濃度的增加，雞支持-生精細胞細胞質(zhì)內(nèi)cyto-C表達量逐漸增加，caspase-3和caspase-9活力也顯著增高，說明錳可能通過提高線粒體膜通透性，使cyto-C釋放入細胞質(zhì)，從而激活caspase-3介導的雞支持-生精細胞發(fā)生凋亡。Kilia等［19］報道發(fā)現(xiàn)，錳可破壞線粒體功能，釋放cyto-C，介導細胞凋亡，引起錳對雞生殖毒性作用。

5.3錳與線粒體融合、分裂蛋白線粒體融合、分裂的平衡對線粒體形態(tài)和功能的保持有著非常重要的作用，而這種平衡的打破總是伴隨著線粒體的功能障礙［16］。有研究表明，錳對線粒體有特殊的親和力［20］，線粒體融合增多可導致線粒體狹長、網(wǎng)絡狀，有利于線粒體膜電位的快速傳遞和物質(zhì)的交換［21］，對細胞起到一定的保護作用。相反，線粒體融合蛋白OPA1的突變可導致線粒體的膨脹和拉伸，局部異常收縮，線粒體嵴急劇解體、膜電位耗散、線粒體脆片化，促cyto-C的釋放，從而引起細胞凋亡［22］。線粒體分裂增多可導致其片段化，膜電位的下降，呼吸功能的減退，ATP生成減少，最終引起細胞凋亡［23］。動力相關蛋白1（DRP1）的功能喪失可導致線粒體分裂失敗，細胞質(zhì)移動不完全，這些改變最終導致子代細胞線粒體結(jié)構的異常［24］?；蚯贸鼶RP1則會導致線粒體長度的拉伸，線粒體片段化被阻止，延誤細胞的死亡過程［25］。

因此，線粒體在錳誘導的細胞凋亡的調(diào)控中起著十分重要的作用。促凋亡因子作用于線粒體后，引起MPTP過度開放，線粒體的融合、分裂平衡被打破，從而導致線粒體片段化、ATP生成減少、跨膜電位降低，cyto-C、凋亡誘導因子（AIF）、B淋巴細胞瘤-2基因（Bcl-2）家族及膜間隙中的pro-caspase等從線粒體釋放到膜間隙中，與此同時Bcl-2相關X蛋白（Bax）活化并插入到線粒體外膜中，Cyto-C激活caspase，促凋亡蛋白釋放，細胞進入凋亡程序。

6　小結(jié)與展望

錳在動物體內(nèi)含量雖微乎其微，但與動物的生命活動息息相關。長期低劑量的錳暴露可導致雄性精子數(shù)量、密度、質(zhì)量及活性降低，啟動線粒體凋亡途徑，影響生殖功能。因此，研究錳對人類生殖健康的負面效應及其相關機制具有時間緊迫性，需要進行進一步更深入的研究。

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（2015-12-30）