精子形成相關(guān)基因及蛋白功能研究進(jìn)展*

周庭友 綜述,李彥鋒 審校

(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所泌尿外科，重慶 400042)

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精子形成相關(guān)基因及蛋白功能研究進(jìn)展*

周庭友 綜述,李彥鋒△審校

(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所泌尿外科，重慶 400042)

精子形成；基因；蛋白

近年來，隨著環(huán)境污染、遺傳、生活習(xí)慣改變等各種因素的影響下，男性不育發(fā)病率不斷上升，而且精子數(shù)和精子各項(xiàng)參數(shù)都呈明顯下降趨勢(shì)[1-2]。在男性不育的各種原因中，遺傳因素是一種重要機(jī)制，全世界約15%的男性不育是由基因突變引起的[3]。哺乳動(dòng)物精子發(fā)生是一個(gè)特殊和復(fù)雜的細(xì)胞分化過程，是數(shù)以成千上萬的基因共同調(diào)控的結(jié)果，與精子發(fā)生成熟相關(guān)的基因出現(xiàn)突變、缺失或表達(dá)異常都可能會(huì)導(dǎo)致男性不育。精子形成是精子發(fā)生成熟過程中的最后一步，睪丸特異性基因適時(shí)有序表達(dá)，精子鞭毛骨架結(jié)構(gòu)和相關(guān)蛋白的有序轉(zhuǎn)運(yùn)和整合，并驅(qū)動(dòng)精子細(xì)胞內(nèi)各細(xì)胞器的協(xié)調(diào)合成裝配，是保證精子發(fā)揮正常功能最根本的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。目前,研究對(duì)精子發(fā)生前期的相關(guān)基因及蛋白研究較多，對(duì)后期精子形成相關(guān)基因及蛋白知之甚少，且未得到深入研究，對(duì)其功能也缺乏了解；為此，本文就國(guó)內(nèi)外報(bào)道關(guān)于精子形成中發(fā)揮重要作用的部分基因及蛋白作一綜述。

1 精子的形成過程

哺乳動(dòng)物精子發(fā)生是在動(dòng)物睪丸生精小管內(nèi)發(fā)生的高度復(fù)雜的細(xì)胞分裂和分化過程，其生精細(xì)胞經(jīng)歷有絲分裂、減數(shù)分裂和精子形成3個(gè)階段，每個(gè)階段都受到無數(shù)個(gè)相關(guān)基因及蛋白的調(diào)控。研究者們大多關(guān)注精子發(fā)生的機(jī)制，而對(duì)精子形成這最后一步研究較少。

精子形成又稱為精子變態(tài)過程，由減數(shù)分裂后期形成的圓形精子細(xì)胞經(jīng)過一系列復(fù)雜的形態(tài)變化，發(fā)育為具有頭、頸、尾結(jié)構(gòu)的蝌蚪狀精子的過程。在精子變態(tài)過程中，圓形精子形態(tài)學(xué)發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，主要經(jīng)歷：(1)精子頭部的形成，包括核蛋白的轉(zhuǎn)型，染色體的濃縮包裝及精子領(lǐng)的形成；(2)頂體的生成；(3)精子尾部的形成，包括鞭毛、軸絲的發(fā)生和尾部的成形分化；(4)胞質(zhì)清除殘余胞質(zhì)及細(xì)胞器重新分布等。精子變態(tài)過程是雄性單倍體生殖細(xì)胞所獨(dú)有的過程，變態(tài)過程若出現(xiàn)異常均會(huì)導(dǎo)致畸形精子的產(chǎn)生，如圓頭精子癥等，導(dǎo)致男性不育。現(xiàn)有研究表明在精子形成過程中約有一半睪丸特異性基因表達(dá)，意味著這些基因隨后在精子的結(jié)構(gòu)或功能方面發(fā)揮作用[5]。隨著基因敲除、分子生物技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了許多精子形成相關(guān)的基因及蛋白，在精子形成過程中具有重要作用。

2 精子形成相關(guān)基因及蛋白研究

2.1 精子頭部形成相關(guān)基因及蛋白 精子變形早期，精子頭部的形成伴隨著細(xì)胞核的聚縮，圓形精子細(xì)胞DNA高度聚縮并被緊密包裹起來，精子頭部的體積縮減至正常體細(xì)胞細(xì)胞核的5%。精子細(xì)胞核聚縮時(shí)，核蛋白不斷發(fā)生磷酸化與去磷酸化等修飾。過渡蛋白首先替代富含組氨酸的組蛋白，然后富含精氨酸的魚精蛋白(protamine，PRM)又替代過渡蛋白。蛋白轉(zhuǎn)換過程使精子染色質(zhì)密度增高和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，誘導(dǎo)后續(xù)的精子頂體延長(zhǎng)與變形，形成頂體，同時(shí)極大地提高了精子受精能力。Rousseaux等[6]認(rèn)為精子減數(shù)分裂后形成新的精子DNA致密結(jié)構(gòu)，必須首先經(jīng)過蛋白濃縮并轉(zhuǎn)換，形成高度乙?；慕M蛋白。如果沒有高度乙酰化的組蛋白，則精子細(xì)胞變形過程受阻。Gaucher等[7]報(bào)道在體外實(shí)驗(yàn)中小鼠精子細(xì)胞的變形過程明顯可被組蛋白乙?；敢种苿┳柚?，證明了高度乙?；M蛋白在精子形成過程中具有重要作用。近期研究發(fā)現(xiàn)Brdt蛋白可激活精子細(xì)胞中相關(guān)的必需基因以啟動(dòng)組蛋白乙酰化，從而引導(dǎo)精子基因組編碼過程。過渡蛋白2、在精子的形成過程中，伴隨著染色質(zhì)的濃縮和頂體囊泡的形態(tài)學(xué)變化，表達(dá)于整個(gè)精子的發(fā)生過程，Tnp2的突變或缺失表達(dá)可能是導(dǎo)致精子畸形的一個(gè)重要因素。De Mateo等[8]研究還發(fā)現(xiàn)人和小鼠精子中均有PRM1和PRM2兩種魚精蛋白，在細(xì)胞核的聚縮過程中起調(diào)控作用，敲除兩者中任何一種基因都會(huì)導(dǎo)致雄性不育，同時(shí)還證明了人類PRM1和PRM2的比率與男性不育癥有關(guān)。TATA盒結(jié)合蛋白/TBP相關(guān)因子71(Taf71)與TBP相關(guān)因子2(Trf2)共同促進(jìn)組織特異性基因的轉(zhuǎn)錄；敲除Taf71基因的小鼠精子細(xì)胞停滯在圓形細(xì)胞階段；而敲除Trf2，小鼠精子的精原細(xì)胞和精母細(xì)胞發(fā)育雖然正常，但是在變形晚期圓形精子細(xì)胞發(fā)育中斷且嚴(yán)重凋亡。Rfx2是Regulatory Factor X(Rfx)家族成員，在成熟睪丸和圓形精子階段高表達(dá)，是減數(shù)分裂階段調(diào)控其他基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。敲除Rfx2基因后，精子不能完成減數(shù)分裂，而停留在多核圓形細(xì)胞階段，不能產(chǎn)生成熟精子導(dǎo)致雄性完全不育。Iqcg是重要的鈣離子信號(hào)調(diào)控因子，通過調(diào)控鈣調(diào)蛋白來影響鈣離子信號(hào)通路。Iqcg缺失會(huì)影響肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架形成,從而引起精子頭部缺陷和精子成熟，是精子形成過程中的必須基因。核纖層蛋白A/C(Lamin A/C)是由人類基因LMNA編碼的蛋白質(zhì)，表達(dá)于精原細(xì)胞到圓形精子、成熟精子的不同階段。Lamin A/C在精子頭部和頂體形成中至關(guān)重要。LMNA敲除后導(dǎo)致Lamin A/C的表達(dá)缺失和下降，造成頂體囊泡異常，顯著改變了核延長(zhǎng)和頂體形成，從而導(dǎo)致精子頭部畸形顯著增加。

蛋白磷酸化在精子染色質(zhì)重塑、減數(shù)分裂、精子形成過程中發(fā)揮重要作用，蛋白激酶是絲氨酸和蘇氨酸磷酸化過程中的必須蛋白。有實(shí)驗(yàn)顯示，絲氨酸蘇氨酸激酶融合體[Fu(Stk36)]定位于含微管或含多種微管蛋白的組織，參與頂體-邊緣環(huán)復(fù)合體和精子領(lǐng)的形成，說明該復(fù)合體在精子頭部的形成及控制鞭毛的軸絲旁結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用。酪氨酸蛋白激酶Fer是酪氨酸激酶Fps/Fer亞家族成員之一，包括睪丸型FerT和體細(xì)胞型FerS，F(xiàn)erT出現(xiàn)在精子邊緣環(huán)、前頂體顆粒、頂體膜周圍和高爾基體，并參與形成精子頭部,FerT的突變或缺失可能導(dǎo)致精子頭部形成畸形[9]。keratin9(Krt9)和Azh基因在精子頭部延長(zhǎng)過程中起重要作用，Rivkin等[10]敲除Krt9、Azh基因后導(dǎo)致雄性小鼠精子頸部畸形。敲除Hrb、Zpbp1、Gopc等基因則導(dǎo)致雄性小鼠頂體形成障礙和形成圓頭精子癥而導(dǎo)致雄性不育[11]。

2.2 頂體形成過程中相關(guān)基因及蛋白 頂體是精子中最大，可見的細(xì)胞器，較早出現(xiàn)在精子形成過程中，是膜包裹酸性磷酸酶、透明質(zhì)酸酶、蛋白水解酶、細(xì)胞核等形成的一個(gè)帽狀結(jié)構(gòu)。早期頂體是由高爾基體形成，是精子發(fā)育的表征之一。研究發(fā)現(xiàn)高爾基蛋白亞家族A成員3(GOLGA3)主要分布在粗線期精母細(xì)胞中期至末期，其表達(dá)定位在高爾基體中心部分，該蛋白缺失會(huì)導(dǎo)致精子頂體、頭部和尾部發(fā)育異常。精子發(fā)生相關(guān)因子16(SPATA16)和PICKl蛋白定位于前頂體顆粒以及高爾基體，并被運(yùn)輸?shù)巾旙w參與頂體形成[12]；而Liu等[13]發(fā)現(xiàn)PICK1基因外顯子13的G198序列突變會(huì)導(dǎo)致人類圓頭精子癥的發(fā)生。TATA元件調(diào)控因子/雄激素受體相關(guān)蛋白160(TMF/ARA160)缺失會(huì)使精子發(fā)育滯留在生精小管內(nèi)，導(dǎo)致頂體形成失敗、精子發(fā)育異常[14]。精子變形時(shí)，保守性低聚高爾基復(fù)合體亞基7(Cog7)參與小泡轉(zhuǎn)運(yùn)及糖基化，它的缺失會(huì)損害前頂體顆粒的裝配以及鞭毛軸絲的形成，并導(dǎo)致中心粒從核膜分離，同時(shí)由于高爾基體小泡不能及時(shí)補(bǔ)充到頂體膜上而使精子不能變長(zhǎng)。此外，頂體內(nèi)膜被蓋(IAMC)蛋白包括IAM38、基質(zhì)金屬蛋白酶2(MMP-2)和頂體素(acrosin)，精子頂體膜相關(guān)蛋白1(SPACA1)，核周膜(PT)等都是頂體形成過程中重要的相關(guān)蛋白。

2.3 精子尾部形成相關(guān)基因及蛋白 精子尾部又稱鞭毛，分為頸段、中段、主段和末段，是精子細(xì)胞在減數(shù)分裂后期，精子變態(tài)過程中精子細(xì)胞拉伸、延長(zhǎng)形成的精子特有結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)精子的運(yùn)動(dòng)。主段由纖維鞘包繞骨架結(jié)構(gòu)，約占鞭毛總長(zhǎng)度的3/4，是鞭毛的主體部分，是精子發(fā)揮運(yùn)動(dòng)功能的主要節(jié)段。已有研究發(fā)現(xiàn)，精子完全無運(yùn)動(dòng)或嚴(yán)重弱精癥的患者存在精子纖維鞘發(fā)育不良。近年研究發(fā)現(xiàn)定位于纖維鞘的重要蛋白有20余種，包括AKAP3，AKAP4鈣結(jié)合酪氨酸磷酸化調(diào)節(jié)蛋白(CABYR)、纖維鞘鈣結(jié)合蛋白(FSCB)、Tektins、多種糖酵解酶和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路組分等相關(guān)蛋白，編碼蛋白的基因缺失均可能影響精子尾部的形成，導(dǎo)致不育[15-16]。

A激酶錨定蛋白(AKAPs) 定位于精子頂體和鞭毛中段,能特異性結(jié)合蛋白激酶A(PKA)并催化靶蛋白磷酸化傳遞信號(hào)，與精子活力相關(guān)。AKAP4豐富表達(dá)于發(fā)育階段精子纖維鞘內(nèi)，為多種激酶和蛋白酶提供支架。AKAP4在精子形成的晚期才整合于精子鞭毛纖維鞘內(nèi)，在完成纖維鞘的裝配方面發(fā)揮主要作用。敲除AKAP4基因小鼠的研究證實(shí)：AKPA4-/-純合子雄鼠產(chǎn)生的精子數(shù)量雖然正常，但存在纖維鞘形成缺陷，表現(xiàn)為稀薄的環(huán)狀肋板和縮短的柱狀體，同時(shí)精子由于喪失前向運(yùn)動(dòng)而表現(xiàn)為不育，其原因分析認(rèn)為是由于缺乏AKAP4情況下信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)失敗所致。AKAP3定位于圓形精子細(xì)胞，參與環(huán)形交織物前體的形成，是構(gòu)建纖維鞘的基本結(jié)構(gòu)，而AKAP4則幫助完成其裝配。

FSCB是在精子成熟過程中特異性表達(dá)并最終定位于精子鞭毛纖維鞘上的一種新蛋白，該蛋白在精子形成后期表達(dá)，遷移并定位于精子鞭毛纖維鞘的環(huán)狀肋板和縱形柱狀體表面，與纖維鞘的主要結(jié)構(gòu)蛋白AKAP4的表達(dá)具有極高的相似性[16]。蛋白相互作用研究證實(shí)：FSCB、CABYR等纖維鞘蛋白可通過間接或直接的相互作用結(jié)合并裝配于纖維鞘的支架蛋白AKAPs上，從而形成巨分子蛋白復(fù)合物，共同發(fā)揮纖維鞘的生理功能?；谠摰鞍自诰荧@能過程中，可發(fā)生磷酸化修飾，并具有鈣結(jié)合能力，因此，推斷FSCB蛋白可能是一種參與精子鞭毛運(yùn)動(dòng)，與精子獲能和超活化作用有關(guān)的重要蛋白[16]。

筑絲蛋白(Tektins)家族與精子鞭毛二聯(lián)微管的微管蛋白有關(guān)，可使軸絲微管穩(wěn)定[17]。Tektin1在精子形成過程中參與軸絲的成核作用，缺失可能導(dǎo)致軸絲形成障礙。Tektin2位于鞭毛主段和頂體后區(qū)，敲除Tektin2的小鼠精子鞭毛彎曲頻繁，動(dòng)力蛋白第2、6對(duì)內(nèi)臂中斷，精子活力下降，導(dǎo)致雄性不育。Tektin3只在精母細(xì)胞和精子細(xì)胞中表達(dá)。Tektin4突變的小鼠精子中段線粒體鞘縮小、主段環(huán)形交織物受損、鞭毛外周致密纖維擴(kuò)大、導(dǎo)致ATP消耗增大、精子活力下降。Tektin5位于線粒體鞘，表達(dá)于精子變形晚期階段，起穩(wěn)定鞭毛的作用。

2.4 胞質(zhì)清除殘余胞質(zhì) 在精子形成后期，精子頭部及尾部組分裝配完成后，胞質(zhì)內(nèi)剩余線粒體、脂滴，以及一些內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和其他剩余結(jié)構(gòu)脫離精子，而支持細(xì)胞在雄激素介導(dǎo)下吞噬多余的殘余體。精子細(xì)胞成熟因子1(Spem1)在精子細(xì)胞質(zhì)去除過程中起重要作用，敲除Spem1后的雄性小鼠精子細(xì)胞質(zhì)去除異常、精子頭部彎曲畸形，導(dǎo)致不育。Zheng等[18]研究發(fā)現(xiàn)Spetex-1胞質(zhì)蛋白可能與支持細(xì)胞吞噬有關(guān)，該蛋白在變形期精子細(xì)胞及殘余體中表達(dá)，而精子細(xì)胞相關(guān)蛋白Nurit、T6441等蛋白在變形期精子細(xì)胞中高表達(dá)，表明可能參與蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)和殘余體的代謝。研究顯示，驅(qū)動(dòng)蛋白KIF3A/3B在早期的精子中主要表達(dá)在細(xì)胞核的周圍，中期表達(dá)量很高，并且一直持續(xù)到成熟精子。KIF3A/3B參與了精子一系列的形態(tài)學(xué)改變，并參與了精子形成后期細(xì)胞內(nèi)剩余的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器和其他物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)清除，在后續(xù)的功能維持及鞭毛結(jié)構(gòu)的形成、微管套內(nèi)的運(yùn)輸起著重要的作用。

3 其他相關(guān)基因及蛋白

精子的發(fā)生到成熟是一個(gè)連續(xù)的過程，有許多生殖細(xì)胞特有的基因、轉(zhuǎn)錄因子、激素、激酶/酶與膜蛋白等參與了精子發(fā)生的不同階段，而有些基因或蛋白則在整個(gè)過程中都存在高表達(dá)?；蚯贸芯孔C實(shí)，敲除某些基因的小鼠由于精子功能的喪失導(dǎo)致雄性小鼠不育。目前基因敲除動(dòng)物模型研究證明：Tnp1、2，H1fnt等是精子頭部形成過程中精細(xì)胞核固縮所必須的基因；Gopc、Agfg1、Csnk2a2、Gba2等是精子變性中頂體形成所必須的基因；Tekt2、Tekt4、Vdac3、Sepp1、Akap4、Spag6等是精子尾部鞭毛、纖維形成所必須的基因；Crem、Tbp1、Papolb、Piwil1(miwi)是啟動(dòng)后期精細(xì)胞基因表達(dá)所必須的基因；Spem1是去除胞質(zhì)所必須的基因。編碼一種保守蛋白的Meig1基因，是精子終末分化所必須的基因，缺失小鼠睪丸生精小管內(nèi)雖然有早期的所有細(xì)胞，無成熟的長(zhǎng)精細(xì)胞和精子，從而表現(xiàn)為完全不育[19]。UBE2J1是E2泛素化酶基因，敲除UBE2J1基因造成雄鼠精子頂體形成障礙、細(xì)胞胞質(zhì)清除障礙和精子鞭毛分化缺陷，從而引起雄性小鼠完全不育，表明UBE2J1是精子發(fā)生成熟整個(gè)過程中的必須基因[20]。

研究者在人附睪中發(fā)現(xiàn)了許多在精子成熟中發(fā)揮重要作用的其他基因或蛋白。Zhen等[19]從大鼠附睪中分離出來的Glbl/4基因，是附睪頭部區(qū)域特異表達(dá)的新基因，受雄激素調(diào)控，具有調(diào)節(jié)附睪主細(xì)胞分化及精子成熟的功能。Jaroszynski等[21]敲除睪丸特異性基因Tex18后造成雄性小鼠精子頭部畸形，活動(dòng)力低下，導(dǎo)致生育力降低。Mx基因編碼a-甘露糖苷酶Ⅱx，敲除Mx基因，小鼠因?yàn)槿狈?a-甘露糖苷酶而不能合成碳水化合物N-糖鏈，導(dǎo)致雄性小鼠的生殖細(xì)胞不能與支持細(xì)胞相互作用而過早釋放，形成不成熟或畸形的生殖細(xì)胞[22]。受雄激素調(diào)控的轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白-1(MTA1)特異性表達(dá)于附睪及生殖細(xì)胞中，與附睪的發(fā)育密切相關(guān)，在精子的成熟和受精過程中發(fā)揮潛在重要作用。Takahashi等[22]研究發(fā)現(xiàn)去磷酸化的絲氨酸/精氨酸富集蛋白-1(NSSR-1)在小鼠附睪中表達(dá)并受雄激素的調(diào)控，磷酸化的NSSR-1在精子成熟過程中表達(dá)上調(diào)，表明NSSR-1在精子成熟與受精方面發(fā)揮潛在重要作用。通道形成蛋白Pannexins(Panxs) 受雄激素調(diào)控，主要在附睪中高度表達(dá)，作用于ATP分泌到附睪管腔和基部胞外空間，影響精子的成熟和運(yùn)輸，該蛋白缺失造成精子成熟障礙并滯留于附睪管腔內(nèi)，引起少精、弱精性男性不育。CHD5再塑造核蛋白幾乎只在大腦和睪丸中表達(dá)，是形成正常精子所必須的，尤其是對(duì)精細(xì)胞染色質(zhì)凝結(jié)尤為重要。敲除CHD5小鼠導(dǎo)致生精功能障礙，改變精子發(fā)生的周期，產(chǎn)生不成熟精子和異型精子，在精子變形中影響核內(nèi)組蛋白的轉(zhuǎn)換和染色質(zhì)凝聚，造成精子頭部畸形。Zhuang等[23]研究發(fā)現(xiàn)表達(dá)定位于睪丸和附睪組織的蛋白有317種(包含了人附睪分泌精子結(jié)合蛋白家族)，且成功解析了人類睪丸、附睪蛋白表達(dá)譜和附睪管腔液分泌型蛋白譜，為人們研究男性不育篩選靶標(biāo)，對(duì)男性疾病的診斷、治療及男性避孕疫苗的研究提供了重要理論依據(jù)。

4 展 望

精子發(fā)生到成熟是一個(gè)連續(xù)的過程，機(jī)制復(fù)雜，涉及許多種基因和蛋白的調(diào)控。精子形成相關(guān)基因及蛋白在精子成熟過程中的機(jī)制和作用也引起了不少研究者的重視。由于精子形成過程的特異性基因在鼠和人之間具有高度保守性，因而從基因敲除小鼠所獲得的生物學(xué)信息，可為人類不育的病因?qū)W診斷和治療提供依據(jù)。隨著ZFN技術(shù)、TALEN[transcription activatorD-like(TAL) effector nucleases]、CRISPR/Cas9等靶向基因敲除及RNA干擾技術(shù)的發(fā)展，越來越多的功能基因和蛋白被發(fā)現(xiàn)[24-25]。相信在未來的研究中，應(yīng)用基因敲除等技術(shù)，深入探討精子發(fā)生機(jī)制及形成過程，探索相關(guān)基因及蛋白缺失后精子發(fā)生、形成和精子形態(tài)結(jié)構(gòu)改變等生物學(xué)功能，將為男性不育的病因?qū)W診斷，男性不育的治療以及尋找合適的男性避孕靶點(diǎn)等方面開辟新篇章。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2016.29.043

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81170617)。 作者簡(jiǎn)介：周庭友(1984-)，醫(yī)師，碩士，主要從事男科學(xué)研究?！?/p>

R332；R394.33；R698

A

1671-8348(2016)29-4156-04

2016-02-23

2016-04-11)