精子與孕酮的非基因組效應(yīng)研究進(jìn)展

江 峰 綜述 孫曉溪 審校

上海集愛遺傳與不育診療中心（上海 200011）

女性體內(nèi)的類固醇激素孕激素是由卵巢和胎盤產(chǎn)生的，這種激素能通過孕酮受體來(lái)支持受孕和胚胎形成。而另一種孕酮，由卵子周圍的顆粒細(xì)胞和泡膜內(nèi)層細(xì)胞釋放的孕酮也在輸卵管內(nèi)刺激精子細(xì)胞，增強(qiáng)它們使卵子受精的能力。孕酮在雌性生殖道內(nèi)的分布呈現(xiàn)濃度梯度，當(dāng)精子進(jìn)入雌性生殖道以后，低濃度的孕酮快速誘導(dǎo)精子內(nèi)Ca2+離子含量增加，誘導(dǎo)精子獲能。孕酮濃度增加從0.1到1μmol/L 濃度，能提高精子的前向運(yùn)動(dòng)和超活化運(yùn)動(dòng)。在趨化性的引導(dǎo)下精子到達(dá)輸卵管壺腹部與卵細(xì)胞相遇，5μmol/L 濃度的孕酮能夠激活精子頂體反應(yīng)，使得精子順利穿過透明帶和卵細(xì)胞膜最終完成受精作用[1]，以往孕酮這種作用的機(jī)制一直不清楚。而探討孕酮該效應(yīng)一直是生殖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

孕酮是調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物成熟精子功能最重要的生理激素，能瞬間增加精子胞內(nèi)Ca2+離子和cAMP含量，激活精子獲能、超活化、趨化性和頂體反應(yīng)等生理功能，由于成熟精子基因轉(zhuǎn)錄沉默，孕酮的生理效應(yīng)主要通過相關(guān)性膜受體介導(dǎo)的非基因組效應(yīng)（通過激活細(xì)胞膜孕酮膜受體在短時(shí)間內(nèi)調(diào)控下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不改變核基因的表達(dá)）[2]完成。

一、陽(yáng)離子通道蛋白（CatSper）

精子中表達(dá)6個(gè)跨膜螺旋重復(fù)單位的離子通道樣蛋白被命名為精子陽(yáng)離子通道蛋白。目前共有4個(gè)成員，即CatSper 1-4，是精子特異的電壓門控型Ca2+離子通道，定位于精子尾部主段的質(zhì)膜上[3]。目前發(fā)現(xiàn)CatSper1或CatSper2基因突變會(huì)導(dǎo)致男性遺傳性不育癥[4]。

2011年兩個(gè)獨(dú)立研究小組報(bào)告[5,6]，孕酮能夠強(qiáng)力激發(fā)精子鞭毛上的主要Ca2+離子通道。數(shù)據(jù)表明，CatSper通道或由一個(gè)直接相關(guān)的膜蛋白起著一種新型孕酮受體的作用，該受體能調(diào)控孕酮在精子質(zhì)膜層面上快速的、非基因組性質(zhì)的效應(yīng)。這些結(jié)果應(yīng)能幫助確定孕酮和CatSper在精子中的生理作用，并且還可能導(dǎo)致新型非激素類避孕藥的研發(fā)。

主流觀點(diǎn)認(rèn)為孕酮對(duì)精子功能的調(diào)節(jié)效應(yīng)與精子特異性Ca2+通道CatSper密切相關(guān)。具體而言，CatSper收到孕酮信號(hào)后與孕酮結(jié)合，通道打開，這樣Ca2+離子就可以進(jìn)入精子內(nèi)，從而引發(fā)鞭毛擺動(dòng)加快。孕酮是從卵細(xì)胞周圍釋放出來(lái)的，因此隨著孕酮的釋放，這種信號(hào)就形成一個(gè)濃度梯度，精子通過CatSper接受信號(hào)，越靠近卵子，孕酮水平越高，精子游動(dòng)越快，最后到達(dá)卵細(xì)胞，與卵細(xì)胞融合，這種濃度梯度為精子的準(zhǔn)確定位提供了可靠信息。并且，由CatSper通道介導(dǎo)的鞭毛Ca2+離子內(nèi)流甚至導(dǎo)致精子頭部Ca2+離子水平升高（可能是由于位于精子頸部細(xì)胞內(nèi)池的依賴性Ca2+釋放），由此而促成Ca2+離子依賴性頂體反應(yīng)[7]。因此由孕酮激活的CatSper通道可引起所有3種Ca2+離子依賴反應(yīng)，即超活化、趨化作用及頂體反應(yīng)[8]。

二、孕酮膜受體ABHD2

然而以往精子中孕酮膜受體和孕酮對(duì)精子的具體作用機(jī)制仍不明確，2016年加州大學(xué)伯克利分校研究人員發(fā)現(xiàn)了孕酮膜受體（abhydrolase domain containing protein 2, ABHD2）蛋白功效，認(rèn)為ABHD2（mSH超家族成員）是孕酮的膜受體，是精子中孕酮的非基因組效應(yīng)的核心功能蛋白[9]。該受體在精子中含量很高，也存在于許多其他組織中，并且可能是孕酮對(duì)神經(jīng)細(xì)胞、平滑肌和肺組織等作用的控制開關(guān)。ABHD2的作用機(jī)制是與孕酮結(jié)合，激活A(yù)BHD2的三酰甘油脂肪酶活性，分解CatSper的抑制劑1AG/2AG，使CatSper處于活化狀態(tài)，Ca2+離子內(nèi)流，激活下游信號(hào)而起作用[10]。

三、影響通道的因素和意義

由于精子陽(yáng)離子通道CatSper對(duì)精子的超活化及生育能力至關(guān)重要，孕酮是通過ABHD2激活人類精子的CatSper，但ABHD2受體孕酮的特異性作用尚未完全明確。2017年同樣在加州大學(xué)伯克利分校研究人類精子在男性和女性生殖道中暴露的其他類固醇激素是否通過調(diào)節(jié)ABHD2影響CatSper激活[11]，發(fā)現(xiàn)睪酮、雌激素和皮質(zhì)醇（又稱氫化可的松）不能直接激活CatSper，但它們可以減少或阻止孕酮對(duì)CatSper的活化。分析其原因可能是睪酮以比孕酮更高的親和力與ABHD2結(jié)合，從而阻止CatSper活化[5]，并且直至它在女性生殖道中被去除。

另外，精子在女性子宮和輸卵管中遇到富含雌激素（E2）的環(huán)境，E2不會(huì)改變CatSper電流，但也不允許孕酮通道完全激活，以防止鈣離子流入過早并因此導(dǎo)致精子活化，起著不太有效的孕酮拮抗劑作用。排卵后，E2水平降低，孕酮濃度增高[12]且卵母細(xì)胞周圍的卵丘細(xì)胞也分泌孕酮，使得精子隨孕酮濃度梯度變化而游向卵細(xì)胞，孕酮有可能超過E2，導(dǎo)致CatSper活化，孕酮也是E2的天然拮抗劑[13]。

眾所周知壓力和皮質(zhì)醇（氫化可的松）會(huì)通過抑制精子生成和減少精子濃度和精子活力，導(dǎo)致男性生育能力降低[14,15]。同樣也會(huì)影響女性的生育能力。在體外受精的女性中，尿皮質(zhì)醇水平會(huì)從230 nmol增加到500 nmol[16]。氫化可的松阻斷孕酮CatSper激活濃度為153nmol以上。因此女性生殖道中的應(yīng)激激素水平升高可能不僅損害卵子早期階段，而且精子獲得其受精潛能的晚期階段也會(huì)受損，造成不育[11]。

綜上所述，睪酮、 雌激素和皮質(zhì)醇這3種類固醇激素都會(huì)與孕酮競(jìng)爭(zhēng)，阻止精子尾部誘發(fā)鞭狀運(yùn)動(dòng)，雖都不能單獨(dú)激活CatSper，但比孕酮有更高的與ABHD2結(jié)合的能力，從而阻止CatSper活化。其中只有睪酮激素和皮質(zhì)醇激素在機(jī)體正常水平下能夠發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)作用。這表明女性壓力過大、睪酮等水平高會(huì)在一定程度上阻止精子進(jìn)入卵細(xì)胞，從而降低她們的受孕概率。

在人類除了孕酮外，另一種類固醇激素硫化孕烯醇酮（PregS），其結(jié)構(gòu)上與孕酮類似，也以類似于孕酮的方式激活精子鈣離子通道CatSper，通過ABHD2機(jī)制來(lái)激活CatSper與孕酮所示的通道激活機(jī)制相同[9]。這兩種物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)ABHD2結(jié)合位點(diǎn)，但需要進(jìn)一步研究以揭示PregS和孕酮是否協(xié)同或獨(dú)立地活化CatSper。另外通過計(jì)算機(jī)精子輔助分析系統(tǒng)（CASA）顯示，盡管孕酮增加了精子超活化能力，但PregS卻沒有，這可能是由于PregS是帶電荷的分子，不能通過質(zhì)膜[17]。而考慮孕酮可能激活額外的細(xì)胞內(nèi)途徑，即精子質(zhì)膜需要去極化，并通過孕酮介導(dǎo)的抑制鉀離子通道KSper來(lái)實(shí)現(xiàn)[18]，該通道產(chǎn)生完全依靠CatSper激活所需的膜去極化。孕酮可以從細(xì)胞內(nèi)側(cè)抑制KSper，但PregS則不能穿過質(zhì)膜，說明孕酮能夠引起更顯著的超活化和生理意義。

以往精卵相互作用的研究偏少，男女避孕的方法更是各自分開研發(fā)，通過上述研究則可能存在實(shí)現(xiàn)男女共同避孕的目標(biāo)和項(xiàng)目。Lishko等[19]發(fā)現(xiàn)有兩種存在于雷公藤、蘆薈等植物中的天然化合物扁塑藤素（pristimerin）[20]和羽扇豆醇（lupeol）[21]能夠在低劑量的濃度下有效阻止受精作用，且對(duì)精子、卵子不會(huì)造成負(fù)面影響。

這兩種化合物具有類似于類固醇的功能：干擾孕酮激素與ABHD2蛋白結(jié)合，封鎖CatSper通道，可以阻止精子的活躍運(yùn)動(dòng)，使其重回原非活躍狀態(tài)。但這種機(jī)制并不會(huì)影響精子本身的生存能力，且對(duì)精子細(xì)胞無(wú)毒副作用，精子依然可以游動(dòng)，只是沒有足夠的動(dòng)力促使它們進(jìn)入卵細(xì)胞而已[19,22]。中醫(yī)藥學(xué)中曾有將雷公藤葉子作為避孕藥材的記載，但是這種天然植物有很大的毒性。羽扇豆醇存在于芒果、蘆薈以及蒲公英的根中，以往科學(xué)家們多對(duì)它的抗癌效應(yīng)感興趣，但是它同樣具備避孕功效。Lishko等[19]認(rèn)為這兩種來(lái)源于植物的化合物可以在非常低的劑量下實(shí)現(xiàn)避孕，比常用避孕藥劑量低10倍，且它們是屬植物性、無(wú)毒、無(wú)激素的化合物。若精子一旦進(jìn)入女性生殖系統(tǒng)，需要5～6h發(fā)育成熟。這一段時(shí)間足以使該極低劑量藥物進(jìn)入系統(tǒng)，阻止受精過程而達(dá)到避孕效果，這樣的話，這兩種化合物勢(shì)必成為更好的避孕選擇，稱它們?yōu)椤胺肿影踩住薄?目前，Lishko等[19]正以靈長(zhǎng)類動(dòng)物為模型，驗(yàn)證這兩種化合物阻止體外受精的效果。與此同時(shí)，考慮到從野生植物中提取化合物的性價(jià)比太低，他們?cè)噲D篩選出廉價(jià)的三萜類化合物。

還有特別值得考慮ABHD2作為孕酮膜受體的核心蛋白，需要更進(jìn)一步了解在臨床不育男性與正常生育男性之間的表達(dá)及分布情況，以及不同類型不育中ABHD2基因是否存在突變。且不同個(gè)體精子對(duì)孕酮的反應(yīng)可能不一致，是否可能是由于ABHD2這種表達(dá)差異，進(jìn)而成為評(píng)估精子活性和功能的新指標(biāo)，為某些男性不育機(jī)制研究開拓新思路。另外通過對(duì)ABHD2上下游信號(hào)通路研究，孕酮是否通過ABHD2調(diào)控cAMP-PKA信號(hào)通路進(jìn)而影響精子的功能活性，對(duì)闡明受精等作用具有臨床意義。