肥胖對(duì)精子線粒體損傷的研究進(jìn)展

樊宇琪,方今女*,王舒然,2*

(1.延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.吉林醫(yī)藥學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，吉林 吉林 132013)

世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示，現(xiàn)有19億成年人體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)≥30 kg/m2，肥胖癥的發(fā)病率已逐年上升[1]。肥胖不僅與糖尿病、心血管疾病、高血壓等慢性疾病密切相關(guān)，而且有研究表明，肥胖可導(dǎo)致男性精子活力降低、精子數(shù)目減少[2]?，F(xiàn)階段，不孕不育已逐漸成為社會(huì)中的多發(fā)現(xiàn)象，且精子是男性生殖功能損傷的關(guān)鍵因素。線粒體不僅是機(jī)體的能量代謝中心，也是精子供能的主要來源[3]。本文就國內(nèi)外研究結(jié)果，對(duì)肥胖引起精子線粒體結(jié)構(gòu)以及功能影響作一綜述。

1 肥胖對(duì)精子線粒體結(jié)構(gòu)的影響

線粒體為精子活動(dòng)提供能量支持，其結(jié)構(gòu)的完整性與精子功能密切相關(guān)。肥胖可能通過氧化應(yīng)激導(dǎo)致機(jī)體活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加，從而對(duì)精子線粒體DNA結(jié)構(gòu)以及線粒體的超微結(jié)構(gòu)造成影響。

1.1 精子線粒體DNA結(jié)構(gòu)的損傷

在受精過程中，精細(xì)胞需要為鞭毛運(yùn)動(dòng)提供大量能量，而線粒體作為精子中唯一的細(xì)胞器，它通過氧化磷酸化形式為精子運(yùn)動(dòng)提供支持。mtDNA具有16 569 bp，是由母系遺傳所產(chǎn)生的雙鏈閉合環(huán)狀分子，它編碼13種蛋白質(zhì)，翻譯22種tRNA和2個(gè)rRNAs[4]。

1.1.1精子線粒體DNA完整度

mtDNA為裸露的DNA分子結(jié)構(gòu)且缺乏組蛋白的保護(hù)，肥胖引起機(jī)體ROS的增多可對(duì)mtDNA造成攻擊，導(dǎo)致mtDNA缺失、突變、拷貝數(shù)量的改變[5-6]。KORT等[7]早前通過使用精子染色質(zhì)結(jié)構(gòu)分析法(sperm chromatin structure assay，SCSA)測定精子DNA完整性，結(jié)果顯示BMI與精子DNA完整度之間存在明顯的線性關(guān)系。隨后CHAVARRO等[8]采用橫斷面研究的方法對(duì)483對(duì)不育夫婦中的男性患者進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果證實(shí)了KORT等的結(jié)論，肥胖者mtDNA損傷率顯著高于正常體重的男性患者。

1.1.2精子線粒體DNA突變

精子受精過程中需要大量能量將精子輸送到輸卵管中，當(dāng)線粒體發(fā)生突變時(shí)，線粒體蛋白功能受到影響，導(dǎo)致ATP合成減少，精子活力下降。NI[9]等采用病例對(duì)照研究對(duì)97名弱精子患者和80名肥胖對(duì)照組進(jìn)行分析，通過調(diào)查MT-ND4和MT-TL1兩個(gè)線粒體基因組發(fā)現(xiàn)，線粒體基因突變可對(duì)精子質(zhì)量造成影響。另外，GUNEY等[10]運(yùn)用多重PCR技術(shù)發(fā)現(xiàn)，ROS過多可導(dǎo)致精子線粒體ATPase6基因上的T8821C發(fā)生點(diǎn)突變，使線粒體氨基酸編碼發(fā)生改變，精子活力下降。

1.1.3精子線粒體DNA拷貝數(shù)量

TIAN等[11]通過測定發(fā)現(xiàn)mtDNA是反映線粒體拷貝數(shù)的重要指標(biāo)，和精子活力呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。隨后高建芳等[12]發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果。肥胖導(dǎo)致體內(nèi)ROS異常增多，孫志敏等[13]采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)探究精子mtDNA拷貝數(shù)及完整性比較中發(fā)現(xiàn)，過量的ROS可導(dǎo)致mtDNA拷貝數(shù)增加。

1.2 精子線粒體超微結(jié)構(gòu)的改變

精子線粒體超微結(jié)構(gòu)分析顯示線粒體可呈橢圓形、細(xì)絲狀、圓形等，精子發(fā)生過程中線粒體重新分布，圍繞著軸絲形成螺旋，成熟的精子線粒體規(guī)則的排列在尾部和中段，因此精子ROS的產(chǎn)生在線粒體系統(tǒng)中十分活躍。已有文獻(xiàn)報(bào)道，不育男性與弱精子癥患者的精子尾內(nèi)線粒體分布異常，部分線粒體呈囊性擴(kuò)張[14-15]。目前研究發(fā)現(xiàn)，過量的ROS導(dǎo)致線粒體排列紊亂、缺失，基質(zhì)變淡，嵴形態(tài)數(shù)量發(fā)生改變甚至消失，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[16]。因此肥胖引起機(jī)體ROS的增多可能對(duì)精子線粒體結(jié)構(gòu)造成損傷，從而導(dǎo)致男性不育。

2 肥胖對(duì)精子線粒體功能的影響

肥胖不僅影響精子線粒體結(jié)構(gòu)，也對(duì)線粒體功能造成損傷。關(guān)于評(píng)價(jià)精子線粒體功能的主要指標(biāo)有精子內(nèi)ROS的含量、精子早期凋亡率、線粒體膜電位、線粒體呼吸鏈活性以及鈣離子含量。

2.1 精子ROS的含量

線粒體是ROS產(chǎn)生的主要場所，適量的ROS有助于精子獲能，但過量ROS的產(chǎn)生會(huì)打破精液抗氧化能力的平衡，對(duì)男性生殖造成損傷[17]。FARIELLO等[18]對(duì)305名臨床男性不育患者進(jìn)行橫斷面研究調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肥胖組的精子線粒體活性顯著低于正常組且ROS明顯升高。VENKATESH[19]和白雙勇等[20]測量ROS在男性精液中的含量也得到了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外現(xiàn)有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明肥胖導(dǎo)致的氧化應(yīng)激不僅會(huì)對(duì)男性自身精子ROS水平造成影響，也會(huì)對(duì)其后代造成影響。MITCHELL等[21]發(fā)現(xiàn)雄性肥胖小鼠F1子代精子ROS水平高于普通對(duì)照組F1子代，該數(shù)據(jù)表明肥胖對(duì)精子線粒體ROS的影響也會(huì)通過某種方式對(duì)子代ROS水平造成影響。關(guān)于父系肥胖對(duì)子代精子線粒體ROS是否造成影響還有待國內(nèi)外研究學(xué)者的深入探討。

2.2 精子早期凋亡率

線粒體作為調(diào)節(jié)大多數(shù)凋亡通路的主要信號(hào)，精子可表現(xiàn)為DNA損傷、胱天蛋白酶(caspases)激活、磷脂酰絲氨酸外翻等多種凋亡特征[22-23]。正常情況下，成人精子凋亡后可以將有損傷的生殖細(xì)胞從曲精細(xì)管中清除，以保持精子的遺傳穩(wěn)定[24]。KALIA等[25]研究表明Bcl-2家族蛋白對(duì)生精細(xì)胞凋亡具有重要調(diào)節(jié)作用。隨后陳明明等[26]研究認(rèn)為肥胖導(dǎo)致生精細(xì)胞的凋亡與組織中Bcl-2表達(dá)降低和Bax表達(dá)升高相關(guān)。此外過量的ROS刺激正常細(xì)胞，線粒體也將會(huì)激活凋亡蛋白而加速細(xì)胞的程序性死亡。白雙勇等[27]為進(jìn)一步了解肥胖對(duì)男性生育力的影響，通過流式細(xì)胞儀檢測精子早期凋亡率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)男性BMI增加可導(dǎo)致精子凋亡損傷的危險(xiǎn)因素增加，最終改變肥胖男性不育患者精子早期凋亡率，精卵結(jié)合率降低。關(guān)于肥胖男性對(duì)精子早期凋亡率的機(jī)制損傷還有待進(jìn)一步探討。

2.3 線粒體膜電位

在線粒體呼吸氧化過程中，線粒體通過三羧酸循環(huán)為電子傳遞提供能量，電子經(jīng)呼吸鏈傳遞的同時(shí)，在內(nèi)膜兩側(cè)造成質(zhì)子即其他離子濃度的傳遞，形成線粒體膜電位(mitochondrial membrance potential，MMP)。有研究發(fā)現(xiàn)MMP與精子活力和受精能力密切相關(guān)，因此精子線粒體膜電位常作為測定精子質(zhì)量的重要指標(biāo)[28-31]。白雙勇等[32]為探討肥胖男性不育患者精子MMP的改變，以及膜電位與游離脂肪酸、ROS之間的關(guān)系，通過隨機(jī)整群抽取對(duì)176男性進(jìn)行精液常規(guī)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)肥胖男性不育患者的MMP低于正常對(duì)照組，且超重及肥胖男性不育患者精漿中游離脂肪酸增高，引起ROS增加誘導(dǎo)MMP下降，最終可能導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)能力下降。

2.4 線粒體呼吸鏈酶活性

線粒體呼吸鏈酶Ⅰ～Ⅴ為細(xì)胞生存提供約95%所需能量，呼吸鏈?zhǔn)怯杉?xì)胞色素C、泛醌、跨膜蛋白復(fù)合物(Ⅰ～Ⅳ)組成且存在于線粒體內(nèi)膜上的可傳遞電子的一條鏈[33]。線粒體氧化磷酸化是指電子經(jīng)呼吸鏈從NADH或FADH2到O2，同時(shí)產(chǎn)生線粒體內(nèi)外膜質(zhì)子電勢差而驅(qū)動(dòng)復(fù)合物Ⅴ催化合成ATP的過程。FERRAMOSCA等[34]利用高脂飲食誘導(dǎo)SD大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肥胖大鼠較正常對(duì)照組精子相比較，呼吸鏈復(fù)合物活性受損，ATP合成降低，精子氧化損傷升高。此外FERRAMOSCA等[35-36]也發(fā)現(xiàn)，高脂飲食誘導(dǎo)肥胖導(dǎo)致機(jī)體ROS增多，使線粒體呼吸率及線粒體氧化磷酸化部分基因表達(dá)受損，影響精子線粒體呼吸鏈解偶聯(lián)電子傳遞以及ATP的合成受阻。

2.5 鈣離子含量

Ca2+作為細(xì)胞信號(hào)第二信使，是評(píng)價(jià)精子功能的又一重要指標(biāo)，它不僅參與了精子運(yùn)動(dòng)、精子獲能等過程，其濃度也對(duì)線粒體合成ATP具有重要影響[37-38]。Ca2+主要儲(chǔ)存在線粒體中，精子依靠鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)體攝取Ca2+，從而調(diào)節(jié)精子運(yùn)動(dòng)能力以及超活化、頂體化反應(yīng)[39]。研究表明，鈣調(diào)蛋白在哺乳動(dòng)物精子發(fā)生過程中表達(dá)顯著增強(qiáng)，鈣離子在精子發(fā)生時(shí)期發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[40]。線粒體通過調(diào)整Ca2+濃度以維持鈣離子穩(wěn)態(tài)，另外基質(zhì)內(nèi)Ca2+富集可促進(jìn)能量的產(chǎn)生，導(dǎo)致胞內(nèi)ATP含量增加，促進(jìn)精子運(yùn)動(dòng)[41]。CAMACHO等[42]研究表明，肥胖可誘導(dǎo)線粒體Ca2+超載，造成鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡，對(duì)精子運(yùn)動(dòng)能力造成損傷。

3 結(jié) 語

隨著肥胖癥發(fā)病率在全球范圍內(nèi)的升高，肥胖對(duì)男性生殖的影響也開始成為研究熱點(diǎn)。研究肥胖對(duì)男性精子線粒體的影響具有十分重要的臨床意義和經(jīng)濟(jì)前景，但目前關(guān)于精子線粒體損傷的具體作用機(jī)制尚不完全清楚，因此探究線粒體損傷對(duì)改善男性精子質(zhì)量具有重要的意義。