精液中生殖相關(guān)酶的研究進(jìn)展

宮雅雯 崔 彤 李圓龍 王樹松,,3

1．河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院(石家莊, 050024)；2.河北醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院 ；3.河北省計(jì)劃生育科學(xué)技術(shù)研究院/國(guó)家衛(wèi)健委計(jì)劃生育與優(yōu)生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省生殖醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

精液由精子和精漿組成,其中精漿主要來(lái)自精囊、前列腺、睪丸和附睪以及尿道旁腺的分泌。精子和精漿中含有大量的酶,在男性生殖過(guò)程中起到不同的作用。精液中的酶主要由精子細(xì)胞、前列腺和附睪產(chǎn)生。因此,對(duì)精液中的酶進(jìn)行檢測(cè)可以評(píng)估精液質(zhì)量,反映附屬性腺功能狀況,測(cè)定相關(guān)酶含量對(duì)男性不育癥的診療有著重要的價(jià)值?，F(xiàn)將與男性生殖相關(guān)酶的作用及其臨床價(jià)值給予綜述。

1 抗氧化酶

氧化應(yīng)激(OS)被認(rèn)為是男性不育癥的主要原因之一,OS其特征是由活性氧(ROS)衍生的自由基引起的細(xì)胞損傷增加與抗氧化劑防御間的平衡。ROS通過(guò)單鏈和雙鏈DNA斷裂,交聯(lián)和染色體重排引起破壞。當(dāng)ROS大于抗氧化劑能力時(shí),會(huì)導(dǎo)致潛在的細(xì)胞和DNA損傷。為了獲得最佳的精子功能和受精,必須保持ROS與抗氧化劑的平衡。精液中抗氧化酶主要包括過(guò)氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)和超氧化物歧化酶(SOD)。

SOD 是人體最重要的抗氧化酶,可以清除超氧陰離子并催化超氧化物轉(zhuǎn)化為氧和過(guò)氧化氫,SOD可調(diào)控多種ROS的水平。在支持細(xì)胞、附睪和精漿中均發(fā)現(xiàn)了SOD存在,SOD在精子的發(fā)育和成熟過(guò)程中發(fā)揮作用。精漿SOD能夠起到防止精子樣本中磷脂和與磷脂結(jié)合的脂肪酸過(guò)氧化,保護(hù)精子免于脂質(zhì)過(guò)氧化的傷害的作用[1],SOD還可以減少氧化核酸損傷,SOD1抗氧化劑基因的缺乏會(huì)導(dǎo)致小鼠睪丸修復(fù)DNA損傷的機(jī)制受損。與其他抗氧化劑相比,基于SOD的抗氧化劑能夠更好的改善精子DNA完整性[2]。在對(duì)男性精漿的研究發(fā)現(xiàn),精子密度與錳超氧化物歧化酶(MnSOD)的活性呈正相關(guān),前向運(yùn)動(dòng)與銅鋅超氧化物歧化酶(CuZnSOD)的活性呈強(qiáng)正相關(guān)[3]。不育男性SOD活性明顯低于可育男性,結(jié)果認(rèn)為SOD可以作為評(píng)估精子質(zhì)量和男性不育風(fēng)險(xiǎn)的有益指標(biāo)[4]。

GPX應(yīng)用谷胱甘肽作為電子供體催化過(guò)氧化氫和超氧陰離子。睪丸支持細(xì)胞中存在高濃度的GPX,附睪、輸精管和精囊組織中存在GPX,GPX在附睪頭部表達(dá)和分泌[5]。GPX在ROS的解毒中起著重要的作用,并被發(fā)現(xiàn)是在高水平ROS下首先被激活的酶。精子本身攜帶GPX,這些精子結(jié)合的GPX在精子發(fā)生的過(guò)程中結(jié)合在精子上,附睪中的GPX保護(hù)精子細(xì)胞和附睪組織免受過(guò)氧化損傷[6]。多項(xiàng)臨床研究顯示GPX與男性精液質(zhì)量相關(guān)?；加猩偃蹙影Y精液中發(fā)現(xiàn),GPX活性與形態(tài)正常精子百分率呈正相關(guān)；在精子病理組中,GPX活性均下降,是功能性精子參數(shù)異常的很好指標(biāo)[7]。一項(xiàng)針對(duì)男性氧化應(yīng)激的研究發(fā)現(xiàn),不育男性精漿中GPX活性明顯低于可育男性,精子DNA片段化與脂質(zhì)過(guò)氧化呈正相關(guān),DNA片段化的精子數(shù)量與精漿中GPX呈負(fù)相關(guān)[8]。精漿中GPX可用作男性生育狀態(tài)的生物標(biāo)記。

CAT是在過(guò)氧化物酶體中發(fā)現(xiàn)的一種酶,可將過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)換為水和氧,清除細(xì)胞中代謝產(chǎn)生的H2O2,進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受過(guò)氧化物的毒害。CAT能夠減輕生殖細(xì)胞的氧化應(yīng)激。研究顯示,與野生型小鼠相比,衰老過(guò)表達(dá)CAT的小鼠沒有表現(xiàn)出精子損失和睪丸生殖細(xì)胞的衰老相關(guān)損失,而氧化應(yīng)激是衰老過(guò)程中精子累積損傷的主要因素[9]。研究發(fā)現(xiàn)不育男性和正常精子男性之間精漿中CAT含量存在差異,CAT活性與多項(xiàng)精液參數(shù)(體積,運(yùn)動(dòng)性,濃度和形態(tài))呈正相關(guān)[10]。針對(duì)不育男性精子氧化應(yīng)激的研究顯示,與正常男性相比,不育男性精液的抗氧化酶活性明顯較低[11]。

精漿中抗氧化酶活性對(duì)評(píng)估男性生殖能力很重要。精漿中活性氧水平和抗氧化劑含量之間的失衡會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激,從而導(dǎo)致男性不育。多項(xiàng)臨床研究證明,精漿中抗氧化酶的活性可以用作男性不育評(píng)估的生物標(biāo)志物。

2 功能性酶

2.1 頂體功能酶

頂體反應(yīng)是精子釋放頂體酶,溶蝕放射冠和透明帶的過(guò)程,是精卵結(jié)合的重要過(guò)程。

精子透明質(zhì)酸酶(SPAM1)是糖基磷脂酰肌醇連接的精子膜蛋白,是催化透明質(zhì)酸分解的酶,可以幫助精子穿透到達(dá)透明帶,在睪丸和附睪中都有表達(dá)。在完整頂體的精子中,SPAM1位于整個(gè)頭部的質(zhì)膜和頂體內(nèi)膜(IAM)上,在人的精子頂體反應(yīng)過(guò)程中,在IAM以及從質(zhì)膜和頂體外膜(OAM)融合而來(lái)的雜種囊泡上都觀察到了SPAM1[12]。SPAM1在精子成熟中起重要作用,SPAM1能夠松散地吸附在精子表面修飾精子質(zhì)膜,SPAM1的攝取顯著增加了對(duì)卵丘的滲透,因此攝取SPAM1是精子成熟的標(biāo)志[13]。在男性生殖道中檢測(cè)到SPAM1,生殖道中SPAM1可以在精子停留于生殖道時(shí)轉(zhuǎn)移到精子表面。臨床研究顯示,與生育組相比,精液參數(shù)正常不育組和精液參數(shù)異常不育組的SPAM1活性均顯著下降,提示在常規(guī)精液分析的基礎(chǔ)上檢測(cè)SPAM1活性可以反映精子功能,使原因不明的不育變得有因可查[14]。SPAM1在精子的頂體反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,SPAM1的缺失可能影響精子功能。

頂體酶(Acr)是一種絲氨酸蛋白酶,主要位于頂體基質(zhì)中,前頂體蛋白是無(wú)酶活性的酶原,后被轉(zhuǎn)變?yōu)锳cr,Acr對(duì)于精子-透明帶(ZP)滲透和精子-卵母細(xì)胞識(shí)別與結(jié)合發(fā)揮作用,被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物受精過(guò)程中的關(guān)鍵酶之一。目前已從包括人類在內(nèi)的各種物種的附睪和射精的精子中發(fā)現(xiàn)了前頂體蛋白和Acr,前頂體蛋白的亞細(xì)胞定位是前頂體(AA)的頂端部分和主要部分。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,頂體酶基因被破壞的雄性大鼠的產(chǎn)仔數(shù)減少.體外受精結(jié)果顯示,缺乏Acr精子穿透卵丘層的速度延遲[15]。臨床研究顯示,精子Acr活性與精子密度、活率、前向運(yùn)動(dòng)率和正常形態(tài)率呈正相關(guān),精子Acr活性正常者的人工授精妊娠率顯著高于異常者,精子Acr活性異常是不明原因性不育癥的潛在病因,檢測(cè)精子Acr活性對(duì)這些患者尤為必要[16]。對(duì)不孕夫婦助孕治療方案的回顧分析顯示,不明原因不孕夫婦男方精子Acr活性低時(shí)受精率也較低,因此建議男方精子Acr活性較低時(shí)不選擇人工受精治療,可選擇卵細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)單精子注射治療[17]。

2.2 其他功能性酶

乳酸脫氫酶C4(LDH-C4)是在生殖細(xì)胞中特異性表達(dá)的乳酸脫氫酶(LDH)獨(dú)特同工酶,在精子中含量很高,LDH-C4的活性在青春期后的睪丸中才能檢測(cè)到。在精子中存在多種與LDH-C4相關(guān)的蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)與腺苷三磷酸(ATP)的合成、利用、轉(zhuǎn)運(yùn)或螯合有關(guān),為精子鞭毛的運(yùn)動(dòng)提供能量[18]。LDH-C基因的突變可導(dǎo)致LDH-C4的活性喪失,精子獲能出現(xiàn)障礙,能夠?qū)е履行圆挥ＥR床研究顯示,生育男性精子LDH-C4活性高于不育男性,在精子LDH活性缺乏的情況下可以直接選擇卵胞漿內(nèi)單精子注射(ICSI)[19]。研究表明,LDH-C4在精子ATP產(chǎn)生的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用,是男性生育和精子功能所必需的酶。

彈性蛋白酶(HNE)是一種絲氨酸蛋白酶,主要由多形核中性粒細(xì)胞(PMN)在炎癥過(guò)程中釋放,與活性氧結(jié)合,可幫助降解吞噬溶酶體內(nèi)的被吞噬的微生物。但HNE的異常都可能對(duì)人體造成損害,HNE使蛋白水解細(xì)胞損傷和DNA斷裂,這可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織破壞。泌尿生殖系統(tǒng)感染是男性不育的公認(rèn)原因,PMN是精液中白細(xì)胞的主要種群,因此精漿中精漿彈性蛋白酶(PMNE)可以作為生殖道炎癥的標(biāo)記[20]。將PMN與精子共同孵育,發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞胞外陷阱(NETs)的釋放增加,精子的運(yùn)動(dòng)性減弱,表明這種相互作用會(huì)降低成功受精的可能性[21]。一項(xiàng)針對(duì)生殖道炎癥的研究將PMNE的檢測(cè)與白細(xì)胞精子的檢測(cè)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在男性生殖道炎癥和感染的診斷中,PMNE比白細(xì)胞精子癥更敏感[22]。針對(duì)男性不育患者精子質(zhì)量與PMNE的相關(guān)性研究顯示,PMNE水平與精子濃度、精子活動(dòng)率以及酸性磷酸酶、檸檬酸等生化指標(biāo)具有密切相關(guān)聯(lián)系[23]。精液PMNE的測(cè)定能診斷男性生殖道炎癥, 也能提示女性輸卵管損傷情況,輸卵管堵塞可能影響體外受精結(jié)果,在人工授精前檢測(cè)夫婦雙方PMNE水平有利于提高人工受孕率[24]。PMNE是男性生殖道感染的重要指標(biāo),過(guò)高的PMNE對(duì)男性生殖能力具有不利的效果。

中性α-葡萄糖苷酶(NAG)來(lái)源于附睪,可以催化對(duì)糖蛋白或多糖中碳水化合物分解為葡萄糖,為精子代謝和運(yùn)動(dòng)提供能量,目前NAG是被廣泛使用的附睪功能標(biāo)志物。已證實(shí)男性精液中NAG活性與射精量、精子濃度、pH值和睪丸組織學(xué)密切相關(guān)[25]。梗阻性無(wú)精子癥與少精子癥中NAG異常發(fā)生率顯著高于正常精子人群,表明檢測(cè)精漿NAG對(duì)附屬性腺病變引起的男性不育診斷具有一定的價(jià)值。且精漿NAG濃度與附睪梗阻的部位顯著相關(guān),根據(jù)精漿NAG濃度可以判斷附睪梗阻的部位[26]。研究表明NAG活性是可靠的評(píng)估附睪功能的重要參數(shù)。

3 代謝性酶

酸性磷酸酶(ACP)可溶解多種磷酸單脂,將磷酸轉(zhuǎn)移到葡萄糖或果糖上,與精子能量代謝有關(guān),同時(shí)前列腺ACP還可通過(guò)磷酸化過(guò)程水解精囊分泌的Seminogelin蛋白促進(jìn)精液液化。ACP是前列腺的特征分泌物,ACP含量是前列腺分泌功能的指標(biāo)。精漿ACP水平降低可引起精漿鋅及各種液化因子含量下降,使精子的活力和濃度降低,精漿ACP與PMNE呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),而PMNE是男性生殖道感染的指標(biāo),前列腺炎癥越嚴(yán)重,PMNE水平越高,精液ACP含量對(duì)前列腺炎癥的診斷有一定的價(jià)值[27]。關(guān)于不育患者精漿的研究顯示,精子活力異常組和黏度增高組的精漿ACP含量明顯低于活力和黏度正常組,而精子密度正常組的ACP高于密度降低組,精漿中ACP含量與精子質(zhì)量密切相關(guān),對(duì)于男性不育癥的診斷具有意義。

肌酸激酶(CK)廣泛分布在需要高能量的組織中,它催化肌酸與ATP的磷酸化(肌酸+ATP→磷酸肌酸+ ADP + H+),為需要大量能量的組織提供ATP緩沖系統(tǒng)。因此適當(dāng)?shù)腃K活性對(duì)于精子功能至關(guān)重要,是精子正常代謝的必要關(guān)鍵酶。己酮可可堿(PF)通過(guò)增加精子的CK活性來(lái)增強(qiáng)精子的運(yùn)動(dòng)性,PF被認(rèn)為是精子活力增強(qiáng)劑[28]。研究顯示,鉛、銀、錫、汞、銦和鉍等金屬離子均可作為人精子肌酸激酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑,可能通過(guò)抑制精子肌酸激酶而降低正常的精子代謝。吸煙會(huì)通過(guò)減少精子CK活性而潛在地?fù)p害精子能量穩(wěn)態(tài),并使精子活力受損,這種作用可能是導(dǎo)致男性不育的重要機(jī)制[29]。精漿CK水平與人類精液特征呈負(fù)相關(guān),但精子活力≤5%的精液中CK活性顯著增加,CK可能與精液中的低精子活力有關(guān),因?yàn)榫淤|(zhì)膜破裂并且酶被釋放到精漿中[30]。CK是精子能量生成轉(zhuǎn)移和利用的關(guān)鍵酶,CK的活性能夠反映精子的質(zhì)量。

綜上所述,精液中的酶在抗氧化應(yīng)激、精子發(fā)生獲能、細(xì)胞代謝等方面發(fā)揮重要作用。對(duì)精液中酶的檢測(cè)至關(guān)重要,精液中多種酶的活性可以有效反映精子質(zhì)量,能夠作為性腺是否存在感染的標(biāo)志物,臨床診治男性不育的檢測(cè)指標(biāo)。目前,對(duì)于男性生殖系統(tǒng)相關(guān)酶的作用和影響機(jī)制還需要深入研究,期待精液中相關(guān)酶的研究在男性生殖的臨床診療發(fā)揮更大的作用。