PARP-1對精子生成影響的研究進(jìn)展*

1.廣東醫(yī)科大學(xué)研究生院泌尿外科 (廣東 湛江 524000)

2.佛山市第一人民醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心 (廣東 佛山 528000)

李金重1 黃永漢2

男性的生育能力受到多種因素的影響，行為和遺傳因素均可以在不同水平上影響精子的形成，其中男性生殖細(xì)胞受多種內(nèi)源性和外源性遺傳毒性影響[1]。內(nèi)源性包括活性氧和代謝活動中產(chǎn)生的NO等物質(zhì)，而外源性因素包括各種可能對基因組DNA造成損害的環(huán)境因素。這些遺傳毒性劑可使DNA單鏈和雙鏈斷裂、堿基缺失、堿基損傷、鏈間和鏈內(nèi)交聯(lián)以及DNA蛋白質(zhì)交聯(lián)，從而可導(dǎo)致DNA的損傷，最終影響精子的生成[2]。近年來，臨床上對男性生殖細(xì)胞DNA質(zhì)量的研究逐漸增加，尤其是在輔助生殖技術(shù)(ART)時(shí)代[3]。由于精子問題關(guān)于其先天性的異?？赡芤惨驯惶岢觯绕湓S多評論都談到精子的存活及好壞起源于DNA的完整性，通過相應(yīng)技術(shù)評估精子DNA的完整性有利于評估ART的結(jié)果[4]。在本文中，我們將討論P(yáng)ARP家族成員之一PARP-1對精子生成及生殖細(xì)胞DNA損傷的影響。

1 PARP-1結(jié)構(gòu)和功能

PARP是由18不同基因編碼組成的酶族，他們具有相同的高度保守的催化域序列，主要參與細(xì)胞過程中的染色體重塑、調(diào)控細(xì)胞凋亡、細(xì)胞分裂。PARP-1是PARP酶家族的公認(rèn)成員之一，主要存在于真核生物中。曾有研究報(bào)道[5]，PARP-1在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控中影響特定信號通路的過程，且有三個(gè)主要結(jié)構(gòu)領(lǐng)域：DNA結(jié)合片段，其中包含兩個(gè)鋅指基序參與的DNA鏈斷裂識別和核定位信號；中央自動修改域，包括一個(gè)BRAC1的羧基端(DNA修復(fù)和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo))并有Capase-3酶切功能；C端催化域，包括一個(gè)富含色氨酸-甘氨酸-精氨酸域(WGR)、α螺旋結(jié)構(gòu)域(HD)和 ADP核糖轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域(ART)。該酶與DNA的修復(fù)和維護(hù)有關(guān)基因組完整性的調(diào)控有關(guān)，并在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)各種蛋白質(zhì)的表達(dá)以及在復(fù)制和分化中起著一定的作用。PARP酶是1960年代首次定義的以NAD為底物的蛋白質(zhì)修飾酶，PAR聚合物對靶蛋白谷氨酸殘基有著一定作用[6]。因此，PARP能使蛋白質(zhì)形成PAR聚合物分子，而其中PARP-1活性約占PARP總活性的90%[7]。

2 PARP-1與精子發(fā)生

既往多項(xiàng)研究[8]已在大腦、心臟、腎臟和睪丸等多種組織的細(xì)胞核中檢測到PARP-1的存在。曾有實(shí)驗(yàn)[9]顯示：PARP-1在發(fā)育中小鼠生精小管的基底區(qū)域具有高水平的表達(dá)，但在生精小管的管腔區(qū)域幾乎沒有顯示，從此提示了PARP-1在減數(shù)分裂過程中逐漸減少，這也解釋了為什么PARP-1在精子發(fā)生的早期階段其表達(dá)水平會較高。另有研究表明[10]：在小鼠實(shí)驗(yàn)中，在初級精母細(xì)胞中觀察到的PARP-1濃度最高，隨后在精子成熟過程中表達(dá)下降，精子中的數(shù)量更少。而在最近開展的一項(xiàng)研究中[11]，發(fā)現(xiàn)了最強(qiáng)的PARP-1表達(dá)在精原細(xì)胞中，PAR化最強(qiáng)的是人類的精子和圓形精子以及亞群的精子細(xì)胞，相比之下，成熟的精子沒有PARP表達(dá)或聚(ADP-核糖基)化。這是一項(xiàng)在大鼠生殖細(xì)胞中的研究。ADP-核糖和NAD水平從初級精母細(xì)胞到次級精母細(xì)胞再到較大的精子細(xì)胞逐漸下降。PARP-1水平在男性生殖過程和活動中的下降可能與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，同時(shí)也可能與精子的發(fā)生有關(guān)。精子發(fā)生時(shí)的染色質(zhì)重塑步驟包括替換魚精蛋白的組蛋白和從DNA的超螺旋形式到非超螺旋形式，在這些染色質(zhì)重塑步驟中DNA鏈的斷裂均可影響生精。

尋找射精精子中PARP的存在一直是臨床上的研究重點(diǎn)，但是直到近幾年才真正取得成功。在沒有發(fā)現(xiàn)精液中的凋亡標(biāo)記物時(shí)，人類射精后的精子中是否存在PARP-1也是一個(gè)疑問。然而，在后續(xù)的最新研究 中[12]，在射精后的精子中發(fā)現(xiàn)了幾種PARP亞型，其中包括PARP-1，PARP-2和PARP-9，而免疫定位表明，PARP主要被發(fā)現(xiàn)存在于精子頂體區(qū)域附近。此外，精子成熟度與PARP的存在也有直接的聯(lián)系，即精子越成熟，PARP-1的存在顯著增加，而與未成熟精子相比，在成熟精子中PARP-2和PARP-9的數(shù)量更多。另外，與PARP-9在可育男性與不育男性之間的差異相比，PARP-1、PARP-2的差異明顯更高，由此表明PARP與男性不育之間可能存在關(guān)系。且PARP的調(diào)節(jié)活動可能影響精子氧化和化學(xué)損傷的反應(yīng)。在相關(guān)報(bào)告中，PARP抑制劑3-氨基苯甲酰胺在化學(xué)和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中的表達(dá)增加了兩倍。這個(gè)新穎的發(fā)現(xiàn)提示PARP在保護(hù)精子免受氧化和化學(xué)作用中可能起重要作用。

3 PARP-1和精子DNA

最近精子DNA損傷對不育男性的重要性逐漸受到關(guān)注。有實(shí)驗(yàn)報(bào)告[13]顯示：DNA損傷指數(shù)更高可能會導(dǎo)致精液質(zhì)量更大程度的降低。且有數(shù)據(jù)證實(shí)[14]：當(dāng)DNA片段損傷指數(shù)超過15%時(shí)，進(jìn)行卵泡漿內(nèi)單精子注射后，移植失敗和流產(chǎn)的發(fā)生率顯著增加。這些研究表明評估精子質(zhì)量可能需要分析影響基因組完整性的那些因素，尤其是在非手術(shù)取精的精子中。而在不少實(shí)驗(yàn)證明中顯示[15]：PARP-1修復(fù)DNA損傷后在生殖細(xì)胞中仍舊存在一定的活性。輻射和一些可以產(chǎn)生活性氧的環(huán)境會引起大鼠體內(nèi)精原細(xì)胞和精母細(xì)胞的廣泛DNA損傷，而PARP-1抑制劑會導(dǎo)致DNA損壞修復(fù)的延遲。精子細(xì)胞與初級精母細(xì)胞的主要區(qū)別是精子只有在遺傳毒性的損傷后才顯示出可檢測的PAR產(chǎn)生。

4 PARP-1在男性生殖中的生物學(xué)作用

PARP-1在各類細(xì)胞中維持基因組完整性的方面起著至關(guān)重要的作用，也許也表明了保證基因的完整性在生殖細(xì)胞中也很重要。既往也有報(bào)道表明[12]，精子染色質(zhì)和DNA結(jié)構(gòu)的異常與男性不育有著密切聯(lián)系。破壞精子基因組的完整性可來源于多方面，比如精子發(fā)生缺陷、細(xì)胞凋亡、精子成熟障礙和氧化應(yīng)激等。精子發(fā)生缺陷問題可能包括雙鏈斷裂，之后無法解決在減數(shù)分裂過程中的交叉，而且精子成熟會涉及染色質(zhì)重塑步驟，涉及必要的DNA鏈斷裂，都可能會導(dǎo)致精子生成障礙。最后，氧化應(yīng)激已經(jīng)對男性不育癥的影響進(jìn)行了廣泛的研究，并且鑒于氧化應(yīng)激條件下PARP-1誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑的激活等都為PARP-1在男性生育中的作用提供了一定的解釋。PARP-1在生殖細(xì)胞中的研究大多為動物實(shí)驗(yàn)，其對人類男性的生育能力的影響研究尚不詳細(xì)。但是也有報(bào)道證實(shí)在人類睪丸和射精后的精子中檢測到PARP-1，由此證明PARP-1在男性精子生成過程中起著一定的重要作用。

5 結(jié) 論

綜上所述，PARP-1在精子生成過程中存在多方面的影響，在可育男性的睪丸組織中PARP-1可顯著表達(dá)。且PARP-1作為一種重要的DNA修復(fù)酶可以通過維持基因組完整性來減少生殖細(xì)胞分化過程中出現(xiàn)的失誤。同樣，PARP-1通過細(xì)胞凋亡途徑對消除異常生殖細(xì)胞也具有重要的意義。總之，在精子的發(fā)生過程中，PARP-1可能是深入了解這些修復(fù)機(jī)制的關(guān)鍵，而PARP-1與精子的生成和維持基因完整性密不可分，故PARP-1表達(dá)水平有望成為評估男性生育能力的一個(gè)指標(biāo)，可幫助人們健康地懷孕。