高溫導(dǎo)致男性不育的研究進展

曹德宏 關(guān)慧元 李金澤 沈寅知 陳 波 陳澤煜 楊 璐 魏 強

1.四川大學華西醫(yī)院泌尿外科/泌尿外科研究所；2.四川大學華西臨床醫(yī)學院（四川 成都 610000）

男性不育（male infertility，MI）是指由男方問題引起的，性生活正常且未進行避孕措施長達一年及以上的女方不孕。研究表明，近年來男性精液質(zhì)量和濃度均呈下降趨勢，且由于精液質(zhì)量變差、精液濃度降低，其導(dǎo)致的MI發(fā)病率不斷升高。據(jù)報道，約有17%的男性精液濃度低，25%的男性精子活動率少于40%，43%的男性正常形態(tài)精子少于4%[3]。有關(guān)調(diào)查顯示，MI的發(fā)生與睪丸溫度升高具有密切的關(guān)系[4]，本文就睪丸溫度升高（36.5℃-37.6℃）導(dǎo)致MI的機制作一綜述。

一、睪丸溫度升高與男性不育

睪丸溫度升高對于男性生育功能有極其重大的影響，一項最新的動物研究表明，對精子發(fā)生過程中的公牛進行熱應(yīng)激處理后，精細胞死亡增多，采用其精子進行人工授精后第7、8日的囊胚總數(shù)下降[5]。同樣，在另一項動物研究中，研究人員以公羊的陰囊表面溫度為變量，進行對照試驗。結(jié)果表明，陰囊溫度較高的實驗組公羊，它們的精子在膜完整性、精子運動能力、DNA完整性等方面均受到負面影響[6]。Al-Otaibi等[7]在排除吸煙、年齡、種族及其他因素的影響后，發(fā)現(xiàn)長期工作在面包店烘培房的工作人員的MI發(fā)病率為正常人群的七倍（實驗組22.7%vs對照組3.0%）。MI不僅在烘培師這一職業(yè)高發(fā)，在廚師、焊工、窯工等職業(yè)群體中也有較高的發(fā)病率[8]。這些職業(yè)的共同點在于他們都長期暴露在高溫環(huán)境中，相應(yīng)的，他們的睪丸溫度也有一定升高。以上結(jié)果均證明睪丸溫度升高可能導(dǎo)致MI的發(fā)生。

二、睪丸溫度升高與精子DNA

多項研究結(jié)果顯示，睪丸溫度升高導(dǎo)致MI主要是通過對精子內(nèi)DNA的影響致使精子質(zhì)量下降。其損害精子DNA有多種方式，根據(jù)目前研究總結(jié)，主要與以下幾種因素相關(guān)：氧化應(yīng)激加速、DNA雙鏈結(jié)構(gòu)受損和轉(zhuǎn)座子的激活。

（一）睪丸溫度升高對氧化應(yīng)激加速的影響

氧化應(yīng)激是由于體內(nèi)產(chǎn)生自由基導(dǎo)致的，身體細胞氧化和抗氧化失衡且傾向于氧化的一種狀態(tài)。短時間的睪丸溫度升高即可引起精母細胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)加速。一方面，氧化應(yīng)激反應(yīng)可導(dǎo)致精子磷脂和脂肪酸快速氧化分解，影響精子活性[9]。研究表明精子膜脂質(zhì)過氧化會導(dǎo)致高粘度精液發(fā)生，而高粘度精液是精子功能不足，導(dǎo)致MI的因素之一[10]。另一方面，氧化應(yīng)激加速也可能會導(dǎo)致精子的DNA、RNA以及端粒受到損害，導(dǎo)致基因組的改變[11]。患有不育癥的男性其精子細胞內(nèi)超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性顯著降低（P＜0.001）[12]?？寡趸芰τ邢蓿沟闷鋺?yīng)對氧化應(yīng)激反應(yīng)的能力十分脆弱，而精子DNA損傷的檢測和修復(fù)能力有限，使得睪丸高溫所引起的精子DNA受損處于不可逆的狀態(tài)，造成精子功能下降[13,14]，從而使男性精液質(zhì)量下降，導(dǎo)致MI的發(fā)生。

（二）睪丸溫度升高對DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的影響

DNA保持穩(wěn)定性的一大關(guān)鍵是其雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相關(guān)研究表明，溫度升高在一定程度上會損傷DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)[15]。在排除外力干擾下，僅就溫度變化（24℃-42℃）對DNA的扭曲程度進行試驗，結(jié)果顯示，即使是在遠低于DNA解旋溫度的條件下，溫度的升高也會導(dǎo)致DNA雙螺旋的扭曲程度變化ΔTw（T）=(-11.0±1.2)°/(°C·kbp)[16]，增高基因突變及DNA損傷的概率。

Kundu等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度從27℃逐漸升高的過程中，核苷酸低聚物的穩(wěn)定性逐漸下降，在67℃以及更高溫度（盡管日常生活不可能有如此高溫）時，低聚物的結(jié)構(gòu)構(gòu)象發(fā)生了明顯改變，提示高溫對DNA結(jié)構(gòu)本身會產(chǎn)生破壞，進而影響雙鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（三）睪丸溫度升高與轉(zhuǎn)座子

1.轉(zhuǎn)座子對DNA產(chǎn)生影響的方式

轉(zhuǎn)座子，又稱跳躍基因，是一段可以從原位置上單獨復(fù)制并插入到DNA序列上任意位置的DNA片段，可導(dǎo)致其后的DNA序列發(fā)生極大變化，是導(dǎo)致DNA高度突變的重要因素[18]。一項使用精子染色質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的研究表明，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化會影響DNA的完整性，轉(zhuǎn)座子影響了染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進而影響了DNA的完整性[19]。轉(zhuǎn)座子對DNA的影響包括：①DNA雙鏈異常斷裂：在精子產(chǎn)生過程中，一定限度內(nèi)的DNA雙鏈斷裂有利于減數(shù)分裂過程，且有可能對某些錯誤的DNA序列進行修復(fù)[20,21]。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)座子的大量表達及插入DNA會導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂，且斷裂無法修復(fù)[22]。②染色體重新排列與基因序列改變：根據(jù)轉(zhuǎn)座子插入位點的不同，轉(zhuǎn)座子大小的不同，轉(zhuǎn)座子插入方向的不同，其引發(fā)的染色體結(jié)構(gòu)改變以及基因結(jié)構(gòu)的改變是無窮無盡的[23]。③影響基因表達：基因序列的改變使得許多正常的蛋白質(zhì)不能被翻譯，因此會導(dǎo)致形成各種失去活性或功能異常的蛋白質(zhì)[24]。

2.睪丸溫度升高使轉(zhuǎn)座子激活

在精子發(fā)生過程中，精母細胞在升溫條件下（溫度升高約2℃，36.5℃-37.6℃），其轉(zhuǎn)座子基因就會被喚醒，插入精子的DNA序列中，從而引起大量基因序列改變，最終導(dǎo)致精子DNA雙鏈斷裂，無法產(chǎn)生后代[22]。在相關(guān)研究中，對秀麗隱桿線蟲精母細胞進行短時間（2分鐘）升溫，DNA雙鏈的斷裂率為正常條件下的25倍，且該DNA雙鏈斷裂不是在核酸內(nèi)切酶催化作用下完成的。同時有研究表明，轉(zhuǎn)座子更容易插入某些特定序列和區(qū)域的DNA。研究者對果蠅轉(zhuǎn)座子插入位點進行了上千次的實驗，實驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)座子更容易插入易于接近的染色體位點，并且在DNA 5’端更易于整合[25,26]。激活的轉(zhuǎn)座子基因?qū)覦NA的破壞是導(dǎo)致MI的重要因素。

三、睪丸溫度升高與精子形態(tài)

精子與卵子結(jié)合形成受精卵的過程中，精子需要經(jīng)過子宮頸、子宮并最終到達輸卵管，因此精子活力的下降是導(dǎo)致MI的重要因素。精子活力的下降與精子形態(tài)的改變有較大關(guān)系[27]。正常狀態(tài)下，精子的發(fā)生溫度低于人體正常體溫2℃-6℃[28]，睪丸的溫度升高可分為兩類：第一類為保持在人體體溫以下時的溫和升高，第二類為睪丸升溫超過人體體溫時的劇烈升高。

在睪丸溫度溫和升高時，溫度即可對精子形態(tài)造成巨大的影響。Abdelhamid等[29]使用特質(zhì)的內(nèi)衣使五名健康志愿者的睪丸和附睪溫度升高（1.5℃-2℃）并持續(xù)120天，每日檢測其精子活力，他們發(fā)現(xiàn)在實驗的第34天時，形態(tài)異常的精子占比顯著增加，且異常精子持續(xù)存在至實驗結(jié)束后的第73天。目前，還需要進一步的研究，以更好的闡釋睪丸溫度升高影響精子形態(tài)的具體機制。

四、睪丸溫度升高與生物活性因子

雄激素可以對精子發(fā)生具有重要的影響，其發(fā)揮作用需要與雄激素受體（androgen receptor，AR）結(jié)合，現(xiàn)有研究表明，雄激素的減少會加劇生殖細胞的凋亡。Shen等[30]以公豬為模型動物的研究中，對其中一實驗組進行為期42天的高溫環(huán)境飼養(yǎng)（37℃-40℃），另一實驗組進行42℃的局部睪丸加熱，實驗結(jié)果表明，與對照組相比，實驗組睪丸支持細胞內(nèi)熱休克蛋白70及AR水平均有明顯下降。睪丸高溫通過影響AR（雄激素受體）的表達導(dǎo)致大量生殖細胞凋亡，進而影響精子的發(fā)生。

Zhang等[31]對30名健康男性志愿者進行了持續(xù)3月，每周2天、每次40分鐘的睪丸高溫暴露（40℃-43℃）的研究，他們發(fā)現(xiàn)在實驗過程中實驗組體內(nèi)的精氨酸左旋肉堿（Arginine L-carnitine，LC）及表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)含量顯著降低，在實驗結(jié)束3月后，LC與EGF含量相較于對照組仍較低。

五、總結(jié)與展望

睪丸溫度升高可從多個方面影響精子質(zhì)量及精子活力，從而導(dǎo)致MI發(fā)生。目前，睪丸溫度升高已被認為是MI的危險因素之一，但具體的發(fā)生機制尚未完全闡明，仍需進一步的探索。相信隨著對溫度升高導(dǎo)致MI機制的研究和探討，MI的發(fā)病率將會有所下降，其治療方法也會更加多樣、高效。而抑制轉(zhuǎn)座子基因的復(fù)制及插入，修復(fù)生精細胞中受損的DNA可能成為未來治療MI的新方法。

關(guān)鍵詞：不育；男性；高溫；轉(zhuǎn)座子；DNA

doi:10.3969/j.issn.1008-0848.2021.05.018

中圖分類號 R698.2;R446.144:R349.39