缺鋅引起的氧化應(yīng)激與自噬在生精障礙中的研究進展

黎遠(yuǎn)亮，劉好鵬，易江南，張輝，唐兆新，李 英*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，廣東廣州 510642； 2.廣東眾寵生物科技有限公司，廣東廣州 510650)

生精是發(fā)生在動物睪丸當(dāng)中的復(fù)雜生理過程，環(huán)境、飲食以及藥物會改變睪丸的生精過程。生精不僅需要睪丸功能正常，還要受下丘腦和垂體的激素調(diào)控[1]。生精過程是快速的細(xì)胞分裂過程，也就意味著高速率的耗氧，維持睪丸穩(wěn)態(tài)以及不受氧化應(yīng)激損害才能保證生精正常。鋅作為小分子抗氧化劑保護睪丸免受氧化損傷，鋅是自由基清除酶的核心成分，同時也是巰基保護基，還被認(rèn)為其可以通過從催化部位置換鐵和銅等過渡金屬來阻止脂質(zhì)過氧化，對睪丸的氧化應(yīng)激水平具有較大影響[2]。在雄性動物生殖系統(tǒng)中，鋅是維持生殖細(xì)胞、促進精子發(fā)生必不可少的微量元素[3]。鋅可作為激素平衡劑，對于維持睪丸激素水平、前列腺和性健康具有重要意義[4]。

鋅是微生物、動物和植物生命活動過程中的重要元素，是300多種酶的輔酶因子，其作為各種酶的組成部分，在維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整和調(diào)節(jié)基因表達(dá)中起重要作用[5]。鋅分布于脊椎動物的各個臟器中，疾病、飲食習(xí)慣等因素(如低動物蛋白飲食習(xí)慣、胃腸道疾病等)會引起機體不同程度的缺鋅[6]。在可承受范圍內(nèi)，機體可通過自噬維持機體鋅穩(wěn)態(tài)，一旦超過可控范圍，會導(dǎo)致生精障礙，伴隨睪丸激素生成減少、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡[7-8]。本文對缺鋅引起的氧化應(yīng)激和細(xì)胞自噬在生精障礙中的作用的最新研究進展進行綜述，以期為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 鋅在生精過程中的作用

生精過程在動物生殖系統(tǒng)完成，受睪丸和性激素等因素調(diào)控，鋅在其中發(fā)揮著重要的作用，因為鋅在雄性生精過程中調(diào)節(jié)精原細(xì)胞增殖和細(xì)胞減數(shù)分裂，并充當(dāng)抗氧化劑保護睪丸免受氧化損傷[2,4,9]。鋅可通過機體消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)進入睪丸，鋅在小腸細(xì)胞通過ZIP鋅轉(zhuǎn)運蛋白(zinc-regulated transporters and iron-regulated transporter-like protein,ZIP)運輸以及擴散運輸?shù)姆绞酱┻^質(zhì)膜吸收進入血液，鋅在血液循環(huán)中被分布到睪丸細(xì)胞后，在睪丸細(xì)胞發(fā)揮調(diào)控細(xì)胞增殖、形成超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1,SOD1)和金屬硫蛋白(metallothionein,MT)等作用，其中SOD1和MT能抑制睪丸細(xì)胞的氧化應(yīng)激，使睪丸細(xì)胞正常行使功能；除了從血液中轉(zhuǎn)運鋅進入睪丸細(xì)胞胞質(zhì)，睪丸細(xì)胞的線粒體也會通過ZIP運送鋅至睪丸細(xì)胞胞質(zhì)；最后，睪丸細(xì)胞胞質(zhì)中的鋅會被ZnT (zinctransporters,ZnT)鋅轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運出細(xì)胞外[10-11]。

缺鋅會影響動物生精過程，導(dǎo)致生精異常。有研究發(fā)現(xiàn)缺鋅會引起睪丸組織的改變，致使圓形精子細(xì)胞脫落，其中缺鋅會使睪丸組織中的FAK蛋白和TGF-β1蛋白含量明顯下降[12]。缺鋅增強睪丸氧化應(yīng)激和炎癥，導(dǎo)致睪丸體積減小、功能下降、睪丸細(xì)胞和生精小管變性和凋亡，進而耗竭睪丸激素，抑制精子生成[13-14]。不同生長階段缺鋅對睪丸的影響存在差異，有研究證明缺鋅對青春期大鼠睪丸變性程度比晚年大鼠嚴(yán)重，且青春期大鼠因缺鋅導(dǎo)致睪丸細(xì)胞凋亡會影響生殖細(xì)胞出現(xiàn)不可逆病變[15]。

2 氧化應(yīng)激在缺鋅引起的生精障礙中的作用

氧化應(yīng)激是過量氧化劑或活性氧(reactive oxygen species,ROS)耗盡細(xì)胞中抗氧化劑防御機制的表現(xiàn)[16]。ROS是正常有氧代謝過程的副產(chǎn)物，ROS對于生精具有雙相作用，適當(dāng)水平的ROS在細(xì)胞分化和精子獲能中具有生理作用；而過多的ROS則會引起睪丸氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)相關(guān)細(xì)胞凋亡，引發(fā)生精障礙[17]。研究發(fā)現(xiàn)精子核染色質(zhì)濃縮期對ROS高度敏感，且此時的精子細(xì)胞缺乏DNA修復(fù)機制；此外，精原細(xì)胞中含有微量抗氧化酶，其大多數(shù)抗氧化酶會在生精過程中丟失；隨著精子發(fā)生的進行，生殖細(xì)胞的SOD1活性和總超氧化物歧化酶(total superoxide disumutase,T-SOD)水平降低，導(dǎo)致早期生殖細(xì)胞(如精原細(xì)胞)對ROS的侵襲具有高耐受性，而晚期生殖細(xì)胞(如精子)容易受ROS侵襲，引起細(xì)胞損傷[18-19]。

研究證明，氧化應(yīng)激與缺鋅引發(fā)的生精障礙有著重要關(guān)聯(lián)，機體缺乏鋅導(dǎo)致血液中的丙二醛(malondialdehyde,MDA)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)含量增高，而總抗氧化劑活性、SOD和維生素E(Vitamin E,Vit E)含量降低，這些指標(biāo)的改變表示機體存在氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，這些問題會引起睪丸的鋅濃度下降和ROS濃度上升； ROS濃度上升引起睪丸氧化應(yīng)激，導(dǎo)致睪丸細(xì)胞凋亡和DNA損傷，引發(fā)生精障礙；同時，睪丸鋅濃度下降和氧化應(yīng)激同時引起睪丸組織變性，使睪丸中的FAK、TGF-β1蛋白濃度下降，這兩種蛋白對生精有潛在作用[7,12]。日糧中添加適量無機鋅可改善雄鹿精液性狀和抗氧化能力[20]。缺鋅會使機體抗氧化能力下降和ROS水平升高，導(dǎo)致大鼠睪丸中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA的氧化損傷。缺鋅會使睪丸和附睪的蛋白表達(dá)發(fā)生變化，如儲存鋅的MT、MTF-1、凋亡抑制蛋白Bcl-2、氧化應(yīng)激調(diào)控蛋白Keap1、Nrf2，以及谷胱甘肽過氧化物酶GPX4、GPX5的表達(dá)水平下降；NF-kB、凋亡相關(guān)蛋白(Bax和caspase-3)、控制細(xì)胞自噬、凋亡以及Keap1/Nrf2軸的Beclin-1表達(dá)水平上升，睪丸和附睪組織氧化損傷明顯，自噬和凋亡增加，影響生精過程[7,14,21]。

綜上所述，缺鋅誘發(fā)氧化應(yīng)激導(dǎo)致雄性生精障礙的危險因素之一。但仍有些氧化應(yīng)激影響生精的機制不是很明確，若要探究其潛在的作用機制，可參考先前的試驗結(jié)果設(shè)計新的試驗。

3 自噬在缺鋅引起的生精障礙中的作用

自噬是通過一系列途徑將細(xì)胞質(zhì)輸送到溶酶體中進行降解的過程，饑餓或其他影響細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的因素均會誘導(dǎo)自噬的發(fā)生，通過循環(huán)利用非必需物質(zhì)或消除有害物質(zhì)來獲取細(xì)胞營養(yǎng)。自噬包括微自噬，分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy,CMA)和巨自噬[22]。在有性生殖中，巨自噬是生殖細(xì)胞發(fā)生自噬的主要類型[23]。自噬的發(fā)生受自噬信號的調(diào)控，自噬是由自噬信號ULK1/Atg1-ATG13復(fù)合物引發(fā)的，該復(fù)合物受mTOR負(fù)調(diào)節(jié)，受AMPK正調(diào)節(jié)。這樣它就會對營養(yǎng)或能量匱乏做出反應(yīng)。此外，Ⅲ類PI3K復(fù)合物需要Beclin-1，其被Bcl-2抑制；在自噬體膜伸長過程中，需要Atg5-Atg12和LC3-Ⅱ，其中LC3-Ⅱ附著在自噬體膜上；LC3-Ⅱ?qū)⑼ㄟ^Atg4在外膜上脫脂(這一過程受H2O2抑制)，但保留在內(nèi)膜上并在溶酶體內(nèi)降解；自噬體的線粒體可以通過募集Sqstm1 / p62來降解(有絲分裂中的線粒體自噬)；p62通過招募Keap1進行降解，從而使依賴Nrf-2的抗氧化劑轉(zhuǎn)錄；最終，自噬體與溶酶體融合，發(fā)生降解[24]。自噬在正常和非正常生理條件下，對于生精有重要作用。一方面，自噬可以降解大多數(shù)長壽的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，以維持生精細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，精子細(xì)胞的減數(shù)分裂和生精作用，并提高精子活力；另一方面，過度的自噬會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的過度消耗和細(xì)胞器的損傷，誘發(fā)細(xì)胞功能障礙，并導(dǎo)致精子數(shù)量減少，生精缺陷和精子活動力降低[25]。

大量研究證明自噬和生精有著重要的關(guān)聯(lián)。小鼠睪丸中，Sirt1參與LC3和Atg7脫乙酰化后，脫乙?；腖C3轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)中，與自噬效應(yīng)子相互作用并啟動自噬[26]。Atg7是頂體形成所必需的，脫乙?；腁tg7激活自噬，通過調(diào)控高爾基體衍生的前體小泡向頂體轉(zhuǎn)運和融合，參與了小鼠精子的頂體形成[27]。自噬核心蛋白Atg5對于雄性生育至關(guān)重要，因為其通過介導(dǎo)多種自噬信號誘導(dǎo)自噬，以維持精子發(fā)生的正常進行[28]。在精子發(fā)生過程中，自噬可通過降解細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)劑PDLIM1來促進精細(xì)胞分化，以此調(diào)節(jié)精細(xì)胞骨架的重組[29]。敲除小鼠睪丸支持細(xì)胞的Atg5或Atg7基因會使其睪丸支持細(xì)胞自噬破壞，使睪丸支持細(xì)胞尖端外質(zhì)特化結(jié)構(gòu)(ES)細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)劑PDLIM1過表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)紊亂和ES被破壞，使精子生成減少，產(chǎn)生畸形精子、運動能力低精子，最終影響精子發(fā)生[30]。在一項研究中，研究者們通過Srag轉(zhuǎn)基因斑馬魚揭示了Sox9調(diào)控的自噬基因Srag可通過與Beclin-1相互作用以調(diào)節(jié)睪丸自噬[31]。自噬可調(diào)節(jié)育種裸鼴鼠的精子生成，自噬增加可使睪丸間質(zhì)細(xì)胞正常分泌睪丸激素，以促進育種雄性裸鼴鼠精子的生成，相反自噬不足會減少睪丸間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的睪丸激素，抑制非育種雄性裸鼴鼠的精子生成[32]。成年雄性歐洲野牛繁殖期間，睪丸和附睪中的自噬非?；钴S[33]。山羊精子發(fā)生過程中，自噬在睪丸支持細(xì)胞中非?；钴S，隨著精子發(fā)生從睪丸支持細(xì)胞基底室向腔室發(fā)展，自噬更明顯[34]。禽類睪丸中，LC3和Atg7在生精細(xì)胞和原代精細(xì)胞中有較強的表達(dá)，在原代精細(xì)胞和生精細(xì)胞中可以觀察到發(fā)達(dá)的自噬體和多囊泡體，這表明自噬在禽類精子發(fā)生過程中是活躍的[35]。

缺鋅誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生。適當(dāng)?shù)淖允膳c足量的鋅可保護機體，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，一旦平衡被打破，會導(dǎo)致機體組織損傷。酵母會通過抑制雷帕霉素復(fù)合物1(transducer of regulated CREB activity 1,TORC1)失活以誘導(dǎo)非選擇性自噬，使蛋白質(zhì)降解，并從中回收利用釋放出來的鋅[36-37]。給予急性酒精中毒小鼠缺鋅飲食，會抑制乙醇誘導(dǎo)的自噬，促使小鼠肝臟脂肪變性，同時缺鋅抑制自噬增強了乙醇誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[38]。有研究發(fā)現(xiàn)，缺鋅使小鼠睪丸自噬相關(guān)蛋白Bcl-2下調(diào)，而Beclin-1上調(diào)，意味著缺鋅促進了小鼠睪丸自噬[7,21]。

綜上所述，自噬參與了精子頂體形成、精子伸長、調(diào)節(jié)精細(xì)胞骨架重組等精子生成過程，缺鋅能影響動物機體自噬發(fā)生。然而，缺鋅誘導(dǎo)雄性生精障礙中，自噬是否參與其中等科學(xué)問題，目前尚不明確。

4 展望

目前研究表明，氧化應(yīng)激和自噬在動物生精障礙發(fā)生中起到重要作用，缺鋅可誘發(fā)的氧化應(yīng)激和自噬發(fā)生，并明確缺鋅導(dǎo)致動物生精障礙與氧化應(yīng)激有關(guān)。然而，是否自噬參與其中鮮有報道，是通過什么途徑，與氧化應(yīng)激之間關(guān)系等一系列問題仍有待研究。未來探究補鋅在治療生精障礙中如何調(diào)控氧化應(yīng)激和以及探究缺鋅誘導(dǎo)的生精障礙下，生精細(xì)胞氧化應(yīng)激和自噬相關(guān)蛋白、基因的表達(dá)變化，可以為揭示生精、自噬、氧化應(yīng)激三者關(guān)系帶來幫助。