精子運(yùn)動(dòng)性能對(duì)精子質(zhì)量影響的研究進(jìn)展

林秋敏， 賴寶色

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350119)

0 引言

精子活力和頂體完整性兩項(xiàng)指標(biāo)具有顯著的相關(guān)性，足夠活力的精子才能獲能進(jìn)而通過生殖道到達(dá)受精部位展開一系列的受精反應(yīng)，包括精卵識(shí)別、透明帶反應(yīng)等。而頂體是精子中唯一具有的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)部位，其完整性直接決定了精子的功能及受精過程中精子獲能的概率。精子頂體是位于精子的頭部，類似帽狀結(jié)構(gòu)，是精子運(yùn)動(dòng)中唯一的產(chǎn)能部位。頂體的產(chǎn)能效應(yīng)主要依賴于內(nèi)部含有多種水解酶，如放射冠穿透酶、透明質(zhì)酸酶等。精子頂體反應(yīng)的發(fā)生也依賴于這些水解酶的作用。因此，對(duì)于精子而言，精子質(zhì)量是精子發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，其包括精子頂體完整性和精子的活力。當(dāng)精子細(xì)胞受損，精子外膜的滲透壓改變，增加膜的滲透性，胞內(nèi)酶釋放進(jìn)入精漿，降低了精子獲能的概率。由此可見，精子頂體完整性是精子頂體內(nèi)酶系統(tǒng)發(fā)揮功能的保證。研究顯示，頂體酶系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的高表達(dá)β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和血小板激活因子乙酰水解酶(platelet-activating factor acetylhydrolase，PAFAH)參與了精子發(fā)生和受精過程，尤其是頂體反應(yīng)中獲能精子與卵的識(shí)別和接觸[1-4]。因此，精子頂體完整性決定了精子的完整性和精子的功能。

1 精子活力

精子活力(sperm motility)是精子具有受精能力的基礎(chǔ)。精子的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)在精卵受精過程中起著重要作用，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)是有活力精子的一種表現(xiàn)形式，也是對(duì)精液質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)依據(jù)。已有諸多研究[5-8]表明精子運(yùn)動(dòng)參數(shù)是反應(yīng)精子活力的有效指標(biāo)，包括精子的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡以及空間位移效率[9]。根據(jù)精子運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化可以有效評(píng)價(jià)精子是否具有有效的受精效應(yīng)[10]。目前，計(jì)算機(jī)輔助的精子質(zhì)量分析(computer sperm analysis，CASA)系統(tǒng)的應(yīng)用在臨床上是評(píng)價(jià)精子運(yùn)動(dòng)性能的主要手段，并已經(jīng)日益普及和成熟[11]。法國(guó)卡蘇公司研發(fā)的CASAⅡ系統(tǒng)是合并顯微攝像和運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)定的新型技術(shù)，測(cè)定中可以反映精子活力和運(yùn)動(dòng)特性等，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)。目前主要應(yīng)用于臨床男性不育患者的檢測(cè)[7-9]，對(duì)動(dòng)物的精液品質(zhì)研究、體外受精等也有一定的應(yīng)用前景。

1.1 精子的速度參數(shù)

精子運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)(VSL、VCL、VAP等)是反映精子活力的有效指標(biāo)[5]，并且間接體現(xiàn)了精子與受精率的關(guān)系[12]。由此可見精子運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)對(duì)精子質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要性。

1.2 精子的運(yùn)動(dòng)方式參數(shù)

精子的運(yùn)動(dòng)主要分為射精和生殖道內(nèi)兩個(gè)階段。對(duì)于射精后的精子而言，精子的運(yùn)動(dòng)在射精后本能的迅速向各個(gè)方向游離，保持正向的前向運(yùn)動(dòng)。在生殖道內(nèi)，精子的運(yùn)動(dòng)受到陰道環(huán)境及輸卵管上皮細(xì)胞的阻滯效應(yīng)，精子的前向性運(yùn)動(dòng)會(huì)受到一定的制約。精子的前向性(STR)運(yùn)動(dòng)是精子活力和受精效率的間接體現(xiàn)并與受孕率呈現(xiàn)正相關(guān)[13]。除此外，精子的運(yùn)動(dòng)還包括直線性(LIN)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)性(WOB)運(yùn)動(dòng)。最新的研究也指出，精子鞭毛中不對(duì)稱的橫向波產(chǎn)生單方面力引起的滾動(dòng)與精子在各個(gè)方向上平等地旋轉(zhuǎn)力組合形成了螺旋狀的前向運(yùn)動(dòng)，并且精子表現(xiàn)為繞滾動(dòng)軸的雙向滾動(dòng)[14-15]。

2 精子運(yùn)動(dòng)活性調(diào)節(jié)

2.1 精子運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

目前對(duì)精子研究的模型中大多集中于嚙齒類動(dòng)物(包括小鼠、大鼠、倉(cāng)鼠等物種模型)。精子的生理性運(yùn)動(dòng)一般認(rèn)為含有新射精子的激活和受精精子的超激活兩種[16-17]。新射精子的激活是精子鞭毛對(duì)稱性低振幅的擺動(dòng)推動(dòng)精子前向運(yùn)動(dòng)，也稱之為精子在精液中進(jìn)行的趨直線運(yùn)動(dòng)。動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示激活大鼠精子的鞭毛擺動(dòng)提供的動(dòng)力可以顯著提高精子穿過雌性生殖道的速度和減少滯留時(shí)間[18]。對(duì)于低活力的精子即使到達(dá)輸卵管，精子仍無法進(jìn)行體內(nèi)受精。精子到達(dá)輸卵管主要靠的是精子線粒體提供能量并通過精子鞭毛擺動(dòng)進(jìn)行[19]，這種“超激活運(yùn)動(dòng)”的形式促進(jìn)了體內(nèi)受精。研究發(fā)現(xiàn)，精子通過輸卵管不僅僅依靠精子的鞭毛擺動(dòng)，單純的擺動(dòng)所供給的能量不足，精子很難真正移動(dòng)到受精位置[20]。要使得精子運(yùn)動(dòng)到受精的合適位置，需要精子完成超激活并且提供足夠的能量并完成精卵識(shí)別后受精[21-22]。因此，精子的激活與超激活的運(yùn)動(dòng)對(duì)于精子的受精具有重要作用。

精子運(yùn)動(dòng)激活鞭毛的擺動(dòng)起到至關(guān)重要的作用。正常的精子鞭毛對(duì)精子是否能夠到達(dá)受精部位直接決定是否能進(jìn)行受精。精子的運(yùn)動(dòng)激活初期依靠的是具有四個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)(圖1)的鞭毛來完成，結(jié)構(gòu)區(qū)分為連接段、中段、主段和末端[23-25]。研究指出精子鞭毛主要存在于連接段，也是軸絲最短的部位僅由9組二聯(lián)微管組成，并組合成內(nèi)、外動(dòng)力蛋白臂負(fù)責(zé)產(chǎn)生鞭毛的動(dòng)力[26]。鞭毛的中段由9個(gè)外周致密纖維(ODF)和包圍ODF的線粒體鞘(MS)組成是頭部邊緣中特有的附屬結(jié)構(gòu)[27]。鞭毛作為精子特有運(yùn)動(dòng)“馬達(dá)”，其擺動(dòng)提供的原始運(yùn)動(dòng)推進(jìn)力主要由鞭毛軸絲和軸絲蛋白共同完成?，F(xiàn)有研究指出，超過200種軸絲蛋白被發(fā)現(xiàn)，其中α微管蛋白是精子的核心蛋白[28]，它是鞭毛中在腺苷三磷酸酶被激活時(shí)引動(dòng)擺動(dòng)的關(guān)鍵。α微管蛋白的激活會(huì)引起鞭毛軸絲雙微管的滑動(dòng)并產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生推進(jìn)力[29]。軸絲雙微管彎曲產(chǎn)生的推進(jìn)力，推進(jìn)精子的前向運(yùn)動(dòng)對(duì)于精子運(yùn)動(dòng)性能而言極其重要。臨床中，軸絲雙微管的不彎曲或軸絲紊亂會(huì)降低精子的運(yùn)動(dòng)從而影響受精，主要包含除精子外的其他類型的纖毛細(xì)胞發(fā)生疾病。在人類和家畜中由軸絲排列異常導(dǎo)致的疾病研究指出，鞭毛軸絲缺陷會(huì)顯著降低精子活力并伴隨不育[30]。鞭毛中ODF的研究也指出，支撐精子尾部結(jié)構(gòu)的角蛋白樣中間絲狀體ODF蛋白對(duì)細(xì)胞骨架的構(gòu)建和細(xì)胞分裂發(fā)育具有重要作用[31-33]。并且，ODF蛋白的異常會(huì)影響精子的獲能。

圖1 哺乳動(dòng)物精子鞭毛示意圖

2.2 精子運(yùn)動(dòng)能量基礎(chǔ)

鞭毛是精子的重要組成部分，鞭毛中含有大量的軸絲運(yùn)動(dòng)蛋白。研究指出，小鼠精子鞭毛運(yùn)動(dòng)通過ATP提供能量，當(dāng)鞭毛中段產(chǎn)生的ATP不足時(shí)，無法將ATP送達(dá)精子尾端，進(jìn)而無法滿足動(dòng)力蛋白的能源需求，鞭毛運(yùn)動(dòng)受抑制[34-35]。同時(shí)，先前研究結(jié)果顯示不依賴線粒體的氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP降低了精子的活力且低于氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP功能后精子的活力[36]。這些數(shù)據(jù)表明線粒體氧化磷酸化并不是完全支持精子受精的主要能量ATP的來源。

對(duì)于精子鞭毛運(yùn)動(dòng)而言，F(xiàn)S在精子運(yùn)動(dòng)中起著機(jī)械性作用，它決定了鞭毛的平面運(yùn)動(dòng)性狀[37]。FS引起的軸絲微管滑動(dòng)依賴于cAMP活性，特別是cAMP依賴性的蛋白激酶A(PKA)活性[38]。有研究表明，F(xiàn)S在精子運(yùn)動(dòng)中提供的抗氧化應(yīng)激活性，主要是干擾了引起精子活力和損傷DNA[39]。另有研究指出，靶向缺失精子FS上的特異性GAPD-S酶會(huì)導(dǎo)致雄性不育。在哺乳動(dòng)物精子FS上存在著糖酵解酶，包括己糖激酶、乳酸脫氫酶以及甘油醛-3-磷酸脫氫酶[40]。相關(guān)研究表明GAPD-S下游的靶向酶在去除膜后仍可附著在細(xì)胞骨架上，這也說明這些靶向酶是FS或ODF的組成部分，并且提供了軸絲微管滑動(dòng)的必要能量供應(yīng)[41]。先前研究還指出精子鞭毛主段糖酵解產(chǎn)生ATP是超激活運(yùn)動(dòng)的必要條件，而氧化磷酸化效應(yīng)抑制并不完全影響受精發(fā)生[42-43]。

2.3 精子運(yùn)動(dòng)的調(diào)控機(jī)制

通常認(rèn)為鈣信號(hào)通路和cAMP/PKA是哺乳動(dòng)物精子活力調(diào)節(jié)的兩個(gè)重要途徑[44-45]。小鼠模型研究指出，缺失cAMP依賴的蛋白激酶催化亞基影響精子運(yùn)動(dòng)的能量供給，進(jìn)而導(dǎo)致小鼠不育[46]。精子中的軸絲動(dòng)力蛋白臂是僅有的少數(shù)被證實(shí)的具有調(diào)節(jié)精子活力的靶蛋白。軸絲動(dòng)力蛋白臂是鞭毛蛋白的重要組成，該蛋白的酪氨酸酶磷酸化和去磷酸化是鞭毛擺動(dòng)引起精子運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。研究指出，在哺乳類以及嚙齒類動(dòng)物機(jī)體中A激酶錨定蛋白(AKAP)與精子運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和結(jié)束關(guān)系密切[47]。AKAP的功能在于其可以將PKA及其他相關(guān)蛋白充當(dāng)?shù)孜镞M(jìn)行催化，激活介導(dǎo)靶蛋白表達(dá)變化，從而調(diào)節(jié)精子運(yùn)動(dòng)[47]。

除了cAMP/PKA途徑外，另一個(gè)重要的通路是鈣調(diào)蛋白關(guān)聯(lián)途徑。有研究表明，可溶性腺苷環(huán)化酶(sAC)活性受鈣離子濃度決定，sAC的改變會(huì)致使ATP水解生成cAMP進(jìn)而激活PKA，引起精子激活運(yùn)動(dòng)和超激活運(yùn)動(dòng)[48]，激活的PKA可以進(jìn)一步引發(fā)cAMP/PKA信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而影響精子的活動(dòng)能力[49]。大量研究表明，胞內(nèi)鈣離子儲(chǔ)存改變會(huì)引起胞外鈣離子通道激活，促進(jìn)鈣離子通過通道進(jìn)入精子影響胞內(nèi)鈣水平[50]。對(duì)于細(xì)胞的激活狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)鈣儲(chǔ)備是重要的影響因素。與體細(xì)胞不同，除了頂體結(jié)構(gòu)外，精子不具有體細(xì)胞的胞內(nèi)鈣儲(chǔ)備結(jié)構(gòu)。對(duì)于精子活力改變依賴的鈣離子主要來自于精子頸部的冗余核膜鈣離子通道的開放[51]。

對(duì)于鈣離子通道研究指出，環(huán)核苷酸門控通道(CNGC)可在鞭毛的不同微區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生鈣內(nèi)流模式[52]?；蚯贸芯匡@示，成熟精子的主段中的電壓門控鈣通道(CatSper1)是調(diào)節(jié)cAMP誘導(dǎo)鈣離子內(nèi)流的關(guān)鍵部位[53-54]。靶向缺失CatSperI基因的結(jié)果表明胞內(nèi)的cAMP刺激消失會(huì)影響精子的質(zhì)量，使精子的活力降低。相關(guān)研究表明把精子中的CatSper2基因敲除，精子超激活運(yùn)動(dòng)受到影響，導(dǎo)致雄性不育[54]。因此，胞外鈣能否順利進(jìn)入精子鞭毛內(nèi)對(duì)鞭毛激活運(yùn)動(dòng)和超激活運(yùn)動(dòng)都是必需的。鈣調(diào)蛋白(CaM)作為細(xì)胞內(nèi)鈣受體普遍存在于真核細(xì)胞中，其蛋白表達(dá)水平下調(diào)會(huì)導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)活力下降[55]。sAC作為Ca2+的傳感器，激活sAC可顯著提高細(xì)胞中cAMP濃度，調(diào)節(jié)精子運(yùn)動(dòng)。但CaM對(duì)精子運(yùn)動(dòng)的影響并不是通過sAC實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)據(jù)顯示通過sAC環(huán)化酶可實(shí)現(xiàn)鈣離子改變調(diào)節(jié)精子運(yùn)動(dòng)。另外，鈣離子和CaM結(jié)合后激活下游的CaMK，進(jìn)而增加cAMP濃度從而啟動(dòng)精子運(yùn)動(dòng)[56]，使用CaMK的抑制劑可明顯降低精子活力[57]。動(dòng)物機(jī)體中的鈣調(diào)蛋白參與鞭毛運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)[58]。因此，在精子運(yùn)動(dòng)中鈣通路的調(diào)控起著非常重要的作用。

精子是一種高度分化的細(xì)胞，其運(yùn)動(dòng)需要的蛋白質(zhì)必須定位到成熟精子的尾部。前文論述中指出，AKAP被證實(shí)與靈長(zhǎng)類動(dòng)物和嚙齒類動(dòng)物精子運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和結(jié)束有關(guān)[47]，主要是參與軸絲蛋白激活及運(yùn)動(dòng)相關(guān)靶點(diǎn)蛋白的激活[59]。在這方面，小鼠精子FS的主要蛋白是AKAP4[57]，AKAPs可以將蛋白質(zhì)解離在精子鞭毛的不同位置，可以確保合適的蛋白質(zhì)在最佳的時(shí)間及位置表現(xiàn)鞭毛功能，進(jìn)而調(diào)節(jié)精子的運(yùn)動(dòng)。因此，了解精子運(yùn)動(dòng)的決定性基因和蛋白，調(diào)節(jié)精子運(yùn)動(dòng)的靶點(diǎn)及明確調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)畜牧生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的價(jià)值。

3 結(jié)語

精子的質(zhì)量是決定畜禽能否作為種源的重要因素，也是決定動(dòng)物能否受精成功的關(guān)鍵指標(biāo)，了解精子的活力、精子運(yùn)動(dòng)所需要的能量來源、運(yùn)動(dòng)的調(diào)控機(jī)制等，有助于掌握種畜禽精子的質(zhì)量，以提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能，提升養(yǎng)殖水平，提高養(yǎng)殖場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。