精子鞭毛的超顯微結(jié)構(gòu)與精子運(yùn)動(dòng)調(diào)控,生理學(xué)論文

精子鞭毛的超顯微結(jié)構(gòu)與精子運(yùn)動(dòng)調(diào)控,生理學(xué)論文摘要：哺乳動(dòng)物受精需要精子運(yùn)動(dòng)到雌性生殖道與卵子發(fā)生融合,精子的激活運(yùn)動(dòng)和超激活運(yùn)動(dòng)為精子到達(dá)受精部位完成受精經(jīng)過(guò)提供保障?；盍Φ拖碌木踊驘o(wú)活力的精子占比很高時(shí)將對(duì)雄性生育能力產(chǎn)生不利影響,因而對(duì)精子活力進(jìn)行分析是評(píng)估雄性生育能力的核心部分。精子的運(yùn)動(dòng)性對(duì)生育能力至關(guān)重要,但當(dāng)前弱精子癥仍然只是一個(gè)病理性的描繪敘述,對(duì)其潛在原因還了解不多,哺乳動(dòng)物精子運(yùn)動(dòng)的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)精子超顯微構(gòu)造及精子運(yùn)動(dòng)的幾種調(diào)控機(jī)制進(jìn)行闡述,旨在對(duì)臨床研究精子運(yùn)動(dòng)的生理經(jīng)過(guò)有更全面的理解,為弱精子癥的治療提供理論基礎(chǔ)。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：哺乳動(dòng)物;精子;鞭毛;雄性不育;分子遺傳學(xué);精子良好的運(yùn)動(dòng)性是雄性正常生育能力的核心部分。精子運(yùn)動(dòng)活力低下或無(wú)活力的個(gè)體通常沒(méi)有生育能力,除非借助先進(jìn)的生殖技術(shù)輔助。當(dāng)前,對(duì)于臨床上弱精子癥的發(fā)病機(jī)制仍知之甚少,除少數(shù)單基因缺陷(主要見(jiàn)于人類和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物)和一些明顯的睪丸損傷原因,如創(chuàng)傷、熱休克或射精后精子的儲(chǔ)存外,導(dǎo)致弱精子癥的根本原因還不為人知,因而對(duì)其進(jìn)行的治療也是非特異性的。對(duì)于改善育種管理,比方通過(guò)配子輸卵管內(nèi)移植(GIFT)或體外受精(IVF)技術(shù)、單精子卵泡漿顯微注射(ICSI)等在臨床上使卵子受精也是較為常見(jiàn)的方式方法。因而,弱精子癥通常是精子活力低下的臨床表現(xiàn),而不是導(dǎo)致不育的真正診斷。若僅依靠輔助生殖技術(shù)解決雄性不育問(wèn)題,對(duì)精子中異常的基因及合成蛋白導(dǎo)致的不育不重視,可能無(wú)意中會(huì)讓缺陷基因遺傳給后代。因而,完好地了解關(guān)于運(yùn)動(dòng)精子的分子經(jīng)過(guò),對(duì)臨床上更有效地解決精子運(yùn)動(dòng)能力的降低和相關(guān)低生育能力的問(wèn)題,最終使弱精子癥得到治療甚至治愈具有重要意義,如通過(guò)刺激相關(guān)信號(hào)通路或基因治療,而不是簡(jiǎn)單地利用ICSI逃避這個(gè)問(wèn)題。另外,了解裝配和調(diào)節(jié)功能性精子鞭毛需要的特定蛋白,也許能夠人為地毀壞其關(guān)鍵功能,進(jìn)而開(kāi)發(fā)一種安全高效的雄性避孕藥。本文通過(guò)回首對(duì)哺乳動(dòng)物鞭毛功能和精子運(yùn)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí),通過(guò)對(duì)不同動(dòng)物模型(包括小鼠、大鼠、倉(cāng)鼠等物種模型)的系統(tǒng)分析,了解到哺乳動(dòng)物精子功能的潛在機(jī)制往往高度保守,這些對(duì)于進(jìn)一步研究精子導(dǎo)致的不育機(jī)制研究具有重要作用。1、哺乳動(dòng)物精子運(yùn)動(dòng)的2種類型大部分哺乳動(dòng)物精子有2種生理性運(yùn)動(dòng):(1)新射精的精子中所見(jiàn)的激活運(yùn)動(dòng);(2)受精部位的大部分精子中可見(jiàn)的超激活運(yùn)動(dòng)[1,2]。激活運(yùn)動(dòng)精子鞭毛產(chǎn)生對(duì)稱性、低振幅擺動(dòng),驅(qū)動(dòng)精子在精漿或稀釋精液這種相對(duì)無(wú)黏性的環(huán)境中以近直線方式運(yùn)動(dòng)。大鼠試驗(yàn)證實(shí)激活鞭毛擺動(dòng)提供的動(dòng)力促進(jìn)精子穿過(guò)雌性生殖道[3]。即便一些無(wú)運(yùn)動(dòng)性的精子到達(dá)了輸卵管(可能是雌性動(dòng)物生殖道收縮的結(jié)果),大部分缺乏動(dòng)力的精子仍然不能夠到達(dá)子宮輸卵管交界處,因此無(wú)法在體內(nèi)受精。精子到達(dá)輸卵管后的某一時(shí)刻,鞭毛擺動(dòng)的形式會(huì)變成具有不對(duì)稱性的高振幅擺動(dòng),精子在精漿或稀釋的精液中靜止時(shí)呈圓形或8字形軌跡[4],這種形式被稱作超激活運(yùn)動(dòng)。近年來(lái),研究表示清楚在輸卵管較黏稠的環(huán)境中超激活精子運(yùn)動(dòng)呈相對(duì)直線游動(dòng)。相反,激活精子鞭毛的擺動(dòng)缺乏以推動(dòng)精子通過(guò)輸卵管。超激活運(yùn)動(dòng)的生理學(xué)作用是幫助精子擺脫輸卵管上皮細(xì)胞[5],在輸卵管環(huán)境中逐步移動(dòng)到受精的位置。除此之外,超激活運(yùn)動(dòng)可能有助于精子穿透卵子。在對(duì)嚙齒類動(dòng)物的研究中發(fā)現(xiàn),超激活精子運(yùn)動(dòng)也與精子在體外受精的能力有關(guān)[6,7]。因而,1個(gè)精子必須具備激活運(yùn)動(dòng)和超激活運(yùn)動(dòng)的能力以使卵子受精。假如這些事件沒(méi)有在適當(dāng)時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生,雄性的生育能力將顯著降低。在臨床中我們通常通過(guò)處理新鮮的新射精精子評(píng)估激活運(yùn)動(dòng),當(dāng)前還沒(méi)有先進(jìn)的臨床方式方法來(lái)誘導(dǎo)生理性的超激活運(yùn)動(dòng),因而這種運(yùn)動(dòng)形式也很少在臨床樣本上檢查到。當(dāng)前,在臨床上主要解決的是關(guān)于激活運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,故本文將主要綜述激活運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)制,及與超激活相關(guān)的詳細(xì)項(xiàng)目。2、精子鞭毛的超顯微構(gòu)造精子運(yùn)動(dòng)的正常的鞭毛超顯微構(gòu)造對(duì)其功能至關(guān)重要。鞭毛的4個(gè)主要超微構(gòu)造亞區(qū)為:連接段、中段、主段和末端[8]。連接段是鞭毛最短的部分,連接到精子頭部細(xì)胞核的植入窩。在這點(diǎn)上,從中心粒的剩余部分開(kāi)場(chǎng),鞭毛軸絲延伸到鞭毛的4個(gè)亞區(qū)。鞭毛軸絲由圍繞中心微管的9組二聯(lián)微管組成。內(nèi)、外動(dòng)力蛋白臂分別由9對(duì)外周二聯(lián)微管發(fā)散出來(lái),這些蛋白臂負(fù)責(zé)產(chǎn)生鞭毛的動(dòng)力[9]。除此之外,分別來(lái)源于9對(duì)外周二聯(lián)微管的9個(gè)軸幅向內(nèi)以螺旋狀在中心微管周圍排列。中段是僅次于連接段最接近頭部的部分,約占鞭毛長(zhǎng)度的1/4～1/3。中段是由9個(gè)外周致密纖維(ODF)和包圍ODF的線粒體鞘(MS)構(gòu)成。ODF延伸整個(gè)中段并進(jìn)入主段部分,而MS只存在于中段部分。中段的終環(huán)標(biāo)志中段的結(jié)束和下一個(gè)鞭毛組成部分主段的開(kāi)場(chǎng),主段約占鞭毛總長(zhǎng)度的2/3。在主段的開(kāi)場(chǎng)即線粒體鞘的結(jié)束部位,2個(gè)ODF被2個(gè)纖維鞘(FS)取代,ODF的數(shù)量從9個(gè)減少至7個(gè)。FS是主段獨(dú)有的構(gòu)造,延伸整個(gè)主段,ODF的外周圓形縱向肋保證其穩(wěn)定性。當(dāng)主段接近終止時(shí),ODFs和FS逐步變細(xì)并最終消失。鞭毛的尾端被稱為末端,只包含由細(xì)胞膜包圍的鞭毛軸絲。鞭毛軸絲在所有含有纖毛和鞭毛的真核細(xì)胞中高度保守。MS、ODFs和FS是哺乳動(dòng)物精子鞭毛特有的附屬構(gòu)造(圖1)[10]。盡管組成這些構(gòu)造的蛋白質(zhì)的編碼基因中有一些已被克隆并進(jìn)行特征描繪敘述,但大多數(shù)仍只是外表上的描繪敘述或完全沒(méi)有被辨別。2.1、鞭毛軸絲鞭毛是所有真核生物纖毛和鞭毛運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)。在綠藻中,已有超過(guò)200種鞭毛軸絲和與軸絲相關(guān)蛋白被描繪敘述,哺乳動(dòng)物的鞭毛軸絲與其相比復(fù)雜程度至少一樣。在哺乳動(dòng)物精子中哺乳微管蛋白是迄今為止最重要的鞭毛軸絲蛋白[13],當(dāng)腺苷三磷酸酶被激活時(shí),它會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)外周鞭毛軸絲雙微管的滑動(dòng),隨著雙微管一個(gè)接另一個(gè)滑動(dòng),鞭毛發(fā)生彎曲[14]。鞭毛軸絲蛋白的缺陷可導(dǎo)致鞭毛軸絲的異常組裝和擺動(dòng),在綠藻的軸絲蛋白上進(jìn)行大量的誘變?cè)囼?yàn),因而很多軸絲蛋白的缺陷已被證明可導(dǎo)致鞭毛缺乏運(yùn)動(dòng)性[15]。由于鞭毛軸絲存在于所有的真核生物細(xì)胞中,哺乳動(dòng)物的鞭毛軸絲紊亂可導(dǎo)致臨床異常感覺(jué)和狀態(tài),包含除精子外的其他類型的纖毛細(xì)胞。在人類和一些家畜中由軸絲排列異常導(dǎo)致的疾病已有研究,如鞭毛軸絲缺陷可導(dǎo)致精子活力低下或缺失,并伴有不育,如原發(fā)性纖毛細(xì)胞運(yùn)動(dòng)障礙[16];若排列異常影響到聽(tīng)覺(jué)毛細(xì)胞則會(huì)導(dǎo)致亞瑟氏綜合征[17];當(dāng)缺陷牽涉視網(wǎng)膜的改進(jìn)纖毛細(xì)胞時(shí)會(huì)導(dǎo)致失明[18]。2.2、外周致密纖維ODFs第一個(gè)可疑作用是精子尾部的構(gòu)造支撐,角蛋白樣中間絲狀體ODF蛋白編碼基因的成功克隆為這一假講提供支持[19,20,21]。有研究表示清楚,ODF對(duì)細(xì)胞骨架的構(gòu)建和細(xì)胞分裂發(fā)育有重要作用。ODF與精子鞭毛功能受損有關(guān),進(jìn)而影響精子的獲能,這講明ODF并非只是單一的構(gòu)造蛋白。2.3、線粒體鞘ATP作為鞭毛運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源,精子軸絲運(yùn)動(dòng)蛋白對(duì)ATP有較高需求。與其他細(xì)胞一樣,精子線粒體通過(guò)有氧呼吸產(chǎn)生ATP。線粒體被終環(huán)限制只存在于精子中段的線粒體鞘中,而軸絲卻貫穿整個(gè)鞭毛,假如線粒體ATP是軸絲唯一的能量來(lái)源,那么它必須擴(kuò)散一段距離才能為整個(gè)軸絲充分供給能量。使用ATP擴(kuò)散常數(shù)和地貌形態(tài)示量預(yù)估的小鼠精子鞭毛線粒體體積[22],數(shù)學(xué)模型表示清楚,在中段產(chǎn)生的ATP是缺乏以擴(kuò)散至尾端以知足動(dòng)力蛋白的能源需求。除此之外有研究表示清楚,小鼠不依靠線粒體的氧化磷酸化仍可發(fā)生受精[23],精子仍能產(chǎn)生ATP(低于野生型精子水平)且具有活力,盡管水平有所降低[24]。這些數(shù)據(jù)表示清楚線粒體氧化磷酸化并不是支持鞭毛運(yùn)動(dòng)ATP的主要來(lái)源。2.4、纖維鞘與ODFs一樣,FS在精子運(yùn)動(dòng)中起著機(jī)械性作用,它為鞭毛提供有力支撐,并決定了鞭毛的平面運(yùn)動(dòng)[25]。FS的2個(gè)縱向肋連同外周縱向肋,構(gòu)成了1個(gè)工字梁狀構(gòu)造,軸絲微管能夠沿此軌道滑動(dòng),這種滑動(dòng)形式具有cAMP依靠性,十分是cAMP依靠性的蛋白激酶A(PKA)介入[26]。由于越來(lái)越多介入精子運(yùn)動(dòng)信號(hào)通路和代謝的蛋白定位于FS,除了構(gòu)造支撐作用外,FS在鞭毛運(yùn)動(dòng)調(diào)控中可發(fā)揮更直接作用。有研究表示清楚,氧化應(yīng)激可干擾精子活力和損傷DNA,至少有1種FS蛋白能夠保衛(wèi)精子免受氧化應(yīng)激的影響[27]。基于這些數(shù)據(jù),如今普遍以為FS是對(duì)鞭毛功能至關(guān)重要的多種信號(hào)通路和代謝級(jí)聯(lián)反響的支架和中心。精子特異性GAPD-S是一種定位于FS上的酶,其靶向缺失可導(dǎo)致雄性不育,與精子活力異常嚴(yán)密相關(guān)。很多哺乳動(dòng)物的FS上可鑒定到糖酵解酶,如己糖激酶、乳酸脫氫酶和甘油醛-3-磷酸脫氫酶[28]。在某些情況下,這些酶的亞型是精原細(xì)胞特有的。除此之外,GAPD-S下游的所有糖酵解酶在去除膜后仍附著在細(xì)胞骨架上,表示清楚它們是FS或ODFs的組成部分[29]。精子尾部最重要的ATP來(lái)源是在精子鞭毛主段上進(jìn)行的糖酵解,而不是通過(guò)中段的氧化磷酸化途徑[30]。基因敲除小鼠研究表示清楚,主段上糖酵解產(chǎn)生ATP是超激活運(yùn)動(dòng)的必要條件,而抑制氧化磷酸化并不會(huì)阻礙受精[31]。2.5、隨著鞭毛的拍擊游動(dòng)當(dāng)軸絲動(dòng)力蛋白臂磷酸化時(shí),動(dòng)力蛋白ATP酶被激活,ATP水解驅(qū)動(dòng)動(dòng)力蛋白臂鄰近的雙微管一個(gè)接一個(gè)滑動(dòng)[14,32],由于軸絲被錨定在精子頭部底端,這種滑動(dòng)力被轉(zhuǎn)化為鞭毛的彎曲運(yùn)動(dòng)。鈣調(diào)蛋白依靠性的磷酸酶鈣調(diào)蛋白的去磷酸化可使這一經(jīng)過(guò)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。動(dòng)力蛋白臂產(chǎn)生單向力,相關(guān)動(dòng)力蛋白臂的磷酸化和去磷酸化及激活和失活在整個(gè)軸絲周圍上以異步方式發(fā)生,使軸絲產(chǎn)生正常彎曲。每一個(gè)動(dòng)力蛋白臂與鄰近的雙微管互相作用,產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)力使雙微管彎曲,然后釋放雙微管,這樣軸絲就能夠回到它的原始位置并再次向相反方向彎曲。3、精子運(yùn)動(dòng)的調(diào)控機(jī)制通常以為cAMP/PKA和鈣信號(hào)通路是調(diào)控哺乳動(dòng)物精子活力最重要的2個(gè)信號(hào)通路[33]。異三聚體和微蛋白介導(dǎo)的通路及pH值的變化也對(duì)精子運(yùn)動(dòng)起作用[34],但這些機(jī)制在成熟精子中還未清楚地表述。3.1、cAMP/PKA環(huán)磷酸腺苷依靠性的鞭毛蛋白負(fù)責(zé)一部分哺乳動(dòng)物精子激活運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和維持。在小鼠中,cAMP依靠的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶催化亞基的靶向缺失會(huì)表現(xiàn)出不育,可能是通過(guò)cAMP激活PKA影響精子的運(yùn)動(dòng)[35]。固然PKA可能通太多種途徑控制鞭毛功能,但華而不實(shí)一個(gè)作用機(jī)制是激活下游PKA靶蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸化傳遞介導(dǎo)胞外信號(hào),影響精子活力。到當(dāng)前為止,只要少數(shù)PKA磷酸化蛋白靶點(diǎn)在精子中被確定。已經(jīng)知道的一個(gè)重要的蛋白靶點(diǎn)是軸絲動(dòng)力蛋白臂,正如前文所述,其磷酸化是鞭毛運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)點(diǎn)。除調(diào)節(jié)PKA通路外,cAMP還可激活精子中的其他信號(hào)通路,如環(huán)核苷酸門控離子通道、cAMP介導(dǎo)的鳥嘌呤核苷酸交換因子。鞭毛蛋白的酪氨酸酶磷酸化和去磷酸化與靈長(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)。華而不實(shí)一種含有酪氨酸酶磷酸化的蛋白是A激酶錨定蛋白(AKAP)。AKAPs是負(fù)責(zé)將PKA和其他蛋白錨定并作用于底物,催化靶蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸化的一類蛋白家族,AKAP介導(dǎo)的靶蛋白的變化與調(diào)節(jié)精子激活運(yùn)動(dòng)有關(guān)[36]。除此之外,pH值可通過(guò)胞內(nèi)HCO3-/sNHE-sAC-cAMP-PKA信號(hào)通路調(diào)控精子鞭毛上運(yùn)動(dòng)相關(guān)構(gòu)造蛋白的磷酸化水平進(jìn)而影響精子鞭毛的擺動(dòng)形式。3.2、鈣信號(hào)具有活力的精子樣本中需要添加胞外鈣,眾所周知,鈣可調(diào)節(jié)激活運(yùn)動(dòng)和超激活運(yùn)動(dòng)[37]。鈣通過(guò)調(diào)節(jié)可溶性腺苷環(huán)化酶(sAC)影響鞭毛功能,sAC通過(guò)水解ATP生成cAMP來(lái)激活PKA。因而,鈣信號(hào)通過(guò)sAC可作為通路的一部分與PKA信號(hào)連接起來(lái),進(jìn)一步引發(fā)PKA介導(dǎo)的cAMP/PKA信號(hào)通路調(diào)控精子活動(dòng)[38],精子使鞭毛內(nèi)鈣含量增加的機(jī)制尚不完全清楚。細(xì)胞內(nèi)部鈣儲(chǔ)備可能是原因之一,十分是在超激活化運(yùn)動(dòng)的調(diào)控中。與體細(xì)胞不同,除頂體外,精子鞭毛中無(wú)明顯的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),故沒(méi)有胞內(nèi)鈣儲(chǔ)備。精子頸部的冗余核膜被以為是細(xì)胞內(nèi)鞭毛鈣的來(lái)源之一[39]。大量研究表示清楚,除了胞內(nèi)儲(chǔ)存,胞外鈣離子通過(guò)膜通道進(jìn)入精子是影響細(xì)胞內(nèi)鈣水平變化的另一種方式[40]。環(huán)核苷酸門控通道(CNGC)可能在鞭毛的不同微區(qū)產(chǎn)生不同的鈣內(nèi)流形式[41],這些通道的不同亞單位在精子中以不同的時(shí)間和空間形式存在。CNGC的羧基末端與cGMP和cAMP結(jié)合激活該通道,固然在精子中CNGC對(duì)cGMP最敏感,它對(duì)cAMP的反響表示清楚其與精子主要的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)通路(PKA和鈣信號(hào))有關(guān)?；蚯贸芯恳矠榘忖}在胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)為精子運(yùn)動(dòng)所必需而提供強(qiáng)有力的證據(jù)。CatSperⅠ門控陽(yáng)離子通道定位于成熟精子主段[42],是cAMP誘導(dǎo)鈣離子流入精子所必需的[43]。CatSperⅠ基因的靶向缺失可導(dǎo)致精子細(xì)胞內(nèi)的cAMP刺激消失,使胞內(nèi)鈣降低進(jìn)而導(dǎo)致精子活力降低。在精子鞭毛中有另一個(gè)相關(guān)電壓門控鈣通道(CatSperⅡ),針對(duì)性地敲除CatSperⅡ基因會(huì)導(dǎo)致雄性不育,這與精子缺乏超激活運(yùn)動(dòng)有關(guān)[43]。由此可見(jiàn),通道介導(dǎo)的胞外鈣進(jìn)入到鞭毛對(duì)激活運(yùn)動(dòng)和超激活運(yùn)動(dòng)均為必需。T型鈣通道的亞型Cav2.3(1E)靶向缺失的小鼠,盡管具有生育能力,但在精子胞內(nèi)鈣瞬時(shí)轉(zhuǎn)變經(jīng)過(guò)中表現(xiàn)異常,與野生型精子相比其精子線性度也存在差異。以上數(shù)據(jù)為膜通道在鞭毛功能調(diào)控發(fā)揮重要作用提供了進(jìn)一步的證據(jù)。3.3、鈣/鈣調(diào)蛋白-鈣調(diào)蛋白激酶鈣調(diào)蛋白是一種在真核細(xì)胞中普遍存在的胞內(nèi)鈣受體,由于抑制CaM會(huì)降低精子的活力[44],鈣對(duì)鞭毛的某些影響可能通過(guò)CaM實(shí)現(xiàn)。研究表示清楚,ATP可刺激PKA恢復(fù)CaM抑制的精子的活力。sAC作為Ca2+的傳感器,激活sAC可使cAMP濃度升高調(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(guò)sAC實(shí)現(xiàn),所以鈣對(duì)sAC的影響與CaM無(wú)關(guān)。綜上所述,這些數(shù)據(jù)顯示至少存在2個(gè)不同的鈣通道,華而不實(shí)一個(gè)是通過(guò)sAC這種環(huán)化酶實(shí)現(xiàn)(如sAC/PKA),另一個(gè)是通過(guò)CaM。由于sAC基因的缺失導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)性降低,由此得出鈣離子/CaM不能補(bǔ)償sAC喪失的功能。然而,當(dāng)CaM遭到抑制時(shí),PKA通路的沖動(dòng)劑可恢復(fù)精子運(yùn)動(dòng),故sAC通路的成分可彌補(bǔ)鈣/鈣調(diào)蛋白激酶功能的喪失。鈣調(diào)蛋白激酶(CaMK)是CaM的下游目的。鈣離子和CaM結(jié)合后激活CaMK,激活的CaMK促使cAMP增加進(jìn)而啟動(dòng)精子運(yùn)動(dòng)[45],使用CaMK的抑制劑可降低精子活力[46]。所以CaM對(duì)精子運(yùn)動(dòng)的影響可能是通過(guò)激活鞭毛中的CaMK。有研究已將CaM與T型鈣通道在精子中的調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)在一起[47,48],鈣調(diào)蛋白是一種鈣離子/CaM依靠的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶,也介入鞭毛運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)。因而,CaM/CaMK是哺乳動(dòng)物精子運(yùn)動(dòng)中鈣通路調(diào)節(jié)的成分。3.4、時(shí)間與空間上的精準(zhǔn)調(diào)控精子是一種高度分化的細(xì)胞,介入頂體反響的蛋白質(zhì)必須定位于頂體。卵質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)在精子的赤道部區(qū)域結(jié)合。在精子運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)中需要的蛋白質(zhì)必須定位到成熟精子的尾部,可使用AKAPs劃分蛋白質(zhì)。AKAPs是一個(gè)蛋白家族,其功能是將PKA連接至特定的亞細(xì)胞區(qū)域。AKAPs將PKA栓在鞭毛FS上,進(jìn)而將激酶的作用范圍限制在與運(yùn)動(dòng)相關(guān)靶點(diǎn)附近的軸絲內(nèi)(圖2)[49,50]。在這方面,小鼠精子FS的主要蛋白是AKAP4[46]。當(dāng)前,已經(jīng)知道AKAPs是多種哺乳動(dòng)物FS/主段的主要組成部分,這表示清楚在進(jìn)化上它們?cè)诒廾δ苤械淖饔檬潜Ｊ氐腫51],因而也表現(xiàn)出其關(guān)鍵性。通過(guò)AKAPs將蛋白質(zhì)解離在鞭毛的不同位置,能夠確保適宜的蛋白質(zhì)在合適時(shí)間、合適位置表現(xiàn)鞭毛功能。小鼠AKAP4基因靶向突變使精子活力嚴(yán)重降低,證明AKPA錨定蛋白對(duì)鞭毛功能的重要性。PKA2型調(diào)節(jié)亞基的靶向缺失及與其相關(guān)的PKA催化亞基錨定缺失,對(duì)小鼠的精子活力或生育能力沒(méi)有明顯影響[52],這似乎與精子運(yùn)動(dòng)需要PKA錨定(假設(shè)是通過(guò)AKAPs)作用的觀點(diǎn)相矛盾,其原因可能是在鞭毛中存在的其他PKA亞型,在2型調(diào)節(jié)亞基失去錨定時(shí)對(duì)鞭毛產(chǎn)生補(bǔ)償。在體細(xì)胞中,AKAP家族成員是和激酶、磷酸酶一樣的細(xì)胞支架。假如這些錨定蛋白在精子中發(fā)揮類似的作用,那么它們可能是調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的磷酸化/去磷酸化通路中的主要調(diào)控因子。4、導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)異常的原因當(dāng)前,研究中獲得的信息很少應(yīng)用到臨床實(shí)踐中,但我們可揣測(cè)出雄性先天性弱精子癥的病因。假如精子尾部的超微構(gòu)造有明顯的形態(tài)學(xué)缺陷,則正常鞭毛的擺動(dòng)可能出現(xiàn)機(jī)械性問(wèn)題。通常這些異常能夠通過(guò)對(duì)精子的常規(guī)形態(tài)學(xué)評(píng)估來(lái)確定,或者在特殊的情況下使用電子顯微鏡來(lái)確定。精子線粒體蛋白的缺失會(huì)導(dǎo)致ATP合成受損,這將對(duì)精子功能產(chǎn)生不利影響,因而線粒體功能的測(cè)定對(duì)蛋白質(zhì)缺失的線粒體是有效的。當(dāng)前,證據(jù)表示清楚精子的運(yùn)動(dòng)并非一定需要鞭毛中段的氧化磷酸化,所以線粒體功能低下未必是精子運(yùn)動(dòng)能力弱的主要原因。假如主段中正常糖酵解的臨床試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)展起來(lái),可證明糖酵解對(duì)精子運(yùn)動(dòng)有更直接的影響。支持精子運(yùn)動(dòng)的信號(hào)通路相當(dāng)復(fù)雜,信號(hào)通路任何異常都會(huì)導(dǎo)致精子活動(dòng)性下降。例如,細(xì)胞膜鈣通道的問(wèn)題(如敲除catsper的小鼠精子顯示不運(yùn)動(dòng)[53])及PKA信號(hào)通路中cAMP數(shù)量的變化(如敲除sAC的小鼠精子表現(xiàn)出不運(yùn)動(dòng)[54])和任何信號(hào)通路組成部分發(fā)生的問(wèn)題(如發(fā)現(xiàn)CaM或CaMK遭到抑制的精子運(yùn)動(dòng)能力降低[45,55])。假如類似的問(wèn)題發(fā)生,那么在臨床病例上極有可能表現(xiàn)為不育。5、結(jié)論根據(jù)對(duì)精子運(yùn)動(dòng)分子基礎(chǔ)上的討論,我們已經(jīng)了解精子運(yùn)動(dòng)所需的基因和蛋白質(zhì)種類,這些蛋白包括介入精子構(gòu)造、鞭毛組裝、鈣信號(hào)傳導(dǎo)、蛋白磷酸化和靶向蛋白。但我們還沒(méi)有研究精子發(fā)生經(jīng)過(guò)中(例如無(wú)精子癥基因DAZ的缺失)或正常生殖道的發(fā)育經(jīng)過(guò)中(如囊性纖維跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)子CFTR基因)牽涉的基因,在全面解決先天性弱精子癥之前仍然還存在很多問(wèn)題尚待解決。本研究從鞭毛生理學(xué)研究中獲得的信息,將使臨床上治療弱精子癥時(shí),改良其對(duì)不育的診斷和詳細(xì)治療方式方法。另一方面,可以以通過(guò)抑制鞭毛的功能作用進(jìn)而降低精子的活力,這能夠引導(dǎo)我們開(kāi)發(fā)出一種有效和安全的雄性避孕藥。精子運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制的研究在畜牧生產(chǎn)上也具有重要應(yīng)用價(jià)值,為人工授精提供理論基礎(chǔ)。以下為參考文獻(xiàn)[1]SuarezSS,OsmanRA.Initiationofhyperactivatedflagellarbendinginmousespermwithinthefemalereproductivetract[J].BiologyofReproduction,1987,36(5):1191-1198.[2]KatzDF,VanagimachiR.Movementcharacteristicsofhamsterspermatozoawithintheoviduct[J].BiologyofReproduction,1980,22(4):759-764.[3]Gaddum-RosseP.Someobservationsonspermtransportthroughtheuterotubaljunctionoftherat[J].TheAmericanJournalofAnatomy,1981,160(3):333-341.[4]YanagimachiR.Themovementofgoldenhamsterspermatozoabeforeandaftercapacitation[J].JournalofReproductionandFertility,1970,23(1):193-196.[5]IshijimaS.Dynamicsofflagellarforcegeneratedbyahyperactivatedspermatozoon[J].Reproduction,2018,142(3):409-415.[6]FraserLR,QuinnPJ.Aglycolyticproductisobligatoryforinitiationofthespermacrosomereactionandwhiplashmotilityrequiredforfertilizationinthemouse[J].JournalofReproductionandFertility,1981,61(1):25-35.[7]BoatmanDE,RobbinsRS.Bicarbonate:carbon-dioxideregulationofspermcapacitation,hyperactivatedmotility,andacrosomereactions[J].BiologyofReproduction,1991,44(5):806-813.[8]OunjaiP,KimKD,LishkoPV,etal.Three-dimensionalstructureofthebovinespermconnectingpiecerevealedbyelectroncryotomography[J].BiologyofReproduction,2020(73):1-9.[9]FiedlerSE,DudikiT,VijayaraghavanS,etal.LossofR2D2proteinsROPN1andROPN1Lcausesdefectsinmurinespermmotility,phosphorylation,andfibroussheathintegrity[J].BiologyofReproduction,2020,88(41):1-10.[10]TurnerRM.Movingtothebeat:areviewofmammalianspermmotilityregulation[J].ReproductionFertilityandDevelopment,2006,18(1/2):25-38.[11]BarrattCL,PublicoverSJ.Spermarepromiscuousandcatsperistoblame[J].EMBOJournal,2020,31(7):1624-1626.[12]DuPlessisSS,AgarwalA,MohantyG,etal.Oxidativephosphorylationversusglycolysis:whatfueldospermatozoause?[J].AsianJournalofAndrology,2021,17(2):230-235.[13]LinJ,OkadaK,RaytchevM,etal.Structuralmechanismofthedyneinpowerstroke[J].NatureCellBiology,2020(5):479-485.[14]IshijimaS.Self-sustainedoscillatoryslidingmovementofdoubletmicrotubulesandflagellarbendformation.[J].PLoSOne,2021(2):e148880.[15]LuckD,PipernoG,RamanisZ,etal.Flagellarmutantsofchlamydomonas:studiesofradialspoke-defectivestrainsbydikaryonandrevertantanalysis[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,1977,74(8):3456-3460.[16]LinckRW,ChemesH,AlbertiniDF.Theaxoneme:thepropulsiveengineofspermatozoaandciliaandassociatedciliopathiesleadingtoinfertility[J].JournalofAssistedReproductionandGenetics,2021,33(2):141-156.[17]WeilD,BlanchardS,KaplanJ,etal.DefectivemyosinVIIAgeneresponsibleforushersyndrometype1B[J].Nature,1995,374(6517):60-61.[18]HunterDG,FishmanGA,KretzerFL.AbnormalaxonemesinX-linkedretinitispigmentosa[J].ArchivesofOphthalmology,1988,106(3):362-368.[19]GastmannO,BurfeindP,GuntherE,etal.Sequence,expression,andchromosomalassignmentofahumanspermouterdensefibergene[J].MolecularReproductionandDevelopment,1993,36(4):407-418.[20]MoralesCR,OkoR,Cler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