精子獲能機理的探究

精子獲能機理的探究

精子獲能的定義：哺乳動物受精是一件特殊復(fù)雜的分子事件。為了和卵子結(jié)合，精子必須經(jīng)歷極大的改變，包括以下幾方面：（1）在睪丸中形成和發(fā)育；（2）在附睪中成熟；（3）在雌性生殖道內(nèi)獲能;（4）最后是在受精前的透明帶反應(yīng)。

哺乳動物的精子在剛射入雌性生殖道時,或從附睪取出時,并不具備受精能力,必需在雌性生殖道內(nèi)經(jīng)過一段時間,發(fā)生生理及形態(tài)學的變化才能獲得受精能力,這一現(xiàn)象是被美籍華人科學家張明覺和澳大利亞科學家Austin

發(fā)現(xiàn)的,后來被Austin

稱為精子獲能（Sperm

Capacitation）。這一現(xiàn)象中精子發(fā)生很多生理生化改變，包括一些精子內(nèi)部和表面的一些變化，如：精漿蛋白的移除、糖蛋白被吸收到精子的表面和精子質(zhì)膜的改變。

所有被研究過的哺乳動物的精子必須在雌性動物生殖道內(nèi)停留一段時間才能獲能。哺乳動物的精子也能在體外通過在某種包含能量物質(zhì)，電解質(zhì)和膽固醇受體（通常是雌性動物生殖道內(nèi)的白蛋白）的化學物質(zhì)中獲能。

2.哺乳動物的精子包含兩個部分：（1）含有頂體的頭部（頭的前部）和頂體后環(huán)區(qū)域（頭的后部）；（2）包含主段，中段和尾段的鞭毛。精子的獲能是通過一系列的膜性能的改變和精子頭部和尾部多種酶激活從而激活細胞信號通路的結(jié)果。

3.生物體內(nèi)和體外獲能

在性交過程中，數(shù)百萬的精子停留在雌性生殖道內(nèi)。其中的大量精子細胞都會被淘汰；但是會有一小部分比例停留在其中的精子會迅速的通過高度褶皺和充滿粘液的子宮頸。子宮頸有三個作用：（1）阻止精清進入子宮；（2）排除形態(tài)不正常的精子和病原微生物；（3）為后來的運輸儲存精子。一旦精子進入子宮頸，就會主動或被動的快速移動到子宮和輸卵管。進入輸卵管的精子會遭遇輸卵管排出的卵子，發(fā)生透明帶反應(yīng)并與之融合。

精子體內(nèi)獲能的最初改變包括：（1）精漿蛋白的移除，糖蛋白被吸收到精子的表面；（2）經(jīng)過雌性動物生殖道時精子表面分子的改變。精子獲能主要是精子質(zhì)膜蛋白發(fā)生多種分子變化和甾醇類物質(zhì)（主要是膽固醇）的變化改變了精子質(zhì)膜的性質(zhì)。膽固醇的流出改變了膜的通透性和流動性導(dǎo)致了離子的流入，從而激活了細胞內(nèi)第二信使?？傊?，在獲能的過程中，這些改變引起了精子蛋白激酶的激活，蛋白酪氨酸磷酸化從而激活精子。

Yanagimachi是第一個人使用超活化這個詞來描述精子獲能后那種活動性特別強和尾部揮動厲害的特性。超活化現(xiàn)在已經(jīng)在所有被檢驗過的動物中都有所報道并且被認為是精子獲能中鞭毛運動性的一個變化。盡管超活化的精子活力與獲能過程有關(guān)，但這兩個變化過程是被兩種獨立的機制調(diào)控的。

射出的精子或者附睪尾部的精子也能在體外進行受精，只需放在含有牛血清蛋白、能量物質(zhì)和電解質(zhì)的混合液中即能獲能。白蛋白是雌性生殖道內(nèi)分泌的主要蛋白質(zhì)，同時也是體內(nèi)和體外獲能的關(guān)鍵物質(zhì)。這種蛋白質(zhì)被認為是通過促進甾醇類（主要是膽固醇）從精子質(zhì)膜流出從而啟動精子獲能。甾醇類物質(zhì)的流出導(dǎo)致了膜性質(zhì)的改變，增加了膜的通透性和流動性，造成了鈣離子和碳酸氫根負離子的流入，同時激活了細胞內(nèi)的第二信使。

正如上所述，鈣離子和碳酸氫根負離子的流入啟動了一個信號級聯(lián)反應(yīng)。它包括以下幾方面：（a）腺苷酸環(huán)化酶的激活和環(huán)磷酸腺苷（cAMP）的生成；（b）蛋白激酶A或者其它激酶激活；（c）精子分子的一個子集發(fā)生蛋白酪氨酸磷酸化。因此，或許我們可以通過識別精子獲能時或者獲能過的精子的酪氨酸磷酸化分子來研究精子獲能的信號通路。

除了膽固醇的流出和鈣離子以及碳酸氫根負離子的流入外，另外一個導(dǎo)致獲能的重要改變就是精子質(zhì)膜的成分和分布的改變。失去了膽固醇降低了質(zhì)膜上膽固醇/磷脂的比例。有證據(jù)表明精子獲能前后精子質(zhì)膜上的磷脂總量是沒有變化的，但在質(zhì)膜內(nèi)外的分布卻是有變化的。更進一步說，有證據(jù)表明在精子獲能時，精子質(zhì)膜的磷脂發(fā)生甲基化。因此，我們有理由可以假設(shè)精子獲能時質(zhì)膜經(jīng)歷了一些生化變化并重新定位。

4.精子頭部變化

應(yīng)該指出的是，只有獲能的精子才能粘附在透明帶完整的卵子上并發(fā)生透明帶反應(yīng)，這也與精子頭前部表面發(fā)生很多改變相一致。有趣的是，有證據(jù)表明獲能的精子在凝集素結(jié)合的部分發(fā)生了改變。由于凝集素與糖基終端結(jié)合是高度特異性和親和性，所以可以得出在精子獲能時，精子頭部的前部分表面區(qū)域的聚糖單位發(fā)生了變化。確實我們已經(jīng)證實了在培養(yǎng)基中獲能的精子經(jīng)歷了膜的調(diào)整。最終的結(jié)果是獲能精子頂體內(nèi)谷氨酸水解酶的暴露在表面。一些頂體內(nèi)的谷氨酸水解酶是谷氨酸蛋白。它們暴露在獲能精子的表面預(yù)計會改變精子凝集素結(jié)合的性質(zhì)。

5.精子尾部的變化

積累的證據(jù)表明除了公豬外獲能精子的鞭毛也會發(fā)生蛋白酪氨酸磷酸化。Urner使用瑩光免疫的方法來定位小鼠獲能精子，精卵結(jié)合和異性配子融合時的酪氨酸磷酸化蛋白。用這種方法證明了在小鼠精子獲能時鞭毛的所有蛋白酪氨酸磷酸化都有增加。有趣的是，他們還證明了鞭毛主段的酪氨酸磷酸化增加先于鞭毛的中段。結(jié)合到透明帶后，鞭毛的主段和中段區(qū)域都開始逐步磷酸化。這個過程在人類精子獲能的過程中也一樣。

必須重要強調(diào)的是精子尾部的蛋白酪氨酸磷酸化是與獲能精子運動能力及其活力相關(guān)的。酪氨酸磷酸化抑制劑-A47是一種蛋白酪氨酸激酶抑制劑，當添加到體外獲能培養(yǎng)液中，將抑制獲能相關(guān)的蛋白酪氨酸磷酸化從而抑制精子活化。精子尾部的活躍是相當重要的，它對精子穿越卵子周圍的顆粒細胞和穿過透明帶極其重要，是精子獲能的一個重要標志。

應(yīng)該注意的是盡管在精子獲能時一些分子機制被說成是蛋白酪氨酸磷酸化，并被認為是調(diào)控精子獲能的重要事件，但目前為止，這些描述都是很少。早期的研究大都使用藥理學的方法用抗磷酸化抗體去檢驗這些現(xiàn)象。最近，磷酸化蛋白質(zhì)分析法和基因敲除方法的應(yīng)用為更好的識別和描述精子獲能中酪氨酸磷酸化分子起到了促進作用。這些方法的應(yīng)用將會為雄性動物配子在獲能中精子成分子集的蛋白酪氨酸磷酸化的生理意義帶來新的深刻的見解。

6.信使調(diào)控系統(tǒng)

大多數(shù)的研究推斷：鈣離子，碳酸氫根負離子和cAMP是調(diào)控精子獲能的第二信使關(guān)鍵分子。當牛的精液放在獲能液中體外獲能，精子內(nèi)的鈣離子增加6倍。這種增加將會刺激鈣離子依賴性ATP酶和腺苷酸環(huán)化酶，而這兩種酶是涉及到信號級聯(lián)的關(guān)鍵酶。去掉獲能液中的外鈣離子，將阻礙精子獲能但酪氨酸磷酸化依然進行。這些數(shù)據(jù)表明鈣離子在獲能的其它事件中扮演著一個角色。鈣是通過鈣結(jié)合蛋白以二價陽離子相互作用進行構(gòu)架變化從而在精子獲能中發(fā)揮作用。這種離子間的相互反應(yīng)在一些細胞信號通路上演繹著重要的角色，它們主要通過調(diào)節(jié)多種酶的生物活性，蛋白質(zhì)和離子泵包括鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性激酶來影響這些通路。

最近的研究證明獲能液中鈣的存在時維持人類精子活力的一個必須因子。為了證明在人類精子活力的鈣離子調(diào)節(jié)上鈣調(diào)蛋白激酶IV是否涉及到，Herr博士組在精子獲能液中使用這種激酶的特殊抑制劑（KN62和KN93）或者它們的無效類似物（KN04和KN92）。結(jié)果添加的抑制劑導(dǎo)致精子活動性逐漸降低，但沒有改變精子的生活力，蛋白酪氨酸磷酸化和透明帶反應(yīng)，而無效類似物卻沒有這現(xiàn)象。在精子獲能時，定位于精子鞭毛的激酶IV增加?？偟膩砜?，這些數(shù)據(jù)證明了人類精子獲能調(diào)控涉及到了鈣調(diào)蛋白激酶IV。

積累的證據(jù)表明精子獲能時碳酸氫根負離子跨膜運動進入精子會使精細胞內(nèi)的pH值升高。也有報道說碳酸氫根離子會刺激腺苷酸環(huán)化酶，通過合成增加使cAMP水平增加[16]。cAMP的主要目的被認為是刺激PKA。PKA是一個聚合酶，含有四個集團，包括兩個調(diào)控的（R）和兩個催化的（C）單位。這個聚合物（R2C2）相互依賴穩(wěn)定存在。有報道稱兩種PKA抑制劑可以抑制蛋白酪氨酸磷酸化同時抑制精子獲能。所以可以看出PKA在精子功能中也發(fā)揮了重要的作用。

有人提出PKA和PKC的交叉通路在精子獲能和磷酸肌醇3-激酶（PI3-K）的激活中非常重要。有趣的是，在獲能時PKA的激活被認為是磷脂酶C的失活并阻止PKC的激活。然而這個交叉通路激活了PI3-K。在體細胞上，瘦素和胰島素被認為是在PI3-K/PKB通路上反應(yīng)，這個通路可調(diào)節(jié)新城代謝。同樣在體細胞上，瘦素和胰島素還被報道稱可以增加P