精子获能的分子机制及研究进展_单世梁

多 步 骤 的 过 程 ， 包 括 精 子 的 超 极 化 的 运 动 、精 子 膜 蛋
白的变化、膜流动性的变化， 直到顶体反应的发生， 才
标志着获能的完成。精子获能的分子机制相当复杂，
目前尚未完全明确。自 １９５１ 年获能现象被提出后， 许
多研究者模拟生殖道内环境对精子获能及其分子机
制进行研究， 取得了一定的突破。
体外获能研究时， 培养液中加入牛血清白蛋白 （ＢＳＡ）也能诱导胆固醇的外流， 但需要 ＨＣＯ３－ 的存在 。 高浓度的 ＨＣＯ３－ 能够使质膜表面均匀分布的胆固醇集 中到精子头部顶端， 如此时存在胆固醇受体， 如 ＢＳＡ， 则胆固醇被提取。ＢＳＡ 结合并移去胆固醇可能增加了 ＨＣＯ３－ 及 Ｃａ２＋ 的通透性。β 环糊精（ＭＢＣＤ）代替 ＢＳＡ 也 能移去胆固醇， 并通过环腺苷酸／ 蛋白激酶 Ａ（ｃＡＭＰ／ ＰＫＡ）途径增加蛋白酪氨酸磷酸化 。也有人提出 ＭＢＣＤ 与蛋白酪氨酸磷酸化有关， 但与 ｃＡＭＰ／ ＰＫＡ 无关 。鞘 磷脂磷酸二酯酶的激活可能作用于胆固醇的外流。这 些结果提示精子质膜表面类固醇物质的移去是促发精 子获能多信号转导的上游事件。
进一步研究膜电位超极化与获能关系发现， 超级 化 可 能 与 顶 体 反 应 中 出 现 的 短 暂 Ｃａ２ ＋ 的 增 加 有 关 。 这种假设是与生精细胞及成熟精子细胞上存在低电 压调节的 Ｃａ２ ＋ Ｔ 型通道（ＬＶＡ）相吻合的。该通道的特 点为低阈值电压依赖性失活。未获能的精子细胞， 其 胞 膜 去 极 化 ， ＬＶＡ 钙 通 道 失 活 ， 抑 制 未 获 能 精 子 发 生 自发顶体反应。获能后膜电位发生超极化， ＬＡＶ 由失 活 状 态 改 为 关 闭 状 态 。超 极 化 同 时 激 活 内 向 整 流 钾 电 流。可以假设钾电流内流， 促使膜电位向 Ｋ＋ 平衡电位 移行， 进而发生去极化， 并进一步打开关闭状态的 ＬＡＶ， 使胞外 Ｃａ２ ＋ 进入胞内。另一个信号途径可能是 超极化活化环核苷酸调控通道（ＨＣＮ 通道）。这是一种 超极化活化的通道， 环核苷酸可增强通道活性， 从而 引起膜去极化， 导致 Ｃａ２＋ 通道开放和胞内 Ｃａ２＋ 升高。 ５ 葡萄糖、孕酮和肝素在精子获能过程中的作用机 制 ５．１ 葡萄糖在精子获能过程中的作用机制
虽然对获能与精子膜电位变化之间关系的研究 较少， 但是也已取得了可喜的突破。Ｚｅｎｇ Ｙ［７］等提出精 子获能伴随精子膜电位超极化， 在牛和小鼠中膜电位 分 别 由 － ３５ ｍＶ 和 － ３０ ｍＶ 变 到 － ５０ ｍＶ 和 － ６０ ｍＶ ， 并 且 证 实 该 变 化 至 少 部 分 是 由 Ｋ＋ 外 流 引 起 的； Ｐａｒａｔ Ｃ 等试验表明， 在获能液中添加 １０μｍｏｌ／ Ｌ 孕 酮 引 起 Ｃｌ － 外 流 和 Ｎａ ＋ 内 流 ， 从 而 使 精 子 膜 去 极 化 ， 随 后 精 子膜复极化， 使膜电位低于静息电位水平， 即发生超
哺乳动物的精子在刚射入雌性生殖道时， 或从附
睾取出后， 并不具备受精能力， 必须在雌性生殖道内
经过一段时间， 发生生理及形态学的变化才能获得受 精 能 力 ， 这 一 过 程 被 称 为 精 子 获 能 ［１］。 精 子 获 能 是 精
子 顶 体 反 应 和 受 精 的 一 个 重 要 生 理 前 提 。获 能 是 一 个
在小鼠、人 、牛 和 猪 的 精 子 中， ＰＴＰ 受 ＰＫＡ／ｃＡＭＰ 信号途径调节， 蛋白激酶 Ａ（ＰＫＡ） 对精子 ＰＴＰ 的作用 主要是通过对酪氨酸激酶或磷酸化酶的直接或间接 调 控 来 实 现 ， 而 ＰＫＡ 的 活 性 依 赖 于 ｃＡＭＰ 的 数 量 。 ｃＡＭＰ 的 数 量 却 受 到 Ｃａ２ ＋、 钙 调 素 和 ＨＣＯ３－ 的 调 控 。 Ｃｈｅｎ Ｙ 等 研 究 表 明 ＨＣＯ３－ 不 仅 调 节 膜 电 位 ， 还 刺 激 腺苷酸环 化 酶 合 成 ｃＡＭＰ； 对 于 Ｃａ２ ＋／ 钙 调 素 来 说 ， 一 方面通过腺苷酸环化酶增 加 ｃＡＭＰ 的 合 成 ， 另 一 方 面 通 过 环 核 苷 酸 磷 酸 酶 降 解 ｃＡＭＰ ， 因 此 ， 对 获 能 及 相 关信号事件存在正负效应。此外， 葡萄糖代谢也参与 调控 ＰＴＰ， 葡萄糖通过 糖 酵 解 和 磷 酸 戊 糖 途 径 产 生 的 ＡＴＰ 是合成 ｃＡＭＰ 的必需物质； Ｔｒａｖｉｓ Ａ Ｊ 推测该过程 产 生 的 ＡＴＰ 也 是 ＰＴＰ 过 程 的 惟 一 能 量 要 求；Ａｉｔｋｅｎ Ｒ Ｊ 等 在 小 鼠 、ＵｒｎｅｒＦ 等 在 人 的 精 子 中 观 察 到 磷 酸 戊 糖 途 径 产 生 的 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 磷 酸 （ＮＡＤＰＨ）也 调控该过程。许多试验表明 ＰＴＰ 标志获能的启动， 但 是也有试验表明精子 ＰＴＰ 与获能无关。因此， 可以认 为 ＰＴＰ 可能与获能有关， 但是不能完全反映精子获能 的完成， 其在获能中扮演何种角色还需要进一步研 究。 ３ 胆固醇外流在精子获能过程中的作用机制
葡萄糖对获能是起抑制作用还是激活作用目前 还存在争议， 具有明显的物种依赖性。在牛精子中， 葡 萄糖通过影响 ｃＡＭＰ 代谢和降低 ｐＨ 值来抑制肝素诱 导的体外获能， 并且对酪氨酸磷酸化的增加也起抑制 作用。相反地， 在其它物种中发现葡萄糖对精子获能 是 有 益 的［９］。 在 人 和 小 鼠 精 子 获 能 过 程 中 ， 均 已 证 实 葡 萄 糖 代 谢 参 与 了 ＰＴＰ 过 程；不 过 ， 对 此 也 有 不 同 的 观点 ， 一些研究者认为葡萄糖可通过影响 ｃＡＭＰ 代谢 和降低 ｐＨ 值 的 机 制 抑 制 肝 素 诱 导 的 牛 精 子 获 能 ， 与 获能相关的 ＰＴＰ 也受葡萄糖的抑制。Ａｉｔ ｋｅｎ Ｒ Ｊ 等实 验 表 明 ， 在 人 精 子 获 能 过 程 中 ， 阻 断 ＲＯＳ 的 产 生 ， 则 精子不能完成获能。 ５．２ 孕酮在精子获能过程中的作用机制
几乎所有的实验都证明由卵丘细胞分泌的孕酮 和卵泡液内的孕酮都能诱发顶体反应。Ｌｉｂｅｒ ｓｋｙ Ｍ 等 证 实 孕 酮 影 响 人 精 子 获 能 ， Ｉｓａ－ ｂｅｌｌｅ Ｔ 等 指 出 孕 酮 能 诱发牛精子发生顶体反应， 但不能诱导牛精子获能。 孕酮促进精子获能与诱导顶体反应可能都与胞质的 Ｃａ２＋ 内流有关。Ｃｏｒｄｏｂａ 和 Ｂｅｅｏｎｉ 的 实 验 显 示 孕 酮 诱 导的精子胞质内 Ｃａ２＋ 的增加能 被 ＧＦ—１０９２０３Ｘ（一 种 蛋 白 激 酶 Ｃ （ＰＫＣ） 抑 制 剂 ） 抑 制 ， 也 能 被 ｍｅｔｈｏｘｙｖｅｒａｐａｍｉｌ（一 种 钙 通 道 阻 断 剂）所 抑 制 ， 说 明 孕
２ Ｐ ＴＰ 在精子获能过程中的作用机制
收稿日期： ２００７－ １２－ ２８ 作者简介： 单世梁（１９８３－ ）， 男， 在读研究生。 通讯作者： 金一 ， 朝鲜族， 博士， 副教授。
许多试验证实， 人、牛、猪、小鼠及猫等物种的精子 获能与 ＰＴＰ 相关。在获能精子中， ＰＴＰ 主要发生在精子 的鞭毛部（猪除外） ， 随后才在精子尾部中段发生［５］。ＰＴＰ 身兼数种细胞功能， 如生长调节、细胞周期调控、细胞 骨架装配、离子流动调节和受体调节。附睾头精子不具 有进行获能和与卵母细胞受精的能力， 在正常有利于 获能的介质中孵育时， 其不表现 ＰＴＰ 的改变。而附睾尾 精 子 在 体 外 获 能 时 促 进 了 相 对 分 子 质 量 为 ４０ ０００～ １２０ ０００ 的一系列 ＰＴＰ， ＰＴＰ 依赖于培养液中 ＢＳＡ、Ｃａ２＋ 和 ＨＣＯ３－ 的存在， 并且与精子获能时所需的浓度相当。 如果培养液组分中缺乏上述任何一种成分， 都将阻碍 ＰＴＰ 和获能的发生。所以附睾头部精子即使在普通获 能培养的条件下也不表现出 ＰＴＰ 的改变， 说明这时的 精子还不具备发生获能和完成受精的能力， 同时也说 明了以 ＰＴＰ 为标志的获能的启动是以精子在附睾中的 成熟为前提条件的。
增加到 ２５０ μｍｏｌ／Ｌ， 并且之后不再有明显的增加。从 Ｃａ２＋ 在精子头部质膜表面的分布来看， 头部质膜上 Ｃａ２＋
颗粒在获能前多呈集团分布， 获能后呈均匀分布， 相比
较而言获能后比获能前低一些。此外 Ｂａｋｅｒ ＭＡ 等认为 细胞内 Ｃａ２＋ 的增加抑制细胞内 ＡＴＰ 的利用， 从而妨碍 蛋白酪氨酸磷酸化（ ＰＴＰ） ［３］。对 Ｃａ２＋ 作用的不同认识， 原 因可能在于顶体反应中 Ｃａ２＋ 作用的不同， 以及研究 Ｃａ２＋
ＳＨＥＮＧＺＨＩ ＳＨＥＮＧＬＩ
生殖 生理
中图分类号： Ｓ８１４
Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｉｍａｌ Ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｖｏｌ．１６ Ｎｏ．２ ２００８
精子获能的分子机制及研究进展
单世梁， 金 一
（ 延边大学农学院， 吉林 龙井 １３３４００）
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００５－ ２７３９（２００８）０２－ ０００１－ ０３
作用和相关事件的复杂性。 １．２ ＨＣＯ３－ 在精子获能中的作用机制
ＨＣＯ３－ 不 仅 能 调 节 精 子 膜 电 位 ， 还 能 够 刺 激 ＡＣ 的合成， 从而促进 ｃＡＭＰ 的生成； Ｄａ Ｒｏｓ Ｖ Ｇ 等 表 明 在 获 能 和 受 精 过 程 中 ， ＨＣＯ３－ 通 过 ｃＡＭＰ 的 生 成 对 ＰＴＰ 起作用。ＨＣＯ３－ 的跨膜转运导致了获能过程中所 观察到的细胞内 ｐＨ 值的增加［４］。ＨＣＯ３－ 还起到调节精 子 ｃＡＭＰ 代谢的作用。虽然对 ＨＣＯ３－ 的作用都有这种 认识， 但是对于 ＨＣＯ３－ 进入精子 的 方 式 以 及 这 种 激 活 作用的机制目前还不清楚， 有待进一步研究。
１
Ｃａ２ ＋
和
ＨＣ
Ｏ
－ ３
在精子获能中的作用机制
１．１ Ｃａ２ ＋ 在精子获能中的作用机制
Ｃａ２＋ 在启动和调节获能中的作用目前倍受争议， 一
些学者认为获能过程中细胞内 Ｃａ２＋ 浓度增加， 其它一些
人则认为并没有变化。Ｂａｌｄｉ Ｅ［２］在实验中证实了人类精