生殖细胞中的细胞凋亡

细胞凋亡的启动是细胞在感受到相应的信号刺激后胞内一系列控制开关的 开启或关闭, 不同的外界因素启动凋亡的方式不同, 所引起的信号转导也不 相同[5]。细胞凋亡的途径主要有两条, 一条是通过胞外信号激活细胞内的 凋亡酶(caspase) ; 一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。 这些活化的caspase 可将细胞内的重要蛋白降解, 引起细胞凋亡。 3.1 膜受体通路 这是一条基本的通过DD 和FADD 的细胞凋亡调控途径。 细胞表面的与凋亡相关受体属于肿瘤坏死因子受体(TNF receptor, TNFR) 超家族, 胞外有一个富含半胱氨酸的结构域, 胞浆区有一由同源的氨基酸残 基构成的结构,有蛋白水解功能, 称“死亡区域”(death domain, DD)。已 知的死亡受体有TNFR- 1、Fas、DR3、DR4 和DR5 5 种。前3 种受体相 应的配体为TNF、FasL 和APO- 3L, 后两种均为APO- 2L 即TNF 相关的 凋亡诱导配体(TNFrelated apoptosis- inducing ligand, TRAIL)。在这些 死亡受体中最典型的是Fas 和TNFRs。以Fas - FasL 死亡通路为例, Fas 是一种跨膜蛋白, 具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个DD 的胞内区, 它 与FasL 结合可以启动凋亡信号的转导引起细胞凋亡。FasL 与Fas 结合可 以 导致Fas 胞内的死亡域形成三聚体而活化, 并引起与之结合的FADD 构象 改变, 使caspase- 8 前体集聚、断裂和激活, 产生有活性的caspase- 8, 从 而激发一系列下游的caspase 级联反应, 诱发细胞凋亡。
3 其它因素影响 3.1 理化因素 某些化学因素可直接或间接影响生殖细胞的凋亡。环磷酰胺、丝裂霉素 C 和长春新硷都是临床常用抗癌药, 他们均可引起大鼠和小鼠生精细胞 凋亡。睾丸生精细胞凋亡对电离辐射敏感, 很低剂量照射就可引起小鼠 生精细胞凋亡增加。 3.2 光、热刺激 在对仓鼠的研究中发现, 睾丸细胞凋亡是由于暴露于短白天而引起睾丸 退化, 而光刺激的睾丸生长又是与睾丸细胞凋亡的快速停止相联系的, 尽 管光介导的睾丸细胞增殖也可能发生, 但是目前发现睾丸退化及恢复的 过程中睾丸细胞凋亡起重要作用。 4 展望 睾丸生精细胞的凋亡已经引起了国内外学者的广泛关注, 当前有关睾丸 生精细胞凋亡的研究尚处于起步阶段。有关生殖细胞凋亡的多数研究是 建立在动物实验的基础上, 从细胞和分子水平阐明动物和人睾丸生殖细 胞凋亡及调控机制的研究较少。随着对生殖细胞凋亡的深入研究, 一方 面可为男性生育力降低提供更多的治疗和对策, 探讨男性的避孕方法和 机制, 最终在细胞和分子水平为临床男性生殖健康提供理论依据。另一 方面, 为制定环境毒物的安全接触限量提供科学的依据。
四、雌性生殖细胞中的细胞凋亡
牛卵子发生过程中卵母细胞凋亡的调控机理 就雌性生殖系而言, 细胞凋亡是其发育过程中的一个重要组成部分。在母牛 中, 超过99.9%的雌性生殖细胞都会在卵子发生的不同阶段发生凋亡。本文 主要综述了牛卵子发生过程中卵母细胞凋亡的现象、凋亡的分子机理等, 同 时还探讨了卵母细胞凋亡的途径。 有资料表明细胞凋亡对于卵巢中的生殖细胞减少、卵泡闭锁和黄体溶解都起 着重要作用。 1 卵子发生过程中的卵母细胞凋亡 已有许多试验证明[2], 母牛卵母细胞在发生过程中的大量死亡或丢失是属于 细胞凋亡。目前认为, 原始卵泡、初级卵泡和腔前卵泡闭锁主要是由卵细胞 的凋亡引起的, 而卵泡发育后期, 除源于卵母细胞自身凋亡引起的以外, 也有 由于包围卵母细胞的颗粒细胞凋亡引起,如有腔卵泡及排卵前的成熟卵泡的 闭锁即是由卵泡中颗粒细胞(granulose cells, GCs)的凋亡引起, 这是一个由 内分泌激素控制的凋亡过程。
二、细胞凋亡的途径
（一）、细胞凋亡的两条主要途径 1、死亡受体介导的凋亡途径 或外在途径( death receptor- mediated pathway 或extrinsic pathway) 2、线粒体凋亡途径或内在途径(mitochondrial pathway 或intrinsic pathway) 。 虽然两条凋亡通路的上游事件( up- stream activation) 不同[2], 但是它们最终都要激活共同的凋亡效应物, 即特 异的胱冬酶( caspase) 。细胞凋亡受到严格调控, 在正常细胞中胱 冬酶处于非活化的酶原状态, 凋亡程序一旦开始, 胱冬酶被活 化, 随后发生凋亡蛋白酶的层叠级联反应, 引发不可逆的凋亡。 （二）、细胞凋亡的其它途径 1、内质网介导的细胞凋亡途径 内质网介导细胞凋亡研究较多的有两种机制, 为非折叠蛋白反应(unfolded p roteinreaction ,UPR) 和钙离子起始信号(caiciumsignallng)
三、雄性生殖细胞凋亡——睾丸生精细胞凋亡的影响因素
哺乳动物睾丸内精子发生是一个复杂而精细的过程,这一过程需要 许多精密的调节机制在其中起调控作用,凋亡便是其中一种调节机 制。正常的精子发生过程中就存在自发的生殖细胞凋亡。睾丸内 生殖细胞的凋亡可排除受到损伤或具有畸形染色体的生殖细胞,以 保证遗传信息的准确传递;并可将生殖细胞的数量控制在支持细胞 能够承受的范围内,以保证这些生殖细胞得到足够的营养和支持。 然而过度凋亡会造成生殖细胞数量减少,使生成的精子数量降低,机 体生育力下降。
在正常精子发生及成熟过程中,广泛存在生精细胞凋亡的现象, 生精细胞的凋 亡对生精过程具有重要的意义。机体通过凋亡来维持生精小管内环境中精子 数量的平衡, 这对于维持成熟精子的数量, 保证精子的正常发育和成熟, 确保 睾丸发挥正常的生理机能是必需的。但在实际中, 生精细胞的凋亡受许多内 在和外在因素的影响。在正常精子发生及成熟过程中, 广泛存在生精细胞凋 亡的现象, 生精细胞的凋亡对生精过程具有重要的意义。机体通过凋亡来维 持生精小管内环境中精子数量的平衡, 这对于维持成熟精子的数量, 保证精子 的正常发育和成熟,确保睾丸发挥正常的生理机能是必需的。但在实际中, 生 精细胞的凋亡受许多内在和外在因素的影响。 1 激素影响（卵泡刺激素( FSH) 、黄体生成素(LH) ） 实验研究表明, 激素的变化与生殖细胞凋亡有关。睾丸内的睾酮主要是由间 质细胞合成分泌的, 因此间质细胞破坏或损伤时生精细胞的凋亡增加, 且凋亡 的发生与睾酮的分泌有明显的依赖性, 出现凋亡的主要是粗线期、细线前期 精母细胞。另有研究表明, 睾酮对生精细胞凋亡的调控作用还受到其它激素 和物理性因素的影响。FSH 对生精细胞凋亡的调控可能与支持细胞和睾酮 有关, FSH可通过支持细胞调控生殖细胞的凋亡,FSH被拮抗或其水平下降, 都能使生殖细胞发生凋亡, 睾酮可增强FSH对生精细胞的调控作用。LH水平 下降而引起睾酮下降时则凋亡明显, 实验研究中发现生殖细胞的凋亡会随血 清中睾酮水平的下降而增加,
2.4 hsp基因族表达蛋白 hsp是一组广泛存在于原核和真核生物中高度保守的蛋白质, 各类在 小鼠等多种哺乳动物正常睾丸组织中有表达, 作为生精细胞或体细胞的 细胞成分存在, 而可通过cmyc、p53、Bcl2等基因抑制或促进细胞的凋亡。 有研究认为HSP70- 2基因突变可使减数分裂后精子细胞缺失并导致不育。 2.5 C- myc基因 在有关转基因大鼠的研究中发现, C- myc基因的过度表达可以造成雄性大 鼠的不育, 而高能微波照射后可引起大鼠生精细胞C- myc蛋白表达,表明Cmyc可能是高能微波照射导致凋亡的诱导因素。C- myc基因可以启动细胞 增殖, 抑制细胞分化, 调节细胞周期及调控细胞凋亡, 它的表达既可引起细 胞增殖, 又可促进细胞凋亡, 这两种应答以何种为主取决于某些关键因子的 存在与否。有学者在转基因大鼠的研究中发现, C- myc 的过度表达可以造 成雄性大鼠的不育。 此外, CREM基因、线粒体相关基因、iNOS 基因等都与细胞凋亡有关, 肿 瘤抑制基因Smad4与细胞凋亡密切相关, Narula等发现, Smad4 在转基因 小鼠中过表达会导致生殖细胞凋亡, 精子发生停止以及生精小管退化的现 象。
2 基因调控 生精细胞凋亡的主要影响因素是基因调控。 2.1 P53 P53是一种抑癌基因, 与细胞的生长、分化和死亡密切相关,正常P53基因具 有促进细胞凋亡的作用, 而突变型P53基因则抑制细胞凋亡。P53在睾丸中 的表达量很高,特别是在分裂前细线期到粗线期精母细胞。有研究表明,缺乏 P53表达的生殖细胞不易凋亡, 是因为缺乏P53的粗线期精母细胞不能对减 数分裂DNA重组中的错误进行修复, 细胞不能进一步发展进行减数分裂而阻 止了凋亡的发生。已有研究表明高温可通过P53途径诱导生精细胞凋亡,导 致精子生成量的减少。 2.2 Bcl- 2 Bcl - 2 为细胞内主要凋亡调节因子,Bcl- 2存在于动物的多种正常组织内, Bcl- 2对凋亡具有抑制作用, 它不能促进细胞增殖, 但能延长细胞的生命期 限。哺乳动物细胞的凋亡涉及内在和外在2个途径, 在内在途径中, 线粒体依 赖的途径是热诱导小鼠生精细胞凋亡的关键途径, 而Bcl2家族蛋白包括Bax、 Bcl2等在此途径中起着重要的作用。 2.3 Fas /FasL系统 Miura等研究发现将小鼠睾丸和尾巴浸在43℃恒温水浴中15 min后, 生精细 胞的凋亡率明显增加, 主要是由Fas/FasL系统介导的。还有研究发现具有支 持细胞毒性的物质是通过Fas/FasL诱发睾丸生殖细胞凋亡的。
2 卵母细胞凋亡的分子机理 目前人们对细胞凋亡的分子机理已掌握得比较清楚, 各种不同的调控蛋白, 如 caspases( 凋亡酶) 、Bcl- 2家族、线粒体释放的促凋亡因子和Apaf- 21 等是 如何决定细胞命运的分子框架都已被研究得很透彻。在胚胎性腺中存在着死 亡信号(TNF- 2α、Fas 配体等)和存活信号(LIF、kit 配体等)。在这些信号的 作用下, 凋亡主要通过caspases、Bcl- 2 等蛋白质家族的相互作用来实现。 另外, 组织型纤溶酶激活因子(tPA)蛋白介导的蛋白水解作用可能参与了卵母 细胞的自身瓦解和清除过程。在很多中途发生闭锁的卵泡中, 卵母细胞中tPA 活性很高, 而健康卵泡的卵母细胞则tPA 活性很低。tPA与颗粒细胞中表达的 抑制素α相互作用, 可能对卵泡破裂、成熟卵子的释放和未成熟卵子的闭锁均 起作用。 3 卵母细胞凋亡的途径 细胞凋亡受体内外多种因素的影响, 但各种因素诱导细胞凋亡与否, 取决于细 胞本身的遗传特性。细胞类型不同, 其影响因素亦不相同。类型不同, 其影响 因素亦不相同。当母牛卵母细胞不能从环境中得到足够的存活因子时会导致 细胞凋亡; 当细胞减数分裂时发生配对错误或重组异常的配子时,凋亡能除去 有缺陷的配子, 而保留能正常进行减数分裂的配子, 这是体内的质量监督机制; 在配子发生期间, 细胞还通过“自我牺牲(利他性)”凋亡来实现卵母细胞的发育 和成熟。激素刺激也是发生卵母细胞凋亡的根本因素, 不同的激素通过不同的 第二信使途径调节生殖细胞凋亡。凋亡诱导基因及凋亡抑制基因表达的产物 通过协同或拮抗作用维持一种动态平衡, 控制卵母细胞凋亡。