Stra8在精子發生中的研究進展

馬仕昆,郭佳倩,鄭　哲,王建軍(綜述),鄭　英※(審校)

(揚州大學醫學院 a.組織學與胚胎學教研室,b.臨床醫學系，江蘇 揚州 225001)

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Stra8在精子發生中的研究進展

馬仕昆a△,郭佳倩a△,鄭哲b,王建軍a(綜述),鄭英a※(審校)

(揚州大學醫學院 a.組織學與胚胎學教研室,b.臨床醫學系，江蘇 揚州 225001)

摘要：Stra8基因的表達具有發育階段性，且僅表達于減數分裂前的生殖細胞，它在生殖細胞的胞質和胞核中進行穿梭。視黃酸是維生素A的一種代謝產物。視黃酸可促進生殖細胞中Stra8基因的表達。維生素A缺乏小鼠精子發生停滯，生殖細胞退化，雄性小鼠不能生育。目前對于Stra8表達調控的研究主要集中在其與視黃酸相互作用的機制，但Stra8在精子發生中的分子調控機制尚未完全闡明。

關鍵詞：生殖細胞；Stra8；視黃酸

據統計，不孕不育患者中25%～40%因男性因素所導致，在男性不育癥中，85%的患者屬于精子發生障礙，表現為精液質量異常，精子發生低下，生精過程停止等病理變化[1]。精子發生過程受到多種基因的網絡調控，其中一些基因的異常表達可引起精子發生障礙，進而導致不育癥的發生。Stra8(stimulated by retinoic acid gene 8)是一種能被視黃酸特異性誘導活化的基因，它在哺乳動物生殖細胞減數分裂前特異表達，同時也是小鼠胚胎卵巢和成年小鼠睪丸中特異表達的基因之一[2-3]。研究發現，Stra8基因敲除小鼠表現為雄性不育，提示其在精子發生中起著至關重要的作用[4]。現從Stra8的表達、視黃酸對Stra8的調控、Stra8在精子發生中的作用機制三方面進行綜述。

1Stra8的表達

目前的研究表明，在小鼠胚胎發育期，Stra8僅在卵巢組織中表達，而包括睪丸在內的其他組織中都不表達[5]。對成年小鼠Stra8的多組織表達研究表明，Stra8僅在睪丸中特異表達，而在腦、心、肺、肝、腎、脾臟及卵巢等臟器組織中均未見表達。

在小鼠胚胎期12.5 d(embryonic days，E12.5) 至E16.5的胚胎卵巢中可見Stra8的表達，持續約4 d。在胚胎卵巢中生殖細胞的減數分裂依賴于Stra8的表達，它參與減數分裂前的DNA復制。當胚胎卵巢中Stra8缺失時，有絲分裂能夠正常進行，但是減數分裂前的DNA復制無法順利開始，從而阻斷了減數分裂的開始，卵子無法形成。

小鼠精子發生減數分裂的實現依賴于Stra8的表達，而Stra8表達需要在視黃酸的刺激下才能完成。Zhou等[5]研究發現，在雄性小鼠出生后第5日的睪丸組織中Stra8蛋白開始表達，其表達的峰值在出生后第6日開始，一直持續到第10日，到第14～18日時表達顯著下降，而在成年睪丸組織中維持較低的表達水平。免疫定位Stra8蛋白發現，在出生后第1日的睪丸內沒有檢測到Stra8蛋白，但是在出生后第5日，一部分生殖細胞中發現了Stra8蛋白的強烈表達，其中大部分都在生精小管的基底部出現，而在生精小管的中間很少見到。這些含有Stra8蛋白的生殖細胞形態類似于成熟的精母細胞，具有大而圓的核，區別于精原細胞的橢圓形的核。與第5日相比，出生后第10日Stra8蛋白的表達相對升高。在出生后15～20 d，Stra8在精母細胞細線前期/細線期以及精原細胞中表達。在以后的時期中Stra8蛋白的表達呈現不均勻分布狀態。免疫組織化學發現，Stra8蛋白在精原細胞細線前期/細線期的Ⅶ～Ⅷ期中表達，而在其他時期未見表達。當精原細胞啟動減數分裂后,Stra8的表達下降顯著。因此認為，Stra8是減數分裂前期的特異性標志蛋白[6]。

早期的研究報道Stra8的亞細胞定位分布于p19細胞的胞質中，其后其他研究小組報道Stra8蛋白表達于細胞核內[7]。直到2009年Tedesco等[8]的研究明確了Stra8蛋白的亞細胞定位，Stra8蛋白同時表達于生殖細胞的細胞質和細胞核內，并在這兩種部位進行穿梭，從而發揮不同的功能。Stra8 DNA具有轉錄活性，同時Stra8在細胞核中比在細胞質中發揮更重要的功能，主要取決于Stra8在細胞核細胞質中穿梭的細胞類型。

2Stra8在精子發生中的作用

2.1Stra8基因敲除小鼠表型分析為了探究Stra8在精子發生中的作用，Mark等[4]小組構建了Stra8基因敲除小鼠，表型分析發現，除生殖功能外其他器官未見異常表型。當雄性小鼠Stra8缺失，精子發生功能嚴重缺陷，小鼠睪丸體積變小，質量減輕，不能生育。20%生精小管中僅見精原細胞和支持細胞，在大多數生精小管中可見細線前期及細線期的初級精母細胞，只有少量初級精母細胞呈現出偶線期及粗線期的細胞核，而粗線中期和偶線期的初級精母細胞及減數分裂后的精子細胞等均缺乏。

Anderson等[9]也構建了不同遺傳背景的Stra8缺陷小鼠，表型分析進一步證實青春期小鼠中Stra8對于細線前期精母細胞的DNA復制過程中并非必需，但對細線前期精母細胞進入減數分裂的染色體濃縮、聯會及DNA同源重組過程是必不可少的。

2.2Stra8在人精子發生中的作用不僅在小鼠，在人類精子發生的過程中Stra8也同樣發揮重要的作用。2013年Lu等[10]應用等位基因分析法，對比了719例原發性不育男性和383例正常生育男性CYP26B1、NANOS1和STRA8基因共計8個單核苷酸多態性位點(rs2241057，rs707718，rs1422627，rs9304651，rs2015728，rs10269148，rs17168319和rs17168337)，結果發現，Stra8的rs10269148位點的遺傳變異與中國男性原發性無精子癥和嚴重少精子癥患者有相關性，這些結果提示Stra8在人類精子發生過程中可能具有極為重要的作用。

3Stra8調控的分子機制

3.1維生素A在Stra8的調控中的作用維生素A在哺乳動物生長發育以及維持機體正常生理功能方面起重要作用[11]。飲食中的維生素A一般儲存于肝臟，以視黃醇的形式在血液中運輸，代謝為其活性形式視黃酸后到達靶器官或靶組織發揮作用。維生素A的功能通過6個配體依賴性轉錄因子來進行調控，包括3個RAR轉錄因子(RARA、RARB和RARG)和3個RXR轉錄因子(RXRA,RXRB和 RXRG)[12]。維生素A缺乏小鼠精子發生停止、大部分生殖細胞退化。睪丸組織中只有A型精原細胞以及一些精母細胞細線前期存在。當給維生素A缺乏小鼠補充維生素A時精子發生又重新恢復。在視黃酸的刺激下Stra8被激活，直接進入細胞核綁定RAR受體，進而通過特定基因啟動精子發生的減數分裂過程。

3.2視黃酸在Stra8調控中的作用視黃酸在生殖細胞生長、分化和凋亡過程中起著重要的作用。視黃酸在體內被細胞色素P450酶代謝。人體內參與視黃酸代謝的CYP450酶主要是CYP26家族。CYP26家族包括CYP26A1、CYP26B1和CYP26C1，其中CYP26B1的表達只在胚胎睪丸內，而在胚胎卵巢中不表達[13]，CYP26B1能夠代謝視黃酸、降低視黃酸濃度。視黃酸刺激Stra8在細胞核和細胞質內表達。胚胎小鼠睪丸中Stra8表達的缺失主要是由于CYP450酶中CYP26B1發揮作用。當給小鼠注射P450抑制劑酮康唑的時候，Stra8開始表達；在E13.5時，視黃酸水平顯著增加，從而促進Stra8 表達，原本未啟動減數分裂的生殖細胞開始啟動減數分裂[14]，但是過早啟動減數分裂的生殖細胞停滯在了粗線期并大量凋亡，導致出生后的小鼠睪丸中缺乏生殖細胞。該研究間接證明了CYP26B1對Stra8表達的調控作用。另外，研究發現，CYP26B1 雖然發揮了重要的抑制作用，但在睪丸發育到E13.5后CYP26B1的表達開始逐漸減少，視黃酸水平升高，Stra8再次表達，然而在整個胚胎睪丸中未能檢測到Stra8的表達[15]。因此推斷，在雄性小鼠生殖細胞啟動減數分裂前還存在其他因子抑制Stra8的表達。

Nanos2是小鼠雄性生殖細胞發育密切相關的蛋白，其在胚胎睪丸13.5～16.5 d特異性表達。通過Nanos2基因敲除小鼠分析發現，Nanos2是雄性生殖細胞發育必不可少的基因。Nanos2基因敲除小鼠睪丸中生殖細胞凋亡，在成年睪丸中生殖細胞完全消失，因此認為Nanos2在減數分裂前也是一個標志性基因。盡管Nanos2在野生型小鼠胚胎睪丸13.5 d開始表達，但是直到15.5 d仍沒有證據證明減數分裂啟動，CYP26b1的作用抑制視黃酸的表達，可以解釋為Nanos2在CYP26b1濃度下降后抑制減數分裂啟動，確保雄性生殖細胞不會過早地進入減數分裂，但Nanos2并不是調控減數分裂的主要機制[6]。

3.3調控Stra8的其他分子在Stra8表達的過程當中，主要受到視黃酸的調控，還有其他一些基因對Stra8的表達具有調控作用，例如Win18446[16]、Dmrt1[17]等。它們對于Stra8的表達具有直接或者間接的調控作用。Win18446在新生兒睪丸中抑制視黃醇往視黃酸轉化，能夠直接地抑制生精細胞中Stra8的表達。在成年小鼠睪丸中，運用顯微解剖法將生精小管生理性地分為4個集群，其中第1個集群由精原細胞細線期Ⅻ～Ⅰ階段組成; 第2集群為Ⅱ～Ⅵ階段; 第3集群為Ⅶ～Ⅷ階段，第4集群為Ⅸ～Ⅺ階段[18]。其中Win 18644只在第2和第3集群影響Stra8的表達。同時在胚胎卵巢中Stra8的表達也受到Win18446的影響。Dmrt是一類含有鋅指樣、富含半胱氨酸、能和特異DNA序列結合的DM結構域的轉錄因子，其中Dmrt1是其中的一種，它在雌雄胚胎期的生殖脊表達，當胚胎性別確定不久之后只在睪丸中特異性表達，Dmrt1直接刺激Stra8的表達，它是Stra8轉錄的活化劑。在成年小鼠睪丸中，Dmrt1能夠抑制Stra8的轉錄，而在胚胎期的卵巢中，Dmrt1能夠激活Stra8的活性，這意味著Dmrt1自身就存在著一些活性差異，例如翻譯后修飾、不同標準的調控機制等情況。在E13.5的睪丸中并沒有檢測到Dmrt1能夠激活Stra8，因此認為DMRT1活動可以控制DNA的水平[19]。

4展望

調控減數分裂起始的基因被認為是男性生殖能力和精子功能的關鍵因素。Stra8能夠在精原細胞不同階段被視黃酸激活[20]，維生素A缺乏的小鼠生精小管中只剩下一些支持細胞和一些未分化的精原細胞。而對于調控Stra8表達的一些上游基因，如CYP26B1、Nanos2、Dmrt1、Win18644等基因已經有了初步的了解，但是受Stra8調控的下游基因有哪些、它們調控精子發生的機制是什么尚不清楚。因此Stra8參與精子發生的分子機制至今尚未完全闡明。研究Stra8基因的功能，闡明其在精子發生中的分子機制，對建立男性不育癥的分子診斷方法、生精障礙的基因治療以及為研制男性基因工程類避孕藥物提供候選成分，促進我國男性生殖健康的基礎研究和臨床診斷均具有重要的理論和實踐意義。

參考文獻

[1]Isidori AM,Pozza C,Gianfrilli D,etal.Medical treatment to im-prove sperm quality[J].Reprod Biomed Online,2006,12(6):704-714.

[2]Snyder EM,Davis JC,Zhou Q,etal.Exposure to retinoic acid in the neonatal but not adult mouse results in synchronous spermatogenesis[J].Biol Reprod,2011,84(5):886-893.

[3]Imudia AN,Wang N,Tanaka Y,etal.Comparative gene expression profiling of adult mouse ovary-derived oogonial stem cells supports a distinct cellular identity[J].Fertil Steril,2013,100(5):1451-1458.

[4]Mark M,Jacobs H,Oulad-Abdelghani M,etal.Stra8-deficient spermatocytes initiate,but fail to complete,meiosis and undergo premature chromosome condensation[J].J Cell Sci,2008,121(Pt 19):3233-3242.

[5]Zhou Q,Nie R,Li Y,etal.Expression of stimulated by retinoic acid gene 8 (Stra8) in spermatogenic cells induced by retinoic acid:an in vivo study in vitamin A-sufficient postnatal murine testes[J].Biol Reprod,2008,79(1):35-42.

[6]Feng CW,Bowles J,Koopman P.Control of mammalian germ cell entry into meiosis[J].Mol Cell Endocrinol，2014，382(1):488-497.

[7]Baltus AE,Menke DB,Hu YC,etal.In germ cells of mouse embryonic ovaries,the decision to enter meiosis precedes premeiotic DNA replication[J].Nat Genet,2006,38(12):1430-1434.

[8]Tedesco M,La Sala G,Barbagallo F,etal.STRA8 shuttles between nucleus and cytoplasm and displays transcriptional activity[J].J Biol Chem,2009,284(51):35781-35793.

[9]Anderson EL,Baltus AE,Roepers-Gajadien HL,etal.Stra8 and its inducer,retinoic acid,regulate meiotic initiation in both spermatogenesis and oogenesis in mice[J].Proc Natl Acad Sci,2008,105(39):14976-14980.

[10]Lu C,Xu M,Wang Y,etal.Genetic variants in meiotic program initiation pathway genes are associated with spermatogenic impairment in a Han Chinese population[J].PLoS One,2013,8(1):e53443.

[11]付中滇.視黃醇類對細胞生長的調節[J].國外醫學:衛生學分冊,1985,12(3):150-154.

[12]Kashyap V,Laursen KB,Brenet F,etal.RARγ is essential for retinoic acid induced chromatin remodeling and transcriptional activation in embryonic stem cells[J].J Cell Sci,2013,126(Pt 4):999-1008.

[13]Trautmann E,Guerquin MJ,Duquenne C,etal.Retinoic acid prevents germ cell mitotic arrest in mouse fetal testes[J].Cell Cycle,2008,7(5):656-664.

[14]Bowles J,Knight D,Smith C,etal.Retinoid signaling determines germ cell fate in mice[J].Science,2006,312(5773):596-600.

[15]MacLean G,Li H,Metzger D,etal.Apoptotic extinction of germ cells in testes of Cyp26b1 knockout mice[J].Endocrinology,2007,148(10):4560-4567.

[16]Hogarth CA,Evanoff R,Snyder E,etal.Suppression of Stra8 expression in the mouse gonad by WIN 18,446[J].Biol Reprod,2011,84(5):957-965.

[17]Krentz AD,Murphy MW,Sarver AL,etal.DMRT1 promotes oogenesis by transcriptional activation of Stra8 in the mammalian fetal ovary[J].Dev Biol,2011,356(1):63-70.

[18]Kotaja N,Kimmins S,Brancorsini S,etal.Preparation,isolation and characterization of stage-specific spermatogenic cells for cellular and molecular analysis[J].Nat Methods,2004,1(3):249-254.

[19]Matson CK,Murphy MW,Griswold MD,etal.The mammalian doublesex homolog DMRT1 is a transcriptional gatekeeper that controls the mitosis versusmeiosis decision in male germ cells[J].Dev Cell,2010,19(4):612-624.

[20]Van Pelt AM,de Rooij DG.Synchronization of the seminiferous epithelium after vitamin A replacement in vitamin A-deficient mice[J].Biol Reprod,1990,43(3):363-367.

Research Progress of Stra8 in SpermatogenesisMAShi-kuna,GUOJia-qiana,ZHENGZheb,WANGJian-juna,ZHENGYinga.(a.DepartmentofHistologyandEmbryology,b.DepartmentofClinicalMedicine,MedicalCollege,YangzhouUniversity,Yangzhou225001,China)

Abstract:Stimulated by retinoic acid gene 8 (Stra8) gene expression developmental stage featured,which only expresses in reproductive cells before meiosis,and moves back and forth in the cytoplasm and nucleus of germ cells.Retinoic acid is a kind of metabolite of vitamin A.Retinoic acid can promote reproductive cells Stra8 gene expression.Spermatogenesis stagnation,germ cell degeneration,male infertility are observed in vitamin A deficient mice.The research for Stra8 expression regulation is mainly focused on the mechanism of interaction with retinoic acid,while the molecular regulation mechanism of Stra8 in spermatogenesis has not been fully elucidated.

Key words:Spermatogenesis; Stimulated by retinoic acid gene 8; Retinoic acid

收稿日期：2014-10-11修回日期：2014-12-30編輯：相丹峰

基金項目：國家自然科學基金(31371174)；江蘇省自然科學基金(BK20131230);揚州市社會發展科技攻關計劃(2012127)；揚州大學研究生科學創新基金

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.14.002

中圖分類號：R339.21

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)14-2500-03