精子線粒體與男性不育的相關性研究進展

王巧剛++陳黎亞++盛禮建

[摘要] 全球報告顯示，目前不孕不育正成為一個全世界的問題，約15%的夫婦受其影響，其中約50%的因素由男方引起。影響男性生殖能力的原因眾多，主要分為性功能障礙和精子質量異常兩大塊。其中，精子活力低下主要包括精子的數量和質量（弱精癥）或精子形態異常（畸形），是引起男性不育的一個重要因素。線粒體是唯一含有獨立基因組的細胞器，是細胞的主要能量來源，也是精子獲得能量的主要來源。細胞生命活動所需的能量95%來源于線粒體。醫學研究者已經展開對精子線粒體與男性不育的相關性研究。本文將對目前國內外相關性研究進展作一綜述。

[關鍵詞] 男性不育；線粒體；基因；精子活力；突變

[中圖分類號] R698.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2017）04-0160-04

Advances in studies on the correlation between sperm mitochondria and male infertility

WANG Qiaogang CHEN Liya SHENG Lijian

Department of Laboratory， Dongyang People's Hospital in Zhejiang Province， Dongyang 322100， China

[Abstract] The global report shows that infertility is currently becoming a worldwide problem， and about 15% of the couple affected by it， of which about 50% of the factors caused by the man. There are many reasons for the male reproductive capacity， mainly divided into sexual dysfunction and abnormal sperm quality. Among them， low sperm motility mainly including the number and quality of sperm （weak sperm） or sperm abnormalities （deformity） is an important factor in male infertility. Mitochondria are the only organelles containing independent genomes， the main source of energy for cells， and the main source of energy for sperm. 95% of the energy required for cell life activities comes from it. Medical researchers have begun to study the correlation between sperm mitochondria and male infertility. This paper will review the current research progress at home and abroad.

[Key words] Male infertility； Mitochondria； Gene； Sperm motility； Mutation

隨著生活節奏的加快，現代人生活壓力的增加，以及年輕人生活方式的改變，特別是目前全球性環境污染的日趨加重等因素，不孕不育的發病率呈現逐年上升的趨勢，正逐漸成為社會中的一個多發現象。男性不育作為導致不孕不育其中的一個重要原因，也越來越受到相關研究者的關注和深入研究。研究表明，全球男性精液質量近年來以每年1%的速度下降，而其中主要表現為精子活力下降、精子密度的降低以及精子畸形率的上升。精子是不孕不育夫婦中男方最關鍵的因素，精子基本參數以及功能狀態正常與否直接關系到女方能否正常受孕。線粒體是細胞中制造能量的場所，擁有自身的遺傳物質和體系，是新陳代謝和生物能量轉換的關鍵所在。線粒體的改變已被證實與多種疾病密切相關。本文就目前國內外對精子線粒體和男性不育的相關性研究進展作一綜述。

1 精子線粒體DNA拷貝數與男性不育的研究

線粒體是有兩層膜包被的細胞器，存在于大多數細胞中，直徑一般為0.5～1.0 μm，在光學顯微鏡下可見。線粒體是能量生產的工廠，其主要功能為參與能量轉化、三羧酸循環、氧化磷酸化（OXPHOS）以及儲存鈣離子。1949年，在線粒體中首次發現DNA，后被認為是線粒體的核心物質即線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。mtDNA的遺傳改變將直接影響線粒體參與氧化磷酸化功能。拷貝數是指某基因在某一生物的基因組中的個數。mtDNA拷貝數即每個精子的mtDNA，是線粒體的主要遺傳特征之一。mtDNA拷貝數的改變被認為是導致不育的一個重要因素。Tian M等[1]采用實時PCR檢測mtDNA拷貝數發現，mtDNA拷貝數與精液參數呈負相關，包括精子活力、濃度、形態、級數和運動特征。Timothy Wai等[2]指出精子線粒體拷貝數的下調對精子的正常功能很重要。Panloup等[3]研究發現，精子mtDNA拷貝數在男性不育患者中較正常男性有顯著增加。Song GJ等[4]通過實時PCR檢測發現，正常參數精液組較異常參數精液組mtDNA拷貝數降低明顯。Maria San Gabriel等[5]通過對精索靜脈曲張對精子質量影響研究發現，精子mtDNA拷貝數與精子活力顯示出顯著的負相關性（r=-0.71，P=0.002）。Gyun JS等[6]通過長鏈和實時定量PCR對正常精液參數和弱精樣本檢測mtDNA拷貝數，發現mtDNA拷貝數在弱精癥患者精子中顯著增加，與精子密度顯著相關。

各國的研究者發現精子mtDNA拷貝數和精子活力及男性不育呈現出顯著的負相關性。mtDNA拷貝數在不同活力精子間具有差異，活力越好，mtDNA拷貝數反而越低，活力越差，其拷貝數反而增高。精子mtDNA拷貝數可以作為精子活力是否正常的一個重要參數，測定mtDNA拷貝數對了解精子狀態也有一定的作用。

2 精子線粒體DNA大片段缺失與男性不育的研究

線粒體和mtDNA在精子運動和發育過程中是必不可少的。它主要通過氧化能量的供應控制精子生長、發展和分化。因此，mtDNA對精子的重要性不言而喻。mtDNA大片段缺失可出現在許多組織中，如心臟、腦、肝臟和睪丸。這種mtDNA大片段的缺失，可能導致聚合酶錯誤閱讀，導致線粒體基因組的大片段缺失。Maryam Gholinezhad Chari等[7]研究發現，4977bp和4866bp大片段缺失頻率在精子運動能力異常組較運動能力正常組顯著增加，4977bp和4866bp大片段缺失頻率在兩組中具有差異性。Fotini leremiadou等[8]研究表明，mtDNA 4977bp缺失和精子能力表現出顯著的負相關性。4977bp缺失可以考慮作為精子生育潛力的分子指標。Ambulkar PS等[9，10]研究發現大片段7436bp缺失的mtDNA與精子運動異常相關，7436bp缺失可能是導致精子功能障礙和非活動精子的重要原因。此外在異常精子中，4977bp的缺失比正常精子更為常見，比例更高，可能原因為4977bp的缺失導致部分和氧化磷酸化相關基因的缺失，從而引起精子功能障礙。Bahrehmand Namaqhi I等[11]對弱精癥患者和健康受試對照者mtDNA 4977bp缺失檢測發現，兩組研究者差異明顯，4977bp缺失會導致精子大規模能量障礙，進而影響精子活力導致弱精癥。Gholinezhad Chari M等[12]對不育男性的精子分為精子活力正常組和異常組，分別檢測mtDNA片段缺失，最后發現，在兩組中都有發現常見的4977bp缺失，同時還有一個新的4866bp缺失。然而，活力異常組的缺失率顯著高于正常活力組。

目前主要認為精子mtDNA大片段缺失將導致相應編碼蛋白復合物的損害，影響氧化磷酸化的進行，從而導致ATP合成受阻。一旦ATP合成受阻，即不能產生足夠的ATP，精子受精過程中將得不到足夠的能量。精子沒有獲得足夠的能量就不能驅使其到達受精部位，受精過程就不能成功進行，進而導致男性不育現象的發生。

3 精子線粒體DNA基因突變與男性不育的研究

過去十年，超過200種點突變在人類mtDNA中被發現，并且其中45種被證實和疾病發生有關。真核生物細胞的能量來源，生物體內約90%的ATP均是通過線粒體產生，因此線粒體的正常運轉是細胞分化和生長發育所必不可少的。精子受精過程需要大量的能量到達輸卵管受精，線粒體DNA上的基因缺失或點突變會影響正常的線粒體蛋白功能，使ATP生成減少，導致男性精子活力不足。Holyoake AJ等[13]在嚴重少精患者中發現mtATPase6基因上T8821A點位突變，而在成熟精子中未見突變，分析mtATPase6突變可能使精子無法成熟，導致男性不育。金龍金等[14]對27例弱精子癥精液標本和28例精子活力正常精液標本進行mtATPase6基因突變分析發現，弱精子癥組mtATPase6基因突變率顯著高于對照組，顯示出一定的相關性。 Baklouti-Gargouri等[15]研究者對弱精子癥不育男性、精液參數正常以及可生育男性的線粒體細胞色素氧化酶Ⅲ的基因序列比對，發現在所有的弱精子癥患者精子mtDNA均存在m.9588G>A的突變，而精液參數正常以及可生育男性在此位點均未出現突變。D Prabhu Kumar等[16]研究發現，精子活力低下與精子mtDNA A3243G高水平的突變表現出顯著的相關性。

研究表明，mtDNA點突變、基因單核苷酸多態性和mtDNA單倍群都可以影響到精液質量[17-20]。人類精子中線粒體DNA易受氧化損傷和發生突變。遺傳異常在人類男性不育病因中的重要作用日益被人們所認識。目前雖然有關基因突變和男性不育的研究有相關報道，但是總體來說類似研究仍然比較少，發現診斷不育的特異性位點也比較少。因此可以尋找與男性不育相關的特異性mtDNA突變位點，探討男性不育的原因，為該病的基因診斷和治療提供科學依據。

4 精子線粒體功能改變與男性不育的研究

線粒體作為細胞進行有氧呼吸的主要場所，其主要功能是合成ATP為細胞提供能量。精子受精過程所需的能量主要來自線粒體合成的ATP。目前主要有以下幾個指標評價線粒體功能：精子內活性氧的含量、精子早期凋亡率、線粒體膜電位、線粒體細胞色素氧化酶活性以及鈣離子含量等。

線粒體是活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）主要產生部位，精子內活性氧的含量可間接反映線粒體功能，少量的ROS有助于精子獲能和頂體反應，ROS產生過高超過機體抗氧化體系的還原能力時，就會引起氧化應激反應使線粒體功能發生衰退，線粒體在利用氧分子的同時，也受到氧毒性的傷害。符浩等[21]研究發現，ROS水平高組精子DNA碎片指數顯著高于ROS低水平組，而精子活力、前向運動精子百分率等反映精子運動能力的指標均顯著降低。白雙勇等[22]研究發現，精子線粒體膜電位在超重及肥胖男性不育患者中下降明顯，同時其膜電位正常率與精子向前運動率表現出明顯的正相關性。Kasai T等[23]研究發現，線粒體膜電位與精液參數以及體外受精能力密切相關，精液參數異常以及受精能力下降的精子線粒體膜電位都有不同程度的下降。吳佳學等[24]通過對不育男性以及正常生育男性的精子線粒體膜電位檢測發現，不育男性組膜電位明顯低于正常生育組，而線粒體膜電位與精子向前運動率以及正常精子形態率呈顯著正相關性。周秀芬等[25]比較弱精癥患者與正常人的線粒體膜電位發現，與正常對照組相比，弱精癥組線粒體膜電位降低明顯，兩組具有統計差異性（P<0.01），同時線粒體膜電位喪失率又與精子早期凋亡率呈顯著正相關性（r=0.789，P<0.01）。線粒體細胞色素氧化酶是線粒體內一種氧化還原酶，發揮傳遞電子的功能，是呼吸鏈中的最后環節。一旦其活力受阻，電子傳遞以及整個呼吸鏈過程將受到影響，進而影響到氧化磷酸化能量合成，導致精子活動能量來源障礙。李敦高[26]應用反轉錄-聚合酶鏈反應監測發現，線粒體細胞色素氧化酶亞基Ⅰ和Ⅱ在弱精癥患者的表達比正常精子明顯降低。精子活動所需的能量主要由精子線粒體對能量物質的氧化磷酸化產生的ATP所提供，因此精子線粒體功能狀態將直接影響到精子是否有足夠的運動能量來源，進而與男性不育產生一定的關聯性。

男性不育目前已成為人類生殖系統中一個非常嚴重的問題，但其分子機制仍不是很清楚，難以明確診斷，因此也被許多人稱為特發性不育。隨著科學的發展，人們對精子的產生和受孕過程有了更深入的了解和研究，其涉及到的分子機制也開始逐漸被揭開。精子發生是一個復雜的過程，受許多基因的調控影響，同時又受到外界環境甚至其他多種器官疾病，如皮膚病、感染和惡性腫瘤等因素的影響[27]。不育男性中90%屬于低精子數或低精子質量或兩者都有[28]。因此，歸根到底，男性不育主要原因還是精子本身的問題。目前，臨床上主要以宏觀的精液常規分析評價男性精子狀態和生育能力。但伴隨著分子生物學水平的發展，近年來越來越多的研究者已經在微觀分子水平上對男性不育的發病機制進行研究。精子線粒體作為精子活動能量來源場所，與精子受精過程關系密切，與男性不育有重要的相關性。本文就目前國內外有關精子線粒體與精子活力以及男性不育相關性的研究進展作了綜述。相關研究表明，精子線粒體DNA拷貝數與精子活力呈現出顯著的負相關性。線粒體大片段缺失、基因突變以及功能改變均可以引起精子活力的下降，甚至影響到不育的發生[29-32]。因此對精子線粒體的深入研究，特別是分子水平上的研究，在本質上了解男性不育的發生機制以及男性不育的治療均具有十分重要的意義。

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（收稿日期：2016-11-15）