精子與孕酮的非基因組效應(yīng)研究進(jìn)展

江 峰 綜述 孫曉溪 審校

上海集愛(ài)遺傳與不育診療中心（上海 200011）

女性體內(nèi)的類(lèi)固醇激素孕激素是由卵巢和胎盤(pán)產(chǎn)生的，這種激素能通過(guò)孕酮受體來(lái)支持受孕和胚胎形成。而另一種孕酮，由卵子周?chē)念w粒細(xì)胞和泡膜內(nèi)層細(xì)胞釋放的孕酮也在輸卵管內(nèi)刺激精子細(xì)胞，增強(qiáng)它們使卵子受精的能力。孕酮在雌性生殖道內(nèi)的分布呈現(xiàn)濃度梯度，當(dāng)精子進(jìn)入雌性生殖道以后，低濃度的孕酮快速誘導(dǎo)精子內(nèi)Ca2+離子含量增加，誘導(dǎo)精子獲能。孕酮濃度增加從0.1到1μmol/L 濃度，能提高精子的前向運(yùn)動(dòng)和超活化運(yùn)動(dòng)。在趨化性的引導(dǎo)下精子到達(dá)輸卵管壺腹部與卵細(xì)胞相遇，5μmol/L 濃度的孕酮能夠激活精子頂體反應(yīng)，使得精子順利穿過(guò)透明帶和卵細(xì)胞膜最終完成受精作用[1]，以往孕酮這種作用的機(jī)制一直不清楚。而探討孕酮該效應(yīng)一直是生殖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

孕酮是調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物成熟精子功能最重要的生理激素，能瞬間增加精子胞內(nèi)Ca2+離子和cAMP含量，激活精子獲能、超活化、趨化性和頂體反應(yīng)等生理功能，由于成熟精子基因轉(zhuǎn)錄沉默，孕酮的生理效應(yīng)主要通過(guò)相關(guān)性膜受體介導(dǎo)的非基因組效應(yīng)（通過(guò)激活細(xì)胞膜孕酮膜受體在短時(shí)間內(nèi)調(diào)控下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不改變核基因的表達(dá)）[2]完成。

一、陽(yáng)離子通道蛋白（CatSper）

精子中表達(dá)6個(gè)跨膜螺旋重復(fù)單位的離子通道樣蛋白被命名為精子陽(yáng)離子通道蛋白。目前共有4個(gè)成員，即CatSper 1-4，是精子特異的電壓門(mén)控型Ca2+離子通道，定位于精子尾部主段的質(zhì)膜上[3]。目前發(fā)現(xiàn)CatSper1或CatSper2基因突變會(huì)導(dǎo)致男性遺傳性不育癥[4]。

2011年兩個(gè)獨(dú)立研究小組報(bào)告[5,6]，孕酮能夠強(qiáng)力激發(fā)精子鞭毛上的主要Ca2+離子通道。數(shù)據(jù)表明，CatSper通道或由一個(gè)直接相關(guān)的膜蛋白起著一種新型孕酮受體的作用，該受體能調(diào)控孕酮在精子質(zhì)膜層面上快速的、非基因組性質(zhì)的效應(yīng)。這些結(jié)果應(yīng)能幫助確定孕酮和CatSper在精子中的生理作用，并且還可能導(dǎo)致新型非激素類(lèi)避孕藥的研發(fā)。

主流觀點(diǎn)認(rèn)為孕酮對(duì)精子功能的調(diào)節(jié)效應(yīng)與精子特異性Ca2+通道CatSper密切相關(guān)。具體而言，CatSper收到孕酮信號(hào)后與孕酮結(jié)合，通道打開(kāi)，這樣Ca2+離子就可以進(jìn)入精子內(nèi)，從而引發(fā)鞭毛擺動(dòng)加快。孕酮是從卵細(xì)胞周?chē)尫懦鰜?lái)的，因此隨著孕酮的釋放，這種信號(hào)就形成一個(gè)濃度梯度，精子通過(guò)CatSper接受信號(hào)，越靠近卵子，孕酮水平越高，精子游動(dòng)越快，最后到達(dá)卵細(xì)胞，與卵細(xì)胞融合，這種濃度梯度為精子的準(zhǔn)確定位提供了可靠信息。并且，由CatSper通道介導(dǎo)的鞭毛Ca2+離子內(nèi)流甚至導(dǎo)致精子頭部Ca2+離子水平升高（可能是由于位于精子頸部細(xì)胞內(nèi)池的依賴(lài)性Ca2+釋放），由此而促成Ca2+離子依賴(lài)性頂體反應(yīng)[7]。因此由孕酮激活的CatSper通道可引起所有3種Ca2+離子依賴(lài)反應(yīng)，即超活化、趨化作用及頂體反應(yīng)[8]。

二、孕酮膜受體ABHD2

然而以往精子中孕酮膜受體和孕酮對(duì)精子的具體作用機(jī)制仍不明確，2016年加州大學(xué)伯克利分校研究人員發(fā)現(xiàn)了孕酮膜受體（abhydrolase domain containing protein 2, ABHD2）蛋白功效，認(rèn)為ABHD2（mSH超家族成員）是孕酮的膜受體，是精子中孕酮的非基因組效應(yīng)的核心功能蛋白[9]。該受體在精子中含量很高，也存在于許多其他組織中，并且可能是孕酮對(duì)神經(jīng)細(xì)胞、平滑肌和肺組織等作用的控制開(kāi)關(guān)。ABHD2的作用機(jī)制是與孕酮結(jié)合，激活A(yù)BHD2的三酰甘油脂肪酶活性，分解CatSper的抑制劑1AG/2AG，使CatSper處于活化狀態(tài)，Ca2+離子內(nèi)流，激活下游信號(hào)而起作用[10]。

三、影響通道的因素和意義

由于精子陽(yáng)離子通道CatSper對(duì)精子的超活化及生育能力至關(guān)重要，孕酮是通過(guò)ABHD2激活人類(lèi)精子的CatSper，但ABHD2受體孕酮的特異性作用尚未完全明確。2017年同樣在加州大學(xué)伯克利分校研究人類(lèi)精子在男性和女性生殖道中暴露的其他類(lèi)固醇激素是否通過(guò)調(diào)節(jié)ABHD2影響CatSper激活[11]，發(fā)現(xiàn)睪酮、雌激素和皮質(zhì)醇（又稱(chēng)氫化可的松）不能直接激活CatSper，但它們可以減少或阻止孕酮對(duì)CatSper的活化。分析其原因可能是睪酮以比孕酮更高的親和力與ABHD2結(jié)合，從而阻止CatSper活化[5]，并且直至它在女性生殖道中被去除。

另外，精子在女性子宮和輸卵管中遇到富含雌激素（E2）的環(huán)境，E2不會(huì)改變CatSper電流，但也不允許孕酮通道完全激活，以防止鈣離子流入過(guò)早并因此導(dǎo)致精子活化，起著不太有效的孕酮拮抗劑作用。排卵后，E2水平降低，孕酮濃度增高[12]且卵母細(xì)胞周?chē)穆亚鸺?xì)胞也分泌孕酮，使得精子隨孕酮濃度梯度變化而游向卵細(xì)胞，孕酮有可能超過(guò)E2，導(dǎo)致CatSper活化，孕酮也是E2的天然拮抗劑[13]。

眾所周知壓力和皮質(zhì)醇（氫化可的松）會(huì)通過(guò)抑制精子生成和減少精子濃度和精子活力，導(dǎo)致男性生育能力降低[14,15]。同樣也會(huì)影響女性的生育能力。在體外受精的女性中，尿皮質(zhì)醇水平會(huì)從230 nmol增加到500 nmol[16]。氫化可的松阻斷孕酮CatSper激活濃度為153nmol以上。因此女性生殖道中的應(yīng)激激素水平升高可能不僅損害卵子早期階段，而且精子獲得其受精潛能的晚期階段也會(huì)受損，造成不育[11]。

綜上所述，睪酮、 雌激素和皮質(zhì)醇這3種類(lèi)固醇激素都會(huì)與孕酮競(jìng)爭(zhēng)，阻止精子尾部誘發(fā)鞭狀運(yùn)動(dòng)，雖都不能單獨(dú)激活CatSper，但比孕酮有更高的與ABHD2結(jié)合的能力，從而阻止CatSper活化。其中只有睪酮激素和皮質(zhì)醇激素在機(jī)體正常水平下能夠發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)作用。這表明女性壓力過(guò)大、睪酮等水平高會(huì)在一定程度上阻止精子進(jìn)入卵細(xì)胞，從而降低她們的受孕概率。

在人類(lèi)除了孕酮外，另一種類(lèi)固醇激素硫化孕烯醇酮（PregS），其結(jié)構(gòu)上與孕酮類(lèi)似，也以類(lèi)似于孕酮的方式激活精子鈣離子通道CatSper，通過(guò)ABHD2機(jī)制來(lái)激活CatSper與孕酮所示的通道激活機(jī)制相同[9]。這兩種物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)ABHD2結(jié)合位點(diǎn)，但需要進(jìn)一步研究以揭示PregS和孕酮是否協(xié)同或獨(dú)立地活化CatSper。另外通過(guò)計(jì)算機(jī)精子輔助分析系統(tǒng)（CASA）顯示，盡管孕酮增加了精子超活化能力，但PregS卻沒(méi)有，這可能是由于PregS是帶電荷的分子，不能通過(guò)質(zhì)膜[17]。而考慮孕酮可能激活額外的細(xì)胞內(nèi)途徑，即精子質(zhì)膜需要去極化，并通過(guò)孕酮介導(dǎo)的抑制鉀離子通道KSper來(lái)實(shí)現(xiàn)[18]，該通道產(chǎn)生完全依靠CatSper激活所需的膜去極化。孕酮可以從細(xì)胞內(nèi)側(cè)抑制KSper，但PregS則不能穿過(guò)質(zhì)膜，說(shuō)明孕酮能夠引起更顯著的超活化和生理意義。

以往精卵相互作用的研究偏少，男女避孕的方法更是各自分開(kāi)研發(fā)，通過(guò)上述研究則可能存在實(shí)現(xiàn)男女共同避孕的目標(biāo)和項(xiàng)目。Lishko等[19]發(fā)現(xiàn)有兩種存在于雷公藤、蘆薈等植物中的天然化合物扁塑藤素（pristimerin）[20]和羽扇豆醇（lupeol）[21]能夠在低劑量的濃度下有效阻止受精作用，且對(duì)精子、卵子不會(huì)造成負(fù)面影響。

這兩種化合物具有類(lèi)似于類(lèi)固醇的功能：干擾孕酮激素與ABHD2蛋白結(jié)合，封鎖CatSper通道，可以阻止精子的活躍運(yùn)動(dòng)，使其重回原非活躍狀態(tài)。但這種機(jī)制并不會(huì)影響精子本身的生存能力，且對(duì)精子細(xì)胞無(wú)毒副作用，精子依然可以游動(dòng)，只是沒(méi)有足夠的動(dòng)力促使它們進(jìn)入卵細(xì)胞而已[19,22]。中醫(yī)藥學(xué)中曾有將雷公藤葉子作為避孕藥材的記載，但是這種天然植物有很大的毒性。羽扇豆醇存在于芒果、蘆薈以及蒲公英的根中，以往科學(xué)家們多對(duì)它的抗癌效應(yīng)感興趣，但是它同樣具備避孕功效。Lishko等[19]認(rèn)為這兩種來(lái)源于植物的化合物可以在非常低的劑量下實(shí)現(xiàn)避孕，比常用避孕藥劑量低10倍，且它們是屬植物性、無(wú)毒、無(wú)激素的化合物。若精子一旦進(jìn)入女性生殖系統(tǒng)，需要5～6h發(fā)育成熟。這一段時(shí)間足以使該極低劑量藥物進(jìn)入系統(tǒng)，阻止受精過(guò)程而達(dá)到避孕效果，這樣的話，這兩種化合物勢(shì)必成為更好的避孕選擇，稱(chēng)它們?yōu)椤胺肿影踩住薄?目前，Lishko等[19]正以靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物為模型，驗(yàn)證這兩種化合物阻止體外受精的效果。與此同時(shí)，考慮到從野生植物中提取化合物的性?xún)r(jià)比太低，他們?cè)噲D篩選出廉價(jià)的三萜類(lèi)化合物。

還有特別值得考慮ABHD2作為孕酮膜受體的核心蛋白，需要更進(jìn)一步了解在臨床不育男性與正常生育男性之間的表達(dá)及分布情況，以及不同類(lèi)型不育中ABHD2基因是否存在突變。且不同個(gè)體精子對(duì)孕酮的反應(yīng)可能不一致，是否可能是由于ABHD2這種表達(dá)差異，進(jìn)而成為評(píng)估精子活性和功能的新指標(biāo)，為某些男性不育機(jī)制研究開(kāi)拓新思路。另外通過(guò)對(duì)ABHD2上下游信號(hào)通路研究，孕酮是否通過(guò)ABHD2調(diào)控cAMP-PKA信號(hào)通路進(jìn)而影響精子的功能活性，對(duì)闡明受精等作用具有臨床意義。