肥胖對精子發生機制影響的研究進展

牟珍妮，孫振高，宋景艷，劉紅根，喬巖，夏慶昌

(1.山東中醫藥大學中醫學院，濟南 250014；2.山東中醫藥大學附屬醫院，濟南 250014；3.山東中醫藥大學第一臨床學院，濟南 250014)

肥胖是一種慢性代謝性疾病，能增加高血壓、糖尿病、骨關節炎、癌癥及心血管疾病等的患病率，是威脅人類健康的重大隱患。精子的發生和成熟是處于嚴格調控機制下的高度復雜的生理過程，涉及睪丸、附睪、附屬腺體等。近年來，越來越多的臨床和實驗研究證實，肥胖通過多種途徑對男性的生殖功能產生影響，主要表現在影響男性內分泌[1]、降低精液質量[2]、增加精子DNA損傷[3]以及損害精子頂體反應[4]等方面，繼而引起胚胎質量受損、發育障礙、著床率降低以及流產率增加等[5]。目前肥胖影響男性精子發生機制的研究尚存在爭議，故本文對目前的一些觀點予以綜述并展開討論。

一、肥胖對男性神經-內分泌的影響

(一)肥胖擾亂男性生殖內分泌軸

在肥胖的男性中，多余的白色脂肪組織中的芳香化酶(細胞色素P450酶)活動過度導致雄激素過度轉化為雌激素，過多的雌激素負反饋抑制下丘腦-垂體-性腺軸(HPG軸)，導致卵泡刺激素(FSH)及黃體生成素(LH)釋放幅度和頻率下降，致使體內睪酮水平顯著降低[6-7]。而青春期男性的睪丸發育及成年后男性次級精母細胞的減數分裂及精子細胞的成熟都必須依賴于睪酮，且睪丸內高水平的睪酮是維持血睪屏障(BTB)與支持細胞以及支持細胞與生殖細胞之間連接所必須的[8]。此外，FSH是支持細胞另一個重要的調節因子，可以刺激精子細胞的發生與成熟[9]。因此，肥胖可能通過抑制男性體內性激素的水平降低精子的數量及質量。

(二)肥胖誘發炎癥反應

肥胖男性體內的白色脂肪細胞產生和分泌大量的脂肪因子，其中大多數脂肪因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、瘦素、干擾素、白細胞介素(IL-1、IL-6和IL-18)等均屬于促炎性細胞因子。這些促炎性因子既能介導炎癥反應引起巨噬細胞增多，又能破壞葡萄糖的穩態和胰島素的耐受性。而促炎性因子對男性精液的影響主要體現在兩個方面：其一是肥胖個體HPG軸對瘦素的抵抗[10]，致使下丘腦不能正常產生足夠的促性腺激素釋放激素(GnRH)，影響FSH、LH的釋放以及睪酮的產生[11]；其二是促炎性因子可以損害睪丸中的生精上皮，最顯著的是IL-1、TNF-α和干擾素，它們作用于支持細胞，影響連接蛋白和肌動蛋白-肌球蛋白細胞骨架蛋白的表達和組裝，從而誘導相鄰支持細胞之間細胞連接的開放，致使精子發生必需的生精上皮生態位的紊亂[12-13]，最終導致精子數量及質量的降低。

二、肥胖對精子相關結構及功能的影響

(一)肥胖增加氧化應激反應

肥胖男性中精子質量受損的一個主要因素是過量的活性氧(ROS)引起的氧化應激。ROS主要包括氧化物陰離子、一氧化氮、羥自由基和氧化劑等。ROS在細胞代謝中可以正常產生，而肥胖男性的慢性炎癥狀態使其形成增加。過量的ROS可以誘導氧化應激反應，致使精子DNA和質膜完整性受損并且能增加睪丸環境的壓力[14]。促炎性細胞因子(如IL-6、TNF-α)通過產生高水平的ROS來破壞生精上皮和附睪上皮細胞；此外，吸引吞噬細胞浸潤的炎癥還能夠在男性生殖道中誘導氧化應激反應，加劇精子的受損[15]。Tunc等[16]研究表明精液和睪丸中氧化應激反應與體重指數(BMI)和精子DNA損傷的增加呈正相關，與精子活力和頂體反應呈負相關。由此可見，肥胖男性過度的氧化應激是導致其精子質量差的潛在機制之一。

此外，精液中ROS水平與男性BMI指數呈正相關[17]，精子因其特殊的簡化細胞器和有限的抗氧化能力而易受氧化應激的影響。在精子細胞中，ROS主要來源于線粒體，可以通過精卵識別、融合和受精來促進其活性[18]，但高水平的ROS容易攻擊精子質膜中的脂質及細胞核和線粒體中的DNA[19]。

(二)氧化應激影響精子相關結構功能

1.增加精子DNA損傷：精子細胞核中DNA的完整性是精液質量的重要決定因素，它對于受精率、胚胎質量、妊娠率和流產率至關重要。目前，關于人類及小鼠的研究均證實肥胖與精子DNA完整性之間存在顯著負相關[20-21]。肥胖男性精子DNA結構損傷的主要原因之一是ROS，精子DNA特異性的氧化攻擊可直接導致精子DNA碎片化，并導致堿加化合物(尤其是8-羥基-2′-脫氧鳥苷)的形成，致使堿基錯配和DNA突變[22]；ROS還可以激活半胱天冬酶，通過半胱天冬酶激活核酸內切酶，形成使精子DNA碎片化，間接損傷精子DNA[23]。另外，由于抗氧化劑防御能力的限制和DNA修復系統的缺陷，精子中ROS引起的DNA損傷更嚴重，增加了受精和胚胎發育失敗的風險[24]。

2.改變精子脂質組成：精子膜由各種飽和脂肪酸(即肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸等)和不飽和脂肪酸(即棕櫚油酸、油酸、亞油酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸等)組成，其中不飽和脂肪酸的含量較高，尤其是高水平的二十二碳六烯酸(DHA)占總脂肪酸組成的30%[25]。研究表明，精子的DHA可以正向調節精子的濃度、形態和活力[25-26]。然而，膜狀不飽和脂肪酸易受ROS影響，導致脂質的過氧化，使膜脂的流動性變差，影響精子的活力和頂體反應[27]。另外，膜內膽固醇是精子中的主要組成成分，在精子成熟和獲能過程中細胞膜膽固醇從精子膜中流出對于改變膜流動性并進一步維持精子活力和正常頂體反應至關重要[28]。已有研究證實肥胖男性的精子膽固醇含量顯著升高，從而導致精子形態和活力的異常，以及頂體反應的過早發生[29]。

3.導致精子頂體反應缺陷：頂體反應是指精子獲能后，在輸卵管壺腹部與卵母細胞相遇，頂體開始釋放頂體酶，溶蝕放射冠和透明帶的過程。頂體反應是一種特殊類型的Ca2+依賴性胞吐作用，是受精的先決條件。精子中含有Rab3A、N-乙基馬來酰亞胺-敏感因子(NSF)等可溶性NSF-附著蛋白受體(SNARE)蛋白和突觸結合蛋白VIAR。α-可溶性NSF附著蛋白(α-SNAP)是通過NSF和SNARE相互作用在頂體反應中直接作用的一種重要蛋白質[30]。Shi等[31]通過分析精子中蛋白質-酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)的水平和活性以及其在各種病理生理條件下對精子頂體反應的影響，發現PTP1B可能是導致肥胖男性不育的關鍵分子。根據頂體胞吐作用模型提示，成功的頂體反應需要拆解cis-SNARE復合物并重新組裝穩定的反式SNARE復合物，通過PTP1B去磷酸化NSF是啟動cis-SNARE復合物解聚的關鍵步驟。在ob/ob小鼠精子中持續性高PTP1B活性將導致胞吐所需的蛋白酪氨酸磷酸化事件的抑制，并因此終止精子頂體反應。由此可見，肥胖雄性精子中的高PTP1B活性會損害精子的頂體反應，影響男性的生育能力。PTP1B可能是男性不育癥新的潛在治療靶點。

4.影響精子的體內獲能：在哺乳動物中，新鮮射出的精子必須經過一系列的生理和生化反應才能獲得運動和受精的能力，統稱為獲能，獲能是受精的重要先決條件。ROS的產生是在獲能早期，其主要是超氧陰離子及其歧化產物[32]，ROS能夠擴散并穿過細胞膜損害大多數類型的分子和結構，并能夠影響幾乎所有的獲能部分，ROS在獲能中的作用是劑量依賴性的，適量的ROS作為獲能的關鍵調節以促進膽固醇流出[33]、cAMP的產生和PTP的產生。而過剩的ROS是有害的，肥胖男性患者精液中ROS含量高，多余的ROS能夠破壞精子表面的多不飽和脂肪酸和精子-透明帶的相互作用，誘導內在的凋亡途徑[34]，影響精子的體內獲能，最終導致胚胎發育失敗[35]。

三、肥胖影響精子表觀遺傳修飾

表觀遺傳學修飾是對表觀基因組表達的調節，這種調節不依賴基因序列的改變且可遺傳表觀。表觀遺傳修飾因素如DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA等是對環境刺激變化的反映，這些因素相互作用調節基因表達，控制細胞表型，維持機體內環境穩定。近年來，越來越多關于肥胖對表觀遺傳影響的研究顯示，BMI增加會導致DNA的甲基化[36-37]。

DNA的甲基化和組蛋白的乙?；蔷影l生過程中的動態現象，對正常的精子發生及成功妊娠至關重要。DNA甲基化是甲基與核苷酸可逆可遺傳的連接，其最常見形式發生在CpG二核苷酸的胞嘧啶的5’碳上，產生5-甲基胞嘧啶。精子中的DNA甲基化與組蛋白的乙酰化有關，致使其被精胺取代[38]。精子DNA甲基化程度因個體間的差異而有一定的不同。一項全基因組研究報告提示，精子中9 081個獨特基因在肥胖男性和正常男性之間甲基化存在差異[39]。在高脂飲食誘導的肥胖大鼠模型中，鑒定的92個參與細胞定位、轉運和代謝過程的基因所對應的差異性甲基化區域，發現部分差異性甲基化區域出現隔代遺傳現象[40]。

四、其他因素

除外以上因素，溫度在男性精子發生過程中起重要作用。正常情況，陰囊溫度比人體溫度低1～2℃。陰囊溫度升高會降低精液參數，增加精子DNA損傷及氧化應激反應。肥胖患者陰囊周圍脂肪堆積，抑制散熱，睪丸局部溫度升高，可引起精子DNA損傷和氧化應激反應的增加[41]。另外，肥胖患者運動較正常人少，可能對精子的發生產生一定的影響。

綜上所述，肥胖對男性精子發生過程存在多方面的影響，且近年來男性肥胖者及男性不育患者逐年增加，深入研究肥胖對男性精子發生機制的影響具有極為重要的臨床意義。目前國內外關于肥胖對男性精子發生機制的研究主要停留在動物實驗研究階段，研究側重于炎癥反應、氧化應激反應、DNA損傷、表觀遺傳修飾等方面，具體機制尚不完善。因此，積極探明其機制，予以針對性防范和治療對于保護男性生殖健康至關重要。

【參 考 文 獻】

[1] Chambers TJ，Anderson RA. The impact of obesity on male fertility[J].Hormones，2015，14：563-568.

[2] Jensen TK，Andersson AM，J?rgensen N，et al. Body mass index in relation to semen quality and reproductive hormones among 1 558 Danish men[J].Fertil Steril，2004，82：863-870.

[3] Dupont C，Faure C，Sermondade N，et al. Obesity leads to higher risk of sperm DNA damage in infertile patients[J].Asian J Androl，2013，15：622-625.

[4] Samavat J，Natali I，Degl’Innocenti S，et al. Acrosome reaction is impaired in spermatozoa of obese men：a preliminary study[J].Fertil Steril，2014，102：1274-1281.

[5] Mcpherson NO，Michelle L. Male obesity and subfertility，is it really about increased adiposity?[J].Asian J Androl，2015，17：450-458.

[6] Michalakis K，Mintziori G，Kaprara A，et al. The complex interaction between obesity，metabolic syndrome and reproductive axis：a narrative review[J].Metabolism，2013，62：457-478.

[7] 朱倩，崔毓桂.精子發生的調節機制及其進展[J].生殖醫學雜志，2016，25：378-383.

[8] Lie PP，Cheng CY，Mruk DD. Signalling pathways regulating the blood-testis barrier[J].Int J Biochem Cell Biol，2013，45：621-625.

[9] Ramaswamy S，Weinbauer GF. Endocrine control of spermatogenesis：Role of FSH and LH/testosterone[J].Spermatogenesis，2015，4：e996025.

[10] Landry D，Cloutier F，Martin LJ. Implications of leptin in neuroendocrine regulation of male reproduction[J].Reprod Biol，2013，13：1-14.

[11] Hersh C，Tsatsanis C，Dermitzaki E，et al. The impact of adipose tissue-derived factors on the hypothalamic-pituitary-gonadal(HPG)axis[J].Hormones，2015，14：549-562.

[12] Chojnacka K，Bilinska B，Mruk DD. Interleukin 1alpha-induced disruption of the Sertoli cell cytoskeleton affects gap junctional communication[J].Cell Signal，2016，28：469-480.

[13] Li N，Tang EI，Cheng CY. Regulation of blood-testis barrier by actin binding proteins and protein kinases[J].Reproduction，2016，151：29-41.

[14] Rato L，Alves MG，Cavaco JE，et al. High-energy diets：a threat for male fertility?[J].Obes Rev，2014，15：996-1007.

[15] Henkel RR. Leukocytes and oxidative stress：dilemma for sperm function and male fertility[J].Asian J Androl，2011，13：43-52.

[16] Tunc O，Bakos HW，Tremellen K. Impact of body mass index on seminal oxidative stress[J].Andrologia，2011，43：121-129.

[17] Taha EA，Sayed SK，Gaber HD，et al. Does being overweight affect seminal variables in fertile men?[J/OL]. Reprod Biomed Online，2016，33：703-708.

[18] Amaral A，Louren?o B，Marques M，et al. Mitochondria functionality and sperm quality[J].Reproduction，2013，146：R163-174.

[19] Aitken RJ，Gibb Z，Baker MA，et al. Causes and consequences of oxidative stress in spermatozoa[J].Reprod Fertil Dev，2016，28：1-10.

[20] Fariello RM，Pariz JR，Spaine DM，et al. Association between obesity and alteration of sperm DNA integrity and mitochondrial activity[J].BJU Int，2012，110：863-867.

[21] Duale N，Steffensen IL，Andersen J，et al. Impaired sperm chromatin integrity in obese mice[J].Andrology，2014，2：234-243.

[22] De Luliis GN，Thomson LK，Mitchell LA，et al. DNA Damage in human spermatozoa is highly correlated with the efficiency of chromatin remodeling and the formation of 8-Hydroxy-2′-Deoxyguanosine，a marker of oxidative stress[J].Biol Reprod，2009，81：517-524.

[23] Sakkas D，Alvarez JG. Sperm DNA fragmentation：mechanisms of origin，impact on reproductive outcome，and analysis[J].Fertil Steril，2010，93：1027-1036.

[24] Gavriliouk D，Aitken RJ. Damage to sperm DNA mediated by reactive oxygen species：its impact on human reproduction and the health trajectory of offspring[J].Adv Exp Med Biol，2015，868：23-47.

[25] Andersen JM，R?nning PO，Herning H，et al. Fatty acid composition of spermatozoa is associated with BMI and with semen quality[J].Andrology，2016，4：857-865.

[26] Martínez-Soto JC，Landeras J，Gadea J. Spermatozoa and seminal plasma fatty acids as predictors of cryopreservation success[J].Andrology，2013，1：365-375.

[27] Aitken RJ，Baker MA. Causes and consequences of apoptosis in spermatozoa；contributions to infertility and impacts on development[J].Int J Dev Biol，2013，57：265-272.

[28] Whitfield M，Polletvillard X，Levy R，et al. Posttesticular sperm maturation，infertility，and hypercholesterolemia[J].Asian J Androl，2015，17：742-748.

[29] Schisterman EF，Mumford SL，Chen Z，et al. Lipid concentrations and semen quality：the life study[J].Andrology，2014，2：408-415.

[30] Tomes CN，De Blas GA，Michaut MA，et al. alpha-SNAP and NSF are required in a priming step during the human sperm acrosome reaction[J].Mol Hum Reprod，2005，11：43-51.

[31] Shi L，Zhang Q，Xu B，et al. Sustained high protein-tyrosine phosphatase 1B activity in the sperm of obese males impairs the sperm acrosome reaction[J].J Biol Chem，2014，289：8432-8441.

[32] Rivlin J，Mendel J，Rubinstein S，et al. Role of hydrogen peroxide in sperm capacitation and acrosome reaction[J].Biol Reprod，2004，70：518-522.

[33] Boerke A，Brouwers JF，Olkkonen VM，et al. Involvement of bicarbonate-induced radical signaling in oxysterol formation and sterol depletion of capacitating mammalian sperm during in vitro fertilization[J].Biol Reprod，2013，88：1-18.

[34] Bromfield EG，Aitken RJ，Anderson AL，et al. The impact of oxidative stress on chaperone-mediated human sperm-egg interaction[J].Hum Reprod，2015，30：2597-2613.

[35] Aitken RJ，Whiting S，De Iuliis GN，et al. Electrophilic aldehydes generated by sperm metabolism activate mitochondrial reactive oxygen species generation and apoptosis by targeting succinate dehydrogenase[J].J Biol Chem，2012，287：33048-33060.

[36] Dick KJ，Nelson CP，Tsaprouni L，et al. DNA methylation and body-mass index：a genome-wide analysis[J].Lancet，2014，383：1990-1998.

[37] Wang B，Gao W，Li J，et al. Methylation loci associated with body mass index，waist circumference，and waist-to-hip ratio in Chinese adults：an epigenome-wide analysis[J].Lancet，2016，388：S21-S21.

[38] Delaval K，Govin J，Cerqueira F，et al. Differential histone modifications mark mouse imprinting control regions during spermatogenesis[J].EMBO J，2014，26：720-729.

[39] Donkin I，Versteyhe S，Ingerslev LR，et al. Obesity and bariatric surgery drive epigenetic variation of spermatozoa in humans[J].Cell Metab，2016，23：369-378.

[40] de Castro Barbosa T，Ingerslev LR，Alm PS，et al. High-fat diet reprograms the epigenome of rat spermatozoa and transgenerationally affects metabolism of the offspring[J].Mol Metab，2016，25：184-197.

[41] Mariotti A，Di Carlo L，Orlando G，et al. Scrotal thermoregulatory model and assessment of the impairment of scrotal temperature control in varicocele[J].Ann Biomed Eng，2011，39：664-673.