PARP-1對精子生成影響的研究進展*

1.廣東醫科大學研究生院泌尿外科 (廣東 湛江 524000)

2.佛山市第一人民醫院生殖醫學中心 (廣東 佛山 528000)

李金重1 黃永漢2

男性的生育能力受到多種因素的影響，行為和遺傳因素均可以在不同水平上影響精子的形成，其中男性生殖細胞受多種內源性和外源性遺傳毒性影響[1]。內源性包括活性氧和代謝活動中產生的NO等物質，而外源性因素包括各種可能對基因組DNA造成損害的環境因素。這些遺傳毒性劑可使DNA單鏈和雙鏈斷裂、堿基缺失、堿基損傷、鏈間和鏈內交聯以及DNA蛋白質交聯，從而可導致DNA的損傷，最終影響精子的生成[2]。近年來，臨床上對男性生殖細胞DNA質量的研究逐漸增加，尤其是在輔助生殖技術(ART)時代[3]。由于精子問題關于其先天性的異常可能也已被提出，尤其許多評論都談到精子的存活及好壞起源于DNA的完整性，通過相應技術評估精子DNA的完整性有利于評估ART的結果[4]。在本文中，我們將討論PARP家族成員之一PARP-1對精子生成及生殖細胞DNA損傷的影響。

1 PARP-1結構和功能

PARP是由18不同基因編碼組成的酶族，他們具有相同的高度保守的催化域序列，主要參與細胞過程中的染色體重塑、調控細胞凋亡、細胞分裂。PARP-1是PARP酶家族的公認成員之一，主要存在于真核生物中。曾有研究報道[5]，PARP-1在染色質結構和轉錄調控中影響特定信號通路的過程，且有三個主要結構領域：DNA結合片段，其中包含兩個鋅指基序參與的DNA鏈斷裂識別和核定位信號；中央自動修改域，包括一個BRAC1的羧基端(DNA修復和細胞信號轉導)并有Capase-3酶切功能；C端催化域，包括一個富含色氨酸-甘氨酸-精氨酸域(WGR)、α螺旋結構域(HD)和 ADP核糖轉移酶結構域(ART)。該酶與DNA的修復和維護有關基因組完整性的調控有關，并在轉錄水平上調節各種蛋白質的表達以及在復制和分化中起著一定的作用。PARP酶是1960年代首次定義的以NAD為底物的蛋白質修飾酶，PAR聚合物對靶蛋白谷氨酸殘基有著一定作用[6]。因此，PARP能使蛋白質形成PAR聚合物分子，而其中PARP-1活性約占PARP總活性的90%[7]。

2 PARP-1與精子發生

既往多項研究[8]已在大腦、心臟、腎臟和睪丸等多種組織的細胞核中檢測到PARP-1的存在。曾有實驗[9]顯示：PARP-1在發育中小鼠生精小管的基底區域具有高水平的表達，但在生精小管的管腔區域幾乎沒有顯示，從此提示了PARP-1在減數分裂過程中逐漸減少，這也解釋了為什么PARP-1在精子發生的早期階段其表達水平會較高。另有研究表明[10]：在小鼠實驗中，在初級精母細胞中觀察到的PARP-1濃度最高，隨后在精子成熟過程中表達下降，精子中的數量更少。而在最近開展的一項研究中[11]，發現了最強的PARP-1表達在精原細胞中，PAR化最強的是人類的精子和圓形精子以及亞群的精子細胞，相比之下，成熟的精子沒有PARP表達或聚(ADP-核糖基)化。這是一項在大鼠生殖細胞中的研究。ADP-核糖和NAD水平從初級精母細胞到次級精母細胞再到較大的精子細胞逐漸下降。PARP-1水平在男性生殖過程和活動中的下降可能與染色質結構的變化有關，同時也可能與精子的發生有關。精子發生時的染色質重塑步驟包括替換魚精蛋白的組蛋白和從DNA的超螺旋形式到非超螺旋形式，在這些染色質重塑步驟中DNA鏈的斷裂均可影響生精。

尋找射精精子中PARP的存在一直是臨床上的研究重點，但是直到近幾年才真正取得成功。在沒有發現精液中的凋亡標記物時，人類射精后的精子中是否存在PARP-1也是一個疑問。然而，在后續的最新研究 中[12]，在射精后的精子中發現了幾種PARP亞型，其中包括PARP-1，PARP-2和PARP-9，而免疫定位表明，PARP主要被發現存在于精子頂體區域附近。此外，精子成熟度與PARP的存在也有直接的聯系，即精子越成熟，PARP-1的存在顯著增加，而與未成熟精子相比，在成熟精子中PARP-2和PARP-9的數量更多。另外，與PARP-9在可育男性與不育男性之間的差異相比，PARP-1、PARP-2的差異明顯更高，由此表明PARP與男性不育之間可能存在關系。且PARP的調節活動可能影響精子氧化和化學損傷的反應。在相關報告中，PARP抑制劑3-氨基苯甲酰胺在化學和氧化應激誘導的細胞凋亡中的表達增加了兩倍。這個新穎的發現提示PARP在保護精子免受氧化和化學作用中可能起重要作用。

3 PARP-1和精子DNA

最近精子DNA損傷對不育男性的重要性逐漸受到關注。有實驗報告[13]顯示：DNA損傷指數更高可能會導致精液質量更大程度的降低。且有數據證實[14]：當DNA片段損傷指數超過15%時，進行卵泡漿內單精子注射后，移植失敗和流產的發生率顯著增加。這些研究表明評估精子質量可能需要分析影響基因組完整性的那些因素，尤其是在非手術取精的精子中。而在不少實驗證明中顯示[15]：PARP-1修復DNA損傷后在生殖細胞中仍舊存在一定的活性。輻射和一些可以產生活性氧的環境會引起大鼠體內精原細胞和精母細胞的廣泛DNA損傷，而PARP-1抑制劑會導致DNA損壞修復的延遲。精子細胞與初級精母細胞的主要區別是精子只有在遺傳毒性的損傷后才顯示出可檢測的PAR產生。

4 PARP-1在男性生殖中的生物學作用

PARP-1在各類細胞中維持基因組完整性的方面起著至關重要的作用，也許也表明了保證基因的完整性在生殖細胞中也很重要。既往也有報道表明[12]，精子染色質和DNA結構的異常與男性不育有著密切聯系。破壞精子基因組的完整性可來源于多方面，比如精子發生缺陷、細胞凋亡、精子成熟障礙和氧化應激等。精子發生缺陷問題可能包括雙鏈斷裂，之后無法解決在減數分裂過程中的交叉，而且精子成熟會涉及染色質重塑步驟，涉及必要的DNA鏈斷裂，都可能會導致精子生成障礙。最后，氧化應激已經對男性不育癥的影響進行了廣泛的研究，并且鑒于氧化應激條件下PARP-1誘導的細胞凋亡途徑的激活等都為PARP-1在男性生育中的作用提供了一定的解釋。PARP-1在生殖細胞中的研究大多為動物實驗，其對人類男性的生育能力的影響研究尚不詳細。但是也有報道證實在人類睪丸和射精后的精子中檢測到PARP-1，由此證明PARP-1在男性精子生成過程中起著一定的重要作用。

5 結 論

綜上所述，PARP-1在精子生成過程中存在多方面的影響，在可育男性的睪丸組織中PARP-1可顯著表達。且PARP-1作為一種重要的DNA修復酶可以通過維持基因組完整性來減少生殖細胞分化過程中出現的失誤。同樣，PARP-1通過細胞凋亡途徑對消除異常生殖細胞也具有重要的意義。總之，在精子的發生過程中，PARP-1可能是深入了解這些修復機制的關鍵，而PARP-1與精子的生成和維持基因完整性密不可分，故PARP-1表達水平有望成為評估男性生育能力的一個指標，可幫助人們健康地懷孕。