精子線粒體功能障礙在弱精子癥中的研究進展

劉宇，劉凱峰

(1.揚州大學附屬蘇北人民醫院男科，揚州 225001；2.大連醫科大學第一臨床學院，大連 116044)

隨著二胎政策的全面開放，尋求解決不育問題的患者數量明顯增多，在不育男性中，弱精子癥較為常見。弱精子癥是指精液中的前向運動精子百分率低于32%[1]，但具體病因不明。精子運動主要依賴鞭毛擺動，而精子線粒體則通過糖酵解和氧化磷酸化為鞭毛擺動提供能量。線粒體位于精子中段，是精子活動的供能中心[2]。最近研究表明，線粒體功能與精子活力密切相關。本文從線粒體膜電位(MMP)改變、活性氧(ROS)含量異常、線粒體內Ca2+含量異常、線粒體酶以及蛋白組活性的改變、線粒體超微結構異常、mtDNA突變等方向對線粒體功能障礙與弱精子癥的關系作一綜述。

一、精子線粒體結構和功能

線粒體是由內外雙分子脂質層包被的細胞器，由外膜、膜間隙、內膜和基質組成，主要參與調控物質與能量代謝、維持Ca2+穩態、ROS的生成和清除、細胞凋亡與自噬等多種生理病理過程[3]。在精子發生、運動和受精過程中，精子線粒體均發揮重要作用，但當出現感染、高溫、輻射等異常因素時，線粒體可出現功能障礙，具體表現為MMP降低、線粒體內Ca2+失衡、ATP生成減少、ROS激增等，最終可導致精子活力下降甚至死亡[3]。

二、精子線粒體功能障礙與弱精子癥

(一)線粒體膜電位改變

(二)ROS含量異常

ROS主要由線粒體氧化磷酸化產生，適度的ROS可維持精子獲能、超活化、頂體反應等生理功能；當ROS產生過多而無法及時清除時，則會對精子結構和功能造成破壞性影響，引起脂質過氧化、MMP下降、DNA損傷以及細胞凋亡，進而導致不育[9]。已有多項研究表明，ROS異常增加與精子活力有密切關系；此外ROS升高被證明與精子膜受損、MMP降低、精子體內酶活性失調、精子鞭毛動力蛋白缺陷有關，表明ROS可能通過損傷精子膜、MMP、相關酶及鞭毛蛋白，引起精子活力下降[10-12]。研究發現，精索靜脈曲張、肥胖、吸煙、感染、環境污染物、高溫等均會引起ROS異常升高，對精子活力造成影響，而維生素E、過氧化氫酶、輔酶Q等抗氧化劑的應用則可通過降低ROS來提高精子活力[13]。

(三)線粒體內Ca2+含量異常

Ca2+在精子正常生理過程中發揮重要作用，它參與調節精子獲能、精子超活化、頂體反應等多個過程，線粒體可通過攝取Ca2+來調節細胞內Ca2+穩態[14]。Davis[15]通過體外實驗發現Ca2+濃度可影響大鼠的精子活力。隨后，Breitbart等[16]在公羊體內發現可通過維持細胞內Ca2+濃度來改善精子活力，進一步證實了細胞內Ca2+濃度與精子活力的相關性。2015年，Liu等[17]通過對比67名弱精子癥和59名正常人的精液樣本，發現核糖核酸酶T2(RNASET2)高表達于弱精子癥患者的精液中。隨后Xu等[18]通過定位發現RNASET2是一種調節PKA活性的蛋白，通過抑制PKA/PI3K/鈣信號傳導途徑，使得細胞內Ca2+濃度下降，精子活力和ATP水平隨之下降，表明Ca2+在維持精子活力和ATP水平方面起著重要作用。

(四)精子線粒體酶以及蛋白組活性的改變

線粒體嵴膜上含有多種呼吸鏈酶復合物，可將細胞代謝過程中產生的氫轉移給氧生成水的同時產生ATP，為精子提供能量。研究發現，活力低下的精子線粒體中可發現部分呼吸鏈酶活性下降[19]，說明精子線粒體酶活性與精子活力相關。細胞色素C氧化酶(COX)是線粒體呼吸鏈酶復合物中的關鍵酶，其活性的改變會影響呼吸鏈的功能，引起能量生成障礙。其中COX6B是呼吸鏈的末端酶，Martinez-Heredia等[20]對20例弱精子癥患者和10例正常人的精子樣本進行蛋白組學鑒定，共分析101個蛋白點，發現7個蛋白表達下調，COX6B是其中之一，表明較低水平的COX6B可能與精子活動力下降有關，該結果得到Hashemitabar等[21]的證實。Hashemitabar等[21]還發現弱精子癥樣本中的熱休克蛋白A9(HSPA9)含量明顯低于正常人。HSPA9是屬于熱休克蛋白家族的應激反應蛋白，其在線粒體基質中占主導地位，可保護細胞免受高溫、氧化應激、炎癥和感染的侵害[22]，HSPA9的減少可能導致氧化應激產物的積累并損害精子活力。最新關于弱精子癥患者精液的蛋白組學研究還發現，ATP合酶的α-亞基和COX裝配蛋白在弱精子癥患者精液中表達下降[23]。以上通過免疫組學發現的差異線粒體蛋白均有作為男性不育的診斷和預測標志物的潛力，但仍需要進一步的研究來確定這些蛋白對男性生育能力的實際影響。

(五)線粒體超微結構改變

弱精子癥多由精子鞭毛異常引起，近年來，通過電子顯微鏡可觀察到弱精子癥患者精子鞭毛中的線粒體出現超微結構的改變。線粒體超微結構的改變包括膜增厚、基質增多、嵴溶解或消失等，這些也可能出現在精子線粒體中[24]。已有文獻報道，在電子顯微鏡下觀察精子線粒體中段的形態，可發現部分弱精子癥患者的精子線粒體鞘出現變形，線粒體排列不規則，膜間隙腫脹[25]。此外，先天性原因引起的弱精子癥患者中也會發現精子線粒體結構的異常。纖維鞘發育不良(DFS)也稱為鞭毛多發形態異常，是一種遺傳性精子缺陷。該類患者的精子鞭毛會出現纖維鞘增厚、中心微管缺失和線粒體鞘扭曲，精子尾部則為短而粗的特異表現[26]。在DFS患者中，Rawe等[27]發現精子線粒體鞘在尾部中段出現組裝異常、線粒體鞘變形以及精子線粒體表面泛素化增加，這些研究表明線粒體超微結構改變可能是精子活力下降的結構基礎。

(六)mtDNA損傷

線粒體特有的mtDNA含37個基因，可編碼13種多肽參與氧化磷酸化和糖酵解過程，為細胞生命活動提供能量[28]。mtDNA缺少組蛋白的保護、缺乏內含子以及損傷修復系統有限，因此容易受到氧化應激損傷，mtDNA隨之出現突變、缺失及拷貝數量的改變[4]。當精子mtDNA損傷引起ATP生成異常時，精子活力就會降低。

1.mtDNA突變：通過對弱精子癥患者精子研究發現這類患者COX基因存在多個位點突變，其中COXI出現m.6 375A>G、m.9 387 G>A以及m.6 307A>G，COXII出現m.8 021 G/A，COXIII出現m.9 588G>A[29]。上述位點的突變在正常生育者及活力正常的不育者的精子中均未發現，推測mtDNA突變會通過改變COX的活性而影響呼吸鏈的功能，引起ATP生成障礙，進而造成精子運動障礙。

2.mtDNA缺失：Kao等[30]首次發現精子活力差的患者精子中mtDNA缺失比例明顯高于精子活力好的正常人精子，而Ieremiadou等[31]研究發現精子mtDNA 4 977 bp缺失會導致精子活力及生育力下降，此后大片段mtDNA 7 436 bp缺失也被發現與精子運動異常有關，充分證明了mtDNA缺失與弱精子癥的相關性[32]。mtDNA缺失導致精子活力下降的原因可能是因為mtDNA缺失引起氧化磷酸化相關蛋白生成異常，導致ATP生成受阻、無法為精子運動提供能量。此外，mtDNA缺失不僅會使精子活力下降，影響正常生育，還會導致人工輔助生殖技術的成功率降低[33]。

3.mtDNA拷貝數改變：一些研究者發現，在活力較差的精液樣本中，精子mtDNA的拷貝數增加。Faja等[34]通過對比弱精子癥患者和正常生育者的精液樣本，發現mtDNA拷貝數變異除了與精子活力有關，還與生育能力下降有關，這些研究表明mtDNA拷貝數也可作為男性生育能力的敏感生物標志物。另外，Cecchino等[35]研究表明精子mtDNA拷貝數的減少可降低ROS介導的mtDNA損傷頻率，預示著改變mtDNA拷貝數可作為未來治療弱精子癥的一種策略。

三、總結

綜上所述，弱精子癥發生發展過程中伴隨著精子線粒體的功能障礙，MMP改變、ROS及Ca2+含量異常、酶及蛋白組活性的改變、超微結構的異常以及mtDNA突變相互聯系、互相影響，且均與弱精子癥有關。目前弱精子癥中的具體機制尚不明確，線粒體功能障礙在弱精子癥中的作用仍有待進一步研究，這對于弱精子癥的預防、診斷及治療有重要意義。