參與調節哺乳動物精子運動的離子通道研究進展

何琪富,高 峰,吳盛輝,張 涌*,權富生*

(1.西北農林科技大學動物醫學院,楊凌 712100;2.農業部動物生物技術重點實驗室,楊凌 712100;3.陜西省動物胚胎工程技術研究中心,楊凌 712100)

哺乳動物精子通過復雜的精子發生過程,在附睪管運行過程中成熟,期間受到多種基因和激素調控,精子表面結構、細胞內物質數量和種類、生理及代謝狀態發生變化[1-2]。精子運動能力受多種翻譯后修飾、特定信號通路的激活或失活以及鞭毛擺動等調節[3-4]。動物本交或人工授精時,精子進入雌性生殖道,其功能受到離子通道和激素(如雌激素、孕激素)調節,但是影響哺乳動物精子運動的確切機制尚不清楚[5]。膜片鉗、電生理學、藥理學和分子技術等應用于該領域研究后發現,離子通道不僅參與調節精子運動、獲能和頂體反應[6-9],還參與調節精子對孕酮的趨化性[8]、精子膜極化和能量穩態、在輸卵管移動和卵母細胞結合過程[10-12]。其中,離子通道的功能在調節精子活力方面尤為重要,在精子發生的不同階段將各種離子通道和細胞分布與其功能狀態合并研究,有助于理解其參與精子分化和生理功能的分子機制[13-14]。因此總結這些離子通道在調節精子運動和受精能力中的機制,對于認識精子運動功能調控和改善精子運動研究具有重要意義。

1 精子運動調節因素

精子獲得運動能力是從附睪開始,在雄性和雌性生殖道的不同部位表現出不同類型的運動[1,15]。在附睪中,鞭毛蛋白磷酸化導致低振幅的對稱運動,精子進行基礎運動,漸進性向前游動[16]。隨后精子獲能,進行超激活運動[17-18],頭部側向彎曲,鞭毛擺動增加,使得精子能夠穿透黏稠的宮頸黏液,到達卵母細胞所處位置[19]。在精子運動的過程中要受到眾多因素的影響,諸如:精子運動結構基礎,能量代謝水平,所處環境中Ca2+、K+、Na+、Cl-和 HCO3-濃度,ATP含量,pH和溫度等[16]。

1.1 結構基礎

成熟精子包括頭部和尾部,其中尾部為精子運動提供動力,尾部鞭毛的正常擺動決定精子能夠順利到達受精部位完成受精。尾部中段主要結構是軸絲和外圍的線粒體鞘,軸絲是精子的運動器官,由遠端中心粒形成,一直伸向精子的末段。精子軸絲的結構基本組成上都是9+2型,即位于中央的兩條是單根的微管,四周是9條成雙的微管,軸絲雙微管彎曲產生的推進力,推進精子的前向運動對于精子運動性能而言極其重要[12]。

1.2 能量代謝

位于精子鞭毛中段的線粒體會通過氧化磷酸化和糖酵解產生腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP),在激活動力蛋白鏈中的ATP酶將ATP化學能轉換為機械能,為精子鞭毛的擺動提供能量[12,20]。但是線粒體產生的ATP不能運輸至整個鞭毛纖維,研究發現,缺失線粒體氧化磷酸化反應的小鼠精子依然具有受精能力,證明糖酵解過程產生ATP也同樣用于精子運動調節[21],其中己糖激酶、乳酸脫氫酶和3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPD)是調節精子糖酵解活性的主要蛋白酶[22],綜合來看,精子中ATP由線粒體氧化磷酸化和糖酵解過程共同產生。

1.3 精子運動的調節分子

精子運動通過兩條重要的代謝途徑進行調節:Ca2+途徑和蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)或環腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)依賴性蛋白激酶途徑,這兩種途徑都涉及Ca2+、HCO3-、腺苷酸環化酶(adenylate cyclase,AC)和通道蛋白磷酸化[16]。哺乳動物AC可分為可溶性AC(sAC)和跨膜AC(tmAC),通過在焦磷酸鹽存在下催化ATP分子內環化為cAMP來調節細胞cAMP濃度[23-24]。

哺乳動物精子中最常見的AC是sAC,它參與以cAMP為基礎的信號傳遞和鞭毛搏動頻率的調節[25],Ca2+濃度增加會激活sAC,導致ATP轉化為cAMP,從而使cAMP濃度增加[26]。sAC基因失活會造成精子缺乏向前性運動能力,最終導致雄性不育[25]。sAC活化的主要調節器是HCO3-和Ca2+離子,其中HCO3-直接調節sAC的功能,而不影響tmAC活性[23]。tmAC通過G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptors,GPCR)激活,通過cAMP依賴性蛋白磷酸化參與精子基礎進行性運動的調節,而sAC導致精子生成高濃度的cAMP,調節超激活運動。sAC在細胞過程中充當ATP、CO2、pH、Ca2+和HCO3-離子的傳感器,調節精子細胞內與cAMP相關的大多數信號通路[25,27]。精子處于HCO3-環境會增加進入精子內部的Ca2+,從而使鞭毛搏動頻率增加,導致PKA激活,引起蛋白質絲氨酸、蘇氨酸殘基和酪氨酸磷酸化加強[28]。所以Ca2+、ATP、pH及HCO3-均被認為是精子運動的關鍵調節分子[16]。

2 參與精子運動調節的離子通道

2.1 調節精子運動的Ca2+通道

精子離子通道主要受胞外的生理環境或生理因子調控,Ca2+是常見的參與細胞信號通路的次級信使,在調節精子運動中的作用已被廣泛研究。精子中Ca2+來源有兩種主要途徑:1)分布在精子頭部和線粒體鈣庫中Ca2+的釋放;2)通過特定的Ca2+通道進入精子的Ca2+[29]。引起精子內外Ca2+濃度發生變化的因素如下:1)Ca2+通道(CatSper)第四跨膜區域所帶正電荷的氨基酸殘基可以感受電壓的變化,精子膜發生去極化時通道激活;2)精子胞內堿化激活Ca2+通道;3)CatSper通道受到孕酮、前列腺素、血清白蛋白和環核苷酸等生理性物質激活[30-31]。不同濃度Ca2+對精子影響不同,相對較低的細胞內Ca2+濃度(10～40 nmol·L-1)誘導精子鞭毛的對稱和線性跳動,相對較高的細胞內Ca2+濃度(100～300 nmol·L-1)通過誘導蛋白酪氨酸磷酸化誘導精子運動過度激活[32],而當Ca2+濃度過高(5～10 μmol·L-1)時,通過減少蛋白質酪氨酸磷酸化來抑制精子基礎運動,例如研究發現,山羊附睪尾精子中Ca2+濃度為10 μmol·L-1時基礎運動能力增強,而濃度大于10 μmol·L-1則抑制了運動能力[33],人類精漿中Ca2+濃度達到11 mmol·L-1時精子運動被抑制[34]。

在精子中,鈣調節蛋白(calcium-modulated protein,CaM)作為鞭毛軸突中的主要鈣受體發揮作用,并調節鈣啟動的信號轉導途徑,其與蛋白激酶、磷酸酶和sAC相互作用,調節精子運動[10,35-36]。與Ca2+流入精子細胞有關的離子通道主要有兩種類型:精子的陽離子通道(CatSper)和儲存囊泡中的Ca2+通道(SOCC)[37]。Ca2+進入精子內也受質膜Ca2+-ATP酶(PMCA)、Na+/Ca2+交換器和K+依賴性Na+/Ca2+交換器活性影響[38]。精子中與Ca2+相關的離子通道詳細描述見下文,功能和定位統計見表1。

表1 與Ca2+相關的精子離子通道定位及功能Table 1 Localization and function of Ca2+-related sperm ion channels

2.1.1 CatSper通道 CatSper通道是與精子功能相關且研究的最廣泛的通道,是指Ca2+進入細胞和細胞內Ca2+通過的特異性鈣離子通道,在精子趨熱性、趨化性、超激活和頂體反應中具有重要功能[61]。CatSper是質膜鈣離子通道,特異性表達于成熟精子,在人和小鼠中,主要定位于精子尾部主段[30]。CatSper在精子發生期間在睪丸中表達,主要負責精子中的鈣信號傳遞[62]。研究表明,在人、小鼠、豬和馬等哺乳動物精子中存在CatSper通道[51,63-66],有趣的是,在馬精子中,CatSper1亞單位富含組氨酸的pH傳感器區域的結構存在物種差異性[66]。CatSper通道對pH[67]、Na+通道(EnaCs)[68]、Ca2+ATP酶、K+、電壓門控質子通道(Hv1)[69]和HCO3-轉運體誘導的Ca2+變化敏感[70]。該通道介導Ca2+進入精子受到多種生理因素的調節,包括卵母細胞周圍卵丘細胞分泌的孕酮、子宮內膜分泌的前列腺素、環核苷酸,如cAMP和環磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)、透明帶蛋白、輸卵管液中的牛血清白蛋白[71]。除Ca2+外,當細胞外Ca2+濃度達到極限時,CatSper通道還可促進單價離子(如Na+和Cs+)和二價離子(如Ba2+)的通過[38,63]。CatSper通道激活導致細胞外液Ca2+進入或內部Ca2+庫釋放,精子細胞內Ca2+濃度增加,精子鞭毛的形狀和搏動方向發生變化,跳動頻率增加導致運動活性增加[72-73]。

CatSper通道復合體由4個α亞基(CatSper 1-4)和6個輔助亞基CatSperβ(beta)、CatSperγ(gamma)、CatSperδ(delta)、CatSperε(epsilon)、CatSperζ(zeta)以及EF手鈣結合域蛋白9(EF hand calcium-binding domain protein 9,EFCAB9)組成,其中α亞基包含6個跨膜結構域(TM1-TM6),形成兩個生理功能上不同的區域,即電壓傳感結構域(VSD; TM1-4)和孔道形成結構域(TM5-6), TM1-TM4通過短環狀結構連接,其中TM4即第4跨膜區段中含有帶正電荷的氨基酸殘基如賴氨酸/精氨酸作為電壓傳感器;TM5和TM6通過疏水的短環狀結構連接,該區域具有高度保守的同源序列([T]×[D]×[W]),能夠選擇性地允許Ca2+進入。CatSper1的n端含有一個特定的富含組氨酸的區域,該區域參與pH對CatSper活性的調節(圖1a)[74]。研究發現,與下層精子相比,向上游動的精子中CatSper1的豐度更高[75];與野生型小鼠相比,CatSper1和CatSper2缺失小鼠的精子鞭毛彎曲幅度較小[76],證明CatSper1也參與精子游動。靶向敲除小鼠精子CatSper3或CatSper4可阻止精子過度激活,但不影響其基本運動,這表明CatSper在精子運動最后階段起作用[51]。

圖1 調節精子運動的Ca2+通道拓撲結構(基于文獻[74])Fig.1 Topology of Ca2+ channels regulating sperm motility (based on reference [74])

2.1.2 調控鈣庫的Ca2+通道(SOCC) SOCC是與內質網(endoplasmic reticulum,ER)在拓撲和物理結構上密切關聯的質膜通道,當內質網中的Ca2+耗盡時,細胞外Ca2+通過該通道內流[77]。SOCCs是由ORAI1-3基因編碼的蛋白質構成,每個ORAI蛋白有4個TMs,TM2和TM3形成一個孔環。基質相互作用分子(STIM1)和ORAI相互作用激活該通道,并從內質網釋放Ca2+,Ca2+與其結合域(cell-binding domain,CBD)結合導致通道失活(圖1b)[74]。SOCCs參與調節精子運動,信號級聯由5′AMP活化蛋白激酶(Adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase,AMPK)磷酸化控制,抑制該通道會引起AMPK磷酸化減少,頂體反應減弱,鞭毛不對稱搏動減少,精子活力降低[78]。

2.1.3 電壓門控Ca2+通道(VGCC) VGCC是會因膜電位去極化而激活的膜離子通道[74],可以根據動作電位去極化信號介導Ca2+內流。根據該通道的藥理和生理調節特性,VGCC可以分為4種,分別為L型、T型、R型和P/Q型通道[79]。VGCC是由α1(由CACNA1基因編碼)、α2δ(CACNA2D)、β(CACNB)和γ(CACNG)亞單位組成的異多聚體。α1亞基的拓撲結構由4個同源結構域組成,每個結構域由6個跨膜α螺旋(TM1-6)組成。TM4作為電壓傳感器,當膜極性發生改變時引起構象變化,打開孔環。TM5、TM6和P-loop形成一個孔環,C端包含一個CBD,當Ca2+與CBD結合或通過CaM時通道失活(圖1c)[74]。牛精子鞭毛中存在L型和T型VGCC,VGCC與孕酮誘導的運動性加強有關,選擇性阻斷這些通道大大降低了精子的運動性,單獨或聯合阻斷兩個通道導致基礎運動減少[80]。重組ZP3蛋白通過L型和T型鈣通道在人類精子中誘導頂體反應[52]。有趣的是,Garza-Lpez等[81]證明,L型VGCC孔隙區域中存在4種天冬氨酸,可確保人類精子細胞通道對Cd2+的敏感性和通透性。

2.1.4 瞬時受體電位通道(TRPV) 精子中的Ca2+流動除了受CatSper通道活性調節外,也受TRPV通道影響。目前,已報道TRP基因型有30種,根據序列分為7組:香草素(TRPV)、褪黑素(TRPM)、經典(TRPC)、錨蛋白(TRPA)、黏蛋白(TRPML)、多囊蛋白(TRPP)和TRP-無機械感受器電位C(TRPN)。TRPV是同源或異源四聚體,每個單體由6個跨膜α螺旋(transmembrane α helix,TM)組成,孔環由5～6個TM組成,孔環作用是選擇性通過陽離子和調節溫度激活通道。N端包含3～6個錨蛋白重復序列,這些通道可以與磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)和CaM相互作用,從而調節通道活性。

TRPV通道對Ca2+濃度變化、溫度、化學物質、pH、機械壓和滲透壓敏感,上述通道受體激活介導Ca2+流入細胞,增加細胞內Ca2+含量[82]。TRPV通道的信號級聯通過IP3途徑介導,TRPVs有6種亞型:TRPV1、TRPV2、TRPV3、TRPV4、TRPV5和TRPV6。TRPV1～TRPV4蛋白對溫度敏感,對Ca2+幾乎沒有通透性,氨基酸序列同源性約40%～50%;TRPV5與TRPV6對溫度不敏感,具有很強的鈣通透性[83],氨基酸序列同源性為75%。TRPV通道活性隨pH降低而增加,并受細胞內PIP2的調節,雖然關于PIP2的作用存在許多爭議,但是其結合后確實增加了通道敏感性[84]。有研究報道公牛精子中存在TRPV1通道,阻斷或激活TRPV1可調節精子功能運動過度激活和頂體反應[46]。Kumar等[85]證明,在TRPV4的藥理調節下,人類精子中存在從頭部到鞭毛的Ca2+波傳播。Hamano等[48]認為,TRPV4熱敏特性在小鼠精子運動中有作用,TRPV4基因敲除小鼠的精子運動活性在高溫環境中低于對照組。

2.2 調節精子運動的pH通道

精子細胞內pH調節包括3個離子通道:HCO3-通道、Hv1通道和Na+/H+交換器(sodium/hydrogen exchanger,NHE)。HCO3-是pH調節系統的重要組成部分,是雌性生殖道(尤其在輸卵管)中的重要調節離子[86],當HCO3-進入精子細胞質時,伴隨著Cl-進入,在獲能過程中起重要作用[87]。HCO3-的內流刺激Ca2+流入精子,激活sAC和PKA和蛋白酪氨酸磷酸化,導致超激活運動和頂體反應[88]。同時,HCO3-的流入會導致精子細胞內堿化,導致細胞膜發生超極化反應[89-90]。

HCO3-內流主要通過Na+/HCO3-共轉運體從精子中排出Na+來抵消,防止精子細胞內堿化和超極化[91]。在獲能期間,HCO3-內流同時受到碳酸酐酶和囊性纖維化跨膜電導調節體(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator,CFTR)離子通道的調節[89]。存在于精子鞭毛中的NHE是調節細胞內pH的另一種機制,缺乏NHE的小鼠不育,精子活力顯著減弱[91]。外界環境pH影響精子基礎運動和超激活運動的調節,在酸性pH條件下,由于Na+/K+-ATP酶活性降低,精子活力減弱;而堿性pH條件時,Ca2+內流增加,導致精子運動活性增強[92]。

參與調節精子細胞內pH的還有Hv1通道(VGHC)[69]。VGHC單體由4個TMs構成,在經典的電壓門控通道中包含VSD,VGHCs不存在形成孔環結構的TM5-TM6。Boonamnaj和Sompornpisut[93]認為,VGHC二聚體中C端尾部通過形成卷曲結構相互作用,n端磷酸化位點可增強通道選擇性(圖2)。Hv1通道主要存在于精子鞭毛中,該通道誘導質子(H+)快速、高效、單向地轉移到細胞外[94],導致細胞內堿化[95]。分子和功能的研究表明,該通道位于哺乳動物精子尾部主段,參與精子運動和超運動的調節[69]。由于該通道受到高濃度的鋅抑制,也可以通過去除鋅而激活,對精子運動產生調節作用[96],如精子在附睪內靜止就與高濃度的鋅有關,前列腺液中鋅的濃度是附睪中鋅濃度的300倍,完全抑制了精子的運動[97]。射精后,雌性生殖道中的鋅被鋅結合蛋白和內源性大麻素清除,導致Hv1通道激活,隨后精子運動加強[98]。公牛精子鞭毛中有Hv1通道,特別是在主段部分,在公牛精子中,Hv1通道通過cAMP、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和CatSper通道之間的復雜相互作用來調節精子獲能、超激活運動和頂體反應[58]。

圖2 精子電壓門控H+通道(VGHC)拓撲結構(基于文獻[74])Fig.2 Topology of sperm voltage-gated H+ channel (VGHC) (based on reference [74])

Hv1通道定位于精子尾部主段,與雙側縱線內的CatSper通道共同定位[99]。研究表明Hv1通道和CatSper之間存在功能上互作關系[100],Hv1通道沿精子鞭毛分布模式為CatSper選擇性激活和隨后的鞭毛旋轉提供了結構基礎[101]。Hv1通道參與精子進行性運動、獲能和頂體反應[102],Hv1通道阻斷導致精子運動參數的降低和孕酮誘導的頂體反應減弱[42]。此外,發現Hv1和CatSper通道參與NADPH氧化酶5(NADPH oxidase 5,Nox5)誘導的活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成[100]。Ca2+與NOX5的結合激活產生超氧離子(O2-),盡管高濃度的活性氧與精子活力呈負相關,但一定水平的活性氧對于精子的正常功能是必要的[103-104]。

2.3 調節精子運動的電壓門控鈉通道(VGNCs,NaV)

電壓門控Na+通道(VGNCs)存在于精子膜中,在功能上與神經元和肌肉細胞中的通道相似,當質膜從超極化狀態轉為去極化時,這些通道被激活(-70～-55 mV至0 mV),并向內傳導Na+[105]。每個VGNC通道由1個α亞基構成,α亞基包括4個重復結構域(RD1-RD4),每個結構域有6個TMs。TM1-TM4形成一個VSD,TM4充當帶正電的傳感器。在去極化過程中,TM4向細胞外表面移動,構象改變激活通道。Na+通過TM5和TM6之間形成的P-loop在細胞內運輸。RD3和RD4之間的細胞質環包含1個基序(I×F×M序列),其代表疏水氨基酸三聯體,即異亮氨酸、苯丙氨酸和甲硫氨酸。IFM基序作為由RD3和RD4之間的孔環形成的疏水鎖閂參與VGNC的失活(圖3)[74]。Pinto等[54]在2009年首次報道了人類精子中存在VGNCs通道,參與調節未獲能精子活動以及精子獲能的初始階段,在初始階段之后,細胞膜超極化導致VGNCs通道失活,使用藜蘆堿激活VGNCs通道,從而導致精子運動活性增加,而細胞內Ca2+沒有增加。選擇性阻斷VGNCs通道導致精子數量減少,精子運動活性減弱[53]。VGNCs通道的激活通過酪氨酸蛋白的磷酸化誘導獲能[57],在獲能過程中,由于細胞內K+內流和細胞內Na+的短暫減少,精子出現超極化[106]。

圖3 精子電壓門控Na+通道(VGNC)拓撲結構(基于文獻[74])Fig.3 Topology of sperm voltage-gated Na+ channel (VGNC) (based on reference [74])

2.4 調節精子運動的鉀離子(K+)通道

精子開始獲能以膜超極化為特征,主要是由于K+通道激活引起[107]。在非獲能精子中,膜電位范圍為-35～-45 mV,在獲能期間,精子膜超極化,電位差為-80 mV。分子和功能研究表明,生精細胞和精子細胞含有電壓門控K+通道、Ca2+激活的K+通道和向內運輸K+通道[108]。獲能前,細胞內pH呈酸性,K+通道不活躍,去極化狀態保持不變,獲能期間,HCO3-內流和H+流出,導致細胞內堿化、pH增加和ATP依賴性K+通道激活,這些反應導致K+離子外流,細胞膜超極化[30,109]。有趣的是,NaV通道和ENaC、Na+內流有關,導致非獲能精子膜去極化,當這些通道在獲能過程中閉合時,膜發生超極化。總之,K+通道和Na+通道都參與調節獲能期間發生的膜極化過程,非獲能時,K+通道不活躍,Na+通道活躍,導致膜去極化,獲能期間通道活性相反。

公牛精子中存在K+通道,參與基礎運動和超激活運動的調節。蛋白免疫印跡試驗結果證明,K+通道位于公牛精子的頭部、頸部和尾部主段[110]。K+通道的功能依賴于Hv1和CatSper通道的功能,選擇性阻斷這些通道時會影響K+通道活性[11,59]。SLO1和SLO3通道是Ca2+激活的K+通道,其作用是調節精子細胞內的滲透壓和電壓(Vm)[111],它們被膜去極化、[Ca2+]i和[Mg2+]i[112]激活,兩個通道都是由4個成孔α亞基和輔助亞基形成。α亞基由7個單體組成,每個單體包括6個TMs,其中TM4是典型的VSD,TM5和TM6之間形成孔環。N端尾部處于細胞外,包含K+電導調節因子1 (RCK1)和K+電導調節因子2 (RKC2)。SLO1和SLO3的結構差異在于SLO1的RKC結構域內存在“Ca2+碗”結構,導致通道對[Ca2+]i更敏感(圖4a)[74]。SLO3是精子中主要K+通道蛋白,負責K+流出,從而啟動細胞膜超極化。SLO3蛋白被細胞內堿性pH激活較弱,與HCO3-的內流相關,并導致精子獲能前K+外排[112],被Ca2+激活更強烈,因此Vm受[Ca2+]i的調節比受pHi的調節更強烈。孕酮通過CatSper誘導的Ca2+內流受到SLO3調控的Ca2+超極化的限制,在人類精子所處環境存在孕酮時,細胞外K+離子濃度的增加導致細胞內Ca2+的增加[113]。值得注意的是,有研究表明小鼠SLO3通道對PIP2具有高親和力,PIP2與SLO3的結合上調了通道的活性,而電壓敏感磷酸酶(voltage-sensitive phosphatase,VSP)對PIP2的去磷酸化使SLO3活性降低[114]。由于缺乏膜超極化,SLO3通道缺陷的小鼠精子運動能力降低,導致這些精子在體外條件下無法受精[115]。

圖4 精子SOL1通道和CACC通道拓撲結構(基于文獻[74])Fig.4 Topological structure of sperm SOL1 channel and CACC channel (based on reference [74])

2.5 調節精子運動的氯離子(Cl-)通道

Cl-通道通過膜超極化、細胞內堿化和cAMP/PKA誘導的蛋白磷酸化信號機制參與調節精子獲能過程[116]。研究表明,存在CFTR離子通道、鈣激活氯通道(CACC)和CIC-3通道[76,117]。CFTR通道的功能涉及精子獲能和超激活過程中HCO3-轉運依賴過程的調節[118]。選擇性阻斷CFTR通道可減少HCO3-內流,從而抑制cAMP/PKA通路活性,減少精子運動活性,而在人類精子中,CFTR在獲能時可以從細胞中排出Cl-[119]。CACC由10個TMs和胞質N端、C端組成,每個亞基中的3～7個TMs形成孔環結構,Vm和低濃度Ca2+(<600 nmol·L-1)通過TM2-TM3環中的EEEEEAVK激活通道(見圖4b)[74]。2012年,Orta等[17]使用膜片鉗技術證明人類精子頭部存在CACC,該離子通道開放受[Ca2+]i濃度增加的刺激,這取決于細胞內Ca2+釋放或通過質膜通道的內流。ClC-3通道激活產生向外的Cl-電流,這些電流被PKC激活所抑制[120-121]。氯離子通道在調節精子體積和運動中起著重要作用,與正常精子相比,弱精子(精子運動能力低)動物的精子顯示出較小的細胞體積調節能力和運動活性[122]。

3 總結與展望

在精子發生過程的不同階段,已經研究證明離子通道發揮著重要的生理作用,如SLO3通道是精子特異性性KSper通道,能夠調控精子的膜電位,在精子超極化過程中起決定性作用。CatSper是哺乳動物精子細胞膜上實現精子超激活的最重要Ca2+通道,通過維持、調控Ca2+信號對精子運動和受精功能起著關鍵作用,該通道對弱電壓依賴、Ca2+特異、pH敏感,會受到pH、膜電位、類固醇激素等多種生理刺激物的影響。除過上述具有重要功能的KSper和CatSper通道外,精子膜還存在 Na+、K+、H+和Cl-等離子通道,其活性均受到離子泵(如細胞質膜Ca2+-ATPase、Na+/K+-ATPase等)、轉運蛋白(如Na+/Ca2+交換器、Na+/H+交換器和碳酸氫鹽轉運蛋白)的影響,進一步調節精子成熟、獲能、頂體反應等一系列生理過程。本文總結了目前報道的全部精子離子通道,其相互作用機制見圖5。

圖5 參與精子基礎運動、獲能和頂體反應過程的離子通道[88]Fig.5 Ion channels involved in sperm basal motility, capacitation and acrosome reactions[88]

隨著基因組學、蛋白質組學以及代謝組學等學科技術的發展,精子生理學研究也將會快速發展,精子運動離子通道的研究將會更加深入。哺乳動物精子運動是一種自然現象,運動調控是復雜的,離子通道是精子膜發揮功能的直接調控基礎,會隨精子內代謝和運動快速做出反應。相信隨著生命科學的不斷發展,尤其是交叉學科的融合發展,新技術和新方法不斷出現,精子運動與離子通道調控機制的研究將愈來愈深入,不僅在科學問題研究方面,在生產應用方面將會有更大的突破。未來精子運動和離子通道研究可以從以下幾方面著手:1)X精子與Y精子運動差異與離子通道關系研究,利用離子通道技術進行動物性別控制技術開發與應用研究;2)不同物種動物精子離子通道差異與調控研究;3)精子離子通道與精子獲能、精子激活與受精機制研究;4)精子離子通道活性物質、干擾物的篩選和生產應用研究;5)精子離子通道對精子糖酵解、能量代謝影響研究;6)雌性動物生殖道環境離子種類和濃度的變化對精子運動影響及調節研究;7)不同動物調節精子pHi的sNHE變體種類及調節機制研究;8)在體外和體內環境條件下,精子運動和受精時參與的離子通道是否相同?如何調控?9)精子離子通道電化學調控與生物學意義研究;10)精子離子泵、轉運蛋白與膜蛋白離子通道互作調控研究;11)精子離子通道與參與信號通路的調控研究;12)精子離子通道的激素調控與互作研究等。更深層次研究離子通道在調節精子運動、獲能和頂體反應中的作用,挖掘參與精子功能調節的離子通道并了解其作用機制,為后續研究精子膜結構和運動活性調節機制提供重要的理論基礎。