Ca-ATPase在精液中的作用機制研究進展

【關鍵詞】Ca-ATP酶；精液；作用機制

中圖分類號：R698+.2文獻標志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2024.08.013

人口老齡化和生育率的下降，愈發引起了人們對男性生育能力的關注。男性不育可能會導致夫妻情感上的困擾、焦慮和壓力，對男性的自尊心和自信心造成打擊。根據世界衛生組織（WHO）的估計，全球約有四分之一的育齡夫婦存在生育問題，其中男方因素約占一半［1-2］。男性生育力受到多種危險因素的影響，而精子活力低和精子數量減少被認為是導致男性不育的重要原因［3］。精液是一種由精漿和精子混合而成的生物液體，其中精漿里的一些成分為精子提供能量和營養物質，從而維持其正常的生存和活動，而酶類、微量元素和維生素等物質，保證了精子的正常發育和功能［4］。據相關報道，人類精子通過幾種機制來控制其離子環境，如Na-K-ATP酶（NKA）、質膜Ca-ATP酶（PMCA）、Na+/Ca²⁺ 交換器（NCX）和Na+/H+交換體［5］。Ca-ATP酶（Ca-ATPase）作為其中一種重要的離子泵，在維持細胞內外鈣離子濃度平衡中扮演著關鍵的角色。Ca-ATPase對于精子的運動和受精能力至關重要，在精液中主要參與精子的運動、獲能及頂體反應等。通過深入研究Ca-ATPase的表達、調控和功能，有助于揭示其在精子運動和受精過程中的作用機制，并為男性不育的診斷和治療提供新的思路和靶點，本文就Ca-ATPase在精液中的相關作用機制進行綜述。

1Ca-ATPase的分布及生理作用

Ca-ATPase是一種重要的蛋白質，常見于細胞器和組織細胞膜上，在維持細胞內外離子濃度方面發揮著關鍵作用［6］。鈣是細胞內重要的信號分子，參與調節細胞內許多生物學過程，如細胞增殖、分化、凋亡等。Ca-ATPase通過將細胞內的游離Ca²⁺轉運至胞外或細胞器內，調節細胞內Ca²⁺濃度，維持細胞內外離子平衡，它還參與調節細胞的正常功能，如神經傳遞、肌肉收縮和細胞分泌等［7］。在哺乳動物細胞中Ca-ATPase可能作為Ca²⁺外排的微調器，維持Ca²⁺穩態［8］。Ca-ATPase在細胞內起著重要的調控作用，通過催化ATP水解反應，引起Ca²⁺的轉運和儲存，從而維持細胞內外Ca²⁺濃度的平衡，這種維持低濃度的Ca²⁺環境對于細胞的穩態和正常功能具有重要意義。細胞內Ca²⁺是細胞信號轉導的關鍵調節因子，精子也不例外［9］。Ca²⁺是細胞信號傳遞中普遍存在的第二信使之一，特殊的物理化學特性組合使其能夠很容易地與多種蛋白質位點結合，從而執行特定功能［10］。而精液中離子穩態主要是由Ca-ATPase和Na-K-ATP酶決定的，它們是在大多數細胞（包括精子）的質膜內發現的整合酶［11］。Ca-ATPase泵維持著鈣穩態，對維持正常細胞功能至關重要，而在精液中是通過離子梯度和Ca-ATPase的輔助下消除有毒重金屬離子來維持穩態的。Ca-ATPase有許多異構體，包括PMCA、肌漿-內質Ca-ATPase（SERCA）和分泌通路Ca-ATPase（SPCA）［12］。據報道，精子的存活需要高濃度的K+和細胞內低水平的Na+、Ca²⁺，這種狀態是通過膜連接的Na-K-ATP酶和Ca-ATPase實現的，Na-K-ATP酶促進Na+的排泄和K+滲透進精子，而Ca-ATPase促進Ca²⁺釋放出細胞［13］。Ca-ATPase是細胞質Ca²⁺清除系統的重要成員，支持受精時Ca²⁺的流出，Ca²⁺在濃度梯度下由Ca-ATPase從細胞質泵入內質網，在每次Ca²⁺瞬變后降低細胞質Ca²⁺水平［14］。因此，Ca-ATPase作為細胞膜上的關鍵蛋白質，在維持膜內外鈣離子梯度和調節精子活力方面發揮著重要作用，其活性與精子運動障礙之間存在一定的關聯。目前對Ca-ATPase的結構和功能的研究主要集中在體外實驗和動物模型上，對于人類精子運動障礙的發生機制和Ca-ATPase在其中的作用尚未完全闡明。因此，需要進一步開展臨床研究，通過對人類精子樣本中Ca-ATPase活性的測量，探索其與精子運動障礙之間的關聯。

2Ca-ATPase在精液中的作用機制

2.1調控精子的運動Ca-ATPase在精子運動、獲能和頂體反應中都扮演著重要角色［15］。精子的運動最初是由質膜Ca-ATPase的活性控制的，通過向梯度膜擠壓Ca²⁺從細胞中擠出。Ca-ATPase穩態活動的破壞可能導致精子活力衰竭，并可能導致男性不育。精子的運動是精子發揮其生殖功能的關鍵步驟［16］，而Ca²⁺的濃度水平對精子的運動起著調控作用。Ca-ATPase維持著精子細胞內Ca²⁺濃度水平，其是一種能夠將細胞內的Ca²⁺轉運至細胞外的酶［17］。細胞內Ca²⁺濃度的變化會直接影響精子的質量，濃度增加可以提高精子的運動能力和存活率。此外，Ca²⁺濃度的變化還與精子的形態和結構有關。適宜的Ca²⁺濃度可以引起精子鞭毛的擺動，這是精子運動的關鍵步驟之一。通過引起鞭毛結構的變化，Ca²⁺可以誘導精子鞭毛的擺動，進而推動精子的運動［18］。成熟的精子在附睪內的運動主要依靠精子尾部的擺動，從而使精子能夠游動前進，并且能夠穿過女性生殖道而達到受精的目的，而Ca²⁺的濃度變化是精子尾部擺動的關鍵調控因素之一。自20世紀70年代以來，Ca²⁺被假定為哺乳動物精子活力和生育能力的調節器［19］，目前Ca²⁺在精子中的調控作用尚不完全清楚，然而近年來的研究報道提供了新的信息，揭示了Ca²⁺在精子功能中的重要作用。實驗證明，精子運動依賴于細胞內Ca²⁺的內流，精子的運動可分為精子通過附睪獲得的總運動和獲能過程中的過度運動，兩者都與觸發運動的信號通路的激活有關［20］。在精子運動的信號通路中，Ca²⁺作為次級信使參與調節精子運動的信號通路的激活［21］，而這些途徑主要都依賴于Ca-ATPase的調節。通過調節Ca-ATPase的活性和表達水平，細胞可以精確地調控細胞內外Ca²⁺的濃度差異，從而調節精子的運動。

2.2參與精子的獲能20世紀50年代初，科學家們開始對精子的獲能和頂體反應進行研究，并且注意到了與鈣離子和鈣離子通道的關系，這些研究為我們了解生殖生物學中的重要過程提供了大量的重要信息。精子獲能是一個復雜的過程，涉及多種生物化學反應和信號通路的激活，當精子進入生殖道后，它們接觸到了雌性生殖道中的分泌物和環境條件的改變，觸發一系列生物化學反應，包括精子的膜電位變化、離子通道的活化、細胞骨架的重組以及精子運動機制的啟動，整個過程被稱為精子獲能。獲能被認為是射精后精子與卵子受精之前的滯后階段。正常情況下，在獲能過程中，依賴于胞質Ca²⁺濃度的變化，Ca-ATPase與Ca²⁺起著協同作用［22］。Ca²⁺在受精過程中通過激活腺苷酸環化酶和蛋白激酶A，促進環磷酸腺苷（cAMP）的生成和蛋白酪氨酸磷酸化，從而引發一系列生物化學反應，這些反應提供了精子活動所需的能量，并加強了精子的運動能力。此外，Ca²⁺還通過打開質膜上的通道，增加質膜中的Ca²⁺濃度，引起頂體反應和糖酵解過程，最終促進了精子與卵子的結合，實現了受精的目標［23］。在精子受體與透明帶結合以及在精子獲能的過程中，精子受體與透明帶結合后能夠激活陽離子通道，當Ca²⁺通道打開后，細胞內的Ca²⁺濃度會在Ca-ATPase的調節下迅速增加。Ca²⁺作為一種重要的細胞信號分子參與了許多生理過程，包括細胞運動、受精和胚胎發育等［24］。在精子獲能過程中，細胞內Ca²⁺的增加是精子獲能和受精過程中的一個關鍵步驟。通過調節Ca-ATPase的活性，精子能夠在受精過程中適時地調控細胞內Ca²⁺的濃度，從而實現精子的激活和成功受精［25］。

2.3參與頂體反應頂體反應是受精過程中的重要反應之一。它是由復雜的分子和細胞機制調控的，其中Ca-ATPase起到了重要的調節作用［26］。頂體反應是精子在受精過程中的關鍵步驟之一，是一個復雜的多步驟過程。首先，頂體受體的激活是頂體反應的起始點，當精子接觸到卵細胞外被（透明帶）時，頂體受體會被激活，從而啟動頂體反應的進程。其次，頂體膜與精細胞質膜會發生融合，頂體膜是位于精子頂體的外層膜，而精細胞質膜則是精子的細胞膜。這兩個膜的融合是頂體反應中的重要步驟，使頂體內部的物質能夠與卵細胞內部的物質進行交流和混合。在頂體膜與精細胞質膜融合的過程中，頂體中的水解酶也會被釋放出來，水解酶是一類能夠水解大分子物質的酶，它在頂體反應中的釋放起到了關鍵的作用。通過水解酶的作用，頂體反應會進一步促使卵細胞外被（透明帶）發生水解，最終頂體反應會導致精細胞質膜與卵細胞質膜的融合。這個融合過程是受精過程中的最終步驟，它使得精子的遺傳物質能夠進入卵細胞內部，與卵細胞的遺傳物質結合，從而形成受精卵。這些步驟相互協同，最終實現了精子與卵細胞的結合和受精［27］。近幾年有關Ca²⁺與精子功能關系的報道越來越多，Ca²⁺在維持精子正常功能和生殖過程中發揮著至關重要的作用，通過參與精子的發生、調控精子運動、影響精子能量代謝和調節頂體反應等過程，在精子中起著多個關鍵生物學事件的調控作用［28］。精子必須獲能才能進行頂體反應，而且這一過程需要外部Ca²⁺的內流。Ca-ATPase的主要作用是在獲能期間使頂體保持活力，以確保精子有足夠的Ca²⁺儲存以進行頂體反應。Ca²⁺在頂體反應過程中是不可缺少的，有學者通過豚鼠精子在缺鈣培養基中進行實驗，發現通過缺鈣培養基培養的細胞不能完成獲能和發生頂體反應［29］。Ca²⁺在頂體反應中的作用機制有兩個方面：一是Ca²⁺可以通過與特定的蛋白相互作用，促進頂體膜和質膜之間的融合，協助頂體完成外排。這種膜橋的形成是通過Ca²⁺與細胞質蛋白相互作用，促使蛋白發生構象變化，進而使其與膜蛋白相互作用，從而實現膜的融合。二是Ca²⁺不僅可以通過激活鈣離子通道來調節細胞內離子平衡，還可以對細胞骨架進行重排，進而影響細胞的形態和功能［30］。離子的流動在細胞內起著至關重要的調節作用，胞內Ca²⁺升高可分為迅速但短暫的Ca²⁺內流和緩慢而持續的Ca²⁺內流兩個階段，這兩個階段的Ca²⁺內流是通過不同的機制實現的，但Ca²⁺濃度的精細控制主要還是由Ca-ATPase來完成的［31］。

3總結與展望

Ca-ATPase在精子各種過程（包括運動、獲能和頂體反應）調控中的重要性已被充分證明。Ca-ATPase作為精液中的一種重要的酶，其活性的變化可能導致精子功能異常，進而影響精液質量，可以用于評估男性的生育能力。因此，研究Ca-ATPase在精子發生過程中的作用，可以揭示其在精子形成和成熟過程中的生物學功能，為提高精液質量和增加受孕概率尋找新的途徑和策略。通過對Ca-ATPase在精液中的調控機制進行研究，可以幫助我們了解精液質量異常的原因，為提升男性生育能力提供科學依據和理論支持。此外，Ca-ATPase作為一種潛在的生物標志物，可以用于分析男性不育的遺傳或環境原因。其抑制劑的暴露會降低精子活力，導致不育。通過模擬基因缺失對精子活力的影響，可以開發針對Ca-ATPase的抑制劑作為避孕藥物，但仍需進一步研究。希望未來通過對精液中Ca-ATPase的研究，可為男性不育的診斷和治療提供新的線索和方法。參考文獻［1］ 李宏軍，洪鍇，李錚，等.男性不育診療指南［J］.中華男科學雜志，2022，28（1）：66-76.

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（收稿日期：2024-03-10修回日期：2024-04-08）

（編輯：潘明志）