精子DNA损伤因素研究进展

葛少钦，赵峥辉，殷会莹，梁群，王川川，丁高朋，许振国

（1. 河北大学基础医学院, 河北 保定 071000；2. 河北大学生殖医学研究所, 河北 保定 071000）

·综述·

精子DNA损伤因素研究进展

葛少钦1,2，赵峥辉1，殷会莹1，梁群1，王川川1，丁高朋1，许振国1

（1. 河北大学基础医学院, 河北 保定 071000；2. 河北大学生殖医学研究所, 河北 保定 071000）

人类精子DNA损伤是男性生育力减退的重要原因之一，其可由多种因素诱发精子DNA链断裂或使其双链变性为单链等而形成。具有DNA损伤的精子可在一定程度上逃避体内精子的优化选择机制而将遗传缺陷传递给后代，精子DNA损伤可导致胚胎发育异常、早期流产和先天畸形等相关疾病。文章通过分析评价年龄、禁欲时间、环境、精子冷冻、氧化应激、微量元素以及染色质包装异常等因素对精子DNA损伤，阐述精子DNA损伤的研究现状，为进一步阐明精子DNA损伤的发生机制以及男性不育的预防、治疗和辅助生殖技术选用高质量精子提供基础材料。

精子DNA损伤；年龄；禁欲时间；环境

WHO研究表明，全世界有8%～12%的人群不孕不育，其中男性因素约占50%[1]，中国育龄夫妇不孕不育的发病率约为15%，每10对育龄夫妇就有1对夫妇不孕不育，其中男性因素约占40%[2-3]。近年来，精子DNA损伤作为一个新的评价精液质量和预测生育能力的指标，引起了生殖专家的广泛关注。研究发现，精子DNA损伤是精子染色质结构异常的一个重要特征，是造成男性不育、复发性自然流产以及辅助生殖技术治疗失败的重要原因之一。精子DNA损伤包括单链损伤和双链损伤两种，其中双链损伤易在精子形成过程中发生，可造成染色体断裂、基因重排、倒置和基因片段易位等DNA损伤改变，这些改变会造成精子染色体配对错误和减数分裂异常，最终导致男性不育[4]。精子DNA损伤的原因复杂多样，相关研究表明，年龄因素、禁欲时间、环境污染、精子冷冻保存以及精子DNA氧化应激等均可导致精子DNA损伤，本文概述了精子DNA损伤的因素，为男性不育症的预防、治疗以及辅助生殖技术选用高质量精子提供理论指导。

1 年龄因素

精子质量对人类生存繁衍至关重要。当今社会，越来越多的男性在高龄阶段生育，流行病学证据显示，男性年龄的增长会影响生育能力及后代健康。和女性相比，男性的生育能力可持续到较高年龄，但随着年龄的增长，男性精液参数逐渐下降，如射精量减少、精子活力低下、精子形态异常率增高以及不同程度的精子DNA损伤等现象。Vagnini等[5]通过TUNEL法检测了508例男性精液，发现随着年龄增长会出现不同程度的精子DNA损伤，Singh等[6]发现，年龄越大精子DNA损伤越严重。此外还有研究表明，精子DNA损伤率与年龄呈明显的正相关，男性35岁以上的精子DNA 损伤水平将明显增高。总之，年龄对精子质量的影响已成共识，应尽力避免高龄生育。

2 禁欲时间

禁欲时间可以影响精液质量，但其是否会造成精子DNA损伤尚存争议。Levin等[7]研究发现，禁欲时间越长，精子总数、精液量和精子密度会增加而精子活力则会减弱，但林海萍等[8]通过对20例健康男性24 h、48 h、72 h留取的精液研究表明，禁欲时间延长会使精子总数增多，但不会影响精子密度与精子活力。黄茜等[9]研究发现，禁欲时间在2～7 d时，精液质量参数没有明显差异，这与林海萍等的研究结果相符，但当禁欲时间＞7 d时，精子DNA 损伤率显著增高，精子活力显著降低，禁欲时间过长时，死精子数越多，活力越弱；禁欲时间在2～7 d内精液质量比较稳定，这与WHO精液分析手册推荐的禁欲时间是相符的。

3 环境因素

随着社会工业化发展，环境污染日益加重，已婚男性不育症的发病率逐渐上升。塑料制品、化工原料和农药的广泛使用以及大气中PM2.5的严重程度均对男性生殖系统造成了严重损害。Duty等[10]研究发现，单乙基邻苯二甲酸盐会造成精子DNA损伤。 罗红等[11]通过氯乙酸甲酯对大鼠精子DNA损伤的研究发现，高剂量氯乙酸甲酯可以导致精子DNA损伤。丙烯腈作为一种体内多效应遗传毒性物质，可以导致精子DNA断裂，导致生殖缺陷[12-13]。此外，张波等[14]通过对氧化乐果与小鼠精子DNA损伤之间的研究发现，农药对精子DNA具有明显的损伤作用。苏都尔·克热木拉等[15]通过对乌鲁木齐大气中PM2.5的研究发现，PM2.5可以造成质粒DNA氧化性损伤。由此可见，环境因素对精子DNA完整性有着至关重要的影响。

4 精子冷冻

精子冻融技术是人类精子库及辅助生殖技术的核心之一，其主要作用是为不育夫妇进行辅助生殖治疗提供精子以及为将要接受放、化疗的肿瘤患者提供精液冻存服务，以保护其生育能力。然而，精子冻存过程中，会使细胞内的液体形成结晶，削弱了组蛋白对DNA链的稳定作用，造成DNA断裂或DNA双链变性为单链，这些损伤会导致胚胎发育异常和早期流产等相关疾病[16-17]。此外冷冻过程又能诱导精子产生活性氧（reactive oxygen species, ROS），通过氧化应激导致精子DNA损伤。此外有研究发现，冷冻对异常精液中的精子DNA损伤更加严重，具有统计学意义（P＜0.05），可见正常精液中可能存在某些抵抗冷冻的保护机制。

5 精子DNA氧化应激

ROS是氧离子自由基和过氧化物等活性物质的统称。精液中ROS主要由白细胞和精子产生，精子可通过其膜上的NADPH氧化还原酶系和促进线粒体NADH代谢两种方式产生ROS[18]。正常生理活动中，体内产生的适量ROS通过氧化作用为精子顶体反应提供能量，并且增加顶体与透明带的结合能力，如果ROS产生过多，超过了精子有限的抗氧化防御，就使机体内活性氧产生堆积，进而诱发精子DNA氧化应激损伤。精子核DNA发生氧化应激时，精子质膜富集不饱和脂肪酸，其与ROS清除酶反应，破坏了精子质膜的流动性和完整性，最终导致精子核DNA损伤。精子线粒体DNA自我修复能力低，且对氧化应激敏感，又缺少组蛋白和DNA结合蛋白的保护，因此线粒体DNA损伤更为常见[18]。张娜等[19]研究发现，过量的H2O2可以导致精子DNA损伤，支持了以上观点。

6 微量元素

精子发生的各个环节都需要有一个适宜的内部和外部环境，微量元素是构成精液的重要成分之一，它们对维持精子的正常生物学功能有重要作用，微量元素失衡是造成精子DNA损伤进而导致男性不育的一个重要原因[20]。研究表明，精浆中的硒能保护人类精子免受氧化性DNA损伤，锌能延缓精子膜的脂质氧化，维持胞膜结构的完整性和稳定性，镁具有一定的抑菌作用，但镉可以影响精子质量，造成氧化性DNA损伤[21-23]，铁毒性会增加精子DNA损伤[24]，铅也会影响精子活力，造成精子DNA损伤[23]。可见微量元素对维持精子DNA完整性至关重要。

7 染色质包装异常

精子发生过程中，参与染色质组装的精蛋白数量和比例异常，可导致染色质结构松散，DNA双链断裂或变性为单链，造成精子DNA损伤。人类主要产生P1和P2两种精蛋白，在精子发生的最后阶段，精蛋白替换了染色质中原有的约85%的组蛋白，最终形成P1/P2的比例约为1：1。精蛋白通过中和DNA电荷，降低DNA分子间的静电排斥，形成DNA-精蛋白环状结构，促进染色质进一步浓缩，使DNA处于半晶体状态，保护其免受核酸酶的降解。然而成熟精子中仍有一部分未被精蛋白替代的组蛋白，这些保留组蛋白与DNA结合，形成DNA-组蛋白螺线管结构，并分布于整个精子基因组中[25]。Yamauchi等[26]研究提示，这部分组蛋白可能具有监测受精后精子DNA完整性的作用，精蛋白数量异常，会造成保留组蛋白异常，可能导致精子DNA损伤。此外，Simon等[27]研究发现，P1/P2的比例异常也会导致精子DNA损伤。可见染色质结构在保护精子DNA完整性上具有重要作用。

8 问题与展望

精子DNA是遗传信息的载体，对后代的繁衍具有重要意义。随着辅助生殖技术的广泛开展，传统的精液分析已不能满足现代生殖医学的需要，目前急需建立一套标准化的精子质量评价指标，以促进我国生殖医学的发展。精子DNA损伤作为反映男性生育力的一个新指标，受到了生殖医学专家的广泛关注。人们发现多种因素均可引起不同程度的精子DNA损伤，但其损伤机制尚不清楚。精子DNA损伤的研究尚处于起始阶段，还有许多亟待解决的问题。生殖医学专家与遗传专家通力合作，会逐步揭示各种因素导致精子DNA损伤的分子机制，为男性不育的预防、治疗以及辅助生殖技术选用高质量精子提供理论指导。

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（责任编辑：刘俊华）

Advances on the damage factors of sperm DNA

GE Shaoqin1,2, ZHAO Zhenghui1, YIN Huiying1, LIANG Qun1, WANG Chuanchuan1, DING Gaopeng1, XU Zhenguo1
(1. College of Basic Medical Sciences of Hebei University, Baoding 071000, China; 2. The Institute for Reproductive Medicine of Hebei University, Baoding 071000, China)

Human sperm DNA damage is one of the common causes of reducing male reproductive capacity. A number of factors can bring out the DNA strand breaks or make double-stranded DNA into single-stranded DNA. To a certain extent, some sperm with damaged DNA may escape from the sperm surveillance mechanism and transmit the damage to the offspring, which may give rise to the associated diseases such as abnormal embryonic development, early natural abortion, congenital anomalies and so on. This review assessses the damage factors of sperm DNA, which include ages, time of celibation, environment, freezing of sperm, oxidative stresse, minor element and the abnormal assembling of chromatin, which provides some basic information for elucidating the mechanism of DNA damage, prevention and treatment of male infertility as well as optimal spermatozoa selection in assisted reproductive technique.

sperm DNA damage; age; time of celibation; environment

R698

A

1674-490X(2014)03-0061-05

2014-05-20

河北省自然科学基金资助项目（H2013201259）；河北省2013留学回国人员科研活动项目(C2013005002)；河北大学创新训练项目（2013088）

葛少钦（1967—），男，河北保定人，教授，博士后，硕士生导师，主要从事动物分子与生化、生殖生物学研究。E-mail: gesq67@sina.com