肥胖对精子发生机制影响的研究进展

牟珍妮，孙振高，宋景艳，刘红根，乔岩，夏庆昌

(1.山东中医药大学中医学院，济南 250014；2.山东中医药大学附属医院，济南 250014；3.山东中医药大学第一临床学院，济南 250014)

肥胖是一种慢性代谢性疾病，能增加高血压、糖尿病、骨关节炎、癌症及心血管疾病等的患病率，是威胁人类健康的重大隐患。精子的发生和成熟是处于严格调控机制下的高度复杂的生理过程，涉及睾丸、附睾、附属腺体等。近年来，越来越多的临床和实验研究证实，肥胖通过多种途径对男性的生殖功能产生影响，主要表现在影响男性内分泌[1]、降低精液质量[2]、增加精子DNA损伤[3]以及损害精子顶体反应[4]等方面，继而引起胚胎质量受损、发育障碍、着床率降低以及流产率增加等[5]。目前肥胖影响男性精子发生机制的研究尚存在争议，故本文对目前的一些观点予以综述并展开讨论。

一、肥胖对男性神经-内分泌的影响

(一)肥胖扰乱男性生殖内分泌轴

在肥胖的男性中，多余的白色脂肪组织中的芳香化酶(细胞色素P450酶)活动过度导致雄激素过度转化为雌激素，过多的雌激素负反馈抑制下丘脑-垂体-性腺轴(HPG轴)，导致卵泡刺激素(FSH)及黄体生成素(LH)释放幅度和频率下降，致使体内睾酮水平显著降低[6-7]。而青春期男性的睾丸发育及成年后男性次级精母细胞的减数分裂及精子细胞的成熟都必须依赖于睾酮，且睾丸内高水平的睾酮是维持血睾屏障(BTB)与支持细胞以及支持细胞与生殖细胞之间连接所必须的[8]。此外，FSH是支持细胞另一个重要的调节因子，可以刺激精子细胞的发生与成熟[9]。因此，肥胖可能通过抑制男性体内性激素的水平降低精子的数量及质量。

(二)肥胖诱发炎症反应

肥胖男性体内的白色脂肪细胞产生和分泌大量的脂肪因子，其中大多数脂肪因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、瘦素、干扰素、白细胞介素(IL-1、IL-6和IL-18)等均属于促炎性细胞因子。这些促炎性因子既能介导炎症反应引起巨噬细胞增多，又能破坏葡萄糖的稳态和胰岛素的耐受性。而促炎性因子对男性精液的影响主要体现在两个方面：其一是肥胖个体HPG轴对瘦素的抵抗[10]，致使下丘脑不能正常产生足够的促性腺激素释放激素(GnRH)，影响FSH、LH的释放以及睾酮的产生[11]；其二是促炎性因子可以损害睾丸中的生精上皮，最显著的是IL-1、TNF-α和干扰素，它们作用于支持细胞，影响连接蛋白和肌动蛋白-肌球蛋白细胞骨架蛋白的表达和组装，从而诱导相邻支持细胞之间细胞连接的开放，致使精子发生必需的生精上皮生态位的紊乱[12-13]，最终导致精子数量及质量的降低。

二、肥胖对精子相关结构及功能的影响

(一)肥胖增加氧化应激反应

肥胖男性中精子质量受损的一个主要因素是过量的活性氧(ROS)引起的氧化应激。ROS主要包括氧化物阴离子、一氧化氮、羟自由基和氧化剂等。ROS在细胞代谢中可以正常产生，而肥胖男性的慢性炎症状态使其形成增加。过量的ROS可以诱导氧化应激反应，致使精子DNA和质膜完整性受损并且能增加睾丸环境的压力[14]。促炎性细胞因子(如IL-6、TNF-α)通过产生高水平的ROS来破坏生精上皮和附睾上皮细胞；此外，吸引吞噬细胞浸润的炎症还能够在男性生殖道中诱导氧化应激反应，加剧精子的受损[15]。Tunc等[16]研究表明精液和睾丸中氧化应激反应与体重指数(BMI)和精子DNA损伤的增加呈正相关，与精子活力和顶体反应呈负相关。由此可见，肥胖男性过度的氧化应激是导致其精子质量差的潜在机制之一。

此外，精液中ROS水平与男性BMI指数呈正相关[17]，精子因其特殊的简化细胞器和有限的抗氧化能力而易受氧化应激的影响。在精子细胞中，ROS主要来源于线粒体，可以通过精卵识别、融合和受精来促进其活性[18]，但高水平的ROS容易攻击精子质膜中的脂质及细胞核和线粒体中的DNA[19]。

(二)氧化应激影响精子相关结构功能

1.增加精子DNA损伤：精子细胞核中DNA的完整性是精液质量的重要决定因素，它对于受精率、胚胎质量、妊娠率和流产率至关重要。目前，关于人类及小鼠的研究均证实肥胖与精子DNA完整性之间存在显著负相关[20-21]。肥胖男性精子DNA结构损伤的主要原因之一是ROS，精子DNA特异性的氧化攻击可直接导致精子DNA碎片化，并导致碱加化合物(尤其是8-羟基-2′-脱氧鸟苷)的形成，致使碱基错配和DNA突变[22]；ROS还可以激活半胱天冬酶，通过半胱天冬酶激活核酸内切酶，形成使精子DNA碎片化，间接损伤精子DNA[23]。另外，由于抗氧化剂防御能力的限制和DNA修复系统的缺陷，精子中ROS引起的DNA损伤更严重，增加了受精和胚胎发育失败的风险[24]。

2.改变精子脂质组成：精子膜由各种饱和脂肪酸(即肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸等)和不饱和脂肪酸(即棕榈油酸、油酸、亚油酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸等)组成，其中不饱和脂肪酸的含量较高，尤其是高水平的二十二碳六烯酸(DHA)占总脂肪酸组成的30%[25]。研究表明，精子的DHA可以正向调节精子的浓度、形态和活力[25-26]。然而，膜状不饱和脂肪酸易受ROS影响，导致脂质的过氧化，使膜脂的流动性变差，影响精子的活力和顶体反应[27]。另外，膜内胆固醇是精子中的主要组成成分，在精子成熟和获能过程中细胞膜胆固醇从精子膜中流出对于改变膜流动性并进一步维持精子活力和正常顶体反应至关重要[28]。已有研究证实肥胖男性的精子胆固醇含量显著升高，从而导致精子形态和活力的异常，以及顶体反应的过早发生[29]。

3.导致精子顶体反应缺陷：顶体反应是指精子获能后，在输卵管壶腹部与卵母细胞相遇，顶体开始释放顶体酶，溶蚀放射冠和透明带的过程。顶体反应是一种特殊类型的Ca2+依赖性胞吐作用，是受精的先决条件。精子中含有Rab3A、N-乙基马来酰亚胺-敏感因子(NSF)等可溶性NSF-附着蛋白受体(SNARE)蛋白和突触结合蛋白VIAR。α-可溶性NSF附着蛋白(α-SNAP)是通过NSF和SNARE相互作用在顶体反应中直接作用的一种重要蛋白质[30]。Shi等[31]通过分析精子中蛋白质-酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)的水平和活性以及其在各种病理生理条件下对精子顶体反应的影响，发现PTP1B可能是导致肥胖男性不育的关键分子。根据顶体胞吐作用模型提示，成功的顶体反应需要拆解cis-SNARE复合物并重新组装稳定的反式SNARE复合物，通过PTP1B去磷酸化NSF是启动cis-SNARE复合物解聚的关键步骤。在ob/ob小鼠精子中持续性高PTP1B活性将导致胞吐所需的蛋白酪氨酸磷酸化事件的抑制，并因此终止精子顶体反应。由此可见，肥胖雄性精子中的高PTP1B活性会损害精子的顶体反应，影响男性的生育能力。PTP1B可能是男性不育症新的潜在治疗靶点。

4.影响精子的体内获能：在哺乳动物中，新鲜射出的精子必须经过一系列的生理和生化反应才能获得运动和受精的能力，统称为获能，获能是受精的重要先决条件。ROS的产生是在获能早期，其主要是超氧阴离子及其歧化产物[32]，ROS能够扩散并穿过细胞膜损害大多数类型的分子和结构，并能够影响几乎所有的获能部分，ROS在获能中的作用是剂量依赖性的，适量的ROS作为获能的关键调节以促进胆固醇流出[33]、cAMP的产生和PTP的产生。而过剩的ROS是有害的，肥胖男性患者精液中ROS含量高，多余的ROS能够破坏精子表面的多不饱和脂肪酸和精子-透明带的相互作用，诱导内在的凋亡途径[34]，影响精子的体内获能，最终导致胚胎发育失败[35]。

三、肥胖影响精子表观遗传修饰

表观遗传学修饰是对表观基因组表达的调节，这种调节不依赖基因序列的改变且可遗传表观。表观遗传修饰因素如DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA等是对环境刺激变化的反映，这些因素相互作用调节基因表达，控制细胞表型，维持机体内环境稳定。近年来，越来越多关于肥胖对表观遗传影响的研究显示，BMI增加会导致DNA的甲基化[36-37]。

DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化是精子发生过程中的动态现象，对正常的精子发生及成功妊娠至关重要。DNA甲基化是甲基与核苷酸可逆可遗传的连接，其最常见形式发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶的5’碳上，产生5-甲基胞嘧啶。精子中的DNA甲基化与组蛋白的乙酰化有关，致使其被精胺取代[38]。精子DNA甲基化程度因个体间的差异而有一定的不同。一项全基因组研究报告提示，精子中9 081个独特基因在肥胖男性和正常男性之间甲基化存在差异[39]。在高脂饮食诱导的肥胖大鼠模型中，鉴定的92个参与细胞定位、转运和代谢过程的基因所对应的差异性甲基化区域，发现部分差异性甲基化区域出现隔代遗传现象[40]。

四、其他因素

除外以上因素，温度在男性精子发生过程中起重要作用。正常情况，阴囊温度比人体温度低1～2℃。阴囊温度升高会降低精液参数，增加精子DNA损伤及氧化应激反应。肥胖患者阴囊周围脂肪堆积，抑制散热，睾丸局部温度升高，可引起精子DNA损伤和氧化应激反应的增加[41]。另外，肥胖患者运动较正常人少，可能对精子的发生产生一定的影响。

综上所述，肥胖对男性精子发生过程存在多方面的影响，且近年来男性肥胖者及男性不育患者逐年增加，深入研究肥胖对男性精子发生机制的影响具有极为重要的临床意义。目前国内外关于肥胖对男性精子发生机制的研究主要停留在动物实验研究阶段，研究侧重于炎症反应、氧化应激反应、DNA损伤、表观遗传修饰等方面，具体机制尚不完善。因此，积极探明其机制，予以针对性防范和治疗对于保护男性生殖健康至关重要。

【参 考 文 献】

[1] Chambers TJ，Anderson RA. The impact of obesity on male fertility[J].Hormones，2015，14：563-568.

[2] Jensen TK，Andersson AM，Jørgensen N，et al. Body mass index in relation to semen quality and reproductive hormones among 1 558 Danish men[J].Fertil Steril，2004，82：863-870.

[3] Dupont C，Faure C，Sermondade N，et al. Obesity leads to higher risk of sperm DNA damage in infertile patients[J].Asian J Androl，2013，15：622-625.

[4] Samavat J，Natali I，Degl’Innocenti S，et al. Acrosome reaction is impaired in spermatozoa of obese men：a preliminary study[J].Fertil Steril，2014，102：1274-1281.

[5] Mcpherson NO，Michelle L. Male obesity and subfertility，is it really about increased adiposity?[J].Asian J Androl，2015，17：450-458.

[6] Michalakis K，Mintziori G，Kaprara A，et al. The complex interaction between obesity，metabolic syndrome and reproductive axis：a narrative review[J].Metabolism，2013，62：457-478.

[7] 朱倩，崔毓桂.精子发生的调节机制及其进展[J].生殖医学杂志，2016，25：378-383.

[8] Lie PP，Cheng CY，Mruk DD. Signalling pathways regulating the blood-testis barrier[J].Int J Biochem Cell Biol，2013，45：621-625.

[9] Ramaswamy S，Weinbauer GF. Endocrine control of spermatogenesis：Role of FSH and LH/testosterone[J].Spermatogenesis，2015，4：e996025.

[10] Landry D，Cloutier F，Martin LJ. Implications of leptin in neuroendocrine regulation of male reproduction[J].Reprod Biol，2013，13：1-14.

[11] Hersh C，Tsatsanis C，Dermitzaki E，et al. The impact of adipose tissue-derived factors on the hypothalamic-pituitary-gonadal(HPG)axis[J].Hormones，2015，14：549-562.

[12] Chojnacka K，Bilinska B，Mruk DD. Interleukin 1alpha-induced disruption of the Sertoli cell cytoskeleton affects gap junctional communication[J].Cell Signal，2016，28：469-480.

[13] Li N，Tang EI，Cheng CY. Regulation of blood-testis barrier by actin binding proteins and protein kinases[J].Reproduction，2016，151：29-41.

[14] Rato L，Alves MG，Cavaco JE，et al. High-energy diets：a threat for male fertility?[J].Obes Rev，2014，15：996-1007.

[15] Henkel RR. Leukocytes and oxidative stress：dilemma for sperm function and male fertility[J].Asian J Androl，2011，13：43-52.

[16] Tunc O，Bakos HW，Tremellen K. Impact of body mass index on seminal oxidative stress[J].Andrologia，2011，43：121-129.

[17] Taha EA，Sayed SK，Gaber HD，et al. Does being overweight affect seminal variables in fertile men?[J/OL]. Reprod Biomed Online，2016，33：703-708.

[18] Amaral A，Lourenço B，Marques M，et al. Mitochondria functionality and sperm quality[J].Reproduction，2013，146：R163-174.

[19] Aitken RJ，Gibb Z，Baker MA，et al. Causes and consequences of oxidative stress in spermatozoa[J].Reprod Fertil Dev，2016，28：1-10.

[20] Fariello RM，Pariz JR，Spaine DM，et al. Association between obesity and alteration of sperm DNA integrity and mitochondrial activity[J].BJU Int，2012，110：863-867.

[21] Duale N，Steffensen IL，Andersen J，et al. Impaired sperm chromatin integrity in obese mice[J].Andrology，2014，2：234-243.

[22] De Luliis GN，Thomson LK，Mitchell LA，et al. DNA Damage in human spermatozoa is highly correlated with the efficiency of chromatin remodeling and the formation of 8-Hydroxy-2′-Deoxyguanosine，a marker of oxidative stress[J].Biol Reprod，2009，81：517-524.

[23] Sakkas D，Alvarez JG. Sperm DNA fragmentation：mechanisms of origin，impact on reproductive outcome，and analysis[J].Fertil Steril，2010，93：1027-1036.

[24] Gavriliouk D，Aitken RJ. Damage to sperm DNA mediated by reactive oxygen species：its impact on human reproduction and the health trajectory of offspring[J].Adv Exp Med Biol，2015，868：23-47.

[25] Andersen JM，Rønning PO，Herning H，et al. Fatty acid composition of spermatozoa is associated with BMI and with semen quality[J].Andrology，2016，4：857-865.

[26] Martínez-Soto JC，Landeras J，Gadea J. Spermatozoa and seminal plasma fatty acids as predictors of cryopreservation success[J].Andrology，2013，1：365-375.

[27] Aitken RJ，Baker MA. Causes and consequences of apoptosis in spermatozoa；contributions to infertility and impacts on development[J].Int J Dev Biol，2013，57：265-272.

[28] Whitfield M，Polletvillard X，Levy R，et al. Posttesticular sperm maturation，infertility，and hypercholesterolemia[J].Asian J Androl，2015，17：742-748.

[29] Schisterman EF，Mumford SL，Chen Z，et al. Lipid concentrations and semen quality：the life study[J].Andrology，2014，2：408-415.

[30] Tomes CN，De Blas GA，Michaut MA，et al. alpha-SNAP and NSF are required in a priming step during the human sperm acrosome reaction[J].Mol Hum Reprod，2005，11：43-51.

[31] Shi L，Zhang Q，Xu B，et al. Sustained high protein-tyrosine phosphatase 1B activity in the sperm of obese males impairs the sperm acrosome reaction[J].J Biol Chem，2014，289：8432-8441.

[32] Rivlin J，Mendel J，Rubinstein S，et al. Role of hydrogen peroxide in sperm capacitation and acrosome reaction[J].Biol Reprod，2004，70：518-522.

[33] Boerke A，Brouwers JF，Olkkonen VM，et al. Involvement of bicarbonate-induced radical signaling in oxysterol formation and sterol depletion of capacitating mammalian sperm during in vitro fertilization[J].Biol Reprod，2013，88：1-18.

[34] Bromfield EG，Aitken RJ，Anderson AL，et al. The impact of oxidative stress on chaperone-mediated human sperm-egg interaction[J].Hum Reprod，2015，30：2597-2613.

[35] Aitken RJ，Whiting S，De Iuliis GN，et al. Electrophilic aldehydes generated by sperm metabolism activate mitochondrial reactive oxygen species generation and apoptosis by targeting succinate dehydrogenase[J].J Biol Chem，2012，287：33048-33060.

[36] Dick KJ，Nelson CP，Tsaprouni L，et al. DNA methylation and body-mass index：a genome-wide analysis[J].Lancet，2014，383：1990-1998.

[37] Wang B，Gao W，Li J，et al. Methylation loci associated with body mass index，waist circumference，and waist-to-hip ratio in Chinese adults：an epigenome-wide analysis[J].Lancet，2016，388：S21-S21.

[38] Delaval K，Govin J，Cerqueira F，et al. Differential histone modifications mark mouse imprinting control regions during spermatogenesis[J].EMBO J，2014，26：720-729.

[39] Donkin I，Versteyhe S，Ingerslev LR，et al. Obesity and bariatric surgery drive epigenetic variation of spermatozoa in humans[J].Cell Metab，2016，23：369-378.

[40] de Castro Barbosa T，Ingerslev LR，Alm PS，et al. High-fat diet reprograms the epigenome of rat spermatozoa and transgenerationally affects metabolism of the offspring[J].Mol Metab，2016，25：184-197.

[41] Mariotti A，Di Carlo L，Orlando G，et al. Scrotal thermoregulatory model and assessment of the impairment of scrotal temperature control in varicocele[J].Ann Biomed Eng，2011，39：664-673.