高温导致男性不育的研究进展

曹德宏 关慧元 李金泽 沈寅知 陈 波 陈泽煜 杨 璐 魏 强

1.四川大学华西医院泌尿外科/泌尿外科研究所；2.四川大学华西临床医学院（四川 成都 610000）

男性不育（male infertility，MI）是指由男方问题引起的，性生活正常且未进行避孕措施长达一年及以上的女方不孕。研究表明，近年来男性精液质量和浓度均呈下降趋势，且由于精液质量变差、精液浓度降低，其导致的MI发病率不断升高。据报道，约有17%的男性精液浓度低，25%的男性精子活动率少于40%，43%的男性正常形态精子少于4%[3]。有关调查显示，MI的发生与睾丸温度升高具有密切的关系[4]，本文就睾丸温度升高（36.5℃-37.6℃）导致MI的机制作一综述。

一、睾丸温度升高与男性不育

睾丸温度升高对于男性生育功能有极其重大的影响，一项最新的动物研究表明，对精子发生过程中的公牛进行热应激处理后，精细胞死亡增多，采用其精子进行人工授精后第7、8日的囊胚总数下降[5]。同样，在另一项动物研究中，研究人员以公羊的阴囊表面温度为变量，进行对照试验。结果表明，阴囊温度较高的实验组公羊，它们的精子在膜完整性、精子运动能力、DNA完整性等方面均受到负面影响[6]。Al-Otaibi等[7]在排除吸烟、年龄、种族及其他因素的影响后，发现长期工作在面包店烘培房的工作人员的MI发病率为正常人群的七倍（实验组22.7%vs对照组3.0%）。MI不仅在烘培师这一职业高发，在厨师、焊工、窑工等职业群体中也有较高的发病率[8]。这些职业的共同点在于他们都长期暴露在高温环境中，相应的，他们的睾丸温度也有一定升高。以上结果均证明睾丸温度升高可能导致MI的发生。

二、睾丸温度升高与精子DNA

多项研究结果显示，睾丸温度升高导致MI主要是通过对精子内DNA的影响致使精子质量下降。其损害精子DNA有多种方式，根据目前研究总结，主要与以下几种因素相关：氧化应激加速、DNA双链结构受损和转座子的激活。

（一）睾丸温度升高对氧化应激加速的影响

氧化应激是由于体内产生自由基导致的，身体细胞氧化和抗氧化失衡且倾向于氧化的一种状态。短时间的睾丸温度升高即可引起精母细胞的氧化应激反应加速。一方面，氧化应激反应可导致精子磷脂和脂肪酸快速氧化分解，影响精子活性[9]。研究表明精子膜脂质过氧化会导致高粘度精液发生，而高粘度精液是精子功能不足，导致MI的因素之一[10]。另一方面，氧化应激加速也可能会导致精子的DNA、RNA以及端粒受到损害，导致基因组的改变[11]。患有不育症的男性其精子细胞内超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性显著降低（P＜0.001）[12]。抗氧化能力有限，使得其应对氧化应激反应的能力十分脆弱，而精子DNA损伤的检测和修复能力有限，使得睾丸高温所引起的精子DNA受损处于不可逆的状态，造成精子功能下降[13,14]，从而使男性精液质量下降，导致MI的发生。

（二）睾丸温度升高对DNA双链结构的影响

DNA保持稳定性的一大关键是其双螺旋结构的稳定性。相关研究表明，温度升高在一定程度上会损伤DNA的双螺旋结构[15]。在排除外力干扰下，仅就温度变化（24℃-42℃）对DNA的扭曲程度进行试验，结果显示，即使是在远低于DNA解旋温度的条件下，温度的升高也会导致DNA双螺旋的扭曲程度变化ΔTw（T）=(-11.0±1.2)°/(°C·kbp)[16]，增高基因突变及DNA损伤的概率。

Kundu等[17]研究发现，在温度从27℃逐渐升高的过程中，核苷酸低聚物的稳定性逐渐下降，在67℃以及更高温度（尽管日常生活不可能有如此高温）时，低聚物的结构构象发生了明显改变，提示高温对DNA结构本身会产生破坏，进而影响双链结构的稳定性。

（三）睾丸温度升高与转座子

1.转座子对DNA产生影响的方式

转座子，又称跳跃基因，是一段可以从原位置上单独复制并插入到DNA序列上任意位置的DNA片段，可导致其后的DNA序列发生极大变化，是导致DNA高度突变的重要因素[18]。一项使用精子染色质结构分析的研究表明，染色质结构的变化会影响DNA的完整性，转座子影响了染色质的结构，进而影响了DNA的完整性[19]。转座子对DNA的影响包括：①DNA双链异常断裂：在精子产生过程中，一定限度内的DNA双链断裂有利于减数分裂过程，且有可能对某些错误的DNA序列进行修复[20,21]。但最近的研究发现，转座子的大量表达及插入DNA会导致DNA双链断裂，且断裂无法修复[22]。②染色体重新排列与基因序列改变：根据转座子插入位点的不同，转座子大小的不同，转座子插入方向的不同，其引发的染色体结构改变以及基因结构的改变是无穷无尽的[23]。③影响基因表达：基因序列的改变使得许多正常的蛋白质不能被翻译，因此会导致形成各种失去活性或功能异常的蛋白质[24]。

2.睾丸温度升高使转座子激活

在精子发生过程中，精母细胞在升温条件下（温度升高约2℃，36.5℃-37.6℃），其转座子基因就会被唤醒，插入精子的DNA序列中，从而引起大量基因序列改变，最终导致精子DNA双链断裂，无法产生后代[22]。在相关研究中，对秀丽隐杆线虫精母细胞进行短时间（2分钟）升温，DNA双链的断裂率为正常条件下的25倍，且该DNA双链断裂不是在核酸内切酶催化作用下完成的。同时有研究表明，转座子更容易插入某些特定序列和区域的DNA。研究者对果蝇转座子插入位点进行了上千次的实验，实验结果表明转座子更容易插入易于接近的染色体位点，并且在DNA 5’端更易于整合[25,26]。激活的转座子基因对精子DNA的破坏是导致MI的重要因素。

三、睾丸温度升高与精子形态

精子与卵子结合形成受精卵的过程中，精子需要经过子宫颈、子宫并最终到达输卵管，因此精子活力的下降是导致MI的重要因素。精子活力的下降与精子形态的改变有较大关系[27]。正常状态下，精子的发生温度低于人体正常体温2℃-6℃[28]，睾丸的温度升高可分为两类：第一类为保持在人体体温以下时的温和升高，第二类为睾丸升温超过人体体温时的剧烈升高。

在睾丸温度温和升高时，温度即可对精子形态造成巨大的影响。Abdelhamid等[29]使用特质的内衣使五名健康志愿者的睾丸和附睾温度升高（1.5℃-2℃）并持续120天，每日检测其精子活力，他们发现在实验的第34天时，形态异常的精子占比显著增加，且异常精子持续存在至实验结束后的第73天。目前，还需要进一步的研究，以更好的阐释睾丸温度升高影响精子形态的具体机制。

四、睾丸温度升高与生物活性因子

雄激素可以对精子发生具有重要的影响，其发挥作用需要与雄激素受体（androgen receptor，AR）结合，现有研究表明，雄激素的减少会加剧生殖细胞的凋亡。Shen等[30]以公猪为模型动物的研究中，对其中一实验组进行为期42天的高温环境饲养（37℃-40℃），另一实验组进行42℃的局部睾丸加热，实验结果表明，与对照组相比，实验组睾丸支持细胞内热休克蛋白70及AR水平均有明显下降。睾丸高温通过影响AR（雄激素受体）的表达导致大量生殖细胞凋亡，进而影响精子的发生。

Zhang等[31]对30名健康男性志愿者进行了持续3月，每周2天、每次40分钟的睾丸高温暴露（40℃-43℃）的研究，他们发现在实验过程中实验组体内的精氨酸左旋肉碱（Arginine L-carnitine，LC）及表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)含量显著降低，在实验结束3月后，LC与EGF含量相较于对照组仍较低。

五、总结与展望

睾丸温度升高可从多个方面影响精子质量及精子活力，从而导致MI发生。目前，睾丸温度升高已被认为是MI的危险因素之一，但具体的发生机制尚未完全阐明，仍需进一步的探索。相信随着对温度升高导致MI机制的研究和探讨，MI的发病率将会有所下降，其治疗方法也会更加多样、高效。而抑制转座子基因的复制及插入，修复生精细胞中受损的DNA可能成为未来治疗MI的新方法。

关键词：不育；男性；高温；转座子；DNA

doi:10.3969/j.issn.1008-0848.2021.05.018

中图分类号 R698.2;R446.144:R349.39