线粒体能量代谢与弱精子症的关系研究进展

仲崇副 韩斌 纪云 高兆旺

摘要 弱精子症以精子活动力低下为主要表现，在男性不育中占有相当大的比例。而线粒体作为精子的供能中心，能够通过氧化磷酸化将葡萄糖等代谢底物转化为ATP，供应精子运动，所以线粒体能量代谢功能与精子活动力关系密切。通过研究分析近年的相关文献，发现精子代谢功能受损多与呼吸链复合体活性下降、线粒体膜电位（MMP）降低、mtDNA的改变及活性氧（ROS）对线粒体造成破坏等因素有关，并且中医药对弱精子症的治疗也与其能改善线粒体能量代谢有关。

关键词 线粒体;弱精子症;能量代谢;呼吸链复合体;线粒体膜电位;线粒体DNA;活性氧;中医研究

Research Progress of Relationship between Mitochondrial Energy Metabolism and Asthenospermia

ZHONG Chongfu1，HAN Bin2，JI Yun1，GAO Zhaowang1

（1 Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014，China; 2 Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014，China）

Abstract Asthenospermia is characterized by low sperm motility，which accounts for a large proportion of male infertility.As the energy supply center of sperm，mitochondria can transform glucose and other metabolic substrates into ATP through oxidative phosphorylation，which supplies sperm movement.Therefore，mitochondrial energy metabolism function is closely related to sperm motility.Through the research and analysis of the relevant literature in recent years，it is found that the damage of sperm metabolism is mainly related to the decline of respiratory chain complex activity，the decrease of MMP，the change of mtDNA and the damage of ROS to mitochondria，and the treatment of asthenospermia by traditional Chinese medicine is also related to the improvement of mitochondrial energy metabolism.

Keywords Mitochondria; Asthenospermia; Energy metabolism; Respiratory chain complex activity; Mitochondrial membrane potential; Mitochondrial DNA; Reactive oxygen species;Traditional Chinese Medicine research

中圖分类号：R242;R698文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.04.026

随着时代的发展，人类的生育问题已经愈发突出。根据世界卫生组织的调查结果显示，全球约有15%的夫妇存在生育问题，其中一半与男性因素有关，并且其预测不孕不育将在21世纪成为危害人类生活的主要疾病之一[1]。弱精子症以精子活动力异常为主要表现，在男性不育患者中占有极高的比例，是导致男性不育的主要病因之一[2]。而精子运动所需的ATP主要来自线粒体，所以线粒体的能量代谢功能与精子活动力关系密切，任何影响线粒体代谢的因素都有可能对精子活力造成影响。

1 弱精子症的定义

弱精子症是指精子的浓度正常，仅活动力低于实验室参考值（PR≥32%或PR+NP≥40%，PR：前向运动精子，NP：非前向运动精子）。作为精液常规的一个主要指标，精子活动力能够直接反映精子质量高低，并在一定程度上提示男性生育力的强弱。能够引起精子活动力下降的因素包含遗传、感染、理化因素等在内有很多，但就具体机制而言尚未完全阐明。从生理结构来看，精子尾部鞭毛不停的摆动为其提供了向前移动的能力，而这一过程所消耗的能量主要来自线粒体产生的ATP。

2 线粒体能量代谢对精子活力的影响及相关机制

人类所摄入的营养物质都需要在细胞内经有氧呼吸才能转化为细胞能直接利用的“能量货币”。具体而言，葡萄糖、氨基酸、脂酸等代谢底物均需经过有氧呼吸的3个阶段方能被彻底分解并合成ATP，而其中三羧酸循环与氧化磷酸化主要发生在线粒体中。已经证实线粒体内具有多种能量代谢所必需的酶，其在氧化呼吸链及多种酶的驱动下能够将1分子葡萄糖经过氧化磷酸化分解产生约34分子的ATP，其产能效率绝非细胞质中的糖酵解所能够比拟的。所以线粒体是包括精子在内的人体细胞主要的ATP来源。

在精子形成并最终成熟的过程中，大多数线粒体都会随着多余细胞质一同丢失，最终在成熟精子中仅存留22～75个线粒体螺旋排列成线粒体鞘存在于精子尾部中段[3]，其产生的ATP直接精子鞭毛上的ATP酶分解，为精子鞭毛的摆动提供能量[4]。所以线粒体代谢功能与精子活动力密切相关，线粒体的能量代谢一旦受影响，就会导致精子活动力下降。其主要影响机制包括呼吸链复合体活性降低、线粒体膜电位（MMP）降低、mtDNA改变及活性氧（ROS）对线粒体的氧化损伤作用。

2.1 呼吸链复合体活性降低

线粒体提供的ATP主要来自其内膜上的氧化呼吸链（ECT），其主要由5个复合体（复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）、细胞色素C和辅酶Q共同组成[5]。有氧呼吸的底物经过氧化呼吸链将脱下的电子传递给氧分子，同时复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ发挥其质子泵作用，将质子从线粒体基质转移到膜间隙，形成跨膜电位，利用其电势能来驱动ATP合成酶合成ATP。倘若氧化呼吸链受到损伤，则会影响电子传递，影响ATP合成。

其中复合体Ⅰ又称NADH脱氢酶复合体，是电子传递链中重要的电子切入点，当电子通过时，会将4个质子从基质中泵入膜间隙，从而形成质子梯度差;复合体Ⅲ为细胞色素还原酶复合体，主要功能是电子从QH2供体转移到细胞色素c受体，产生质子梯度;复合体Ⅳ即是细胞色素氧化酶复合体，其位于氧化呼吸链的末端，能够转移电子到氧分子上将其转化为水分子，并同时将线粒体基质中的质子转移到膜间隙，亦有助于形成跨膜质子梯度差。氧化磷酸化途径的最终酶是ATP合酶复合体，它能利用电子传递链形成的跨膜质子电化学势能，驱使ADP与Pi结合产生ATP。

Bucak等[6]通过对少、弱精子症患者精液的研究发现其精子线粒体中的呼吸链酶复合体的变异及损伤较正常精液明显增多。李敦高[7]应用反转录-聚合酶链反应监测弱精患者精液，发现其精子线粒体细胞色素氧化酶亚基Ⅰ和Ⅱ的表达水平较正常人明显降低。这些说明包括细胞色素氧化酶在内的线粒酶活性与精子活力存在一定的相关性，这些酶可能通过氧化呼吸链对线粒体ATP的产生造成影响，进而引起弱精子症。

2.2 线粒体膜电位（MMP）的降低

在正常细胞的能量代谢中，线粒体内三羧酸循环产生的能量传递给电子，电子则经过呼吸链传递，同时线粒体内膜上的质子泵将线粒体基质内的质子转运到内膜外侧，形成内负外正的跨膜电位差，此即线粒体膜电位（MMP）[8]。因此MMP与线粒体内的三羧酸循环与氧化磷酸化密切相关，能够反映线粒体的功能。MMP正常是维持氧化磷酸化，促使ATP不断生成的先决条件。当MMP因各种因素而降低时，线粒体内膜两侧电势能降低，ATP产生障碍，精子鞭毛供能不足，活动力下降。已有研究表明MMP与精子的活力及受精率关系密切，精子保持活力需要较高的MMP[9-11]。国内研究方面，白双勇等[12]通过研究认为肥胖男性的精子MMP较普通人明显下降，同时其精子前向运动率亦明显下降，二者存在相关性。杨颖等[13]通过对203例男性精液的研究发现弱精子症患者的MMP较正常人低，MMP与精子活力正相关，而与BMI负相关，这可能与BMI过高引起精浆中ROS增加有关。

由上可知MMP能通过线粒体的氧化磷酸化影响精子活力，且二者呈明显的正相关。故而，检测线粒体膜电位对于评价精子质量有重要意义，能在目前精液常规的基础上进一步判断弱精子症的原因，但能否通过相关的治疗和调整如应用抗氧化剂、减肥等来提高MMP，进而提高精子活力仍未知，或许可以作为弱精子症的治疗思路进一步研究。

2.3 线粒体mtDNA改变

与其他体细胞相同，精子之中存在的线粒体DNA（mtDNA），由16 569 bp的碱基对组成双链闭合环状结构，能够独立自主的进行复制。其内含有37个基因，共编码13种蛋白质，均是参与构成氧化呼吸链酶复合体的亚基，与线粒体氧化磷酸化及ATP的生成关系密切。这13种蛋白质编码区包括：编码复合体Ⅰ亚基的ND1-ND6，编码复合体Ⅲ的Cytb，编码复合体Ⅳ亚基的CoⅠ-CoⅢ，编码复合体Ⅴ亚基的ATP6-ATP8。此外，还有约1 100 bp的非编码区，起调控作用并作为复制的起始点，被称为控制区或者D环（D-loop）。

mtDNA不同于核DNA（nDNA），其在缺乏组蛋白保护的同时，还容易受到呼吸链产生的ROS的损伤，mtDNA发生改变后又缺乏修复系统，故而相比于nDNA，mtDNA更容易发生变异。精子运动所需的ATP绝大多数都来自线粒体的氧化磷酸化，所以氧化呼吸酶的活性与精子活力密切相关。而mtDNA所编码的13种蛋白质又是参与构成氧化呼吸酶复合体的亚基，且mtDNA中只有外显子，故而mtDNA上任意一个位点的变异都有可能影响线粒体的氧化磷酸化，进而对精子活力造成危害。具体而言，主要体现在mtDNA的缺失和突变上。

2.3.1 mtDNA缺失

研究证实许多不育患者的精子均存在mtDNA的大片段缺失，其中以4 977 bp、mtATP6、mtcyb等基因片段的缺失最為常见。mtDNA的缺失会导致其所编码的与氧化磷酸化相关的蛋白质合成减少，对线粒体氧化磷酸化造成负面影响，最终导致ATP合成减少。

盛礼建等[14]采用PCR技术对弱精患者及正常人精子mtDNA进行了研究，结果弱精子症患者4 977 bp缺失率远高于正常人，说明其缺失与弱精子症的发生存在一定联系。国外的相关研究也得到了类似的结果[15-16]，其具体原因可能是因为4 977 bp的缺失是精子线粒体丢失了与氧化磷酸化相关的一些基因[17]。除此之外，另有研究表明，mtATP6、mtcyb[18]、ND5及ND6、7 436 bp[19]、4 866 bp等基因序列的缺失与精子运动障碍均有一定的相关性。

研究表明，线粒体mtDNA的缺失与精子活动力下降的确存在一定的相关性，其具体机制可能与其编码合成氧化呼吸酶亚基能力的降低有一定的关联。但就目前来说，相关研究大多局限在某一类mtDNA的缺失与弱精子症的相关性，无法排除其他mtDNA缺失是否对此过程影响，而且其产生影响的具体机制仍不清楚，且不同的地区、民族及伴发疾病都会对实验结果造成干扰，导致同一基因序列缺失的研究结果也不尽相同[20]。因此，关于mtDNA对线粒体能量代谢及精子活力的影响，可以从分子水平研究其具体机制及相关疾病如精索静脉曲张等对其造成的影响，从基因水平指导弱精子症的防治。

2.3.2 mtDNA突变

有研究证实，mtDNA突变率比nDNA高出10倍以上，倘若其突变发生在与氧化磷酸化有关的基因序列时，就会对精子的活力产生影响[21]。Siwar等[22]通过对不育患者基因序列的研究，在7个基因序列中发现了4个从未报道过的点突变，同时还发现个别弱精患者同时存在CoⅡ（m.8021 G/A）和tRNA（m.12 187C>A）2种基因突变。研究认为CoⅢ（m.9588G>A）错义突变及CoⅠ基因（m.6307A>G）突变与精子的活动力密切相关[23-24]。冯春琼等[25]通过PCR技术发现mtATP6基因上存在G8887A的点突变，并认为该突变可能会对精子活力产生影响。其原因可能是与mtATP6能够编码ATP合成酶的亚基，能够对线粒体氧化磷酸化产生影响有关。

目前，关于mtDNA突变的研究普遍存在样本数量小的问题，且突变存在不确定性，区别中性突变则存在一定的困难。最后，mtDNA突变还存在着“阈值效应”的特点，在变异未达到相应的数量或者比例之前，其变异未必会对精子的功能产生影响。例如Güney等[26]发现在不育男性与正常男性的精子线粒体ATPase6、Cytb、ND1基因中都存在一定的突变，并且对其转录、翻译等也产生了影响，2组比较差异无统计学意义，这或许提示基因突变在精子线粒体中普遍存在，只有其达到一定的阈值，才会对线粒体的功能及精子的质量产生影响。总之，要想解释mtDNA突变对精子活动力的影响及具体机制，则必须要更大样本量以进行研究。

2.4 活性氧对线粒体的损伤

活性氧（ROS）即是氧自由基，包括超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（·OH）及NO在内，随着人体的生命活动不断产生。人体正常的代谢便会产生ROS，但是适量的ROS非但不会对人体带来危害，反而能够参与精子的运动、获能、顶体反应，促进精卵融合，但是过量的ROS就会对精子造成危害[27]。

正常情况下，人体内存在的抗氧化系统能够清除ROS，防止其对人体造成破坏。但是当机体受到包括感染、慢性炎症反应、精索及睾丸疾病、环境因素等内外刺激时，会产生大量的ROS，超出了人体抗氧化系统的清除能力，引起氧化应激损伤组织细胞。线粒体作为精子中的重要能量来源，也是精子中ROS的重要来源。线粒体中约有2%的O2呼吸链中漏出的电子还原成O2-[28]，也因此线粒体更易被ROS所攻击，损伤具体表现主要包括以下3点。

2.4.1 引起线粒体酶蛋白的损伤

线粒体内含有大量与氧化呼吸有关的酶，而过多的ROS会破坏这些酶的结构，使其失去活性，进而影响到氧化呼吸链的功能。有研究表明ROS与磷脂膜发生反应会产生丙二醛，进而导致酶蛋白失活[29]。凡永等[30]研究发现活力低下的精子中呼吸链复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的活性比起正常的精子要低。

2.4.2 引起线粒体膜电位的改变

有研究显示过量的ROS会降低线粒体膜电位，进而影响精子的活力[31]。这可能是因为线粒体通透转化孔道（MPTP）在受到ROS的刺激后出现非可逆性的开放，导致Ca2+大量释放，同时水分子也大量进入，最终引起线粒体膜电位的下降及内膜的损伤，影响ATP的合成。

2.4.3 造成mtDNA的损伤

mtDNA直接暴露在线粒体基质中，缺少保护，因此极易遭到ROS的破坏而产生点突变、碱基缺失和插入等。有研究显示mtDNA受到ROS的攻击后比核DNA更易突变，且突变后也更容易造成相应的细胞结构及功能紊乱[32]。Güney等[33]也通过研究发现，mtDNA在受到ROS攻击后，其ATPase6基因上的T8821C发生点突变，导致其编码的氨基酸发生变化，最终导致氧化呼吸链的功能发生障碍，精子的活动力降低。mtDNA能够编码13种构成呼吸链酶的蛋白质，而mtDNA受到攻击后会影响这13种蛋白质合成并最终对氧化呼吸链的代谢功能产生负面影响。

3 改善线粒体供能的治疗

目前，弱精子症的发病机制尚未完全阐明，所以对此病也没有相应的特效药，临床治疗也多是按男性不育症来治疗。其中线粒体作为精子的主要能量来源，许多治疗也会对线粒体产生影响，提高线粒体的代谢功能，尤其是中医中的温肾化气等治法往往能明显增强线粒体的代谢，进而改善精子质量。

3.1 西医治疗 对于弱精子症，现代医学治疗手段主要包括药物治疗、手术治疗和一般治疗。一般治疗主要包括避开高温、辐射等有害环境，纠正熬夜、吸烟、酗酒等不良生活习惯[34]。手术治疗以针对精索静脉曲张的手术治疗为主，有研究认为VC会导致患者精子出现氧化应激反应[35]，进而对精子MMP[36]、mtDNA[37]造成影響，最终导致精子线粒体功能下降，引起弱精子症。临床上VC患者在经过手术治疗后，其精子质量能够得到一定程度的改善。药物治疗主要是通过发挥抗氧化作用，减轻精子氧化应激反应进而改善线粒体供能及精子活力，临床常用药物包括维生素C、维生素E、辅酶Q10（CoQ10）[38]、硫辛酸、左卡尼汀等。除了抗氧化作用外，左卡尼汀能够保护线粒体氧化呼吸链，避免其产生更多的ROS，硫辛酸能促进三羧酸循环和氧化磷酸化，CoQ10还能促进线粒体产生ATP。

3.2 中医研究

弱精子症属于中医“不育”“精冷”的范畴。对于其病因病机，历代医家的观点虽各有侧重，但公认的一点是本病的发生与肾密切相关。中医认为，肾藏精，主生殖，而肾中阳气亦被称为命门之火，具有温养五脏六腑、四肢百骸的功能。正如《医贯·玄元肤论》中认为男子阳中有阴，但以火为主;女子阴中有阳，以精为主。男女交合之时，阳气与阴精交聚，然后才会有子嗣。而对于子嗣的产生，最重要的便是那一点“先天火气”，由此可见命门之火在生殖、孕育方面极为重要。贾金铭和马卫国[39]认为精子本身亦有阴阳之分，精体为阴，而活动率为阳。而“阳化气，阴成形”，所以精子活力高低与肾阳（命门之火）密切相关。对于弱精子症，可选用菟丝子、淫羊藿、巴戟天、肉苁蓉等温补肾阳之品治疗。相关研究也显示采用采用温补肾阳的方剂治疗弱精子症的确能取得不错的疗效[40-42]。这可能与温补肾阳类的中药能提高精子线粒体的代谢功能有关。

线粒体能够通过三羧酸循环与氧化磷酸化将葡萄糖、脂质、蛋白质等转化为ATP，进而供给全身细胞的生命活动。ATP与中医学的“气”有相似之处，二者均是构成人体并维持人体生命活动的最基本物质，倘若人体ATP供应不足，就会出现乏力气短等气虚表现。而线粒体产生ATP这一过程，就与中医学“少火生气”高度相似。因此温补肾阳类的中药能够增强线粒体的代谢，进而提高精子活力。邱林等[43]研究发现采用肾气丸能够通过修复线粒体结构、增强呼吸链复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的活性等方式改善肝细胞线粒体能量代谢。王桐生等[44]研究认为五子衍宗丸能够保护精子线粒体的结构与功能，具体机制包括减轻线粒体肿胀、抑制精子MMP降低等。而李莉等[45]认为五子衍宗丸能够提高少弱精子症大鼠精子质量，这可能是因为五子衍宗丸具有抑制精子线粒体MPTP的开放的作用。

总之，温补肾阳的药物能够改善弱精患者精子活动力这一点肯定，这与其能够提高精子线粒体代谢功能有关，具体机制包括保护线粒体结构、提高线粒体MMP、提高呼吸链复合体活性等有关，但目前尚无统一的结论。而且本类研究多以大鼠为模型，其研究结果对人类是否通用仍有待进一步验证。

4 总结

综上所述，线粒体作为精子的供能中心，其能量代谢功能的强弱与精子活力密切相关，而线粒体代谢功能降低也是弱精子症的主要机制之一。导致线粒体功能减弱的具体因素十分复杂，主要包括呼吸链复合体活性下降、MMP的降低、mtDNA的改变等，而3者之间又能相互影响，例如呼吸链复合体活性下降会影响电子的传递，进而造成MMP降低，mtDNA的改变又可能导致呼吸链复合体的功能降低。ROS是破坏精子线粒体的主要因素，其不仅能直接破坏精子及线粒体的结构，还能损伤呼吸链复合体、mtDNA，并导致MMP降低，而线粒体呼吸链本身又是产生ROS的部位，当呼吸链受损，电子传递受阻时，会进一步促进ROS的产生，最终陷入“恶性循环”。目前，关于精子线粒体的研究主要集中在以上几个方面，虽然尚不足以完全阐释精子线粒体代谢功能受损的机制，但也提示线粒体功能受损及精子活动力降低应该是多因素共同作用的结果，并对弱精子症的诊断及治疗的研究指出了方向。

目前对于弱精子症的诊断主要依靠精液常规，其中的精子浓度、精子活率等指标虽然能对精子的质量进行评价，但无法提示不育的具体原因，对于进一步的治疗也无法作出詳细的指导。而随着技术的进一步发展，对于精子线粒体损伤的相关检测例如MMP、呼吸链复合体、mtDNA损伤、MPTP等检测将有助于进一步明确不育的发生机制，并指导治疗。中医药在弱精症的治疗方面有得天独厚的优势，对于弱精症的治疗以补肾为主，结合证型的不同也可以加入滋阴、补气、活血、祛湿类的药物。但在研究方面也存在一定的困难，一方面能够导致弱精症的因素太多，另一方面中药往往是复合制剂，内含多种成分，所以难以明确中药的作用靶点及相应有效成分。此外，类似的研究往往还存在样本量较少、多为动物实验而缺乏人类精子研究等问题。

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（2019-11-25收稿 责任编辑：杨觉雄）