精子运动性能对精子质量影响的研究进展

林秋敏， 赖宝色

(福建农业职业技术学院，福建 福州 350119)

0 引言

精子活力和顶体完整性两项指标具有显著的相关性，足够活力的精子才能获能进而通过生殖道到达受精部位展开一系列的受精反应，包括精卵识别、透明带反应等。而顶体是精子中唯一具有的产能结构部位，其完整性直接决定了精子的功能及受精过程中精子获能的概率。精子顶体是位于精子的头部，类似帽状结构，是精子运动中唯一的产能部位。顶体的产能效应主要依赖于内部含有多种水解酶，如放射冠穿透酶、透明质酸酶等。精子顶体反应的发生也依赖于这些水解酶的作用。因此，对于精子而言，精子质量是精子发挥功能的基础，其包括精子顶体完整性和精子的活力。当精子细胞受损，精子外膜的渗透压改变，增加膜的渗透性，胞内酶释放进入精浆，降低了精子获能的概率。由此可见，精子顶体完整性是精子顶体内酶系统发挥功能的保证。研究显示，顶体酶系统中发现的高表达β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和血小板激活因子乙酰水解酶(platelet-activating factor acetylhydrolase，PAFAH)参与了精子发生和受精过程，尤其是顶体反应中获能精子与卵的识别和接触[1-4]。因此，精子顶体完整性决定了精子的完整性和精子的功能。

1 精子活力

精子活力(sperm motility)是精子具有受精能力的基础。精子的前进运动在精卵受精过程中起着重要作用，前进运动是有活力精子的一种表现形式，也是对精液质量进行评价的一项重要指标依据。已有诸多研究[5-8]表明精子运动参数是反应精子活力的有效指标，包括精子的运动速度、运动轨迹以及空间位移效率[9]。根据精子运动参数变化可以有效评价精子是否具有有效的受精效应[10]。目前，计算机辅助的精子质量分析(computer sperm analysis，CASA)系统的应用在临床上是评价精子运动性能的主要手段，并已经日益普及和成熟[11]。法国卡苏公司研发的CASAⅡ系统是合并显微摄像和运动轨迹测定的新型技术，测定中可以反映精子活力和运动特性等，使实验结果更加科学。目前主要应用于临床男性不育患者的检测[7-9]，对动物的精液品质研究、体外受精等也有一定的应用前景。

1.1 精子的速度参数

精子运动性能参数(VSL、VCL、VAP等)是反映精子活力的有效指标[5]，并且间接体现了精子与受精率的关系[12]。由此可见精子运动性能参数对精子质量评价的重要性。

1.2 精子的运动方式参数

精子的运动主要分为射精和生殖道内两个阶段。对于射精后的精子而言，精子的运动在射精后本能的迅速向各个方向游离，保持正向的前向运动。在生殖道内，精子的运动受到阴道环境及输卵管上皮细胞的阻滞效应，精子的前向性运动会受到一定的制约。精子的前向性(STR)运动是精子活力和受精效率的间接体现并与受孕率呈现正相关[13]。除此外，精子的运动还包括直线性(LIN)运动和摆动性(WOB)运动。最新的研究也指出，精子鞭毛中不对称的横向波产生单方面力引起的滚动与精子在各个方向上平等地旋转力组合形成了螺旋状的前向运动，并且精子表现为绕滚动轴的双向滚动[14-15]。

2 精子运动活性调节

2.1 精子运动结构基础

目前对精子研究的模型中大多集中于啮齿类动物(包括小鼠、大鼠、仓鼠等物种模型)。精子的生理性运动一般认为含有新射精子的激活和受精精子的超激活两种[16-17]。新射精子的激活是精子鞭毛对称性低振幅的摆动推动精子前向运动，也称之为精子在精液中进行的趋直线运动。动物模型实验结果显示激活大鼠精子的鞭毛摆动提供的动力可以显著提高精子穿过雌性生殖道的速度和减少滞留时间[18]。对于低活力的精子即使到达输卵管，精子仍无法进行体内受精。精子到达输卵管主要靠的是精子线粒体提供能量并通过精子鞭毛摆动进行[19]，这种“超激活运动”的形式促进了体内受精。研究发现，精子通过输卵管不仅仅依靠精子的鞭毛摆动，单纯的摆动所供给的能量不足，精子很难真正移动到受精位置[20]。要使得精子运动到受精的合适位置，需要精子完成超激活并且提供足够的能量并完成精卵识别后受精[21-22]。因此，精子的激活与超激活的运动对于精子的受精具有重要作用。

精子运动激活鞭毛的摆动起到至关重要的作用。正常的精子鞭毛对精子是否能够到达受精部位直接决定是否能进行受精。精子的运动激活初期依靠的是具有四个结构区(图1)的鞭毛来完成，结构区分为连接段、中段、主段和末端[23-25]。研究指出精子鞭毛主要存在于连接段，也是轴丝最短的部位仅由9组二联微管组成，并组合成内、外动力蛋白臂负责产生鞭毛的动力[26]。鞭毛的中段由9个外周致密纤维(ODF)和包围ODF的线粒体鞘(MS)组成是头部边缘中特有的附属结构[27]。鞭毛作为精子特有运动“马达”，其摆动提供的原始运动推进力主要由鞭毛轴丝和轴丝蛋白共同完成。现有研究指出，超过200种轴丝蛋白被发现，其中α微管蛋白是精子的核心蛋白[28]，它是鞭毛中在腺苷三磷酸酶被激活时引动摆动的关键。α微管蛋白的激活会引起鞭毛轴丝双微管的滑动并产生弯曲效应，进而产生推进力[29]。轴丝双微管弯曲产生的推进力，推进精子的前向运动对于精子运动性能而言极其重要。临床中，轴丝双微管的不弯曲或轴丝紊乱会降低精子的运动从而影响受精，主要包含除精子外的其他类型的纤毛细胞发生疾病。在人类和家畜中由轴丝排列异常导致的疾病研究指出，鞭毛轴丝缺陷会显著降低精子活力并伴随不育[30]。鞭毛中ODF的研究也指出，支撑精子尾部结构的角蛋白样中间丝状体ODF蛋白对细胞骨架的构建和细胞分裂发育具有重要作用[31-33]。并且，ODF蛋白的异常会影响精子的获能。

图1 哺乳动物精子鞭毛示意图

2.2 精子运动能量基础

鞭毛是精子的重要组成部分，鞭毛中含有大量的轴丝运动蛋白。研究指出，小鼠精子鞭毛运动通过ATP提供能量，当鞭毛中段产生的ATP不足时，无法将ATP送达精子尾端，进而无法满足动力蛋白的能源需求，鞭毛运动受抑制[34-35]。同时，先前研究结果显示不依赖线粒体的氧化磷酸化产生的ATP降低了精子的活力且低于氧化磷酸化产生的ATP功能后精子的活力[36]。这些数据表明线粒体氧化磷酸化并不是完全支持精子受精的主要能量ATP的来源。

对于精子鞭毛运动而言，FS在精子运动中起着机械性作用，它决定了鞭毛的平面运动性状[37]。FS引起的轴丝微管滑动依赖于cAMP活性，特别是cAMP依赖性的蛋白激酶A(PKA)活性[38]。有研究表明，FS在精子运动中提供的抗氧化应激活性，主要是干扰了引起精子活力和损伤DNA[39]。另有研究指出，靶向缺失精子FS上的特异性GAPD-S酶会导致雄性不育。在哺乳动物精子FS上存在着糖酵解酶，包括己糖激酶、乳酸脱氢酶以及甘油醛-3-磷酸脱氢酶[40]。相关研究表明GAPD-S下游的靶向酶在去除膜后仍可附着在细胞骨架上，这也说明这些靶向酶是FS或ODF的组成部分，并且提供了轴丝微管滑动的必要能量供应[41]。先前研究还指出精子鞭毛主段糖酵解产生ATP是超激活运动的必要条件，而氧化磷酸化效应抑制并不完全影响受精发生[42-43]。

2.3 精子运动的调控机制

通常认为钙信号通路和cAMP/PKA是哺乳动物精子活力调节的两个重要途径[44-45]。小鼠模型研究指出，缺失cAMP依赖的蛋白激酶催化亚基影响精子运动的能量供给，进而导致小鼠不育[46]。精子中的轴丝动力蛋白臂是仅有的少数被证实的具有调节精子活力的靶蛋白。轴丝动力蛋白臂是鞭毛蛋白的重要组成，该蛋白的酪氨酸酶磷酸化和去磷酸化是鞭毛摆动引起精子运动的关键。研究指出，在哺乳类以及啮齿类动物机体中A激酶锚定蛋白(AKAP)与精子运动的启动和结束关系密切[47]。AKAP的功能在于其可以将PKA及其他相关蛋白充当底物进行催化，激活介导靶蛋白表达变化，从而调节精子运动[47]。

除了cAMP/PKA途径外，另一个重要的通路是钙调蛋白关联途径。有研究表明，可溶性腺苷环化酶(sAC)活性受钙离子浓度决定，sAC的改变会致使ATP水解生成cAMP进而激活PKA，引起精子激活运动和超激活运动[48]，激活的PKA可以进一步引发cAMP/PKA信号级联反应，进而影响精子的活动能力[49]。大量研究表明，胞内钙离子储存改变会引起胞外钙离子通道激活，促进钙离子通过通道进入精子影响胞内钙水平[50]。对于细胞的激活状态，细胞内钙储备是重要的影响因素。与体细胞不同，除了顶体结构外，精子不具有体细胞的胞内钙储备结构。对于精子活力改变依赖的钙离子主要来自于精子颈部的冗余核膜钙离子通道的开放[51]。

对于钙离子通道研究指出，环核苷酸门控通道(CNGC)可在鞭毛的不同微区结构内产生钙内流模式[52]。基因敲除研究显示，成熟精子的主段中的电压门控钙通道(CatSper1)是调节cAMP诱导钙离子内流的关键部位[53-54]。靶向缺失CatSperI基因的结果表明胞内的cAMP刺激消失会影响精子的质量，使精子的活力降低。相关研究表明把精子中的CatSper2基因敲除，精子超激活运动受到影响，导致雄性不育[54]。因此，胞外钙能否顺利进入精子鞭毛内对鞭毛激活运动和超激活运动都是必需的。钙调蛋白(CaM)作为细胞内钙受体普遍存在于真核细胞中，其蛋白表达水平下调会导致精子运动活力下降[55]。sAC作为Ca2+的传感器，激活sAC可显著提高细胞中cAMP浓度，调节精子运动。但CaM对精子运动的影响并不是通过sAC实现的。这些数据显示通过sAC环化酶可实现钙离子改变调节精子运动。另外，钙离子和CaM结合后激活下游的CaMK，进而增加cAMP浓度从而启动精子运动[56]，使用CaMK的抑制剂可明显降低精子活力[57]。动物机体中的钙调蛋白参与鞭毛运动的调节[58]。因此，在精子运动中钙通路的调控起着非常重要的作用。

精子是一种高度分化的细胞，其运动需要的蛋白质必须定位到成熟精子的尾部。前文论述中指出，AKAP被证实与灵长类动物和啮齿类动物精子运动的启动和结束有关[47]，主要是参与轴丝蛋白激活及运动相关靶点蛋白的激活[59]。在这方面，小鼠精子FS的主要蛋白是AKAP4[57]，AKAPs可以将蛋白质解离在精子鞭毛的不同位置，可以确保合适的蛋白质在最佳的时间及位置表现鞭毛功能，进而调节精子的运动。因此，了解精子运动的决定性基因和蛋白，调节精子运动的靶点及明确调节机制，对畜牧生产应用具有重要的价值。

3 结语

精子的质量是决定畜禽能否作为种源的重要因素，也是决定动物能否受精成功的关键指标，了解精子的活力、精子运动所需要的能量来源、运动的调控机制等，有助于掌握种畜禽精子的质量，以提高动物的生产性能，提升养殖水平，提高养殖场的经济效益。