哺乳動(dòng)物精子獲能的分子機(jī)制

1、1、哺乳動(dòng)物精子獲能的分子機(jī)制雄性排出的精子處于不同成熟階段，未成熟精子是在雌性生殖道內(nèi)獲能的， 精子一開(kāi)始是不成熟的，未成熟精子是在雌性生殖道內(nèi)獲能，稱(chēng)為精子獲能。哺乳動(dòng)物精子獲能有以下特點(diǎn)：精子細(xì)胞膜上的膽固醇被去除，使得與受精有關(guān)的受體脂閥集中到精子頭部。獲能時(shí)，精子表面的一些糖和蛋白丟失細(xì)胞膜電位超級(jí)化，有助于細(xì)胞膜融合一些蛋白磷酸化，一些分子伴侶集中到精子頭部，對(duì)形成受精時(shí)的受體有幫 助頂體膜與細(xì)胞膜靠的更緊，更有助于頂體反應(yīng)的發(fā)生。具體分子機(jī)制有以下幾點(diǎn)：1）蛋白酪氨酸磷酸化.許多試驗(yàn)證實(shí)，人、牛、豬、小鼠及貓等物種的精子獲能與蛋白酪氨酸磷酸化 （PTP）相關(guān)。小鼠、人、牛和豬的精

2、子中,PTP受PKA/CAMP信號(hào)途徑調(diào)節(jié),PKA對(duì)精子PTP的作用主要是通過(guò)對(duì)酪氨酸激酶或磷酸化 酶的直接或間接調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，而PKA的活性有賴(lài)于CAMP的數(shù)量。2）膽固醇外流精子獲能與膽固醇外流密切相關(guān),實(shí)驗(yàn)表明獲能過(guò)程中膽固醇外流引起精 子膜流動(dòng)性改變、精子膜脂類(lèi)發(fā)生重排及膽固醇/磷脂比率下降,這些引起精子 膜去穩(wěn)定性的變化有利于獲能的完成。隨著對(duì)獲能機(jī)制的深入研究，發(fā)現(xiàn)B -環(huán)狀 糊精能代替BSA引起精子膜上膽固醇外流，并通過(guò)KA/CAMP途徑增加PTP，促 進(jìn)精子獲能。3）活性氧的產(chǎn)生試驗(yàn)證實(shí)活性氧（ROS）的產(chǎn)生是精子獲能過(guò)程中最早發(fā)生的事件之一。獲能 過(guò)程伴隨O2-的產(chǎn)生,O2-的

3、產(chǎn)生在獲能初期（孵育開(kāi)始后15 min-20 min）較高，隨 后緩慢降低至較低水平，甚至比非獲能精子水平還低。而且超氧化物歧化酶的延 遲加（孵育開(kāi)始后30 min和60 min時(shí)加入）不阻止精子獲能，提示O2-在獲能初 期就啟動(dòng)精子獲能。實(shí)驗(yàn)證明證實(shí)由外源性黃嘌吟和黃嘌吟氧化酶產(chǎn)生的超氧化 物陰離子能引起人精子超激活和精子獲能，這是由于精子中含有大量不飽和脂肪 酸和低的抗氧化酶,從而對(duì)氧化作敏感。ROS在精子獲能中之所以起重要作用， 普遍認(rèn)為是由于ROS直接或間接刺激AC的產(chǎn)生，導(dǎo)致CAMP增加，對(duì)其更深 入的機(jī)理和參與獲能的ROS靶子還不清楚。4）精子膜的超極化雖然對(duì)獲能與精子膜電位變化之

4、間關(guān)系的研究較少，但是也已取得了可喜 的突破。有人提出精子獲能伴隨精子膜電位超極化,在牛和小鼠中膜電位分別由- 35mV和-30mV變到-50mV和-60mV ,并且證實(shí)該變化至少部分是由K +外流引 起的。5）Ca2+和 HCO3-Ca2 +在獲能中的作用目前倍受爭(zhēng)議,一些研究者認(rèn)為獲能過(guò)程中精細(xì)胞內(nèi) Ca2 +濃度不變，但是大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該過(guò)程中精細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加;現(xiàn)已經(jīng)證 實(shí)人精子在獲能前2 h中，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度從70 u mol/L增加到250 u mo l/L。 現(xiàn)在的對(duì)于Ca2+的認(rèn)知有兩種，一種是Ca2+在獲能中的作用是通過(guò)刺激AC的 合成來(lái)增加CAMP的合成，而另一種

5、是認(rèn)為Ca2+能通過(guò)CAMP環(huán)核苷酸磷酸酶來(lái) 降解CAMP的合成，這兩種認(rèn)識(shí)在人和小鼠分別得到了證實(shí)。HCO3-不僅能調(diào)節(jié)精子膜電位，還能夠刺激AC的合成，從而促進(jìn)CAMP的生成; 在獲能和受精過(guò)程中,HCO3-通過(guò)CAMP的生成對(duì)PTP起作用。在獲能和受精過(guò)程 中,HCO3-通過(guò)CAMP的生成對(duì)PTP起作用。6）葡萄糖、孕酮、肝素在小鼠、人、豬等動(dòng)物的精子獲能過(guò)程中，都需要葡萄糖參與。葡萄糖在精 卵融合過(guò)程中起關(guān)鍵作用，可能是由于葡萄糖參與了 PTP過(guò)程。實(shí)驗(yàn)都證明由卵丘細(xì)胞分泌的孕酮和卵泡液內(nèi)的孕酮都能誘發(fā)頂體反應(yīng)。孕 酮可激活人精子Ca2 +內(nèi)流，引起細(xì)胞內(nèi)CAMP水平上升和蛋白酪氨酸磷

6、酸化, 從而促進(jìn)獲能速率的完成。肝素是硫酸化程度最高的氨基多糖,被認(rèn)為是最接近體內(nèi)獲能的生理性方 法。肝素誘導(dǎo)獲能的機(jī)理是:促進(jìn)精細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度、CAMP含量升 高；去除吸附于精子膜上阻礙獲能的精漿蛋白。2、哺乳動(dòng)物精子頂體反應(yīng)具體機(jī)制精子頂體反應(yīng)（AR）的發(fā)生是通過(guò)精子膜蛋白與卵子透明帶上糖蛋白間的相 互識(shí)別完成的。精子表面的胞外酶、細(xì)胞黏附分子、凝集素；卵細(xì)胞表面的糖蛋白ZP1，ZP2 和ZP3，尤其是ZP3寡糖鏈起著識(shí)別信號(hào)的作用。精子與卵子之間這種蛋白-糖 的結(jié)合以及進(jìn)一步的蛋白-蛋白的結(jié)合通過(guò)跨膜信號(hào)傳導(dǎo)引發(fā)精子內(nèi)部一系列快 速的生理生化反應(yīng)，如離子濃度、蛋白磷酸化水平、環(huán)磷酸腺

7、苷（CAMP）濃度的 改變等，從而使得Ca2 +水平上升，pH下降，最終導(dǎo)致頂體反應(yīng)。1）GalT I與ZP3寡糖鏈識(shí)別GalT I是最早報(bào)道的卵細(xì)胞結(jié)合蛋白。完整的膜GalT I可以分為3個(gè)部分: 胞外段、跨膜段和胞內(nèi)段。胞外段作為凝集素，能夠識(shí)別并結(jié)合末端為氨基-乙酰 葡萄糖殘基的寡糖鏈。胞內(nèi)段具有信號(hào)傳導(dǎo)能力，通過(guò)結(jié)構(gòu)改變與G蛋白作用， 傳遞信號(hào)。GalT I與ZP3寡糖鏈識(shí)別并結(jié)合可使精子表面GalT I聚集，激活耦 聯(lián)的G蛋白，引發(fā)AR。然而，GalT缺失的精子仍然可以與卵子透明帶結(jié)合，提 示精卵結(jié)合過(guò)程中存在其他不依賴(lài)于GalT-ZP3的結(jié)合機(jī)制。2）酪氨酸激酶受體與透明帶糖蛋白Z

8、P3結(jié)合當(dāng)精子與透明帶結(jié)合后，其胞內(nèi)段酪氨酸殘基被酪氨酸激酶磷酸化，隨之 被含有SH2結(jié)構(gòu)域的靶蛋白識(shí)別并結(jié)合，通過(guò)信號(hào)通路引起精子頂體反應(yīng)。3）甘露糖受體激活甘露糖受體屬于C型凝集素超家族成員，是I型跨膜受體，可以識(shí)別末端 為甘露糖、巖藻糖、N-乙酰氨基葡萄糖的糖鏈。在獲能的精子中，表達(dá)甘露 糖受體，由兩條多肽鏈組成，每條多肽鏈的胞外段都含有2個(gè)甘露糖識(shí)別結(jié) 構(gòu)域，胞內(nèi)段具有肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)受體結(jié)合甘露糖后，通過(guò)受體的聚 集以及肌動(dòng)蛋白的作用，引起頂體反應(yīng)。4）透明帶黏合素與ZR3結(jié)合研究表明，透明帶黏合素定位于頂體基質(zhì)而不是質(zhì)膜上。因此推測(cè)，其在頂 體反應(yīng)后介導(dǎo)精子與透明帶結(jié)合。5）信

9、號(hào)通路精子AR中信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程大致分為3個(gè)步驟：精子膜表面受體聚集。這就 要求精子完成獲能，使質(zhì)膜有良好的流動(dòng)性。通過(guò)受體介導(dǎo)激活信號(hào)通路。在信號(hào)分子作用下，打開(kāi)電壓門(mén)控Ca2 +通道，維持較高Ca2 +水平。參 與該過(guò)程的受體主要有G蛋白耦聯(lián)受體、酪氨酸激酶相關(guān)受體。3、哺乳動(dòng)物質(zhì)膜之間的相互作用在哺乳動(dòng)物的精子受精前必須先經(jīng)過(guò)精卵的特異性識(shí)別。1987年Wassarman就曾指出哺乳動(dòng)物的精子附著于卵細(xì)胞以及精卵識(shí)別依賴(lài)于精 子表面的糖蛋白和ZP糖蛋白的互補(bǔ)。研究表明，精子和透明帶的最初識(shí)別過(guò) 程是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的結(jié)合過(guò)程，其中包含多種精子的蛋白與ZP3結(jié)合15。 因此，深入地了解精卵的相互作用機(jī)理，必將使我們獲得更多的方法來(lái)確定 糖類(lèi)殘基以及他們的互補(bǔ)特性。一些哺乳動(dòng)物的ZP糖蛋白有三種成分（ZP1、ZP2、ZP3），ZP3是第一個(gè) 精子的受體（與獲能的頂體完整精子結(jié)合），并誘發(fā)了頂體反應(yīng)，使精子