人類精子頂體反應(yīng)的研究進展

人類精子頂體反應(yīng)的研究進展

母乳喂養(yǎng)是一個由膜包裹的緊密酶細胞，位于精神末膜和質(zhì)膜之間。這是一個形式，由各種酶組成。頂體反應(yīng)(acrosomereaction,AR)是精子與卵透明帶(zonapellucida,ZP)結(jié)合之后,精子的頂體破裂,釋放一系列的頂體酶的過程。受精是精子與卵子融合,精子將所攜帶的單倍體遺傳物質(zhì)與卵子的單倍體遺傳物質(zhì)相融合形成雙倍體合子的過程。這是一個非常復(fù)雜和嚴格有序的生理過程,不同種類的動物,其受精方式及過程有所不同。人類受精過程包括:(1)精子獲能;(2)精子與卵丘細胞之間的相互作用;(3)精子活動力的改變?nèi)绯罨?(4)精子與透明帶結(jié)合、透明帶誘發(fā)精子頂體反應(yīng);(5)精子頂體酶激活;(6)精子穿入透明帶;(7)精卵質(zhì)膜融合;(8)卵子激活;(9)精子染色質(zhì)解凝;(10)精卵核融合。AR發(fā)生的主要部位是卵丘顆粒細胞間隙及透明帶,頂體反應(yīng)通常是在卵丘細胞團的間隙中啟動,在精子穿入ZP時,AR發(fā)生的程度更大,速度更快,能使卵子受精的精子,很可能是在卵丘細胞間隙就發(fā)生AR的精子。頂體酶的釋放使精子得以穿過ZP與卵子結(jié)合,是受精的前提。目前主要根據(jù)WHO標準評估精子的質(zhì)量,這是一種描述性的方法,強調(diào)射出精子的總數(shù),活動力及形態(tài)。按照這個標準,男性生育力是由大于一定數(shù)量的活動精子及正常形態(tài)精子決定。但是臨床上存在不少不育患者精液分析提示正常,但不能使正常育齡女性受孕的情況。這些患者的精子功能可能存在異常。目前精子的功能檢測包括檢測精子DNA碎片、活性氧檢測、精子與透明帶相互作用、頂體反應(yīng)、精子染色體非整倍性的檢測。這些功能檢測可用于預(yù)測人類精子在體內(nèi)外的受精能力。通過檢測在體外誘發(fā)精子頂體反應(yīng)率的情況可預(yù)測體外受精(invitrofertilization,IVF)結(jié)局,為臨床男性因素不孕的夫婦選擇合適的輔助生殖治療提供幫助。一、頂體反應(yīng)發(fā)生情況精子頂體是高爾基體衍生而來的帽狀細胞器,覆蓋在精子核的前2/3區(qū)。頂體反應(yīng)涉及精子質(zhì)膜與頂體外膜的融合,導(dǎo)致頂體內(nèi)容物的釋放,精子前頭部頂體內(nèi)膜的暴露。在體內(nèi),誘發(fā)頂體反應(yīng)的生理性物質(zhì)有透明帶糖蛋白、黃體酮、卵泡液、透明質(zhì)酸酶等。在體外可用藥理學(xué)物質(zhì)誘發(fā)頂體反應(yīng),這些物質(zhì)誘發(fā)頂體反應(yīng)所涉及的作用位點及作用機制見表1。盡管可以誘發(fā)精子頂體反應(yīng)的物質(zhì)很多,但是研究比較多的是透明帶糖蛋白、黃體酮、卵泡液、γ-氨基丁胺、鈣離子載體A23187。1.不同受體的信號通路對zp誘導(dǎo)頂體反應(yīng)的影響哺乳動物受精時,透明帶環(huán)繞卵母細胞,負責(zé)將精子結(jié)合到卵母細胞上并誘發(fā)結(jié)合在透明帶上的精子發(fā)生頂體反應(yīng)。頂體反應(yīng)對精子穿過透明帶至關(guān)重要。在人類,ZP由4種糖蛋白組成,分別是ZP1、ZP2、ZP3、ZP4,其中只有ZP1、ZP3、ZP4參與誘發(fā)頂體反應(yīng)。ZP3被認為是最主要的受體,ZP3誘發(fā)的頂體反應(yīng)涉及G蛋白,但是ZP1/4誘發(fā)的頂體反應(yīng)則不涉及G蛋白,但ZP2不能誘發(fā)頂體反應(yīng),主要與發(fā)生了頂體反應(yīng)的精子結(jié)合,可能作為第二受體。精子質(zhì)膜上存在2種不同受體介導(dǎo)的信號通路負責(zé)ZP誘導(dǎo)的頂體反應(yīng)。一個是Gi蛋白偶聯(lián)受體,激活磷脂酶C(PLC)β1介導(dǎo)的信號通路;另一個是酪氨酸激酶(TK)受體,與PLCγ偶聯(lián)。ZP結(jié)合Gi蛋白偶聯(lián)受體可調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶(AC),導(dǎo)致cAMP的升高和PKA的激活,PKA使特定蛋白磷酸化及激活下游作用蛋白通路。受體與配體結(jié)合同時也激活精子質(zhì)膜上的L型及T型鈣離子通道及鈉/氫交換體,導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)鈣離子呈級聯(lián)放大效應(yīng)。PLCβ1和PLCγ的激活,水解PIP2,產(chǎn)生DAG和IP3,DAG可能導(dǎo)致PKC遷移到精子質(zhì)膜及其激活,IP3使細胞內(nèi)鈣儲存的Ca2+釋放。細胞儲存的鈣離子的消耗激活質(zhì)膜上電壓依賴的鈣離子通道,釋放大量的鈣離子,誘發(fā)精子頂體外膜與質(zhì)膜融合及頂體內(nèi)容物的釋放,即頂體反應(yīng)。2.黃體酮的激活機制黃體酮被認為是精子頂體反應(yīng)的另外一個天然誘發(fā)劑,主要由卵丘顆粒細胞分泌,存在于卵泡液及女性生殖道輸卵管液中,能誘導(dǎo)獲能的人類精子發(fā)生生理性頂體反應(yīng)。在受精過程中,卵丘顆粒細胞分泌的黃體酮對精子有趨化作用,使精子向卵子方向游動,且能使提供精子活動力及誘發(fā)精子頂體反應(yīng)率。黃體酮誘發(fā)的頂體反應(yīng)有時間依賴性及劑量依賴性的特點。低濃度的黃體酮可快速激活鈣離子內(nèi)流,激活激酶活性劑酪氨酸磷酸化,改變精子尾部的擺動方式,向顆粒細胞方向趨向運動,提高精子活動力,但不能誘發(fā)精子頂體反應(yīng)。只有高濃度的黃體酮才能使精子活動力超活化及誘發(fā)精子頂體反應(yīng),當黃體酮濃度為10μg/ml,與精子樣本一起孵育60min時,其誘發(fā)的頂體反應(yīng)率可達到最大值。最近研究提示人精子對于黃體酮的作用十分敏感,納摩爾濃度水平的黃體酮就可通過激活CatSper鈣離子通道來增加細胞內(nèi)鈣離子濃度。高、低濃度的黃體酮都通過激活T型電壓門控的鈣離子通路及CatSper通道,使精子細胞內(nèi)鈣離子濃度迅速增加,通過下游通路誘發(fā)頂體反應(yīng),這是黃體酮介導(dǎo)精子功能的主要機制。目前研究比較多的是黃體酮誘發(fā)AR時激活精子特異的CatSperCa2+通道,導(dǎo)致一種短暫的快速鈣離子電流及隨后的緩慢的持續(xù)的鈣離子電流的雙極信號,其通路下游可能涉及cAMP、cGMP、PKA、PKG,細胞內(nèi)儲存的鈣離子的釋放,最終發(fā)生頂體反應(yīng)。3.鈣離子載體誘導(dǎo)ar鈣離子載體A23187與鈣離子形成脂溶性復(fù)合物,導(dǎo)致鈣離子快速通過精子質(zhì)膜而內(nèi)流,鈣離子內(nèi)流可導(dǎo)致精子質(zhì)膜與頂體外膜的融合,發(fā)生頂體反應(yīng)。鈣離子載體誘發(fā)AR的能力可能不代表精子發(fā)生生理性AR的能力,鈣離子載體A23187誘發(fā)AR主要涉及鈣離子內(nèi)流的化學(xué)作用,而生理性AR(用ZP誘發(fā))與用其他誘發(fā)劑包括鈣離子載體,甚至黃體酮誘發(fā)的AR的機制明顯不同。鈣離子載體誘發(fā)AR實驗可以檢測鈣離子內(nèi)流缺陷的患者,但不能檢測ZP誘發(fā)AR異常的患者。4.性侵風(fēng)險20%人輸卵管中的卵泡液(主要有效成分是黃體酮)能促使獲能的精子細胞外的鈣離子內(nèi)流,誘發(fā)頂體反應(yīng)。卵泡液刺激精子頂體反應(yīng)呈劑量依賴性:當卵泡液濃度為30%時,其誘發(fā)精子頂體反應(yīng)率達峰值,且其機制涉及GABA受體通路。部分免疫性不孕患者中其卵泡液中所含的抗精子抗體能使精子發(fā)生頂體反應(yīng),但是同時也抑制精子結(jié)合ZP的能力,這個作用可能是通過直接結(jié)合ZP受體實現(xiàn)的。有報道人輸卵管中的卵泡液可降低含α-D-甘露醇受體的精子數(shù),從而降低精子結(jié)合ZP的能力,從而降低多精受精的機會。5.gaba轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白GABA是中樞神經(jīng)系統(tǒng)及外周神經(jīng)系統(tǒng)的重要神經(jīng)遞質(zhì)。在中樞神經(jīng)中,GABA作為抑制性信號的主要調(diào)節(jié)物。目前主要發(fā)現(xiàn)2個GABA受體,分別為A、B受體。但GABA不僅僅存在于神經(jīng)系統(tǒng)。ArthurAanesen等學(xué)者用放射性同位素標記法證明精子表面存在特異性GABA結(jié)合位點,由此可推測可能存在GABA轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白。GA-BA可通過激活精子質(zhì)膜表面受體使人精子細胞外的鈣離子內(nèi)流而誘發(fā)頂體反應(yīng),GABA誘發(fā)人精子頂體反應(yīng)有劑量依賴性,且呈雙向性,當GABA濃度在0到1.25~2.5μmol/L之間時隨著GABA劑量增加,AR率增加,達峰值后再增加GABA的量時,AR率反而下降,這可能是因為其受體飽和所致。二、精子頂體反應(yīng)獲能是精子識別ZP,發(fā)生頂體反應(yīng),使卵子受精的前提條件,包括多種生理及生化的改變。獲能及AR是受精的重要過程,是精子結(jié)合及穿透ZP及隨后與卵子質(zhì)膜融合所必需的。在哺乳動物受精過程中,獲能的精子穿入卵丘細胞,與ZP結(jié)合,ZP誘發(fā)精子頂體反應(yīng),精子穿入ZP與卵子質(zhì)膜結(jié)合。獲能后精子活動力的改變,即超活化,使精子可以從輸卵管上皮細胞向前移動,為精子穿透ZP提供動力。獲能時精子質(zhì)膜的膽固醇外流,質(zhì)膜上的Na+/HCO3-轉(zhuǎn)運體和CatSper鈣離子通道開放,HCO3-和Ca2+迅速進入細胞內(nèi),激活非典型的腺苷環(huán)化酶SACY,激活PKA,使得其下游底物磷酸化:快速過程使精子開始運動;慢速過程激活了蛋白酪氨酸酶、精子超活化,同時也為精子發(fā)生頂體反應(yīng)做準備。質(zhì)膜中的膽固醇外流啟動了獲能,增加精子質(zhì)膜的滲透性及流動性,引起鈣離子內(nèi)流及級聯(lián)反應(yīng),精子獲能,獲能的精子與ZP結(jié)合后,精子細胞內(nèi)的鈣離子進一步升高,質(zhì)膜及頂體外膜的鈣離子通道開始新的級聯(lián)反應(yīng),精子發(fā)生頂體反應(yīng)。三、精子功能檢測是男性生育力的重要因素目前臨床采用精液分析檢測評估男性生育力的潛能,常規(guī)精液分析檢查提示精液正常的樣本并不能反映精子的功能也正常,且精液分析檢測提示精子質(zhì)量差的男性仍可以使女方受孕。一些研究提出決定受精的因素并不全在于精子的數(shù)量、形態(tài),更重要的因素是精子的功能。因此,精子功能的檢測對于評估男性生育力備受關(guān)注。受精過程是來自父母雙方的原核融合形成新的個體的過程,包括以下幾個步驟:(1)精子穿入卵丘;(2)精子與透明帶相互作用;(3)精子-卵子膜融合;(4)卵子激活;(5)精子細胞核染色體的解凝及原核形成;(6)母源性和父源性原核發(fā)育及轉(zhuǎn)移到卵母細胞中心;(7)在第一次有絲分裂的紡錘體軸線上發(fā)生雙原核融合。在受精過程中,精子必須完成頂體反應(yīng),釋放頂體細胞溶解酶,使得精子在穿入透明帶過程中產(chǎn)生一條軌道,協(xié)助精子穿入透明帶與卵子結(jié)合。因此,頂體反應(yīng)是精子的重要功能之一。若精子在與透明帶結(jié)合前發(fā)生自發(fā)性頂體反應(yīng),精子就失去了受精能力,自發(fā)性頂體反應(yīng)率大于10%提示精子質(zhì)量差。四、體外受精與精子頂體反應(yīng)的單因素分析頂體反應(yīng)是精子的重要功能之一,在精子穿過透明帶與卵膜結(jié)合過程中發(fā)揮重要作用,但是目前研究對精子頂體反應(yīng)率的臨床應(yīng)用價值尚存在爭議。早期研究提出鈣離子載體誘發(fā)AR與受精率明顯相關(guān),但是在正常形態(tài)>15%亞組中,這種相關(guān)是弱的,而在正常形態(tài)<15%(平均9.1%,范圍0~14%)亞組,相關(guān)性更顯著。日本學(xué)者Katsuki等提出鈣離子載體誘發(fā)精子頂體反應(yīng)是不同于精液分析的另一種可為不孕不育患者選擇適當ART方案的一種指引方法,預(yù)測體外受精中完全不受精、體外受精妊娠率的AR閾值分別是21%和26%。香港學(xué)者Makkar等提出鈣離子載體誘發(fā)的頂體反應(yīng)率比傳統(tǒng)的精子參數(shù)及精子速度更能預(yù)測控制性超排卵及宮腔內(nèi)注射人工授精的妊娠結(jié)局。Esterhuizen等用ZP在體外誘發(fā)精子頂體反應(yīng),發(fā)現(xiàn)精子頂體反應(yīng)率與體外受精受精率呈明顯正相關(guān),r=0.95,P<0.01,行ROC曲線得出ZP誘發(fā)的頂體反應(yīng)率>15%是預(yù)測體外受精受精率的閾值,當頂體反應(yīng)率>15%時,體外受精受精率為79%,敏感度及特異度分別為93%,100%。ZP在體外誘發(fā)的頂體反應(yīng)異常的患者其體外受精受精率低,甚至出現(xiàn)不受精,但改行卵子胞漿內(nèi)單精子注射治療,其受精率高,建議這些患者選用卵子胞漿內(nèi)單精子注射治療。五、輔助