哺乳动物精子获能的分子机制_cropped

哺乳动物精子获能的分子机制_cropped () 动物医学进展 ,2005 ,26 8:13216 Pro gre s s i n Vet e ri na r y Me dici ne 3 哺乳动物精子获能的分子机制 李东全 ,罗光彬 ,张小华 ,袁水桥 ,朱增娟 () 沈阳农业大学畜牧兽医学院 ,辽宁沈阳 110161 () 中图分类号 : S814 . 4 文献标识码 : A 文章编号 :100725038 20050820013204 足 ,也不表现 P T P 作用 , P T P 为标志的获能启动是 :精子获能 是精子能够与卵母细 胞发要 摘 以精子在附睾尾成熟为前提 。 生顶体反应和受精的一个重要生理前提 。精 小 鼠 、人 、牛 和 猪 的 精 子 中 , P T P 受 P KA/ 子获能的分子机制 相当复杂 , 许多报道 表明 cA M P 信号途径调节 , P KA 对精子 P T P 的作用主 精子获能受到多种细胞信号途径的调控 。尽 要是通过对酪氨酸激酶或磷酸化酶的直接或间接调 管目前尚未完全明 确 , 但是许多研究表 明获 能精子发生许多结 构和生化变化 , 包括 蛋白 , 而 P KA 的 活 性 有 赖 于 cA M P 的 数 量 。 控来 实 现 酪氨酸磷酸化 、精子膜胆固醇外流 、活性氧的 2 + - cA M P 的数量却 受到 Ca 、钙调 素和 H CO的 调 3 产生及精子膜超极 化 , 这些变化都有助 于精 - 2 + - 等研究表明 H COY 控 。Che n 不仅调节膜电位 , 3子 获 能 的 发 生 。Ca和 H CO通 过 对 3 2 + cA M P 的调控有助于获能完成 ,葡萄糖 、孕酮 还刺激腺苷酸环化酶合成 cA M P ; 对于 Ca/ 钙 调 素来说 ,一方面通过腺苷酸环化酶增加 cA M P 的合 和肝素作为获能液 的重要添加物 , 通过 不同 成 ,另一方 面 通 过 环 核 苷 酸 磷 酸 酶 降 解 cA M P , 因 途径促发精子获能 。文章从这些方面对获能 此 ,对获能及相关信号事件存在正负效应 。此外 ,葡 做一综述 ,在此基础上提出以后的研究方向。 萄糖代谢也参与调控 P T P ,葡萄糖通过糖酵解和磷 关键词 :精子获能 ; 蛋白酪氨酸磷酸化 ; 胆固 酸戊糖途 径 产 生 的 A T P 是 合 成 cA M P 的 必 需 物 醇外流 ;活性氧 ;超激活 质 ; Tra vi s A J 推 测 该过 程产 生 的 A T P 也 是 P T P 哺乳动物刚射出的精子并不具备受精能力 ,必 过程的惟一能量要求 ; Ait ke n R J 等在小鼠 、U r ne r F 等在 人 的 精 子 中 观 察 到 磷 酸 戊 糖 途 径 产 生 的 需在母畜生殖道内或者适宜的外界环境中预孵一段 N AD P H 也调控该过程 。许多试验表 明 P T P 标 志 ( 时间才能获得受精能力 , 该过程即为精子获能 ca2 获能的启动 ,但是也有试验表明精子 P T P 与获能无 ) p acit atio n。自 1951 年获能现象被提出后 ,许多研 关 ,例如 1 mol/ L 的 N AD P H 或 者 N AD H 不能 促 究者模拟生殖道内环境对精子获能及其分子机制进 行研究 ,取得了一定的突破 。 [ 3 ] , 但是能够刺激 P T P ; Do r val 进精子获能 V 等应 用酪氨酸激酶抑制剂 er b st ati n 可以 消除 获 能期 间 蛋白酪氨酸磷酸化1 P T P ,但是并不影响获能 。因此 , 可以认为 P T P 可 许多试验证实 ,人 、牛 、猪 、小鼠及猫等物种的精 能与获能有关 ,但是不能完全反映精子获能的完成 , 其在获能中扮演何种角色还需要进一步研究 。 (子获能与蛋白酪氨酸磷酸化 p ro t ei n t yro si ne p ho s2 ) p ho r ylatio n , P T P相关 。在获能精子中 , P T P 主要 2 胆固醇外流 ( ) 发生在精子的鞭毛部 猪除外,随后才在精子尾部 ( ) 精子获能与胆固醇外流 chole st e rol eff l ux 密 [ 1 ] 中段发生。试验表明并非所有精子都发生 P T P , 切相关 , Pet ro u nki na A M 等表明获能过程中胆 固 只有附睾尾部精子在获能时促进分子质量为 40 k u 醇外流引起精子膜流动性改变 、精子膜脂类发生重 ,120 k u 的 一 系 列 蛋 白 发 生 P T P , 在 获 能 精 子 中 排及胆固醇/ 磷脂比率下降 ,这些引起精子膜去稳定 性的变化有利于获能的完成 。Cro ss N L 等报道 ,采 L ecle re P 等观察到 p 105 和 p 81 蛋白 P T P 比未获能 [ 2 ] 用避免精子膜上胆固醇流失的获能方法处理精液 , 精子高 , Healt h E 等证实热激蛋白 86 和 90 也发 生 P T P ;对于附睾头精 子 , 即 使各 种获 能条 件 都满 ()动物医学进展 2005 年 第 26 卷 第 8 期 总第 142 期 14 观察到人精子获能受到抑制 ; Suzuki F 等从冰冻蚀 敏感 。RO S 在 精 子 获 能 中 之 所 以 起 重 要 作 用 , 刻图像上观察到覆盖顶体的质膜充满胆固醇 ,获能 L a mi ra nde E 等认为是由于 RO S 直接或 间 接刺 激 后胆固醇含量急剧下降 ,说明胆固醇外流与获能有 A C 的产生 ,导致 cA M P 增加 ,对其更深入的机理和 关 。 参与获能的 RO S 靶子还不清楚 。 在精子体外获能时 ,获能液中的牛血清白蛋白 RO S 产生的途径还不明确 ,目前认为以下两条 - () B SA,在有 H CO存在时可与胆固醇结合 ,以浓 途径有助于 RO S 的生成 : ?位于精子顶体膜上的过 3 [ 4 ] 度依赖方式刺激胆固醇外流 。Vi sco nti P E 等证 氧化物酶系 催 化葡 萄糖 通 过磷 酸戊 糖 途径 产 生 的 实 B SA2胆固醇结合物不仅可抑制 B SA 去除精子浆 N AD P H 而产生 ; ?通过线粒体呼吸链中的电子通 膜上 的 胆 固 醇 , 亦 可 抑 制 精 子 获 能 和 P T P , 证 明 道而产生 。 B SA 在精子获能中起作用 ;由于 B SA 易被血清中的 酶 、激素等污染 ,因此 ,去除胆固醇是不是 B SA 的唯 一作用还不明确 ,对 B SA 的作用机制还有待研究 。 精子膜的超极化4 输卵管中除血清白蛋白外 ,还含有高密度脂蛋白 ,试 虽然对获能与精子膜电位变化之间关系的研究验高密度脂蛋白可直接诱导胆固醇外流 ,其效 [ 7 ] ,但是也已取得了可喜的突破 。Ze ng 较少 Y 等提果比 B SA 还强 。 ( 出精子获能伴随精子膜电位超极化 Hyp e rpola riza2 β随着对获能机制的深入研究 ,发现2环状糊精 ) tio n, 在 牛 和 小 鼠 中 膜 电 位 分 别 由 - 35 mV 和 能代替 B SA 引 起 精 子 膜 上 胆 固 醇 外 流 , 并 通 过 - 30 mV变到 - 50 mV 和 - 60 mV , 并且证实该变化 + 至少部分是 由 K外 流 引 起 的 ; Pat rat C 等 试 验 表 P KA/ cA M P 途径 增 加 P T P , 促 进 精 子 获 能 。Choi- μ明 ,在获能液中添加 10 mol/ L 孕酮引起 Cl 外流 ( ) βY U 等研究了 32甲基22环状糊精 MB CD对获能的 + 和 Na 内流 ,从而使精子膜去极化 ,随后精子膜复极 效应 ,证实 MB CD 与精子孵育 90 mi n 后 ,精子质膜 化 ,使膜电位低于静息电位水平 ,即发生超极化 ; 进 [ 5 ] 上未酯化的胆固醇流失高达 45 % ; Sha da n S 等也一步研究发 现 超极 化可 能 与顶 体反 应 中出 现 短 暂 表明 MB CD 引起胆固醇外流 、提高精子获能和诱导 2 + 2 + Ca内流和恢复 Ca通道有关 ,但是对于其机制研 15 k u 和 26 k u 两种蛋白发生 P T P 。 究还较少 ,目前还没有直接证据 。此外 , De ma rco I [ 8 ] + - A 等提出 ,在精子膜上存在 Na / H CO交换器 , 3 + - 精子细胞膜电位的超极化依赖于 Na 和 H CO,但 3 + - 是对于激活 Na / H CO交换器的上游信号还不清 3 3 活性氧的产生 楚 。 ( 试 验 证 实 活 性 氧 Reactive o xyge nsp ecie s , ) RO S的产生是精子获能过程中最早发生的事件之 - - 一 。获能过程伴随 O的产生 , O的产生在获能 2 2 2 + -5 Ca和 H CO 3 () 初期 孵育开始后 15 mi n,20 mi n较高 ,随后缓慢 2 + Ca 在获能中的作用目前倍受争议 ,一些研究 降低至较低水平 ,甚至比非获能精子水平还低 。而2 + 者认为获能过程中精细胞内 Ca 浓度不变 ,但是大 (且超氧化物歧化酶的延迟加 孵育开始后 30 mi n 和 2 + - 多数学者 认 为 该 过 程 中 精 细 胞 内 Ca 浓 度 增 加 ; ) 60 mi n 时加入不阻止精子获能 , 提示 O在获能 2 2 + Bal di E 等证实人精子在获能前 2 h 中 ,细胞内 Ca 初期就启动 精子 获能 ; L a mi ra nde E 等 证实 由 外源 μμ浓度从 70 mol/ L 增加到 250 mol/ L 。Cro ss N L 性黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶产生的超氧化物阴离子能 2 + [ 6 ] 等认为 Ca 在获能中的作用是通过刺激 A C 的合成 引起人精子超激活和精子获能 ; Rivli n J 等也表明 2 + 来增加 cA M P 的合成 ,而 Wa sco W M 则认为 Ca ( HO能 激 活 腺 苷 酸 环 化 酶 A de nylat e cycla se , 2 2 ) 能通过 cA M P 环核苷酸磷酸酶来降解 cA M P 的合 A C,促进 cA M P 的生成 ,导致 P T P 。RO S 在精子 成 ,这两种 认识 在 人和 小鼠 分 别 得 到 了 证 实 ; 此 外 获能中的作用具有剂量依赖性特点 ,低剂量 RO S 对 [ 9 ] 2 + - - 精子获能是必须的 ; O、HO及 O H 皆可启动精 Ba ke r M A 等 认为细胞内 Ca 的增加抑制细胞 2 2 2 2 + 内 A T P 的利用 , 从而妨碍 P T P 。Ca作 用 的不 同 子获 能 , L i n S C 等 在 含 有 果 糖 的 获 能 液 中 添 加 2 + 0 . 025 mmol/ L ,5 mmol/ L 的 HO,结果表明浓度 2 2 认识 ,原因 可 能 在 于 对 顶 体 反 应 中 Ca 作 用 的 不 2 + 同 ,以及研究 Ca作用和相关事件的复杂性 。 为 0 . 3 mmol/ L 的 效 果 最 好 , 当 浓 度 超 过 - H CO不仅 能 调 节 精 子 膜 电 位 , 还 能 够 刺 激3 0 . 3 mmol/ L 时不利于受精 ,这是由于精子中含有大 A C 的 合成 , 从 而促 进 cA M P 的 生成 ; Da Ro s V G 量不饱和脂肪酸和低的抗氧化酶 ,从而对氧化作用 李东全等 :哺乳动物精子获能的分子机制 15 [ 10 ] - 等表明在获能和受精过程中 , H CO通过 cA M P理诱导剂可能与体内获能的生理诱导剂是通过不同 3 - 的生成对 P T P 起作用 。虽然对 H CO的作用都有 ,因此 ,体内获能的机制还 的信号转导途径发挥作用 3 - 这种认识 ,但是对于 H CO进入精子的方式以及这 有待进一步研究 。 3 种激活作用的机制目前还不清楚 ,有待通过进一步 参考文献 :研究 。 [ 1 ] Francoi se U , Denny S. Prot ei n p ho sp ho r ylatio n i n ma mmalia n sp er matozoa [J ] . Rep ro d ,2003 ,125 :17226 . 6 葡萄糖 、孕酮和肝素 [ 2 ] Heat h E , Ru ssel C ,Ait ken J . Tyro si ne p ho sp ho r ylatio n of H SP2 现已表明 ,在小鼠 、人 、猪等动物的精子获能过 90 duri ng ma mmalia n sper m cap acit atio n [ J ] . Biol Rep ro d , 程中 ,都需要葡萄糖参与 。在受精过程中 ,精卵融合 2003 ,69 : 180121807 . 能导致 卵 母 细 胞 内 雌 雄 原 核 的 融 合 , Fra ncoi se U Do r val V , Dufo ur M , L eclerc P . Regulatio n of t he p ho sp ho t y2 [ 3 ] [ 11 ] 2 + ro si ne co nt ent of human sper m p ro t ei n s by i nt racell ula r Ca: 等表明 葡 萄 糖 在 精 卵 融 合 过 程 中 起 关 键 作 用 。 2 + role of Ca 2adeno si ne t rip ho sp hat a se s [ J ] . Biol Rep ro d , 2002 , 在人和小鼠精子获能过程中 ,均已证实葡萄糖代谢 ( ) 67 5:153821545 . 参与了 P T P 过程 ;不过 ,对此也有不同的观点 ,一些 [ 4 ] Vi sco nti P E , Gala nti no ho mer H , Moo re G D ,et al . The molec2 研究者认为葡萄糖可通 过影 响 cA M P 代谢 和 降低 ( ) ula r ba si s of sp er m cap acit atio n [ J ] . J A ndrol , 1998 , 19 12 : p H 的机制抑制肝素诱导的牛精子获能 ,与获能相关2422248 . 的 P T P 也 受 葡 萄 糖 的 抑 制 , Ait ke n R J 等 实 验 表 Shadan S , J a me s P S , Ho wes E A ,et al . Chole st erol eff l ux al2 [ 5 ] 明 ,在人精子获能过程中 ,阻断 RO S 的产生 ,则精子 t er s lipid raf t st a bilit y a nd di st ri butio n duri ng capacit atio n of 不能完成获能 。因此 ,葡萄糖与获能的关系如何 ,尚 ( ) boar sp er matozoa [J ] . Biol Rep ro d ,2004 :71 1:2532265 . 待进一步研究 。 [ 6 ] Rivli n J . Mendel J , Rubi nst ei n S. Role of Hydro gen p ero xide i n 几乎所有的实验都证明由卵丘细胞分泌的孕酮 sp er m capacit atio n a nd acro so me reactio n [ J ] . Biol Rep ro d , ( ) Pro ge st ero ne和卵泡液内的孕酮都能诱发顶体反 2004 , 70 : 5182522 . 应 。Li ber sky M 等证实孕酮影响人精子 获能 , Isa2 [ 7 ] Zeng Y , Cla r k E N , Flo r ma n H M. Sp er m me mbra ne pot ential : [ 12 ] belle T 等指出孕酮能诱发牛精子发生顶体反应 , hyperpola rizatio n duri ng cap acitio n regulat es zo na pell ucide2de2 但不能诱 导牛 精 子获 能 。孕 酮 的 这 种 作 用 可 能 与 p endent acro so mal secretio n [ J ] . Develo Biol , 1995 , 171 : 5542 2 + Ca内流有关 , Pa ri na nd J 等表明孕酮可激活人精 563 . 2 + 子 Ca内流 ,引起细胞内 cA M P 水平上升和蛋白酪 [ 8 ] De ma rco I A , Espi no sa F , Edwa r ds J , et al . Invol ve ment of a 氨酸磷酸化 ,从而促进获能速率的完成 。Sha h C 等 + - Na / HCO co t ra n spo rt er i n mo u se sp er m capacit atio n [ J ] . 3 表明孕酮是通过顶体膜上的孕酮受体发挥作用 ,在 ( ) J Boil Chem ,2003 ,278 9:700127009 . 顶体膜 上 有 不 同 类 型 孕 酮 受 体 , 在 人 精 子 中 通 过 [ 9 ] Ba ker M A , Het heri ngto n L , Ecro yd H , et al . A nal ysi s of t he 2 + 2 + Ca通道诱导 Ca内流 。虽然对于孕酮在获能中 mecha ni sm by w hich calci u m negativel y regulat e s t he t yro si ne 的作用研究较多 ,但是 ,主要集中在小鼠和人上 ,在 p ho sp ho r ylatio n ca scade a ssociat ed wit h sp er mcap acit atio n [J ] . 其他动物精子获能中研究较少 。 J Cell Sci ,2004 , 117 : 2112222 . 肝素是硫酸化程度最高的氨基多糖 ,被认为是 Da Ro s V G , Munuce M J , Co hen D J , et al . Bica r bo nat e i s [ 10 ] 最接近体内获能的生理性方法 。肝素诱导获能的机 requi red fo r migratio n of sp er m epididymal p ro t ei n D E [ 13 ] 2 + 理是: ?促进精细胞内 Ca浓度 、cA M P 含量升 ( ) CR ISP21 to t he equato rial segment a nd exp re ssio n of rat 高 ?去除吸附于精子膜上阻碍获能的精浆蛋白 。 sp er m f u sio n a bilit y [J ] . Biol Rep ro d ,2004 , 70 : 132521332 . 精子获能机制的研究虽已取得了一些进展 ,但 [ 11 ] Greet F U , Sa k ka s D. Prot ei n Tyro si ne Pho sp ho r ylatio n i n 尚有一些问没有解决 ,例如 ,蛋白酪氨酸磷酸化的 sp er m duri ng ga met e i nt eractio n i n t he mo u se : t he i nfl uence 增加是否代表获能的完成 , RO S 作用的靶向位点的 gl uco se [J ] . Biol Rep ro d ,2001 ,64 :135021357 . 确切位置 ,葡萄糖与获能的关系 。此外 ,目前对获能 [ 12 ] Isa belle T ,p ut t a swa my M . Eff ect of p ro gen st ero ne o n bo vi ne 的研 究 多 是 在 体 外 完 成 , 研 究 过 程 中 所 使 用 的 药 sp er m cap acit atio n a nd acro so me reactio n [ J ] . Biol Rep ro d , 2003 ,69 : 140821415 . [ 13 ] Nat hal y C ,J a nice L B . A Diff erential Mecha ni sm Is Invol ved Duri ng Hepa ri n2 a nd Cr yop re ser vatio n2Induced Cap acit atio n of Bo vi ne Sp er matozoa [J ] . Biol Rep ro d , 2003 ,69 : 1772185 . () 动物医学进展 ,2005 ,26 8:16218 Pro gre s s i n Vet e ri na r y Me dici ne 肾上腺与肾脏交感神经低级中枢及外周神经元定位研究进展 1 31 ,2 英李 奎,刘 ()1 . 甘肃农业大学动物医学院 ,甘肃兰州 730070 ; 2 . 河南农业大学牧医工程学院 ,河南郑州 450002 () 中图分类号 : S852 . 15 文献标识码 : A 文章编号 :100725038 20050820016203 官上的运动神经部分 ,由于其具有相对的自主性 ,故 :交感神经 是植物性神经系统的 重要要 摘 又称其为自主神经 。植物性神经包括交感神经和副 组成部分 。人们采 用不同的研究方法 , 如 染 交感神经 ,是神经系统的重要组成部分 。关于交感 质溶解法 、H R P 法 , 对交感神经低级中 枢位 神经低级中枢及外周神经元的位置 、结构和功能 ,神 经解剖学和生理学的学者们进行了很多研究 ,尤其 置即交感节前神经元定位和交感神经的外周 ( ) 是一些新技术如 H R P 逆行追踪技术 H R P 法的应 神经元即交感节后神经元定位进行了广泛和 用 ,使得人们对交感神经结构和功能的研究有了很 深入的研究 。结果 表明 , 交感节前神经 元 位 大进展 。交感神经高级中枢在大脑 ,次级中枢在丘 脑 ,而低级中枢一般认为位于胸腰段脊髓灰质外侧 于胸腰段脊髓中间 带区的不同核团内 , 支配 柱 。由于交感神经低级中枢至外周器官的神经支配 不同器管的交感节前神经元在脊髓内有一定 需要两个神经元 ,故其低级中枢内的神经元称交感 的分布节段 ; 交感 节后神经元位于外周 植物 节前神经元 ,而其外周神经元称交感节后神经元 。 性神经节内 , 如交感干神经节 、腹腔神经 节 、 肠系膜前神经节 、主动脉肾神经节 ,支配不同 交感神经低级中枢定位1 器官的交感节后神经元在不同交感干神经节 人们采用逆行溃变染质溶解法 、H R P 法等方法 内有一定的分布节段 。 研究了交感节前神经元的位置 、分布及形态结构 ,观 关键词 : 交感节前神经元 ; 交感节后神经 元 ;察到交感节前神经元不仅分布于胸腰段脊髓灰质外 脊髓 ;神经节 ;定位侧柱 ,还分布于脊髓灰质中间带区的其他区域内 。 植物性神经是指分布于内脏 、心血管 、腺体等器 收稿日期 :2005204218 () 作者简介 :李 奎 1963 - ,男 ,副教授 ,博士研究生 ,主要从事动物解剖学和组织学教学和研究 。 3 通讯作者 Molecular Mechan ism of Ma mmal ian Sperm Ca pac itat ion L I Do ng2qua n ,L U O Gua ng2bi n , Z HA N G Xiao2h ua , YU A N Sh ui2qiao , Z H U Ze ng2j ua n ( )Col le ge o f A ni m al S cience S hen y an g A g ric ul t u ral U ni ve rsi t y , S hen y an g , L i aoni n g , 110161 , Chi na Abstract :Cap acit atio n i s a n i mpo r t a nt p hysiolo gical p rerequi sit e befo re t he sp er m cell ca n react wit h t he ac2 ro so me a nd f e rtilize t he oocyt e . The molec ula r mec ha ni sms of cap acit atio n a re too co mp le x , but ma ny re2 po rt s ha ve doc ume nt e d t hat t he cap acit atio n i s regulat ed by t he activatio n of cell ula r si gnali ng p at hways. Alt ho ugh t he molecula r mec ha ni sms of cap acit atio n a re no t co mp let el y el uci dat e d , ma ny st udie s have de m2 o n st rat e d a n i nvol ve me nt of numero u s st r uct ural a nd bioc he mical mo dificatio n s i n sp er matozoa ,i ncl udi ng p ro t ei n t yro si ne p ho sp ho r ylatio n , chole st e rol eff l ux f ro m sp e r m p la sma me mbra ne , ge ne ratio n of reactive o xyge n sp ecie s a nd hyp e rpola rizatio n of sp e r m p la sma me mbra ne , w hic h a re helpf ul to p ro mo t e cap acit a2 2 + - tio n . Mo reo ver ,Caa nd H COca n regulat e t he level of cA M P to i mp ro ve cap acit atio n . A s t he i mpo r t a nt3 co mpo ne nt s ,gl uco se 、p ro get ero ne a nd hep a ri n al so p ro mo t e cap acit atio n i n diff ere nt wa ys. Thi s a rticle re2 view s t he se a sp ect s a nd p ro sp ect s t he re sea rch di rectio n of cap acit atio n . Key words :sp e r m cap acit atio n ;p ro t ei n t yro si ne p ho sp ho r ylatio n ;c hole st erol eff l ux ; reactive o xyge n sp ecie s ; hyp erpola rizatio n