钙离子与精子功能

第 12卷 　第 10期 中华男科学杂志 Vol. 12　No. 10 2006年 10月 National Journal of Andrology Oct. 2006 ·综 述 · 钙离子与精子功能 张红国 1 　综述 ; 段晓刚 1 , 刘睿智 2 　审校 (1. 东北师范大学生命科学学院 , 吉林 长春 130024; 2. 吉林大学基础医学院细胞生物学教研室 , 吉林 长春 130021) 摘要 : 钙离子是生物体内重要的阳离子 ,虽然钙离子在精子中的调控作用还不清楚 ,但近些年来有关钙离子在精子 中的功能不断有新的报道 ,如钙离子参与精子的发生 ,是精子运动的调控者 ,精子获能的参与者 ,还是顶体反应的 第二信使。现对钙离子与精子功能间的关系进行综述。 关键词 : 钙离子 ; 精子功能 ; 调控 ; 不育 中图分类号 : Q582; R321. 1　　文献标识码 : A　　文章编号 : 100923591 (2006) 010209332003 Ca2 + and Sperm Function ZHANG Hong2guo1 , DUAN Xiao2gang1 , L IU Rui2zhi2 1. School of L ife Science, N ortheast N orm al U niversity, Changchun, J ilin 130024, Ch ina; 2. D epartm en t of Cell B i2 ology, School of B asic M edica l Sciences, J ilin U n iversity, Changchun, J ilin 130021, Ch ina Correspondence to: L IU R ui2zh i, E2m a il: L rz420@126. com Abstract: Ca2 + is an important positive ion in the living body. Recently, there have been quite a few reports about the function of Ca2 + in sperm. Calcium is considered as a regulator of sperm motility, a participant in sperm capacitation, and an essential second mes2 senger for acrosome reaction. This paper reviews the relationship of Ca2 + with sperm function. 　N a tl J A ndrol, 2006, 12 (10) : 9332935 Key words: Ca2 + ; sperm function; regulation; infertility 　　在精子发生、成熟、获能等过程中 ,钙离子发挥 重要作用 ,它是精子运动的调控者 ,获能的参与者 , 顶体反应的第二信使 [ 1 ]。Meseguer等 [ 2 ]研究明 细胞内钙离子浓度直接与精子形态和生育潜力密切 相关 ,是精子质量的重要标志之一。近几年 ,钙离子 与精子功能关系的报道越来越多 ,现对钙离子与精 子功能方面的研究进展作一综述。 1　精子发生时期钙离子的作用 研究表明在哺乳动物精子发生过程中钙调蛋白 表达明显增强 ,表明了钙离子参与了精子发生的调 控 [ 3 ]。精子发生过程受多个蛋白质相互作用调节 , 这些蛋白质多数与钙离子有直接或间接联系。如 : 与热休克蛋白有相似组成的钙调蛋白偶联蛋白复合 体 (CaM 2binding p rotein comp lex, CaMBP) ,在粗线期 精母细胞的细胞质和圆形精子核中能与钙调蛋白局 部结合。CaMBP高水平地定位在拉长精子细胞的 残余小体中 [ 4 ]。 钙激活中性蛋白酶 (Calpain)是一类钙离子依 赖的半胱氨酸蛋白酶家族 ( cysteine p roteases) ,其成 员广泛表达 ,已被证实调节特异性钙离子依赖性过 程 ,包括细胞融合、有丝分裂和减数分裂。Calpain 是有多个亚基的多功能蛋白酶 ,作为一个效应器 ( effector) ,在精子发生和受精多个环节中发挥作 用。在刚进入减数分裂的精母细胞中 Calpain1表达 水平就略有上升。Calpain1和 Calpain2的异构体在 ·339· 收稿日期 : 2005212214; 修回日期 : 2006203214 基金项目 : 吉林省科技厅资助课题 (20030433) 作者简介 : 张红国 (19772) ,男 ,河南延津县人 ,硕士研究生 ,从事细胞生物学及生殖医学研究。 通讯作者 : 刘睿智 , E2mail: L rz420@126. com 鼠的精子细胞中表达 ,定位在顶体帽上 ,这间接表明 了钙离子在精子发生过程中起作用 [ 3 ]。 2　钙离子与精子运动的关系 精子在附睾中获得运动能力 ,其运动主要依靠 尾部鞭毛。钙离子和钙离子依赖的信号对精子运动 调节起重要作用。 鞭毛内因子控制鞭毛运动 ,这些因子主要是钙 离子 ,钙离子负责鞭毛运动的对称性。钙离子调节 鞭毛内动力蛋白驱动的微管滑动 ;但钙离子信号又 受钙调蛋白 (CaM )和 CaM依赖性激酶调节 ;中心微 管和辐是钙离子信号通路的主要成分。鞭毛中钙离 子通过中心二微管和辐的复合体 (CP /RS)改变动力 蛋白臂的滑动 ,使鞭毛不停地摆动 [ 5 ]。 对海鞘类精子研究表明精子激活和吸引因子 ( sperm 2activating and 2attracting factor, SAAF)可诱导 钙离子内流 ,增加细胞内钙离子浓度 ,然后与 CaM 结合激活 CaMK (CaM 2dependent kinase II) ,激活的 CaMK促使膜超极化增加 cAMP,使精子运动激 活 [ 6 ]。提示精子开始具有运动能力需要几种物质 共同作用。 受精前精子的运动起始和激活 ,是由细胞外离 子环境中的物质所引起。细胞外信号通过精子膜特 殊离子通道或与膜受体结合 ,激活细胞内酪氨酸蛋 白、钙离子、循环核苷等信号转导途径 ,最终激活精 子运动 [ 7 ]。 Speract是一个来自海胆卵的精子激活缩氨酸 ( sperm2activating pep tide, SAP ) ,诱导精子多种反 应 ,包括一个细胞内钙离子浓度的瞬时增加 ,在调控 鞭毛运动中起重要作用。 Speract诱导精子弯曲度 的增加和改变鞭毛弯曲度使其不对称 ,表明 Speract 可直接调节鞭毛运动 [ 8 ]。 Speract诱导的海胆精子 尾部钙离子快速波动 ,与精子运动的调控相联系。 精子头部钙离子增加滞后于尾部钙离子的增加 ,表 现为随尾部信号转换事件的总和变化而变化。受刺 激的精子尾部有自发的细胞内钙离子瞬时变化 ,且 头部滞后于尾部 ,可能是一个信使在尾部周期性地 产生 ,扩散到头部。 精子尾部存在大量的质膜 CaM依赖性的钙离 子 ATP酶 (p lasma membrane calcium / calmodulin2de2 pendent calcium ATPase, PMCA ) ,该酶的基因缺失严 重削弱精子运动 ,导致不育。Schuh等 [ 9 ]用基因敲 除鼠实验表明 PMCA4对精子运动至关重要 ,但不 影响体外受精能力 ,认为 PMCA4可能调节精子功 能和细胞内钙离子水平。 3　钙离子与获能精子的超活化运动 精子超活化运动是获能精子的一种运动模式 , 是通过正常鞭毛运动的精子运动特征的一种形式 , 是哺乳动物受精所必需 ,亦是精子能使卵子受精的 首要必备条件。获能导致超活化运动精子产生。超 活化运动的精子改变了质膜蛋白质和糖蛋白成分 , 获得顶体反应能力。精子获能需要移去质膜上胆固 醇、蛋白质酪氨酸磷酸化。Munire等 [ 10 ]报道削弱超 活化运动精子可能与不育病理学相关 ,还发现不育 患者精子侧摆幅度 (ALH )与细胞内钙离子的增加 呈正相关。 CatSper家族蛋白是公认的精子鞭毛膜上特异 表达的离子通道。CatSper1蛋白对钙离子进入精子 引起去极化和精子超活化运动是不可缺少的。 CatSper1蛋白作为电压门控钙离子通道控制钙离子 进入 ,调节超活化运动精子运动 ,为受精做准备。 Quill等 [ 11 ]报道超活化运动精子受精 , CatSper2蛋白 是必需的。CatSper2蛋白缺陷导致精子细胞不能获 得超活化运动 ,不能受精。 棕榈酰乙醇胺 ( palm itoylethanolam ide, PEA )增 加细胞外部钙离子内流。 PEA 在受精时调节精子 某种生理功能 ,特别是 PEA在低精子运动参数的男 性中调节超活化运动精子的运动性 [ 12 ]。Okunade 等 [ 13 ]报道 PMCA4在精子尾部主段表达 ,对精子超 活化运动和男性生育必不可少。 4　钙离子在精子趋化行为中的作用 精子趋化现象是受精的一个重要步骤 ,卵细胞 释放的引诱剂形成一定的梯度 ,在这样的梯度中精 子改变它们的游动行为 [ 14 ]。 Resact是海胆精子引诱剂 ,能诱导精子内 pH 上升和钙离子流入 ,钙离子流入精子是趋化行为最 基本的特征 [ 14 ]。 cGMP是一种鞭毛弯曲度和直接运 动变化的调控者 ,诱导钙离子进入细胞至少有两个 途径 ,其中一种是尼莫地平 ( nimodip ine,一种钙通道 阻滞剂 )敏感的途径。鞭毛的弯曲程度与总的细胞 内钙离子不成比例变化 ,随尼莫地平敏感途径调节 钙离子流出而增加 [ 15 ]。 Bohmer等 [ 16 ]报道化学引诱剂或细胞内 cGMP 刺激海胆精子鞭毛中钙离子变化形成穗 ( sp ike)。 这些钙离子穗可引起精子运动轨迹的改变 ,多个钙 离子穗的顺序排列能引起精子进行反复的环行运 动。当精子在一个浓度梯度的引诱剂中游动时 ,钙 离子穗和刺激物的功能是同步的 ,表明钙离子穗的 ·439· 中华男科学杂志 2006年 10月 　第 12卷 精确时相控制导航。 5　钙离子与顶体反应 顶体反应是一个钙离子依赖性胞吐过程 ,外界 钙离子通过电压门控钙离子通道进入细胞内是诱导 精子顶体反应不可缺少的条件。精子质膜去极化 , 钙离子通道打开 ,钙离子进入 ,诱导依赖钙离子的顶 体反应。 控制细胞内钙离子浓度机制在决定精子受精能 力方面起关键性作用。哺乳动物精子质膜和顶体膜 上已鉴定出多种钙离子通道 ,这些通道在精子运动 和顶体反应中均起重要作用。瞬间受体电位阳离子 通道 ( transient recep tor potential channel, TRPC)存在 于哺乳动物精子膜上 ,赋有透明带 23 ( ZP3)诱导的 钙离子内流驱使顶体反应。然而 ,控制通道活动性 和通过这些通道与钙离子相藕连的细胞内反应机制 还不清楚。有报道显示钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II (CaMKII)参与了精子获能和顶体反应 [ 17 ]。 除了顶体反应受钙离子诱导调控外 ,顶体反应 过程中钙离子变化也是非常重要的。哺乳动物精子 顶体包含一个高密度 1, 4, 5三磷酸肌醇 ( IP3 )受体。 IP3一方面与内质网特异性受体结合 ,激活钙库控制 性钙通道 ,并使其开放 ,内质网释放钙离子 ;另一方 面 IP3引起的细胞内钙浓度升高使受体对钙离子的 敏感性上升 ,增强钙离子通道的开放概率 ,促进钙离 子的进一步释放 [ 18 ]。孕酮诱导的顶体反应包含两 次精子细胞内钙离子信号瞬时上升。Ozil等 [ 19 ]报 道进入卵细胞的总的钙离子信号是保证完成受精相 关事件的一个重要调控参数。 精卵受精结合形成受精卵时 ,钙离子也起关键 作用。精子细胞质蛋白因子 PLCζ是一个生理性激活 发育所必需的钙离子波动的诱发因子。受精时细胞内 游离钙离子的大量波动 ,从精卵结合点横穿到整个卵 细胞 ,表现为 IP3增加 , IP3使内质网释放钙离子 [20 ]。 有性生殖产生一个新生命需要雌雄配子间足够 的信息交流。离子通道是精子、精子所存在的环境 和卵细胞之间对话的工具。精子游到卵子周围并使 之受精受环境因素和卵细胞外层成分诱导的离子渗 透性变化调节。在这些信息交流过程中 ,钙离子可 能是一个主要的信使 [ 21 ]。有关钙离子的调控机制 还不完全清楚 ,有待于进一步深入研究。 参考文献 [ 1 ]　W ennemuth G, Babcock DF, H ille B. Calcium clearance mecha2 nism s of mouse sperm [ J ]. J Gen Physiol, 2003, 122 (1) : 1152 128. [ 2 ]　MeseguerM, Garrido N, Martinez2Conejero JA, et al. Relation2 ship between standard semen parameters, calcium, cholesterol contents, and m itochondrial activity in ejaculated spermatozoa from fertile and infertile males [ J ]. J A ssist Rep rod Genet, 2004, 21 (12) : 4452451. [ 3 ]　Ben2Aharon I, B rown PR, Etkovitz N, et a l. The exp ression of calpain 1 and calpain 2 in spermatogenic cells and spermatozoa of the mouse[ J ]. Rep roduction, 2005, 129 (4) : 4352442. [ 4 ]　Moriya M, Ochiai M, Yuasa HJ, et a l. Identification of Ca2 + 2 dependent calmodulin2binding p roteins in rat spermatogenic cells as comp lexes of the heat2shock p roteins[ J ]. Mol Rep rod Dev, 2004, 69 (3) : 3162324. [ 5 ]　Nakano I, Kobayashi T, YoshimuraM, et a l. Central2pair2linked regulation of m icrotubule sliding by calcium in flagellar axonemes [ J ]. J Cell Sci, 2003, 116 ( Pt 8) : 162721636. [ 6 ]　Nomura M, Yoshida M, Morisawa M. Calmodulin /calmodulin2 dependent p rotein kinase IImediates SAAF2induced motility acti2 vation of ascidian sperm [ J ]. CellMotil Cytoskeleton, 2004, 59 (1) : 28237. [ 7 ]　 Inaba K. Molecular architecture of the sperm flagella: molecules for motility and signaling[J ]. Zoolog Sci, 2003, 20 (9) : 104321056. [ 8 ]　Shiba K, Ohmuro J, Mogam i Y, et al. Sperm2activating pep tide induces asymmetric flagellar bending in sea urchin sperm [ J ]. Zoolog Sci, 2005, 22 (3) : 2932299. [ 9 ]　Schuh K, Cartwright EJ, Jankevics E, et a l. Plasma membrane Ca2 + ATPase 4 is required for sperm motility and male fertility [ J ]. J B iol Chem, 2004, 279 (27) : 28220228226. [ 10 ]　Munire M, Shim izu Y, Sakata Y, et a l. Impaired hyperactivation of human sperm in patients with infertility [ J ]. J Med Dent Sci, 2004, 51 (1) : 992104. [ 11 ] 　Quill TA, Sugden SA, Rossi KL, et a l. Hyperactivated sperm motility driven by CatSper2 is required for fertilization [ J ]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003, 100 (25) : 14869214874. [ 12 ]　Ambrosini A, Zolese G, Ambrosi S, et a l. Idiopathic infertility: effect of palm itoylethanolam ide ( a homologue of anandam ide) on hyperactivated sperm cell motility and Ca2 + influx [ J ]. J An2 drol, 2005, 26 (3) : 4292436. [ 13 ]　Okunade GW , M iller ML, Pyne GJ, et a l. Targeted ablation of p lasma membrane Ca2 + 2ATPase ( PMCA ) 1 and 4 indicates a major housekeep ing function for PMCA1 and a critical role in hy2 peractivated sperm motility and male fertility for PMCA4 [ J ]. J B iol Chem, 2004, 279 (32) : 33742233750. [ 14 ]　Solzin J, Helbig A, Van Q, et al. Revisiting the role of H + in chemotactic signaling of sperm [ J ]. J Gen Physiol, 2004, 124 (2) : 1152124. [ 15 ]　Wood CD, N ishigaki T, Furuta T, et al. Real2time analysis of the role of Ca (2 + ) in flagellar movement and motility in single sea urchin sperm [ J ]. J Cell B iol, 2005, 169 (5) : 7252731. [ 16 ]　BohmerM, Van Q, W eyand I, et a l. Ca2 + sp ikes in the flagel2 lum control chemotactic behavior of sperm [ J ]. EMBO J, 2005, 24 (15) : 274122752. [ 17 ] 　 Ito J, Kawano N, H irabayashi M, et al. The role of calcium / calmodulin2dependent p rotein kinase II on the inactivation of MAP kinase and p34cdc2 kinase during fertilization and activa2 tion in p ig oocytes[ J ]. Rep roduction, 2004, 128 (4) : 4092415. [ 18 ]　李　路 ,刘继红. 钙通道拮抗剂作用机制及其对人类精子的 影响 [ J ]. 中华男科学 , 2003, 9 (9) : 7002703. [ 19 ]　Ozil JP, Markoulaki S, Toth S, et a l. Egg activation events are regulated by the duration of a sustained [ Ca2 + ] cyt signal in the mouse[ J ]. Dev B iol, 2005, 282 (1) : 39254. [ 20 ]　Fall CP, W agner JM, Loew LM, et a l. Cortically restricted p ro2 duction of IP3 leads to p ropagation of the fertilization Ca2 + wave along the cell surface in a model of the Xenopus egg[ J ]. J Theor B iol, 2004, 231 (4) : 4872496. [ 21 ]　Darszon A, N ishigaki T, Wood C, et a l. Calcium channels and Ca2 + fluctuations in sperm physiology[ J ]. Int Rev Cytol, 2005, 243: 792172. (夏欣一 　编发 ) ·539·第 10期 　　张红国 等 　钙离子与精子功能