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附睾氧化应激研究进展

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附睾氧化应激研究进展 NJA 中华男科学杂志           N ationa l Journa l of A ndrology     Zhonghua Nan Ke Xue Za Zhi     2009, 15 (2) : 1612164 http: / /www. androl. cn M in i Review ·综 述 · 附睾氧化应激研究进展 刘 新 综述 ; 李建远 审校 (烟台毓璜顶医院中心实验室 , 山东省干细胞工程技术研究中心 , 山东 烟台 264000) 摘要 : 附睾是男性生殖系统的重要器官之一 ,负责精子...
附睾氧化应激研究进展
NJA 中华男科学杂志           N ationa l Journa l of A ndrology     Zhonghua Nan Ke Xue Za Zhi     2009, 15 (2) : 1612164 http: / /www. androl. cn M in i Review ·综 述 · 附睾氧化应激研究进展 刘 新 综述 ; 李建远 审校 (烟台毓璜顶医院中心实验室 , 山东省干细胞工程技术研究中心 , 山东 烟台 264000) 摘要 : 附睾是男性生殖系统的重要器官之一 ,负责精子的成熟、转运和储存。附睾功能的实现依赖于其旺盛的生理 活性 ,因而自由基的产生不可避免。自由基过度积累势必造成附睾氧化应激 ,精子质膜及其 DNA发生氧化损伤 , 极大影响精子运动和受精能力的获得 , 从而造成男性不育。本文对附睾氧化应激在能量代谢、炎症反应等过程中 的产生机制和超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶、吲哚胺双加氧酶、还原性谷胱甘肽及硫氧还蛋白 等物质的抗氧化作用进行了综述 ,以期为男性不育症的有效预防、诊断和治疗提供新思路。 关键词 : 附睾 ; 氧化应激 ; 男性不育 ; 抗氧化剂 中图分类号 : R339. 2 + . 1; R698 + . 2  文献标识码 : A  文章编号 : 100923591 (2009) 0220161204① Upda te of the Stud ies on Ep id idyma l O x ida tive Stress L IU Xin, L I J ian2yuan S handong Province R esearch Center for S tem Cell Eng ineering /Cen tra l L abora tory, Yan ta i Yuhuangd ing Hospita l, Yan ta i, S handong 264000, Ch ina Abstract: The ep ididym is is an important organ in the male genital system, which is responsible for the maturation, transportation and storage of spermatozoa. The p roper function of the ep ididym is is closely related with its robust physiological metabolism, and free radi2 cals are inevitably p roduced as a consequence. An excess of free radicals would lead to the oxidative stress of the ep ididym is, damage the sperm membrane and DNA, seriously affect sperm maturation and result in male infertility. This article reviews the mechanism of ep ididymal oxidative stress in energy metabolism and inflammatory reaction as well as the roles of superoxide dismutase, catalase, glu2 tathine peroxidase, indoleam ine 2, 3 dioxygenase, glutathione and thioredoxin in the antioxidant p rocess, offering a new insight into the p revention, diagnosis and treatment of male infertility.  N a tl J A ndrol, 2009, 15 (2) : 1612164 Key words: ep ididym is; oxidative stress; male infertility; antioxidant Correspondence to: L I J ian2yuan, E2mail: sdscli@126. com Received: August 18, 2008; accep ted: November 20   附睾是一个卷曲的管道 ,附着于睾丸的背面 ,从 组织观形态可分为头部、体部和尾部 ,其头部通过 输出小管和睾丸相连 ,而其尾部和输精管相通。附 睾在不同区段能够分泌和重吸收多种物质 ,而这些 物质帮助精子获得运动、识别卵子和受精等能力 ,即 精子成熟 [ 1 ]。附睾旺盛的生理代谢必然伴随着自 由基的产生 ,如未能得到及时清除而过多积累 ,就会 造成氧化损伤 ,即氧化应激。在附睾中 ,自由基可以 直接氧化损伤精子质膜 ,降低了精子的运动性以及 精卵融合能力 ,并破坏精子 DNA的完整性 ,引起遗 ·161· ① 收稿日期 : 2008208218; 接受日期 : 2008211220 作者简介 : 刘 新 (19792) ,男 ,山东文登市人 , 副教授 ,博士 , 从事蛋白质组学研究。E2mail: dkgha@126. com 通讯作者 : 李建远 , E2mail: sdscli@126. com 传缺陷 ,最终导致男性不育 [ 2, 3 ]。因此 ,本文针对氧 化应激的发生机理及附睾的抗氧化策略进行综述 , 以期为人们进一步了解附睾功能和因附睾功能异常而 引起的男性不育症的预防诊断和治疗提供新的方向。 1 氧化应激本质及在附睾中形成的生化机制 氧化应激发生的本质是机体内自由基产生系统 和自由基清除系统失衡。通常自由基被定义为一个 氧分子在其原子或者分子轨道上含有一个或者更多 个未配对的电子。生物体内自由基由活性氧自由基 (ROS)和活性氮自由基 (RNS)两部分构成 ,他们都 是细胞正常代谢的产物。ROS的主要形式是含有 一个未配对电子的氧分子 (O2 )的超氧阴离子自由 基 (O2 · ) ,此外还包括羟基自由基 (OH· )、过氧基 (ROO· )和过氧化氢 (H2 O2 )。由氮衍生的自由基 组成 RNS,包括氧化亚氮 (NO· )、二氧化氮 (NO2 · ) 和过氧亚硝酸盐 (ONOO - )。体内自由基生成过程 相互关联 ,如加氧酶催化 O2转变为 O2 · ; O2 ·在超氧 化物歧化酶 ( SOD)催化下生成 H2 O2 ; O2 ·和 H2 O2与 过渡金属铁 ( Fe)可以发生 Fenton或 Haber2W eiss反 应生成 OH·和 O2 ;而且 O2 ·也可以与 NO·反应生 成 ONOO - [ 4 ]。 在正常生理条件下 ,附睾环境中的自由基主要 有 3个方面的来源 ,一是附睾组织自身 [ 5 ] ,二是精 子 [ 6 ] ,三是附睾管腔中的白细胞 [ 7 ]。自由基来源于 细胞代谢 ,氧化磷酸化是细胞能量代谢的基础 ,最终 通过一系列的氧化还原反应生成能量。由于电子得 失是氧化还原反应的本质 ,所以在复杂的电子传递 和有机化合物共价键断裂、生成过程中 ,含有未配对 电子的自由基产生成为必然。例如 O2完全还原为 H2 O需要 4个电子 ,如果未能得到足够的电子 ,则形 成 O2 ·。因此附睾组织细胞内的还原型小分子物 质 :氢醌、儿茶酚胺、巯基、黄素、四氢叶酸以及单糖 在氧化过程中都可以产生自由基。细胞质中的加氧 酶例如黄嘌呤加氧酶、黄素蛋白脱氢酶也能够产生 O2 · ,然后衍生为 H2 O2和 OH - 。线粒体是能量发生 的主要场所 ,同时也是自由基产生的主要来源。 Dawson等 [ 8 ]用化学缺氧模型证实 O2 ·在线粒体的 产生部位主要是呼吸链中复合物 Ⅲ (辅酶 Q2细胞色 素 C氧化还原酶 )并将其到释放至细胞中。 St2Pi2 erre等 [ 9 ]的研究表明电子在线粒体内氧化呼吸链传 递过程中 ,多个呼吸链复合物能产生 H2 O2。此外 , 过氧化物酶体和内质网等细胞器也能够产生自由 基。对于精子 ,其线粒体也是自由基产生的主要来 源 ,而另外一个自由基产生来源与定位于精子质膜 的烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸 (NADPH )氧化酶相 关 [ 10 ]。BÀnfi 等 [ 11 ] 研究发现 , 精子质膜上一种 NADPH氧化酶的类似物 ———NADPH 氧化酶 5,与 精子内活性氧自由基的产生有关。NADPH氧化酶 在参与免疫炎症反应的吞噬细胞和 B淋巴细胞中 特异表达。吞噬细胞中的 NADPH氧化酶催化氧生 成 O2 ·。NADPH氧化酶由 5个亚基组成 , 2个分布 在质膜上 ,另外 3个亚基存在于细胞质中。在静息 的吞噬细胞中 ,该酶以非组装的无活性状态存在 ,而 在外界刺激下 ,胞质亚基和质膜亚基装配成全酶发 挥活性作用。在活性与非活性的转化过程中受到多 种因子调控 ,而这种复杂的调控机制对于该酶在免 疫反应发生时维持高活性状态是非常必要的。 此外 ,如果附睾受到电离辐射、光辐射、炎症反 应、氧化酶或加氧酶异常激活 ,电子呼吸链传递被扰 乱 , Fenton或 Haber2W eiss反应加剧 ,抗氧化能力丧 失 ,药物代谢产生的化学毒物等方面的影响 ,就会造 成自由基代谢异常 ,此时自由基的产生速度远超过 自由基的清除速度 ,氧化和抗氧化系统失衡 ,倾向于 氧化 ,造成附睾氧化损伤 ,破坏精子成熟过程 ,严重 影响男性生育能力 ,因此如何维持附睾环境中自由 基平衡成为关注焦点。 2 附睾抗氧化应激策略 附睾内自由基的产生是客观的 ,对于维持附睾 生理活动也是必须的。低浓度的自由基可以通过调 节蛋白质的磷酸化和去磷酸化、转录因子激活和 Ca2 +浓度而介导细胞信号转导 ,较高浓度的 ROS可 以消灭附睾内病原体 [ 12 ] ; 对于过度积累的自由基 , 附睾中的抗氧化物质可对其进行清除 ,以维持氧化 和抗氧化系统的平衡 ,为精子的成熟提供最适宜的 微环境。这些抗氧化物质包括 : 具有酶活性的 SOD、过氧化氢酶 ( CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶 ( GPX)、吲哚胺双加氧酶 ( IDO )和非酶类的还原性 谷胱甘肽 ( GSH )、硫氧还蛋白 ( Trx)、维生素 C (VC)、维生素 E (VE)、β2胡萝卜素和硒等。 2. 1 SOD O2和 NADPH在 NADPH氧化酶催化下 生成 O2 · ,而 SOD又催化 O2 ·变成 H2 O2 [ 13 ]。哺乳 动物中 SOD有 3种同工酶形式 ,分别是存在于细胞 质的铜锌 SOD、存在于线粒体的锰 SOD和存在于细 胞外的胞外 SOD。胞外 SOD结构类似铜锌 SOD ,其 金属辅助因子仍然是铜和锌。胞外 SOD是在肺中 首先发现 ,研究表明在附睾中表达水平高 ,同时在睾 丸中的生精小管也有表达。线粒体中的锰 SOD可 ·261· 中华男科学杂志 2009年 2月  第 15卷 在多种氧化应激和炎症条件下诱导 ,其基因的转录 激活受核因子κB调控 [ 14 ]。线粒体呼吸链上大多数 电子可以通过色素氧化酶传递给 O2 ,生成 H2 O。但 是仍有 1% ~2%电子从呼吸链中泄露直接传递给 O2 ,生成 O2 ·。此时线粒体中的锰 SOD将 O2 ·继续 还原。实验证明锰 SOD缺失会导致小鼠严重的心 血管损伤并在出生后很快死亡 [ 15 ]。但是也有研究 表明锰 SOD高水平表达会导致雄性小鼠不育 [ 16 ]。 原因可能为尽管锰 SOD可以催化 O2 · ,高活性的锰 SOD导致 H2 O2的过度积累 ,同样造成氧化应激的发 生 ,因此可以看出自由基的清除仅仅依靠单一的 SOD是不够的 ,需要多种抗氧化物质的协同作用。 2. 2 CAT SOD催化底物产生 H2 O2 ,而 H2 O2的继 续还原依赖于含有铁卟啉辅基的 CAT,生成 H2 O和 O2 [ 17 ]。研究表明在人和大鼠的精子中存在低浓度 的 CAT[ 18 ] ,也有报道在兔、小鼠精子中并没有检测 到 CAT,而在他们的精液中发现高浓度的 CAT[ 19 ]。 尽管如此 ,附睾或精液环境中 CAT的存在还是被公 认的 ,并在附睾上皮以及除精囊外其他雄性生殖腺 中表达。H2 O2是 CAT的专一性底物 ,当 H2 O2的浓 度超过 10 - 6 mol/L时 , CAT发挥高效的水解作用 ,这 对氧化应激发生具有重要的抑制作用。但是由于 CAT主要分布在过氧化物体中 ,而线粒体和内质网 中的 CAT很少 ,所以在这些细胞器产生的 H2 O2仍 需要其他过氧化物酶的参与进行降解。 2. 3  IDO  O2 ·经 SOD 催化后生成更强的氧化 剂 ———H2O2。该自由基具有很强的细胞穿透力 ,造 成不可逆的 DNA和质膜损伤 ,尽管上述的 CAT可 以清除产生的 H2 O2 ,但是 CAT的区域性分布影响 其作用发挥 ,因此需要寻找 O2 ·的其他代谢途经。 研究表明 , IDO能够催化 L型色氨酸和 O2 ·生成无 害的犬尿氨酸 ,然后犬尿氨酸可以被细胞快捷去除。 在附睾尾部 ,色氨酸的浓度几倍于血清中浓度 ,而附睾 头部中的色氨酸浓度更是外周循环系统的十几倍。因 此在附睾中 IDO的存在对于控制氧化应激水平 ,保证 精子成熟过程正常发生具有重要意义 [20 ]。 2. 4 GPX GPX家族成员很多而且分布很广 ,也是 自由基清除系统中重要一环 [ 21 ]。可以根据含硒与 否 ,分为硒依赖和非硒依赖的 GPX。含硒 GPX至少 有 4种同工酶。存在于细胞质的 GPX1在组织中广 泛分布 ,能够阻止细胞凋亡产生的氧化应激 ; GPX2 和 GPX3分布于肠胃和血浆中 ; GPX4在睾丸中高表 达并能够特异地催化磷脂过氧化氢还原。研究表 明 ,硒缺乏导致不育 ,可能原因为硒缺乏导致 GPX4 缺陷进而影响自由基的清除 ,最终引起不育。GPX4 基因敲除小鼠表现为胚胎在子宫内死亡 [ 22 ]。此外 GPX5作为一种非硒依赖的 GPX,同样在附睾抗氧 化中发挥重要作用。研究表明 GPX5在附睾中特异 表达并分泌到头部和尾部的附睾液中 ,随后 GPX5 能够结合到精子膜上 ,阻止精子质膜的过氧化 [ 23 ]。 2. 5 GSH GPX催化过氧化物反应依赖于 GSH提 供电子。GSH是一个 3肽分子 ,以还原型 ( GSH )和 氧化型 ( GSSG)两种形式存在 ,区别在于活泼巯基是 否被氧化而形成两分子间交联。GSH不仅可以作 为 GPX底物 ,而且可以直接为自由基的还原提供电 子 ,因此 GSH对于维持附睾微环境的还原态具有重 要意义。当 GSH被氧化成 GSSG时 ,生物体内提供 了 2条 GSH补充途经 ,一是从头合成 ,由谷氨酸、半 胱氨酸和甘氨酸在γ2谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘 肽合成酶的催化下生成 GSH;二是以 NADPH在谷胱甘 肽还原酶作用下还原 GSSG再生为 2分子 GSH[24 ]。 2. 6 Trx Trx是一个小分子的氧化还原蛋白 ,能够 为核酸还原酶提供电子 ,并能调控多种酶和基因的 转录激活因子 ,在细胞的生长、分化和死亡中发挥重 要的生理意义 [ 25 ]。研究表明 Trx基因敲除的小鼠 能导致胚胎死亡 [ 26 ]。在精子发生过程中 , DNA 复 制依赖于脱氧核酸 ,而脱氧核酸的供应依赖于高活 性的核酸还原酶 ,而核酸还原酶反应的进行依赖 Trx提供电子。和 GSH类似 , Trx同样可以直接为自 由基体提供电子 ,维持附睾环境中的还原态。当 Trx失去电子时 ,其分子内二硫键发生交联。氧化 型 Trx的再生也和 GSSG类似 ,需要 NADPH作为电 子供体 ,在硫氧还蛋白还原酶催化下进行还原。 2. 7 其他抗氧化物质  维生素 C、维生素 E、β2胡 萝卜素、辅酶 Q10、硒等物质都能够中和附睾自由 基 ,降低氧化应激发生风险 [ 27230 ]。脂溶性维生素 E 和水溶性维生素 C能够分别与质膜结合的磷脂 GPX和细胞质中的含硒 GPX作用 ,作为电子供体 , 参与自由基的清除。研究表明维生素 C可以增加 精子密度而维生素 E可以促进精子运动。硒是 GPX的必需成分 ,补充适当的硒元素能够提供 GPX 的活性。辅酶 Q10是氧化呼吸链中的电子传递体 , 辅酶 Q10的适当摄入能够减少自由基的生成。β2 胡萝卜素是维生素 A的前体 ,同样具有清除自由基 的能力。 3 小结 自由基在附睾中广泛存在 ,少量自由基对于细 胞信号转导、精子成熟、获能和受精具有重要意义 , ·361·第 2期   刘  新 等  附睾氧化应激研究进展 但是自由基产生过多会造成氧化应激 ,不仅可氧化 损伤辅助精子成熟的附睾分泌蛋白质 ,而且氧化附 睾中精子质膜的不饱和脂肪酸 ,影响质膜流动性 ,并 且损伤精子 DNA完整性 ,造成遗传缺陷 ,因而氧化 应激的发生严重影响精子在附睾中的成熟 ,是男性 不育的重要病因之一 ,所以维持附睾自由基产生系 统和自由基清除系统的平衡至关重要。对此 ,附睾 具有完整的抗氧化策略 ,涉及多种酶类和非酶类抗 氧化物质 ,这些抗氧化物质相互协调 ,互为补充 ,保 持附睾还原态水平。同时这些抗氧化物质可作为男 性不育患者诊断、治疗和药物开发的潜在靶标 ,也可 为男性新的避孕药的开发提供新的思路。尽管对于 附睾氧化应激的研究已取得不少成果 ,但是对于其 中自由基的产生机制、清除机制以及自由基引发的 精子损伤和发生终止机制仍然存在众多疑点 ,值得 在以后的科研中不断探究 ,最终为氧化应激和男性 不育的诠释和攻克奠定基础。 参考文献 [ 1 ] Sostaric E, AalbertsM, Gadella BM, et a l. 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