李 惠 張建芳綜述 王海燕 李建遠(yuǎn)*審校
·綜 述·
人類精液中的抗氧化防御系統(tǒng)
李 惠1張建芳2綜述 王海燕3李建遠(yuǎn)2*審校
1.煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院(264000);2.國家衛(wèi)生計(jì)生委科學(xué)技術(shù)研究所,男性生殖健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.山東省煙臺(tái)毓璜頂醫(yī)院
不孕不育是關(guān)系人類生殖繁衍的重要問題,影響到全世界約15%的夫婦,并且50%原因在于男性[1]。目前,我國人口形勢發(fā)生了較大變化,全面施行開放二孩政策。由于目前環(huán)境、生活壓力等問題突出,對男性生殖健康提出了新的挑戰(zhàn)[2]?;钚匝酰≧OS)引起的精子損傷是造成30%~80%男性不育的一個(gè)重要因素[3]。人體內(nèi)的ROS包括超氧化物(O2·-)、過氧化氫(H2O2)等[4]。人類男性精子中細(xì)胞代謝的有害副產(chǎn)物ROS含量過高是ROS過度產(chǎn)生和/或抗氧化防御系統(tǒng)能力降低的結(jié)果,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞損傷和細(xì)胞凋亡。在人類精子中,氧化應(yīng)激(OS)會(huì)降低精子功能,可致精子活力下降,受精率降低,造成男性不育[5]。精液中含有豐富的抗氧化劑,包括:精子中的抗氧化蛋白家族;精漿中三個(gè)重要的抗氧化酶:過氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶。非酶抗氧化劑主要存在于精漿中。因?yàn)榫雍休^少的細(xì)胞質(zhì),防御活性氧的能力較弱,所以精漿抗氧化劑對保護(hù)精子免受ROS損傷必不可少。本文將從精子和精漿兩大方面進(jìn)行綜述。
1.1 硫氧還蛋白
硫氧還蛋白(TRX)為一種小分子蛋白,是含有二硫鍵蛋白的重要還原劑,包括抗氧化蛋白家族[6]。與硫氧還蛋白還原酶(TRD)組成硫氧還蛋白/硫氧還蛋白還原酶(TRX/TRD)系統(tǒng),可以還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH),在還原二硫鍵和氧化還原信號監(jiān)控中起作用[7]。人類精子中存在TRX1、TRX2、TRD1、TRD2和硫氧化蛋白谷胱甘肽還原酶(TGR),這些都是還原氧化型TRXs的必要酶[1,8]。因此,人類精子中存在TRX/TRD系統(tǒng),在防御OS起重要作用。
1.2 谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶
谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)是一種抗氧化酶,參與谷胱甘肽(GSH)結(jié)合外源物質(zhì)和其他有毒化合物的反應(yīng),對細(xì)胞和器官解毒[9]。精子中含有多種GST同工酶,但并不是所有的酶都與精子質(zhì)量有關(guān),目前只有GST1與精子濃度降低有關(guān)。這兩者組成的GSH/GST系統(tǒng)對防御OS起重要作用。
1.3 抗氧化蛋白
抗氧化蛋白(PRDX)是一種酸性蛋白,分子量介于22~31kd,具有ROS清除劑和ROS-依賴型信號調(diào)節(jié)器的雙重作用。在PRDXs活性部位存在半胱氨酸(Cys),根據(jù)Cys的數(shù)目可將PRDXs分為2-Cys(PRDX1-5)和1-Cys(PRDX6),PRDXs分布不同,存在于人類精子各亞細(xì)胞區(qū)室中(細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜)[],至少有兩個(gè)家族成員出現(xiàn)在同個(gè)區(qū)室。PRDX6廣泛分布在人類精子所有亞細(xì)胞區(qū)室且是含量最豐富PRDXs同工酶,是唯一能與0.05mM H2O2反應(yīng)的成員[8]。
PRDXs中巰基氧化可使酶喪失活性,2-Cys PRDXs可通過TRX/TRD還原,1-Cys PRDXs通過GSH/GST還原,使PRDXs再活化[12]。然而,OS可使PRDX6磺化(蛋白質(zhì)過氧化的象征),磺化的PRDX6存在于精子過氧化形成的高分子復(fù)合物中,在不育男性精子中發(fā)現(xiàn)了這些復(fù)合物[8,13]。PRDX6基因敲除小鼠比野生鼠更容易受到氧化應(yīng)激損傷,導(dǎo)致精子的質(zhì)量和受精能力受損[14]。
1.4 精子中抗氧化酶協(xié)同發(fā)揮作用
PRDXs發(fā)揮作用必須有TRX/TRD系統(tǒng)、充足的NADPH和/或GSH[1]。人類精子中存在TRX和TRD,用來維持還原型PRDXs。在體內(nèi)可以通過兩個(gè)酶供應(yīng)NADPH:葡萄糖-6-磷酸(G6PDH)和異檸檬酸脫氫酶(ICDH),這兩種酶都存在精子細(xì)胞質(zhì)中[15]。精子中存在于少量的GSH[13]。當(dāng)缺乏足夠的NADPH作為還原劑時(shí),ROS使PRDXs過度氧化或者是TRX/TRD系統(tǒng)失活,這可能是高水平H2O2導(dǎo)致G6PDH失活的原因。NADP-ICDH也有相似的失活命運(yùn)。由于GSH含量有限,無法還原2-Cys PRDXs,使其過度氧化成磺化形式;因此,強(qiáng)烈的OS就有可能耗盡這些儲(chǔ)備,無法還原巰基氧化的PRDX6,使其過度氧化成磺化形式[15]。當(dāng)巰基氧化的PRDXs數(shù)量多到一定程度時(shí),會(huì)造成永久氧化損傷,精子功能受損,最終導(dǎo)致不育。具體過程如圖1[9]所示:
圖1 人類精子中防御氧化應(yīng)激的抗氧化系統(tǒng)和細(xì)胞內(nèi)NADPH和/或GSH的濃度對人類精子抗氧化保護(hù)的影響
由于精子中檢測不到過氧化氫酶[13],而精子中PRDXs含量豐富,且存在于所有亞細(xì)胞區(qū)室內(nèi),因此PRDXs被認(rèn)為是人類精子防御OS的第一道防線[3]。就目前的研究來看,精子中的PRDXs防御OS的研究較少。但適當(dāng)?shù)奶岣呷祟惥又锌寡趸镔|(zhì)能改善精子的質(zhì)量和功能。特別是PRDX6,研究結(jié)果顯示處于OS下其含量降低以及其對精子的保護(hù)作用減弱[16]。還需通過動(dòng)物模型的建立,進(jìn)一步研究PRDXs對精子的保護(hù)作用[17]。
精子容易受到OS攻擊,不僅因?yàn)橘|(zhì)膜多不飽和脂肪酸含量高,還因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)抗氧化防御的內(nèi)在缺陷和DNA修復(fù)能力有限。男性生殖系統(tǒng),包括附睪和精漿,包含豐富的酶和非酶抗氧化分子可保護(hù)精子免受ROS的影響。
2.1 人類精漿中的抗氧化酶
2.1.1 超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶(SOD)是一種金屬酶,通過催化超氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕夂虷2O2,防止精子受到超氧化物陰離子的損害,因此可以阻止質(zhì)膜脂質(zhì)過氧化,提高精子運(yùn)動(dòng)能力[18-19]。正常精子精漿SOD水平比異常精子高。精漿SOD活性與精子濃度和運(yùn)動(dòng)能力正相關(guān),并且與精子DNA破碎和精液體積成反比[20-21]。根據(jù)SOD活性部位金屬種類可分為三類:SOD1(CuZn-SOD)存在于胞質(zhì),銅和鋅作為輔助因子;SOD2(Mn-SOD)存在于線粒體,含錳;SOD3在細(xì)胞外[22]。精漿SOD表現(xiàn)出高活性,有75%SOD活性與SOD1相關(guān),25%與SOD3有關(guān)?,F(xiàn)已證明這兩個(gè)同功酶來自前列腺[23]。
2.1.2 過氧化氫酶 過氧化氫酶(CAT)催化H2O2分解成氧和水[24]。SOD歧化作用促使形成H2O2,這比O2·-更穩(wěn)定,并且對許多物種包括人類的精子來說是劇毒。因此精子必須有清除H2O2的方法。CAT作為首要的研究對象,CAT活性低會(huì)增加接受體外受精不育夫婦受精失敗的風(fēng)險(xiǎn),另外在精子的培養(yǎng)基中添加CAT使ROS和DNA破碎水平降低,提高精子正常男性精子頂體反應(yīng)比率[25-26]。因此,SOD和CAT共同作用,清除可能損害精子的ROS。
2.1.3 谷胱甘肽過氧化物酶 谷胱甘肽過氧化物酶(GPX),催化H2O2和有機(jī)過氧化物的還原,包括磷脂過氧化物。GSH/GPX是體內(nèi)主要的還原劑,在睪丸和附睪中清除抗氧化劑[27]。在其活性部位,含有以硒代半胱氨酸形式存在的硒。保護(hù)精子DNA免受氧化損傷和參與染色質(zhì)凝結(jié)的過程。在正常精子精漿中GPX與精子質(zhì)量相關(guān)。精漿中GPX的存在也得到了證實(shí),來自前列腺[23]。
2.2 精漿中的非酶抗氧化劑
除了酶作用于ROS,非酶抗氧化劑可協(xié)助酶活動(dòng)。其中包括谷胱甘肽、輔酶Q10、維生素和礦物質(zhì)等,如鋅、硒和銅[28]。下面介紹幾種主要的非酶抗氧化劑。
2.2.1 維生素E 維生素E(α?生育酚)是一種脂溶性位于精子細(xì)胞膜上的連鎖中斷抗氧化劑,可中和H2O2和清除自由基,因此可以停止產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和防止ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞膜損傷[29]。此外,它還提高了其他的清除氧化劑的活性[27]。在這些方面,維生素E有助于保存精子的運(yùn)動(dòng)性和形態(tài)[30]。還可以減少ROS的生產(chǎn)[22]。
2.2.2 維生素C 維生素C是一種天然高效能水溶性鏈?zhǔn)街袛嗫寡趸瘎?,在精漿濃度比血清高出10倍,精漿中抵御OS維生素C的貢獻(xiàn)率高達(dá)總抗氧化能力的65%[29]。與細(xì)胞外液的O、、和H2O2反應(yīng),保護(hù)人類精子的活力和運(yùn)動(dòng)能力,防止精子凝集、脂質(zhì)過氧化,回收維生素E和防止H2O2自由基引起DNA損傷[22]。維生素C對精子質(zhì)量的影響存在劑量依賴,1000mg/L維生素C對精子的運(yùn)動(dòng)性產(chǎn)生積極影響,然而,如果劑量過高會(huì)起到破壞性助氧化劑的作用,降低精子的運(yùn)動(dòng)性。
2.2.3 輔酶Q10 輔酶Q10是一種類維生素物質(zhì),在能量代謝中發(fā)揮重要作用(作為線粒體呼吸鏈的一部分),是一種脂溶性連鎖中斷細(xì)胞膜和脂蛋白氧化的抗氧化劑[31]。研究表明,特發(fā)性不育男性和與精索靜脈曲張有關(guān)的弱精癥的男性精漿中輔酶Q10及其還原型水平較低,補(bǔ)充輔酶Q10可以保護(hù)精子膜免受脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[32]。
2.2.4 硒 硒作為自由基清除劑,是一種必不可少的微量元素,對睪丸的正常發(fā)育、精子形成、精子運(yùn)動(dòng)性和功能來說是非常重要[33]。通過對少、弱、畸精子癥患者和正常精子樣本對比檢測發(fā)現(xiàn),健康精子精漿中硒的水平是異常精子樣本的3倍,且與精子運(yùn)動(dòng)能力明顯相關(guān)[34]。與維生素E協(xié)同作用保護(hù)精子免受氧化影響,能夠改善精子運(yùn)動(dòng)性、形態(tài)和妊娠率[35]。硒是大多數(shù)抗氧化酶的輔酶[36]。硒也可單獨(dú)防止精子DNA氧化損傷。缺乏硒導(dǎo)致生精上皮萎縮,精子發(fā)生和精子成熟障礙、睪丸體積減少。
2.2.5 GSH GSH是種含硫化合物,包含一個(gè)巰基,直接進(jìn)行清除自由基[37]。GSH能防止細(xì)胞膜脂質(zhì)氧化和ROS的形成。GSH不足會(huì)導(dǎo)致精子中段不穩(wěn)定,造成精子運(yùn)動(dòng)障礙。GSH前體N-乙酰l-半胱氨酸,也能提高精子能動(dòng)性和防止精子DNA氧化損傷。在正常精子精漿中,總GSH、氧化型GSH和還原型GSH明顯高于少、弱、畸精子精漿中的含量。精漿中氧化型GSH與精子運(yùn)動(dòng)能力高度相關(guān),且與少、弱、畸精子形態(tài)負(fù)相關(guān);還原型GSH與精子總運(yùn)動(dòng)能力和精子數(shù)量明顯相關(guān)[34]。
2.2.6 鋅 精漿中鋅濃度一般高于血清,正常精子精漿中鋅濃度是少、弱、畸精子精漿中的3倍,并且與精子運(yùn)動(dòng)能力和總數(shù)明顯正相關(guān)[34,38]。Alsalman等[39]曾報(bào)道稱鋅在精子和精子形成中的生理功能至關(guān)重要。并且在體外培養(yǎng)精子時(shí),鋅能抑制超氧化物陰離子生成,對精子DNA起到保護(hù)作用,并且在不育男性精子中有類SOD活性[31-32]。
人們對于精漿中的各種抗氧化劑研究廣泛,并得出了一系列有益成果。通過服用單一抗氧化劑和多種抗氧化劑的聯(lián)合服用,提高氧化劑在精漿中的含量,進(jìn)而改善了精漿中的抗氧化能力,為精子提供了良好的生存環(huán)境,有利于男性生殖健康[40-43]。并且通過藥物治療,可以提高精子能量、參與精子的代謝過程、提高精子或精液內(nèi)某些酶的活性,達(dá)到增強(qiáng)精子的數(shù)量與活力、改善精子功能的目的[44]。
綜上可見,抗氧化劑對人類精子至關(guān)重要,其從精子內(nèi)部和精漿兩方面來保障精子的相關(guān)功能,雖然目前對人類精液中的抗氧化劑有所研究,但每種抗氧化劑的精確作用機(jī)制仍不清楚,以及精子內(nèi)部的某些酶的存在仍需驗(yàn)證,因此需要更多的實(shí)驗(yàn)證明。
參考文獻(xiàn)
[1] Cristian OF.Peroxiredoxins:hidden players in the antioxidant defence of human spermatozoa[J].Basic &Clinical Andrology,2014,24(1):4.
[2] 楊文莊.實(shí)施全面兩孩政策促進(jìn)人口均衡發(fā)展[J].中國計(jì)劃生育學(xué)雜志,2016,24(1):4-6.
[3] Morielli T,O'Flaherty C.Oxidative stress impairs function and increases redox protein modifications in human spermatozoa[J].Reproduction,2015,149(1):113-123.
[4] John AR,Jones KT,Robertson SA.Reactive oxygen species and sperm function-in sickness and in health[J].Journal of Andrology,2012,33(6):1096-1106.
[5] Nenkova G,Alexandrova A.A review:Oxidative stress and its role in reproduction[J].Advances in Bioscience &Biotechnology,2014,4(1):37-43.
[6] Eva-Maria H,JoséRodrigo G,Carsten B,et al.Thioredoxins,glutaredoxins,and peroxiredoxins-molecular mechanisms and health significance:from cofactors to antioxidants to redox signaling[J].Antioxidants &Redox Signaling,2013,19(13):1539-1605.
[7] Péricles Arruda M,Luiz Felipe DS,Gecioni LN,et al.A study of the relative importance of the peroxiredoxin-,catalase-,and glutathione-dependent systems in neural peroxide metabolism[J].Free Radical Biology &Medicine,2011,51(1):69–77.
[8] O'Flaherty C,de Souza AR.Hydrogen peroxide modifies human sperm peroxiredoxins in a dose-dependent manner[J].Biology of Reproduction,2011,84(2):238-247.
[9] O’Flaherty C.The Enzymatic Antioxidant System of Human Spermatozoa[J].Advances in Andrology,2014,2014.
[10] Winterbourn CC.Chapter One–The Biological Chemistry of Hydrogen Peroxide[J].Methods in Enzymology,2013,528(528C):3-25.
[11] Karplus PA,Poole L.Peroxiredoxins as Molecular Triage A-gents,Sacrificing Themselves to Enhance Cell Survival During a Peroxide Attack[J].Molecular Cell,2012,45(3):275-278.
[12] Suiping Z,Yu-Chin L,Kristine DB,et al.Functional interaction of glutathione S-transferase pi and peroxiredoxin 6in intact cells[J].International Journal of Biochemistry &Cell Biology,2013,45(2):401-407.
[13] Gong S,Gabriel MCS,Zini A,et al.Low Amounts and High Thiol Oxidation of Peroxiredoxins in Spermatozoa From Infertile Men[J].Journal of Andrology,2012,33(6):1342-1351.
[14] Ozkosem B,F(xiàn)einstein SI,F(xiàn)isher AB,et al.Absence of Peroxiredoxin 6Amplifies the Effect of Oxidant Stress on Mobility and SCSA/CMA3Defined Chromatin Quality and Impairs Fertilizing Ability of Mouse Spermatozoa[J].Biology of Reproduction,2016.
[15] Cristian,O'Flaherty.Redox regulation of mammalian sperm capacitation[J].Asian Journal of Andrology,2015,17(4):31-39.
[16] Ozkosem B,F(xiàn)einstein SI,F(xiàn)isher AB,et al.Advancing age increases sperm chromatin damage and impairs fertility in peroxiredoxin 6null mice[J].Redox Biology,2015,62:15-23.
[17] 趙玉,歐陽斌,耿強(qiáng).男性不育癥動(dòng)物模型的國外研究進(jìn)展[J].中國計(jì)劃生育學(xué)雜志,2014,22(11):781-785.
[18] Ross C,Morriss A,Khairy M,et al.A systematic review of the effect of oral antioxidants on male infertility[J].Reproductive Biomedicine Online,2010,20(6):711-723.
[19] Parviz G,R John A.The role of sperm oxidative stress in male infertility and the significance of oral antioxidant therapy[J].Human Reproduction,2011,26(7):1628-1640.
[20] Marzec-Wróblewska U,Kami ski P,takota P,et al.Zinc and iron concentration and SOD activity in human semen and seminal plasma[J].Biological Trace Element Research,2011,143(1):167-177.
[21] Lifeng Y,Jining L,Shengmin W,et al.Seminal superoxide dismutase activity and its relationship with semen quality and SOD gene polymorphism[J].Journal of Assisted Reproduction &Genetics,2014,31(5):549-554.
[22] Akbari A,Jelodar G.The Effect of Oxidative Stress and Antioxidants on Men Fertility[J].Zahedan Journal of Research in Medical Sciences,2013,15(7).
[23] Walczak-Jedrzejowska R,Wolski JK,Slowikowska-Hilczer J.The role of oxidative stress and antioxidants in male fertility[J].Central European Journal of Urology,2013,66(1):60-67.
[24] Noblanc A,Kocer A,Chabory E,et al.Glutathione Peroxidases at Work on Epididymal Spermatozoa:An Example of the Dual Effect of Reactive Oxygen Species on Mammalian Male Fertilizing Ability[J].Journal of Andrology,2011,32(6):641-650.
[25] Agarwal A,Durairajanayagam D,Plessis SSD.Utility of antioxidants during assisted reproductive techniques:an evidence based review[J].Reproductive Biology &Endocrinology Rb &E,2014,12(1):112-112.
[26] Alrabeeah K,Alhathal N,Gabriel MSGS,et al.Influence of seminal catalase activity on IVF pregnancy[J].Journal of U-rology,2011,185(4).
[27] Cesar ME,David S.Nutrient supplementation:improving male fertility fourfold[J].Seminars in Reproductive Medicine,2013,31(4):293-300.
[28] Bansal AK,Bilaspuri GS.Impacts of Oxidative Stress and Antioxidants on Semen Functions[J].Veterinary Medicine International,2010,2010(12):7.
[29] Lampiao F.Free radicals generation in an in vitro fertilization setting and how to minimize them[J].World Journal of Obstetrics &Gynecology,2012,(3).
[30] Agarwal A VG,Ong C,du Plessis SS.Effect of oxidativestress on male reproduction[J].World J Mens Health,2014,32:1-17.
[31] Mancini A,Balercia G.Coenzyme Q 10in male infertility:Physiopathology and therapy[J].Biofactors,2011,37(5):374-380.
[32] Talevi R,Barbato V,F(xiàn)iorentino I,et al.Protective effects of in vitro treatment with zinc,d-aspartate and coenzyme Q10 on human sperm motility,lipid peroxidation and DNA fragmentation[J].Reproductive Biology &Endocrinology,2013,11(1):236-241.
[33] Türk S,Mndar R,Mahlapuu R,et al.Male infertility:Decreased levels of selenium,zinc and antioxidants[J].Journal of Trace Elements in Medicine &Biology,2014,28(2):179-185.
[34] Atig F,Raffa M,Habib BA,et al.Impact of seminal trace element and glutathione levels on semen quality of Tunisian infertile men[J].Bmc Urology,2012,12(5):6.
[35] Moslemi MK,Tavanbakhsh S.Selenium-vitamin E supplementation in infertile men:effects on semen parameters and pregnancy rate[J].International Journal of General Medicine,2011,4(4):99-104.
[36] Weeks BS,Hanna MS,Deborah C.Dietary selenium and selenoprotein function[J].Medical Science Monitor International Medical Journal of Experimental &Clinical Research,2012,18(8):RA127-132.
[37] Ko EY,Sabanegh ES,Ashok A.Male infertility testing:reactive oxygen species and antioxidant capacity[J].Fertility &Sterility,2014,102(6):1518-1527.
[38] Altaher YM,Abdrabo AA.Levels of zinc and copper in seminal plasma of Sudanese infertile males[J].British Journal of Medicine &Medical Research,2015,5(4):533-538.
[39] Alsalman ARS,Almashhedy LA,Hadwan MH.Zinc supplementation attenuates lipid peroxidation and increases antiperoxidant activity in seminal plasma of Iraqi asthenospermic men[J].Life Science Journal,2013,(10).
[40] Showell MG,Brown J,Yazdani A,et al.Antioxidants for male subfertility[J].Cochrane Database of Systematic Reviews,2011,12(1):CD007411-CD007411.
[41] Gual-Frau J,Abad C,Amengual MJ,et al.Oral antioxidant treatment partly improves integrity of human sperm DNA in infertile grade I varicocele patients[J].Human Fertility,2015,18(3):1-5.
[42] Safarinejad MR.The effect of coenzyme Q 10supplementation on partner pregnancy rate in infertile men with idiopathic oligoasthenoteratozoospermia:an open-label prospective study[J].International Urology &Nephrology,2012,44(3):689-700.
[43] Fanaei H,Khayat S,Halvaei I,et al.Effects of ascorbic acid on sperm motility,viability,acrosome reaction and DNA integrity in teratozoospermic samples[J].Iranian Journal of Reproductive Medicine,2014,12(2):103-110.
[44] 李宏軍.特發(fā)性男性不育藥物治療的相關(guān)問題[J].中國計(jì)劃生育學(xué)雜志,2013,21(4):286-288.
[責(zé)任編輯:王麗娜]
2016-04-21
2016-06-01
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