荊晶，于淼，汝少國(guó)

中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，青島 266003

生殖系統(tǒng)的健康是生物體種群得以延續(xù)和繁衍的必要條件。然而，日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為包括人類在內(nèi)的多種生物生殖力下降的元兇之一[1]。精子是雄性生物生殖細(xì)胞系發(fā)育的終端產(chǎn)物，但在其形過(guò)程中，基本喪失了細(xì)胞自我修復(fù)的機(jī)能，因此，更容易受到環(huán)境因素的脅迫[2-3]。有報(bào)道稱，中國(guó)男性正面臨“精子危機(jī)”。在近15年間，中國(guó)男性精液質(zhì)量呈下降趨勢(shì)[4]，且從1995—2008年間精子數(shù)量平均每年以2.15%的速度降低[5]。環(huán)境污染物不僅會(huì)引起精子形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化如精子畸形、質(zhì)膜破裂等，還會(huì)使精子的數(shù)量大幅度減少，造成雄性弱精、少精和無(wú)精[6-7]。與此同時(shí)，很多污染物還可能通過(guò)“攻擊”DNA(如導(dǎo)致DNA片段化[7]、形成DNA加成物[8]、改變DNA的表觀遺傳學(xué)修飾[9]等)而改變精子所攜帶的遺傳信息。筆者將從環(huán)境污染物誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、改變生精細(xì)胞的細(xì)胞周期和誘導(dǎo)正常的細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞凋亡以及改變生物體雄激素水平等方面綜述其損害精子質(zhì)量和降低精子數(shù)量的潛在作用途徑。

1 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激(Induce oxidative stress)

動(dòng)物精子的形態(tài)一般可分為3個(gè)部分：頭部、頸中部和尾部，頭部主要由濃縮的細(xì)胞核和頂體組成，核內(nèi)含遺傳物質(zhì)DNA，頂體內(nèi)則含多種水解酶；頸部連接了精子的頭和尾部，由中心粒衍生而來(lái)；尾部又可分為中段、主段和末段，中段外包線粒體鞘，主要作用是提供能量，尾部鞭毛的擺動(dòng)是精子向前運(yùn)動(dòng)所依靠的主要方式[10-11]。在生物繁衍時(shí)，正常、完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)直接影響了精子的受精能力，也決定了生育力的強(qiáng)弱。

當(dāng)生物體暴露于污染物中時(shí)，往往伴隨著大量活性氧自由基(ROS)的產(chǎn)生。如一些多環(huán)芳香烴和鹵代芳香烴(多氯聯(lián)苯、二噁英等)，能夠激活包括CYP1A和CYP1B在內(nèi)的I相代謝酶，迅速地對(duì)上述物質(zhì)進(jìn)行氧化、水解等反應(yīng)，以達(dá)到解毒的目的。但當(dāng)污染物濃度過(guò)高時(shí)，一些副反應(yīng)的發(fā)生可導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移和氧化還原過(guò)程解偶聯(lián)，從而釋放出ROS。又如，一些微量金屬通過(guò)自身化學(xué)形態(tài)的變化及與氧化還原酶中的半胱氨酸殘基的反應(yīng)而改變酶活性，進(jìn)而導(dǎo)致ROS的形成[12]。通常在生物體中，ROS的產(chǎn)生和清除之間存在著動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，會(huì)激活細(xì)胞中抗氧化小分子的合成和抗氧化酶的表達(dá)來(lái)清除細(xì)胞內(nèi)的ROS；而當(dāng)ROS過(guò)量產(chǎn)生時(shí)，細(xì)胞中的氧化防御系統(tǒng)不足以將其完全清除，就會(huì)造成氧化損傷[13-14]。精子作為一種高度分化的細(xì)胞，大部分細(xì)胞器的丟失使其缺乏有效的生物轉(zhuǎn)化和抗氧化防御能力，加之其含有高濃度的不飽和脂肪酸，極易受氧化脅迫的影響[2]。故污染物會(huì)通過(guò)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激，從而損傷精子。如亞砷酸鹽能夠通過(guò)增加大鼠睪丸中ROS的含量，造成脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛和羰基化蛋白質(zhì)發(fā)生累積，進(jìn)而降低了精子活力[15]。過(guò)量的ROS可以通過(guò)多種途徑降低精子質(zhì)量，主要體現(xiàn)在破壞精子結(jié)構(gòu)及損害精子功能2個(gè)方面，如圖1所示。

1.1 ROS破壞精子結(jié)構(gòu)

精子的質(zhì)膜中富含不飽和脂肪酸，包含較多的雙鍵，是ROS最易攻擊的靶點(diǎn)之一。ROS可進(jìn)攻精子質(zhì)膜中的脂肪酸側(cè)鏈，奪取碳上的氫原子從而啟動(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，被奪去氫原子的脂質(zhì)過(guò)氧化物又會(huì)從相鄰脂肪酸側(cè)鏈中奪取氫原子而加劇脂質(zhì)的過(guò)氧化[16]。大量雙鍵的丟失及脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物的形成，會(huì)導(dǎo)致精子膜流動(dòng)性減弱，甚至造成質(zhì)膜破損[17]。如鉛化合物的暴露能誘導(dǎo)男性精子產(chǎn)生ROS，引發(fā)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致精子膜脂質(zhì)過(guò)氧化[18]。壬基酚、心得安和己烯雌酚(DES)共同作用時(shí)鱘魚精子發(fā)生氧化應(yīng)激，從而大幅增加了其精子蛋白質(zhì)、脂質(zhì)過(guò)氧化水平，破壞了精子膜的完整性[19]。

1.2 ROS損害精子功能

1.2.1 影響精子活力

線粒體是精子產(chǎn)能的主要場(chǎng)所，為精子運(yùn)動(dòng)提供三磷酸腺苷(ATP)，精子的活力直接受線粒體功能的調(diào)控[20]。線粒體的內(nèi)膜上分布有ATP合酶以及電子傳遞復(fù)合物(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、和Ⅳ)，是真核生物電子傳遞和氧化磷酸化的關(guān)鍵場(chǎng)所[21]。由于線粒體本身富含多種酶、結(jié)構(gòu)蛋白、膜脂質(zhì)及核酸等，也極易受到ROS的攻擊[22]。ROS可以使線粒體膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化，影響膜上電子傳遞鏈的功能，進(jìn)而破壞氧化磷酸化過(guò)程，影響ATP的合成[23]。如PM2.5就是通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)ROS的含量進(jìn)而損害線粒體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致ATP的水平降低，使得能量代謝發(fā)生阻塞，導(dǎo)致精子活力下降[24]。

線粒體在進(jìn)行呼吸氧化的過(guò)程中，由于呼吸鏈中的質(zhì)子和電子的轉(zhuǎn)移，會(huì)在內(nèi)膜兩側(cè)造成質(zhì)子及其他離子濃度的不對(duì)稱分布，從而形成線粒體膜電位，該電位是產(chǎn)生ATP的先決條件[25]。因此，當(dāng)精子線粒體膜電位發(fā)生改變時(shí)，勢(shì)必會(huì)影響供能，進(jìn)而影響精子的活力。而ROS一方面可以通過(guò)誘導(dǎo)線粒體內(nèi)鈣離子的釋放、增加內(nèi)膜通透性降低線粒體膜電位[26]；另一方面，ROS和過(guò)氧化脂質(zhì)的含量升高時(shí)也會(huì)使線粒體膜電位發(fā)生損耗[27]。研究發(fā)現(xiàn)，多氯聯(lián)苯1254暴露人類精子后，精子中ROS的含量顯著升高，進(jìn)而擾亂了鈣離子的平衡，導(dǎo)致高線粒體膜電位的精子占比呈劑量依賴性下降，精子活力降低[28]。另有研究表明，亞砷酸鹽可通過(guò)提高大鼠睪丸中ROS的水平，降低大鼠精子線粒體膜電位，進(jìn)而影響了電子傳遞鏈的功能，最終導(dǎo)致精子活力顯著降低[15]。

圖1 環(huán)境污染物通過(guò)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡以及改變細(xì)胞周期損傷精子的機(jī)制Fig. 1 The mechanisms of sperm damage induced by environmental pollutants via increasing oxidative stress and apoptosis as well as changing sperm cell cycle

1.2.2 改變遺傳物質(zhì)

除了作用于生物膜，ROS還能夠直接攻擊DNA中的單個(gè)堿基(如鳥(niǎo)嘌呤)或脫氧鳥(niǎo)苷上的C-8位使其氧化，從而造成DNA損傷[29]。此外，ROS所生成的脂質(zhì)過(guò)氧化物也可以共價(jià)結(jié)合到DNA上，使DNA雙鏈發(fā)生斷裂，導(dǎo)致遺傳信息發(fā)生改變或缺失，如鉛能通過(guò)誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生使精子DNA鏈發(fā)生斷裂，造成DNA片段化，導(dǎo)致精子DNA損傷[18]。另有研究表明，相較沒(méi)有吸煙習(xí)慣的男性，長(zhǎng)期吸煙的男性精液中ROS的含量顯著增加，其精子DNA碎片化指數(shù)也隨之明顯升高[30]。

研究發(fā)現(xiàn)，在精子發(fā)生過(guò)程中，精子DNA損傷與ROS的含量呈正相關(guān)關(guān)系，而ROS所造成的染色質(zhì)損傷與精子形態(tài)異常之間又高度相關(guān)[31]。若在精子頭部遺傳物質(zhì)的包裝過(guò)程中出現(xiàn)DNA突變、DNA損傷和染色體畸變，精子就會(huì)表現(xiàn)出異常的形態(tài)，導(dǎo)致精子畸形[32]。通常，DNA受損的精子的受精率較低，并且受精后還存在其他問(wèn)題，如孵化率低、發(fā)育異常等[7]。一項(xiàng)野外調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，受人類活動(dòng)污染較重的河水中的軟口魚與輕度污染河水中的魚相比，DNA受損精子所占的百分比明顯增加，同時(shí)測(cè)得受精卵卵黃囊吸收末期的畸形率顯著上升，而子代的孵化率則大幅度下降[2]。

2 改變細(xì)胞周期和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡(Change cell cycle and induce apoptosis)

據(jù)報(bào)道，自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，男性精子數(shù)量下降一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)，環(huán)境污染被認(rèn)為是主要的原因之一[33]。大量的研究表明，污染物可以通過(guò)阻礙生精細(xì)胞分裂和誘導(dǎo)正常的生精細(xì)胞發(fā)生凋亡2個(gè)方面(如圖1所示)降低精子的數(shù)量和質(zhì)量。

2.1 阻滯生精細(xì)胞分裂

雄性生物的精子發(fā)生過(guò)程主要分為3個(gè)階段：精原細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂形成初級(jí)精母細(xì)胞；初級(jí)精母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)第1次分裂形成次級(jí)精母細(xì)胞，次級(jí)精母細(xì)胞再經(jīng)減數(shù)第2次分裂形成單倍體精細(xì)胞；精細(xì)胞經(jīng)一系列復(fù)雜的形態(tài)變化發(fā)育為具有鞭毛的精子[34]。減數(shù)分裂的細(xì)胞周期可劃分為G0期、G1期、S期、G2期以及減Ⅰ期、減Ⅱ期[35]。無(wú)論是初級(jí)精母細(xì)胞還是次級(jí)精母細(xì)胞都需要通過(guò)減數(shù)分裂發(fā)育至它們的下一階段，這個(gè)過(guò)程也是環(huán)境污染物阻礙精子生成的重要靶點(diǎn)。污染物會(huì)通過(guò)改變生精細(xì)胞的細(xì)胞周期來(lái)阻滯精子的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5會(huì)損傷小鼠精母細(xì)胞DNA，導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯在G0/G1期，降低了G2/M期的精母細(xì)胞數(shù)，阻滯了細(xì)胞的分裂，最終導(dǎo)致精子數(shù)目降低[24]。另有報(bào)道表明，香煙煙霧冷凝物可以通過(guò)阻斷小鼠精母細(xì)胞DNA的合成過(guò)程而抑制DNA復(fù)制，同時(shí)下調(diào)G1/S期細(xì)胞周期蛋白A和E的表達(dá)使細(xì)胞周期停滯在S期[36]。

還有些污染物通過(guò)中斷減數(shù)分裂的減Ⅰ期進(jìn)程阻滯精子的產(chǎn)生。如雙酚A(BPA)和雌二醇的暴露均能中斷大鼠睪丸中細(xì)胞減Ⅰ期過(guò)程，將減數(shù)分裂過(guò)程阻滯在了初級(jí)精母細(xì)胞階段，顯著降低了減Ⅰ期中細(xì)線期和偶線期階段精母細(xì)胞百分比，進(jìn)而減少了精子數(shù)量，抑制了精子釋放[37]。在小鼠中也觀察到了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于BPA抑制了精子發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子BOULE的表達(dá)，并上調(diào)了雌激素受體ERα/β的表達(dá)，進(jìn)而擾亂了減Ⅰ期的進(jìn)程[38]。此外，dmc1是減Ⅰ期前期表達(dá)的特異性基因，其編碼的蛋白質(zhì)參與減數(shù)分裂中同源染色的聯(lián)會(huì)[39]。當(dāng)小鼠dmc1基因被敲除后，其精子發(fā)生過(guò)程就會(huì)停止在減Ⅰ期前期[40]。還有研究表明，DES及氟他胺能顯著降低dmc1的表達(dá)，從而抑制斑馬魚減數(shù)分裂過(guò)程，阻礙精子的產(chǎn)生[41]。

2.2 誘導(dǎo)生精細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡又叫作程序性細(xì)胞死亡，是細(xì)胞處于生理及某些病理狀態(tài)下，在相關(guān)基因的調(diào)控下主動(dòng)程序性死亡的過(guò)程[42-43]。正常情況下，細(xì)胞凋亡會(huì)在精子發(fā)生時(shí)通過(guò)維持生精細(xì)胞和支持細(xì)胞在數(shù)量上的平衡來(lái)調(diào)節(jié)精子的生成[44]。若凋亡異常，必將影響精子的數(shù)目及質(zhì)量進(jìn)而造成生殖異常。環(huán)境污染物則會(huì)促進(jìn)生精細(xì)胞發(fā)生凋亡，由此影響生精過(guò)程，進(jìn)而降低精子數(shù)量。如香煙煙霧暴露會(huì)導(dǎo)致男性精子膜內(nèi)側(cè)磷脂酰絲氨酸翻轉(zhuǎn)至膜外側(cè)，導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂，凋亡精子的比例顯著上升[3]。苯并芘(BaP)皮下注射雄性小鼠時(shí)會(huì)促進(jìn)小鼠精子、精母細(xì)胞凋亡，顯著提高凋亡精子的百分比[45]。雖然目前細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制尚未徹底明了，但已證實(shí)有多種基因參與該過(guò)程，如bcl-2基因家族、p53和Fas/FasL系統(tǒng)等。

2.2.1 通過(guò)干擾bcl-2誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

在細(xì)胞凋亡過(guò)程中，細(xì)胞色素C(Cyt C)和蛋白水解酶Caspase-3是重要的傳遞者和執(zhí)行者，Cyt C攜帶著由線粒體發(fā)出的凋亡信號(hào)釋放到胞漿中，募集此處未被激活Caspase，二者相互酶解活化，釋放出有活性的Caspase，從而誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡[46-47]。bcl-2是B細(xì)胞淋巴瘤-2基因家族的成員之一，該基因編碼的蛋白能夠通過(guò)抑制線粒體中Cyt C的釋放而阻斷細(xì)胞凋亡的發(fā)生，但同屬該基因家族的bax、bad和bak等基因所編碼的蛋白可通過(guò)與Bcl-2形成異二聚體而抑制Bcl-2的功能，從而發(fā)揮著促凋亡作用[48-50]。而污染物可以通過(guò)改變Bcl-2、Bax和Bad的表達(dá)來(lái)促進(jìn)細(xì)胞凋亡的發(fā)生。有研究表明，亞砷酸鈉上調(diào)了雄鼠睪丸中促凋亡因子Bad的含量，下調(diào)了凋亡抑制因子Bcl-2的含量，增加了細(xì)胞質(zhì)中Cyt C的水平，激活了Caspase-3的活性，最終導(dǎo)致生殖細(xì)胞凋亡率顯著增加[15]。BPA通過(guò)誘導(dǎo)小鼠精原細(xì)胞Bax的高表達(dá)，下調(diào)Bcl-2的表達(dá)，使Bcl-2/Bax的比例失衡，顯著提高Caspase-3的表達(dá)量，造成生精細(xì)胞凋亡比例增加，導(dǎo)致精子數(shù)量減少[51]。

2.2.2 激活p53途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡

抑癌基因p53也可誘發(fā)自發(fā)性、損傷性的生精細(xì)胞凋亡，它能夠誘導(dǎo)線粒體結(jié)構(gòu)損傷，促使線粒體釋放凋亡誘導(dǎo)因子至胞質(zhì)活化Caspase，從而執(zhí)行細(xì)胞凋亡[52-53]。p53主要分布于雄性脊椎動(dòng)物睪丸的初級(jí)精母細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞中[54]，它在雄性生殖細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程中，還具有監(jiān)督作用，無(wú)論是外源性、內(nèi)源性因素造成的精子發(fā)育異常，都會(huì)激活p53途徑而促進(jìn)異常細(xì)胞發(fā)生凋亡[55]。一些污染物可通過(guò)增強(qiáng)p53的表達(dá)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。如在金屬錳染毒的大鼠的精原細(xì)胞和精母細(xì)胞中，p53蛋白的表達(dá)量顯著升高，且這2種細(xì)胞的凋亡率也隨之增加[52]；壬基酚可通過(guò)上調(diào)大鼠睪丸中p53的mRNA及蛋白含量，顯著上調(diào)caspase-1、-2、-9以及caspase-11的表達(dá)，導(dǎo)致小鼠精原細(xì)胞、初級(jí)精母細(xì)胞和精細(xì)胞凋亡率顯著升高[53]。

2.2.3 激活Fas途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡受體Fas主要位于細(xì)胞膜上，當(dāng)其與特異性配體FasL結(jié)合后，會(huì)形成一個(gè)三聚體凋亡誘導(dǎo)復(fù)合物，該凋亡復(fù)合物中含有死亡結(jié)構(gòu)域的Fas相關(guān)蛋白可以使Caspase活化，隨后引起細(xì)胞凋亡[56]。雄性睪丸組織中的生精細(xì)胞、支持細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞均可表達(dá)Fas，該通路的激活是環(huán)境污染物誘導(dǎo)生殖細(xì)胞凋亡的主要方式之一。有研究表明，BPA可分別增加小鼠生精細(xì)胞和支持細(xì)胞中的Fas和FasL水平，活化生精細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞中的Caspase-3，從而促進(jìn)了細(xì)胞凋亡[57]。而空氣污染物PM2.5也可通過(guò)顯著上調(diào)大鼠睪丸中Fas/FasL凋亡通路相關(guān)因子的表達(dá)，使Caspase-3/Caspase-8的表達(dá)顯著增加，導(dǎo)致生殖細(xì)胞凋亡率升高，降低精子的數(shù)量[24]。

2.2.4 通過(guò)其他信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞凋亡

除上述經(jīng)典的細(xì)胞凋亡信號(hào)通路外，核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡過(guò)程中也發(fā)揮著一定作用[58]。它可以與bcl-2啟動(dòng)子區(qū)的AREr3結(jié)合，來(lái)促進(jìn)bcl-2的表達(dá)，Bcl-2增加后將抑制Bax、Cyt C釋放和Caspase-3/7激活，從而抑制細(xì)胞凋亡[59]。若Nrf2通路受到干擾，細(xì)胞凋亡就會(huì)喪失一個(gè)有力的“阻礙者”，從而升高正常細(xì)胞的凋亡率。例如，雄性小鼠暴露于全氟烷基酸后，其睪丸中Nrf2的mRNA表達(dá)量及蛋白水平均顯著下調(diào)，Caspase-3的含量顯著升高，生殖細(xì)胞的凋亡數(shù)量顯著增加[60]。另有研究表明，氟化鈉也顯著下調(diào)了大鼠睪丸中Nrf2的表達(dá)量，增加了Caspase-3的活性，提高了睪丸曲精小管中細(xì)胞的凋亡率[61]。

已有的研究報(bào)道，核因子kappa-B(NF-κB)通路對(duì)生精細(xì)胞的凋亡發(fā)揮著雙向調(diào)控作用。一方面NF-κB能夠激活凋亡抑制基因或蛋白(Bcl-xl、XIAP和Bcl-2)的表達(dá)而起到抗凋亡的作用[62-63]；另一方面NF-κB能通過(guò)刺激Fas及Caspase的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[64]，NF-κB通路對(duì)細(xì)胞凋亡的總體調(diào)控效果取決于這2種作用之間的平衡。一些污染物可通過(guò)上調(diào)NF-κB促進(jìn)細(xì)胞凋亡，如經(jīng)林丹暴露后的大鼠，其睪丸生殖細(xì)胞中NF-κB的表達(dá)量明顯增加，F(xiàn)as的含量也相應(yīng)上調(diào)，Caspase-3/9被活化，從而促進(jìn)了生殖細(xì)胞凋亡[65]。此外，環(huán)境污染物還可以通過(guò)上調(diào)腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素激活NF-κB，來(lái)調(diào)節(jié)促凋亡因子的表達(dá)，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。如使用阿霉素注射雄性大鼠后，其睪丸中腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6的含量顯著增加，NF-κB的含量相應(yīng)升高，激活了Caspase-3，由此上調(diào)了睪丸中細(xì)胞的細(xì)胞凋亡率[66]。

3 改變雄激素水平(Change androgen levels)

精子發(fā)生和精子成熟是一個(gè)高度有序且受很多因素調(diào)控的過(guò)程。在雄性生物體內(nèi)，下丘腦-垂體-性腺(HPG)軸是雄性類固醇激素合成的主要調(diào)控因素，而這些雄性類固醇激素又控制著精子的發(fā)生[67]。其中，雄激素睪酮(T)、二氫睪酮(DHT)和11-酮基睪酮(11-KT)在精子發(fā)生和精子成熟中具有關(guān)鍵作用[68-69]。T可以通過(guò)與支持細(xì)胞上的雄激素受體結(jié)合發(fā)揮作用，并在精子發(fā)生的特定時(shí)期刺激各種蛋白質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)因子的合成[70]，因此，T對(duì)減數(shù)分裂和隨后的精細(xì)胞分化至關(guān)重要[71]。污染物會(huì)通過(guò)降低T的含量來(lái)影響精子的生成。研究發(fā)現(xiàn)，以60 μg·d-1劑量的BPA喂食小鼠，從交配前喂食至斷奶，其雄性后代血中T的含量顯著降低，并觀察到生精小管以及精子數(shù)目減少[72]。

此外，DHT也可與雄激素受體結(jié)合而發(fā)揮相應(yīng)的生理功能，研究發(fā)現(xiàn)，在人和大鼠中DHT可能與精子成熟有關(guān)，因?yàn)閰⑴c合成DHT關(guān)鍵酶5-α還原酶的活性變化與精子在附睪中成熟過(guò)程相一致[69]；若抑制5-α還原酶的活性，則血清中DHT含量降低，精子數(shù)量顯著減少[73]。而11-KT作為硬骨魚類的主要雄激素，能夠調(diào)節(jié)精原細(xì)胞的有絲分裂、精母細(xì)胞的形成和精子的生成[74]。11-KT可以誘導(dǎo)鰻鱺精原細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂期，分化為可育的精子[75]；其水平的降低與精子發(fā)生受阻和精子數(shù)量下降密切相關(guān)[76]。在環(huán)境污染物對(duì)雄性生物生殖影響的研究中發(fā)現(xiàn)，污染物可通過(guò)直接或間接2種方式擾亂雄激素的合成過(guò)程，如圖2所示，從而影響生精過(guò)程。

圖2 環(huán)境污染物通過(guò)改變雄激素水平損傷精子的機(jī)制Fig. 2 The mechanisms of sperm damage induced by environmental pollutants via altering endogenous androgen levels

3.1 直接干擾雄激素合成過(guò)程

環(huán)境中的污染物能直接作用于雄性生殖器官，改變激素合成過(guò)程中的相關(guān)基因的表達(dá)水平，從而改變激素含量，最終影響精子的發(fā)生。例如，鄰苯二甲酸二乙酯降低了雄性斑馬魚雄激素合成過(guò)程中相關(guān)基因cyp17a1、17βhsd的表達(dá)，從而使得血漿中T的含量明顯下降，顯著抑制了斑馬魚精子的形成[77]。經(jīng)鄰苯二甲酸二異丁酯暴露的小鼠附睪中參與雄激素合成的相關(guān)基因star、p450scc、cyp17a1、3βhsd和17βhsd的表達(dá)量顯著下調(diào)，導(dǎo)致其血漿中T的含量顯著下降，精子的活力及數(shù)量也隨之降低[78]。使用除草劑利谷隆灌胃妊娠期大鼠后發(fā)現(xiàn)，子代雄性大鼠睪丸組織中參與T、DHT合成的star、p450scc、3βhsd和5α-R的表達(dá)量顯著下調(diào)，且性成熟后子代雄鼠精液中的精子數(shù)量顯著降低[79]。

有學(xué)者將成年雄性斑馬魚長(zhǎng)期暴露于DES和氟他胺，發(fā)現(xiàn)合成11-KT的關(guān)鍵酶基因cyp11b2的表達(dá)水平顯著降低，11-KT的含量也相應(yīng)降低，進(jìn)而阻斷了精子發(fā)生[41]；另一研究發(fā)現(xiàn)，除草劑阿特拉津能顯著下調(diào)雄性斑馬魚精巢中cyp11b2的含量，使得11-KT水平隨之降低，最終導(dǎo)致精巢中的精細(xì)胞密度顯著下降[80]?？梢?jiàn)，環(huán)境中的污染物可通過(guò)改變雄激素合成過(guò)程中相關(guān)基因及酶的表達(dá)水平，使得雄激素的水平發(fā)生異常變化，擾亂其所應(yīng)發(fā)揮的生理作用，進(jìn)而對(duì)生精過(guò)程產(chǎn)生不良影響。

3.2 通過(guò)調(diào)控HPG軸上游激素表達(dá)影響雄激素合成

下丘腦能合成并分泌促性腺激素釋放激素(GnRH)，GnRH會(huì)與位于垂體前葉促性腺激素細(xì)胞表面的GnRH受體結(jié)合，從而促進(jìn)卵泡刺激素(FSH)和黃體生成素(LH)的產(chǎn)生[81]。而FSH和LH都是生理調(diào)控中非常重要的垂體激素，能以一種高度特異性的方式與其受體結(jié)合而發(fā)揮作用[82]。在脊椎動(dòng)物中已經(jīng)證實(shí)促性腺激素LH和FSH會(huì)參與調(diào)控精子的形成[83-84]。在精子發(fā)生過(guò)程中，LH會(huì)與間質(zhì)細(xì)胞膜上的LH受體相作用，激活合成T過(guò)程中所涉及到的一系列CYP450酶和脫氫酶，刺激間質(zhì)細(xì)胞從頭合成T[85-86]。而FSH能與睪丸中支持細(xì)胞上的FSH受體結(jié)合，促進(jìn)支持細(xì)胞合成并分泌雄激素結(jié)合蛋白，誘導(dǎo)精原細(xì)胞發(fā)生有絲分裂，促進(jìn)精母細(xì)胞的發(fā)育，并與LH和雄激素協(xié)同作用促進(jìn)精子發(fā)育成熟[87-88]。

污染物還會(huì)作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過(guò)改變GnRH、FSH和LH的水平來(lái)擾亂雄激素合成，進(jìn)而影響生精過(guò)程。如全氟辛烷磺酸的暴露顯著降低了雄鼠下丘腦中GnRH的含量，抑制LH的分泌，最終抑制T的合成，導(dǎo)致睪丸中的精子數(shù)量減少[89]。而汽油煙霧暴露后的小鼠，F(xiàn)SH和LH的含量被顯著改變，血清中T的含量則顯著降低，其精子數(shù)量和精子活力也表現(xiàn)出明顯的下降[90]。因此，影響HPG軸上游激素的水平也會(huì)間接影響雄激素的合成，影響精子的發(fā)生。

4 其他可能的分子機(jī)制(Other possible molecular mechanisms)

精子發(fā)生是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，環(huán)境污染物可能通過(guò)作用于其中任何一個(gè)靶點(diǎn)而對(duì)精子的數(shù)量和質(zhì)量產(chǎn)生影響。在生精過(guò)程中，精原細(xì)胞是精子發(fā)生的基礎(chǔ)，它們具有自我更新和分化成精子的能力[91]。精原細(xì)胞存在于干細(xì)胞生態(tài)位中，該生態(tài)位支持著精原干細(xì)胞最終分化為成熟的精子。該分化過(guò)程與α6-整聯(lián)蛋白和β1-整聯(lián)蛋白這2種細(xì)胞粘附分子的表達(dá)密切相關(guān)，并且這些整合蛋白在將精原細(xì)胞連接到它的生態(tài)位中起著至關(guān)重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，汽油尾氣暴露會(huì)通過(guò)下調(diào)α6-整聯(lián)蛋白和β1-整聯(lián)蛋白導(dǎo)致雄性大鼠精原細(xì)胞受損，進(jìn)而造成精原細(xì)胞、初級(jí)精母細(xì)胞、次級(jí)精母細(xì)胞和精細(xì)胞的總數(shù)顯著減少，精子數(shù)量顯著降低，精子畸形率明顯增加[6]。

此外，在生物發(fā)育和分化的過(guò)程中，表觀遺傳學(xué)中對(duì)基因的活性和表達(dá)的調(diào)節(jié)是性腺正常發(fā)育和精子發(fā)生的基本機(jī)制之一[92]。異常的DNA甲基化模式可導(dǎo)致精子數(shù)量和質(zhì)量的異常。而環(huán)境污染物會(huì)改變雄性生殖細(xì)胞的DNA甲基化水平，從而損傷精子。如鎘可通過(guò)抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的活性降低DNA甲基化水平，而基因組低甲基化會(huì)通過(guò)影響細(xì)胞的有絲分裂和減數(shù)分裂而干擾精子的正常形成，從而使成年雄性大鼠精子數(shù)下降[9,93]。并且這些表觀遺傳學(xué)的變化會(huì)遺傳給子代，如有研究表明，嚙齒動(dòng)物在成年期間暴露于各種化學(xué)物質(zhì)可以誘導(dǎo)其生殖細(xì)胞中DNA甲基化水平發(fā)生變化，導(dǎo)致遺傳信息發(fā)生改變，這種改變會(huì)跨代傳遞并在后代中具有表型效應(yīng)[94]。

近年來(lái)的研究表明，一些污染物如化學(xué)除藻劑新潔爾滅能夠與鯡魚精子的DNA以溝槽作用相結(jié)合[95]；在吸煙男性的精子中發(fā)現(xiàn)BaP會(huì)與精子DNA形成BaP-二醇-環(huán)氧化物-DNA加合物[8]，這種污染物直接與精子中生物大分子的結(jié)合，可能也是其損傷精子的原因之一。由此可見(jiàn)，環(huán)境污染物可以通過(guò)多種作用機(jī)制損傷精子數(shù)量及質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)雄性生物的生殖及后代產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)(Conclusions)

綜上所述，環(huán)境中的污染物可以通過(guò)不同的作用方式損傷精子的形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能以及數(shù)目，導(dǎo)致精子質(zhì)量和數(shù)量的下降。而精子質(zhì)量受損、數(shù)量下降會(huì)造成生育力降低、繁殖障礙等多種生殖異常疾病，所以明確環(huán)境污染物損害精子的靶點(diǎn)和分子機(jī)制能夠?yàn)轭A(yù)測(cè)污染物的生殖毒性效應(yīng)提供依據(jù)，并為開(kāi)發(fā)污染物對(duì)精子損傷的早期特異性分子標(biāo)記物奠定理論基礎(chǔ)。

此外，研究證實(shí)當(dāng)親本精子受損后會(huì)產(chǎn)生繼代甚至跨世代影響。例如，父系精子基因組受到氧化性DNA損傷后，繁殖后的胚胎表現(xiàn)為DNA去甲基化損傷，發(fā)育停滯[96]。當(dāng)使用氰戊菊酯灌胃成年雄性小鼠后，其精子畸形率顯著增加，精子數(shù)量減少，生精細(xì)胞皆不同程度受損。同時(shí)，它與健康雌鼠繁殖后得到的子一代雄性小鼠在未受任何毒物暴露的情況下也出現(xiàn)了生精細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常，精子密度降低，精子畸形率升高，成熟精子染色質(zhì)消失等現(xiàn)象，并且使用子一代雄鼠與健康雌鼠繁殖后得到的子二代小鼠的精子密度也顯著降低[97]，然而這種環(huán)境污染物造成的跨世代影響的分子機(jī)理和生理學(xué)機(jī)理尚不明確，可能成為今后環(huán)境污染物對(duì)精子損傷方面研究的一個(gè)新的方向。