林秋敏， 賴寶色

(福建農業(yè)職業(yè)技術學院，福建 福州 350119)

0 引言

精子活力和頂體完整性兩項指標具有顯著的相關性，足夠活力的精子才能獲能進而通過生殖道到達受精部位展開一系列的受精反應，包括精卵識別、透明帶反應等。而頂體是精子中唯一具有的產能結構部位，其完整性直接決定了精子的功能及受精過程中精子獲能的概率。精子頂體是位于精子的頭部，類似帽狀結構，是精子運動中唯一的產能部位。頂體的產能效應主要依賴于內部含有多種水解酶，如放射冠穿透酶、透明質酸酶等。精子頂體反應的發(fā)生也依賴于這些水解酶的作用。因此，對于精子而言，精子質量是精子發(fā)揮功能的基礎，其包括精子頂體完整性和精子的活力。當精子細胞受損，精子外膜的滲透壓改變，增加膜的滲透性，胞內酶釋放進入精漿，降低了精子獲能的概率。由此可見，精子頂體完整性是精子頂體內酶系統(tǒng)發(fā)揮功能的保證。研究顯示，頂體酶系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的高表達β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和血小板激活因子乙酰水解酶(platelet-activating factor acetylhydrolase，PAFAH)參與了精子發(fā)生和受精過程，尤其是頂體反應中獲能精子與卵的識別和接觸[1-4]。因此，精子頂體完整性決定了精子的完整性和精子的功能。

1 精子活力

精子活力(sperm motility)是精子具有受精能力的基礎。精子的前進運動在精卵受精過程中起著重要作用，前進運動是有活力精子的一種表現(xiàn)形式，也是對精液質量進行評價的一項重要指標依據(jù)。已有諸多研究[5-8]表明精子運動參數(shù)是反應精子活力的有效指標，包括精子的運動速度、運動軌跡以及空間位移效率[9]。根據(jù)精子運動參數(shù)變化可以有效評價精子是否具有有效的受精效應[10]。目前，計算機輔助的精子質量分析(computer sperm analysis，CASA)系統(tǒng)的應用在臨床上是評價精子運動性能的主要手段，并已經(jīng)日益普及和成熟[11]。法國卡蘇公司研發(fā)的CASAⅡ系統(tǒng)是合并顯微攝像和運動軌跡測定的新型技術，測定中可以反映精子活力和運動特性等，使實驗結果更加科學。目前主要應用于臨床男性不育患者的檢測[7-9]，對動物的精液品質研究、體外受精等也有一定的應用前景。

1.1 精子的速度參數(shù)

精子運動性能參數(shù)(VSL、VCL、VAP等)是反映精子活力的有效指標[5]，并且間接體現(xiàn)了精子與受精率的關系[12]。由此可見精子運動性能參數(shù)對精子質量評價的重要性。

1.2 精子的運動方式參數(shù)

精子的運動主要分為射精和生殖道內兩個階段。對于射精后的精子而言，精子的運動在射精后本能的迅速向各個方向游離，保持正向的前向運動。在生殖道內，精子的運動受到陰道環(huán)境及輸卵管上皮細胞的阻滯效應，精子的前向性運動會受到一定的制約。精子的前向性(STR)運動是精子活力和受精效率的間接體現(xiàn)并與受孕率呈現(xiàn)正相關[13]。除此外，精子的運動還包括直線性(LIN)運動和擺動性(WOB)運動。最新的研究也指出，精子鞭毛中不對稱的橫向波產生單方面力引起的滾動與精子在各個方向上平等地旋轉力組合形成了螺旋狀的前向運動，并且精子表現(xiàn)為繞滾動軸的雙向滾動[14-15]。

2 精子運動活性調節(jié)

2.1 精子運動結構基礎

目前對精子研究的模型中大多集中于嚙齒類動物(包括小鼠、大鼠、倉鼠等物種模型)。精子的生理性運動一般認為含有新射精子的激活和受精精子的超激活兩種[16-17]。新射精子的激活是精子鞭毛對稱性低振幅的擺動推動精子前向運動，也稱之為精子在精液中進行的趨直線運動。動物模型實驗結果顯示激活大鼠精子的鞭毛擺動提供的動力可以顯著提高精子穿過雌性生殖道的速度和減少滯留時間[18]。對于低活力的精子即使到達輸卵管，精子仍無法進行體內受精。精子到達輸卵管主要靠的是精子線粒體提供能量并通過精子鞭毛擺動進行[19]，這種“超激活運動”的形式促進了體內受精。研究發(fā)現(xiàn)，精子通過輸卵管不僅僅依靠精子的鞭毛擺動，單純的擺動所供給的能量不足，精子很難真正移動到受精位置[20]。要使得精子運動到受精的合適位置，需要精子完成超激活并且提供足夠的能量并完成精卵識別后受精[21-22]。因此，精子的激活與超激活的運動對于精子的受精具有重要作用。

精子運動激活鞭毛的擺動起到至關重要的作用。正常的精子鞭毛對精子是否能夠到達受精部位直接決定是否能進行受精。精子的運動激活初期依靠的是具有四個結構區(qū)(圖1)的鞭毛來完成，結構區(qū)分為連接段、中段、主段和末端[23-25]。研究指出精子鞭毛主要存在于連接段，也是軸絲最短的部位僅由9組二聯(lián)微管組成，并組合成內、外動力蛋白臂負責產生鞭毛的動力[26]。鞭毛的中段由9個外周致密纖維(ODF)和包圍ODF的線粒體鞘(MS)組成是頭部邊緣中特有的附屬結構[27]。鞭毛作為精子特有運動“馬達”，其擺動提供的原始運動推進力主要由鞭毛軸絲和軸絲蛋白共同完成?，F(xiàn)有研究指出，超過200種軸絲蛋白被發(fā)現(xiàn)，其中α微管蛋白是精子的核心蛋白[28]，它是鞭毛中在腺苷三磷酸酶被激活時引動擺動的關鍵。α微管蛋白的激活會引起鞭毛軸絲雙微管的滑動并產生彎曲效應，進而產生推進力[29]。軸絲雙微管彎曲產生的推進力，推進精子的前向運動對于精子運動性能而言極其重要。臨床中，軸絲雙微管的不彎曲或軸絲紊亂會降低精子的運動從而影響受精，主要包含除精子外的其他類型的纖毛細胞發(fā)生疾病。在人類和家畜中由軸絲排列異常導致的疾病研究指出，鞭毛軸絲缺陷會顯著降低精子活力并伴隨不育[30]。鞭毛中ODF的研究也指出，支撐精子尾部結構的角蛋白樣中間絲狀體ODF蛋白對細胞骨架的構建和細胞分裂發(fā)育具有重要作用[31-33]。并且，ODF蛋白的異常會影響精子的獲能。

圖1 哺乳動物精子鞭毛示意圖

2.2 精子運動能量基礎

鞭毛是精子的重要組成部分，鞭毛中含有大量的軸絲運動蛋白。研究指出，小鼠精子鞭毛運動通過ATP提供能量，當鞭毛中段產生的ATP不足時，無法將ATP送達精子尾端，進而無法滿足動力蛋白的能源需求，鞭毛運動受抑制[34-35]。同時，先前研究結果顯示不依賴線粒體的氧化磷酸化產生的ATP降低了精子的活力且低于氧化磷酸化產生的ATP功能后精子的活力[36]。這些數(shù)據(jù)表明線粒體氧化磷酸化并不是完全支持精子受精的主要能量ATP的來源。

對于精子鞭毛運動而言，F(xiàn)S在精子運動中起著機械性作用，它決定了鞭毛的平面運動性狀[37]。FS引起的軸絲微管滑動依賴于cAMP活性，特別是cAMP依賴性的蛋白激酶A(PKA)活性[38]。有研究表明，F(xiàn)S在精子運動中提供的抗氧化應激活性，主要是干擾了引起精子活力和損傷DNA[39]。另有研究指出，靶向缺失精子FS上的特異性GAPD-S酶會導致雄性不育。在哺乳動物精子FS上存在著糖酵解酶，包括己糖激酶、乳酸脫氫酶以及甘油醛-3-磷酸脫氫酶[40]。相關研究表明GAPD-S下游的靶向酶在去除膜后仍可附著在細胞骨架上，這也說明這些靶向酶是FS或ODF的組成部分，并且提供了軸絲微管滑動的必要能量供應[41]。先前研究還指出精子鞭毛主段糖酵解產生ATP是超激活運動的必要條件，而氧化磷酸化效應抑制并不完全影響受精發(fā)生[42-43]。

2.3 精子運動的調控機制

通常認為鈣信號通路和cAMP/PKA是哺乳動物精子活力調節(jié)的兩個重要途徑[44-45]。小鼠模型研究指出，缺失cAMP依賴的蛋白激酶催化亞基影響精子運動的能量供給，進而導致小鼠不育[46]。精子中的軸絲動力蛋白臂是僅有的少數(shù)被證實的具有調節(jié)精子活力的靶蛋白。軸絲動力蛋白臂是鞭毛蛋白的重要組成，該蛋白的酪氨酸酶磷酸化和去磷酸化是鞭毛擺動引起精子運動的關鍵。研究指出，在哺乳類以及嚙齒類動物機體中A激酶錨定蛋白(AKAP)與精子運動的啟動和結束關系密切[47]。AKAP的功能在于其可以將PKA及其他相關蛋白充當?shù)孜镞M行催化，激活介導靶蛋白表達變化，從而調節(jié)精子運動[47]。

除了cAMP/PKA途徑外，另一個重要的通路是鈣調蛋白關聯(lián)途徑。有研究表明，可溶性腺苷環(huán)化酶(sAC)活性受鈣離子濃度決定，sAC的改變會致使ATP水解生成cAMP進而激活PKA，引起精子激活運動和超激活運動[48]，激活的PKA可以進一步引發(fā)cAMP/PKA信號級聯(lián)反應，進而影響精子的活動能力[49]。大量研究表明，胞內鈣離子儲存改變會引起胞外鈣離子通道激活，促進鈣離子通過通道進入精子影響胞內鈣水平[50]。對于細胞的激活狀態(tài)，細胞內鈣儲備是重要的影響因素。與體細胞不同，除了頂體結構外，精子不具有體細胞的胞內鈣儲備結構。對于精子活力改變依賴的鈣離子主要來自于精子頸部的冗余核膜鈣離子通道的開放[51]。

對于鈣離子通道研究指出，環(huán)核苷酸門控通道(CNGC)可在鞭毛的不同微區(qū)結構內產生鈣內流模式[52]?；蚯贸芯匡@示，成熟精子的主段中的電壓門控鈣通道(CatSper1)是調節(jié)cAMP誘導鈣離子內流的關鍵部位[53-54]。靶向缺失CatSperI基因的結果表明胞內的cAMP刺激消失會影響精子的質量，使精子的活力降低。相關研究表明把精子中的CatSper2基因敲除，精子超激活運動受到影響，導致雄性不育[54]。因此，胞外鈣能否順利進入精子鞭毛內對鞭毛激活運動和超激活運動都是必需的。鈣調蛋白(CaM)作為細胞內鈣受體普遍存在于真核細胞中，其蛋白表達水平下調會導致精子運動活力下降[55]。sAC作為Ca2+的傳感器，激活sAC可顯著提高細胞中cAMP濃度，調節(jié)精子運動。但CaM對精子運動的影響并不是通過sAC實現(xiàn)的。這些數(shù)據(jù)顯示通過sAC環(huán)化酶可實現(xiàn)鈣離子改變調節(jié)精子運動。另外，鈣離子和CaM結合后激活下游的CaMK，進而增加cAMP濃度從而啟動精子運動[56]，使用CaMK的抑制劑可明顯降低精子活力[57]。動物機體中的鈣調蛋白參與鞭毛運動的調節(jié)[58]。因此，在精子運動中鈣通路的調控起著非常重要的作用。

精子是一種高度分化的細胞，其運動需要的蛋白質必須定位到成熟精子的尾部。前文論述中指出，AKAP被證實與靈長類動物和嚙齒類動物精子運動的啟動和結束有關[47]，主要是參與軸絲蛋白激活及運動相關靶點蛋白的激活[59]。在這方面，小鼠精子FS的主要蛋白是AKAP4[57]，AKAPs可以將蛋白質解離在精子鞭毛的不同位置，可以確保合適的蛋白質在最佳的時間及位置表現(xiàn)鞭毛功能，進而調節(jié)精子的運動。因此，了解精子運動的決定性基因和蛋白，調節(jié)精子運動的靶點及明確調節(jié)機制，對畜牧生產應用具有重要的價值。

3 結語

精子的質量是決定畜禽能否作為種源的重要因素，也是決定動物能否受精成功的關鍵指標，了解精子的活力、精子運動所需要的能量來源、運動的調控機制等，有助于掌握種畜禽精子的質量，以提高動物的生產性能，提升養(yǎng)殖水平，提高養(yǎng)殖場的經(jīng)濟效益。