精子获能的机理

精子获能机理的探究

摘要：射出的精子当经过雌性动物生殖道时必须经历生理变化，这样才能与卵子结合。精子这一系列的生物和功能的改变就叫做精子获能。积累的证据表明启动精子获能是从胆固醇流出精子质膜开始。胆固醇的流出改变了质膜的通透性和流动性从而引起了钙离子的内流，离子的内流作为一个级联信号开启并导致了精子获能。然而这个钙离子信号所产生的精确机制仍然不是很清楚，本文主要是通过其他人发表的文章探讨其机理。

关键字：精子；获能

前沿

哺乳动物受精是一件特殊复杂的分子事件。为了和卵子结合，精子必须经历极大的改变，包括以下几方面：（1）在睾丸中形成和发育；（2）在附睾中成熟；（3）在雌性生殖道内获能;（4）最后是在受精前的透明带反应。本论文主要讨论精子获能的机理。

哺乳动物的精子在刚射入雌性生殖道时,或从附睾取出时,并不具备受精能力,必需在雌性生殖道内经过一段时间,发生生理及形态学的变化才能获得受精能力,这一现象是被美籍华人科学家张明觉和澳大利亚科学家Austin 发现的,后来被Austin 称为精子获能（Sperm Capacitation）。这一现象中精子发生很多生理生化改变，包括一些精子内部和表面的一些变化，如：精浆蛋白的移除、糖蛋白被吸收到精子的表面和精子质膜的改变[7]。

所有被研究过的哺乳动物的精子必须在雌性动物生殖道内停留一段时间才能获能[1]。哺乳动物的精子也能在体外通过在某种包含能量物质，电解质和胆固醇受体（通常是雌性动物生殖道内的白蛋白）的化学物质中获能[12]。

哺乳动物的精子包含两个部分：（1）含有顶体的头部（头的前部）和顶体后环区域（头的后部）；（2）包含主段，中段和尾段的鞭毛[2]。精子的获能是通过一系列的膜性能的改变和精子头部和尾部多种酶激活从而激活细胞信号通路的结果[15]。

尽管精子获能只是发生在受精前的一个独立事件，但它的分子机制还不是很清楚。本文主要通过谈论精子获能的信号传导通路和蛋白酪氨酸磷酸化来阐述精

子获能机理。

生物体内和体外获能

在性交过程中，数百万的精子停留在雌性生殖道内。其中的大量精子细胞都会被淘汰；但是会有一小部分比例停留在其中的精子会迅速的通过高度褶皱和充满粘液的子宫颈。子宫颈有三个作用：（1）阻止精清进入子宫；（2）排除形态不正常的精子和病原微生物；（3）为后来的运输储存精子。一旦精子进入子宫颈，就会主动或被动的快速移动到子宫和输卵管[17]。进入输卵管的精子会遭遇输卵管排出的卵子，发生透明带反应并与之融合。

精子体内获能的最初改变包括：（1）精浆蛋白的移除，糖蛋白被吸收到精子的表面；（2）经过雌性动物生殖道时精子表面分子的改变。精子获能主要是精子质膜蛋白发生多种分子变化和甾醇类物质（主要是胆固醇）的变化改变了精子质膜的性质[1]。胆固醇的流出改变了膜的通透性和流动性导致了离子的流入，从而激活了细胞内第二信使[1,4,15]。总之，在获能的过程中，这些改变引起了精子蛋白激酶的激活，蛋白酪氨酸磷酸化从而激活精子。

Yanagimachi是第一个人使用超活化这个词来描述精子获能后那种活动性特别强和尾部挥动厉害的特性[1]。超活化现在已经在所有被检验过的动物中都有所报道并且被认为是精子获能中鞭毛运动性的一个变化[3]。尽管超活化的精子活力与获能过程有关，但这两个变化过程是被两种独立的机制调控的。

射出的精子或者附睾尾部的精子也能在体外进行受精，只需放在含有牛血清蛋白、能量物质和电解质的混合液中即能获能。白蛋白是雌性生殖道内分泌的主要蛋白质，同时也是体内和体外获能的关键物质。这种蛋白质被认为是通过促进甾醇类（主要是胆固醇）从精子质膜流出从而启动精子获能。甾醇类物质的流出导致了膜性质的改变，增加了膜的通透性和流动性，造成了钙离子和碳酸氢根负离子的流入，同时激活了细胞内的第二信使。

正如上所述，钙离子和碳酸氢根负离子的流入启动了一个信号级联反应。它包括以下几方面：（a）腺苷酸环化酶的激活和环磷酸腺苷（cAMP）的生成；（b）蛋白激酶A或者其它激酶激活；（c）精子分子的一个子集发生蛋白酪氨酸磷酸化。因此，或许我们可以通过识别精子获能时或者获能过的精子的酪氨酸磷酸化分子来研究精子获能的信号通路。

除了胆固醇的流出和钙离子以及碳酸氢根负离子的流入外，另外一个导致获能的重要改变就是精子质膜的成分和分布的改变。失去了胆固醇降低了质膜上胆固醇/磷脂的比例。有证据表明精子获能前后精子质膜上的磷脂总量是没有变化的，但在质膜内外的分布却是有变化的。更进一步说，有证据表明在精子获能时，精子质膜的磷脂发生甲基化[1]。因此，我们有理由可以假设精子获能时质膜经历了一些生化变化并重新定位。

精子头部变化

应该指出的是，只有获能的精子才能粘附在透明带完整的卵子上并发生透明带反应[1,4,5]，这也与精子头前部表面发生很多改变相一致。有趣的是，有证据表明获能的精子在凝集素结合的部分发生了改变[8]。由于凝集素与糖基终端结

合是高度特异性和亲和性，所以可以得出在精子获能时，精子头部的前部分表面区域的聚糖单位发生了变化。确实我们已经证实了在培养基中获能的精子经历了膜的调整。最终的结果是获能精子顶体内谷氨酸水解酶的暴露在表面。一些顶体内的谷氨酸水解酶是谷氨酸蛋白[4]。它们暴露在获能精子的表面预计会改变精子凝集素结合的性质。

精子尾部的变化

积累的证据表明除了公猪外获能精子的鞭毛也会发生蛋白酪氨酸磷酸化[6]。Urner使用莹光免疫的方法来定位小鼠获能精子，精卵结合和异性配子融合时的酪氨酸磷酸化蛋白[9]。用这种方法证明了在小鼠精子获能时鞭毛的所有蛋白酪氨酸磷酸化都有增加。有趣的是，他们还证明了鞭毛主段的酪氨酸磷酸化增加先于鞭毛的中段。结合到透明带后，鞭毛的主段和中段区域都开始逐步磷酸化。这个过程在人类精子获能的过程中也一样。

必须重要强调的是精子尾部的蛋白酪氨酸磷酸化是与获能精子运动能力及其活力相关的。酪氨酸磷酸化抑制剂-A47是一种蛋白酪氨酸激酶抑制剂，当添加到体外获能培养液中，将抑制获能相关的蛋白酪氨酸磷酸化从而抑制精子活化。精子尾部的活跃是相当重要的，它对精子穿越卵子周围的颗粒细胞和穿过透明带极其重要，是精子获能的一个重要标志。

应该注意的是尽管在精子获能时一些分子机制被说成是蛋白酪氨酸磷酸化，并被认为是调控精子获能的重要事件，但目前为止，这些描述都是很少。早期的研究大都使用药理学的方法用抗磷酸化抗体去检验这些现象。最近，磷酸化蛋白质分析法和基因敲除方法的应用为更好的识别和描述精子获能中酪氨酸磷酸化分子起到了促进作用。这些方法的应用将会为雄性动物配子在获能中精子成分子集的蛋白酪氨酸磷酸化的生理意义带来新的深刻的见解。

信使调控系统

大多数的研究推断：钙离子，碳酸氢根负离子和cAMP是调控精子获能的第二信使关键分子。当牛的精液放在获能液中体外获能，精子内的钙离子增加6倍。这种增加将会刺激钙离子依赖性ATP酶和腺苷酸环化酶，而这两种酶是涉及到信号级联的关键酶。去掉获能液中的外钙离子，将阻碍精子获能但酪氨酸磷酸化依然进行。这些数据表明钙离子在获能的其它事件中扮演着一个角色。钙是通过钙