精子运动调控机理的研究现况
作者：刘久华 眭元庚
单位：刘久华(222023 连云港市第二人民医院泌尿外科)；眭元庚(南京医科大学第一附属医院泌尿外科)
关键词：
江苏医药000617 多年来人们已经清楚地认识到精子计数、精子形态和精子活动与其授精能力密切相关。而精子运动是精子许多功能的一种综合的和直观的表现，正常的精子运动是在正常生理状态下，完成授精过程的基础。正常的授精过程需要有正常的或好的精子功能和正常的结构，而精子的功能状况和结构变化，可以通过精子运动的改变来加以体现。因此，深入探讨精子运动的调控机理是男性生殖生理的重要课题。
一、精子运动的原理
精子尾部与精子运动有关，精子运动靠着精子尾部鞭毛摆动产生动力。目前认为精子运动是按照滑动模式进行的。其基本原理是：在三磷酸腺苷(ATP)的启动下，鞭毛轴丝中的双联微管中A微管的两行支臂，不断脱离并重新依附于相邻双微管中B微管上连续结合的位点，从而产生双联微管间的滑动并产生一个纵向力；与双联微管有关的各种附属结构形成的滑动抗力，使由支臂产生的纵向力转化为横向弯曲动力，引起浪状波的形成和传播。在精子中有大量的线粒体，线粒体代谢中产生的ATP是精子运动主要能量来源，能激活精子鞭毛系统。凡影响ATP能库的任何因素，均可直接或间接影响精子活力。
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二、影响精子运动的因素及其调控机理
1.环腺苷酸(cAMP)-蛋白激酶-磷蛋白磷酸酶体系
(1)cAMP-蛋白激酶 精子膜受体与配体结合，激活鸟苷酸激活蛋白(简称G蛋白)，Ca2+通道开启，引起短暂Ca2+内流，腺苷酸激酶激活致cAMP水平升高，进一步激活蛋白激酶A，使蛋白质磷酸化，而启动一系列生化反应产生ATP。Parinaud等[1]研究发现孕酮能结合到人精子浆膜受体上，引起Ca2+信赖性cAMP水平升高，从而提高精子运动能力。
(2)磷蛋白磷酸酶及其调控 蛋白质的可逆性磷酸化被认为是真核细胞内各种生化反应的主要调节机制。含丝氨酸、苏氨酸的磷蛋白磷酸酶(PPs)能使磷酸化的蛋白脱磷酸来反馈性抑制蛋白激酶作用，从而抑制精子的运动。
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①PPs根据特殊底物和对特定的抑制及激动物的反应将PPs分为两型PP1型及PP2型。Da Cruze Silva等[2]研究又发现PP1进一步可分为PP1α、PP1β及PP1γ三个基因型。PP1γ以其C端氨基酸不同又可分为PP1γ1与PP1γ2。PP1γ1存在于绝大多数组织中，而PP1γ2只存在于睾丸中。PP2可分为PP2A、PP2B及PP2C三个亚型。PP1与PP2A激活时不需离子参与，而PP2B及PP2C需要Ca2+调蛋白和Mg2+参与。Smith等[3]通过单克隆抗体鉴定人类精子以PP1为主，用PP1抑制物CA处理精子可明显提高精子的运动能力。
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②I1、I2及糖原合成酶激酶(GSK-3) I1和I2是PPs的抑制蛋白。I1、I2对热和酸稳定。人类精子含有I2而无I1[3]，PP1对其抑制蛋白I1和I2敏感而PP2对I1和I2不敏感。GSK-3首先被作为调节糖原合成酶的蛋白激酶而认识，GSK-3可使I2磷酸化。GSK-3分子克隆分为GSK-3α与GSK-3β两种亚型[4]。Smith等通过单克隆抗体证实人精子含有GSK-3α与GSK-3β。GSK-3可使无活性的PP1-I2复合体中I2磷酸化，从而激活PP1，因此深入研究GSK-3，掌握其调控机制，人们可从中找出一条提高精子活力的新途径。
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2.二脂酰甘油(DG)-蛋白激酶C(PKC)体系DG是细胞膜上多磷酸肌醇磷脂的代谢产物。它与cAMP体系有相似之处，都通过膜受体分子启动G蛋白将信息传入细胞内，由膜内表面的信息放大酶，将次级信使前体分子转为次级信使，产生生物效应。DG为脂活性物质，不进入细胞质，而是留在细胞膜上，他的作用是激活PKC。当细胞膜上DG增多时，即吸引PKG至膜内缘在Ca2+与磷酯酰f丝氨酸的共同作用下，PKC被激活。PKC主要作用是促进各种效应蛋白磷酸化。佛波酯(Phorbor ester)是一种致癌剂。可模拟DG对PKC起活化作用。Zhang等[5]用佛波酯处理精子标本发现精子活力显著提高，显示DG-PKC通路在精子运动中的作用。
3.酪氨酸蛋白激酶(TPK)系统 酪氨酸蛋白激酶激活，引起邻近G蛋白构像变化，再通过PKC激活，使肌醇磷脂水解产生肌醇三磷酸(IP3)和DG，从而调节细胞生命活动，促进精子的运动。Baldi和Luconi等[6、7]发现孕酮也可通过酪氨酸蛋白酶通路提高精子运动能力。
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4.γ-氨基丁酸(GABA)及其受体 Calogero等[8]将GABA加入精液标本中观察到精子轨迹速度(VCL)和摆动频率(BCF)明显提高，精子呈高度活跃运动(HA)。用Bicuculline(一种GABA受体拮抗剂)可完全拮抗GABA作用，而GABA受体激动剂Muscimol对精子运动作用效应与GABA相同，提示GABA受体存在。显示GABA受体也参与调节精子运动。Calogero等[8]进一步分析GABA处理后的精子，发现cAMP水平并未提高，提示GABA可能是一种精子功能的生理调节者，主要通过GABA受体介导。Baldi等[6]亦认为孕酮对精子运动的作用有一部分亦是通过GABA受体介导的。有必要进一步研究以揭示GABA对精子运动作用的更详尽机制。
5.一氧化氮(NO) 左旋精氨酸源性一氧化氮存在于人体广泛组织器官中，经过10余年深入研究，表明NO能参与人体多种生理功能的调节，尤其在细胞间信息传递方面发挥重要作用，是一种细胞内和细胞外信使。NO基本作用原理是通过组织中环鸟苷酸(cGMP)增加来发挥生理作用。Yeoman等[9]实验证实NO供体(硝普钠)可显著提高仓鼠精子活力，而一氧化氮合酶(NOS)抑制剂(L-NAME)作用则相反，NO在调节精子运动中起重要作用。
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6.氧自由基(ROS)及超氧化物岐化酶 ROS包括O2-、H2O2、OH-等。ROS对生殖影响已被国内外学者关注，精子被证实能够产生ROS。ROS对精子运动功能既有有益一面，亦有有害一面，De Lamirande等[10]研究认为低浓度ROS对精子生理功能有重要作用。人类精子获能和对激素反应与细胞外O2-有密切联系。ROS可能作用于使精子酪氨酸蛋白磷酸化和脱磷酸化的酶从而发挥生理作用。过量的ROS可攻击精子细胞膜，使精子细胞膜发生脂质过氧化反应，ATP合成减少，从而导致精子活力的丧失。超氧化物岐化酶(SOD)能清除自由氧基，从而抑制细胞膜发生脂质过氧化反应，保持精子形态结构和功能正常。如何保持精液中ROS的产生和清除平衡，从而提高精子活力是人们当前积极探索的课题。
7.温度 温度对精子运动的影响目前已被多数学者肯定。Si Y[11]观察到仓鼠精子运动能力和HA在22℃～40℃范围内随着温度升高而增加，呈温度依赖性。Si Y用ATP处理去浆膜的精子，发现精子呈现不依赖于温度的HA样运动，显示温度是通过浆膜介导来调节精子活力。Chan等[12]用40℃和23℃孵育精子4小时，发现40℃处理过的精子运动能力及HA明显高于23℃孵育的精子。温度可能通过热休克蛋白(HSP)来提高精子活力，人们已经发现精子中存在HSP。另外，温度是否通过激活蛋白质磷酸化的必需酶或者增加Ca2+通道活力来调节精子运动还有待进一步阐明。
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三、结语
影响精子运动的因素很多，其调控机制也很复杂，目前仍有很多机制尚不清楚，有待于进一步研究发现。只有深入了解精子运动的调控机理，才能找到影响精子运动的有效方法，这将对男性生殖调节起重要作用。
参考文献
1，Parinaud J, Milhe P.Progesterone induces ca-dependent 3′, 5′-cyclicadenosine monophosphate increase in human sperm. J Clin Endocrinol Metab, 1996,81:1357-1360.
2，Da Cruze Silva EF, Greenard P. Cloning of neuronal isoforms of protein phosphatale by low stringenly screeing of CDNA library Necrroprptocds, 1995,6:2-10.
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3，Smith GD, wolf DP,Trautman Kc, et al. Primate sperm contain protein phosphatase l: a biochemical mediator of motility. Biol-Reprod,1996,54:719-727.
4，Huqhes K,Nikoalkaki E, Plyte SE,et al. Modulation of the glycogen synthase Kinase-3 family by tyrosine phosphoryaltion. EMBO J,1993,12:803-808.
5，Zhang Z,Baker HW. The effect of 12-myristate 13-acetate phorbol ester on human sperm hyperactivation. Fertil Steril,1997,67:1140-1145.
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6，Baldi E, Krausz C, Luconi M,et al. Actions of progesterone on human sperm:a model of non-genomic effects of steroids. J-Steroid Biochem Mol Biol,1995,53:199-203.
7，Luconi M,Bonaccorsi L,Krausz C, et al. Seimulation of protein tyrosine phosphorylation by platelet activating factor and progesterone in human spermatozoa. Mol Cell Endocrinol,1995,27:35-42.
8，Calogero AE,Hall J,Fishel S,et al. Effects of gamma aminobutyric acid on human sperm motility and hyperactivation. Mol Hum Reprod,1996,2:733-738.
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9，Yeoman RR,Jones WD,Rizk BM,et al.Evidence for nitric oxide regulation of hamwter sperm hyperactivation. J Androl,1998,19:58-64.
10，De Lamirande E,Jiang H,Zini A, et al,Reactive oxygen species and sperm physiology. Rev Reprod,1997,2:48-54.
11，Si Y. Temperature dependent hyperactivated movement of hamster spermatozoa,Biol Reprod,1997,57:1407-1412.
12，Chan PJ,Corselli JU,Patton WC,et al,Heat induced hyperactivation.J Assist Reprod Gent,1998,15:32-38., http://www.100md.com
单位：刘久华(222023 连云港市第二人民医院泌尿外科)；眭元庚(南京医科大学第一附属医院泌尿外科)
关键词：
江苏医药000617 多年来人们已经清楚地认识到精子计数、精子形态和精子活动与其授精能力密切相关。而精子运动是精子许多功能的一种综合的和直观的表现，正常的精子运动是在正常生理状态下，完成授精过程的基础。正常的授精过程需要有正常的或好的精子功能和正常的结构，而精子的功能状况和结构变化，可以通过精子运动的改变来加以体现。因此，深入探讨精子运动的调控机理是男性生殖生理的重要课题。
一、精子运动的原理
精子尾部与精子运动有关，精子运动靠着精子尾部鞭毛摆动产生动力。目前认为精子运动是按照滑动模式进行的。其基本原理是：在三磷酸腺苷(ATP)的启动下，鞭毛轴丝中的双联微管中A微管的两行支臂，不断脱离并重新依附于相邻双微管中B微管上连续结合的位点，从而产生双联微管间的滑动并产生一个纵向力；与双联微管有关的各种附属结构形成的滑动抗力，使由支臂产生的纵向力转化为横向弯曲动力，引起浪状波的形成和传播。在精子中有大量的线粒体，线粒体代谢中产生的ATP是精子运动主要能量来源，能激活精子鞭毛系统。凡影响ATP能库的任何因素，均可直接或间接影响精子活力。
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二、影响精子运动的因素及其调控机理
1.环腺苷酸(cAMP)-蛋白激酶-磷蛋白磷酸酶体系
(1)cAMP-蛋白激酶 精子膜受体与配体结合，激活鸟苷酸激活蛋白(简称G蛋白)，Ca2+通道开启，引起短暂Ca2+内流，腺苷酸激酶激活致cAMP水平升高，进一步激活蛋白激酶A，使蛋白质磷酸化，而启动一系列生化反应产生ATP。Parinaud等[1]研究发现孕酮能结合到人精子浆膜受体上，引起Ca2+信赖性cAMP水平升高，从而提高精子运动能力。
(2)磷蛋白磷酸酶及其调控 蛋白质的可逆性磷酸化被认为是真核细胞内各种生化反应的主要调节机制。含丝氨酸、苏氨酸的磷蛋白磷酸酶(PPs)能使磷酸化的蛋白脱磷酸来反馈性抑制蛋白激酶作用，从而抑制精子的运动。
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①PPs根据特殊底物和对特定的抑制及激动物的反应将PPs分为两型PP1型及PP2型。Da Cruze Silva等[2]研究又发现PP1进一步可分为PP1α、PP1β及PP1γ三个基因型。PP1γ以其C端氨基酸不同又可分为PP1γ1与PP1γ2。PP1γ1存在于绝大多数组织中，而PP1γ2只存在于睾丸中。PP2可分为PP2A、PP2B及PP2C三个亚型。PP1与PP2A激活时不需离子参与，而PP2B及PP2C需要Ca2+调蛋白和Mg2+参与。Smith等[3]通过单克隆抗体鉴定人类精子以PP1为主，用PP1抑制物CA处理精子可明显提高精子的运动能力。
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②I1、I2及糖原合成酶激酶(GSK-3) I1和I2是PPs的抑制蛋白。I1、I2对热和酸稳定。人类精子含有I2而无I1[3]，PP1对其抑制蛋白I1和I2敏感而PP2对I1和I2不敏感。GSK-3首先被作为调节糖原合成酶的蛋白激酶而认识，GSK-3可使I2磷酸化。GSK-3分子克隆分为GSK-3α与GSK-3β两种亚型[4]。Smith等通过单克隆抗体证实人精子含有GSK-3α与GSK-3β。GSK-3可使无活性的PP1-I2复合体中I2磷酸化，从而激活PP1，因此深入研究GSK-3，掌握其调控机制，人们可从中找出一条提高精子活力的新途径。
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2.二脂酰甘油(DG)-蛋白激酶C(PKC)体系DG是细胞膜上多磷酸肌醇磷脂的代谢产物。它与cAMP体系有相似之处，都通过膜受体分子启动G蛋白将信息传入细胞内，由膜内表面的信息放大酶，将次级信使前体分子转为次级信使，产生生物效应。DG为脂活性物质，不进入细胞质，而是留在细胞膜上，他的作用是激活PKC。当细胞膜上DG增多时，即吸引PKG至膜内缘在Ca2+与磷酯酰f丝氨酸的共同作用下，PKC被激活。PKC主要作用是促进各种效应蛋白磷酸化。佛波酯(Phorbor ester)是一种致癌剂。可模拟DG对PKC起活化作用。Zhang等[5]用佛波酯处理精子标本发现精子活力显著提高，显示DG-PKC通路在精子运动中的作用。
3.酪氨酸蛋白激酶(TPK)系统 酪氨酸蛋白激酶激活，引起邻近G蛋白构像变化，再通过PKC激活，使肌醇磷脂水解产生肌醇三磷酸(IP3)和DG，从而调节细胞生命活动，促进精子的运动。Baldi和Luconi等[6、7]发现孕酮也可通过酪氨酸蛋白酶通路提高精子运动能力。
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4.γ-氨基丁酸(GABA)及其受体 Calogero等[8]将GABA加入精液标本中观察到精子轨迹速度(VCL)和摆动频率(BCF)明显提高，精子呈高度活跃运动(HA)。用Bicuculline(一种GABA受体拮抗剂)可完全拮抗GABA作用，而GABA受体激动剂Muscimol对精子运动作用效应与GABA相同，提示GABA受体存在。显示GABA受体也参与调节精子运动。Calogero等[8]进一步分析GABA处理后的精子，发现cAMP水平并未提高，提示GABA可能是一种精子功能的生理调节者，主要通过GABA受体介导。Baldi等[6]亦认为孕酮对精子运动的作用有一部分亦是通过GABA受体介导的。有必要进一步研究以揭示GABA对精子运动作用的更详尽机制。
5.一氧化氮(NO) 左旋精氨酸源性一氧化氮存在于人体广泛组织器官中，经过10余年深入研究，表明NO能参与人体多种生理功能的调节，尤其在细胞间信息传递方面发挥重要作用，是一种细胞内和细胞外信使。NO基本作用原理是通过组织中环鸟苷酸(cGMP)增加来发挥生理作用。Yeoman等[9]实验证实NO供体(硝普钠)可显著提高仓鼠精子活力，而一氧化氮合酶(NOS)抑制剂(L-NAME)作用则相反，NO在调节精子运动中起重要作用。
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6.氧自由基(ROS)及超氧化物岐化酶 ROS包括O2-、H2O2、OH-等。ROS对生殖影响已被国内外学者关注，精子被证实能够产生ROS。ROS对精子运动功能既有有益一面，亦有有害一面，De Lamirande等[10]研究认为低浓度ROS对精子生理功能有重要作用。人类精子获能和对激素反应与细胞外O2-有密切联系。ROS可能作用于使精子酪氨酸蛋白磷酸化和脱磷酸化的酶从而发挥生理作用。过量的ROS可攻击精子细胞膜，使精子细胞膜发生脂质过氧化反应，ATP合成减少，从而导致精子活力的丧失。超氧化物岐化酶(SOD)能清除自由氧基，从而抑制细胞膜发生脂质过氧化反应，保持精子形态结构和功能正常。如何保持精液中ROS的产生和清除平衡，从而提高精子活力是人们当前积极探索的课题。
7.温度 温度对精子运动的影响目前已被多数学者肯定。Si Y[11]观察到仓鼠精子运动能力和HA在22℃～40℃范围内随着温度升高而增加，呈温度依赖性。Si Y用ATP处理去浆膜的精子，发现精子呈现不依赖于温度的HA样运动，显示温度是通过浆膜介导来调节精子活力。Chan等[12]用40℃和23℃孵育精子4小时，发现40℃处理过的精子运动能力及HA明显高于23℃孵育的精子。温度可能通过热休克蛋白(HSP)来提高精子活力，人们已经发现精子中存在HSP。另外，温度是否通过激活蛋白质磷酸化的必需酶或者增加Ca2+通道活力来调节精子运动还有待进一步阐明。
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三、结语
影响精子运动的因素很多，其调控机制也很复杂，目前仍有很多机制尚不清楚，有待于进一步研究发现。只有深入了解精子运动的调控机理，才能找到影响精子运动的有效方法，这将对男性生殖调节起重要作用。
参考文献
1，Parinaud J, Milhe P.Progesterone induces ca-dependent 3′, 5′-cyclicadenosine monophosphate increase in human sperm. J Clin Endocrinol Metab, 1996,81:1357-1360.
2，Da Cruze Silva EF, Greenard P. Cloning of neuronal isoforms of protein phosphatale by low stringenly screeing of CDNA library Necrroprptocds, 1995,6:2-10.
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3，Smith GD, wolf DP,Trautman Kc, et al. Primate sperm contain protein phosphatase l: a biochemical mediator of motility. Biol-Reprod,1996,54:719-727.
4，Huqhes K,Nikoalkaki E, Plyte SE,et al. Modulation of the glycogen synthase Kinase-3 family by tyrosine phosphoryaltion. EMBO J,1993,12:803-808.
5，Zhang Z,Baker HW. The effect of 12-myristate 13-acetate phorbol ester on human sperm hyperactivation. Fertil Steril,1997,67:1140-1145.
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6，Baldi E, Krausz C, Luconi M,et al. Actions of progesterone on human sperm:a model of non-genomic effects of steroids. J-Steroid Biochem Mol Biol,1995,53:199-203.
7，Luconi M,Bonaccorsi L,Krausz C, et al. Seimulation of protein tyrosine phosphorylation by platelet activating factor and progesterone in human spermatozoa. Mol Cell Endocrinol,1995,27:35-42.
8，Calogero AE,Hall J,Fishel S,et al. Effects of gamma aminobutyric acid on human sperm motility and hyperactivation. Mol Hum Reprod,1996,2:733-738.
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9，Yeoman RR,Jones WD,Rizk BM,et al.Evidence for nitric oxide regulation of hamwter sperm hyperactivation. J Androl,1998,19:58-64.
10，De Lamirande E,Jiang H,Zini A, et al,Reactive oxygen species and sperm physiology. Rev Reprod,1997,2:48-54.
11，Si Y. Temperature dependent hyperactivated movement of hamster spermatozoa,Biol Reprod,1997,57:1407-1412.
12，Chan PJ,Corselli JU,Patton WC,et al,Heat induced hyperactivation.J Assist Reprod Gent,1998,15:32-38., http://www.100md.com