精子获能的机理

2021年1月15日发(作者：【顺产侧切伤口】顺产侧切伤口多久能好_顺产侧切伤口恢复)
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Aust in 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< br>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
结合蛋 白以二价阳离子相互作用进行构架变化从而在精子获能中发挥作用。这种
离子间的相互反应在一些细胞信 号通路上演绎着重要的角色，它们主要通过调节
多种酶的生物活性，蛋白质和离子泵包括钙离子钙调蛋白 依赖性激酶来影响这
些通路[11]。
最近的研究证明获能液中钙的存在时维持人类精子活力 的一个必须因子。为
了证明在人类精子活力的钙离子调节上钙调蛋白激酶IV是否涉及到，Herr博士 组
在精子获能液中使用这种激酶的特殊抑制剂（KN62和KN93）或者它们的无效类
似物（ KN04和KN92）。结果添加的抑制剂导致精子活动性逐渐降低，但没有改
变精子的生活力，蛋白酪 氨酸磷酸化和透明带反应，而无效类似物却没有这现象
[13]。在精子获能时，定位于精子鞭毛的激酶 IV增加。总的来看，这些数据证明
了人类精子获能调控涉及到了钙调蛋白激酶IV[13]。
积累的证据表明精子获能时碳酸氢根负离子跨膜运动进入精子会使精细胞
内的pH值升高[14]。也 有报道说碳酸氢根离子会刺激腺苷酸环化酶，通过合成增
加使cAMP水平增加[16]。cAMP的主 要目的被认为是刺激PKA。PKA是一个聚合酶，
含有四个集团，包括两个调控的（R）和两个催化的 （C）单位[18]。这个聚合物
（R2C2）相互依赖稳定存在。有报道称两种PKA抑制剂可以抑制 蛋白酪氨酸磷酸
化同时抑制精子获能[10]。所以可以看出PKA在精子功能中也发挥了重要的作用。
有人提出PKA和PKC的交叉通路在精子获能和磷酸肌醇3-激酶（PI3-K）的激
活中非 常重要。有趣的是，在获能时PKA的激活被认为是磷脂酶C的失活并阻止
PKC的激活。然而这个交叉 通路激活了PI3-K。在体细胞上，瘦素和胰岛素被认
为是在PI3-KPKB通路上反应，这个通路 可调节新城代谢。同样在体细胞上，瘦
素和胰岛素还被报道称可以增加PI3-K的活性同时增加人类精 子至少2个分子的
酪氨酸磷酸化[19]。这些数据暗示了PI3-K在精子获能的细胞信号中扮演了一 个
角色。
小结
许多工作正在揭示精子获能的分子机制, 并试图得出这种生殖道外获能事件的
统一模式。一些亟待解决的问题如下: 1.胆固醇从精子质膜上的移除是怎样进行
调控的, 这种移动是如何启动细胞内信号的? PP K-A 路径被激活和酪氨
酸磷酸化上游调节的机制是什么? 3.酪氨酸残基磷酸化反应底物的属性是什么,
这种底物的磷酸化达成获能的最终目的, 即超活化、完成顶体反应及受精? 这套
复杂的信使调控系统无疑是非常独特的, 必将吸引着人们进行更为深入的研究。

参考资料：
[1] R. Yanagimachi, in: E. Knobil, J.D. Neill (Eds.), The Physiology of
Reproduction,Raven Press, New York, 1994, pp. 189–317
.
[2]

E.M. Eddy, D.A. O’Brien, in: E. Knobil, J.D. Neill (Eds.), The Physiology of
Reproduction, Raven Press, New York, 1994, pp. 29–77.
[3] P. Olds- Clarke, in: B. Bavister, J. Cummings, E.R.S. Roldan (Eds.), Fertilization
in Mammals, Serono Symposium, Norvell, MA, 1990, pp. 91–99.
[4] D.R.P. Tulsiani, A. Abou-Haila, C.R. Loeser, B.M.J. Pereira, Exp. Cell. Res.
240(1998) 151–164.
[5] D.R.P. Tulsiani, H. Yoshida-Komiya, Y. Araki, Biol. Reprod. 57 (1997) 487–494.
[6] R.K. Naz, P.B. Rajesh, Reprod. Biol. Endocrinol. 2 (2004) 75–88.
[7] R. Jones, in: S. Milligan (Ed.), Oxford Reviews of Reproductive Biology, Oxford
University Press, Oxford, 1989, pp. 285–337.
[8] K.K. Ahuja, Dev. Biol. 104 (1984) 131–142.
[9] F. Urner, G. Leppens-Luisier, D. Sakkas, Biol. Reprod. 64 (2001) 1350–1357.
[10] P.E. Visconti, J.L. Bailey, G.D. Moore, D. Pan, P. Oldsp-Clarke, G.S. Kopf,
Development 121 (1995) 1129–1137.
[11] M. Bendahmane, C. Lynch II, D.R.P. Tulsiani, Arch. Biochem. Biophys. 390
(2001) 1–8.
[12] S.K. Davis, Biochim. Biophys. Acta 558 (1979) 257–266.
[13] C.I. Marin-Briggiler, K.N. Jha, O. Chertihin, M.G. Buffone, J.C. Herr, M.H.
Vazquez-Levin, P.E. Visconti, J. Cell Sci. 118 (2005) 2013–2022.
[14] C. Uguz, W.L. Vredenburgh, J.J. Parish, Biol. Reprod. 51 (1994) 1031–1039.
[15] D.R.P. Tulsiani, H.-T. Zeng, A. Abou- Haila, Soc. Reprod. Fertil. Suppl. 63
(2007)257–272.
[16] P.E. Visconti, J.P. Muschietti, M.M. Flawia, T.G. Tezon, Biochem. Biophys.
Acta1054 (1990) 231–236.
[17] S.S. Suarez, M. Drost, K. Redfern, W. Gottlieb, in: B.D. Bavister, J.
Cummins,E.R.S. Roldan, (Eds.), Serono Symposium, Norwell, MA, Fertilization
in Mammals, 1990, pp. 111–124.
[18] M.A. Nolan, D.F. Babcock, G. Wennemuth, W. Brown, K.A. Burton, G.S.
McKnight, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101 (2004) 13483–13488.
[19] S. Aquila, M. Gentile, E. Middea, S. Calatano, S. Andò, Endocrinology 146
(2005) 552–557.