精子运动能力的发育控制:精子细胞信使系统

附睾精子成熟过程中,与精子运动能力获得和发育调控关系比较密切的精子细胞信使系统,目前认为有钙离子、钙调蛋白、cAMP、磷酸二酯酶抑制剂以及细胞外低浓度ATP的非能量调节作用等。

Ca2+不仅在细胞中起兴奋—收缩耦联作用,而且在一切细胞的运动、分泌、代谢、分化等基本过程中都起着耦联和/或第二信使的作用,因此在精子上述生理过程中,Ca2+的调节作用十分引人注目。

Ca2+对于精子的调节作用是通过精子内Ca2+浓度的改变和分布变化来实现的。影响这种钙离子浓度和分布变化的机制有很多,如精子膜上的钙泵,一些非离子选择性通道和特异性的钙离子通道。从目前研究情况来看,存在于精子膜上的特异性Ca2+通道在精子内钙离子的调节方面起了重要的作用。现有研究表明,精子膜上钙离子通道主要有:

  1. 电压门控通道(volta ge-gated calcium channels,VGCC);
  2. 环核苷酸门控通道(CNGC);
  3. 孕激素受体Ca2+通道(PRC)等。

不同种属动物精子上可能有不同类型的VGCC。有的表现为L型,而有的则表现为T型;两型通道其开放的电压阈值不同。不同种族哺乳动物附睾精子运动获得过程中所表现出的种族差异,可能与其不同的钙离子通道行为有关。附睾液内的高钾可能会使精子膜去极化,而使精子内钙离子浓度过高,造成精子运动的抑制,使附睾尾部精子在生理状态下,在附睾尾部中处于静息状态。

Falsetti和Giojalas等人发现人射出精子活动率与精子受孕激素作用后钙离子浓度增加的程度呈线性关系。实验证明,精子上有孕激素结合蛋白。孕酮和17α-羟孕酮可与一些大分子物质如白蛋白等共价结合成复合物(Prog CMO BSA)作用于细胞膜受体,这种复合物的作用程度与单独使用相差无几。通过FITC结合荧光标记显示受体位于精子头部而不在中段和尾部。

Weyand等从公牛睾丸cDNA文库中分离出特定重叠互补的DNA克隆。这些克隆在很大程度上表现出与已知的CNG通道顺序相似。睾丸CNG通道包含所有具有离子通道家族特征的活性团顺序:环核甘酸位点,孔区和六个公认的跨膜片段,包括一个电压敏感样的S4活性团。将该通道特异性cDNA注入蟾蜍卵,并用膜片钳方法观察,发现电流激活作用cGMP明显高于cAMP。有学者在公牛和人精子膜上也记录到了小的cGMP激活的电流。虽未能在精子上直接看到cGMP诱导的精子内增加,但它们在转染CGTE cDNA的HEK293细胞和精子残余体上,见到了8Br-cGMP能刺激细胞内Ca2+浓度的增加,当去除细胞外Ca2+后,cGMP就不能诱导其Ca2+的增加。说明这种Ca2+的增加是通过CNG通道而来源于细胞外的。

精子胞质内游离钙可能是调控精子活动力的关键。精子内线粒体外钙的增加与刺激精子运动有关联。生理情况下,精子跨膜Ca2+梯度浓度保持在相对稳定状态,细胞内Ca2+水平的改变影响鞭毛活动水平和状态。Lindemann等指出,Ca2+在控制精子鞭毛曲率和改变精子活动状态中起着重要的作用。当精子内Ca2+浓度低于10-9 mol/L时,精子显示对称波形态活动,但高于10-6 mol/L时,精子呈不对称游动或活动被抑制。Ca2+载体A23187引起的Ca2+内流,或不同浓度的Ca2+作用于去膜精子,都能明显改变精子的运动。A23187引起Ca2+内流所诱发的精子获能和顶体反应时,精子表现出了一种高度活跃的“鞭打样”运动。不同浓度的A23187作用,精子运动所表现出的形式也不一样,在高浓度时则能明显抑制精子运动。一些实验也表明,哺乳动物附睾尾部精子和射出精子运动的启动与Ca2+的内流有关,但在人射出精液中,加入高浓度CaCl2(127.32mmol/L),精子在1min内全部失活。一些Ca2+通道阻滞剂能明显抑制精子运动和顶体反应。在无钙溶液中,精子不会产生运动。因此,Ca2+对于精子运动的作用具有抑制和刺激的双重作用,精子膜内外Ca2+浓度的变化,都影响精子的活动状态。精子内钙离子浓度改变对运动精子而言可能是以改变精子运动方式为主。

Ca2+影响哺乳动物和无脊椎动物精子活动是通过对鞭毛轴丝的调控来完成。轴丝中微管的滑动需要钙ATP酶,有学者发现在羊成熟精子可以测到该酶,而在未成熟精子则测量不到。钙离子对轴丝的影响还可能是通过钙调蛋白而起作用。钙调蛋白是精子主要的酸性糖蛋白,在精子沿着整条鞭毛均发现钙调蛋白的存在。吴立君等用磷酸二酯酶同位素检测方法,以显示该酶活性的方法,观察了大鼠附睾精子中的钙调蛋白。显示在大鼠附睾精子中,以附睾体部精子内的钙调蛋白活性最高。这个区域的变化结果顺应了附睾体部可能是精子运动获得和发育的一个关键部位的论点。钙调蛋白在有钙离子存在的条件下,参与精子鞭毛微管的拆卸和装配,同时,它也可以刺激磷酸二酯酶而降低精子内cAMP的浓度。用钙调蛋白抑制剂可抑制精子的运动和引发牛和狗精子的绕圈运动。

cAMP虽然不能引起去膜精子的鞭毛运动,但却能增加制动的精子在加入ATP后复活的运动鞭毛摆动频率和振幅,并促进精子的前向运动。一般认为cAMP可能是通过依赖cAMP的蛋白激酶起作用的。这些激酶在牛、羊和大鼠的精子中均有发现。精子内的磷酸化蛋白磷酸酶的活性很高,微管蛋白的磷酸化作用会影响鞭毛微管的滑动。有学者认为cAMP并不影响精子去膜后轴丝体的微管滑动率,因此cAMP可能作用于微管的附属结构。Cooper用刺激物(cAMP)和反应能力(蛋白激酶)来解释cAMP通过蛋白激酶的调控关系刺激牛附睾精子的运动。牛附睾头部精子比附睾尾部精子含的蛋白激酶活性低,因此,即使提高牛附睾头部精子内的cAMP浓度也未能引发其前向运动,在牛附睾头部的精子刺激物和反应能力都还未发展起来。一些动物精子内cAMP的浓度是随附睾成熟而增加的,而在如大鼠等附睾头部精子内的cAMP浓度要高于附睾尾部成熟精子。因此,在cAMP调节附睾精子运动的机制中还要考虑精子的反应能力问题,在精子的反应能力上,有学者已经证明依赖cAMP的蛋白激酶含量和精子鞭毛运动能力的发展有密切的关系。在附睾尾部精子,如果用磷酸二酯酶抑制剂,如己酮可可碱、茶碱、咖啡因等明显刺激其运动,同时也伴随着精子内cAMP含量的增加。当然,像这些精子运动刺激物不单单是作用于增加cAMP一个环节而刺激精子的运动,如咖啡因还可能抑制胆碱酯酶,通过胆碱能系统刺激精子活动。己酮可可碱还能降低精子的氧自由基反应等。

ATP能恢复去膜精子的运动,ATP本身又是精子运动代谢的能量来源。但这些都是从细胞内ATP的能量角度来考虑的。但是近年来发现,细胞外低浓度的ATP(μmol/L)(在大多数细胞,细胞内ATP浓度可达大于5mmol/L的水平),就能影响组织细胞的许多生物过程,包括血小板的聚集,血管张力,神经传导(外周或中枢),心肌功能和肌肉收缩,细胞分化和DNA的合成和分裂,增加上皮细胞纤毛摆动频率和上皮细胞内钙离子浓度,刺激钙离子依赖性钾离子通道和氯离子分泌;刺激内皮细胞产生前列环素(prostacyclin,PGI2)和NO(一氧化氮,或称氮氧自由基),具有神经递质和信使样的调节作用。吴立君等在实验中发现细胞外ATP能明显影响大鼠附睾尾部精子的运动。并且能使因细胞外无钙环境造成的制动精子出现运动,其作用机制可能是细胞外ATP通过精子膜上与G蛋白耦联的P2U受体,调节IP3通路,刺激精子钙库-线粒体内钙离子的释放,引起精子内钙离子的重新分布,调节了精子的运动。细胞外ATP在刺激附睾尾部精子运动的同时,也增加了精子内cAMP和游离钙离子的浓度。

细胞内信使系统和能量系统对精子生物活动,包括精子运动的调节不是相互独立的,他们之间也存在着密切的关系。如吴立君等通过实验也发现,细胞外ATP也能促进大鼠附睾精子对介质中肉碱的摄取,并能增强精子的线粒体功能。

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