成熟精子经射精后进入女性生殖道直至与卵细胞相遇并完成受精的过程中,需要经历获能(capacitation)才能使精子获得穿透卵子透明带的能力。精子获能是精子在受精前必须经历的一个重要阶段。精子获能涉及精子膜上包被的一些大分子物质的去除,尤其是一些来源于附睾分泌物或精浆中的抑制性分子的丢失,才能使精子膜上原有的膜蛋白、膜磷脂、离子通道和受体等暴露出来。另一方面,如果精子过早开始获能过程,会使精子丧失穿越女性生殖道到达子宫及输卵管的能力,因此需要抑制性分子包被于精子表面,保证精子不会提早获能,这些抑制性分子叫做去能因子。附睾分泌的部分蛋白就与防止精子过早获能及发生顶体反应有关。如附睾尾部分泌的丝氨酸蛋白酶抑制蛋白可通过影响精子膜上钙离子的内流抑制精子获能;附睾特异表达的羧酸酯酶类蛋白通过水解酯化胆固醇和胆碱能物质以防止成熟精子过早活化。

精液进入女性生殖道后,精浆中的去能因子被稀释或降解,从而使精子进入获能状态。获能是一个多步骤的过程,包括精子的超极化的运动、精子膜蛋白的变化、膜流动性的变化,直到顶体反应的发生,才标志着获能的完成。精子获能的分子机制相当复杂,目前尚未完全明确。能够影响精子获能的因素有Ca2+、HCO-3等离子,胆固醇受体、离子通道等膜蛋白,PKA、PKC、PI3K、PTK等激酶,cAMP、NO等小分子。这些胞外和胞内的物质共同构成了调节精子获能的信号网络。近十年来,研究得比较清楚的两个调控获能的因素是精子胞内Ca2+(intracellular calcium)和蛋白磷酸化(protein phosphorylation)。

在获能的早期,精子胞内Ca2+浓度升高。Ca2+本身作为信号分子,可以上调腺苷酸环化酶的活性,以加强cAMP信号通路的效应;其次Ca2+可以激活Ca2+依赖的蛋白激酶或者参与其他离子通道的调节。另外,Ca2+可以和靶分子作用传递信息:如通过与Ca2+调蛋白(CaM)或其他Ca2+结合蛋白相结合,活化后者,发挥其生物学功能。此外,Ca2+可能是精子进入超激活运动的关键分子。高水平的Ca2+浓度也是后续发生顶体反应和精卵融合的必要条件。然而,最初启动胞内Ca2+自发升高的机制还不清楚,可能与精子膜胆固醇流失导致膜通透性改变或者某些钙离子通道的激活或者对Ca2+-ATP酶的抑制有关。

在精子获能过程中,蛋白磷酸化水平显著升高。根据磷酸化位点,蛋白磷酸化的激酶大致分为两类:丝/苏氨酸激酶(包括PKA、MAPK)和酪氨酸激酶。一般认为,精子获能过程中,去能因子抑制的消除以及Ca2+升高激活了腺苷酸环化酶活性,催化ATP合成环磷酸腺苷(cAMP),使胞内cAMP水平上升,随后活化cAMP依赖的蛋白激酶A(PKA)并进一步激活其他蛋白激酶,如PKC、MAPK等。Ficarro等检测发现精子获能后有18个蛋白发生了酪氨酸磷酸化,包括离子通道、酶类和鞭毛区的结构蛋白。

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