精子趋化运动的机制

如前所述,在海洋无脊椎生物中,趋化运动的分子机制已经有了较多的研究和结论,但人和哺乳动物精子趋化运动产生的分子机制尚不清楚。一些研究报道了有些物质可能参与调节精子趋化性的发生,例如Ca2+、cAMP、cGMP、IP3等。下面将分别予以介绍。

Ca2+与趋化运动

Ca2+信号与精子趋化运动有关联。在海洋无脊椎生物,精子对卵子释放的趋化源产生应答,通过改变[Ca2+i来调节鞭毛非对称性运动。海胆卵子释放的极少量的resact与精子膜上的受体型-鸟甘酸环化酶结合,可以触发电压依赖型Ca2+通道开放,诱导精子产生“turn and run”运动模式。这种情形同样在海鞘精子也观察到。精子[Ca2+i的升高是间歇性的,与精子转向运动有关。当精子沿着化学趋化物浓度梯度递减方向游动时(即偏离趋化源时),鞭毛内出现Ca2+振荡波(内流)诱发精子鞭毛不对称鞭打及运动曲率增加,表现为转弯运动;当精子转到朝向趋化源运动的方向时,尾部鞭打运动和运动曲率明显降低,表现为一段直线运动。如此周而复始,精子逐渐向趋化源移进。

目前为止,有一些关于人和小鼠精子存在odorant受体,并能对浓度梯度分布的特异性odorant产生趋化性应答的报道。人精子暴露于bourgeonal时,其尾部中段的[Ca2+i水平升高。相似的反应在小鼠精子接触到lyral后也能观察到。然而,尽管孕酮在精子趋化运动中的作用尚有争议,但是,当人精子暴露于浓度梯度分布的孕酮,可以观察到逐渐增高的[Ca2+i,约三分之一的精子在鞭毛基底部出现钙震荡。产生应答的精子尾部在[Ca2+i峰值时显示一过性的弯曲幅度增加。到目前仍不清楚,精子对孕酮的Ca2+反应是与高度活跃运动还是与趋化运动有关,或者两者都有关。

cGMP/cAMP/IP3

cAMP是细胞内第二信使,可以激活cAMP依赖性激酶(PKA),后者通过激活内质网上IP3受体或者活化阳离子通道以增进胞内Ca2+释放;cGMP依赖性的蛋白激酶G(PKG)具有多种生理底物,包括细胞骨架动力蛋白、Ca2+信号(IP3受体、L-Type Ca2+channel、K+通道)及其他离子通道调节等,故参与多种生理活动的调节;IP3与其受体结合可以直接促胞内Ca2+释放。因此,三者都参与胞内[Ca2+i的调节。

然而,与精子Ca2+通道开放相关的胞内信使物质目前仍不清楚。cGMP、cAMP和IP3依然是研究较多的信号物质。已观察到精子胞质内增加的pH和cAMP可激发Ca2+内流。Walensky等也提出G蛋白-偶联的腺苷酸环化酶和磷脂酶C可能与趋化性信号转导有关。当cAMP浓度增加就会激活精子呼吸链和活力;同时,IP3能促进精子尾部中段的胞内钙库释放Ca2+,从而调节精子运动模式,诸如出现尾部不对称的鞭打运动。因为[Ca2+i与精子趋化性关系密切。因此,cAMP和G蛋白-偶联受体通过影响[Ca2+i而参与调节精子趋化运动。与之相反,Kaupp等认为是cGMP激发Ca2+内流,而cAMP和质子却不一定必需。这种不同的结论可能与实验中记录的Ca2+内流的不同时期有关。

胞内pH

质子被认为在海洋无脊椎动物精子生理活动中发挥重要作用,海胆精子胞质内pH升高可能参与启动精子运动、趋化性信号以及顶体反应等细胞内事件。细胞膜电位变化引起的Na+/H+交换通道激活可能是一种化学趋化性信号。当resact与环鸟苷酸酶(CG)受体结合后可以增加细胞内cGMP浓度,后者开放k+通道引起精子胞膜超极化,进而通过Na+/H+和Na+/Ca2+交换泵将H+和Ca2+泵出细胞外,造成胞内高pH和低Ca2+。高[pH]i激活腺苷酸环化酶,产生cAMP,后者又通过两条途径刺激Ca2+内流:一是在膜电位超极化状态下激活H+/Na+交换泵引起胞膜去极化,相应激活电压依赖性的Ca2+通道使得Ca2+内流。另一条途径是直接作用Ca2+通道使Ca2+内流。

嗅觉受体

研究发现精子上存在G蛋白-偶联的嗅觉受体,这支持在精子膜上存在化学趋化物受体的观点。狗精液内只有少量精子能被睾丸嗅觉受体的抗体所识别,这与先前所提及的事实一致:即在给定时间段内,只有少部分精子表现趋化性应答。嗅觉受体定位于成熟精子尾部中段,那里同时是线粒体富集的位置,推测嗅觉受体可能参与转导趋化性信号。当化学趋化物质与受体结合后,可能会激活一个或一些类似于在嗅觉系统发生的信号通路。例如cAMP在精子趋化运动中可能参与调节晚期Ca2+内流事件。同时,cAMP在嗅觉信号转导中也有重要作用。嗅分子与嗅感受器的纤毛浆膜相结合,激活专一性G蛋白,促使胞膜结合腺昔酸环化酶同工酶活化,引起cAMP水平的升高。cAMP可促使cAMP门控阳离子通道的开启,引起嗅感受器细胞的去极化,从而导致传导性动作电位的产生。因此,嗅觉受体参与调节精子趋化性的可能性很大,因为已在雄性生殖细胞上发现了所有嗅觉细胞上存在的信号通路上的所有元素。

其他

β-趋化因子受体3和5(CCR3,CCR5)被发现存在于射出的人精子表面:CCR3存在于顶体后帽,CCR5存在于顶体周围区域。推测β-趋化因子及其受体一起参与调节精子趋化性。L-色氨酸是神经调节剂5-羟色胺(5-HT)的生物前体。有证据显示5-HT受体存在于软体动物精子膜上,包括5-HT1 和5-HT3,前者可以激活腺苷酸环化酶,后者则与离子通道开放有关。精子激活可能与尾部动力蛋白α 链cAMP-依赖的磷酸化有关。

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