Stra8在精子发生中的研究进展

马仕昆,郭佳倩,郑　哲,王建军(综述),郑　英※(审校)

(扬州大学医学院 a.组织学与胚胎学教研室,b.临床医学系，江苏 扬州 225001)



Stra8在精子发生中的研究进展

马仕昆a△,郭佳倩a△,郑哲b,王建军a(综述),郑英a※(审校)

(扬州大学医学院 a.组织学与胚胎学教研室,b.临床医学系，江苏 扬州 225001)

摘要：Stra8基因的表达具有发育阶段性，且仅表达于减数分裂前的生殖细胞，它在生殖细胞的胞质和胞核中进行穿梭。视黄酸是维生素A的一种代谢产物。视黄酸可促进生殖细胞中Stra8基因的表达。维生素A缺乏小鼠精子发生停滞，生殖细胞退化，雄性小鼠不能生育。目前对于Stra8表达调控的研究主要集中在其与视黄酸相互作用的机制，但Stra8在精子发生中的分子调控机制尚未完全阐明。

关键词：生殖细胞；Stra8；视黄酸

据统计，不孕不育患者中25%～40%因男性因素所导致，在男性不育症中，85%的患者属于精子发生障碍，表现为精液质量异常，精子发生低下，生精过程停止等病理变化[1]。精子发生过程受到多种基因的网络调控，其中一些基因的异常表达可引起精子发生障碍，进而导致不育症的发生。Stra8(stimulated by retinoic acid gene 8)是一种能被视黄酸特异性诱导活化的基因，它在哺乳动物生殖细胞减数分裂前特异表达，同时也是小鼠胚胎卵巢和成年小鼠睾丸中特异表达的基因之一[2-3]。研究发现，Stra8基因敲除小鼠表现为雄性不育，提示其在精子发生中起着至关重要的作用[4]。现从Stra8的表达、视黄酸对Stra8的调控、Stra8在精子发生中的作用机制三方面进行综述。

1Stra8的表达

目前的研究表明，在小鼠胚胎发育期，Stra8仅在卵巢组织中表达，而包括睾丸在内的其他组织中都不表达[5]。对成年小鼠Stra8的多组织表达研究表明，Stra8仅在睾丸中特异表达，而在脑、心、肺、肝、肾、脾脏及卵巢等脏器组织中均未见表达。

在小鼠胚胎期12.5 d(embryonic days，E12.5) 至E16.5的胚胎卵巢中可见Stra8的表达，持续约4 d。在胚胎卵巢中生殖细胞的减数分裂依赖于Stra8的表达，它参与减数分裂前的DNA复制。当胚胎卵巢中Stra8缺失时，有丝分裂能够正常进行，但是减数分裂前的DNA复制无法顺利开始，从而阻断了减数分裂的开始，卵子无法形成。

小鼠精子发生减数分裂的实现依赖于Stra8的表达，而Stra8表达需要在视黄酸的刺激下才能完成。Zhou等[5]研究发现，在雄性小鼠出生后第5日的睾丸组织中Stra8蛋白开始表达，其表达的峰值在出生后第6日开始，一直持续到第10日，到第14～18日时表达显著下降，而在成年睾丸组织中维持较低的表达水平。免疫定位Stra8蛋白发现，在出生后第1日的睾丸内没有检测到Stra8蛋白，但是在出生后第5日，一部分生殖细胞中发现了Stra8蛋白的强烈表达，其中大部分都在生精小管的基底部出现，而在生精小管的中间很少见到。这些含有Stra8蛋白的生殖细胞形态类似于成熟的精母细胞，具有大而圆的核，区别于精原细胞的椭圆形的核。与第5日相比，出生后第10日Stra8蛋白的表达相对升高。在出生后15～20 d，Stra8在精母细胞细线前期/细线期以及精原细胞中表达。在以后的时期中Stra8蛋白的表达呈现不均匀分布状态。免疫组织化学发现，Stra8蛋白在精原细胞细线前期/细线期的Ⅶ～Ⅷ期中表达，而在其他时期未见表达。当精原细胞启动减数分裂后,Stra8的表达下降显著。因此认为，Stra8是减数分裂前期的特异性标志蛋白[6]。

早期的研究报道Stra8的亚细胞定位分布于p19细胞的胞质中，其后其他研究小组报道Stra8蛋白表达于细胞核内[7]。直到2009年Tedesco等[8]的研究明确了Stra8蛋白的亚细胞定位，Stra8蛋白同时表达于生殖细胞的细胞质和细胞核内，并在这两种部位进行穿梭，从而发挥不同的功能。Stra8 DNA具有转录活性，同时Stra8在细胞核中比在细胞质中发挥更重要的功能，主要取决于Stra8在细胞核细胞质中穿梭的细胞类型。

2Stra8在精子发生中的作用

2.1Stra8基因敲除小鼠表型分析为了探究Stra8在精子发生中的作用，Mark等[4]小组构建了Stra8基因敲除小鼠，表型分析发现，除生殖功能外其他器官未见异常表型。当雄性小鼠Stra8缺失，精子发生功能严重缺陷，小鼠睾丸体积变小，质量减轻，不能生育。20%生精小管中仅见精原细胞和支持细胞，在大多数生精小管中可见细线前期及细线期的初级精母细胞，只有少量初级精母细胞呈现出偶线期及粗线期的细胞核，而粗线中期和偶线期的初级精母细胞及减数分裂后的精子细胞等均缺乏。

Anderson等[9]也构建了不同遗传背景的Stra8缺陷小鼠，表型分析进一步证实青春期小鼠中Stra8对于细线前期精母细胞的DNA复制过程中并非必需，但对细线前期精母细胞进入减数分裂的染色体浓缩、联会及DNA同源重组过程是必不可少的。

2.2Stra8在人精子发生中的作用不仅在小鼠，在人类精子发生的过程中Stra8也同样发挥重要的作用。2013年Lu等[10]应用等位基因分析法，对比了719例原发性不育男性和383例正常生育男性CYP26B1、NANOS1和STRA8基因共计8个单核苷酸多态性位点(rs2241057，rs707718，rs1422627，rs9304651，rs2015728，rs10269148，rs17168319和rs17168337)，结果发现，Stra8的rs10269148位点的遗传变异与中国男性原发性无精子症和严重少精子症患者有相关性，这些结果提示Stra8在人类精子发生过程中可能具有极为重要的作用。

3Stra8调控的分子机制

3.1维生素A在Stra8的调控中的作用维生素A在哺乳动物生长发育以及维持机体正常生理功能方面起重要作用[11]。饮食中的维生素A一般储存于肝脏，以视黄醇的形式在血液中运输，代谢为其活性形式视黄酸后到达靶器官或靶组织发挥作用。维生素A的功能通过6个配体依赖性转录因子来进行调控，包括3个RAR转录因子(RARA、RARB和RARG)和3个RXR转录因子(RXRA,RXRB和 RXRG)[12]。维生素A缺乏小鼠精子发生停止、大部分生殖细胞退化。睾丸组织中只有A型精原细胞以及一些精母细胞细线前期存在。当给维生素A缺乏小鼠补充维生素A时精子发生又重新恢复。在视黄酸的刺激下Stra8被激活，直接进入细胞核绑定RAR受体，进而通过特定基因启动精子发生的减数分裂过程。

3.2视黄酸在Stra8调控中的作用视黄酸在生殖细胞生长、分化和凋亡过程中起着重要的作用。视黄酸在体内被细胞色素P450酶代谢。人体内参与视黄酸代谢的CYP450酶主要是CYP26家族。CYP26家族包括CYP26A1、CYP26B1和CYP26C1，其中CYP26B1的表达只在胚胎睾丸内，而在胚胎卵巢中不表达[13]，CYP26B1能够代谢视黄酸、降低视黄酸浓度。视黄酸刺激Stra8在细胞核和细胞质内表达。胚胎小鼠睾丸中Stra8表达的缺失主要是由于CYP450酶中CYP26B1发挥作用。当给小鼠注射P450抑制剂酮康唑的时候，Stra8开始表达；在E13.5时，视黄酸水平显著增加，从而促进Stra8 表达，原本未启动减数分裂的生殖细胞开始启动减数分裂[14]，但是过早启动减数分裂的生殖细胞停滞在了粗线期并大量凋亡，导致出生后的小鼠睾丸中缺乏生殖细胞。该研究间接证明了CYP26B1对Stra8表达的调控作用。另外，研究发现，CYP26B1 虽然发挥了重要的抑制作用，但在睾丸发育到E13.5后CYP26B1的表达开始逐渐减少，视黄酸水平升高，Stra8再次表达，然而在整个胚胎睾丸中未能检测到Stra8的表达[15]。因此推断，在雄性小鼠生殖细胞启动减数分裂前还存在其他因子抑制Stra8的表达。

Nanos2是小鼠雄性生殖细胞发育密切相关的蛋白，其在胚胎睾丸13.5～16.5 d特异性表达。通过Nanos2基因敲除小鼠分析发现，Nanos2是雄性生殖细胞发育必不可少的基因。Nanos2基因敲除小鼠睾丸中生殖细胞凋亡，在成年睾丸中生殖细胞完全消失，因此认为Nanos2在减数分裂前也是一个标志性基因。尽管Nanos2在野生型小鼠胚胎睾丸13.5 d开始表达，但是直到15.5 d仍没有证据证明减数分裂启动，CYP26b1的作用抑制视黄酸的表达，可以解释为Nanos2在CYP26b1浓度下降后抑制减数分裂启动，确保雄性生殖细胞不会过早地进入减数分裂，但Nanos2并不是调控减数分裂的主要机制[6]。

3.3调控Stra8的其他分子在Stra8表达的过程当中，主要受到视黄酸的调控，还有其他一些基因对Stra8的表达具有调控作用，例如Win18446[16]、Dmrt1[17]等。它们对于Stra8的表达具有直接或者间接的调控作用。Win18446在新生儿睾丸中抑制视黄醇往视黄酸转化，能够直接地抑制生精细胞中Stra8的表达。在成年小鼠睾丸中，运用显微解剖法将生精小管生理性地分为4个集群，其中第1个集群由精原细胞细线期Ⅻ～Ⅰ阶段组成; 第2集群为Ⅱ～Ⅵ阶段; 第3集群为Ⅶ～Ⅷ阶段，第4集群为Ⅸ～Ⅺ阶段[18]。其中Win 18644只在第2和第3集群影响Stra8的表达。同时在胚胎卵巢中Stra8的表达也受到Win18446的影响。Dmrt是一类含有锌指样、富含半胱氨酸、能和特异DNA序列结合的DM结构域的转录因子，其中Dmrt1是其中的一种，它在雌雄胚胎期的生殖脊表达，当胚胎性别确定不久之后只在睾丸中特异性表达，Dmrt1直接刺激Stra8的表达，它是Stra8转录的活化剂。在成年小鼠睾丸中，Dmrt1能够抑制Stra8的转录，而在胚胎期的卵巢中，Dmrt1能够激活Stra8的活性，这意味着Dmrt1自身就存在着一些活性差异，例如翻译后修饰、不同标准的调控机制等情况。在E13.5的睾丸中并没有检测到Dmrt1能够激活Stra8，因此认为DMRT1活动可以控制DNA的水平[19]。

4展望

调控减数分裂起始的基因被认为是男性生殖能力和精子功能的关键因素。Stra8能够在精原细胞不同阶段被视黄酸激活[20]，维生素A缺乏的小鼠生精小管中只剩下一些支持细胞和一些未分化的精原细胞。而对于调控Stra8表达的一些上游基因，如CYP26B1、Nanos2、Dmrt1、Win18644等基因已经有了初步的了解，但是受Stra8调控的下游基因有哪些、它们调控精子发生的机制是什么尚不清楚。因此Stra8参与精子发生的分子机制至今尚未完全阐明。研究Stra8基因的功能，阐明其在精子发生中的分子机制，对建立男性不育症的分子诊断方法、生精障碍的基因治疗以及为研制男性基因工程类避孕药物提供候选成分，促进我国男性生殖健康的基础研究和临床诊断均具有重要的理论和实践意义。

参考文献

[1]Isidori AM,Pozza C,Gianfrilli D,etal.Medical treatment to im-prove sperm quality[J].Reprod Biomed Online,2006,12(6):704-714.

[2]Snyder EM,Davis JC,Zhou Q,etal.Exposure to retinoic acid in the neonatal but not adult mouse results in synchronous spermatogenesis[J].Biol Reprod,2011,84(5):886-893.

[3]Imudia AN,Wang N,Tanaka Y,etal.Comparative gene expression profiling of adult mouse ovary-derived oogonial stem cells supports a distinct cellular identity[J].Fertil Steril,2013,100(5):1451-1458.

[4]Mark M,Jacobs H,Oulad-Abdelghani M,etal.Stra8-deficient spermatocytes initiate,but fail to complete,meiosis and undergo premature chromosome condensation[J].J Cell Sci,2008,121(Pt 19):3233-3242.

[5]Zhou Q,Nie R,Li Y,etal.Expression of stimulated by retinoic acid gene 8 (Stra8) in spermatogenic cells induced by retinoic acid:an in vivo study in vitamin A-sufficient postnatal murine testes[J].Biol Reprod,2008,79(1):35-42.

[6]Feng CW,Bowles J,Koopman P.Control of mammalian germ cell entry into meiosis[J].Mol Cell Endocrinol，2014，382(1):488-497.

[7]Baltus AE,Menke DB,Hu YC,etal.In germ cells of mouse embryonic ovaries,the decision to enter meiosis precedes premeiotic DNA replication[J].Nat Genet,2006,38(12):1430-1434.

[8]Tedesco M,La Sala G,Barbagallo F,etal.STRA8 shuttles between nucleus and cytoplasm and displays transcriptional activity[J].J Biol Chem,2009,284(51):35781-35793.

[9]Anderson EL,Baltus AE,Roepers-Gajadien HL,etal.Stra8 and its inducer,retinoic acid,regulate meiotic initiation in both spermatogenesis and oogenesis in mice[J].Proc Natl Acad Sci,2008,105(39):14976-14980.

[10]Lu C,Xu M,Wang Y,etal.Genetic variants in meiotic program initiation pathway genes are associated with spermatogenic impairment in a Han Chinese population[J].PLoS One,2013,8(1):e53443.

[11]付中滇.视黄醇类对细胞生长的调节[J].国外医学:卫生学分册,1985,12(3):150-154.

[12]Kashyap V,Laursen KB,Brenet F,etal.RARγ is essential for retinoic acid induced chromatin remodeling and transcriptional activation in embryonic stem cells[J].J Cell Sci,2013,126(Pt 4):999-1008.

[13]Trautmann E,Guerquin MJ,Duquenne C,etal.Retinoic acid prevents germ cell mitotic arrest in mouse fetal testes[J].Cell Cycle,2008,7(5):656-664.

[14]Bowles J,Knight D,Smith C,etal.Retinoid signaling determines germ cell fate in mice[J].Science,2006,312(5773):596-600.

[15]MacLean G,Li H,Metzger D,etal.Apoptotic extinction of germ cells in testes of Cyp26b1 knockout mice[J].Endocrinology,2007,148(10):4560-4567.

[16]Hogarth CA,Evanoff R,Snyder E,etal.Suppression of Stra8 expression in the mouse gonad by WIN 18,446[J].Biol Reprod,2011,84(5):957-965.

[17]Krentz AD,Murphy MW,Sarver AL,etal.DMRT1 promotes oogenesis by transcriptional activation of Stra8 in the mammalian fetal ovary[J].Dev Biol,2011,356(1):63-70.

[18]Kotaja N,Kimmins S,Brancorsini S,etal.Preparation,isolation and characterization of stage-specific spermatogenic cells for cellular and molecular analysis[J].Nat Methods,2004,1(3):249-254.

[19]Matson CK,Murphy MW,Griswold MD,etal.The mammalian doublesex homolog DMRT1 is a transcriptional gatekeeper that controls the mitosis versusmeiosis decision in male germ cells[J].Dev Cell,2010,19(4):612-624.

[20]Van Pelt AM,de Rooij DG.Synchronization of the seminiferous epithelium after vitamin A replacement in vitamin A-deficient mice[J].Biol Reprod,1990,43(3):363-367.

Research Progress of Stra8 in SpermatogenesisMAShi-kuna,GUOJia-qiana,ZHENGZheb,WANGJian-juna,ZHENGYinga.(a.DepartmentofHistologyandEmbryology,b.DepartmentofClinicalMedicine,MedicalCollege,YangzhouUniversity,Yangzhou225001,China)

Abstract:Stimulated by retinoic acid gene 8 (Stra8) gene expression developmental stage featured,which only expresses in reproductive cells before meiosis,and moves back and forth in the cytoplasm and nucleus of germ cells.Retinoic acid is a kind of metabolite of vitamin A.Retinoic acid can promote reproductive cells Stra8 gene expression.Spermatogenesis stagnation,germ cell degeneration,male infertility are observed in vitamin A deficient mice.The research for Stra8 expression regulation is mainly focused on the mechanism of interaction with retinoic acid,while the molecular regulation mechanism of Stra8 in spermatogenesis has not been fully elucidated.

Key words:Spermatogenesis; Stimulated by retinoic acid gene 8; Retinoic acid

收稿日期：2014-10-11修回日期：2014-12-30编辑：相丹峰

基金项目：国家自然科学基金(31371174)；江苏省自然科学基金(BK20131230);扬州市社会发展科技攻关计划(2012127)；扬州大学研究生科学创新基金

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.14.002

中图分类号：R339.21

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)14-2500-03