锰的雄性生殖毒理效应及其机制研究进展*

褚　慧 综述，王乾兴 审校（遵义医学院细胞生物学教研室，贵州遵义563000）

·综述·

锰的雄性生殖毒理效应及其机制研究进展*

褚慧 综述，王乾兴 审校
（遵义医学院细胞生物学教研室，贵州遵义563000）

锰中毒；精子；精细胞；睾丸；细胞凋亡；综述

锰作为一种古老的职业危害因素和环境污染物，其来源多样，用途广泛。与锰相关的行业，如采矿、精炼、干电池生产、焊接等领域均可增加人类的锰暴露水平。近年来，无铅汽油及杀真菌剂的广泛使用更加大了空气、土壤和食物的锰污染的程度。机体长期低剂量的锰暴露会引起职业性慢性锰中毒［1］。近年来的人群调查显示，锰可对接触锰男工的生殖功能造成很大的影响，严重降低其的生殖能力，接触锰的男工其妻子自然流产率和死胎率可随着其丈夫接触锰时间的增长而升高［2］。部分男工在接锰后可出现阳瘘、早泄、性欲改变、生精困难等症状［3］。另有报道发现，锰对职业暴露男工精子有直接损伤作用，高浓度接锰（0.94 mg/m3）男工的子女出生数量明显减少，而低浓度接锰（0.14 mg/m3）的男工精子数量、精子活力、精液浓度和活动精子百分比明显降低［4］。因此，锰对人体生殖系统的影响和危害已成为人们关注的热点。现将锰的雄性生殖毒性研究综述如下。

1　锰对睾丸的影响

1.1对睾丸的形态学影响锰对睾丸损伤的形态学影响主要体现在对精子发生、曲细精管上皮结构及间质细胞的影响，表现为精原细胞核固缩，精子细胞、次级精母细胞发育障碍，细胞膜皱缩，核固缩或出现空泡，间质细胞出现核固缩，少数支持细胞脱落。

1.2睾丸组织生化的改变锰作用于机体后可引起睾丸组织生化改变，这些变化注要体现在曲细精管的酶系统和睾丸的氧化应激状态，即可引起睾丸内抗氧化酶活性的降低，细胞内活性氧（ROS）的氧化应激状态增加［5］。有报道称，锰暴露可明显降低鸡睾丸细胞内过氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的活性，抑制羟自由基（·OH）的活性，引起睾丸组织病理改变，最终使细胞凋亡增加［6］。

2　锰对生精细胞的影响

锰对生精细胞的影响主要表现在对动物生精上皮细胞数、精子数量、畸形率和活动度等产生严重的影响［7］。郭海等［8］通过对健康SD大鼠腹腔注射氯化锰（每天1次，每周 5 d，共计 4周）的研究发现，染锰 15 mg/kg组与30 mg/kg组28 d时小鼠精子畸形率均升高，而染锰56 d时升高更显著，提示染锰15 mg/kg 28 d已经造成小鼠睾丸生精功能的明显损害。此外，张先平等［9］研究发现，大鼠腹腔注射15、30 mg/kg氯化锰溶液可导致大鼠生精细胞凋亡指数（apoptosis index，AI）增加、生精细胞增殖指数（proliferating index，PI）降低。锰还可诱导大鼠生精细胞细胞色素C（cyto-C）和支持细胞波形蛋白（vimentin，VM）的表达，抑制生精细胞增殖，从而产生生殖毒性效应［10］。

3　锰对性腺激素的影响

锰能引起多巴胺（DA）和5-羟色胺（5-HT）含量减少［11］，降低DA和5-HT对促卵泡生成激素（FSH）、促黄体生成素（LH）的抑制作用，引起FSH和LH浓度升高，下丘脑受循环中性激素水平的负反馈作用，致使血中睾酮浓度降低、LH和FSH浓度升高，从而导致睾酮分泌减少。有研究发现，长期低剂量的锰暴露可导致接锰工人的血清中的泌乳素（PRL）、促甲状腺激素（TSH）、促黄体激素（LH）水平下降，并在一定程度上影响神经内分泌激素的代谢［9］。

4　锰对睾丸酶系统的影响

锰可抑制机体多种酶的活性，尤其抑制含锌酶、含巯基酶和能量代谢酶的活性，干扰曲细精管细胞的能量合成，使曲细精管葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的活性降低，曲细精管生精细胞变性坏死，从而影响雄性生殖能力。锰通过抑制乳酸脱氢酶同工酶LDHx，阻碍精子能量来源，干扰粗线期初级精母细胞的减数分裂，进而影响精子的数量和活动力［12］。适量的锰可在生物体内对抗氧自由基，激活细胞色素氧化酶P450（CYP450）的活性，进而引起细胞死亡［13］。

5　锰与线粒体凋亡途径

线粒体是细胞内主要的ATP生产场所，具有高度动态的网状结构，可通过持续的融合、分裂来维持平衡，可介导细胞凋亡［14］，在人的衰老细胞、癌症细胞凋亡及信号转导过程中起着非常重要的作用。大量的研究表明，锰对线粒体有特殊的亲和力［15］。锰作用后，细胞可通过线粒体发生凋亡，表现出细胞凋亡的各种形态特征，即胞质浓缩、DNA大规模片段化、细胞膜内陷形成凋亡小体。

5.1线粒体膜通透性的改变线粒体通透性转换孔（MPTP）位于线粒体内外膜之间，由多个蛋白质组成，在线粒体内外信息交流中占据重要地位。MPTP的开放可引起线粒体跨膜电位的消失、基质的Ca2+外流，超氧离子产生caspase家族激活因子，将caspase激活，caspase激活后又可增加膜的通透性。MPTP的开放是一个自我放大的过程，其可以加速细胞的凋亡，而且可以协调某些凋亡反应［16］。

5.2锰与cyto-C正常情况下，cyto-C是一个定位于线粒体定位序列（IMS）的水溶性蛋白质，可稳定地结合于线粒体内膜，但不能通过外膜。cyto-C的释放是细胞凋亡的关键步骤，其可在脱氧腺苷三磷酸（deoxyadenosinetriphosphate，dATP）存在的情况下，与凋亡蛋白酶活化因子-1（apoptosis protease activating factor 1，Apaf-1）结合，并形成多聚体，促使caspase前体蛋白（pro-caspase）与其结合为凋亡小体，其中主要是与caspase-9前体蛋白（pro-caspase-9）结合，从而激活caspase-9，被激活的caspase-9又能够激活其他caspase，如caspase-3等，进而导致细胞发生凋亡［17］。毕明玉等［18］发现，随着染锰浓度的增加，鸡支持-生精细胞细胞质内cyto-C表达量逐渐增加，caspase-3和caspase-9活力也显著增高，说明锰可能通过提高线粒体膜通透性，使cyto-C释放入细胞质，从而激活caspase-3介导的鸡支持-生精细胞发生凋亡。Kilia等［19］报道发现，锰可破坏线粒体功能，释放cyto-C，介导细胞凋亡，引起锰对鸡生殖毒性作用。

5.3锰与线粒体融合、分裂蛋白线粒体融合、分裂的平衡对线粒体形态和功能的保持有着非常重要的作用，而这种平衡的打破总是伴随着线粒体的功能障碍［16］。有研究表明，锰对线粒体有特殊的亲和力［20］，线粒体融合增多可导致线粒体狭长、网络状，有利于线粒体膜电位的快速传递和物质的交换［21］，对细胞起到一定的保护作用。相反，线粒体融合蛋白OPA1的突变可导致线粒体的膨胀和拉伸，局部异常收缩，线粒体嵴急剧解体、膜电位耗散、线粒体脆片化，促cyto-C的释放，从而引起细胞凋亡［22］。线粒体分裂增多可导致其片段化，膜电位的下降，呼吸功能的减退，ATP生成减少，最终引起细胞凋亡［23］。动力相关蛋白1（DRP1）的功能丧失可导致线粒体分裂失败，细胞质移动不完全，这些改变最终导致子代细胞线粒体结构的异常［24］。基因敲除DRP1则会导致线粒体长度的拉伸，线粒体片段化被阻止，延误细胞的死亡过程［25］。

因此，线粒体在锰诱导的细胞凋亡的调控中起着十分重要的作用。促凋亡因子作用于线粒体后，引起MPTP过度开放，线粒体的融合、分裂平衡被打破，从而导致线粒体片段化、ATP生成减少、跨膜电位降低，cyto-C、凋亡诱导因子（AIF）、B淋巴细胞瘤-2基因（Bcl-2）家族及膜间隙中的pro-caspase等从线粒体释放到膜间隙中，与此同时Bcl-2相关X蛋白（Bax）活化并插入到线粒体外膜中，Cyto-C激活caspase，促凋亡蛋白释放，细胞进入凋亡程序。

6　小结与展望

锰在动物体内含量虽微乎其微，但与动物的生命活动息息相关。长期低剂量的锰暴露可导致雄性精子数量、密度、质量及活性降低，启动线粒体凋亡途径，影响生殖功能。因此，研究锰对人类生殖健康的负面效应及其相关机制具有时间紧迫性，需要进行进一步更深入的研究。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2016.07.016

A

1009-5519（2016）07-1007-03

国家科技部科技基础性工作专项基金（2013FY110500）；贵州省自然科学基金（黔科合J字［2011］2282）。

（2015-12-30）