精子线粒体与男性不育的相关性研究进展

王巧刚++陈黎亚++盛礼建

[摘要] 全球报告显示，目前不孕不育正成为一个全世界的问题，约15%的夫妇受其影响，其中约50%的因素由男方引起。影响男性生殖能力的原因众多，主要分为性功能障碍和精子质量异常两大块。其中，精子活力低下主要包括精子的数量和质量（弱精症）或精子形态异常（畸形），是引起男性不育的一个重要因素。线粒体是唯一含有独立基因组的细胞器，是细胞的主要能量来源，也是精子获得能量的主要来源。细胞生命活动所需的能量95%来源于线粒体。医学研究者已经展开对精子线粒体与男性不育的相关性研究。本文将对目前国内外相关性研究进展作一综述。

[关键词] 男性不育；线粒体；基因；精子活力；突变

[中图分类号] R698.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2017）04-0160-04

Advances in studies on the correlation between sperm mitochondria and male infertility

WANG Qiaogang CHEN Liya SHENG Lijian

Department of Laboratory， Dongyang People's Hospital in Zhejiang Province， Dongyang 322100， China

[Abstract] The global report shows that infertility is currently becoming a worldwide problem， and about 15% of the couple affected by it， of which about 50% of the factors caused by the man. There are many reasons for the male reproductive capacity， mainly divided into sexual dysfunction and abnormal sperm quality. Among them， low sperm motility mainly including the number and quality of sperm （weak sperm） or sperm abnormalities （deformity） is an important factor in male infertility. Mitochondria are the only organelles containing independent genomes， the main source of energy for cells， and the main source of energy for sperm. 95% of the energy required for cell life activities comes from it. Medical researchers have begun to study the correlation between sperm mitochondria and male infertility. This paper will review the current research progress at home and abroad.

[Key words] Male infertility； Mitochondria； Gene； Sperm motility； Mutation

随着生活节奏的加快，现代人生活压力的增加，以及年轻人生活方式的改变，特别是目前全球性环境污染的日趋加重等因素，不孕不育的发病率呈现逐年上升的趋势，正逐渐成为社会中的一个多发现象。男性不育作为导致不孕不育其中的一个重要原因，也越来越受到相关研究者的关注和深入研究。研究表明，全球男性精液質量近年来以每年1%的速度下降，而其中主要表现为精子活力下降、精子密度的降低以及精子畸形率的上升。精子是不孕不育夫妇中男方最关键的因素，精子基本参数以及功能状态正常与否直接关系到女方能否正常受孕。线粒体是细胞中制造能量的场所，拥有自身的遗传物质和体系，是新陈代谢和生物能量转换的关键所在。线粒体的改变已被证实与多种疾病密切相关。本文就目前国内外对精子线粒体和男性不育的相关性研究进展作一综述。

1 精子线粒体DNA拷贝数与男性不育的研究

线粒体是有两层膜包被的细胞器，存在于大多数细胞中，直径一般为0.5～1.0 μm，在光学显微镜下可见。线粒体是能量生产的工厂，其主要功能为参与能量转化、三羧酸循环、氧化磷酸化（OXPHOS）以及储存钙离子。1949年，在线粒体中首次发现DNA，后被认为是线粒体的核心物质即线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。mtDNA的遗传改变将直接影响线粒体参与氧化磷酸化功能。拷贝数是指某基因在某一生物的基因组中的个数。mtDNA拷贝数即每个精子的mtDNA，是线粒体的主要遗传特征之一。mtDNA拷贝数的改变被认为是导致不育的一个重要因素。Tian M等[1]采用实时PCR检测mtDNA拷贝数发现，mtDNA拷贝数与精液参数呈负相关，包括精子活力、浓度、形态、级数和运动特征。Timothy Wai等[2]指出精子线粒体拷贝数的下调对精子的正常功能很重要。Panloup等[3]研究发现，精子mtDNA拷贝数在男性不育患者中较正常男性有显著增加。Song GJ等[4]通过实时PCR检测发现，正常参数精液组较异常参数精液组mtDNA拷贝数降低明显。Maria San Gabriel等[5]通过对精索静脉曲张对精子质量影响研究发现，精子mtDNA拷贝数与精子活力显示出显著的负相关性（r=-0.71，P=0.002）。Gyun JS等[6]通过长链和实时定量PCR对正常精液参数和弱精样本检测mtDNA拷贝数，发现mtDNA拷贝数在弱精症患者精子中显著增加，与精子密度显著相关。

各国的研究者发现精子mtDNA拷贝数和精子活力及男性不育呈现出显著的负相关性。mtDNA拷贝数在不同活力精子间具有差异，活力越好，mtDNA拷贝数反而越低，活力越差，其拷贝数反而增高。精子mtDNA拷贝数可以作为精子活力是否正常的一个重要参数，测定mtDNA拷贝数对了解精子状态也有一定的作用。

2 精子线粒体DNA大片段缺失与男性不育的研究

线粒体和mtDNA在精子运动和发育过程中是必不可少的。它主要通过氧化能量的供应控制精子生长、发展和分化。因此，mtDNA对精子的重要性不言而喻。mtDNA大片段缺失可出现在许多组织中，如心脏、脑、肝脏和睾丸。这种mtDNA大片段的缺失，可能导致聚合酶错误阅读，导致线粒体基因组的大片段缺失。Maryam Gholinezhad Chari等[7]研究发现，4977bp和4866bp大片段缺失频率在精子运动能力异常组较运动能力正常组显著增加，4977bp和4866bp大片段缺失频率在两组中具有差异性。Fotini leremiadou等[8]研究表明，mtDNA 4977bp缺失和精子能力表现出显著的负相关性。4977bp缺失可以考虑作为精子生育潜力的分子指标。Ambulkar PS等[9，10]研究发现大片段7436bp缺失的mtDNA与精子运动异常相关，7436bp缺失可能是导致精子功能障碍和非活动精子的重要原因。此外在异常精子中，4977bp的缺失比正常精子更为常见，比例更高，可能原因为4977bp的缺失导致部分和氧化磷酸化相关基因的缺失，从而引起精子功能障碍。Bahrehmand Namaqhi I等[11]对弱精症患者和健康受试对照者mtDNA 4977bp缺失检测发现，两组研究者差异明显，4977bp缺失会导致精子大规模能量障碍，进而影响精子活力导致弱精症。Gholinezhad Chari M等[12]对不育男性的精子分为精子活力正常组和异常组，分别检测mtDNA片段缺失，最后发现，在两组中都有发现常见的4977bp缺失，同时还有一个新的4866bp缺失。然而，活力异常组的缺失率显著高于正常活力组。

目前主要认为精子mtDNA大片段缺失将导致相应编码蛋白复合物的损害，影响氧化磷酸化的进行，从而导致ATP合成受阻。一旦ATP合成受阻，即不能产生足够的ATP，精子受精过程中将得不到足够的能量。精子没有获得足够的能量就不能驱使其到达受精部位，受精过程就不能成功进行，进而导致男性不育现象的发生。

3 精子线粒体DNA基因突变与男性不育的研究

过去十年，超过200种点突变在人类mtDNA中被发现，并且其中45种被证实和疾病发生有关。真核生物细胞的能量来源，生物体内约90%的ATP均是通过线粒体产生，因此线粒体的正常运转是细胞分化和生长发育所必不可少的。精子受精过程需要大量的能量到达输卵管受精，线粒体DNA上的基因缺失或点突变会影响正常的线粒体蛋白功能，使ATP生成减少，导致男性精子活力不足。Holyoake AJ等[13]在严重少精患者中发现mtATPase6基因上T8821A点位突变，而在成熟精子中未见突变，分析mtATPase6突变可能使精子无法成熟，导致男性不育。金龙金等[14]对27例弱精子症精液标本和28例精子活力正常精液标本进行mtATPase6基因突變分析发现，弱精子症组mtATPase6基因突变率显著高于对照组，显示出一定的相关性。 Baklouti-Gargouri等[15]研究者对弱精子症不育男性、精液参数正常以及可生育男性的线粒体细胞色素氧化酶Ⅲ的基因序列比对，发现在所有的弱精子症患者精子mtDNA均存在m.9588G>A的突变，而精液参数正常以及可生育男性在此位点均未出现突变。D Prabhu Kumar等[16]研究发现，精子活力低下与精子mtDNA A3243G高水平的突变表现出显著的相关性。

研究表明，mtDNA点突变、基因单核苷酸多态性和mtDNA单倍群都可以影响到精液质量[17-20]。人类精子中线粒体DNA易受氧化损伤和发生突变。遗传异常在人类男性不育病因中的重要作用日益被人们所认识。目前虽然有关基因突变和男性不育的研究有相关报道，但是总体来说类似研究仍然比较少，发现诊断不育的特异性位点也比较少。因此可以寻找与男性不育相关的特异性mtDNA突变位点，探讨男性不育的原因，为该病的基因诊断和治疗提供科学依据。

4 精子线粒体功能改变与男性不育的研究

线粒体作为细胞进行有氧呼吸的主要场所，其主要功能是合成ATP为细胞提供能量。精子受精过程所需的能量主要来自线粒体合成的ATP。目前主要有以下几个指标评价线粒体功能：精子内活性氧的含量、精子早期凋亡率、线粒体膜电位、线粒体细胞色素氧化酶活性以及钙离子含量等。

线粒体是活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）主要产生部位，精子内活性氧的含量可间接反映线粒体功能，少量的ROS有助于精子获能和顶体反应，ROS产生过高超过机体抗氧化体系的还原能力时，就会引起氧化应激反应使线粒体功能发生衰退，线粒体在利用氧分子的同时，也受到氧毒性的伤害。符浩等[21]研究发现，ROS水平高组精子DNA碎片指数显著高于ROS低水平组，而精子活力、前向运动精子百分率等反映精子运动能力的指标均显著降低。白双勇等[22]研究发现，精子线粒体膜电位在超重及肥胖男性不育患者中下降明显，同时其膜电位正常率与精子向前运动率表现出明显的正相关性。Kasai T等[23]研究发现，线粒体膜电位与精液参数以及体外受精能力密切相关，精液参数异常以及受精能力下降的精子线粒体膜电位都有不同程度的下降。吴佳学等[24]通过对不育男性以及正常生育男性的精子线粒体膜电位检测发现，不育男性组膜电位明显低于正常生育组，而线粒体膜电位与精子向前运动率以及正常精子形态率呈显著正相关性。周秀芬等[25]比较弱精症患者与正常人的线粒体膜电位发现，与正常对照组相比，弱精症组线粒体膜电位降低明显，两组具有统计差异性（P<0.01），同时线粒体膜电位丧失率又与精子早期凋亡率呈显著正相关性（r=0.789，P<0.01）。线粒体细胞色素氧化酶是线粒体内一种氧化还原酶，发挥传递电子的功能，是呼吸链中的最后环节。一旦其活力受阻，电子传递以及整个呼吸链过程将受到影响，进而影响到氧化磷酸化能量合成，导致精子活动能量来源障碍。李敦高[26]应用反转录-聚合酶链反应监测发现，线粒体细胞色素氧化酶亚基Ⅰ和Ⅱ在弱精症患者的表达比正常精子明显降低。精子活动所需的能量主要由精子线粒体对能量物质的氧化磷酸化产生的ATP所提供，因此精子线粒体功能状态将直接影响到精子是否有足够的运动能量来源，进而与男性不育产生一定的关联性。

男性不育目前已成為人类生殖系统中一个非常严重的问题，但其分子机制仍不是很清楚，难以明确诊断，因此也被许多人称为特发性不育。随着科学的发展，人们对精子的产生和受孕过程有了更深入的了解和研究，其涉及到的分子机制也开始逐渐被揭开。精子发生是一个复杂的过程，受许多基因的调控影响，同时又受到外界环境甚至其他多种器官疾病，如皮肤病、感染和恶性肿瘤等因素的影响[27]。不育男性中90%属于低精子数或低精子质量或两者都有[28]。因此，归根到底，男性不育主要原因还是精子本身的问题。目前，临床上主要以宏观的精液常规分析评价男性精子状态和生育能力。但伴随着分子生物学水平的发展，近年来越来越多的研究者已经在微观分子水平上对男性不育的发病机制进行研究。精子线粒体作为精子活动能量来源场所，与精子受精过程关系密切，与男性不育有重要的相关性。本文就目前国内外有关精子线粒体与精子活力以及男性不育相关性的研究进展作了综述。相关研究表明，精子线粒体DNA拷贝数与精子活力呈现出显著的负相关性。线粒体大片段缺失、基因突变以及功能改变均可以引起精子活力的下降，甚至影响到不育的发生[29-32]。因此对精子线粒体的深入研究，特别是分子水平上的研究，在本质上了解男性不育的发生机制以及男性不育的治疗均具有十分重要的意义。

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（收稿日期：2016-11-15）