精子与孕酮的非基因组效应研究进展

江 峰 综述 孙晓溪 审校

上海集爱遗传与不育诊疗中心（上海 200011）

女性体内的类固醇激素孕激素是由卵巢和胎盘产生的，这种激素能通过孕酮受体来支持受孕和胚胎形成。而另一种孕酮，由卵子周围的颗粒细胞和泡膜内层细胞释放的孕酮也在输卵管内刺激精子细胞，增强它们使卵子受精的能力。孕酮在雌性生殖道内的分布呈现浓度梯度，当精子进入雌性生殖道以后，低浓度的孕酮快速诱导精子内Ca2+离子含量增加，诱导精子获能。孕酮浓度增加从0.1到1μmol/L 浓度，能提高精子的前向运动和超活化运动。在趋化性的引导下精子到达输卵管壶腹部与卵细胞相遇，5μmol/L 浓度的孕酮能够激活精子顶体反应，使得精子顺利穿过透明带和卵细胞膜最终完成受精作用[1]，以往孕酮这种作用的机制一直不清楚。而探讨孕酮该效应一直是生殖领域的研究热点。

孕酮是调节哺乳动物成熟精子功能最重要的生理激素，能瞬间增加精子胞内Ca2+离子和cAMP含量，激活精子获能、超活化、趋化性和顶体反应等生理功能，由于成熟精子基因转录沉默，孕酮的生理效应主要通过相关性膜受体介导的非基因组效应（通过激活细胞膜孕酮膜受体在短时间内调控下游信号转导来实现，不改变核基因的表达）[2]完成。

一、阳离子通道蛋白（CatSper）

精子中表达6个跨膜螺旋重复单位的离子通道样蛋白被命名为精子阳离子通道蛋白。目前共有4个成员，即CatSper 1-4，是精子特异的电压门控型Ca2+离子通道，定位于精子尾部主段的质膜上[3]。目前发现CatSper1或CatSper2基因突变会导致男性遗传性不育症[4]。

2011年两个独立研究小组报告[5,6]，孕酮能够强力激发精子鞭毛上的主要Ca2+离子通道。数据表明，CatSper通道或由一个直接相关的膜蛋白起着一种新型孕酮受体的作用，该受体能调控孕酮在精子质膜层面上快速的、非基因组性质的效应。这些结果应能帮助确定孕酮和CatSper在精子中的生理作用，并且还可能导致新型非激素类避孕药的研发。

主流观点认为孕酮对精子功能的调节效应与精子特异性Ca2+通道CatSper密切相关。具体而言，CatSper收到孕酮信号后与孕酮结合，通道打开，这样Ca2+离子就可以进入精子内，从而引发鞭毛摆动加快。孕酮是从卵细胞周围释放出来的，因此随着孕酮的释放，这种信号就形成一个浓度梯度，精子通过CatSper接受信号，越靠近卵子，孕酮水平越高，精子游动越快，最后到达卵细胞，与卵细胞融合，这种浓度梯度为精子的准确定位提供了可靠信息。并且，由CatSper通道介导的鞭毛Ca2+离子内流甚至导致精子头部Ca2+离子水平升高（可能是由于位于精子颈部细胞内池的依赖性Ca2+释放），由此而促成Ca2+离子依赖性顶体反应[7]。因此由孕酮激活的CatSper通道可引起所有3种Ca2+离子依赖反应，即超活化、趋化作用及顶体反应[8]。

二、孕酮膜受体ABHD2

然而以往精子中孕酮膜受体和孕酮对精子的具体作用机制仍不明确，2016年加州大学伯克利分校研究人员发现了孕酮膜受体（abhydrolase domain containing protein 2, ABHD2）蛋白功效，认为ABHD2（mSH超家族成员）是孕酮的膜受体，是精子中孕酮的非基因组效应的核心功能蛋白[9]。该受体在精子中含量很高，也存在于许多其他组织中，并且可能是孕酮对神经细胞、平滑肌和肺组织等作用的控制开关。ABHD2的作用机制是与孕酮结合，激活ABHD2的三酰甘油脂肪酶活性，分解CatSper的抑制剂1AG/2AG，使CatSper处于活化状态，Ca2+离子内流，激活下游信号而起作用[10]。

三、影响通道的因素和意义

由于精子阳离子通道CatSper对精子的超活化及生育能力至关重要，孕酮是通过ABHD2激活人类精子的CatSper，但ABHD2受体孕酮的特异性作用尚未完全明确。2017年同样在加州大学伯克利分校研究人类精子在男性和女性生殖道中暴露的其他类固醇激素是否通过调节ABHD2影响CatSper激活[11]，发现睾酮、雌激素和皮质醇（又称氢化可的松）不能直接激活CatSper，但它们可以减少或阻止孕酮对CatSper的活化。分析其原因可能是睾酮以比孕酮更高的亲和力与ABHD2结合，从而阻止CatSper活化[5]，并且直至它在女性生殖道中被去除。

另外，精子在女性子宫和输卵管中遇到富含雌激素（E2）的环境，E2不会改变CatSper电流，但也不允许孕酮通道完全激活，以防止钙离子流入过早并因此导致精子活化，起着不太有效的孕酮拮抗剂作用。排卵后，E2水平降低，孕酮浓度增高[12]且卵母细胞周围的卵丘细胞也分泌孕酮，使得精子随孕酮浓度梯度变化而游向卵细胞，孕酮有可能超过E2，导致CatSper活化，孕酮也是E2的天然拮抗剂[13]。

众所周知压力和皮质醇（氢化可的松）会通过抑制精子生成和减少精子浓度和精子活力，导致男性生育能力降低[14,15]。同样也会影响女性的生育能力。在体外受精的女性中，尿皮质醇水平会从230 nmol增加到500 nmol[16]。氢化可的松阻断孕酮CatSper激活浓度为153nmol以上。因此女性生殖道中的应激激素水平升高可能不仅损害卵子早期阶段，而且精子获得其受精潜能的晚期阶段也会受损，造成不育[11]。

综上所述，睾酮、 雌激素和皮质醇这3种类固醇激素都会与孕酮竞争，阻止精子尾部诱发鞭状运动，虽都不能单独激活CatSper，但比孕酮有更高的与ABHD2结合的能力，从而阻止CatSper活化。其中只有睾酮激素和皮质醇激素在机体正常水平下能够发挥竞争作用。这表明女性压力过大、睾酮等水平高会在一定程度上阻止精子进入卵细胞，从而降低她们的受孕概率。

在人类除了孕酮外，另一种类固醇激素硫化孕烯醇酮（PregS），其结构上与孕酮类似，也以类似于孕酮的方式激活精子钙离子通道CatSper，通过ABHD2机制来激活CatSper与孕酮所示的通道激活机制相同[9]。这两种物质竞争ABHD2结合位点，但需要进一步研究以揭示PregS和孕酮是否协同或独立地活化CatSper。另外通过计算机精子辅助分析系统（CASA）显示，尽管孕酮增加了精子超活化能力，但PregS却没有，这可能是由于PregS是带电荷的分子，不能通过质膜[17]。而考虑孕酮可能激活额外的细胞内途径，即精子质膜需要去极化，并通过孕酮介导的抑制钾离子通道KSper来实现[18]，该通道产生完全依靠CatSper激活所需的膜去极化。孕酮可以从细胞内侧抑制KSper，但PregS则不能穿过质膜，说明孕酮能够引起更显著的超活化和生理意义。

以往精卵相互作用的研究偏少，男女避孕的方法更是各自分开研发，通过上述研究则可能存在实现男女共同避孕的目标和项目。Lishko等[19]发现有两种存在于雷公藤、芦荟等植物中的天然化合物扁塑藤素（pristimerin）[20]和羽扇豆醇（lupeol）[21]能够在低剂量的浓度下有效阻止受精作用，且对精子、卵子不会造成负面影响。

这两种化合物具有类似于类固醇的功能：干扰孕酮激素与ABHD2蛋白结合，封锁CatSper通道，可以阻止精子的活跃运动，使其重回原非活跃状态。但这种机制并不会影响精子本身的生存能力，且对精子细胞无毒副作用，精子依然可以游动，只是没有足够的动力促使它们进入卵细胞而已[19,22]。中医药学中曾有将雷公藤叶子作为避孕药材的记载，但是这种天然植物有很大的毒性。羽扇豆醇存在于芒果、芦荟以及蒲公英的根中，以往科学家们多对它的抗癌效应感兴趣，但是它同样具备避孕功效。Lishko等[19]认为这两种来源于植物的化合物可以在非常低的剂量下实现避孕，比常用避孕药剂量低10倍，且它们是属植物性、无毒、无激素的化合物。若精子一旦进入女性生殖系统，需要5～6h发育成熟。这一段时间足以使该极低剂量药物进入系统，阻止受精过程而达到避孕效果，这样的话，这两种化合物势必成为更好的避孕选择，称它们为“分子安全套”。 目前，Lishko等[19]正以灵长类动物为模型，验证这两种化合物阻止体外受精的效果。与此同时，考虑到从野生植物中提取化合物的性价比太低，他们试图筛选出廉价的三萜类化合物。

还有特别值得考虑ABHD2作为孕酮膜受体的核心蛋白，需要更进一步了解在临床不育男性与正常生育男性之间的表达及分布情况，以及不同类型不育中ABHD2基因是否存在突变。且不同个体精子对孕酮的反应可能不一致，是否可能是由于ABHD2这种表达差异，进而成为评估精子活性和功能的新指标，为某些男性不育机制研究开拓新思路。另外通过对ABHD2上下游信号通路研究，孕酮是否通过ABHD2调控cAMP-PKA信号通路进而影响精子的功能活性，对阐明受精等作用具有临床意义。