外源化学物对精子成熟障碍的影响及其表观遗传学调控机制研究进展

陈光辉，刘 奕，柳 毅，汪 晖

（1.武汉大学人民医院药学部，湖北武汉 430060；2.武汉大学基础医学院药理学系，湖北武汉 430071）

2016年12月在北京举办的“双清论坛”数据显示，中国约有12.5%配偶存在生育障碍，总数超过4000万人，并以25～30岁人群居多[1]。其中50%的致病因素为男性生殖系统功能异常[2]，多与男性附睾精子成熟障碍密切相关[3]。附睾精子成熟的概念最早在20世纪30年代被提出，主要包括2种理论，一种理论认为附睾精子成熟是时间依赖性的事件，即精子成熟是精子在附睾转运过程中随时间推移而发生的；另一种理论则认为附睾精子成熟是一个复杂的生理过程，主要受到来自附睾微环境和精子本身的影响。睾丸产生的精子并不成熟，缺乏运动和受精能力，且精子在附睾中的成熟不是自发和时间依赖的，而是通过与附睾分泌蛋白相互作用来完成。

附睾精子成熟易受到外源化学物的影响，但其具体的外源化学物及表观遗传学调控机制尚未系统阐明。本综述总结了近年来附睾精子成熟的生理调节、外源化学物的影响及其表观遗传学调控机制，这对于保障精子质量、改善男性生殖健康具有重要的指导意义，也为预防男性不育提供了理论依据。

1 精子成熟及生理调节

1.1 附睾与精子成熟

精子自睾丸产生后，其形态结构和染色质都已基本成熟，但自然情况下，其运动能力、精卵识别和结合能力还未发育完善。哺乳动物睾丸产生的高度分化的完整精子，在通过附睾头、体、尾部后，在经过一系列生理生化反应及形态改变从而获得运动及受精能力，此过程称为精子在附睾中的成熟。

精子顶体由高尔基复合体组成，对于保护精子的活力以及受精过程具有重要作用。β-防御素是一类富含半胱氨酸的小阳离子肽，具有抗菌作用并调节精子免疫反应。已证实，多种β-防御素基因在附睾上皮中高度表达并分泌到附睾管腔中，通常与精子顶体结合并参与调节精子的相关功能[4]。同时，为了更好地获得运动能力与受精能力，精子鞭毛活性及其功能会发生各种变化，其中包括：①去除膜胆固醇，导致胆固醇与磷脂比率降低；②膜超极化，精子内pH和环磷 酸 腺 苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平升高；③钙摄取增加；④激活蛋白质激酶A（protein kinase A，PKA）。

精子在完成形态转变后多种基因表达处于抑制的状态，因此其功能成熟是通过与附睾管腔微环境的持续相互作用而实现的。附睾收集腔液成分分析揭示了该环境的复杂性，迄今已鉴定出多种分子，包括蛋白质及非编码RNA。附睾小体（附睾分泌的一种外泌体）包含了大量的非编码RNA，包括微RNA（micro RNA，miRNA）和转运 RNA（transfer RNA，tRNA），其在附睾中发挥的作用近年来得到广泛重视，这些非编码RNA可直接转移到成熟精子中。

1.2 精子成熟的生理调节

精子成熟常受到表观遗传修饰、重要蛋白及信号通路和激素等因素的生理调节。

1.2.1 表观遗传修饰调节

DNA甲基化是表观遗传修饰中常见的现象，经常参与精子成熟的调节。由于一些蛋白过早被翻译出来可能会危及到早期胚胎的生命安全，因此在自然进化中生物形成了一套组蛋白修饰系统，用以保护精子的成熟。如在精子成熟过程中常出现组蛋白乙酰化修饰。非编码RNA分为miRNA和长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）等多种形态各异的RNA，它们对附睾精子成熟过程十分重要[5]。

1.2.2 重要蛋白及信号通路调节

附睾精子成熟过程中最主要的功能变化是获得了运动能力和受精能力。cAMP与精子运动能力密切相关，对精子运动的起始及其运动形式的改变、运动的维持极其重要，是附睾精子成熟过程中一种必不可少的因子[6]。且cAMP类似物治疗可显著提高弱精子症患者的精子活力[7]。同时有研究提示，Ca2+载体通过抑制cAMP/PKA磷酸化来降低精子活力[8]。

1.2.3 激素调节

外源激素类物质同样对精子成熟具有调节作用，如雄激素和褪黑素。这些物质并非由附睾生成，但可以通过循环系统进入附睾内部，成为微环境的一部分。临床研究提示，精液中的睾酮水平与精子活力呈显著正相关[9]。人类附睾上皮细胞的主要功能是调节精子成熟，RNA测序研究表明，人类附睾上皮细胞雄激素受体激活影响其关键基因的表达[10]。动物研究表明，双氢睾酮可促进公牛附睾精子成熟[11]；兔精浆睾酮浓度变化影响活精子百分数及精子活力[12]；附睾雄激素受体泛素化减少导致小鼠精子成熟障碍的发生[3]。

另外，临床研究提示，不孕不育患者血清和精浆的褪黑素水平降低、精子活力低下，且褪黑素水平与精子活力呈正相关[13]。这些结果表明，褪黑素可能参与了附睾精子的成熟过程。一些物种（如公羊）的精子存在褪黑素受体，表明它可能对精子功能有直接的调节作用[14]。研究发现，褪黑素可通过大鼠附睾褪黑素受体激活cAMP信号通路，从而促进精子成熟[15]。

2 导致精子成熟障碍的外源化学物

目前关于附睾精子成熟障碍的研究比较多。已有文献报道，影响附睾精子成熟的外源化学物主要分为环境毒物类、药物类和食品类。

2.1 环境毒物类

能引起附睾精子成熟障碍的环境毒物有多种，其中内分泌干扰物占据重要地位。这类化合物既包括持久难降解的有机污染物（如双酚A、联苯等），又包括易分解的极性除草剂、杀虫剂、洗涤剂降解产物、动物或植物激素等。这些物质分子结构因其与内源性激素相似，易被细胞受体识别，从而干扰机体的内分泌功能。人血液中邻苯二甲酸盐及其代谢物水平与精子活力呈负相关[16]。吸入邻苯二甲醛会降低大鼠子代附睾重量和精子活力[17]。氟暴露可损坏小鼠附睾结构，降低其精子活力[18]。有机磷阻燃剂或合成的拟除虫菊酯暴露会降低子代斑马鱼的精子活力，但对精子数量无显著影响[19]。自然饮食的原油暴露会降低鱼的精子活力[20]。研究还发现，双酚A暴露可通过增加磷酸化细胞外调节蛋白激酶1/2表达来影响小鼠精子成熟[21]。

2.2 药物类

附睾精子成熟也会受到药物的影响。如盐酸氯米帕明、盐酸左旋米那普仑、盐酸帕罗西汀等抗抑郁药物都被证明可影响人类精子的生成及成熟，分别导致血精、附睾炎和精囊炎等疾病的发生[22]。甲磺酸地拉维定、更昔洛韦和更昔洛韦钠等抗病毒药物可影响人类精子的生成及成熟，分别导致血精、附睾炎和睾丸萎缩等疾病的发生[23]。本室前期研究发现，孕期地塞米松暴露引起子代出生后睾丸发育不良及精子活力降低[24]。在模式动物斑马鱼研究中，合成黄体酮炔诺酮可加快雄鱼精子成熟，其机制为药物影响精子中相关基因的表达[25]。度他雄胺通过抑制双氢睾酮生成，影响附睾精子成熟而导致大鼠不育[26]。

2.3 食品类

过量饮酒、茶和咖啡等也被证实会引起附睾毒性，进而影响精子成熟。长期大量间歇性乙醇暴露可改变小鼠精子和附睾小体中的非编码RNA，影响子代的健康和发育[27]。青春期乙醇暴露子代成年精子数量减少、活力降低[28]。本室研究发现，孕期乙醇或咖啡因暴露均可致宫内发育迟缓和胎鼠睾丸形态发育异常，且这些子代成年后，精子活力降低[29-30]。但最近的一项研究表明，咖啡因可加剧雄性大鼠附睾氧化应激损伤，同时提高其精子活力[31]，提示在孕期和非孕期咖啡因的作用及机制可能是不同的。

3 精子成熟障碍的表观遗传修饰机制

在附睾精子成熟过程中，DNA甲基化与去甲基化大量发生，以维持精子细胞单倍体状态，且亲代可以将这种DNA甲基化修饰的信息传递给下一代，因此附睾精子成熟过程常常受到甲基化修饰的影响。另外，组蛋白修饰和非编码RNA的变化也参与了附睾精子成熟的调节。

3.1 DNA甲基化

转录组测序和DNA甲基化测序研究提示，男性患者精子活力降低与关键基因的异常甲基化相关[32]。印记基因常常以甲基化修饰的改变来维持自身的功能。在正常男性精子中，父系印记基因H19为高甲基化表达抑制状态，母系印记基因MEST为低甲基化表达激活状态。不育男性患者中父系基因H19甲基化水平较正常水平降低，而MEST基因甲基化水平有所升高[33]，这表明H19基因甲基化水平降低不仅可能与少精子症有关，还可能与精子成熟有关。影响精液质量的不仅仅是印记基因还有许多其他基因，精液异常患者的精子DNA也有基因位点的甲基化水平改变[34]。因此，我们认为DNA甲基化及印记基因的异常状态与精子成熟障碍具有不可分割的关系，这种关系贯穿整个精子成熟过程。

大量研究发现，多种外源化学物通过DNA甲基化影响精子成熟。如多代铀暴露会改变子代大鼠精子的形态参数和整体DNA甲基化，进而影响精子成熟，但对精子数量无显著影响[35]。尼古丁暴露通过引起山梨醇脱氢酶基因启动子区高甲基化导致小鼠精子成熟障碍的发生[36]。甲基毒死蜱通过增加H19甲基化导致精子成熟异常[37]。溴丙烷暴露大鼠附睾DNA甲基转移酶表达降低，精子形态异常[38]。

3.2 组蛋白修饰

组蛋白修饰主要包括组蛋白甲基化与乙酰化等。组蛋白乙酰化作为组蛋白修饰中的重要一环，广泛参与精子成熟的调控。组蛋白乙酰化以末端赖氨酸为底物，通过组蛋白乙酰化转移酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）来完成。组蛋白乙酰化异常不仅会导致基因表达量改变，还有可能导致染色体拓扑结构异常。组蛋白乙酰化使染色体结构松散，是有利于基因转录的，而组蛋白去乙酰化可使染色体结构紧密，从而抑制转录。溴丙烷暴露通过调节雄性大鼠睾丸中HAT的表达来影响精子的数量和形态，而对HDAC无显著影响[38]。壬基酚暴露可导致雄性小鼠附睾形态结构异常，可能与关键基因的组蛋白乙酰化相关[39]。

3.3 非编码RNA

非编码RNA对于动物生命活动至关重要，其仅需在转录水平就足以行使生物学功能。在附睾中，非编码RNA参与调节精子的成熟。研究表明，miRNA可调节精子运动和活力，调节马的附睾精子成熟[40]。一项lncRNA转录组学研究提示，lncRNA通过调控靶基因的表达来调节牛附睾精子成熟[5]。芯片分析提示环状RNA可以调节精子成熟[41]。雄性小鼠暴露于饮食扰动（如低蛋白饮食）会显著影响其附睾的miRNA谱，而附睾小体被认为是将这种miRNA转运至成熟附睾精子的载体，因此附睾小体可能介导了异常非编码RNA对精子成熟的影响[42]。

4 结语

近年来，虽然研究报道多种外源化学物对精子成熟障碍的影响，但人类各种各样的生活方式对精子成熟障碍的保护提出了新的挑战。同时，表观遗传学在维持精子成熟中的作用尚需进一步探索。如既往外源化学物对精子成熟障碍的影响研究主要集中在DNA甲基化和组蛋白修饰两方面，而当下生殖医学的热点研究内容非编码RNA（包括miRNA和tRNA等）主要是集中在生理层面，病理方面研究较少，因此，开展外源化学物对精子成熟障碍非编码RNA影响方面研究，一方面可丰富外源化学物对精子成熟障碍影响的表观调控机制，另一方面为外源化学物所致精子成熟障碍提供了潜在新的干预治疗靶点。最后，鉴于精子成熟在雄性生殖功能的重要作用，加强外源化学物对精子成熟障碍的影响及其相关机制的研究，始终是生殖研究领域的热点与难点，可为男性不育症的治疗提供新的思路和策略。