微量元素硒和相关硒蛋白与男性精子质量的研究进展

朱嘉辉 刘佩意 程锦泉*

1.郑州大学公共卫生学院（河南郑州 450001）；2.深圳市疾病预防控制中心（广东深圳 518055）

我国二胎政策的开放，对于希望孕育二胎的家庭来说意义重大。但由于环境污染日趋严重，人们生活习惯、饮食习惯的改变，男性精子质量呈逐年下降趋势[1]。精子质量受损是男性不育的主要原因，根据目前的数据显示，2015年我国育龄夫妇不孕不育发生率高达12.5%～15%，其中由于男性因素导致的不育占30%～50%[2]。国内外相关研究表明，机体内硒水平异常导致的精子发生过程障碍是精子质量受损的重要因素。硒作为一种人体的必需微量元素，广泛存在于环境及饮食中，它是维持正常精子发生和男性生育的关键营养物质。睾丸是硒的靶向作用器官[3,4]，硒低于或高于所需水平均可导致精子成熟的破坏，造成精子质量下降和男性生育能力下降。具有受精功能的精子，需要在附睾中经历精子成熟的过程。在这个过程中，活性氧（Reactive Oxygen Species：ROS）发挥着重要作用，但是过量的ROS产生会导致脂质过氧化，最终损伤精子[3]。睾丸中相关硒蛋白具有抗氧化酶活性，能有效减少脂质过氧化对精子造成的损失。本文从影响男性不育的主要原因之一——精子质量下降出发，综述硒对精子质量影响的流行病学研究，硒蛋白在精子发生、成熟等过程中的重要性，硒和硒蛋白与精子质量之间的关系。

一、硒的生化特性及其主要作用

硒早期被认为是一种有毒元素，经过之后一百多年的研究发现，适量的硒对人体生命至关重要[5]。如今，硒是公认的人体健康所必须的微量元素，但是过量的硒摄入又会引起硒中毒。硒以有机硒（硒蛋氨酸、硒代半胱氨酸等）和无机硒（亚硒酸钠等）的形式被人体吸收利用，且有机硒的吸收率比无机硒高[6]。

对于人体来说，硒主要通过饮食摄入，还有少量来源于饮用水。其富硒物质主要是：谷类产品、海鲜、西兰花、大蒜、鸡蛋、坚果、酵母、萝卜甘蓝等。虽然在动物性产品中也发现了大量的硒，但是人体硒的最佳来源是小麦和其它植物性产品[7]。人体硒营养状态的评估，可以通过测定尿液、血液、指甲和头发中硒的含量，其血液中血清或血浆硒可以用来反映短期状态，红细胞硒反映长期状态[8]。由于各人群的平均摄入量和硒在体内状态的差异，硒的推荐摄入量在各国之间略有不同，成年人的推荐量从日本的40-55μg/d到英国的75μg/d不等。

硒作为硒蛋白的重要组成部分，可激活抗癌因子，预防心血管系统疾病，并具有抗增殖和抗炎活性[9,10]。硒还作为抗氧化酶的重要组成成份，保护细胞免受脂质过氧化导致的损伤，其保护作用主要来自于谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和硫氧还蛋白还原酶（TrxRs）活性中心[11]。

二、硒与精子质量的研究

人类精子发生、线粒体活性和精子获能等过程会产生活性氧[12]，但是过量的ROS产生会导致精液中氧化剂和抗氧化剂失衡，发生氧化损伤[13]，因此ROS在男性不育症病因中具有重要的病理生理意义[14]。脂质过氧化的重要标志物是丙二醛（MDA），该副产物已用于生化检测，以监测精子发生的过氧化损伤程度。这种检测结果与精子功能受损的程度有很强的相关性[15]，高水平的MDA表明脂质过氧化率增加，引起精子功能紊乱，如精子活率、运动力受损等，降低生育率[15,16]。

因此，硒作为人体精子中的一种小分子清除剂，对人体精子氧化损伤具有保护作用，能抵抗精子免受过量ROS损伤。硒还是睾丸发育、精子发生、精子运动的重要元素[17]。硒是许多重要蛋白质和酶中的必需元素，在精子发生和雄性生殖中起着重要作用[18]。

（一）硒与精子活力

精子活力即指精子的活动力，只有活动力较强的精子才可能具有正常的生存能力和受精能力。评价精子的运动参数有平均路径速度（VAP）、曲线运动速度（VCL）、直线速度（VSL）、头部侧摆幅度(ALH)、线性指数(LIN)等。精浆金属与运动参数的关联性研究表明，精浆硒浓度与VAP、VCL呈负相关[19]。

弱精子症是指前向运动的精子＜32%的病症，主要表现为精子活力下降。导致弱精子症的因素有很多，如附睾、输精管、精囊和前列腺等生殖道或生殖腺体的急慢性炎症、内分泌激素的紊乱、常染色体和性染色体畸变、还有微量元素缺乏或过量、与精子运动有关的酶类缺乏或酶活性降低及不良生活习惯（吸烟、饮酒）均可导致精子活力下降。

大多数研究表明，弱精子症患者精浆和精子中的丙二醛（MDA）和脂肪酸氧化物显著高于正常生育力个体[20]，且总抗氧化能力（TCA）显著低于正常生育力男性[21]。Subramanian V等对印度哥印拜陀87名亚生育和23名正常生育力男性精液质量研究发现，亚生育组平均MDA水平显著高于正常生育力组，总抗氧化能力低于正常生育力组；且精浆MDA水平与精液参数呈负相关，即精浆MDA水平越高，精液参数异常程度越高[22]。Atig F等[23]对60例正常生育力和74例患弱精子症的突尼斯人精液进行分析，弱精子症男性精浆脂质过氧化产物MDA水平显著高于正常生育力组，且发现MDA含量与精子活力呈负相关，与精子异常比例呈正相关。研究还发现，正常生育力组精浆硒含量显著高于不育组。我国相关研究也表明，弱精子症患者精液硒含量显著低于正常生育力男性，奚宝珊[24]对165例男性精液质量进行分析发现，精浆中硒浓度与精子活动率呈正相关；弱精子症组精子活力、GSH（谷胱甘肽）浓度明显低于正常组。

相关研究表明，补硒可以降低精子脂质过氧化损伤。Ghafarizadeh AA等[25]对50名弱精子症的伊朗男性精液进行体外培养，每个样本均分为两份，实验组用2μg/ml的硒孵育。研究发现，硒处理后精子活率、运动力及线粒体膜电位均有所提升，且MDA含量及DNA碎片率有所下降，表明硒可以改善精子氧化损伤并提升精子质量。我国相关临床研究也表明，补硒有助于提升弱精子症的精子活力，刘小培等[26]对75例患者进行临床实验干预，与治疗前相比，治疗后患者精子活力、前向性运动精子百分率均显著提升。王涛等[27]对46例少弱精患者进行临床补硒干预，发现精子活力、精子活动率均有显著提升。

（二）硒与精子计数

精子计数可以反映睾丸的生精机能。少精子症是指精液参数中精子浓度＜15×106/mL，其他参数正常的病例。其导致少精子症的因素有很多，如内分泌紊乱，生殖系统的特异性和非特异性感染，精索静脉曲张，Y染色体缺失等遗传因素，微量元素、氨基酸、维生素缺乏等营养因素，长期接触高温、从事放射职业、接触化学毒物等环境因素，长期饮酒、抽烟等不良生活习惯，均可损伤生精功能，导致少精子症。

Atig F等[23]对60例可育和56例患少精子症的突尼斯人精液进行分析，少精子症男性精浆脂质过氧化产物MDA水平显著高于正常生育力组，且精子计数（9.56±6.51）×106/mL显著低于正常生育力对照组（75.86±23.83）×106/mL（P＜0.001）。Akinloye O等[28]对尼日利亚男性特发性不育患者的硒状况进行分析发现，少精子症患者血清硒和精浆硒含量均低于对照组，且血清硒水平与精子数量呈负相关。Ben Abdallah F等[29]的研究表明，少精子症患者精浆MDA含量显著高于正常组，且精子MDA浓度与精子浓度呈负相关。我国相关研究也表明，少精子症患者的精子数量显著降低。奚宝珊[24]对165例男性精液质量进行分析发现，正常组精子浓度（77.53±11.16）×106/mL显著高于少精子症组（8.99±3.03）×106/mL。

临床研究发现，补硒有助于提升精子浓度，改善精子质量。王涛等[27]对46例少弱精患者进行临床补硒干预，发现治疗后精子浓度有显著提升。

（三）硒与精子形态

精子形态分为正常形态和异常形态，其形态与精子受精能力有关，正常形态精子比例越高越好。畸形精子是指精子头、体、尾的形态变异，头部畸形包括巨大头、无定形、双头等；体部畸形包括体部粗大、折裂、不完整等；尾部畸形包括卷尾、双尾、缺尾等。畸形精子症是指正常形态精子＜4%。造成精子畸形的因素有很多，如生殖道和生殖腺体的病原微生物感染，精索静脉曲张，有毒化学物质接触等环境因素，Y染色体微缺失、常染色体结构畸变等遗传因素，其他因素包括：吸烟饮酒等不良生活习惯，微量元素、氨基酸和维生素缺乏，均能导致畸形精子比例升高。

Nenkova G等[30]对保加利亚男性精子质量及微量元素分析发现，畸形精子症患者的精子计数、精子活动率低于正常生育对照者，病理形态精子比例显著高于正常生育对照者；硒含量（61.98±6.38μg/L）显著低于正常精子组（72.00±3.86μg/L），由于微量元素硒含量显著下降，导致脂质过氧化产物MDA含量（2.57±0.20nmol/mL）高于正常精子组（0.92±0.06nmol/mL）。同样Atig F等[23]对60例畸形精子患者和正常生育男性精液进行分析也得到相似的结果，畸形精子症患者精子计数显著低于正常生育组，异常形态精子比例（81.79±11.49%）显著高于可育组（60.90±13.28%）。我国对畸形精子症患者的研究也有相同的结果，奚宝珊[24]对由于精子畸形导致不育的男性进行精液分析，精子畸形组精子活力低于正常组，且精液中抗氧化剂浓度：硒和GSH显著低于正常组。

（四）硒与其它指标

顶体酶作为一种受精过程中必不可少的酶，是反应精子功能的重要指标。相关研究表明，不育组精子顶体酶活性低于正常生育组[31]；且顶体酶活性与相关精液参数呈正相关，如精子顶体酶活性与精子浓度、精子正常形态比例、精子活动力等呈正相关，这些精液参数能精确的反应精子质量[32]。相关临床研究表明，补硒可以提升精液质量异常者精子顶体酶活性。杨超等[33]对50例少、弱精子症患者进行临床干预，补硒治疗后精子顶体酶活性（35.66±1.69μU/10）高于治疗前（18.87±2.28μU/10）（P=0.028＜0.05）。

相关研究表明，补硒可以提升怀孕率。Moslemi MK等[34]对690名伊朗不育男性进行临床干预，患者每天服用含硒片（硒蛋氨酸）200μg，并联合维生素E，进行为期14周的临床干预。在观察期限内，有75例（10.8%）患者正常怀孕妊娠。

综上所述，对于男性精子质量异常者，无论是少、弱精子症，还是畸形精子症，其精液中硒含量均显著降低，脂质过氧化代谢物（如：MDA）含量显著升高，且抗氧化物（如：GSH）含量显著下降。张凤凤等[35]的流行病学研究也表明，富硒地区男性精子浓度、活力均优于非富硒组，精子DNA碎片率均低于非富硒组，并且相关临床干预实验表明，精液质量异常者补适量硒后，精液质量评价指标得到明显改善，精子密度、活力得到提升，A级精子百分比、A+B级精子百分比、顶体酶活性均高于干预之前。不育患者补硒后，其精子浓度、活力均得到提升，且实现正常怀孕妊娠。

但是也有相关研究表明，高硒与精子质量呈负相关。Takasaki N等[36]的研究表明，与正常生育对照组相比，日本不育男性的精子硒显著升高，精子硒与精子密度和活动精子百分比呈负相关。Bleau G等[37]在一项对125名不育夫妇进行的前瞻性研究中发现，精液硒含量高于0.9mmol/L与生育能力下降有关，即高剂量的补硒不会改善男性精子质量，反而会导致精子活力的短暂下降。同样Hawkes WC等[38]对42名自由生活的男性，进行补硒后精液质量的研究，他们给予硒（300μg/d）作为高硒酵母，进行48周干预实验，观察到高硒组，精液量和精子硒含量的逐渐下降。

三、硒蛋白与精子质量

睾丸作为硒的重要靶器官，在哺乳动物的睾丸中，硒主要以硒代半胱氨酸（Sec）的形式参与磷脂氢谷胱甘肽过氧化物酶（PHGPx4/GPx4）的合成，其后者作为睾丸中最主要的硒蛋白，对精子的生成和活性有至关重要的作用[39]。目前人体已鉴定出的硒蛋白超过25种，在男性生殖系统中起重要作用的硒蛋白有：GPx1、GPx3、GPx4、GPx5、硒蛋白P(selenoprotein P)、载脂蛋白E受体2（ApoER2）。虽然硒蛋白与精子质量的流行病学研究资料相对较少，但其在精子发育、成熟等方面的重要性不能忽视。相关动物实验、分子生物学实验均证明，硒蛋白在生殖系统中发挥着重要作用。

细胞谷胱甘肽过氧化物酶，现在又称为GPx1,是第一个被鉴定为硒蛋白的哺乳动物硒蛋白。细胞内/外氧化还原平衡的破坏会引起人体内许多常见和复杂疾病的发生，GPx1在调节机体内ROS水平中发挥了重要作用。在生殖系统中，GPx1是附睾上皮细胞表达的胞浆酶，其主要作用是H2O2和其它可溶性氢过氧化物的解毒，在男性生殖系统中主要起到抗氧化作用[40]。

GPx3是一种在附睾上皮细胞表达的硒依赖型胞浆酶，从附睾上皮头端到尾端，表达越来越多。体外研究证实，GPx3可以利用GSH作为还原底物催化H2O2的分解，调节细胞的氧化应激。其GPx3在男性生殖系统中的主要作用是保护附睾上皮[40]。

谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）是一种含硒代半胱氨酸（Sec）的谷胱甘肽过氧化物酶，它是一种抑制脂质过氧化反应的活性蛋白，最早是通过色谱分离纯化技术，从细胞质中提取的[41]。GPx4又被命名为磷脂过氧化氢谷胱甘肽过氧化物酶（PHGPx），表明其可以特异性清除磷脂酰胆碱来源的氢过氧化物[42]。GPx4能特异清除细胞膜中复杂脂质底物的氢过氧化物（ROOH），而其它GPx不能，这就是其特异的功能。GPx4转录产物根据其5’端的不同可以分为三种不同的mRNA，分别编码线粒体（mGPx4）、细胞质基质（cGPx4）和细胞核（nGPx4）[43]。

GPx4在精子形成过程中发挥着重要作用[44-46]，对于未成熟的雄性生殖细胞的存活、精子中段结构的稳定和染色质的固缩是必不可少的（见图1）。cGPx4主要存在于睾丸和附睾上皮，发挥着GPx4的基本功能，即抗氧化功能[47]。mGPx4主要位于精子中段线粒体膜上，对男性生殖功能起重要作用，可以产生氧化交联蛋白质网络结构，稳定精子中段结构，并在精子发生过程中发挥抗氧化防御作用[30]。nGPx4位于精子核，可通过氧化鱼精蛋白硫醇，从而促进成熟精子中核染色质的浓缩[48]。

GPx5是一种Sec活性位点被半胱氨酸（Cys）取代（CysGPx）的蛋白质，且是一种细胞外的CysGPx。GPx5由附睾分泌，附睾GPx5是一种真正的ROS清除剂，可以保护附睾转运精子细胞的完整性免受ROS的损伤。由于其附睾特异性，在GPx家族中占有特殊地位，最初被怀疑不是真正的GPx。但它在附睾中的定位，表明其对精子生理功能的作用[40]，然而它的确切功能仍然未知。但是相关的动物实验表明，精液中GPx5含量与精子质量及精液储存量呈正相关[49]。相关动物实验还表明，GPx5敲除后，尾状上皮存储的精子氧化性损伤提升，精子DNA碎片含量升高[40]。

图1 GPx4对精子发育成熟过程的作用

硒蛋白P（selenoprotein P，Sepp）是一种血浆蛋白，人Sepp序列包含多个Sec。Sepp作为血浆Se转运蛋白主要由肝脏分泌生成，通过与内吞受体相互作用，然后被各靶组织摄入[50,51]。Sepp在男性生殖中的作用是将Se运输到睾丸组织，维持睾丸组织的正常功能[42]。当Sepp失活，可导致成熟精子中GPx4的表达下降，最终导致不育。

载脂蛋白E受体2（ApoER2）是一种细胞表面膜受体，ApoER2 mRNA存在于男性生殖系统的睾丸中，其主要位于睾丸支持细胞[52]。Sepp可以将微量元素硒从肝脏运输到睾丸，而ApoER2是其睾丸的受体，介导硒蛋白的转运。因此ApoER2在睾丸支持细胞中的主要作用是Sepp的摄取。Andersen OM等[53]的研究证实ApoER2高度表达于附睾的起始段，且影响聚集素蛋白和GPx4的表达，这两种蛋白对精子成熟是必不可少的。

四、问题及展望

硒作为生殖系统的必需微量元素，其含量过多或过少均会对生殖系统造成损伤，并影响精子的正常发生，导致精液质量异常，最终导致男性不育。硒对精子的作用主要通过硒蛋白表现出来，硒蛋白作为生殖系统中重要的抗氧化酶，在精子发育、成熟及功能发挥方面起着重要的作用。但其人群流行病学研究相对较少，且其作用机制有待深入的研究。因此通过对硒及硒蛋白作用的研究，筛选出相关硒蛋白，为临床治疗男性不育提供新的分子生物学研究靶点，有效预防及治疗男性不育。评价精子质量的指标不仅有精子活力、精子密度、精子形态等常用指标，其精子膜表面抗体、钙离子载体、透明质酸活性均与精子质量有显著的相关性，但微量元素硒与其关联性研究较少，临床补硒是否有助于这些指标的改善，进而提升精子质量，最终用于治疗男性不育尚需进一步研究。