选择性自噬在精子发生和不育中的作用

林煦垚，李晨曦，徐磊，叶濮乐，吴林，李华，秦国政

(1.云南中医药大学第一临床医学院，昆明 650500； 2.云南省中医医院 云南中医药大学第一附属医院男科，昆明 650021)

精子发生是基于生殖细胞增殖和分化的复杂生物学过程。精子的发生主要包括精原细胞有丝分裂、精母细胞减数分裂和精子发生3个过程，经过这3个过程，圆形精子细胞转变为细长的精子细胞[1]。精子发生的过程也是持续产生精子和维持成年男性生育能力的关键，精子发生异常可导致男性生育能力降低或不育[2]。精子的产生主要依靠生精小管内生殖细胞、支持细胞和间质细胞之间的相互作用，其中，支持细胞的支持和营养功能以及间质细胞的内分泌功能尤为重要[3-4]。在生理情况下，生精小管中的支持细胞和间质细胞的自噬活动十分活跃，正常的自噬活动是精子生成的关键。选择性自噬作为自噬活动中的主要方式可为精子发生提供必要的营养支持并维持细胞稳态，支持细胞和间质细胞中的选择性自噬活动紊乱可影响精子生成过程，从而引起不育[5]。因此，研究选择性自噬对生精功能的影响尤为必要。现就选择性自噬在精子发生和不育中的作用予以综述。

1 自噬的类型

自噬是细胞降解中一种高度保守的分解代谢过程，对维持细胞内环境稳定至关重要。自噬降解的成分首先被自噬小体的双膜囊泡隔离，随后被自噬小体包裹的成分与溶酶体融合并最终被溶酶体酶降解，从而完成自噬[4]。最初，自噬被认为是非选择性的，称为本体自噬，但有证据表明，自噬也可以选择性地降解错误折叠的蛋白质和损伤的细胞器[6-8]，这一自噬方式又称为选择性自噬。而根据选择的降解底物的不同，选择性自噬又可分为线粒体自噬、脂噬、内质网自噬、过氧化物酶体自噬、核糖体自噬等亚类[5]。

2 自噬在精子发生中的作用

有研究发现，自噬参与精子发生过程中的关键环节[9-11]，包括睾酮的产生、胞外质特化结构的组装、顶体形态的发生以及细胞骨架的形成等[12-13]。虽然本体自噬和选择性自噬均通过降解和回收细胞成分参与各种生理过程，以确保精子成功发生[14]，但参与各种膜跟踪事件的选择性自噬在精子发生过程中的作用更关键，选择性自噬可以维持细胞内稳态、为精子发生提供能量，同时还可在一定程度上帮助生精细胞对抗凋亡[15]。有文献报道，线粒体自噬、脂噬和内质网自噬均与精子发生密切相关，但目前关于上述3种选择性自噬在精子发生和男性不育中的作用尚无及时、客观的总结[16]。因此，研究线粒体自噬、脂噬和内质网自噬的潜在机制及其在精子发生和男性不育中的作用非常必要。

2.1线粒体自噬在精子发生中的作用 线粒体自噬是指在营养缺乏、细胞衰老和活性氧类(reactive oxygen species，ROS)等刺激下，细胞内的线粒体发生去极化损伤，而损伤的线粒体被自噬体特异性包裹，并与溶酶体融合，从而完成损伤线粒体的降解，维持细胞内环境的稳定。线粒体损伤或功能障碍可导致线粒体形态、膜电位、ROS产物以及钙离子稳态发生变化，而这些变化均可触发细胞自噬，降解受损或衰老的线粒体[17]。因此，线粒体自噬是一项重要的细胞保护性反应，可作为调控线粒体质量的一种机制，维持细胞稳态。线粒体自噬的防御功能障碍可导致衰老的线粒体累积、ROS产生增加，而ROS产物的增加又可导致氧化应激反应增强，激发促凋亡途径，最终导致生精细胞凋亡[18]。因此，线粒体自噬的作用是及时清除损伤的线粒体，保护生精细胞免受线粒体代谢紊乱的影响，从而减少生精细胞凋亡。

有研究表明，不同程度弱精子症患者精子中的线粒体分布和自噬发生程度也不同，重度弱精子症患者的自噬标记蛋白——自噬微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)的表达水平显著降低，LC3作为自噬标记蛋白可通过吞噬损伤的线粒体满足细胞能量代谢需求，同时还可防止过量ROS产生，LC3数量与弱精子症的严重程度呈负相关，表明线粒体自噬可协助男性生殖系统内的抗氧化系统，防止ROS影响精子的生存及活动力[19]。还有研究显示，用乙醇处理的大鼠支持细胞中的线粒体自噬标记蛋白表达水平升高，生精细胞凋亡率降低，表明线粒体自噬可对抗生精细胞凋亡[20]。

综上，线粒体自噬作为一种保护性反应可降解损伤线粒体，维持生精细胞内稳态，同时还可清除过多的ROS，防止生精细胞凋亡。但线粒体自噬作用于生精细胞、支持细胞和间质细胞的具体机制目前尚不明确，还需要深入研究。

2.2脂噬在精子发生中的作用 细胞内的脂质通过自噬体转运至溶酶体分解的过程称为“脂噬作用”，简称脂噬。脂噬在能量代谢和脂质稳态中起重要作用[21]。有研究显示，脂噬不仅与肝病密切相关，还可作用于不同的生精细胞，参与精子的发生和调节[22]。

2.2.1支持细胞中脂噬的作用 据文献报道，支持细胞中的脂噬可以协调支持细胞与生殖细胞之间的关系，为精子发生提供保护和营养支持；在精子发生过程中，大量精子细胞的细胞质会部分脱落形成残余体，而脱落的残余体又会被支持细胞吞噬，被支持细胞吞噬的残余体可释放内脂滴并通过脂噬作用将内脂滴与溶酶体融合，产生ATP，从而为支持细胞提供能量[23]。而Ma等[24]研究发现，支持细胞的脂噬作用除通过内脂滴与溶酶体融合为支持细胞提供能量外，还可通过自噬体和线粒体直接与支持细胞内较大的内脂滴相连，从而参与脂噬的过程，这也为支持细胞中的另一种脂噬模式提供了新的证据。

虽然目前关于支持细胞脂噬作用的研究较少，且仅局限于为支持细胞提供能量方面，但在生精小管中，支持细胞紧邻生殖细胞，为生殖细胞的发育提供了支架和环境，而支持细胞与生殖细胞在精子生成过程中密切相关[25]。因此，支持细胞的脂噬作用在为自身提供能量的同时，是否会影响相邻生殖细胞的能量供给和细胞周期仍需进一步研究验证。

2.2.2间质细胞中脂噬的作用 睾丸间质细胞的主要作用是合成和分泌睾酮，而睾酮是正常精子发生和性发育必需的。研究表明，自噬缺陷与老年大鼠睾丸间质细胞睾酮减少相关[26]。用渥曼青霉素(一种自噬抑制剂)处理年轻和老年大鼠的间质细胞后发现，黄体生成素刺激的类固醇合成和睾酮产生均减少，而用雷帕霉素(一种自噬激活剂)处理后发现，老年大鼠间质细胞中的睾酮产生增加[24]。此外，Yang等[16]研究发现，睾丸间质细胞自噬缺失可导致雄性裸鼠的睾酮水平降低，进而阻碍正常的生精过程，最终导致不育。研究表明，在实验诱导的大鼠无精子症模型中，向大鼠睾丸中注入高浓度的睾酮可使生精过程恢复正常[26]。

近年来，随着对自噬机制研究的深入，越来越多的学者开始关注脂噬作用与睾酮产生之间的内在联系[27]。已有研究发现，甲鱼睾丸的间质细胞可通过脂噬作用将胆固醇酯降解为游离胆固醇，而游离胆固醇是睾酮合成的重要底物[28]。由此推测，睾丸间质细胞内的脂噬作用通过将胆固醇酯降解为游离胆固醇参与睾酮的合成，进而支持精子的发生[13]。

2.3内质网自噬在精子发生及男性不育中的作用 作为细胞中最大的细胞器，内质网是蛋白质合成、折叠、加工、追踪和脂质合成的主要场所。内质网需要持续更新才能维持细胞内蛋白质的最佳质量和细胞器的完整性[29]。当细胞受到应激刺激(营养限制、钙离子代谢失衡、毒素暴露和持续的氧化应激刺激)时，许多保护机制开始发挥细胞保护作用，内质网应激则是其中一个十分重要的环节[23]。随着内质网应激的出现，未折叠蛋白反应与内质网相关的降解蛋白介导的泛素-蛋白酶体系统首先被激活，帮助错误折叠和未折叠的蛋白质恢复其正常结构，最终恢复内质网的动态平衡[29]。但当刺激物存在时间过长或刺激物的强度过大时，内质网应激反应则不能将错误折叠和未折叠的蛋白质从内质网中移除，此时内质网自噬开始发挥作用，其可将受损的内质网降解成碎片，然后重新组装成新的内质网，恢复内质网的功能[30]。

研究发现，诱导大鼠支持细胞内质网应激可导致内质网相关蛋白表达失调，且随着内质网应激持续时间的延长，支持细胞会大量凋亡，从而诱发大鼠生精功能损伤[31]。还有研究表明，内质网自噬可能是一种缓解内质网应激的新途径[32-33]。其具体机制为当内质网应激水平在可调范围内时，内质网自噬可促进正常内质网功能的恢复；而当内质网应激水平超过内质网正常负荷时，内质网自噬又会触发细胞凋亡[34]。由此可见，由于内质网应激水平不同，内质网自噬存在促生存与促凋亡双向调节作用，即一定程度的内质网应激可启动内质网自噬功能，帮助清除内质网中积累的异常折叠蛋白，从而维持细胞稳态，但过量的内质网应激发生时，内质网自噬作用也会被激发，加速细胞凋亡。因此，内质网自噬可能通过参与内质网应激水平的调控，影响正常的生精过程和男性生育能力。

3 自噬调节治疗男性不育症

男性不育症是指育龄夫妇在未采取避孕措施的情况下，经过12个月或更长时间的定期性交后女方未能实现临床妊娠的一类病症[35]。近年来，不孕不育已成为一个全球公共卫生问题，受不孕不育影响的夫妇约占所有育龄夫妇的15%，其中男性因素约占不孕不育病例的25%[36]。

研究认为，饮食和营养成分可能是影响精子质量和生育力的重要因素，如富含反式脂肪酸、饱和脂肪或胆固醇的饮食对精子发生和男性生育能力可能产生不良影响[37]。既往研究表明，高脂肪饮食可导致肥胖者的自噬增加，并影响其精子质量[38]。Mu等[39]的动物实验表明，高脂饮食模型小鼠的自噬水平增加，生精功能受到干扰；为了验证高脂饮食小鼠自噬与生精缺陷的关系，研究者向小鼠腹腔注射自噬抑制剂以抑制自噬，结果发现，注射自噬抑制剂的模型小鼠精子生成显著改善；临床试验也发现，自噬在肥胖不育男性患者的精子样本中被过度激活。因此，通过抑制过度自噬可以预防因肥胖诱导的生精障碍和男性不育。此外，有文献报道，精索静脉曲张可引起大鼠睾丸自噬和生精细胞凋亡，并认为睾丸组织中的细胞自噬可作为一种保护途径，细胞自噬可及时清除受损的细胞器或蛋白质，从而减少睾丸生精小管上皮细胞引起的继发损伤，并在一定程度上减少精索静脉曲张大鼠睾丸生精小管上皮细胞的凋亡[40]。还有研究通过注射自噬激活剂与自噬阻滞剂对精索静脉曲张模型大鼠的自噬水平进行干预，结果发现，注射自噬激活剂的模型大鼠生精细胞凋亡率降低，而注射自噬阻滞剂的模型大鼠生精细胞凋亡率则进一步升高[41]。由此可见，调节自噬水平可在一定范围内减轻大鼠睾丸及附睾组织的病理损伤，同时减少生精细胞凋亡，这也为精索静脉曲张型不育患者提供了新的临床治疗方法。

综上，由于肥胖等因素导致的过度自噬或精索静脉曲张导致的自噬缺陷均会对精子的发生产生影响，而应用自噬阻滞剂或自噬激活剂调节自噬水平，将自噬控制在合理范围内，则可以为精子的发生提供保护，也为防止男性不育提供了新的方法。

4 小 结

精子发生是一个动态复杂的过程，而选择性自噬在精子发生及男性生殖中均具有重要作用：①线粒体自噬能够及时清除损伤的线粒体，保护细胞免受线粒体代谢紊乱以及凋亡的危害，当支持细胞线粒体自噬被激活时，可降解损伤线粒体，维持支持细胞内稳态，从而促进精子发生；②脂噬作用可以促进生精，在支持细胞中，脂噬作用可以为支持细胞的发育提供能量，在间质细胞中，脂噬作用可以促进睾酮的生物合成，进而促进精子发生；③内质网自噬具有促生存和促凋亡的双向调节作用。一定程度的内质网应激可以启动内质网自噬功能、维持细胞稳态，促进精子的生成和男性生育能力的提高。虽然选择性自噬对精子生成和男性不育均具有重要影响，但具体作用机制目前仍不明确。此外，其他类型的选择性自噬(如异种自噬、过氧化物酶体自噬、核糖体自噬)也可影响精子发生和男性生育能力。因此，未来还需进一步研究并明确其他类型的选择性自噬在精子发生和男性不育中的作用，为临床防治男性不育提供帮助。