六、精子
解剖和生理:人类精子长约60μm,从形态上分为头部、颈部和尾部三个部分(图2-22)。椭圆形的精子头长约4.5μm、宽3μm,由细胞核与顶体组成,细胞核含有高度致密核染色质,顶体是一种膜结合细胞器,含有在受精前穿透卵子外层所需的酶(Yanagimachi,1978)。精子颈部维持精子头部和尾部之间的连接,由连接段和近端中心体组成。轴索复合体从近端中心体通过精子尾部延伸,尾部包含中段、主段和末段(Zamboni,1992)。中段长度为7~8μm,是尾部最近端的部分,终止于环面,包含带有特征微管排列的轴丝和周围的外部致密纤维(图2-23),还含有线粒体鞘,螺旋状排列在外部致密纤维周围。富含二硫键的外部致密纤维不是可收缩蛋白,但能为精子尾部提供渐进运动所必需的弹性刚度(Oko and Clermont,1990)。主段的结构与中段相似,有几根外部致密纤维,由纤维鞘代替。纤维鞘由纵向柱和环形肋柱组成。精子终止于末段,即精子尾部最远端的部分,包含轴丝结构和纤维鞘。除了末段区域,精子被高度特化的细胞膜包裹,该细胞膜调节离子和其他分子的跨膜运动(Friend,1989)。
图2-22 典型的哺乳动物精子示意图。去除质膜以说明主要的细胞成分。横截面插图显示内部细胞结构组成(From Fawcett DW.The mammalian spermatozoon.Dev Biol 1975;44:394-436.)
图2-23 “9+2”精子轴丝结构。左.轴丝横截面示意图,展示微管排列。右.轴丝的显微电镜图片(A.外侧双联体;B.内侧中央双联体;C.外动力蛋白臂;D.径向连接)
精子是一种非常复杂的代谢和遗传机器。围绕轴丝的75个精子线粒体含有氧化代谢所需的酶并产生三磷腺苷(ATP),ATP是细胞的主要能量分子。线粒体是产生细胞能量的细胞器,并且还可通过释放细胞色素C引起细胞凋亡。线粒体由外膜和内膜组成,内膜在基质中形成深度折叠,称为嵴,这使得内膜的表面区域大于外膜的表面区域。有五种不同的呼吸链复合物跨越内膜并且为氧化磷酸化所必需:烟酰胺腺苷二磷酸(NADPH)脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素bc1、细胞色素C氧化酶和ATP合酶复合物。包含在基质内的是枸橼酸循环、脂肪酸和氨基酸氧化酶、新产生的ATP、线粒体DNA(mtDNA)和核糖体。
人类线粒体含有的DNA(mtDNA)区别于精子核DNA。mt DNA由一个环状、无组蛋白的染色体构成,含有16 569个碱基对,排列在单个重链和轻链中,编码呼吸链复合亚基蛋白、线粒体rRNA和tRNA,并用于蛋白质合成。这些基因没有内含子。mtDNA比核DNA更容易发生突变(估计高出40~100倍)。其原因可能包括线粒体靠近呼吸链复合物并容易被活性氧物质攻击。另外,mtDNA没有保护性组蛋白包被,线粒体的DNA修复机制非常有限(Hirata et al,2002)。线粒体迅速累积突变的事实表明,降解受精卵中所有父系mtDNA的必要性。这种降解可能是由调节多种组织蛋白水解的小蛋白水解多肽泛素介导(Sutovsky et al,1999)。
动物研究中已经明确,覆盖精子头部区域的质膜具有参与精子-卵子相互作用的特殊蛋白质(Saling,1989)。事实上,精子膜上的糖类结合蛋白与卵子透明带中特定种类的ZP3蛋白相互作用,首先导致精子与透明带结合,随后诱导顶体反应(Shabanowitz,1990)。睾丸精子存在另一种精子膜蛋白PH30,在精子通过附睾迁移过程中发生改变,并且在受精时作为精子和卵膜间的融合蛋白(Primakoff et al,1987;Blobel et al,1990)。
在生理上,轴丝是真正的驱动组件,需要200~300种蛋白质发挥其正常功能。其中,微管外部和内部双联体的“9+2”模式是研究最透彻的组分(见图2-23)。动力蛋白从一个微管双联体延伸到相邻的双联体,并形成轴丝的内臂和外臂。精子轴丝含有ATP化学能转换成机械运动和活力所必需的酶和结构蛋白。动力蛋白是一种大分子(2000k D)、Mg2+依赖的ATP酶,负责分解ATP使微管滑动,导致轴丝弯曲,并最终引起精子鞭毛运动。动力蛋白结构具有两个或三个突起物,外(重)链头部(500k D)连接到一个主干,头部控制微管的运动。内(轻)链臂部(14~120k D)是运动的主要效应器,并且与动力蛋白组件的径向辐条相关联。外臂如发生突变,则精子运动能力降低;内臂如发生突变,则精子没有活力。径向连接或辐条由蛋白复合物组成,将每个双联体的微管连接至内侧中央双联体。内侧中央双联体包裹有环状螺旋鞘,外侧双联体径向连接在该层上。不溶性弹性结构蛋白与外侧微管双联体相关,微管连接蛋白可将外侧双联体相互连接并保持柱状轴丝外形。
精子结构表型缺陷已被认为是由纤毛运动障碍导致。虽然纤毛运动障碍可导致不育,但射出的精子能够运动且精子浓度可正常。使用运动障碍的精子进行ICSI,已有临床妊娠和活产的报道(Cayan et al,2001)。由于该疾病通常是隐性遗传,所以可生育正常的后代。一般而言,疑似精子结构缺陷的患者通常表现出严重的精子活力受损(<10%)。电镜可观察到精子的超微结构或功能异常。精子结构异常目前由Chemes(2000)如下分类。
(1)非特异性鞭毛异常:是最常见的鞭毛异常,表现为重度弱精,并且显示出随机、异质、微管改变的结构表型。这些异常可来自能矫正的疾病,如精索静脉曲张、活性氧和接触性腺毒素。没有家族遗传史证据。
(2)纤维鞘发育不良:是一种系统性的精子异常,通常伴有近乎或完全不活动的精子,具有更加一致和独特的表型,其特征为精子纤维鞘、鞭毛轴丝和轴丝周围的扭曲。一部分患者表现出典型的纤毛运动障碍(纤毛不动综合征),其中不活动精子与呼吸系统疾病和右位心有关。家族性发病率很高,表明这种情况源于遗传。
要点:精子
•精子是具有“9+2”轴丝结构能够活动的纤毛细胞。
•估计有200~300个基因调节精子运动。
•称为纤毛运动障碍的精子运动缺陷很常见,可以是能矫正的(非特异性异常)或遗传性的(纤维鞘异常)病因。
•人类精子mt DNA是一个环状、无组蛋白和内含子的DNA环,可编码呼吸链复合体蛋白,并且非常容易发生突变。