精子运动调控机制初探

1、精子运动调控精子运动调控机制初探机制初探 中山大学生命科学学院 周文良 2017年03月05日 报告内容报告内容 n精子的发生、成熟和运动模式 n精子的超微结构特征 n精子运动功能异常与临床 n精子运动的调控机制 精子的发生精子的发生 精子成熟与附睾精子成熟与附睾 n水盐平衡的维持 n酸性环境的维持 n功能蛋白的分泌 n精子的运输 n精子的储存与保护 附睾为精子的成熟提供 了适宜的体液微环境 精子运动方式精子运动方式 激活态运动：激活态运动： 鞭毛对称摆动 线性运动轨迹 超活化运动：超活化运动： 鞭毛非对称摆动 运动轨迹呈环状 精子结构特征精子结构特征 Axoneme 精子鞭毛超微结构精子鞭毛

2、超微结构 PM: 细胞膜 MS:线粒体鞘 ODFs:外围致密纤维 OMDA:外部二联微管 DA:动力蛋白臂 RS:径向辐条 CP:中央微管对 LC:纵向圆柱体 TR:横向肋条 精子鞭毛轴丝超微结构精子鞭毛轴丝超微结构 鞭毛轴丝的鞭毛轴丝的“9+2”“9+2”超微结构超微结构 CP:中央微管对 OMD:外围双联微管 RS: 径向辐条 ODA: 动力蛋白外臂 IDA: 动力蛋白内臂 ODA: 含有”Ca2 + sensor” IDA :含有”pH sensor” ZOOLOGICAL SCIENCE 20: 10431056 (2003) 精子鞭毛摆动的分子机制精子鞭毛摆动的分子机制 动力蛋白臂水

3、解ATP驱动临近微管间的相对滑动 Molecular Human Reproduction, Vol.17, No.8 pp. 524538, 2011 精子鞭毛摆动的模式精子鞭毛摆动的模式 Molecular Human Reproduction, Vol.17, No.8 pp. 524538, 2011 精子通过在时间与空间上的精准调控时间与空间上的精准调控使鞭毛轴丝特定区域特定区域内的微管之 间产生相对滑动从而使鞭毛产生对称性或非对称性的摆动，进而，推 动精子进行直线性运动（激活态运动）或以环状轨迹运动（超活化运 动）。 精子运动功能异常与临床精子运动功能异常与临床 病变原因：病变原因

4、： 发育异常引起的发育异常引起的宏观形态宏观形态畸变、超微结构缺陷等畸变、超微结构缺陷等 ，如，如纤毛纤毛 不动综合症不动综合症。 外部环境异常诱导精子运动调控相关信号通路紊乱，如精外部环境异常诱导精子运动调控相关信号通路紊乱，如精 液感染、精液液化障碍、精液粘稠、液感染、精液液化障碍、精液粘稠、精液精液pHpH异常异常等引起的精等引起的精 子运动障碍。子运动障碍。 外界外界pHpH对精子运动的影响对精子运动的影响 PLOS ONE | july 14, 2015 VSL：平均直线速度 VCL：平均曲线速度 VAP：平均路径速度 pHpH调控精子运动的分子机制调控精子运动的分子机制 Journ

5、al of Reproduction and Fertility (1993)98,439-449 精子胞内pH受到胞外pH影响且两者在一定范围内呈线性关系 pHpH调控精子运动的分子机制调控精子运动的分子机制 PLOS ONE | july 14, 2015 精子胞内PH可直接作用于鞭毛轴丝上动力蛋白内壁的pH感受器通过影响动 力蛋白ATPase的活性调控精子的运动 pHpH调控精子运动的分子机制调控精子运动的分子机制 pH可通过胞内HCOHCO3 3- -/sNHE-sAC-/sNHE-sAC- cAMP-PKA cAMP-PKA 信号通路调控精子鞭 毛上运动相关结构蛋白的磷酸化 水平从而

6、影响精子鞭毛的摆动模 式。 BIOLOGY OF REPRODUCTION 73, 519526 (2005) pHpH调控精子激活态运动的信号网络调控精子激活态运动的信号网络 1 2 胞外胞外pHpH对精子胞内钙离子浓度的影响对精子胞内钙离子浓度的影响 PLOS ONE | july 14, 2015 碱性的PH能够提升精子胞内的钙离子浓度 胞外胞外pHpH对精子胞内钙离子浓度的影响对精子胞内钙离子浓度的影响 钙信号调控精子鞭毛的摆动模式钙信号调控精子鞭毛的摆动模式 Catsper-nullCatsper-null精子精子只拥有基础激活态运动的能力，无法进行超活化运动，使 得其无法穿透卵子外

7、围的蛋白保护层进行授精，这是由于Catsper-nullCatsper-null精子精子 无法在胞内形成相应的钙信号所导致。 Reproductive BioMedicine Online (2015) 30, 2838 钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制 精子能够通过在时间和空间上的 精准调控产生复杂的钙信号复杂的钙信号参 与运动的调控，如精子的超活化 运动，以及精子的趋化。 Nat Cell Biol.2007 Mar;9(3):235-42. 精子胞内钙离子 浓度通过影响鞭 毛轴丝Dynien Dynien ATPaseATPase活性调控 轴丝微管间的相

8、对滑动。 Reproduction (2015) 149 475484 钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制 精子通过在胞内产生复杂的钙信号如局部钙离子浓度分布的差异，使得精子鞭毛 轴丝微管在高钙离子浓度区域的相对滑动被抑制，而在低钙离子浓度区域轴丝微 管的相对滑动被激活，引起精子鞭毛的大幅度非对称摆动，推动精子以环状轨迹 进行超活化运动。 Molecular Human Reproduction, Vol.17, No.8 pp. 524538, 2011 钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制 高钙离子高钙离子 浓度区域浓度区域 低钙离

9、子浓低钙离子浓 度区域度区域 钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制 Asian Journal of Andrology (2016) 18, 110 精子胞内钙信号可激活cAMPcAMP信号 途径调控运动相关蛋白的磷酸化 水平， 尤其是蛋白酪氨酸的磷 酸化，使精子的运动模式由激活 态运动转变为超活化运动。 钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制钙信号调控鞭毛摆动模式的分子机制 BIOLOGY OF REPRODUCTION 73, 519526 (2005) 钙钙/ /钙调蛋白钙调蛋白- -钙调蛋白激酶钙调蛋白激酶信号途径可通过调控鞭毛上运动相关蛋白的磷 酸化水平，使精子的运动模式由激活态运动转变为超活化运动 精子胞内钙信号网络精子胞内钙信号网络 目前已鉴定出约35 种蛋白质参与到 Ca2+对精子运动的 调控，在精子运动 调控方面扮演着重 要角色。 Md Saidur Rahman, BioMed Research International.Volume 2014, 钙离子调控精子运动的信号网络钙离子调控精子运动的信号网络 1 2 3 精子运动调控机制模式图精子运动调控机制模式图 pH pH碱化启动精