精子获能和顶体反应过程中的精子膜相关配体和受体

精子获能和顶体反应过程中的精子膜相关配体和受体

母乳精通过两个阶段的成熟过程而产生顶体反应和提取物。第一阶段主要是在附睾内,精子获得了运动的能力。第二阶段是在女性生殖道(主要是子宫腔和输卵管腔),精子开始超激活运动,并获得了受精的能力(精子获能)。从精子获能、顶体反应到精卵融合受精这复杂而又精妙的生物学现象发生的关键是精子细胞膜膜结构与周围环境(如精浆、女性生殖道液及模拟输卵管液的获能介质)中对应因子的相互作用。近年来,随着分子生物学检测技术的飞速发展,有关这方面的研究取得了很大的进展,现综述如下。1脂质和膜电位精子细胞膜脂质的流动性在获能过程中明显增加。这种变化源于精子膜脂质中胆固醇成份从脂质中流出。而环境介质中起这种作用的主要成份为白蛋白,通常是血清白蛋白。血清白蛋白被相信作为一种沉淀物从精子质膜除去了胆固醇。一些实验已证实输卵管液或滤泡液中存在着高密度脂蛋白或脂质转运蛋白,这些白蛋白起着与血清白蛋白同样的作用。Cross和Crworker已证实精浆中存在着胆固醇可以抑制精子细胞膜脂质中的胆固醇流出从而起着获能抑制作用。胆固醇从脂膜流出使得精子膜脂质结构发生了改变,结果使得脂质包绕着的蛋白质拓朴结构随之发生了变化,处于有利于发挥功能的状态。精子膜流动性变化和膜功能蛋白构型的改变进一步使精子膜通透性和膜电位发生变化。已有实验证实,附睾中的精子膜电位与睾丸中的精子膜电位中不同,而获能和顶体反应的精子存在着更为活跃的膜电位变化。有关胆固醇被白蛋白从精子膜脂质中运出的机制还不清楚。2妊娠和孕酮受体的生理作用与生殖功能有关的孕激素主要为孕酮(Progesterone)和17-α-羟(OH)孕酮(17alpha-hydroxyProgesterone)。有学者在体外受精实验中,用Progesterone预处理精子能明显提高暴露于ZP3精子的顶体反应率和受精率。但在受精阶段加入Progesterone则对受精率没有影响,故认为孕酮对精子的作用主要是在获能阶段。精子膜的孕激素受体为配体依赖性钙离子通道,为r-氨基丁酸样受体。孕激素与这类受体的结合,能引起精子细胞以下生理变化:①精子细胞内钙离子浓度快速持续升高形成细胞内钙离子平顶期。这种细胞内钙离子浓度的升高主要是通过细胞外钙离子进入细胞造成的,因为大量实验证明,介质中加入钙离子螯合剂或钙离子通道阻滞剂将会使孕激素的这种作用消失,同时孕激素诱导的精子获能现象也同时消失。用异博定不能抑制孕酮诱导的钙离子内流,说明孕酮受体为非电压依赖性钙离子通道。②氯离子外流。已有实验证实在孕酮诱导的精子获能过程中伴随着氯离子外流。如用氯离子通道阻滞剂,孕酮诱导的氯离子外流和获能作用同时消失。③钠离子跨膜运动。已有实验证实在无钠的介质中孕酮诱导的获能作用消失。④细胞内第二信使二酰基甘油增加。孕酮诱导的细胞内二酰基甘油增加不能被百日咳毒素阻断,这明显不同于ZP3的作用。ZP3引起的精子细胞内二酰基甘油增加线性依赖性被百日咳毒素(Gi类蛋白抑制剂)阻断。孕酮与受体结合发挥生理效应是通过关键蛋白质酪氨酸磷酸化介导的。免疫法测到精子头的赤道部可能存在着对孕酮起反应的酪氨酸磷酸化位点,而且实验证实用酪氨酸磷酸化抑制剂处理精子会使孕酮失去上述生理作用。3顶体反应生物学机制人类及其它一些哺乳动物顶体反应的主要生理诱导剂为ZP。ZP由ZP1、ZP2、ZP3三种硫酸糖蛋白组成。ZP3(83kDa)为与精子结合及诱发顶体反应的主要成份。它的蛋白成分和糖成份都参加了与顶体反应相关的活动。ZP3受体的几个候选成份主要为:①56Kda的蛋白质;②95-KDa的酪氨酸激酶;③B-1-4半乳糖转移酶;④胰蛋白酶样蛋白质;⑤精子粘附素。有关这些成份的生理相关性还颇具争论,大多数作者认为是这些成份集合完成了顶体反应的复杂过程。ZP3与受体的结合引发了精子以下生物学现象:①精子细胞膜电压依赖性钙离子通道开放,引起持续性细胞内钙离子浓度升高;②非电压依赖性钙离子通道开放,这类通道主要位于精子头部,引起小量瞬时的细胞内钙离子浓度升高。这类通道还同时允许镍、钴等二价阳离子通过,为低选择性阳离子通道;③与受体结合激活了磷脂酶,使细胞内的肌醇二磷酸分解为肌醇三磷酸(IP3)和二酰基甘油。IP3进一步引起了细胞内钙离子动员,使细胞内钙离子浓度迅速升高,引起细胞内钙离子浓度高峰期;④细胞内pH值升高。但也有实验证实获能和顶体反应过程中细胞内pH值变化主要依赖于介质的pH值及HCO-3,而与孕酮和ZP3无明显关系;⑤精子细胞酪氨酸激酶,c-AMP、PKA、PKC活性升高。PZ3诱发的顶体反应能够被G蛋白抑制剂百日咳毒素阻断,提示G蛋白介导着ZP诱导的顶体反应。酪氨酸激酶抑制剂能够消除ZP对精子的生理效应,说明蛋白质酪氨酸磷酸化在ZP诱导的顶体反应过程中是一个重要的环节。4ip3受体的检测在顶体反应中,IP3是由ZP3与受体结合激活磷脂酶,再由磷脂酶分解肌醇二磷酸产生的。实验证实IP3受体定位于精子头部的顶体区。用抗猪脑细胞多克隆抗体在鼠、马、狗的精子细胞上发现了260KDa蛋白带。免疫染色法发现IP3受体定位于精子顶体帽部。这种受体为IP3门控钙离子通道。IP3与受体的结合引起顶体内钙离子释放于胞质溶液,使细胞内钙离子浓度急剧升高形成峰期,结果使钙依赖性顶体酶释放和精卵融合受精。IP3引起的细胞内钙动员依赖于细胞外钙离子进入细胞内,再由钙-镁-ATP酶将其主动转运,储存于顶体泡内备用。5亚单位的通道作用在精子获能和顶体反应过程中,伴随着精子细胞c-AMP、c-GMP升高。这两类信号分子除作用于相应的底物酶发挥作用外,还作用于相应的受体-环核甘酸门控离子通道。环核甘酸门控离子通道是由至少两个亚单位(α和β)组成的异源二聚体,α亚基起着通道作用,单独β亚基不起通道作用,α与β亚单位的联合表达与同源二聚体通道相比,产生了具备不同特性的通道作用。从睾丸来源的α亚单位被首先克隆,显示了与在光感受器环核甘酸门控通道受体上78%的氨基酸序列同源。它包含有环核甘酸结合位点,孔序列,跨膜片段和环核甘酸通道家族的S4电压元件基序特征。最近,一个短的和几个长的环核甘酸通道β亚单位不太丰富的转录物在牛睾丸上被测到。免疫法发现α亚单位存在于精子的整个鞭毛部。而β亚单位只在鞭毛的主要部位发现。精子的这些环核甘酸门控离子通道对钙离子通透。而且对c-GMP比c-AMP更敏感。如果各型环核甘酸门控离子通道对钙离子有不同的通透性,并且以不同的部位定位于鞭毛,就象α与β亚单位不相似的定位一样,那么,钙的微功能域(结构域)将存在。这可能是鞭毛弯曲运动的基础。6no系统及活性系统精子在获能和顶体反应过程中自由基水平升高已被许多研究所证明。精子ROS主要来源为:①精子NADPH氧化酶促产生;②精子线粒体呼吸代谢产生;③精液中白细胞呼吸暴发产生。NO系统主要由NO合酶酶促产生。ROS的靶结构为精子一些关键蛋白质,对获能和顶体反应主要的调节是通过参与蛋白质酪氨酸磷酸化。事实上,用过氧化氢酶和超氧化物岐化酶可以阻断精子关键蛋白质酪氨酸磷酸化,同时阻断精子获能和顶体反应。NO系统对获能和顶体反应的调节途径之一也是调节精子蛋白质酪氨酸磷酸化,另外一个主要途