钙离子在精子获能和顶体反应中的作用_宫璀璀
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・综述・
钙离子在精子获能和顶体反应中的作用
宫璀璀 刘影综述 韩玉春审校
【摘要】 精子获能和顶体反应是精子最终完成受精过程中两个主要的生理活动,钙离子(Ca2+)作为细胞信号第二信使在其中起着重要的调节作用。现着重从Ca2+的正负调节、内流和清除等方面,综述其在精子获能和顶体反应中的作用机制。
【关键词】 Ca2+; 精子; 获能; 顶体反应
钙离子(Ca2+)在精子一系列生理活动过程中起着关键的调控作用,并与环磷腺苷(cyclicadenosinemomophosphate,cAMP)和HCO3-有着密切关系[1]。精原细胞的可溶性腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶在Ca2+和HCO3-的作用下,使cAMP含量增加,并通过一系列信号转导作用,对精子功能起到调节作用。Ca2+通道抑制剂通过阻止Ca2+的流入,对精子的成熟、运动、获能和顶体反应产生抑制作用[2]。透明质酸可通过增加精子细胞内Ca2+的浓度,激活精子的活动力[3]。
Ca2+在精子获能中的作用
哺乳动物精子在附睾中处于一种静止状态,只有当进入雌性生殖道内,发生一系列生物化学反应后,才变得具有活性,这个过程被称为获能。在获能过程中,Ca2+因受到周围环境因素的影响,可产生正、反两个方面的作用[4]。
1.Ca2+的正调节作用:获能的第一个反应就是精子细胞内Ca2+和重碳酸盐浓度的增加。在pH值偏低时细胞保持膜电位,并维持较低的细胞内Ca2+浓度;当pH值升高时,可引起细胞内胆固醇外流和腺苷酸环化酶的活化,cAMP升高,接着蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)被激活,精子顶体外膜上的电压依赖性Ca2+通道被打开,胞质中Ca2+浓度升高[1]。升高的Ca2+浓度又使磷脂酶C活化,促进磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinositol4,52bisphos2phate,PIP2)的生成,PIP2作用于蛋白激酶C,引起精子质膜上电压依赖性Ca2+通道开放,使胞质中的Ca2+浓度再次升高,最后导致质膜溶解和顶体反应发生等生物学效应[5]。
2.Ca2+的负调节作用:细胞内Ca2+浓度和磷酸酪氨酸蛋白含量的增加是精子获能反应发生的标志。有试验表明,通过外部Ca2+的介导,在人和鼠的精子
基金项目:河南省科技攻关基金资助(0324410002)
作者单位:450042郑州,解放军第一五三中心医院;250000济南军区医学检验中心
上均可观察到酪氨酸磷酸化作用的减弱。随着pH
值升高,磷酸酪氨酸的含量并没有增加。试验还表明,Ca2+对酪氨酸磷酸化作用的影响与细胞内ATP的利用率有相关性,当精子被哺育在含Ca2+的介质中时ATP含量减少。细胞外Ca2+抑制酪氨酸磷酸化的作用是由于细胞内ATP利用率的减低所致,与激活酪氨酸磷酸酶和抑制酪氨酸激酶活化无关[4]。
3.Ca2+在精子活动亢进(hyperactivation,HA)中的作用:HA精子的运动以高振幅和不对称的鞭击运动为特征,其运动方式有助于精子与卵子的结合。精子活动力和精子获能与cAMP/PKA和酪氨酸激酶信号转导途径之间的串话有关联。研究结果显示,HA的诱导不依赖cAMP/PKA传导途径,而是依赖Ca2+,即超活化是由Ca2+信号转导途径所介导[6]。CatSper1作为电压依赖性Ca2+通道,位于鞭毛膜上,控制Ca2+的进入,对精子HA的调节起着关键作用[7]。
Ca2+在顶体反应中的作用
精子顶体反应是复杂的,包括Ca2+的依赖和胞吐作用的调节。精子细胞含有一个顶体颗粒,像一个帽子一样围绕在精子膜的外部,这个特殊的结构可将与细胞膜接触最近的外部顶体膜和与细胞核接触最近的内部顶体膜隔开。当顶体反应发生时,外部顶体膜与质膜发生多位点的融合,大量融合孔的形成使顶体结构不稳定,引起顶体内含物释放,造成外部顶体膜及围绕顶体的细胞质丢失。在精子的一生中,此过程只发生一次且为不可逆反应,但是对于这一融合过程中分子介导和调节的机制还不太清楚。
1.Ca2+的内流:Ca2+内流的调节对许多重要的细胞功能起着关键作用,如细胞生长、细胞凋亡、胞吐作用、肌肉收缩和基因转录等。功能异常时,可导致疾病的发生。对于磷酸肌醇代谢和Ca2+通道调节之间关键事件的理解,可能有助于对相关疾病分子机制的阐明[11]。顶体反应的发生与Ca2+内流有着密切关系[10]。研究发现,透明质酸可以增加精子的活动力及
・334・细胞内Ca2+的浓度,而这种作用可被硝苯吡啶和人
CD44单抗所抑制。结果显示,透明质酸刺激人精子的活动力是通过增加细胞内Ca2+的浓度,部分是通过细胞外Ca2+的内流[3]。在受精的不同阶段,精子对Ca2+的需求量也是不相同的。精子在获能中仅需0.22mmol的Ca2+就足够了,通过人卵泡液诱导的顶体反应及精子与透明带的相互粘附过程则需要0.58mmol的Ca2+[8]。抗受精活性药物可阻断Ca2+的内流和精子顶体反应的发生[9]。
2.Ca2+的清除:研究表明,在Ca2+浓度恢复到最终的低值静止状态过程中,质膜上的Ca2+2ATP泵起着对Ca2+清除的主要作用。另外在质膜上的Na+2Ca2+离子通道中,当细胞内Ca2+升高时,也起着清除Ca2+的作用[12]。研究结果显示,当细胞内Ca2+储存量减少时,精子质膜上的Ca2+通道被打开“,获能”Ca2+进入细胞内。人精子拥有内部Ca2+的储存和获能的Ca2+进入途径,表明细胞调节的重要生物学过程,是精子发生顶体反应的基础[13]。细胞内储存的Ca2+减少后,获能的Ca2+进入,可产生Ca2+增加的持续作用,从而引发顶体反应。cAMP可以增强获能Ca2+进入的作用,是Ca2+清除的上游事件[14]。探讨Ca2+的清除机理是一个新的研究领域,以往的研究多数是在Ca2+内流、细胞内Ca2+浓度升高上的探讨,少数研究也提到了Ca2+的升高是一个暂时现象,但对Ca2+浓度的减退机制研究较少。
3.Ca2+通道在顶体反应中的作用:在精子发生顶体反应的过程中,电压依赖性Ca2+通道的活化起着关键性作用。通过对电压依赖性Ca2+通道的抑制,约有60%的顶体反应被阻断。由此推测,在顶体反应中参加反应的Ca2+通道不只是一种[15]。有学者认为,哺乳动物顶体反应要求3种不同的Ca2+通道(T2V、In2sP3受体、TRPC2)必须全部被激活后,才能发生顶体反应。所有Ca2+信号转导都是在Ca2+通道活化的控制下,但对于Ca2+通道的分子机理认识不一[1]。
结 语
大量的研究已证实了Ca2+
在精子的活动力、获
能、HA、定向运动和顶体反应中的重要作用,但在精子获能和顶体反应发生过程中的分子机理和信号转导的研究还有待进一步探讨,如在获能过程中Ca2+的负调节作用,在顶体反应中Ca2+的清除作用等。通过这些研究,有望在相关疾病的治疗和避孕方面提供理论依据。
参 考 文 献
1
JaiswalBS,ContiM.Calciumregulationofthesolubleadenylylcyclaseexpressedinmammalianspermatozoa.ProcNatlAcadSciUSA,2003,100(19):[1**********].
2ShiYL,BaiJP,WangWP.Ion2channelsinhumanspermmembraneandcontraceptivemechanismsofmaleantifertili2tycompoundsderivedfromChinesetraditionalmedicine.
ActaPharmacolSin,2003,24(1):22230.
3BainsR,MilesDM,CarsonRJ,etal.Hyaluronicacidin2creasesmotility/intracellularCa2+concentrationinhumansperminvitro.ArchAndrol,2001,47(2):1192125.
4BakerMA,HetheringtonL,EcroydH,etal.Analysisofthemechanismbywhichcalciumnegativelyregulatesthetyrosinephosphorylationcascadeassociatedwithspermca2pacitation.JCellSci,2004,117(Pt2):2112222.
5
BreitbartH.Signalingpathwaysinspermcapacitationandacrosomereaction.CellMolBiol(Noisylegrand),2003,49(3):3212327.
6
MarquezB,SuarezSS.Differentsignalingpathwaysinbo2vinespermregulatecapacitationandhyperactivation.BiolReprod,2004,70(6):162621633.
7CarlsonAE,WestenbroekRE,QuillT,etal.CatSper1requiredforevokedCa2+entryandcontrolofflagellarfunc2tioninsperm.ProcNatlAcadSciUSA,2003,100(25):[1**********].
8Marin2BriggilerCI,Gonzalez2EcheverriaF,BuffoneM,etal.Calciumrequirementsforhumanspermfunctioninvitro.FertilSteril,2003,79(6):139621403.
9BaiJP,ShiYL,FangX,etal.Effectsofdemethylzeylas2teralandcelastrolonspermatogeniccellCa2+channelsandprogesterone2inducedspermacrosomereaction.EurJPhar2macol,2003,464(1):9215.
10TrevinoCL,FelixR,CastellanoLE,etal.Expression
anddifferentialcelldistributionoflow2thresholdCa(2+)
channelsinmammalianmalegermcellsandsperm.FEBSLett,2004,563(123):87292.
11FukamiK,YoshidaM,InoueT,etal.Phospholipase
Cdelta4isrequiredforCa2+mobilizationessentialforacro2somereactioninsperm.JCellBiol,2003,161(1):79288.12WennemuthG,BabcockDF,HilleB.Calciumclearance
mechanismsofmousesperm.JGenPhysiol,2003,122(1):1152128.
13RossatoM,Di2VirgilioF,RizzutoR,etal.Intracellular
calciumstoredepletionandacrosomereactioninhumanspermatozoa:roleofcalciumandplasmamembranepoten2tial.MolHumReprod,2001,7(2):1192128.
14FordWC.Maleinfertility:talesofprogressandfrustra2
tion.HumFertil(Camb),2002,5(1Suppl):S532S60.15Lopez2GonzalezI,Olamendi2PortugalT,De2la2Vega2Bel2
tranJL,etal.ScorpiontoxinsthatblockT2typeCa2+channelsinspermatogeniccellsinhibitthespermacrosomereaction.BiochemBiophysResCommun,2003,300(2):4082414.
(收稿日期:2004208226)
(本文编辑:甘霖)