葛少欽，趙崢輝，殷會(huì)瑩，梁群，王川川，丁高朋，許振國(guó)

（1. 河北大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 河北 保定 071000；2. 河北大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究所, 河北 保定 071000）

·綜述·

精子DNA損傷因素研究進(jìn)展

葛少欽1,2，趙崢輝1，殷會(huì)瑩1，梁群1，王川川1，丁高朋1，許振國(guó)1

（1. 河北大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 河北 保定 071000；2. 河北大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究所, 河北 保定 071000）

人類精子DNA損傷是男性生育力減退的重要原因之一，其可由多種因素誘發(fā)精子DNA鏈斷裂或使其雙鏈變性為單鏈等而形成。具有DNA損傷的精子可在一定程度上逃避體內(nèi)精子的優(yōu)化選擇機(jī)制而將遺傳缺陷傳遞給后代，精子DNA損傷可導(dǎo)致胚胎發(fā)育異常、早期流產(chǎn)和先天畸形等相關(guān)疾病。文章通過(guò)分析評(píng)價(jià)年齡、禁欲時(shí)間、環(huán)境、精子冷凍、氧化應(yīng)激、微量元素以及染色質(zhì)包裝異常等因素對(duì)精子DNA損傷，闡述精子DNA損傷的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步闡明精子DNA損傷的發(fā)生機(jī)制以及男性不育的預(yù)防、治療和輔助生殖技術(shù)選用高質(zhì)量精子提供基礎(chǔ)材料。

精子DNA損傷；年齡；禁欲時(shí)間；環(huán)境

WHO研究表明，全世界有8%～12%的人群不孕不育，其中男性因素約占50%[1]，中國(guó)育齡夫婦不孕不育的發(fā)病率約為15%，每10對(duì)育齡夫婦就有1對(duì)夫婦不孕不育，其中男性因素約占40%[2-3]。近年來(lái)，精子DNA損傷作為一個(gè)新的評(píng)價(jià)精液質(zhì)量和預(yù)測(cè)生育能力的指標(biāo)，引起了生殖專家的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，精子DNA損傷是精子染色質(zhì)結(jié)構(gòu)異常的一個(gè)重要特征，是造成男性不育、復(fù)發(fā)性自然流產(chǎn)以及輔助生殖技術(shù)治療失敗的重要原因之一。精子DNA損傷包括單鏈損傷和雙鏈損傷兩種，其中雙鏈損傷易在精子形成過(guò)程中發(fā)生，可造成染色體斷裂、基因重排、倒置和基因片段易位等DNA損傷改變，這些改變會(huì)造成精子染色體配對(duì)錯(cuò)誤和減數(shù)分裂異常，最終導(dǎo)致男性不育[4]。精子DNA損傷的原因復(fù)雜多樣，相關(guān)研究表明，年齡因素、禁欲時(shí)間、環(huán)境污染、精子冷凍保存以及精子DNA氧化應(yīng)激等均可導(dǎo)致精子DNA損傷，本文概述了精子DNA損傷的因素，為男性不育癥的預(yù)防、治療以及輔助生殖技術(shù)選用高質(zhì)量精子提供理論指導(dǎo)。

1 年齡因素

精子質(zhì)量對(duì)人類生存繁衍至關(guān)重要。當(dāng)今社會(huì)，越來(lái)越多的男性在高齡階段生育，流行病學(xué)證據(jù)顯示，男性年齡的增長(zhǎng)會(huì)影響生育能力及后代健康。和女性相比，男性的生育能力可持續(xù)到較高年齡，但隨著年齡的增長(zhǎng)，男性精液參數(shù)逐漸下降，如射精量減少、精子活力低下、精子形態(tài)異常率增高以及不同程度的精子DNA損傷等現(xiàn)象。Vagnini等[5]通過(guò)TUNEL法檢測(cè)了508例男性精液，發(fā)現(xiàn)隨著年齡增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的精子DNA損傷，Singh等[6]發(fā)現(xiàn)，年齡越大精子DNA損傷越嚴(yán)重。此外還有研究表明，精子DNA損傷率與年齡呈明顯的正相關(guān)，男性35歲以上的精子DNA 損傷水平將明顯增高。總之，年齡對(duì)精子質(zhì)量的影響已成共識(shí)，應(yīng)盡力避免高齡生育。

2 禁欲時(shí)間

禁欲時(shí)間可以影響精液質(zhì)量，但其是否會(huì)造成精子DNA損傷尚存爭(zhēng)議。Levin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，禁欲時(shí)間越長(zhǎng)，精子總數(shù)、精液量和精子密度會(huì)增加而精子活力則會(huì)減弱，但林海萍等[8]通過(guò)對(duì)20例健康男性24 h、48 h、72 h留取的精液研究表明，禁欲時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)使精子總數(shù)增多，但不會(huì)影響精子密度與精子活力。黃茜等[9]研究發(fā)現(xiàn)，禁欲時(shí)間在2～7 d時(shí)，精液質(zhì)量參數(shù)沒(méi)有明顯差異，這與林海萍等的研究結(jié)果相符，但當(dāng)禁欲時(shí)間＞7 d時(shí)，精子DNA 損傷率顯著增高，精子活力顯著降低，禁欲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，死精子數(shù)越多，活力越弱；禁欲時(shí)間在2～7 d內(nèi)精液質(zhì)量比較穩(wěn)定，這與WHO精液分析手冊(cè)推薦的禁欲時(shí)間是相符的。

3 環(huán)境因素

隨著社會(huì)工業(yè)化發(fā)展，環(huán)境污染日益加重，已婚男性不育癥的發(fā)病率逐漸上升。塑料制品、化工原料和農(nóng)藥的廣泛使用以及大氣中PM2.5的嚴(yán)重程度均對(duì)男性生殖系統(tǒng)造成了嚴(yán)重?fù)p害。Duty等[10]研究發(fā)現(xiàn)，單乙基鄰苯二甲酸鹽會(huì)造成精子DNA損傷。 羅紅等[11]通過(guò)氯乙酸甲酯對(duì)大鼠精子DNA損傷的研究發(fā)現(xiàn)，高劑量氯乙酸甲酯可以導(dǎo)致精子DNA損傷。丙烯腈作為一種體內(nèi)多效應(yīng)遺傳毒性物質(zhì)，可以導(dǎo)致精子DNA斷裂，導(dǎo)致生殖缺陷[12-13]。此外，張波等[14]通過(guò)對(duì)氧化樂(lè)果與小鼠精子DNA損傷之間的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥對(duì)精子DNA具有明顯的損傷作用。蘇都爾·克熱木拉等[15]通過(guò)對(duì)烏魯木齊大氣中PM2.5的研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5可以造成質(zhì)粒DNA氧化性損傷。由此可見(jiàn)，環(huán)境因素對(duì)精子DNA完整性有著至關(guān)重要的影響。

4 精子冷凍

精子凍融技術(shù)是人類精子庫(kù)及輔助生殖技術(shù)的核心之一，其主要作用是為不育夫婦進(jìn)行輔助生殖治療提供精子以及為將要接受放、化療的腫瘤患者提供精液凍存服務(wù)，以保護(hù)其生育能力。然而，精子凍存過(guò)程中，會(huì)使細(xì)胞內(nèi)的液體形成結(jié)晶，削弱了組蛋白對(duì)DNA鏈的穩(wěn)定作用，造成DNA斷裂或DNA雙鏈變性為單鏈，這些損傷會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育異常和早期流產(chǎn)等相關(guān)疾病[16-17]。此外冷凍過(guò)程又能誘導(dǎo)精子產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species, ROS），通過(guò)氧化應(yīng)激導(dǎo)致精子DNA損傷。此外有研究發(fā)現(xiàn)，冷凍對(duì)異常精液中的精子DNA損傷更加嚴(yán)重，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），可見(jiàn)正常精液中可能存在某些抵抗冷凍的保護(hù)機(jī)制。

5 精子DNA氧化應(yīng)激

ROS是氧離子自由基和過(guò)氧化物等活性物質(zhì)的統(tǒng)稱。精液中ROS主要由白細(xì)胞和精子產(chǎn)生，精子可通過(guò)其膜上的NADPH氧化還原酶系和促進(jìn)線粒體NADH代謝兩種方式產(chǎn)生ROS[18]。正常生理活動(dòng)中，體內(nèi)產(chǎn)生的適量ROS通過(guò)氧化作用為精子頂體反應(yīng)提供能量，并且增加頂體與透明帶的結(jié)合能力，如果ROS產(chǎn)生過(guò)多，超過(guò)了精子有限的抗氧化防御，就使機(jī)體內(nèi)活性氧產(chǎn)生堆積，進(jìn)而誘發(fā)精子DNA氧化應(yīng)激損傷。精子核DNA發(fā)生氧化應(yīng)激時(shí)，精子質(zhì)膜富集不飽和脂肪酸，其與ROS清除酶反應(yīng)，破壞了精子質(zhì)膜的流動(dòng)性和完整性，最終導(dǎo)致精子核DNA損傷。精子線粒體DNA自我修復(fù)能力低，且對(duì)氧化應(yīng)激敏感，又缺少組蛋白和DNA結(jié)合蛋白的保護(hù)，因此線粒體DNA損傷更為常見(jiàn)[18]。張娜等[19]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量的H2O2可以導(dǎo)致精子DNA損傷，支持了以上觀點(diǎn)。

6 微量元素

精子發(fā)生的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要有一個(gè)適宜的內(nèi)部和外部環(huán)境，微量元素是構(gòu)成精液的重要成分之一，它們對(duì)維持精子的正常生物學(xué)功能有重要作用，微量元素失衡是造成精子DNA損傷進(jìn)而導(dǎo)致男性不育的一個(gè)重要原因[20]。研究表明，精漿中的硒能保護(hù)人類精子免受氧化性DNA損傷，鋅能延緩精子膜的脂質(zhì)氧化，維持胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，鎂具有一定的抑菌作用，但鎘可以影響精子質(zhì)量，造成氧化性DNA損傷[21-23]，鐵毒性會(huì)增加精子DNA損傷[24]，鉛也會(huì)影響精子活力，造成精子DNA損傷[23]?？梢?jiàn)微量元素對(duì)維持精子DNA完整性至關(guān)重要。

7 染色質(zhì)包裝異常

精子發(fā)生過(guò)程中，參與染色質(zhì)組裝的精蛋白數(shù)量和比例異常，可導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，DNA雙鏈斷裂或變性為單鏈，造成精子DNA損傷。人類主要產(chǎn)生P1和P2兩種精蛋白，在精子發(fā)生的最后階段，精蛋白替換了染色質(zhì)中原有的約85%的組蛋白，最終形成P1/P2的比例約為1：1。精蛋白通過(guò)中和DNA電荷，降低DNA分子間的靜電排斥，形成DNA-精蛋白環(huán)狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)染色質(zhì)進(jìn)一步濃縮，使DNA處于半晶體狀態(tài)，保護(hù)其免受核酸酶的降解。然而成熟精子中仍有一部分未被精蛋白替代的組蛋白，這些保留組蛋白與DNA結(jié)合，形成DNA-組蛋白螺線管結(jié)構(gòu)，并分布于整個(gè)精子基因組中[25]。Yamauchi等[26]研究提示，這部分組蛋白可能具有監(jiān)測(cè)受精后精子DNA完整性的作用，精蛋白數(shù)量異常，會(huì)造成保留組蛋白異常，可能導(dǎo)致精子DNA損傷。此外，Simon等[27]研究發(fā)現(xiàn)，P1/P2的比例異常也會(huì)導(dǎo)致精子DNA損傷?？梢?jiàn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)在保護(hù)精子DNA完整性上具有重要作用。

8 問(wèn)題與展望

精子DNA是遺傳信息的載體，對(duì)后代的繁衍具有重要意義。隨著輔助生殖技術(shù)的廣泛開展，傳統(tǒng)的精液分析已不能滿足現(xiàn)代生殖醫(yī)學(xué)的需要，目前急需建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的精子質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，以促進(jìn)我國(guó)生殖醫(yī)學(xué)的發(fā)展。精子DNA損傷作為反映男性生育力的一個(gè)新指標(biāo)，受到了生殖醫(yī)學(xué)專家的廣泛關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)多種因素均可引起不同程度的精子DNA損傷，但其損傷機(jī)制尚不清楚。精子DNA損傷的研究尚處于起始階段，還有許多亟待解決的問(wèn)題。生殖醫(yī)學(xué)專家與遺傳專家通力合作，會(huì)逐步揭示各種因素導(dǎo)致精子DNA損傷的分子機(jī)制，為男性不育的預(yù)防、治療以及輔助生殖技術(shù)選用高質(zhì)量精子提供理論指導(dǎo)。

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（責(zé)任編輯：劉俊華）

Advances on the damage factors of sperm DNA

GE Shaoqin1,2, ZHAO Zhenghui1, YIN Huiying1, LIANG Qun1, WANG Chuanchuan1, DING Gaopeng1, XU Zhenguo1
(1. College of Basic Medical Sciences of Hebei University, Baoding 071000, China; 2. The Institute for Reproductive Medicine of Hebei University, Baoding 071000, China)

Human sperm DNA damage is one of the common causes of reducing male reproductive capacity. A number of factors can bring out the DNA strand breaks or make double-stranded DNA into single-stranded DNA. To a certain extent, some sperm with damaged DNA may escape from the sperm surveillance mechanism and transmit the damage to the offspring, which may give rise to the associated diseases such as abnormal embryonic development, early natural abortion, congenital anomalies and so on. This review assessses the damage factors of sperm DNA, which include ages, time of celibation, environment, freezing of sperm, oxidative stresse, minor element and the abnormal assembling of chromatin, which provides some basic information for elucidating the mechanism of DNA damage, prevention and treatment of male infertility as well as optimal spermatozoa selection in assisted reproductive technique.

sperm DNA damage; age; time of celibation; environment

R698

A

1674-490X(2014)03-0061-05

2014-05-20

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（H2013201259）；河北省2013留學(xué)回國(guó)人員科研活動(dòng)項(xiàng)目(C2013005002)；河北大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（2013088）

葛少欽（1967—），男，河北保定人，教授，博士后，碩士生導(dǎo)師，主要從事動(dòng)物分子與生化、生殖生物學(xué)研究。E-mail: gesq67@sina.com