陳光輝，劉 奕，柳 毅，汪 暉

（1.武漢大學人民醫(yī)院藥學部，湖北武漢 430060；2.武漢大學基礎醫(yī)學院藥理學系，湖北武漢 430071）

2016年12月在北京舉辦的“雙清論壇”數(shù)據(jù)顯示，中國約有12.5%配偶存在生育障礙，總數(shù)超過4000萬人，并以25～30歲人群居多[1]。其中50%的致病因素為男性生殖系統(tǒng)功能異常[2]，多與男性附睪精子成熟障礙密切相關[3]。附睪精子成熟的概念最早在20世紀30年代被提出，主要包括2種理論，一種理論認為附睪精子成熟是時間依賴性的事件，即精子成熟是精子在附睪轉(zhuǎn)運過程中隨時間推移而發(fā)生的；另一種理論則認為附睪精子成熟是一個復雜的生理過程，主要受到來自附睪微環(huán)境和精子本身的影響。睪丸產(chǎn)生的精子并不成熟，缺乏運動和受精能力，且精子在附睪中的成熟不是自發(fā)和時間依賴的，而是通過與附睪分泌蛋白相互作用來完成。

附睪精子成熟易受到外源化學物的影響，但其具體的外源化學物及表觀遺傳學調(diào)控機制尚未系統(tǒng)闡明。本綜述總結(jié)了近年來附睪精子成熟的生理調(diào)節(jié)、外源化學物的影響及其表觀遺傳學調(diào)控機制，這對于保障精子質(zhì)量、改善男性生殖健康具有重要的指導意義，也為預防男性不育提供了理論依據(jù)。

1 精子成熟及生理調(diào)節(jié)

1.1 附睪與精子成熟

精子自睪丸產(chǎn)生后，其形態(tài)結(jié)構和染色質(zhì)都已基本成熟，但自然情況下，其運動能力、精卵識別和結(jié)合能力還未發(fā)育完善。哺乳動物睪丸產(chǎn)生的高度分化的完整精子，在通過附睪頭、體、尾部后，在經(jīng)過一系列生理生化反應及形態(tài)改變從而獲得運動及受精能力，此過程稱為精子在附睪中的成熟。

精子頂體由高爾基復合體組成，對于保護精子的活力以及受精過程具有重要作用。β-防御素是一類富含半胱氨酸的小陽離子肽，具有抗菌作用并調(diào)節(jié)精子免疫反應。已證實，多種β-防御素基因在附睪上皮中高度表達并分泌到附睪管腔中，通常與精子頂體結(jié)合并參與調(diào)節(jié)精子的相關功能[4]。同時，為了更好地獲得運動能力與受精能力，精子鞭毛活性及其功能會發(fā)生各種變化，其中包括：①去除膜膽固醇，導致膽固醇與磷脂比率降低；②膜超極化，精子內(nèi)pH和環(huán)磷 酸 腺 苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平升高；③鈣攝取增加；④激活蛋白質(zhì)激酶A（protein kinase A，PKA）。

精子在完成形態(tài)轉(zhuǎn)變后多種基因表達處于抑制的狀態(tài)，因此其功能成熟是通過與附睪管腔微環(huán)境的持續(xù)相互作用而實現(xiàn)的。附睪收集腔液成分分析揭示了該環(huán)境的復雜性，迄今已鑒定出多種分子，包括蛋白質(zhì)及非編碼RNA。附睪小體（附睪分泌的一種外泌體）包含了大量的非編碼RNA，包括微RNA（micro RNA，miRNA）和轉(zhuǎn)運 RNA（transfer RNA，tRNA），其在附睪中發(fā)揮的作用近年來得到廣泛重視，這些非編碼RNA可直接轉(zhuǎn)移到成熟精子中。

1.2 精子成熟的生理調(diào)節(jié)

精子成熟常受到表觀遺傳修飾、重要蛋白及信號通路和激素等因素的生理調(diào)節(jié)。

1.2.1 表觀遺傳修飾調(diào)節(jié)

DNA甲基化是表觀遺傳修飾中常見的現(xiàn)象，經(jīng)常參與精子成熟的調(diào)節(jié)。由于一些蛋白過早被翻譯出來可能會危及到早期胚胎的生命安全，因此在自然進化中生物形成了一套組蛋白修飾系統(tǒng)，用以保護精子的成熟。如在精子成熟過程中常出現(xiàn)組蛋白乙?；揎?。非編碼RNA分為miRNA和長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）等多種形態(tài)各異的RNA，它們對附睪精子成熟過程十分重要[5]。

1.2.2 重要蛋白及信號通路調(diào)節(jié)

附睪精子成熟過程中最主要的功能變化是獲得了運動能力和受精能力。cAMP與精子運動能力密切相關，對精子運動的起始及其運動形式的改變、運動的維持極其重要，是附睪精子成熟過程中一種必不可少的因子[6]。且cAMP類似物治療可顯著提高弱精子癥患者的精子活力[7]。同時有研究提示，Ca2+載體通過抑制cAMP/PKA磷酸化來降低精子活力[8]。

1.2.3 激素調(diào)節(jié)

外源激素類物質(zhì)同樣對精子成熟具有調(diào)節(jié)作用，如雄激素和褪黑素。這些物質(zhì)并非由附睪生成，但可以通過循環(huán)系統(tǒng)進入附睪內(nèi)部，成為微環(huán)境的一部分。臨床研究提示，精液中的睪酮水平與精子活力呈顯著正相關[9]。人類附睪上皮細胞的主要功能是調(diào)節(jié)精子成熟，RNA測序研究表明，人類附睪上皮細胞雄激素受體激活影響其關鍵基因的表達[10]。動物研究表明，雙氫睪酮可促進公牛附睪精子成熟[11]；兔精漿睪酮濃度變化影響活精子百分數(shù)及精子活力[12]；附睪雄激素受體泛素化減少導致小鼠精子成熟障礙的發(fā)生[3]。

另外，臨床研究提示，不孕不育患者血清和精漿的褪黑素水平降低、精子活力低下，且褪黑素水平與精子活力呈正相關[13]。這些結(jié)果表明，褪黑素可能參與了附睪精子的成熟過程。一些物種（如公羊）的精子存在褪黑素受體，表明它可能對精子功能有直接的調(diào)節(jié)作用[14]。研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素可通過大鼠附睪褪黑素受體激活cAMP信號通路，從而促進精子成熟[15]。

2 導致精子成熟障礙的外源化學物

目前關于附睪精子成熟障礙的研究比較多。已有文獻報道，影響附睪精子成熟的外源化學物主要分為環(huán)境毒物類、藥物類和食品類。

2.1 環(huán)境毒物類

能引起附睪精子成熟障礙的環(huán)境毒物有多種，其中內(nèi)分泌干擾物占據(jù)重要地位。這類化合物既包括持久難降解的有機污染物（如雙酚A、聯(lián)苯等），又包括易分解的極性除草劑、殺蟲劑、洗滌劑降解產(chǎn)物、動物或植物激素等。這些物質(zhì)分子結(jié)構因其與內(nèi)源性激素相似，易被細胞受體識別，從而干擾機體的內(nèi)分泌功能。人血液中鄰苯二甲酸鹽及其代謝物水平與精子活力呈負相關[16]。吸入鄰苯二甲醛會降低大鼠子代附睪重量和精子活力[17]。氟暴露可損壞小鼠附睪結(jié)構，降低其精子活力[18]。有機磷阻燃劑或合成的擬除蟲菊酯暴露會降低子代斑馬魚的精子活力，但對精子數(shù)量無顯著影響[19]。自然飲食的原油暴露會降低魚的精子活力[20]。研究還發(fā)現(xiàn)，雙酚A暴露可通過增加磷酸化細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2表達來影響小鼠精子成熟[21]。

2.2 藥物類

附睪精子成熟也會受到藥物的影響。如鹽酸氯米帕明、鹽酸左旋米那普侖、鹽酸帕羅西汀等抗抑郁藥物都被證明可影響人類精子的生成及成熟，分別導致血精、附睪炎和精囊炎等疾病的發(fā)生[22]。甲磺酸地拉維定、更昔洛韋和更昔洛韋鈉等抗病毒藥物可影響人類精子的生成及成熟，分別導致血精、附睪炎和睪丸萎縮等疾病的發(fā)生[23]。本室前期研究發(fā)現(xiàn)，孕期地塞米松暴露引起子代出生后睪丸發(fā)育不良及精子活力降低[24]。在模式動物斑馬魚研究中，合成黃體酮炔諾酮可加快雄魚精子成熟，其機制為藥物影響精子中相關基因的表達[25]。度他雄胺通過抑制雙氫睪酮生成，影響附睪精子成熟而導致大鼠不育[26]。

2.3 食品類

過量飲酒、茶和咖啡等也被證實會引起附睪毒性，進而影響精子成熟。長期大量間歇性乙醇暴露可改變小鼠精子和附睪小體中的非編碼RNA，影響子代的健康和發(fā)育[27]。青春期乙醇暴露子代成年精子數(shù)量減少、活力降低[28]。本室研究發(fā)現(xiàn)，孕期乙醇或咖啡因暴露均可致宮內(nèi)發(fā)育遲緩和胎鼠睪丸形態(tài)發(fā)育異常，且這些子代成年后，精子活力降低[29-30]。但最近的一項研究表明，咖啡因可加劇雄性大鼠附睪氧化應激損傷，同時提高其精子活力[31]，提示在孕期和非孕期咖啡因的作用及機制可能是不同的。

3 精子成熟障礙的表觀遺傳修飾機制

在附睪精子成熟過程中，DNA甲基化與去甲基化大量發(fā)生，以維持精子細胞單倍體狀態(tài)，且親代可以將這種DNA甲基化修飾的信息傳遞給下一代，因此附睪精子成熟過程常常受到甲基化修飾的影響。另外，組蛋白修飾和非編碼RNA的變化也參與了附睪精子成熟的調(diào)節(jié)。

3.1 DNA甲基化

轉(zhuǎn)錄組測序和DNA甲基化測序研究提示，男性患者精子活力降低與關鍵基因的異常甲基化相關[32]。印記基因常常以甲基化修飾的改變來維持自身的功能。在正常男性精子中，父系印記基因H19為高甲基化表達抑制狀態(tài)，母系印記基因MEST為低甲基化表達激活狀態(tài)。不育男性患者中父系基因H19甲基化水平較正常水平降低，而MEST基因甲基化水平有所升高[33]，這表明H19基因甲基化水平降低不僅可能與少精子癥有關，還可能與精子成熟有關。影響精液質(zhì)量的不僅僅是印記基因還有許多其他基因，精液異?；颊叩木覦NA也有基因位點的甲基化水平改變[34]。因此，我們認為DNA甲基化及印記基因的異常狀態(tài)與精子成熟障礙具有不可分割的關系，這種關系貫穿整個精子成熟過程。

大量研究發(fā)現(xiàn)，多種外源化學物通過DNA甲基化影響精子成熟。如多代鈾暴露會改變子代大鼠精子的形態(tài)參數(shù)和整體DNA甲基化，進而影響精子成熟，但對精子數(shù)量無顯著影響[35]。尼古丁暴露通過引起山梨醇脫氫酶基因啟動子區(qū)高甲基化導致小鼠精子成熟障礙的發(fā)生[36]。甲基毒死蜱通過增加H19甲基化導致精子成熟異常[37]。溴丙烷暴露大鼠附睪DNA甲基轉(zhuǎn)移酶表達降低，精子形態(tài)異常[38]。

3.2 組蛋白修飾

組蛋白修飾主要包括組蛋白甲基化與乙?；取＝M蛋白乙?；鳛榻M蛋白修飾中的重要一環(huán)，廣泛參與精子成熟的調(diào)控。組蛋白乙酰化以末端賴氨酸為底物，通過組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase，HAT）和組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）來完成。組蛋白乙?；惓２粌H會導致基因表達量改變，還有可能導致染色體拓撲結(jié)構異常。組蛋白乙?；谷旧w結(jié)構松散，是有利于基因轉(zhuǎn)錄的，而組蛋白去乙酰化可使染色體結(jié)構緊密，從而抑制轉(zhuǎn)錄。溴丙烷暴露通過調(diào)節(jié)雄性大鼠睪丸中HAT的表達來影響精子的數(shù)量和形態(tài)，而對HDAC無顯著影響[38]。壬基酚暴露可導致雄性小鼠附睪形態(tài)結(jié)構異常，可能與關鍵基因的組蛋白乙酰化相關[39]。

3.3 非編碼RNA

非編碼RNA對于動物生命活動至關重要，其僅需在轉(zhuǎn)錄水平就足以行使生物學功能。在附睪中，非編碼RNA參與調(diào)節(jié)精子的成熟。研究表明，miRNA可調(diào)節(jié)精子運動和活力，調(diào)節(jié)馬的附睪精子成熟[40]。一項lncRNA轉(zhuǎn)錄組學研究提示，lncRNA通過調(diào)控靶基因的表達來調(diào)節(jié)牛附睪精子成熟[5]。芯片分析提示環(huán)狀RNA可以調(diào)節(jié)精子成熟[41]。雄性小鼠暴露于飲食擾動（如低蛋白飲食）會顯著影響其附睪的miRNA譜，而附睪小體被認為是將這種miRNA轉(zhuǎn)運至成熟附睪精子的載體，因此附睪小體可能介導了異常非編碼RNA對精子成熟的影響[42]。

4 結(jié)語

近年來，雖然研究報道多種外源化學物對精子成熟障礙的影響，但人類各種各樣的生活方式對精子成熟障礙的保護提出了新的挑戰(zhàn)。同時，表觀遺傳學在維持精子成熟中的作用尚需進一步探索。如既往外源化學物對精子成熟障礙的影響研究主要集中在DNA甲基化和組蛋白修飾兩方面，而當下生殖醫(yī)學的熱點研究內(nèi)容非編碼RNA（包括miRNA和tRNA等）主要是集中在生理層面，病理方面研究較少，因此，開展外源化學物對精子成熟障礙非編碼RNA影響方面研究，一方面可豐富外源化學物對精子成熟障礙影響的表觀調(diào)控機制，另一方面為外源化學物所致精子成熟障礙提供了潛在新的干預治療靶點。最后，鑒于精子成熟在雄性生殖功能的重要作用，加強外源化學物對精子成熟障礙的影響及其相關機制的研究，始終是生殖研究領域的熱點與難點，可為男性不育癥的治療提供新的思路和策略。