選擇性自噬在精子發(fā)生和不育中的作用

林煦垚，李晨曦，徐磊，葉濮樂，吳林，李華，秦國政

(1.云南中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，昆明 650500； 2.云南省中醫(yī)醫(yī)院 云南中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院男科，昆明 650021)

精子發(fā)生是基于生殖細胞增殖和分化的復雜生物學過程。精子的發(fā)生主要包括精原細胞有絲分裂、精母細胞減數分裂和精子發(fā)生3個過程，經過這3個過程，圓形精子細胞轉變?yōu)榧氶L的精子細胞[1]。精子發(fā)生的過程也是持續(xù)產生精子和維持成年男性生育能力的關鍵，精子發(fā)生異?？蓪е履行陨芰档突虿挥齕2]。精子的產生主要依靠生精小管內生殖細胞、支持細胞和間質細胞之間的相互作用，其中，支持細胞的支持和營養(yǎng)功能以及間質細胞的內分泌功能尤為重要[3-4]。在生理情況下，生精小管中的支持細胞和間質細胞的自噬活動十分活躍，正常的自噬活動是精子生成的關鍵。選擇性自噬作為自噬活動中的主要方式可為精子發(fā)生提供必要的營養(yǎng)支持并維持細胞穩(wěn)態(tài)，支持細胞和間質細胞中的選擇性自噬活動紊亂可影響精子生成過程，從而引起不育[5]。因此，研究選擇性自噬對生精功能的影響尤為必要?，F(xiàn)就選擇性自噬在精子發(fā)生和不育中的作用予以綜述。

1 自噬的類型

自噬是細胞降解中一種高度保守的分解代謝過程，對維持細胞內環(huán)境穩(wěn)定至關重要。自噬降解的成分首先被自噬小體的雙膜囊泡隔離，隨后被自噬小體包裹的成分與溶酶體融合并最終被溶酶體酶降解，從而完成自噬[4]。最初，自噬被認為是非選擇性的，稱為本體自噬，但有證據表明，自噬也可以選擇性地降解錯誤折疊的蛋白質和損傷的細胞器[6-8]，這一自噬方式又稱為選擇性自噬。而根據選擇的降解底物的不同，選擇性自噬又可分為線粒體自噬、脂噬、內質網自噬、過氧化物酶體自噬、核糖體自噬等亞類[5]。

2 自噬在精子發(fā)生中的作用

有研究發(fā)現(xiàn)，自噬參與精子發(fā)生過程中的關鍵環(huán)節(jié)[9-11]，包括睪酮的產生、胞外質特化結構的組裝、頂體形態(tài)的發(fā)生以及細胞骨架的形成等[12-13]。雖然本體自噬和選擇性自噬均通過降解和回收細胞成分參與各種生理過程，以確保精子成功發(fā)生[14]，但參與各種膜跟蹤事件的選擇性自噬在精子發(fā)生過程中的作用更關鍵，選擇性自噬可以維持細胞內穩(wěn)態(tài)、為精子發(fā)生提供能量，同時還可在一定程度上幫助生精細胞對抗凋亡[15]。有文獻報道，線粒體自噬、脂噬和內質網自噬均與精子發(fā)生密切相關，但目前關于上述3種選擇性自噬在精子發(fā)生和男性不育中的作用尚無及時、客觀的總結[16]。因此，研究線粒體自噬、脂噬和內質網自噬的潛在機制及其在精子發(fā)生和男性不育中的作用非常必要。

2.1線粒體自噬在精子發(fā)生中的作用 線粒體自噬是指在營養(yǎng)缺乏、細胞衰老和活性氧類(reactive oxygen species，ROS)等刺激下，細胞內的線粒體發(fā)生去極化損傷，而損傷的線粒體被自噬體特異性包裹，并與溶酶體融合，從而完成損傷線粒體的降解，維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)定。線粒體損傷或功能障礙可導致線粒體形態(tài)、膜電位、ROS產物以及鈣離子穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化，而這些變化均可觸發(fā)細胞自噬，降解受損或衰老的線粒體[17]。因此，線粒體自噬是一項重要的細胞保護性反應，可作為調控線粒體質量的一種機制，維持細胞穩(wěn)態(tài)。線粒體自噬的防御功能障礙可導致衰老的線粒體累積、ROS產生增加，而ROS產物的增加又可導致氧化應激反應增強，激發(fā)促凋亡途徑，最終導致生精細胞凋亡[18]。因此，線粒體自噬的作用是及時清除損傷的線粒體，保護生精細胞免受線粒體代謝紊亂的影響，從而減少生精細胞凋亡。

有研究表明，不同程度弱精子癥患者精子中的線粒體分布和自噬發(fā)生程度也不同，重度弱精子癥患者的自噬標記蛋白——自噬微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)的表達水平顯著降低，LC3作為自噬標記蛋白可通過吞噬損傷的線粒體滿足細胞能量代謝需求，同時還可防止過量ROS產生，LC3數量與弱精子癥的嚴重程度呈負相關，表明線粒體自噬可協(xié)助男性生殖系統(tǒng)內的抗氧化系統(tǒng)，防止ROS影響精子的生存及活動力[19]。還有研究顯示，用乙醇處理的大鼠支持細胞中的線粒體自噬標記蛋白表達水平升高，生精細胞凋亡率降低，表明線粒體自噬可對抗生精細胞凋亡[20]。

綜上，線粒體自噬作為一種保護性反應可降解損傷線粒體，維持生精細胞內穩(wěn)態(tài)，同時還可清除過多的ROS，防止生精細胞凋亡。但線粒體自噬作用于生精細胞、支持細胞和間質細胞的具體機制目前尚不明確，還需要深入研究。

2.2脂噬在精子發(fā)生中的作用 細胞內的脂質通過自噬體轉運至溶酶體分解的過程稱為“脂噬作用”，簡稱脂噬。脂噬在能量代謝和脂質穩(wěn)態(tài)中起重要作用[21]。有研究顯示，脂噬不僅與肝病密切相關，還可作用于不同的生精細胞，參與精子的發(fā)生和調節(jié)[22]。

2.2.1支持細胞中脂噬的作用 據文獻報道，支持細胞中的脂噬可以協(xié)調支持細胞與生殖細胞之間的關系，為精子發(fā)生提供保護和營養(yǎng)支持；在精子發(fā)生過程中，大量精子細胞的細胞質會部分脫落形成殘余體，而脫落的殘余體又會被支持細胞吞噬，被支持細胞吞噬的殘余體可釋放內脂滴并通過脂噬作用將內脂滴與溶酶體融合，產生ATP，從而為支持細胞提供能量[23]。而Ma等[24]研究發(fā)現(xiàn)，支持細胞的脂噬作用除通過內脂滴與溶酶體融合為支持細胞提供能量外，還可通過自噬體和線粒體直接與支持細胞內較大的內脂滴相連，從而參與脂噬的過程，這也為支持細胞中的另一種脂噬模式提供了新的證據。

雖然目前關于支持細胞脂噬作用的研究較少，且僅局限于為支持細胞提供能量方面，但在生精小管中，支持細胞緊鄰生殖細胞，為生殖細胞的發(fā)育提供了支架和環(huán)境，而支持細胞與生殖細胞在精子生成過程中密切相關[25]。因此，支持細胞的脂噬作用在為自身提供能量的同時，是否會影響相鄰生殖細胞的能量供給和細胞周期仍需進一步研究驗證。

2.2.2間質細胞中脂噬的作用 睪丸間質細胞的主要作用是合成和分泌睪酮，而睪酮是正常精子發(fā)生和性發(fā)育必需的。研究表明，自噬缺陷與老年大鼠睪丸間質細胞睪酮減少相關[26]。用渥曼青霉素(一種自噬抑制劑)處理年輕和老年大鼠的間質細胞后發(fā)現(xiàn)，黃體生成素刺激的類固醇合成和睪酮產生均減少，而用雷帕霉素(一種自噬激活劑)處理后發(fā)現(xiàn)，老年大鼠間質細胞中的睪酮產生增加[24]。此外，Yang等[16]研究發(fā)現(xiàn)，睪丸間質細胞自噬缺失可導致雄性裸鼠的睪酮水平降低，進而阻礙正常的生精過程，最終導致不育。研究表明，在實驗誘導的大鼠無精子癥模型中，向大鼠睪丸中注入高濃度的睪酮可使生精過程恢復正常[26]。

近年來，隨著對自噬機制研究的深入，越來越多的學者開始關注脂噬作用與睪酮產生之間的內在聯(lián)系[27]。已有研究發(fā)現(xiàn)，甲魚睪丸的間質細胞可通過脂噬作用將膽固醇酯降解為游離膽固醇，而游離膽固醇是睪酮合成的重要底物[28]。由此推測，睪丸間質細胞內的脂噬作用通過將膽固醇酯降解為游離膽固醇參與睪酮的合成，進而支持精子的發(fā)生[13]。

2.3內質網自噬在精子發(fā)生及男性不育中的作用 作為細胞中最大的細胞器，內質網是蛋白質合成、折疊、加工、追蹤和脂質合成的主要場所。內質網需要持續(xù)更新才能維持細胞內蛋白質的最佳質量和細胞器的完整性[29]。當細胞受到應激刺激(營養(yǎng)限制、鈣離子代謝失衡、毒素暴露和持續(xù)的氧化應激刺激)時，許多保護機制開始發(fā)揮細胞保護作用，內質網應激則是其中一個十分重要的環(huán)節(jié)[23]。隨著內質網應激的出現(xiàn)，未折疊蛋白反應與內質網相關的降解蛋白介導的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)首先被激活，幫助錯誤折疊和未折疊的蛋白質恢復其正常結構，最終恢復內質網的動態(tài)平衡[29]。但當刺激物存在時間過長或刺激物的強度過大時，內質網應激反應則不能將錯誤折疊和未折疊的蛋白質從內質網中移除，此時內質網自噬開始發(fā)揮作用，其可將受損的內質網降解成碎片，然后重新組裝成新的內質網，恢復內質網的功能[30]。

研究發(fā)現(xiàn)，誘導大鼠支持細胞內質網應激可導致內質網相關蛋白表達失調，且隨著內質網應激持續(xù)時間的延長，支持細胞會大量凋亡，從而誘發(fā)大鼠生精功能損傷[31]。還有研究表明，內質網自噬可能是一種緩解內質網應激的新途徑[32-33]。其具體機制為當內質網應激水平在可調范圍內時，內質網自噬可促進正常內質網功能的恢復；而當內質網應激水平超過內質網正常負荷時，內質網自噬又會觸發(fā)細胞凋亡[34]。由此可見，由于內質網應激水平不同，內質網自噬存在促生存與促凋亡雙向調節(jié)作用，即一定程度的內質網應激可啟動內質網自噬功能，幫助清除內質網中積累的異常折疊蛋白，從而維持細胞穩(wěn)態(tài)，但過量的內質網應激發(fā)生時，內質網自噬作用也會被激發(fā)，加速細胞凋亡。因此，內質網自噬可能通過參與內質網應激水平的調控，影響正常的生精過程和男性生育能力。

3 自噬調節(jié)治療男性不育癥

男性不育癥是指育齡夫婦在未采取避孕措施的情況下，經過12個月或更長時間的定期性交后女方未能實現(xiàn)臨床妊娠的一類病癥[35]。近年來，不孕不育已成為一個全球公共衛(wèi)生問題，受不孕不育影響的夫婦約占所有育齡夫婦的15%，其中男性因素約占不孕不育病例的25%[36]。

研究認為，飲食和營養(yǎng)成分可能是影響精子質量和生育力的重要因素，如富含反式脂肪酸、飽和脂肪或膽固醇的飲食對精子發(fā)生和男性生育能力可能產生不良影響[37]。既往研究表明，高脂肪飲食可導致肥胖者的自噬增加，并影響其精子質量[38]。Mu等[39]的動物實驗表明，高脂飲食模型小鼠的自噬水平增加，生精功能受到干擾；為了驗證高脂飲食小鼠自噬與生精缺陷的關系，研究者向小鼠腹腔注射自噬抑制劑以抑制自噬，結果發(fā)現(xiàn)，注射自噬抑制劑的模型小鼠精子生成顯著改善；臨床試驗也發(fā)現(xiàn)，自噬在肥胖不育男性患者的精子樣本中被過度激活。因此，通過抑制過度自噬可以預防因肥胖誘導的生精障礙和男性不育。此外，有文獻報道，精索靜脈曲張可引起大鼠睪丸自噬和生精細胞凋亡，并認為睪丸組織中的細胞自噬可作為一種保護途徑，細胞自噬可及時清除受損的細胞器或蛋白質，從而減少睪丸生精小管上皮細胞引起的繼發(fā)損傷，并在一定程度上減少精索靜脈曲張大鼠睪丸生精小管上皮細胞的凋亡[40]。還有研究通過注射自噬激活劑與自噬阻滯劑對精索靜脈曲張模型大鼠的自噬水平進行干預，結果發(fā)現(xiàn)，注射自噬激活劑的模型大鼠生精細胞凋亡率降低，而注射自噬阻滯劑的模型大鼠生精細胞凋亡率則進一步升高[41]。由此可見，調節(jié)自噬水平可在一定范圍內減輕大鼠睪丸及附睪組織的病理損傷，同時減少生精細胞凋亡，這也為精索靜脈曲張型不育患者提供了新的臨床治療方法。

綜上，由于肥胖等因素導致的過度自噬或精索靜脈曲張導致的自噬缺陷均會對精子的發(fā)生產生影響，而應用自噬阻滯劑或自噬激活劑調節(jié)自噬水平，將自噬控制在合理范圍內，則可以為精子的發(fā)生提供保護，也為防止男性不育提供了新的方法。

4 小 結

精子發(fā)生是一個動態(tài)復雜的過程，而選擇性自噬在精子發(fā)生及男性生殖中均具有重要作用：①線粒體自噬能夠及時清除損傷的線粒體，保護細胞免受線粒體代謝紊亂以及凋亡的危害，當支持細胞線粒體自噬被激活時，可降解損傷線粒體，維持支持細胞內穩(wěn)態(tài)，從而促進精子發(fā)生；②脂噬作用可以促進生精，在支持細胞中，脂噬作用可以為支持細胞的發(fā)育提供能量，在間質細胞中，脂噬作用可以促進睪酮的生物合成，進而促進精子發(fā)生；③內質網自噬具有促生存和促凋亡的雙向調節(jié)作用。一定程度的內質網應激可以啟動內質網自噬功能、維持細胞穩(wěn)態(tài)，促進精子的生成和男性生育能力的提高。雖然選擇性自噬對精子生成和男性不育均具有重要影響，但具體作用機制目前仍不明確。此外，其他類型的選擇性自噬(如異種自噬、過氧化物酶體自噬、核糖體自噬)也可影響精子發(fā)生和男性生育能力。因此，未來還需進一步研究并明確其他類型的選擇性自噬在精子發(fā)生和男性不育中的作用，為臨床防治男性不育提供幫助。