核精蛋白与男性不育

精核蛋白与 男性不育


人类和哺乳动物的精子发生是一个极为复杂的
过程, 包括精原细胞、精母细胞和精子细胞三个阶
段。此过程除发生一系列形态改变外, 还伴随核的
生化变化。人类精子细胞在发育形成精子时, 核的 四川省医学科学院·四川省人民医院男科曾雪斌
形态由圆形变为长形, 同时核内的组蛋白( Histone)
先被中间型碱性蛋白( lntermediate basic protein) 取
代, 继而又被精核蛋白( protamine) 取代, 最终形成高
度浓缩的精子特异性染色质, 此核蛋白类型的转换
称为组蛋白- 精核蛋白取代的反应( Histone- toprotamine
Replacement Reaction, HPRR)
11, 22。通过
HPRR, 成熟精子内的核碱性蛋白主要为精核蛋
白132。近年来, 国内外学者的研究工作表明, 精核蛋
白在精子发生过程中有极其重要的作用, 与精子核
染色质的凝聚、精子的正常发育和受精能力及受精
后胚胎的正常发育关系密切, 精核蛋白异常或核蛋
白转型障碍是导致原发性 男性不育 的原因之
一14~ 72。精核蛋白与生育力关系的研究已成为生殖
医学及男性学的热点问题之一。本文将就精核蛋白
与 男性不育 关系的研究新进展进行综述。
1 精核蛋白的结构
精核蛋白又称鱼精蛋白, 是一种小分子量的碱
性蛋白, 分子量约为4000~ 7000, 精氨酸的含量高
达40%~ 70%。根据氨基酸的组成及顺序, 精核蛋
白分为两大类, 即P1 精核蛋白和P2 族精核蛋
白12, 8, 92。P1 精核蛋白存在于所有哺乳动物精子核
内, 由50 个氨基酸残基组成, 含较多酪氨酸。P2 族
精核蛋白只存在于人类及小鼠等几种哺乳动物精子
核内, 包括P2、P3、P4 三种组分。在人类只有P2 和
P3 两种。P2、P3、P4 分别由54、57、58 个氨基酸残基
组成, 区别是在肽链N 端相差几个氨基酸残基, 其
余顺序完全相同192。P1 和P2 族精蛋白中的氨基酸
有50%是同源的, 但P2 族精核蛋白比P1 精核蛋白
含较多的组氨酸及少量赖氨酸, 故其碱性更强。P1
和P2 族精核蛋白的氨基酸结构均较保守。目前已
知P1 有三个结构区组成, C 端为高度可变区, N 端
由丙- 精- 酪- 精- 半胱5 个氨基酸残基组成, 中
央为高度碱性区, 其中有4 个精氨酸丛。N 端和中
央区为高度保守区, 另外中央区还具有中和核DNA
分子中负电荷的作用。P2 族精核蛋白的结构为在
两个半胱氨酸和两个组氨酸中间相嵌着锌离子, 构
成四面体的锌指结构( Zinc- finger )
1102。从进化上
看, P1 精核蛋白的氨基酸结构较P2 族更为保守。
哺乳动物包括人类精子核内的P1BP2 族比值较恒
定, 正常生育力男性的P1/ P2+ 3比值约为1
15, 72。由
于精核蛋白含较多氨基酸残基, 在HPRR 中更易与
DNA 结合, 从而取代组蛋白。
2 精核蛋白的功能
精核蛋白是精子生成过程中重要的核蛋白。通
过动 物实验, 目前认为精核蛋白可能对精子核染色
质的凝聚、精子遗传信息的保护及受精后胚胎的正
常发育有重要作用。
Bolhorn
1112通过对牛P1 精核蛋白分子结构的研
究, 提出精子核染色质的结构模型, 认为P1 精核蛋
白精氨酸上的正电荷可以中和DNA 链上的负电荷,
消除了DNA 链之间的静电排斥, 同时在平行排列的
DNA- 精核蛋白分子中的半胱氨酸可形成分子内和
分子间的二硫键, 将DNA 分子牢固地固定于多肽链
之间。Word
112等认为精子核染色质的这种结构模
型不同于一般体细胞染色质中核小体串珠状排列的
结构模型, 较后者浓缩了6 倍, 从而使精子核染色质
高度浓缩、结构高度稳定, 精子的抗化学及机械损伤
能力大为提高。另外, P2 族精核蛋白的锌指结构可
与DNA 转录因子位点结合, 抑制DNA 转录, 使精子
基因暂时处于失活状态, 保护DNA 的遗传信息, 精
子内的遗传物质在受精前得以保持稳定, 并且锌离
子对成熟精子核染色质的稳定亦有重要作用1102。
当受精后, 卵细胞胞质因子使精核蛋白分子上的二
硫键还原, 精子核解聚, 卵细胞合成的组蛋白又取代
精核蛋白, 精原核形成, DNA 恢复功能状态, 为原核
DNA 的复制创造了前提条件1122。研究发现, 含有
# 72 #
P2 族精核蛋白的精子核较不含P2 族的精子核更易
解聚, 并与P2 族的含量成正相关, 提示P2 族精核蛋
白的含量可能与受精后精子核的解聚或原核的形成
有关1132。
最近, 有学者通 过动 物实验研究发现, 不经过
HPRR 的圆形精子细胞以及在HPRR 过程中不经过
精核蛋白精确包装的精子同样具有受精能力, 并且
胚胎亦能正常发育。这表明精核蛋白可能不参与精
子和受精卵基因的表达与调控, 而只是将精子核适
当包装, 使其在正常生理状态下具备受精能力, 如包
装不适当, 即精核蛋白出现异常, 则可能导致不
育114, 152。
目前有关精核蛋白在精子染色质构筑上的作用
以及对精子功能的影响仅限于对动物的研究, 而人
类精核蛋白在这些方面的作用和影响还有待于进一
步研究。
3 精核蛋白与 不育 的关系
1976 年, Silverstr oni
142等用埔氏( Puwaravuti -
panich) 法研究了15 例少精症 不育 患者的精子, 发现
成熟精子中仍含有组蛋白而无精核蛋白, 提出这是
由于精核蛋白异常或缺失, 在精子发生过程中组蛋
白未被精核蛋白取代, 即出现了核蛋白转型障碍, 认
为这是导致原发生 不育 的原因之一, 从而首次提出
精核蛋白与 男性不育 的关系。
近年来, 许多学者研究发现大部分 不育 患者精
子核内存在精核蛋白异常。Balhorn
152用电泳法分
析了畸精子症( 主要为圆头精子) 不育 患者精子核内
的P1/ P2 比值, 发现P2 族精核蛋白含量下降。Belo
kpytova
172通过电泳法发现 不育 患者精子核内P2
和P3 精核蛋白含量较正常可育个体低。Yebra
162报
道116 例 男性不育 患者精核蛋白异常的比例为
771 5%, 且有些患者P2 族精核蛋白完全缺失。赵亚
力1162用电泳法发现精核蛋白异常的 不育 患者全部
涉及P2 族精核蛋白缺失。有些作者提出 不育 患者
精子数量的减少, 畸形精子数量的增加亦与精核蛋
白异常相关15~ 72。表明原发性 男性不育 与精核蛋白
异常有关, 而精核蛋白异常者均涉及P2 族精核蛋白
的减少或缺失, P1 则无变化或变化很小, 提示精核
蛋白中P2 族与生育力有更为密切的关系。此外, 有
些患者除P2 族含量减少外, 还伴有较高含量的组蛋
白, 这可能会阻碍精核蛋白与DNA 结合, 影响或干
扰核蛋白类型的转换, 构成精子染色质结合蛋白的
组蛋白未被精核蛋白取代, 从而发生核蛋白转型障
碍。
目前认为核蛋白转型障碍可影响精子核染色质
的正常凝聚和稳定性, 易受损伤或造成精子头部形
态异常, 形成畸形精子162
, 使精子受精能力下降。即
使受精后, 由于核蛋白的异常, 精子核不能正常解
聚, 从而影响雄原核的形成及其与雌原核的融合。
核蛋白异常亦可使过量的精子源性组蛋白再次被包
装入受精卵染色质中, 这可能会妨碍卵裂时染色体
的行为及胚胎发育过程中基因的表达与调控, 使胚
胎发育异常造成早期夭折而流产1172。而最近有作
者报道不经过核蛋白类型转换的精子亦具有受精能
力且胚胎发育正常。说明精核蛋白可能不参与精子
和受精卵基因的表达与调控114, 152。此矛盾之处, 尚
待有关学者做深入的研究探讨。
关于精核蛋白特别是P2 族精核蛋白异常的原
因, 许多学者对精核蛋白的基因结构及表达进行了
研究。目前已知人类P1 和P2 族精核蛋白的基因位
于16P131 2~ 16P131 3的13kb 区域内1182。精核蛋白异
常是否由基因结构突变所致, 文献报道尚存在分歧。
通 过动 物实验, 有些作者认为P2 族精核蛋白的缺失
可能是由于基因突变引起的17, 19, 202
, 如启动子的顺
序或结构基因的某些位点, 使基因表达产生的P2 族
失去某些功能性基原或碱性氨基酸, 降低了与DNA
的亲和力, 或者由于P2 族基因的突变或缺失, 导致
基因的转录和翻译水平降低, 精子成熟时P2 族完全
被P1 取代。而Schlicker
1212和Yebra
162通过对精核
蛋白含量异常的 不育 患者的P1 和P2 族精核蛋白的
基因进行分析, 指出基因没有发生突变。赵亚力1162
用DNA 杂交、PCR 扩增及PCR- SSCP 法发现精核
蛋白均未见异常, 认为精核蛋白的缺失异常不是由
基因结构异常引起, 可能是基因表达所致。精核蛋
白基因表达的调控环节多而复杂, 如DNA 水平、转
录水平、翻译水平、翻译后加工等环节。这些环节的
调控序列大多位于旁侧序列中, 即使基因编码区结
构正常, 而旁侧调控序列存在异常, 亦可在上述环节
上影响精核蛋白的正常合成, 导致精核蛋白的稳定
性及其与DNA 的亲和力降低, 使之易于从精子核中
逐渐丢失116, 222。截止到目前, 尚未见有关人类精核
蛋白异常者基因突变以及精核蛋白基因表达调控的
研究报道。有作者1162提出在研究精核蛋白异常不
育患者基因结构的同时, 还应着重研究旁侧序列中
的调控顺序, 以找到精核蛋白异常的真正原因。
4 展望与结语
目前有关精核蛋白、精核蛋白基因的结构与表
达对精子结构和功能的影响及其原发性 男性不育 关
# 73 #
系的研究尚处于初步阶段, 还有许多机理尚不明确
或存在矛盾, 但是精核蛋白异常作为原发性男性不
育的病因已受到有关学者的高度重视。当前对精子
发生中基因探针的研究在不断深入进行, 以进一步
了解精核蛋白的基因结构和表达特点, 阐明基因对
精子发生的调控作用, 以及组蛋白到精核蛋白的转
换机理和转换障碍, 从而揭示精核蛋白与原发性男
性 不育 的关系及其机理。在临床应用研究方面, 人
们设想通过适当方式人为地干扰精核蛋白分子内和
分子间二硫键的形成, 降低核的稳定性; 干扰精核蛋
白基因的表达或核蛋白类型的转换这一精子发生过
程中敏感而薄弱的环节, 使产生的精子丧失其正常
的受精能力, 从而探索出一种新的控制生育的途径。
这不仅在生殖医学及男性学理论上有重要意义, 同
时也将把男性节育以及 男性不育 症诊治的研究提高
到一个新的水平。
综上所述, 精核蛋白异常或核蛋白转型障碍可
能影响精子的正常发生、发育, 造成异常染色质形
成, 从而使精子的受精能力丧失或下降, 最终导致原
发性 男性不育 。证实精核蛋白与生育力确实存在着
密切关系。
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