AMPK在哺乳动物精子中的作用研究进展.pdf

第 卷 第期家畜生态学报 年月 在哺乳动物精子中的作用研究进展 收稿日期 修改日期：基金项目国家重点研发计划（）；陕西省重点研发计划项目（）；陕西省农业专项资金项目（畜牧专项资金 ）作者简介朱大伟（），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：动物遗传育种与繁殖。：通讯作者胡建宏（），男，陕西白水人，博士，教授，主要从事家畜繁育方面的教学与科研工作。：朱大伟，胡张涛，张星，徐策义，郭家俊，刘伟东，胡建宏（西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 ）摘要精子的能量代谢通过改变精子运动模式，影响精子活力，最终影响受精能力。腺苷酸活化蛋白激酶（，）可以维持动物精子顶体及质膜的完整性、保持线粒体膜电位稳定，并且可以调控精子活性以适应波动的细胞外环境。该文从 的结构以及在不同物种精子中的定位入手，总结了近年来关于 对精子的影响和其在精液保存中的作用，为 在精液保存中使用提供参考。关键词；激活剂；能量代谢；精液保存 中图分类号 文献标识码 文章编号 （）：腺苷酸活化蛋白激酶（，）是一种进化上高度保守的丝氨酸苏氨酸蛋白质激酶，在能量代谢调节中起到重要的作用，广泛存在于所有已检测的线虫到哺乳动物的各种真核细胞种类。当 受到外界应激被激活时，通过磷酸化下游底物，关闭消耗能量的合成途径，同时开启生成能量的分解代谢途径，使细胞和机体恢复能量平衡。激活剂二甲双胍，在临床上广泛应用于治疗二型糖尿病，可通过 依赖和非 依赖的多种机制，降低血糖水平，改善机体能量代谢状况。目前国内外已有研究表明 激活剂二甲双胍可以有效改善精液质量。本文将聚焦于 在动物精子中的作用、定位以及在体外保存的研究进展，以期为探索更有效的动物精液保存技术和方法提供新的策略。的结构与活性调节 是一种异源三聚体复合物，包括一个催化亚基（）和两个调节亚基（、），每个亚基都存在由种基因编码的异构体（，），因此可能存在 种不同的 复合物。催化亚基是 重要的功能亚基，其 末端是丝氨酸苏氨酸激酶结构域，含有 发挥活性所必需的磷酸化活性位点 ，能被上游激酶磷酸化，末端则主要负责活性的调节以及联系和亚基；亚基是一个支架，和亚基分别镶嵌在亚基的 和 区域，此外亚基含有一个碳水化合物结合位点（），使 与糖原结合；亚基有个串行重复的胱硫醚合成酶区域（），其中个区域可以结合腺嘌呤核苷酸，并激活 的活性。是细胞底物供应和能量需求之间的直接分子连接器，可以通过生理条件、代谢激素介导以及药物分子激活，正常情况下 的比值是，但当机体出现应激反应时，例如缺氧、运动、呼吸障碍、三羧酸循环被抑制时，合成减少，的比值会有所升高，此时通过与 结合使其活性提高，进而通过增加葡萄糖的摄取和利用、抑制蛋白合成等途径维持 的数 量。等研 究 表 明，激 活 共有三种机制，第一种是可以直接刺激上游激酶的活性或使 构象发生改变，使 更易磷酸化，但是 等研究发现在体外条件下对上游激酶磷酸化 没有影响；第二种机制认为可以保护 免受上游磷酸酶的影响，进而抑制其去磷酸化；第三种机制则认为可以促进 已经磷酸化的 的变构激活。此外，也能与亚基上的 结 构 域 结 合，使 感 应 与比例的变化，而不是总核苷酸水平的变化。等 与 等 首次确定了在哺乳动物（老鼠、猪）精子中 的存在，此后人们通过采取不同的试验方法，包括 基因敲除小鼠、激活剂和抑制剂，阐明了包括人类在内的几种物种雄性配子中 的功能。调节剂分为间接调节剂和直接调节剂两种，间接调节剂包括任何可使或钙积累的调节剂，如二甲双胍、多酚类和噻唑烷二酮等，其中二甲双胍是临床上最常用的 激活剂，二甲双胍通过直接抑制线粒体电子传输链的复合物，降低细胞中 水平，进而激活 ，此外，硫辛酸（）可以通过增加细胞内钙含量，激活钙钙调蛋白依赖性 蛋 白 激 酶（）家 族，进 而 磷 酸 化 激 活 ；直接调节剂是指能够直接结合并激活，同时不会导致、或 水平有任何显著变化的小分子，如 氨基咪唑 甲酰胺核苷（），但是由于其使 活化的阈值升高，在临床治疗用途尚无保障。活性的调节对于探索哺乳动物精子中 的确切作用以及开发体外精子保存新方案是一个重要工具。在哺乳动物精子中的定位 年，在公猪 和小鼠 成熟精子中首次证明了 蛋白的存在，随后分别在小鼠附睾精子、种马、大 鼠、山 羊 和 人 类 的 精 子 中 都 证 实 了 蛋白的存在。通过对精子进行免疫荧光染色发现，在精子中的定位在物种之间略有不同，如 等 发 现 在 新 鲜 公 猪 精 子 中，蛋白在整个精子中都有分布，但主要集中于顶体和鞭毛的中部，而 磷酸化的 主要定位于顶体最顶端区域与赤道环。等 发现在人类的精子中，定位于整个顶体以及鞭毛的中部和尾部，而其活性形式在顶体的最顶端部分和整个尾部中染色较为显著，而在顶体后区染色较弱。等 发现活性 在马精子中主要表达于精子中段，同时在尾部观察到少量点状染色，而磷酸化的 则只存在于精子中段。等 研究表明在山羊精子中 定位于 整 个顶 体区域、中 段 和 鞭毛 处，而磷 酸 化的 定位于头部、中段和鞭毛。在哺乳动物精子中的作用精子的能量代谢对于维持正常的结构和功能具有重要意义，而 是真核生物细胞内的能量稳态感受器。肝激酶（）是活化蛋白激酶家族成员的上游蛋白激酶，等 选择性的敲除小鼠睾丸支持细胞中的 后发现，在生精小管中出现显著的空泡化和生殖细胞丢失，同时在小鼠的附睾中出现未成熟的圆形精子细胞。与之类似，等 研究也发现 基因敲除小鼠的附睾中成熟精子数量大大减少，产生的精子数量少，运动能力差，头部形态异常，导致小鼠不育。从雄性动物生殖道内释放的精子需要在雌性生殖道分泌物刺激下，发生获能反应后才具有受精能力。等 研究发现，当山羊精子暴露于获能培养基时，磷酸化 会显著增加；在体外培养过程中，添加 激活剂 或 能促进顶体反应的发生，表明 能增强山羊精子获能过程。卵细胞受精的成功率在很大程度上取决于适当的精子运动能力。等 敲除雄性小鼠的 基因后发现与野生型小鼠相比，静态精子数量增加倍，而快速运动精子数量减少倍，同时精子的 、等数据也显著降低。等 在公猪精子培养液中添加 抑制剂化合物后发现，在处理后活动精子数量显著降低，同时、等运动指标也以时间依赖性的方式降低。等 对人类精子的研究也发现添加 后，处理显著降低精子的活动性、进行性和快速精子的百分比。线粒体是哺乳动物精子进行能量代谢的主要场所，除 了 进 行 氧 化 磷 酸 化 产 生 和 活 性 氧（）外，还参与精子超激活运动、获能、顶体反应等多种生理过程，因而线粒体是衡量哺乳动物精子健康状况及受精能力的重要标记。等 发现使用 激活 可以在公猪精子短期应激 条 件 下 维 持 线 粒 体 膜 电 位 稳 定。等 在 基因敲除小鼠中的研究发现精子的耗氧量显著降低、线粒体数量减少、线粒体膜电位下降，同时线粒体在精子中段的排列异常。等 在人类精子中的研究发现使用 处理对精子的线粒体膜电位没有显著影响。动物精子除了需要能量调节外，还要保持其质家畜生态学报第 卷膜和顶体的完整性。等 研究发现使用 短时间增加 活性并不影响精子顶体和质膜完整性，而当 长时间激活时，会导致精子顶体、质膜完整性遭到严重破坏，同时在公猪精液中添加 抑制剂（）的试验显示，质膜脂质紊乱性显著增加，顶体完整性显著下降。在精液保存中的作用随着人工授精技术的推广使用，精液保存也变得尤为重要，但是在体外保存精液尤其是在冷冻保存时，精子由于受到冷休克、细胞内冰晶形成、氧化应激、高渗损伤等多种应激刺激，导致质膜完整性、线粒体活性、完整性等受损，进而影响受胎率。作为真核细胞内的主要 能 量感 受器，对精子在保存过程中的能量代谢调节至关重要。等 在培养液中添加不同浓度的 抑制剂化合物保存公猪精子，发现在保存第天时精子 活性增加，第天时磷酸化水平达到最大，而在公猪精液储存期间抑制 活性会导致精子活力受到抑制、高线粒体膜电位的精子所占比例减少、顶体质膜损伤显著增加。李榕楠等 发现在猪精子常温保存的中后期（），添加二甲双胍组的 水平、精子 含量以及线粒体膜电位均显著高于对照组，而同时添加二甲双胍与化合物的处理组与对照组无显著差异。汪棋等 向山羊的精液冷冻保存稀释液中添加 激活剂二甲双胍和 发现 的 和 的 使冷冻解冻后精子总活力提高并且能显著提高精子的运动性能，同时提高冻后精子质膜完整率、顶体酶活性等指标。等 分别向精液保存液中添加不同浓度的白藜芦醇和化合物冷冻保存人类精子，结果表明白藜芦醇能通过激活冻融精子内的，降低细胞内 水平，阻止冻后凋亡样变化精子比例的增加，而化合物的作用与之相反。等 在小鼠精子冷冻保存之前添加二甲双胍发现，二甲双胍可以使小鼠精子中 磷酸化水平增加倍，同时提高冷冻解冻后小鼠精子活力和质膜完整性，此外进行授精试验还发现，高浓度二甲双胍处理（）可以增加受精卵母细胞百分比和降低碎片胚胎百分比，即二甲双胍可以提高冻后小鼠精子受精能力。而 等 研究发现，在马精子冷冻保存过程中使用 激活剂或抑制剂，对精子的存活能力和运动能力都没有显著影响。小结 在能量代谢中的重要作用是众所周知的，直到最近几年才陆续在多种哺乳动物精子中发现其定位以及其在调控精子能量代谢等方面的作用。是 能 量 代 谢 和 生 殖 的 核 心 关 联 点。可改善体外保存精子过程中产生的应激反应，提高精液质量，但对不同动物及不同保存方案的效果不一，可能会产生消极影响。所以，在精液保存稀释剂中的应用还需进一步研究改良。参考文献：，（）：潘小康二甲双胍降糖机制研究进展中国糖尿病杂志，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，?，（）：第期朱大伟，等：在哺乳动物精子中的作用研究进展 ，；（）：，（），：，：，；（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，?，（）：，（）：，（）：，（）：李榕楠二甲双胍对猪精子在常温保存期间的作用及其机理研究陕西杨凌：西北农林科技大学，汪棋，汪长建，魏宗友，等 激活剂在绵羊精液冷冻保存中的作用研究畜牧兽医学报，（）：，：，（）：，：（），；（）：犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犘 狉 狅 犵 狉 犲 狊 狊狅 狀犜 犺 犲犚 狅 犾 犲狅 犳犃犕犘 犓犻 狀犕 犪 犿犿 犪 犾 犻 犪 狀犛 狆 犲 狉 犿 ，（犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犃 狀 犻 犿 犪 犾犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犖 狅 狉 狋 犺 狑 犲 狊 狋犃牔犉犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犢 犪 狀 犵 犾 犻 狀 犵犛 犺 犪 犪 狀 狓 犻 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（，），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；家畜生态学报第 卷