中 华 男 科 学硕士研究生报名
第 7 卷 第 1 期 2001 年 2 月
V ol . 7 N o . 1
Feb. 2001
National Journal of Andrology
·专家谈·
①
人精子在附睾中的成熟
库卓华
( Institute of R eproductive Medicine of the University ,D om agkstras 11 ,D 248129 M ün ster , G ermany )
摘要 : 精子在人附睾内转运过程中获得使卵子受精的主要功能 。这些功能包括 ：相对活率 、一致的形态 、结合透明 带的能力 、发生顶体反应的能力 、与卵黄和致密染色质融合的能力 、体内和体外使卵子受精的能力 、维持正常胚胎 发育的能力等 。已经鉴定了许多附睾分泌的糖蛋白 ，它们与特定的精子膜区域结合 。这些蛋白可能与促进精2卵作 用有关 。作为辅助生殖技术的结果 ，取自附睾近端的“未成熟”精子或睾丸生殖细胞启动胚胎发育的能力依赖于精 子在附睾内的转运 、在女性生殖道中存活 、输送直至被卵子包围 。 关键词 : 人附睾 ; 精子成熟 ; 受精 中图分类号 : R 321. 1
文献标识码 : A
文言文翻译文章编号 : 100923591 (2001) 0120001209
Epididym al Maturation of Hum an Spermatozoa
T revor G . C OOPER
( Institute of Repr oductive Medicine of the Univ er sity , Domagkstras 11 , D 248129 M ün ster , Germany )
Abstract : All o f the major functions of sperm that are requ ired for them to fer tili an egg ( relevan t m otility , uniform m or p h olog y , ab ility to
b ind to the zona pellu cid a , capacity to u nd erg o the acrosome reaction , capacity to fu w ith the vitellus , cond end chromatin , the ab ility to fertili eg gs in vivo and in vitro and the ab ility to su pport norm al embry o d evelopment ) are acqu ired w ithin the hu man epid id ymal canal . Many
creted epid id ymal g lycoproteins have b een id entified that b ind to particu lar sperm memb rane d omains and appear to b e inv olved in facilitating sperm 2ovu m interaction. The ab ility of “immatu re ”sperm from the proximal epid id ymis or g erm cells from the testis to initiate embry o d evelop 2 ment as a resu lt of arti f icial reprodu ctive techn olog ies (ART ) d epends on the b ypassing of the very s tep s that requ ire epidid ymal inp u t ; that o f permitting survival in the female tract and transport to and throu g h the egg investments. N tl J Androl ,2001 ,7 (1) :1 9 K ey w ords : Hu man epidid ymis ; S perm maturation ; Fertilisation
目前主要利用睾丸和附睾组织作为治疗用的精 子来源 ，通过多种辅助授精技术启动受孕 ，这可能给 人这样的印象 ：在人睾丸中形成的精子能立即使卵 子受精 。果真如此的话 ，那么附睾就仅仅起作这些 细胞的仓储作用 。然而 ，在生育男性 ，睾丸精子必须 依赖它们自己的方式到达并与卵子作用 ，并且只有 在附睾短暂停留的精子才具有充分参与受精的能 力 。辅助生殖技术对那些不育男性有用 ，采用的技 术可绕过体内精子不能克服的障碍 。与使用人类配
子有关的道德考虑使这项研究的深入变得困难 。迄 今为止的研究所收集的资料表明 ，成熟过程的发生
与在更直接的试验中显示的结果类似 。在测定附睾 如何对这些变化起作用方面正在取得一些进展 。但 是 ，尚无明确的证据显示 ，附睾功能丧失是人类不育 的基础 。
1 精子活率 ：受精必须的条件及其在附睾中的变化
活率是活精子最明显的特征 ，活精子必须游出宫
① 收稿日期 : 2000210216
基金项目 : The w ork w as supported mainly by the D eutsche Faschungsgemeinschaf t N i130215
作者简介 : 库卓华 (19492) ，男 ，生于英国 H emel H empstead ，医学博士 ，教授 ，从事附睾功能与精子成熟研究 。
颈粘液1 并通过卵丘和透明带2 。几项研究表明 ，不
论是在 I UI ，还是 IVF 中 ，运动速度大于25
μm / s 的精子 与高受精率相关3 ,4 。精子活动亢进是一种获能后表
现出的高活力的形式 ，其特征是弯角和侧摆的增加 , 但线速度减低 ，也与体外成功的受精相关5 。
磷酸化降低 ，已经证明与它们的低速度类似 ，蛋白激 酶 A 和 C 信号途径产生的刺激减弱16 。 1. 2 附睾参与活率的发育 从精曲小管释放的人
精子是不运动的 ，除非睾丸后导管堵塞
17
。尚未弄
清楚这种运动的获得是否反映滞留精子成熟或是由
于促进精子运动的附睾组分向睾丸回流 。然而 ，在 体外缺少睾丸分泌物的情况下18 ，睾丸精子运动增 强 。这意味着它是一个时间相关的促进 。从精囊获
分赃的意思得的精子19
能使卵子在体外受精20
, 但是这些精 子可能在收集前的某些时候已经原位成熟 。鞭毛功 能的发育与协调可在附睾分泌物的影
响控制下 。然 而 ，射出的精子活率和这些精子表面 C D52 量之间
存在正相关 ，抗2C D52 抗体降低精子活率 、动态参数 及活力21 ，尽管这种效应较少 。
2 精子头形态 ：与生育的关系及在附睾中的变化
1. 1 附睾转运中精子获得运动能力 在近 10 年
里 ，应用计算机辅助精子运动分析系统已经证实了 精子在通过附睾时获得其运动能力 ，并在体外保持 运动 。从前列腺肿瘤病人获得的附睾不同区域的精 子 ，取自输精管 (男性附睾尾) 时是运动的6 。然而 , 活率随取样远离附睾头而增加 。从附睾头获得的精 子的平均直线速度约为15μm / s 。此速度在近体部增 加到 25 μm / s ，在中体部达到 50 μm / s ( 见图 2a ) 。不 管附睾的年龄 ，这些精子速度与健康志愿者射出精 子并没有什么差别 。
正常精子形态的百分率与 IVF 的成功有关22 ,
暗示应该考虑形态正常同样是生育必须的条件 。精 子头外观和它们使卵子受精的能力之间的这种相关
促进了计算机辅助精子形态测试系统的开发 。检测 系统主观评估精子几何参数 ，这种几何参数可预测 精子的功能 。
王老吉logo
2. 1 附睾转运中精子头形的变化 计算机辅助精
子形态分析仪 ( C AS MA ) 已被用于检测取自人附睾管
的精子 ，其处理方法与射出精子相同 ，即固定前空气 干燥 。头部肿胀的细胞群仅见于附睾近端区域 。不
过这是一种人为现象 ，因为它们并未在涂片前固定
的精子上发现 。这提示存在一个成熟的过程 ，即精 子发育 一 种 耐 受 涂 片 和 空 气 干 燥 的 应 激 能 力 ( 图
2b ) 。用 C ASMA 研究非肿胀精子提示成熟后的精子
头的形态缩小7
。取自这些成熟附睾的成熟精子具 有与青年志愿者射出精子相同的形态 ，提示成熟附 睾的正常功能 。
2. 2 附睾参与精子头形态的发育
非肿胀精子头吉他c调音阶
缩小可能因增加附睾液渗透压而导致 ，这种现象已 在其它种属中得到证实 。尚未获得人附睾液的渗透 压 数 据 , 但 已 知 人 输 精 管 含 有 342mm ol/ kg 的 体 Figure 1. Photog raph of a hu man epid id ymis and the reg ions from w hich the sperm w ere sampled for stud y of their func 2 tion g iven in fig ure 2
1 : efferen t du cts ;
2 ,
3 : pr oximal cor p us ;
4 : mid corp us ;
5 ,
6 : d istal corp us ;
7 : proximal caud a ;
最吸引人的卖花广告词8 : distal caud a .
液23 。
3 透明带结合与穿透 ：生育中的作用及在附睾中的
变化
成熟的附睾精子对 cAMP 磷酸二酯酶抑制剂
(pentox ifylline ) 应 答 的 结 果 是 增 加 其 鞭 打 频 率12
。
但不成熟精子不对这种刺激应答 ，提示精子内还有 第二种信号系统在发育 。虽然尚未在人类做过研 究 ，与成熟精子相比 ，猴类未成熟精子的蛋白酪氨酸
精子与透明带最初的结合发生在透明带表面 ,
其暴露的 ZP3 蛋白结合至顶体浆膜上24 。这种结 合启动了顶体反应 ，导致了一个更紧密的次级结合 状态开始 ：发生顶体反应的精子结合 ZP2 。ZP2 是一
Figure 2. S u mmary of changes to hu man spermatozoa rem oved fr om d ifferent reg ions of the epid id ymis : (a ) normal sperm head m orp holog y ( u 2 niform head shape , from S oler et al 7 ) ; ( b ) m otility (percen tag e and straig ht 2line velocity ) (from Y eung et al 8 ) ; (c ) b ind ing ab ility o f uncapacitated cells is low (Delpech et al 9 ) and only mature capacitated cells ( reg ion 8 here refers to ejacu lated ) b ind to the zona (fr om M oore et al 10 ) ; ( d ) spontaneous acrosomal loss is constant in all epid id ymal reg ions bu t ionop hore 2indu ced acrosome reactions occur on ly to corp us and caud a sperm ( Y eung et al 11 ) ; ( e ) acrosin activity as d etected on substrates d eclines or is less accessible u pon maturati o n ( H aid l et al 12 ) ; (f ) penetration of zon a 2free hamster eg gs b y capacitated , acrosome 2reacted sperm increas as sperm matu re (M oore et al 13 ) ; (g ) chrom atin assu mes the mature c ompacted form of packag ing as assd b y aniline blu e b in d ing to nu cleoproteins ( Haid l et al 12 ) and acridine orang e b in d ing to nu clei acids ( G olan et al 14 ) ; ( h ) fer tilisation and preg nancy rates are hig her when distal epidid y m al sperm are ud in IVF ( P atrizio et al 15 ) .
种由顶体素引起的透明带物质的部分消化后暴露的蛋白。
3. 1 附睾转运中透明带结合能力的变化有关成熟过程中的人精子结合透明带的能力的报道非常稀少且相互矛盾。人类透明带结合的种特异性25 是指使用人透明带或浸过盐的人卵子，这2 种原料的供应受到限制。初期的一项研究揭示了附睾头尾精子与卵子的类似结合能力( 图2c) 。但是在低温条件下进行以消除可能结合更多运动的尾部精子，因为有更多的配子相互碰撞。这种条件不允许获能发生。在采用常规获能条件的地方，在射出精子能结合的条件下却不能结合( 图2c) ，表明透明带结合能力也有一个成熟过程。
3. 2 附睾参与精子2透明带结合能力的发育已经用原位杂交、R NA 探针、免疫细胞化学或免疫印迹等技术测定了与精子2透明带结合相关的几种在人睾丸生殖细胞或附睾获得的附睾蛋白。睾丸产物包括F A21 ,PH220 ，顶体素和丝氨酸蛋白酶抑制剂。精液糖苷酶活性与透明带结合能力间的关系26 可能说明，这种特别的附睾分泌物的高产量能够保证在成熟过程中有足量的“透明带2受体”包被所有精子。从正常男性精子提取的蛋白的确能促进弱结合能力精子结合透明带的能力27 。在温育前与透明带温育时，它们降低了对照精子的结合，提示它们封闭了透明带结合位点，而这些位点通常结合受精精子的相同蛋白质。这些蛋白质被高盐浓度洗脱下来并在低离子强度介质中透析除盐后结合精子，提示存在静电吸引作用, 但是它们尚未被鉴定或起因尚未肯定。
附睾单独提供参与精子2透明带识别的其它蛋白质( P34 H , 2C6 , 3B2F7 和H623C4 抗原, SOB3) , 其中之一的C 蛋白( 丝氨酸蛋白酶抑制剂) 也在睾丸中产生(表1) 。针对3B2F7 抗原的抗体阻止精子2透明带作用，与C 蛋白活性位点反应的肽能阻止精子2 透明带结合。根据它们在顶体浆膜上的存在以及它们结合到ZP3 ( FA21) 和顶体反应后蛋白质的丢失( P34 H) ,FA21 抗原和P34 H 也被认为参与了最初与透明带的结合。抗猴C D52 抗体的Fab 片段阻止透明带结合, 提示这种蛋白质在此参与结合( 表1) 。这些蛋白质被认为在与透明带作用后丢失。相反, PH220 ，顶体素和S OB3 被认为参与了次级结合透明带(与ZP2 )作用, 说明了它们的透明质酸酶性质( PH220) ，及它们存在于初级结合后才暴露的外层顶体膜条件下。这些蛋白质必定在透明带穿透后至少保留到精2卵融合。4 顶体反应：依赖获能及在附睾中的变化
获能过程是通过丢失一些蛋白或类固醇后暴露(假定的) 整合在膜上的透明带受体，因此，顶体反应发生在透明带表面。溶解的透明带或重组ZP3 能诱导顶体反应，体外授精率与自发的顶体反应61 及由A23187 新糖蛋白诱导的顶体反应62 之间存在正相关。
4. 1 附睾转运过程中顶体稳定性的变化取自人附睾不同区域的精子经历自发的(退化的) 体外顶体丢失与刺激剂引起的程度相同。但是它们对刺激的应答不同。由于缺乏人透明带及可得的重组ZP3 ，使钙离子载体A23187 作为有效的顶体反应刺激剂的应用得到增加，虽然其作用机制不同于透明带蛋
白63。能增加精子钙离子内流的A23187 是一种强的尾部附睾精子顶体反应的刺激剂。但是，中部附睾精子不易被刺激。而附睾头精子完全不被刺激11。在用低温处理诱导的顶体反应中观察到诱导的顶体反应类似于在附睾中发育的现象12 ( 见图2d) 。一种简便的用来检测单个精子的顶体素显微明
胶分解测试说明成熟精子释放的酶少于未成熟精子释放的酶( 见图2e) 。这很可能反映了成熟后缩小的精子头尺寸及膜相关顶体包装上的变化。
4. 2 附睾参与顶体反应能力的发育未成熟精子不能对顶体反应刺激剂应答的原因仍不明了。猴附睾精子(成熟时表现出类似的对钙离子载体应答) 在蛋白质酪氨酸磷酸化状态时显示了差别。但是它们与钙离子诱导的活率变化比顶体反应诱导的相关性更大16。精子成熟的发育与第二信号系统的关系可能要小于它与精子膜上变化的关系，因为顶体反应被膜胆固醇抑制，胆固醇在人精子成熟过程中降低64。因此，附睾的一种功能可能是去除精子类固醇。这可由能结合类固醇的人附睾分泌物HE1 实现65 ,66。
5精2卵结合与融合: 依赖顶体反应及在附睾中的变化
配子膜的融合允许精子进入卵胞浆，但仅能在顶体反应发生后发生。此时顶体的赤道板发生改变。卵膜与精膜在赤道板处融合后，形成一个嵌合膜后，精子头、中部及尾部先后进入卵胞。精子入卵导致钙离子从卵胞内释放，阻止多个精子进入透明带和卵胞。
5. 1 附睾转运中精2卵融合能力的变化无透明带
Tab le 1. C haracteristics of hu man proteins , of testicu lar ( T ) and epid id ymal ( E ) orig in , located on sperm and postu lated to b e inv olved in m otility or i n teraction w ith the z ona p ellu cid a a n d v itellus
Origin 3乳糖不耐受是什么意思
R ole ?3 3 Protein kDa p I References多边形的内角和公式
Fertilisation antigen 21 ( F A 21) FA1 18. 2 T
1°Z ona Bind ing 28 Car bonyl reducta ( P 34 H ) P34H 34
6. 0 ,6. 2 E
1°Z ona Bind ing
29
30 Hyaluronida ( PH 220) PH 220 64 T 2°Z ona Bind ing 31 Acroso mal Protea ( Acr osin ) Acrosin
Fertilisation Antigen 2 ( F A 22) T 2°Z ona Bind ing 32 FA2 Fertilin ( PH 230) PH 230 95 T V itellus Fusion 33 30
T none
34 Serine protea inhibitor ( Serpin ) S erp in 57 T , E
Z ona Bind ing V itellus Fusion 35 36 Fibr onectin ( FN ) FN
220 T , E
V itellus Fusion
37 38 Protectin ( CD 59) C D59 19 ,20
T , E
V itellus Fusion/ CI C omplement Inhib itor 39 40 Sper m Oocyte Binding Protein 1 ( SOB 1 , F LB 1)
S OB1/ F LB1 94. 7 5. 8 ,5. 9 E
V itellus Fusion
41 42 Human E pididymal Protein 2 ( HE 2) HE2 10
E V itellus Fusion ?
43 C D 52 2like antigens ( HE 5)
HE5 20 E Immune Su ppression M otility
V itellus Fusion
V itellus Fusion/ Immune Su ppression 44 45 46 47 48 49 50 g p20 G ZS 21 S A G A 21 S 19 ag
H623C 4ag
20 20 ,25 15225 E
E E E E 2. 5 ,3. 0 Z ona Bind ing
15225 Antisper m Antibody Binding Antigen
2C 6
15225 E
Z ona Bind ing / V itellus Fusion
51 Acidic E pididymal Glycoprotein 2like protein
ARP Sper m C oating Protein S CP 30 E V itellus Fusion ? 52 E V itellus Fusion 53 Antisper m Antibody Binding Antigen 3B2F7 ag 36 E Z ona Bind ing 54 Sper m Oocyte Binding Protein 2 S OB2 17. 5 ,18 ,19 6. 4 E V itellus Fusion 55 Sper m Oocyte Binding Protein 3 S OB3 Glycoproteins G P 239 G P 283 18 ,19 9. 8 E 2°Z ona Bind ing 56 39 83 E E V itellus Fusion 57 58 6. 57 Human E pididymal Protein 4 HE4 10 4. 3 E Decapacitation / Protea Inhib itor 59 Human cationic Antimicr obial Protein HC AP 218 18 E Immune Su ppression 60
Notes : 3 T , testis ; E , epid id ymis ; 3 3 ? , post u lated not proved
的仓鼠卵母细胞已被用做人卵母细胞的代用品 。因 为它的卵胞能被不同种属的精子穿透 。人精子结
合 并穿透卵子 ，在卵胞内经历染色质浓缩的百分率随 取自远端精子的距离增加而增加 ( 图 2f ) 。然而 ，由
