睾丸生精细胞凋亡的基因调控
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5 热休克蛋白(heat shock protein,HSPs)
基因及其家族HSPs是细胞在受到热损伤、物理、化学等刺激时合成的高度保守的一组蛋白,对于机体维持自身稳定起到重要的作用。热休克蛋白包括HSP110、HSP90、HSP70及泛素(Ubiquitin)等。其中HSP90广泛分布于未受刺激的哺乳动物的各类细胞中,能够促进细胞内其它蛋白质的合成、正确地折叠和运转\[26\]。正常成人睾丸中,HSP90和HSP27位于支持细胞、精原细胞、精母细胞和精子细胞的细胞质中,未与细胞质内的细胞器相连接。热刺激以后引起支持细胞、精原细胞和精母细胞核内HSP27和HSP90蛋白表达增高,主要出现在细胞核的染色质周原纤维(perichromatin fibrils ,PF)和核仁中。成熟的长型精子细胞,HSP的免疫荧光染色呈阴性,而残余体中则显示阳性。因此,HSP的转位可能起到了保护核内RNA的作用,而成熟的精子染色质高度浓缩,基因在周围碱性蛋白的保护下没有转录活性,也不需要HSP保护\[27\]。
HSP70是有助于胞浆、线粒体和内质网蛋白的褶叠、转运和组装的一类蛋白质。在小鼠已发现7种热休克蛋白,其中有5种广泛分布于体细胞和生殖细胞中,另有两种HSP70-2,HSC70t只在精子发生、热刺激条件下诱导时表达于各级生精细胞。其中HSP70-2表达于粗线期精母细胞中。已证实\[28\]热休克和其它应激因素会使体细胞发生凋亡,而用反义寡核苷酸预处理使HSP70的表达减弱,则会加强对凋亡的抑制;另外,低热应激条件可以诱使HSP70基因表达而限制凋亡。Dix等\[29\]利用基因打靶技术培育出HSP70-2-/-小鼠,其成熟雄性HSP70-2-/-小鼠的睾丸重量明显低于正常HSP70-2+/+小鼠和杂合子HSP70-2+/-小鼠,经交配后雌鼠不怀孕,而正常与杂合子鼠经交配雌鼠怀胎次数和每胎产仔数无显著差别。进一步发现雄性HSP70-2-/-小鼠缺乏减数分裂后的精子细胞和精子,大多数曲细精管内有粗线期精母细胞的凋亡。推测这是由于HSP70-2蛋白的缺失使需要该蛋白共同参与的DNA修复与重组的其它蛋白不正确地褶叠、转运和组装,由此打破了凋亡抑制因子与促进因子间的平衡所致[29,30]。如此看来,维护两者因子的平衡非常重要。
6 原癌基因C-myc
C-myc属于核内蛋白类,是一种分子量为49000富含脯氨酸的磷酸化蛋白。原癌基因编码的核蛋白调控着DNA的复制和RNA的转录,对细胞凋亡有促进作用[31]。有学者检测了成熟小鼠睾丸中C-myc的表达,结果显示,曲细精管外层正在分化的精原细胞和前细线期精母细胞中有C-myc mRNA表达,近基底膜某些时期的细胞有C-myc蛋白表达,而减数分裂时期的细胞则无表达,表明C-myc基因在精原细胞分化中起着重要的作用,但它在生精细胞凋亡中所起的作用还有待进一步研究[32]。瞿利军证实\[33\]采用大鼠手术诱导的隐睾生殖细胞凋亡增加;Fas/FasL与C-myc基因表达上调,可能是生殖细胞发生凋亡的重要原因之一;隐睾生殖细胞凋亡可能是通过与C-myc相偶联的Fas/FasL细胞凋亡途径调控的\[33\]。实验证实隐睾中Fas/FasL与C-myc基因表达的阳性细胞率与隐睾生殖细胞凋亡指数(AI)存在正相关关系,基因表达阳性率越大,细胞凋亡指数亦越大\[33\]。
7 粒细胞性白血病-1(myeloid
cell leukemia-1,Mcl-1)Mcl-1属Bcl-2家族中的成员,存在于多种组织中,在一些细胞中具有凋亡抑制作用[34]。有研究者对正常人睾丸Mcl-1蛋白表达进行了检测,发现间质细胞及精子周围的胞质碎片有中度到强染色阳性(2+~4+),而支持细胞、精原细胞、初、次级精母细胞和精子细胞绝大多数染色呈阴性。虽然Mcl-1与Bcl-2一样,在精子发生中的作用还不清楚,但它们在最易凋亡的精原细胞、精母细胞中很少表达,似乎表明它们在某些特定时期才被启动发挥作用。
8 环腺苷酸反应成分调节子(cyclic AMP
responsive element modulator,CREM)与其它CREM、BRCA1/BARD1、c-Kit/SCF、Caspase-3、孤儿受体、TR、C-myc、Ins3等基因都与生精细胞凋亡密切相关。CREM属于亮氨酸拉链/碱性域(bZIP)转录因子,它的表达受FSH调控。CREM主要表达于精子细胞,青春期前表达量很低,只编码一个转录抑制因子;而性成熟后从粗线期精母细胞到减数分裂后精子细胞表达水平都很高,编码转录激活因子\[7\]。
CREM是在减数分裂后细胞中高度表达、可能是在精子结构形成中,对数种单倍体细胞,特异性基因的激活起决定作用的因子。有人认为,CREM与细胞周期基因调控有关,并在某些细胞中诱导凋亡。为了研究其在生精细胞中的作用,Nantel等\[31\]利用同源重组培育出CREM突变的小鼠模型CREM-/- 和CREM+/- ,发现CREM-/-小鼠无生育,其精液中无精子,睾丸重量和曲细精管直径均小于正常CREM+/+ 小鼠且没有正常的生精上皮波,缺乏减数分裂后的晚期精子细胞。CREM-/- 小鼠睾丸中凋亡细胞数量是正常者的10倍。雄性CREM+/- 小鼠的生育力明显下降,精液中精子数量及活动精子百分率均下降,畸形精子数增加两倍,其睾丸生精细胞凋亡程度与正常者一致[35]。另一组研究人员\[32\]利用基因打靶技术培育出CREM-/- 和CREM+/- 小鼠,得到与Nantel等相同的结果,并且还发现,突变型小鼠的血清FSH和睾酮水平以及睾丸雄激素水平与野生型小鼠没有差别,由此提出可以将CREM-/-小鼠作为研究男性特发性不育和控制男性生育的模型系统[36]。可见,在精子发生中CREM的缺失会导致生精细胞的凋亡。
9 骨形态发生蛋白8B(bone morpho-genetic
protein,BMP8B)Zhao发现\[37\],在骨的生长形成过程中起作用的BMP8B在小鼠生殖细胞中有表达。于是,研究者采用基因打靶技术培育出BMP8B纯合性突变的小鼠,发现雄性小鼠中有生精细胞不同程度的缺失,以致造成其不育。2周龄左右的小鼠生精细胞要么不能增殖,要么增殖细胞剧减,分化迟缓。成熟小鼠则出现精母细胞凋亡显著增加,丧失生育力。支持细胞和间质细胞相对来说没有受到影响。实验表明,BMP8B基因对幼年个体的生精细胞增殖和成年个体生精细胞的生存以及生育力的维持都是必需的[37]。
综上所述,各种类型的基因研究,对睾丸精子生成的过程调控生精细胞凋亡的认识,起着举足轻重的作用,对维护睾丸生殖功能和性功能和提高不育症的诊疗水平非常必要。
《中国性科学》2011年第二期