第三节　精子发生过程中相关基因对精子成熟的影响

在睾丸中，精原细胞经过复杂的精子发生过程，已初步产生形态结构基本成熟的精子。但此时的精子还不具备运动能力、精卵识别和结合的能力。只有进入附睾（epididymis），从其头、体、尾的顺序运输和加工处理，耗时约3周，精子才能最终获得运动能力、精卵识别能力和受精能力。这个过程称之为精子成熟（sperm maturation），或者称为精子在附睾中的成熟（epididymal sperm maturation）。

在成熟过程中，精子在形态结构、生化特性和代谢过程方面都发生了深入的变化。在精子形态结构变化方面，主要包括精子胞质小滴的移行、精子内胞质的进一步减少以及顶体结构的深度变化。例如，在精子核中，鱼精蛋白的分子内和分子间巯基键逐渐被二硫键所替代，从而精子核DNA与核蛋白的结合越来越紧密。在精子膜上，其生化成分如精子膜电荷、膜脂、膜蛋白和膜上糖基成分和受体性质都发生了显著性变化。研究表明精子从附睾头部被运输到附睾尾部，精子膜上膜脂的总量是逐渐减少的，但不同种类的磷脂变化是不一样的。其中膜脂上的鞘磷脂、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、胆固醇的含量均下降，而不饱和脂肪酸（C22：4，C22：5）、磷脂酰丝氨酸、双磷脂酰甘油的含量逐渐升高。精子膜上蛋白质的组成成分发生了重大的改变，有些改变源自附睾上分泌的蛋白，附着在精子膜上；有些改变则是精子膜上蛋白在附睾微环境的作用下，发生了进一步的翻译后修饰，改变了其相对分子质量和空间定位。例如，大鼠精子在成熟过程中增加了31 000、32 000、34 000和37 500的膜蛋白成分，同时也失去了110 000、94 000、72 000和59 000的膜蛋白成分。其次，精子膜表面蛋白会经过一系列的化学修饰，例如糖基化、磷酸化等。这些化学修饰，对精子在女性生殖道中的运动和精卵识别起到关键性作用。在能量代谢方面，睾丸中精子主要依靠糖酵解功能。在附睾成熟过程中，精子也会利用内源性磷脂作为能量的来源。这一变化也反映在精子膜成分的变化中。

从上面的描述中，我们可以看出在精子成熟过程中发生了一系列变化，其中一部分变化的分子是精子发生过程中基因编码的产物。这类基因产物在睾丸中表达但在附睾中被进一步加工修饰。另一部分分子则来自于附睾特异性表达、分泌，最终以添加新成分和改变精子上已有蛋白的结构、大小、定位以及精子膜磷脂的成分等方式来完成精子在附睾中的成熟过程。

下面重点介绍在精子发生过程中相关基因，它们所编码的产物对精子成熟的影响。

一、PH-20

PH-20是一种精子发生过程中编码所产生的，相对分子质量为64 000的膜蛋白。它通过糖基磷脂酰肌醇（GPI）形成共价键（covalent linkage），锚定在精子膜上。

PH-20在不同物种精子上的分布略有些差异。在圆形精子和豚鼠长形精子上，PH-20分布在其全部的膜表面；在人类、小鼠和猴子的长形精子上，PH-20分布在其头部或者头部前侧；在大鼠的附睾精子上，PH-20则定位在其尾部。其N端氨基酸序列（约470个的氨基酸）在不同的物种中是相同的，而C端的氨基酸序列（约40个氨基酸）差异较大。

在豚鼠中，PH-20最初分布在精子的整个头部，经过附睾中的成熟过程后，PH-20只分布在精子的顶体后区。体外实验证明，附睾头部的精子经过胰蛋白酶处理后，PH-20蛋白即可迁移到顶体后区。因此，推测附睾提供了一种类似于胰蛋白酶的作用，从而改变了PH-20的空间定位。在功能方面，研究表明PH-20具有透明质酸酶激活结构域，可以分解卵丘细胞间的透明质酸，帮助精子穿过卵丘，具有协助顶体反应的功能，参与精子和透明带的识别过程。

二、ADAM家族蛋白：Fertilin、Testase1、Cyritestin

Fertilin最初被称为PH-30蛋白。该蛋白是在睾丸内被编码的异源二构体形式的精子膜蛋白。两个蛋白亚基，分别称为α和β亚基，均属于ADAM（a disintegrin and metalloprotease）或者MDC（metalloprotease，disintegrin，cysteine-rich）蛋白家族。它们都由较大的包含一个信号肽、一个金属蛋白酶结构域和去整合蛋白结构域的前体蛋白水解加工而成。Fertilin的α前体蛋白在睾丸中被加工完成，不在附睾中进一步被加工，最终相对分子质量约为48 000。Fertilin的β前体蛋白则在附睾中逐渐被水解加工成熟，最终β亚基只剩下一个去整合蛋白结构域，相对分子质量为25 000～28 000。实验证明Fertilin参与到精卵融合过程中。首先，Fertilin的β亚基通过其去整合蛋白结构域同透明带上的整合素（integrin）相结合，帮助精子结合到透明带上。同时Fertilin结构发生变化，其α亚基上的融合肽段暴露出来，并插入到卵母细胞膜中，形成融合孔，融合孔进一步扩大，引发精子与卵母细胞发生质膜融合。β亚基敲除的雄性小鼠能产生形态正常的精子，但是不育的，其精子穿过卵丘的能力明显降低。

Testase1也是一种在睾丸中特异表达，并在附睾中加工成的ADAM家族蛋白，也称为ADAM24蛋白。Testase1是一种以单体形式存在于精子膜表面的锚定蛋白酶，在睾丸精子中，Testase1的相对分子质量是108 000；附睾尾中成熟精子，Testase1的相对分子质量是88 000，并定位在成熟精子的赤道区。目前，根据其结构域中包含一个由PKC磷酸化作用而激活的金属蛋白酶结构域，推测其可能在受精或附睾成熟中修饰其他蛋白，或亦具有促进精卵融合的功能。

Cyritestin蛋白最初在小鼠精子中被发现，也属于在精子发生过程被编码的ADAM家族蛋白。在睾丸精子中，其相对分子质量是110 000；在附睾精子中，其相对分子质量是55 000。现在已经证明，Cyritestin蛋白是在附睾头部被一步加工完成，一次性去除其前体区（prodomain）和金属蛋白酶结构域。最终Cyritestin通过其去整合结构域，促进精子穿过透明带。Cyritestin敲除雄性小鼠是不育的。

三、Acrosin

Acrosin是一种储存在精子顶体中丝氨酸蛋白酶（serine proteinase）。最初由一个没有活性的前体蛋白pro-acrosin通过水解剪切而成。它的功能是帮助降解透明质酸，帮助精子到达卵子表面。但有意思的是，Acrosin基因敲除雄性小鼠是可生育的。尽管其精子已完全没有acrosin的蛋白酶解活性。这个结果暗示着还有其他的蛋白水解酶帮助精子穿过透明带。

四、ACE

ACE基因可以编码两种异构体形式，一种是体细胞特异性肽段加工酶（peptideprocessing enzymes），另一种是睾丸特异性肽段加工酶。它们都是一种膜结合的二肽基羧肽酶（dipeptidyl carboxy-peptidase）。在雌性小鼠中，同时缺乏两种类型的ACE蛋白都是可生育的，但是雄性小鼠是不可生育的。进一步实验证明，缺乏体细胞特异性的ACE蛋白的雄性小鼠是可生育的，而缺乏睾丸特异性的ACE蛋白的雄性小鼠是不可生育的。因为体细胞特异性的ACE促进血管紧张素Ⅱ的产生，而血管紧张素Ⅱ本身对精子发生没有影响；睾丸特异性的ACE蛋白则促进精子在输卵管中的迁移以及和透明质带结合的能力。因此，睾丸特异性的ACE蛋白是精子成熟所必需的，但目前认为TEX101是ACE的底物。

五、半乳糖基转移酶

在雄性生殖系统中，β-1，4半乳糖基转移酶基因主要表达两种异构体形式。一种是表达在全部精子发生过程的各个细胞类型中的细胞膜表面，相对分子质量较大；一种是表达在成熟精子顶体膜表面的、相对分子质量较小的蛋白，它通过和ZP3蛋白的低聚糖链相互作用，促进精子穿过透明带。半乳糖基转移酶敲除小鼠和转基因小鼠都证明了其在精子同透明带结合方面的功能。

六、α-D甘露糖苷酶

精子膜表面的α-D甘露糖苷酶存在于许多物种的精子中，它同肝脏和精子顶体中的甘露糖苷酶不同。精子表面的α-D甘露糖苷酶是一个催化位点朝向精子膜表面的完整蛋白（integral protein），它定位在成熟精子的顶体周围区域。其前体蛋白在睾丸中表达，相对分子质量是135 000，随着精子在附睾中的移动，完成其成熟的过程，最终它的相对分子质量是115 000，并且从没有活性的形式成为一个具有高度酶活性的蛋白。体外实验证明，精子膜表面的α-D甘露糖苷酶具有受体样功能，促进精卵识别。

七、CE9

CE9是一种相对分子质量为40 000～80 000的质膜糖蛋白，在各个物种的睾丸精子中高表达。在睾丸精子中，它主要分布在精子鞭毛的主段和末段的质膜上。通过附睾的加工，CE9蛋白去掉了N端75个氨基酸，分布在成熟精子的尾部质膜前端。目前还不清楚它的生物学功能。

以上只是目前部分被发现在精子发生过程中编码，并在精子成熟过程中被修饰、加工的基因产物。随着分子生物学的迅猛发展，相信会有越来越多的此类基因产物被发现，将加深人们对精子成熟、精子运动能力和精卵识别能力等科学问题的认识。此外，如果在精子成熟过程中干扰此类基因产物的加工成熟过程，有可能可以产生不影响睾丸产生精子的数量和质量的避孕药物。