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【综述】精子DNA碎片研究进展朱鹏飞-中华医学会生殖医学分会
精子DNA碎片研究进展 朱鹏飞,毕星宇,武学清* (山西省妇幼保健院生殖医学中心,太原,030000) 摘要:DNA损伤应答机制缺陷是引起男性不育的原因之一。哺乳动物生殖细胞中偶然会发生DNA损伤,主要发生于雄性生殖细胞中。精子DNA碎片影响后代繁殖生长发育,产生原因可分为体内因素和体外因素。 关键词:精子DNA碎片 SDF 男性不育 通讯作者:武学清:E-mail: xueqingwu416@126.com Tel: 目前评估男性生殖能力主要通过显微镜观察精子浓度,活力,形态等直观因素,而这些观察只能提供关于精子质量的宏观信息。临床研究发现精子DNA碎片(sperm DNA fragmentation,SDF)检测可以从微观角度评估精子基因组完整性,因此被认为是评估男性生殖能力的重要指标[1]。在IVF中高SDF水平与低受精率,低着床率以及高流产率成正相关[2]。临床证据表明少精症患者存在高水平基因组损伤[3]。在正常生育和ART中均发现精子DNA损伤影响受孕,因此受到学术界极大关注。有研究通过建立鹿和猪的动物模型,证实精子DNA损伤影响后代繁殖生长发育[4]。 精子染色质成分和体细胞不同,其中鱼精蛋白占组蛋白一半,其染色质超螺旋化形成螺线管形态。在精子成熟过程中鱼精蛋白通过二硫化物交联从而使染色体致密化,体积减小至正常核的1/6[5]。这一结构保护精子DNA免受毒性物质影响。虽然有这一保护机制,但是与其他物种相比,还是存在基础性的DNA损伤,而且不育男性的精液中,这一损伤更为严重[6]。通过比较睾丸,附睾,精液中精子的DNA损伤,发现在精子成熟过程中,鱼精蛋白替代组蛋白这一环节对DNA损伤最敏感,在这一替代化过程中,拓扑异构酶使染色质出现临时性的缺口,如果这些缺口没有及时修复,替代化作用不全面,导致染色质包装不完全,就会形成SDF[7]。 SDF产生原因可分为体内因素和体外因素: 体内因素 基因重组缺陷 基因重组异常通常会导致细胞死亡。减数分裂时基因重组交换会引起DNA断裂。而在成熟精子中DNA断裂发生频率最高[8]。研究发现雌激素可以促使DNA碱基形成二聚体,而这种二聚体结构很稳固,一般不容易解聚。在有缺陷的精子中这种现象更为严重[9]。 精子成熟异常 DNA断裂对于缓解螺旋结构的扭曲力是必须的,有利于摆脱组蛋白核心,重新与鱼精蛋白结合。染色质包装时需要核酸内切酶剪切DNA,引起组蛋白超乙酰化,断裂点的形成和重连则由拓扑异构酶2完成[10]。这一过程是在附睾中完成,假如这些暂时性的的断裂点没有及时修复,精液中就会出现DSF。 P1/P2 鱼精蛋白变异体表达比例影响男性生殖能力。正常精液中85%——95%的组蛋白被精蛋白替代。而这一替代过程很复杂,首先组蛋白超乙酰化,然后被睾丸中特殊的一种蛋白替代,接着这一蛋白又被精蛋白1和2替代,正常情况下P1/P2是1:1,这一比例可以保证精子染色质包装的完整性,压缩核体积,阻止基因表达。若二者比例不正常,会增加DSF数量,降低受精率、优质胚胎率,增加流产率[11]。 凋亡失控 不育男性的精子可以通过抑制凋亡机制增加病理性DSBs,产生SDF。研究发现,不育症患者的精细胞转变成精子的过程中,由于凋亡通路相关蛋白基因转录和翻译缺失,其失去了凋亡能力,通过产生SDF,这类精子获得了成熟和受精能力[12]。 5.氧化应激 氧自由基在调控细胞繁殖、分化和功能上起主要作用,同时对细胞起负性影响。如破坏细胞结构,特别是DNA结构。正常男性精液中存在抗氧化物质抵抗ROS。如果这类抗氧化物质缺乏,则ROS会氧化碱基,产生一些特异性的物质,如8OHdG和亚乙烯基核苷[13]。ROS直接引起精子DNA产生SSB,而脂类过氧化物反应则产生DSB。氧化应激反应主要来源于凋亡失调、炎症反应、抗氧化物质缺乏。 外在因素 精液离体时间 SDF是一个动态参数,与精液离体时间相关。具体原因尚不明确,肯定与鱼精蛋白相关。针对11个物种精液的研究发现P2的高表达显著增加SDF,而P1则是维持DNA稳定性[14]。 获取方式、勃起强度和处理方 精液获取方式、阴茎勃起强度以及处理方法均会影响精子DNA质量。研究报道通过取精器获得的精液DSF明显低于其他方式,而发情期的高勃起强度时射出的精液也优于其他[15]。 储存温度和冷冻 各类物种中都已研究过储存温度和冷冻对精子DNA的影响。在马、兔、狗、牛中发现5、15℃储存的精液SDF明显少于20、37℃,而大象的精液很特殊,低温会导致DNA不稳定[16]。 精液冷冻虽然可以帮助一些需要进行肿瘤治疗、生殖外科手术的患者保留生育能力,以及在动物中进行人工基因改良,但冷冻会导致精子结构和功能损伤。有研究
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