《Cell》封面文章 人类精子“矫健”的奥秘

　　

生物通报道，加州大学生理学系的科学家在精子生理特征研究方面取得新进展，相关成果文章Acid Extrusion from Human Spermatozoa Is Mediated by Flagellar Voltage-Gated Proton Channel公布在最新一期的《Cell》杂志上，并且被列为本期Cell的封面文章和亮点文章被推介。

 

在卵子受精过程中，上亿的精子就像进入一场马拉松比赛中，争先游向卵细胞，在这场持久战中，取胜的关键在于速度。别看受精过程中精子们身姿“矫健”，其实在尚未进入受精竞争的状态前，精子呆在睾丸中时，是处于休眠状态的，只有进入女性生殖道之后，精子才被激活，开始奋勇游向卵子。

 

早先的研究发现，休眠的精子进入生殖道后需要经历一个碱化（alkalinization）过程才可被激活，在碱化过程中，精子胞核内质子向外排出质子，质子进入胞浆，使得内环境被碱化，精子即被激活。

 

科学家们使用膜片钳技术研究人类精子的活化过程，研究发现，Hv1是精子的质子排放通路。Hv1位于精子的尾巴头部，当细胞外环境为碱性且没有Hv1抑制剂Zn时，质子会从Hv1通路进入到细胞浆中，这样精子就被活化。

 

研究发现Hv1仅容许精子胞核内的质子向胞浆内排出，这个过程并不可逆，并且质子进入胞浆后就诱导细胞内环境碱化，激活精子，使得精子拥有快速游动的能力。

 

科学家们认为，Hv1可能成为研究男性生殖问题的一个新靶位，比如，研制避孕药或是治疗不孕症。

（生物通 小茜）

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延伸阅读

哈佛大学的科学家通过动物试验证实了这一结果，相关成果文章公布在Nature在线版上。

 

研究者发现在那些雌性能够迅速与多个雄性交配的物种中，精子能够彼此钩连在一起——有时甚至多达数百个，从而在这场马拉松赛中胜过对手。研究人员如今利用实验室小鼠证明，这些通力合作的精子能够识别出与自己亲缘关系最近的伙伴，并且更愿意作为一个整体向着卵子推进。

 

与其他精子携起手来以便跑得更快具有重要的意义，但也不是没有风险。这一过程会引发一种化学反应，从而导致精子个体的不育。因此精子只有与来自相同雄性的其他精子进行合作，冒这样的风险才有价值。研究人员之前曾假设，精子仅仅会与最近的邻居连接起来，之所以有这样的关系是因为它们是在同一时间进入生殖道的。然而精子有更好的方法来识别谁是谁吗？

 

美国哈佛大学的博士后Heidi Fisher将高度杂交的鹿鼠（Peromyscus maniculatus）与一夫一妻制的老田鼠（Peromyscus polionotus）的精子进行了比较。她用荧光标注了精子，从而使其能够分辨出每个精子都是来自于哪一个父亲。在没有其他雄性竞争的情况下，装在培养皿中的老田鼠的精子会不加选择地连接在一起。而鹿鼠的精子却会慎重地选择自己的搭档——即便这些精子来自于两个兄弟，它们也只会选择来自相同雄性的精子连接在一起。研究人员报告说，如果将两种实验鼠的精子混合在一起，那么相同来源的精子就会利用其头部的钩状物互相连接起来，协力向前游动，这样一列“精子火车”的速度比单个精子要快约50%，3/4相同来源的精子都会加入这样的队列中。

 

精子之间的互助行为还不止于此，在一列“精子火车”中，会有一些精子提前启动与卵子进行反应的机制，这一行为会加速整个“列车”的速度，但是也会导致前者提前死亡。虽然最终只有一个精子能与卵细胞结合，但如果是同一来源的精子胜出，一些精子的自我牺牲行为便体现了价值。Fisher指出：“无论识别因子是什么，它都是极端易变的，就像指纹一样。”

 

精子合作研究的先驱、英国谢菲尔德大学的生物学家Harry Moore表示，指纹或许具有一种遗传学基础。Fisher表示，下一步的工作将主要是识别与此相关的基因，以及关注精子是采取何种方式来进行彼此间的身份识别。

 

生物通推荐原文检索

Acid Extrusion from Human Spermatozoa Is Mediated by Flagellar Voltage-Gated Proton Channel

Polina V. Lishko1, Inna L. Botchkina1, Andriy Fedorenko1 and Yuriy Kirichok1, , 

 

1 Department of Physiology, University of California, San Francisco, UCSF Mail Code 2140, Genentech Hall, Room N272F, 600 16th Street, San Francisco, CA 94158, USA

 

Summary

Human spermatozoa are quiescent in the male reproductive system and must undergo activation once introduced into the female reproductive tract. This process is known to require alkalinization of sperm cytoplasm, but the mechanism responsible for transmembrane proton extrusion has remained unknown because of the inability to measure membrane conductance in human sperm. Here, by successfully patch clamping human spermatozoa, we show that proton channel Hv1 is their dominant proton conductance. Hv1 is confined to the principal piece of the sperm flagellum, where it is expressed at unusually high density. Robust flagellar Hv1-dependent proton conductance is activated by membrane depolarization, an alkaline extracellular environment, endocannabinoid anandamide, and removal of extracellular zinc, a potent Hv1 blocker. Hv1 allows only outward transport of protons and is therefore dedicated to inducing intracellular alkalinization and activating spermatozoa. The importance of Hv1 for sperm activation makes it an attractive target for controlling male fertility.