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线粒体功能与猪精子活力的关系及胞外ATP的调节作用

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引言

第一章精子活力的调节机制研究现状

1.2精子活力

2.1能量产生途径

2.2精子糖酵解产生ATP的过程

2.3精子氧化磷酸化产生ATP的过程

2.4不同物种精子能量代谢方式

3胞外ATP在精子活力调节中的作用

3.1胞外ATP来源和作用方式

3.2胞外ATP提高精子活力的作用机制

3.3胞外ATP对精子受精过程的影响

4糖原合成激酶在精子活力调节中的作用

4.1糖原合成激酶参与精子活力的调节

4.2胞外ATP对糖原合成激酶活性的调节

5公猪精子能量代谢方式

第二章精子中线粒体的功能和命运

1.1线粒体形态

1.2线粒体膜电位

1.3线粒体和mtDNA含量

2精子中线粒体功能

2.1线粒体参与钙离子(Ca2+)稳态

2.2线粒体可以调控精子凋亡

2.3线粒体可以参与精子获能

3.1母系遗传

3.2受精前精子线粒体丢失

3.3受精后精子线粒体丢失

第三章线粒体DNA含量、线粒体活性和猪精子活力之间的关系

1材料与方法

1.1主要试剂和仪器

1.2主要溶液

1.3精子样品的收集

1.4不同活力精子的分离

1.5精子线粒体含量检测

1.6精子mtDNA拷贝数检测

1.7电镜观察精子线粒体超微结构

1.8精子线粒体膜电位检测

1.9精子线粒体中ROS含量

1.10线粒体呼吸链复合物I活性检测

1.11精子活力检测

1.12免疫印迹检测精子蛋白表达

1.13数据分析以及统计

2结果与分析

2.1不同活力精子中线粒体含量和mtDNA拷贝数

2.2不同活力精子线粒体结构和活性

2.3 OXPHOS在猪精子活力中的作用

2.4不同活力精子中线粒体ROS含量

2.5不同活力精子中OXPHOS相关蛋白水平

2.6不同活力精子自噬水平的比较

3讨论

第四章胞外ATP调节猪精子活力的作用

1材料与方法

1.1主要试剂、溶液和仪器

1.2样品来源和收集

1.3样品处理

1.4精子活力检测

1.5精子凋亡检测

1.6精子总蛋白提取和免疫印迹检测

1.7精子ATP含量和ADP:ATP相对比值

1.8精子线粒体膜电位检测

1.9精子ATP合成酶和线粒体复合物IV活性检测

1.10肌酸激酶和丙酮酸激酶活性检测

1.11乳酸含量和丙酮酸含量检测

1.12乳酸脱氢酶活性检测

1.12数据分析及统计

2结果与分析

2.1胞外ATP对精子活力、凋亡和GSK3a磷酸化的影响

2.2胞外ATP对精子ATP含量的影响

2.3胞外ATP对精子线粒体功能和肌酸激酶活性的影响

2.4胞外ATP对精子丙酮酸激酶、丙酮酸和乳酸的影响

2.5胞外ATP对精子乳酸脱氢酶活性的影响

3讨论

全文总结

参考文献

致谢

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摘要

精子活力是精子完成正常受精的重要条件之一。三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)是维持精子运动所必需的,线粒体是细胞产生ATP的最主要的细胞器。以往研究表明,猪精子主要利用糖酵解产生能量,其线粒体是否参与ATP供能尚不明确。此外,精子所处微环境中存在大量的胞外ATP,而这些ATP与精子活力的关系尚未阐明。本研究以公猪成熟精子为模型,探究精子线粒体DNA含量、线粒体活性和精子活力之间的关系。在此基础上,探究胞外ATP对线粒体功能、胞内ATP生成和精子活力的调节作用。 1线粒体DNA含量、线粒体活性和精子活力的关系 线粒体含有自身的DNA,即线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)。mtDNA编码的13个蛋白是线粒体呼吸链的重要组成部分,参与氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)产生ATP的过程。然而,在人和小鼠中均发现高活力精子mtDNA拷贝数少于低活力精子,公猪精子是否存在类似现象尚不明确。本研究利用不连续密度梯度离心方法分离不同活力精子,探究不同活力精子mtDNA含量、线粒体活性的差异。结果表明,高活力精子中线粒体含量(P<0.01)和mtDNA拷贝数(P<0.05)含量均显著低于低活力精子。运用电镜观察精子线粒体超微结构发现,高活力精子线粒体内嵴结构比低活力精子清晰。此外,还发现高活力精子线粒体膜电位(P<0.01)和线粒体呼吸链复合物Ⅰ活性(P<0.05)均显著高于低活力精子。高活力精子中线粒体活性氧(mitochondrial reactive oxygen species,mROS)(P<0.01)含量显著高于低活力精子。上述结果表明,尽管高活力精子线粒体数量少于低活力精子,但其线粒体活性显著强于低活力精子。当抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ活性和OXPHOS时,精子活力显著降低,表明OXPHOS在猪精子活力中发挥重要作用。高活力精子中mtDNA编码的呼吸链蛋白细胞色素c氧化酶亚基1(cytochrome c oxidase subunit1,COX1)(P<0.01)、线粒体相关转录因子过氧化物酶体增殖活化受体γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator coactivated receptor gamma co-activator1-alpha,PGC-1α)(P<0.01)和线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)(P<0.01)蛋白水平均极显著高于低活力精子,进一步表明高活力精子线粒体生物合成能力强于低活力精子。上述结果有助于理解高活力精子含较少mtDNA却拥有高线粒体活性和精子活力的机制。 2胞外ATP调节精子活力和胞内ATP含量的作用 研究表明,精子、附睾上皮细胞和外泌体均可分泌ATP,胞外ATP与精子活力的关系及其调节机制尚不明确。本试验在体外培养的猪精子中添加ATP3h后,精子活力显著提高(P<0.05),凋亡率显著降低(P<0.01)。此外,还发现ATP处理精子后,糖原合成激酶-3α(glycogen synthase kinase3,GSK3α)磷酸化水平显著提高(P<0.05)。胞外ATP可以极显著提高精子胞内ATP含量(P<0.001),并降低ADP∶ATP(P<0.001)。通过检测胞外ATP对精子线粒体功能的影响,发现胞外ATP可以显著提高精子线粒体膜电位(P<0.01),但对线粒体ATP合成酶和复合物Ⅳ活性无显著影响。此外,腺苷补救关键酶肌酸激酶(creatine Kinase,CK)和丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)在ATP的产生过程中发挥重要作用,然而胞外ATP并不影响CK和PK活性。有趣的是胞外ATP可以显著减少精子中乳酸含量(P<0.01),同时降低了精清和精子中乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)活性(P<0.01),这表明胞外ATP可能是通过影响糖酵解过程来调节精子活力。综上所述,胞外ATP提高精子活力可能与GSK3α磷酸化水平提高有关。胞外ATP促进胞内ATP含量增加并非通过调节线粒体功能和腺苷补救途径,而是通过影响糖酵解途径来实现的。

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