高溫導致男性不育的研究進展

曹德宏 關慧元 李金澤 沈寅知 陳 波 陳澤煜 楊 璐 魏 強

1.四川大學華西醫(yī)院泌尿外科/泌尿外科研究所；2.四川大學華西臨床醫(yī)學院（四川 成都 610000）

男性不育（male infertility，MI）是指由男方問題引起的，性生活正常且未進行避孕措施長達一年及以上的女方不孕。研究表明，近年來男性精液質量和濃度均呈下降趨勢，且由于精液質量變差、精液濃度降低，其導致的MI發(fā)病率不斷升高。據報道，約有17%的男性精液濃度低，25%的男性精子活動率少于40%，43%的男性正常形態(tài)精子少于4%[3]。有關調查顯示，MI的發(fā)生與睪丸溫度升高具有密切的關系[4]，本文就睪丸溫度升高（36.5℃-37.6℃）導致MI的機制作一綜述。

一、睪丸溫度升高與男性不育

睪丸溫度升高對于男性生育功能有極其重大的影響，一項最新的動物研究表明，對精子發(fā)生過程中的公牛進行熱應激處理后，精細胞死亡增多，采用其精子進行人工授精后第7、8日的囊胚總數下降[5]。同樣，在另一項動物研究中，研究人員以公羊的陰囊表面溫度為變量，進行對照試驗。結果表明，陰囊溫度較高的實驗組公羊，它們的精子在膜完整性、精子運動能力、DNA完整性等方面均受到負面影響[6]。Al-Otaibi等[7]在排除吸煙、年齡、種族及其他因素的影響后，發(fā)現(xiàn)長期工作在面包店烘培房的工作人員的MI發(fā)病率為正常人群的七倍（實驗組22.7%vs對照組3.0%）。MI不僅在烘培師這一職業(yè)高發(fā)，在廚師、焊工、窯工等職業(yè)群體中也有較高的發(fā)病率[8]。這些職業(yè)的共同點在于他們都長期暴露在高溫環(huán)境中，相應的，他們的睪丸溫度也有一定升高。以上結果均證明睪丸溫度升高可能導致MI的發(fā)生。

二、睪丸溫度升高與精子DNA

多項研究結果顯示，睪丸溫度升高導致MI主要是通過對精子內DNA的影響致使精子質量下降。其損害精子DNA有多種方式，根據目前研究總結，主要與以下幾種因素相關：氧化應激加速、DNA雙鏈結構受損和轉座子的激活。

（一）睪丸溫度升高對氧化應激加速的影響

氧化應激是由于體內產生自由基導致的，身體細胞氧化和抗氧化失衡且傾向于氧化的一種狀態(tài)。短時間的睪丸溫度升高即可引起精母細胞的氧化應激反應加速。一方面，氧化應激反應可導致精子磷脂和脂肪酸快速氧化分解，影響精子活性[9]。研究表明精子膜脂質過氧化會導致高粘度精液發(fā)生，而高粘度精液是精子功能不足，導致MI的因素之一[10]。另一方面，氧化應激加速也可能會導致精子的DNA、RNA以及端粒受到損害，導致基因組的改變[11]。患有不育癥的男性其精子細胞內超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性顯著降低（P＜0.001）[12]。抗氧化能力有限，使得其應對氧化應激反應的能力十分脆弱，而精子DNA損傷的檢測和修復能力有限，使得睪丸高溫所引起的精子DNA受損處于不可逆的狀態(tài)，造成精子功能下降[13,14]，從而使男性精液質量下降，導致MI的發(fā)生。

（二）睪丸溫度升高對DNA雙鏈結構的影響

DNA保持穩(wěn)定性的一大關鍵是其雙螺旋結構的穩(wěn)定性。相關研究表明，溫度升高在一定程度上會損傷DNA的雙螺旋結構[15]。在排除外力干擾下，僅就溫度變化（24℃-42℃）對DNA的扭曲程度進行試驗，結果顯示，即使是在遠低于DNA解旋溫度的條件下，溫度的升高也會導致DNA雙螺旋的扭曲程度變化ΔTw（T）=(-11.0±1.2)°/(°C·kbp)[16]，增高基因突變及DNA損傷的概率。

Kundu等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度從27℃逐漸升高的過程中，核苷酸低聚物的穩(wěn)定性逐漸下降，在67℃以及更高溫度（盡管日常生活不可能有如此高溫）時，低聚物的結構構象發(fā)生了明顯改變，提示高溫對DNA結構本身會產生破壞，進而影響雙鏈結構的穩(wěn)定性。

（三）睪丸溫度升高與轉座子

1.轉座子對DNA產生影響的方式

轉座子，又稱跳躍基因，是一段可以從原位置上單獨復制并插入到DNA序列上任意位置的DNA片段，可導致其后的DNA序列發(fā)生極大變化，是導致DNA高度突變的重要因素[18]。一項使用精子染色質結構分析的研究表明，染色質結構的變化會影響DNA的完整性，轉座子影響了染色質的結構，進而影響了DNA的完整性[19]。轉座子對DNA的影響包括：①DNA雙鏈異常斷裂：在精子產生過程中，一定限度內的DNA雙鏈斷裂有利于減數分裂過程，且有可能對某些錯誤的DNA序列進行修復[20,21]。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，轉座子的大量表達及插入DNA會導致DNA雙鏈斷裂，且斷裂無法修復[22]。②染色體重新排列與基因序列改變：根據轉座子插入位點的不同，轉座子大小的不同，轉座子插入方向的不同，其引發(fā)的染色體結構改變以及基因結構的改變是無窮無盡的[23]。③影響基因表達：基因序列的改變使得許多正常的蛋白質不能被翻譯，因此會導致形成各種失去活性或功能異常的蛋白質[24]。

2.睪丸溫度升高使轉座子激活

在精子發(fā)生過程中，精母細胞在升溫條件下（溫度升高約2℃，36.5℃-37.6℃），其轉座子基因就會被喚醒，插入精子的DNA序列中，從而引起大量基因序列改變，最終導致精子DNA雙鏈斷裂，無法產生后代[22]。在相關研究中，對秀麗隱桿線蟲精母細胞進行短時間（2分鐘）升溫，DNA雙鏈的斷裂率為正常條件下的25倍，且該DNA雙鏈斷裂不是在核酸內切酶催化作用下完成的。同時有研究表明，轉座子更容易插入某些特定序列和區(qū)域的DNA。研究者對果蠅轉座子插入位點進行了上千次的實驗，實驗結果表明轉座子更容易插入易于接近的染色體位點，并且在DNA 5’端更易于整合[25,26]。激活的轉座子基因對精子DNA的破壞是導致MI的重要因素。

三、睪丸溫度升高與精子形態(tài)

精子與卵子結合形成受精卵的過程中，精子需要經過子宮頸、子宮并最終到達輸卵管，因此精子活力的下降是導致MI的重要因素。精子活力的下降與精子形態(tài)的改變有較大關系[27]。正常狀態(tài)下，精子的發(fā)生溫度低于人體正常體溫2℃-6℃[28]，睪丸的溫度升高可分為兩類：第一類為保持在人體體溫以下時的溫和升高，第二類為睪丸升溫超過人體體溫時的劇烈升高。

在睪丸溫度溫和升高時，溫度即可對精子形態(tài)造成巨大的影響。Abdelhamid等[29]使用特質的內衣使五名健康志愿者的睪丸和附睪溫度升高（1.5℃-2℃）并持續(xù)120天，每日檢測其精子活力，他們發(fā)現(xiàn)在實驗的第34天時，形態(tài)異常的精子占比顯著增加，且異常精子持續(xù)存在至實驗結束后的第73天。目前，還需要進一步的研究，以更好的闡釋睪丸溫度升高影響精子形態(tài)的具體機制。

四、睪丸溫度升高與生物活性因子

雄激素可以對精子發(fā)生具有重要的影響，其發(fā)揮作用需要與雄激素受體（androgen receptor，AR）結合，現(xiàn)有研究表明，雄激素的減少會加劇生殖細胞的凋亡。Shen等[30]以公豬為模型動物的研究中，對其中一實驗組進行為期42天的高溫環(huán)境飼養(yǎng)（37℃-40℃），另一實驗組進行42℃的局部睪丸加熱，實驗結果表明，與對照組相比，實驗組睪丸支持細胞內熱休克蛋白70及AR水平均有明顯下降。睪丸高溫通過影響AR（雄激素受體）的表達導致大量生殖細胞凋亡，進而影響精子的發(fā)生。

Zhang等[31]對30名健康男性志愿者進行了持續(xù)3月，每周2天、每次40分鐘的睪丸高溫暴露（40℃-43℃）的研究，他們發(fā)現(xiàn)在實驗過程中實驗組體內的精氨酸左旋肉堿（Arginine L-carnitine，LC）及表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)含量顯著降低，在實驗結束3月后，LC與EGF含量相較于對照組仍較低。

五、總結與展望

睪丸溫度升高可從多個方面影響精子質量及精子活力，從而導致MI發(fā)生。目前，睪丸溫度升高已被認為是MI的危險因素之一，但具體的發(fā)生機制尚未完全闡明，仍需進一步的探索。相信隨著對溫度升高導致MI機制的研究和探討，MI的發(fā)病率將會有所下降，其治療方法也會更加多樣、高效。而抑制轉座子基因的復制及插入，修復生精細胞中受損的DNA可能成為未來治療MI的新方法。

關鍵詞：不育；男性；高溫；轉座子；DNA

doi:10.3969/j.issn.1008-0848.2021.05.018

中圖分類號 R698.2;R446.144:R349.39