cAMP-蛋白激酶A信号通路对精子能量代谢的调节作用及其与弱精症发生机制的关系

cAMP - protein kinase A (PKA) signaling pathway is the key way that regulates sperm functions such as capacitation, heperactivation and acrosome reaction. However, there is little known about the relationship between the signaling pathway and energy production. Our preliminary study had demonstrated that PKA pathway played a critical role in sperm energy production. In this study, we try to explore the mechanism of the regulation of cAMP-PKA pathway on sperm energy production. Our hypothesis is that the pathway may work through (1) regulating the activities of glycolytic enzymes by PKA or (2) changing glucose uptake and metabolism by phosphatidylinositol 3-kinases (PI3K). We will test the hypothesis by molecular biological and biochemical studies, and then investigate whether the abnormality of cAMP-PKA pathway will result in asthenospermia.

cAMP-蛋白激酶A（Protein kinase A, PKA）信号通路是精子获能等生理事件的重要调控手段，但其对精子能量的作用尚未引起足够重视。我们预实验发现该通路对能量代谢有重要调控功能，但其作用机制仍需进一步探讨。我们提出cAMP-PKA通路通过控制精子糖酵解途径而调节精子能量代谢，其机制可能涉及（1）PKA对糖酵解酶活性的调节以及（2）下游信号的磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K）对葡萄糖摄取和代谢调控。为验证该假说，本研究将从分子和细胞水平地探讨cAMP-PKA对精子能量代谢调节功能和作用机制及其在精子运动和超活化过程的作用，并阐明该通路失调导致的精子能量障碍在弱精症发生机制中的作用。本研究将揭示精子能量调控新图景，有望为弱精症的防治提供新思路。

弱精症是造成男性不育的常见疾病，主要表现为精子运动力减弱，ATP显著低于正常水平。然而，弱精症患者精子能量代谢低下的发生机制目前仍不明确。尽管氧化磷酸化产能效率远高于糖酵解，目前认为糖酵解在精子能量系统起主导作用。精子的遗传物质呈高度致密状态，遗传信息的转录和翻译水平远低于一般体细胞。因此，精子生理过程的调节很大程度上依赖于蛋白质修饰，其中，蛋白酪氨酸磷酸化（Protein tyrosine phosphorylation, P-Tyr）在精子功能调节中有重要作用。然而，精子能量代谢与蛋白激酶A（Protein Kinase A, PKA）-蛋白磷酸化之间的关系有待阐明。因此，本项目围绕精子在获能条件下糖酵解与PKA-蛋白酪氨酸磷酸化的关系开展一系列分子生物学和分子流行病学研究，取得如下发现：（1）获能条件下发生的渐进性蛋白酪氨酸磷酸化和PI3K 85位点酪氨酸磷酸化为糖酵解依赖。在不含葡萄糖培养液中或加入糖酵解抑制剂可抑制磷酸化，而在不含丙酮酸盐和乳酸盐的培养液中磷酸化不受影响，表明精子PKA-蛋白酪氨酸磷酸化通路和PI3K 85位点酪氨酸磷酸化为糖酵解依赖。（2）抑制糖酵解对精子PKA活性无明显影响，PKA激活剂并不能缓解蛋白酪氨酸磷酸化和PI3K 85位点磷酸化的抑制程度，表明阻断糖酵解可能影响PKA下游。（3）阻断糖酵解不仅抑制精子运动水平，还可通过抑制蛋白酪氨酸磷酸化和PI3K 85位点磷酸化而影响精子顶体反应和获能，从而影响受精。我们在大鼠、小鼠和人精子体外研究中分别证实了上述发现。（4）本研究招募了526名男性志愿者，通过检测精液质量和尿液三氯生水平，发现三氯生浓度提高可降低人向前运动精子数量，表明在较低接触水平下环境化学物可能影响精子能量代谢。本研究表明，精子糖酵解不仅为精子运动提供能量，而且对精子获能和顶体反应等功能非常关键，其中间环节是PKA-蛋白酪氨酸磷酸化通路及PI3K 85位点磷酸化。本研究为揭示男性不育形成机制和诊疗方法提供了新的思路。