微囊藻毒素引起精子细胞从睾丸生精上皮脱落的分子机制研究

In recent years, increased eutrophication of water causes frequent occurrence of cyanobacteria blooms. Microcystins (MCs) are natural toxins produced by cyanobacteria. Our research group confirmed the toxic effects of MCs to male reproductive system for the first time. Recent research found that MCs exposure induce shedding of spermatids from epithelium of spermatogenic tubules, which may be attributed to be destruction of microfilament skeleton of Sertoli cells, resulting in disruption of apical ectoplasmic specialization (apical ES) between the Sertoli cells and spermatids. In this study, we will carry out following research based on our previous work: ❶ Establishing mice model of MC-LR-induced sperm quality decline to investigate the relationship between disruption of apical ES and sperm quality decline; ❷ Establishing co-culture system of primary Sertoli cells and spermatids, and to explore whether MCs-induced dysfunction of microfilament skeleton of Sertoli cells causes the disruption of apical ES. ❸ Investigating the molecular mechanism of MCs-induced impairment of microfilament skeleton in Sertoli cells. Sperm quality decline is an important clinical feature of male infertility, and this study is of great significance for investigating the environmental trigger of male infertility and improving male reproductive health.

近年来，水体富营养化加剧导致蓝藻水华频繁发生，蓝藻可产生一种天然毒素——微囊藻毒素（Microcystins,MCs）。申请人所在课题组率先发现MCs具有雄性生殖毒性，近期进一步研究发现MCs可引起精子细胞从生精上皮脱落，其作用可能是通过破坏支持细胞微丝骨架，继而造成支持细胞与精子细胞间连接结构——近腔细胞外质特化结构（Apical ectoplasmic specialization,近腔ES）紊乱来实现。本项目拟在前期工作基础上开展以下研究：❶建立MCs引起小鼠精子质量下降的动物模型，确认近腔ES结构破坏与精子质量下降间的关系；❷建立体外支持细胞-精子细胞共培养体系，明确MCs引起支持细胞微丝骨架紊乱致近腔ES结构破坏；❸探明MCs引起支持细胞微丝骨架紊乱的分子机制。精子质量下降是男性不育症的重要临床特征，本研究对于揭示该类疾病的环境诱因，保障男性生殖健康具有重要意义。

目前全球约有20%的育龄夫妇不能正常生育，其中男性因素导致的不孕不育约占50%。大量研究表明，水体环境污染物微囊藻毒素（Microcystins， MCs）对男性生殖系统造成了损伤。我们课题组前期发现MCs可以靶向支持细胞和生精细胞，引起睾丸组织损伤，另外还可以影响睾酮合成，干扰精子发生。本项目在前期工作基础上，开展了以下研究：①明确微囊藻毒素-LR（MC-LR）暴露引起小鼠睾丸精子细胞从生精上皮脱落；②确认MC-LR造成微丝组装紊乱，最终导致近腔ES结构破坏；③探明MC-LR引起支持细胞微丝骨架紊乱的分子机制；④开展流行病学研究夯实微囊藻毒素暴露与男性生殖质量下降的相关性。研究结果表明，小鼠连续饮用含低浓度MC-LR（1、10、20和30 μg/L）的水6个月后，MC-LR可进入小鼠睾丸组织，引起精子细胞从生精上皮脱落，附睾中未成熟生精细胞数量增多。进一步，我们发现MC-LR通过破坏支持细胞中F-actin组装，引起近腔ES结构破坏, 最终导致精子细胞从生精上皮脱落。进一步机制探究发现MC-LR抑制PP2A酶的活性，并且上调CAMKK2和LKB1激酶的表达，激活了AMPK/ULK1自噬信号通路，造成微丝调节蛋白Palladin通过自噬途径发生降解，进而导致Palladin与微丝相关蛋白Arp2、Arp3和Eps8互作减少，造成精子细胞与支持细胞间近腔ES结构破坏，最终导致精子细胞脱落。在此基础上，我们又开展了相关流行病学研究。结果表明，大部分男性精浆中均有MCs检出，平均值为0.16 μg/L，检出率为88.07%。精浆MCs暴露与多种精液质量参数（精子数量、精子活力、性激素与精浆生化物质）显著相关。进一步中介效应研究发现，精浆MCs暴露造成α-中性葡萄糖苷酶和柠檬酸水平降低，进而导致精子活力下降。本项研究为探究男性不育的环境诱因提供了新的视角，同时为蓝藻污染治理提供参考。