细菌内毒素干扰TFAM线粒体定位诱发猪精子氧化损伤的分子机制

There are many different factors that can influence boar sperm quality. Gram negative bacterial endotoxin (LPS) could lead to alteration semen parameters, induction of apoptosis in spermatozoa, and decrease of reproductive performance of pigs. LPS attenuate oxidative stress and apoptosis is associated with alterations in mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS). However, the exact mechanism of this process is not well studied. Localization of the Mitochondrial Transcription Factor A (TFAM) to mitochondria and binds to mitochondrial DNA (mtDNA) was the key step of mitochondrial OXPHOS. Thus, we hypothesized that LPS induces abnormal activation of OXPHOS and sperm oxidative damage by regulating mitochondrial localization of TFAM. In this project, we will develop a boar sperm culture model to detect the regulation of LPS on mitochondrial translocation and ubiquitination of TFAM. Furthermore, the effects of TFAM on mtDNA transcription, OXPHOS, oxidative damage and sperm apoptosis will be studied. Finally, choose physiological regulators which work to alleviate LPS-induced oxidative stress in boar sperm. The outcome of this project will provide new insights on the molecular mechanisms underlying the LPS-induced sperm apoptosis and also offer possible solutions for improve the quality of boar sperm.

猪精液品质受多种因素影响，其中细菌感染产生的细菌内毒素（LPS）可引起精子凋亡，导致繁殖效率下降。LPS调节线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）诱发线粒体氧化损伤和细胞凋亡，但确切机制尚未阐明。资料表明，线粒体转录因子A（TFAM）定位于线粒体并调节线粒体DNA（mtDNA）转录是OXPHOS发生的关键步骤。由此推测LPS通过干扰TFAM线粒体定位，导致OXPHOS异常活化，诱发猪精子氧化损伤和凋亡。基于该假说，本课题将测定精液中LPS浓度并建立猪精子培养模型，从TFAM线粒体转位及泛素化修饰双重角度入手，阐明LPS调控TFAM线粒体定位的分子机制；检测TFAM调节猪精子mtDNA转录、OXPHOS、氧化损伤和凋亡的过程；针对关键靶点筛选有效缓解LPS诱发精子氧化损伤的调节剂并验证其功能。研究结果有助于揭示LPS诱发猪精子凋亡的细胞和分子机制，为提高猪精子质量、提升繁殖效率提供解决方案。

猪精液品质受多种因素影响，其中细菌感染产生的细菌内毒素（LPS）可引起精子凋亡，导致繁殖效率下降。LPS调节线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）诱发线粒体氧化损伤和细胞凋亡，但确切机制尚未阐明。资料表明，线粒体转录因子A（TFAM）定位于线粒体并调节线粒体DNA（mtDNA）转录是OXPHOS发生的关键步骤。由此推测LPS可能通过干扰TFAM线粒体定位，导致OXPHOS异常活化，诱发猪精子氧化损伤和凋亡。本课题围绕猪精子线粒体功能及LPS调节线粒体功能的机制开展研究，主要结果如下：1.高活力精子中线粒体含量和mtDNA拷贝数均少于低活力精子，抑制线粒体活性导致精子活力降低。高活力精子的线粒体结构清晰，且线粒体膜电位和活性均较强。高活力精子中mtDNA表达水平和相关的转录因子丰度均高于低活力精子，这可能是导致高活力精子线粒体功能强的关键原因；2. 猪精液中存在LPS，猪精子表达其受体TLR4，LPS可诱导TFAM从胞浆转位线粒体，导致线粒体氧化磷酸化异常激活，积累大量mROS，使得线粒体氧化损伤，最终导致线粒体脂质过氧化和精子活力下降；3. GSK3α是应激降低猪精子活力的关键分子，应激状态下，GSK3α活化从而抑制胞浆蛋白向线粒体的转运过程，阻碍线粒体功能，导致ATP的合成减少，精子活力下降；4.胞外ATP具有促进精子胞内ATP含量增加和提高精子活力的作用，ATP可诱导GSK3α磷酸化从而降低其活性，改变精子线粒体的重塑过程，进而提高精子活力。研究结果有助于揭示LPS诱发猪精子凋亡的细胞和分子机制，为提高猪精子质量、提升繁殖效率提供解决方案。在项目的资助下，共发表论文7篇，其中SCI论文6篇。此外，基于本项目的工作基础，申请到一项面上项目资助。