线粒体解偶联对鱼类精子超低温冷冻氧化损伤的保护作用

在物种多样性持续下降的大背景下，鱼类精子低温冷冻能够用来保护水产资源和促进水产养殖技术的发展。目前，这一学科发展到了"瓶颈"阶段：自甘油作为有效抗冻剂的发现，至今绝大多数研究几乎仍然停留在对抗冻剂和冷冻速率的筛选上，低温冷冻技术并没有再次出现具有里程碑式的革新与突破。其中一个主要原因就是缺乏对低温冷冻损伤从精子细胞生物学方面进行内在机制的探索。本项目针对这一研究空白提出"氧化损伤有可能是精子低温冷冻损伤的主要内在原因"的科学假设，以具不同生境、生殖方式和精子抗冻能力的鱼类为材料，通过研究精子冷冻与氧化损伤、线粒体功能和解偶联蛋白表达的相互调控关系来：1）明确氧化损伤是否鱼类精子低温冷冻损伤的主要表现形式；2）阐释氧化损伤调控机制对不同物种精子抗冻性的影响；3）探索可否用线粒体解偶联途径来解救氧化损伤进而提高鱼类精子冻后复活力。研究结果将对鱼类精子低温生物学的理论探索和应用前景产生重要影响。

在物种多样性持续下降的大背景下，鱼类精子低温冷冻能够用来保护水产资源和促进水产养殖技术的发展。目前，这一学科发展到了“瓶颈”阶段：自甘油作为有效抗冻剂的发现，至今绝大多数研究几乎仍然停留在对抗冻剂和冷冻速率的筛选上，低温冷冻技术并没有再次出现具有里程碑式的革新与突破。其中一个主要原因就是缺乏对低温冷冻损伤从精子细胞生物学方面进行内在机制的探索。本项目针对这一研究空白提出“氧化损伤有可能是精子低温冷冻损伤的主要内在原因”的科学假设，以具不同生境、生殖方式和精子抗冻能力的鱼类为材料，比较了这些不同鱼类精子在冷冻前和解冻后精子的质量变化、氧化损伤变化、线粒体功能变化和解偶联蛋白在基因和蛋白表达水平上的变化；研究了ROS水平干预和线粒体解偶联调控对鱼类精子的影响；探索了不同线粒体解偶联途径对低温冷冻导致的氧化损伤的解救效应。研究发现高水平的ROS可导致鱼类精子发生氧化损伤，使脂质过氧化产物显著增加，继而促使鲜精发生凋亡、线粒体膜电位下降、精子活力显著降低及减弱鱼类精子的抗冻性等。外源性添加线粒体解偶联剂2,4-dinitrophenol（DNP）和线粒体特异的抗氧化剂MitoQ以及低温诱导（18°C，24小时）解偶联蛋白UCP2的上调均能提高解冻后的精子质量。其中线粒体解偶联剂DNP和线粒体特异的抗氧化剂MitoQ介导的冷冻损伤的预防主要是通过降低ROS和脂质过氧化来提高冻精解冻后的复活率。虽然低温诱导明显上调解偶联蛋白UCP2，并显著提高了解冻后的精子质量，但UCP2上调却并没有导致ROS的降低，这一研究结果说明短期低温驯化所带来冷冻损伤的解救效应并非由线粒体解偶联所介导。其中可能存在的机制是低温驯化增加了精子耐受低温胁迫的能力从而提高精子解冻后的质量，不过这一推测有待于今后研究的进一步验证。综上所述，本项目的研究结果不仅阐释了氧化损伤在低温冷冻损伤中的重要作用，更重要的是开发了多条创新性的氧化损伤解救途径，大大提高了鱼类精子超低温冷冻保存技术的有效性。