郝旭 程佳 | 乳酸代谢与雄性生殖
文摘
2024-09-29 11:02
上海
乳酸作为糖酵解的产物，在细胞信号转导、免疫调节以及肿瘤发生过程中发挥重要作用，特别是其对遗传表达的调控功能引起了广泛关注。尽管乳酸在雄性生殖方面的研究相对较少，但已有的研究显示，乳酸能够为精子生成供应能量，也能维持体外成熟精子的生理状态。本文通过综述乳酸的生成、转运和生物功能，总结乳酸在睾丸支持细胞与成熟精子中的研究，探讨乳酸代谢在雄性生殖中发挥的作用，为乳酸在雄性生殖方面的研究提供思路。1 乳酸的生成与转运
乳酸(lactate，分子式为C3H6O3)存在L-乳酸和D-乳酸两种旋光异构体，两者虽然具有相同的分子式和结构，但在空间构型上存在镜像差异。这种差异导致L-乳酸和D-乳酸在生物体内的作用和代谢途径有所不同。生物体中乳酸的主要形式是L-乳酸，通过糖酵解产生；D-乳酸主要由肠道细菌代谢产生，仅有L-乳酸浓度的1%~5%[1]。但人体对D-乳酸的处理能力有限，在短肠综合征等病理条件下D-乳酸含量可能会增加，导致其在血液中积累，进而引发乳酸酸中毒和神经系统疾病[2]。机体中的L-乳酸主要通过糖酵解途径产生，进入细胞的葡萄糖经过一系列酶促反应最终转化成丙酮酸(pyruvate)。正常体细胞在缺氧条件下，丙酮酸会由乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH)催化转化为乳酸。而在肿瘤细胞中，存在另一种独特现象——即使在有氧条件下，肿瘤细胞也倾向于将丙酮酸转化为乳酸[3]，这种现象称为“瓦伯格效应”(Warburg effect)。有趣的是，睾丸支持细胞也会通过维持较高的糖酵解水平生成乳酸，为精原干细胞的发育提供能量底物，也为精子生成提供适宜的微环境[4]。细胞中催化乳酸生成的LDH是由不同基因编码的一组酶，主要包括LDHA、LDHB和LDHC三种同工酶，它们的表达和功能具有明显的组织特异性。LDHA主要在骨骼肌、肿瘤组织等无氧代谢较为活跃的组织中表达，其主要功能是在缺氧条件下促进丙酮酸转化为乳酸；LDHB主要在心肌等进行有氧代谢的组织中表达，LDHB更倾向于促进乳酸向丙酮酸的转化，有助于维持有氧条件下的能量代谢；LDHC则主要在睾丸和精子细胞中表达，与生殖过程中的特定代谢需求息息相关[5,6]。在LDH的催化过程中，伴随着NADH向NAD+的氧化还原反应，从而维持细胞和组织中NADH/NAD+的比例，这对细胞的能量代谢至关重要[7]。当乳酸在细胞内积累过多会引起酸中毒，导致细胞内NADH/NAD+比例升高[8]，从而损伤细胞。为了避免乳酸积累造成的细胞损伤，单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporters，MCTs)能参与调节细胞内乳酸的浓度。MCTs是一类跨膜蛋白，主要负责乳酸和丙酮酸等单羧酸的细胞间转运。目前，已知MCTs家族成员有14种，其中MCT1和MCT4是主要的乳酸转运蛋白。在肝细胞和心肌细胞中，MCT1负责将乳酸转入细胞进行代谢；在缺氧条件下，细胞内糖酵解增强，乳酸积累，MCT1和MCT4负责将乳酸转运到细胞外，防止细胞内乳酸堆积而导致过度酸化，以稳定细胞内pH值[9]。已有研究证实，MCTs在支持细胞或成熟精子中均有表达[10-12]。2 乳酸的生物功能
在早期研究中，乳酸被认为是糖酵解的副产物，是导致肌肉疲劳和酸中毒的主要原因。随着研究的深入，乳酸穿梭(lactate shuttle)理论转变了以往对乳酸的认识。乳酸穿梭主要描述了乳酸在生物体中作为氧化底物、糖异生前体和信号分子的跨膜迁移过程[13]。乳酸穿梭理论由Brooks[14]提出，阐述了乳酸穿梭的两种主要形式：细胞间乳酸穿梭和细胞内乳酸穿梭。细胞间乳酸穿梭主要发生在依赖糖酵解的细胞和进行氧化呼吸的细胞之间，包括酵解型肌纤维和氧化型肌纤维、骨骼肌和心肌、星形胶质细胞和神经元[15]。细胞内乳酸穿梭主要发生在细胞膜和线粒体之间。细胞内乳酸的转运涉及多种机制，其中由乳酸/H+共转运蛋白介导的乳酸穿梭负责L-乳酸或D-乳酸的跨膜转运，MCTs是目前已知参与L-乳酸转运的主要蛋白质[9]。尽管D-乳酸的H+共转运机制与L-乳酸相似，但目前尚未明确介导D-乳酸转运的蛋白质。除了H+共转运机制外，D-乳酸的细胞内转运还涉及D-乳酸/丙酮酸反向转运蛋白和D-乳酸/苹果酸反向转运蛋白。前者将D-乳酸从细胞质转运到线粒体膜，并将丙酮酸从线粒体膜转运到细胞质中；后者可能定位于线粒体内膜，负责将线粒体D-LDH催化氧化后的D-丙酮酸转运到线粒体内部，同时将苹果酸从线粒体内部转运到细胞质[16]。综合有关乳酸穿梭的理论和研究结果不难发现，乳酸穿梭的共同特性是乳酸通过MCT转运至线粒体，经由LDH转化为丙酮酸后参与供能的过程。精子作为依赖糖酵解和氧化磷酸化供能的细胞，乳酸穿梭在精子发生和活动中可能发挥重要的作用。有研究发现，睾丸支持细胞通过糖酵解产生的乳酸，可通过MCTs转运到睾丸微环境中，随后由生精细胞吸收(图1A)，为精子的生成提供能量[17]。小鼠精子的研究发现，MCT1定位于精子尾部中段，MCT2定位于尾部主段，并且具有转运活性[12]。在人精子线粒体基质中存在LDH，能将线粒体基质中的乳酸转化为丙酮酸并进一步氧化，为精子供能[18]。这些研究揭示了精子细胞中可能存在乳酸穿梭机制。通过该机制，乳酸参与调节精子能量代谢，并维持精子的产生和功能(图1B)。物学领域。因此，阐明乳酸在雄性生殖中的具体机制仍是一项任重而道远的工作。A：支持细胞中的乳酸穿梭；B：成熟精子中的乳酸穿梭乳酸穿梭揭示了乳酸在能量代谢和信号传递中的复杂作用，为探索乳酸在生理和病理过程中的角色提供了新的视角，也为乳酸化修饰的发现奠定了基础。蛋白质乳酸化修饰(lactylation)是Zhang等[19]在2019年证实，通过对人类乳腺癌细胞系MCF-7进行高性能液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)分析发现的组蛋白赖氨酸残基上存在的新型修饰。随后的研究发现，乳酸化的发生分为酶催化和非酶催化两种方式。其中，酶催化的乳酸化过程是由L-乳酸转化为L-乳酰CoA，在组蛋白乙酰转移酶p300和CBP特定催化酶的作用下，乳酰基团转移到组蛋白的赖氨酸或精氨酸残基上，实现对组蛋白的乳酸化修饰[19]。而非酶催化的乳酸化是在丙酮醛(methylglyoxal，MGO)与谷胱甘肽(glutathione，GSH)在乙二醛酶1(glyoxalase 1，GLO1)的作用下生成乳酰谷胱甘肽(lactoylg-lutathione，LGSH)，其乳酰基团随后直接转移到蛋白质赖氨酸残基上完成的修饰过程[20]。有研究表明，细胞内乳酸水平的增加会导致赖氨酸乳酸化增加[21]。乳酸化修饰作为一种重要的蛋白质翻译后修饰，在不同物种间、进化过程以及发挥功能方面表现出一定的保守性[22]，且广泛存在于细胞的组蛋白和非组蛋白上。组蛋白乳酸化修饰主要通过改变染色质的结构来调控基因表达，与肿瘤、炎症、神经、呼吸等多个生理系统相关[23]。已验证功能的位点有H3K18la、H3K23la和H4K12la[24]。H3K18la在生理和病理状态下表现出功能多样性，如在肿瘤发生[25]、巨噬细胞转变[26]、加速细胞衰老[27]、子宫内膜敏感性、胚胎发育潜力[28]中均发挥作用。H3K23la则主要与胚胎发育潜力相关[28]。H4K12la在调控神经胶质细胞的糖酵解中发挥作用[29]。此外，非组蛋白乳酸化可以通过影响蛋白质表达[30]、代谢途径[20]、蛋白质定位[31]等方面，从而参与细胞生长、分化、代谢以及应答外界信号等一系列生物学过程。正如前文所说，支持细胞能够产生乳酸为生精细胞提供能量，那么，乳酸是否也能影响生殖细胞内蛋白质的乳酸化修饰水平，从而调控精子发生? 乳酸化修饰是否会调控精子能量代谢途径从而影响精子运动性能? 这些问题仍有待进一步研究。3 乳酸对雄性生殖的影响
睾丸内的曲细精管作为精子的生产场所，由生精细胞和支持细胞构成，包含了从精原细胞到成熟精子各个阶段的细胞。乳酸不仅在精子的生成过程中发挥关键的供能作用，也是成熟精子能量代谢的重要底物。3.1 乳酸对精子生成的影响
一项对支持细胞的研究发现，高脂饮食导致支持细胞内乳酸水平上升，高水平的乳酸下调了细胞对葡萄糖和游离脂肪酸的利用，破坏了细胞的能量和物质平衡，进而影响精子的正常成熟和质量[32]。对LDH的研究发现，LDHA和LDHC主要在生殖细胞内调节乳酸和丙酮酸间的相互转化，其表达直接影响乳酸的产生和利用，进而影响精子的生成过程。Zhang等[33]通过对小鼠特异敲除LDHA，发现敲除小鼠支持细胞的乳酸产量显著下降，同时小鼠睾丸重量和生育能力显著下降；尽管精原细胞和精母细胞没有受到LDHA敲除的影响，但精子的形态出现异常，精子质膜和线粒体膜发生破碎和肿胀，精子的运动能力也大幅下降。另一项敲除LDHC的研究发现，LDHC缺失的雄性小鼠出现了严重的不育现象，而雌性小鼠的生育能力未受明显影响。LDHC缺失的雄鼠精子形态和产量正常，但精子无法有效穿透卵子的透明带，受精率下降[34]。因此，LDHA和LDHC的缺失不仅改变了支持细胞内的乳酸水平，还能导致精子形态异常、运动能力下降，甚至出现不育现象。此外，人睾丸组织体外培养研究发现，乳酸呈剂量依赖性地抑制精原细胞的凋亡。在乳酸存在的情况下，促凋亡Fas受体的激活不会诱导细胞凋亡，表明乳酸发生可以在Fas受体激活细胞凋亡途径的下游发挥抗凋亡的作用[35]。这些研究揭示了内源性乳酸在精子生成中的重要价值。外源性乳酸对精子生成的研究发现，乳酸添加能显著缓解单侧隐睾大鼠睾丸内的精子快速丧失[36]。上述研究表明，无论是内源性还是外源性乳酸，都对精子的生成有重要影响，乳酸不仅是重要的能量来源，也可能通过调节细胞内环境和信号通路，参与更广泛的生物学调控过程。尽管外源性乳酸补充不能完全逆转隐睾引起的精子生成损害，但它提供了一种可能的干预手段，为未来的研究和治疗策略开辟了新方向。3.2 乳酸对成熟精子的影响
乳酸在成熟精子体外保存过程中的作用也十分关键。不同哺乳动物精液成分分析显示，乳酸的浓度范围通常在2.2~5.6 mmol/L之间[37]。在小鼠精子体外受精实验中，以不同浓度乳酸(0、5、10、20 mmol/L)处理精子后发现，乳酸以剂量依赖性的方式抑制精子的获能。在获能过程中降低乳酸浓度，在1.5 h内可显著增加透明带穿透率；而5 mmol/L乳酸处理的精子在3 h获能率最高，表明乳酸延迟了体外精子的获能过程[38]。与丙酮酸和葡萄糖孵育的马精子相比，10 mmol/L乳酸孵育4 h后大约50%的马精子发生了顶体反应，而乳酸在促进顶体反应的同时，也导致精子运动能力下降[39]。正常的生理条件下，小鼠和马输卵管液中乳酸浓度分别为5 mmol/L和50 mmol/L[40,41]，因此过高的乳酸浓度会抑制精子的获能，过低的乳酸浓度则会导致精子运动能力下降，只有适宜的乳酸浓度才是精子获能和受精的必要条件。对鸟类精子储存小管(sperm storage tubules，SSTs)的研究发现，低氧和高乳酸浓度共同作用抑制了精子鞭毛活动。乳酸通过降低胞质pH值(pH<6.0)使鞭毛驱动蛋白ATP酶失活，导致精子进入静止状态[42]。这些研究结果揭示了乳酸不仅为精子成熟提供了适宜的储存环境，还参与调节精子的生理功能。鉴于成熟精子几乎不进行生物合成反应，代谢是为其活动提供能量的重要途径，因此乳酸对体外精子代谢调控的作用不可忽视。乳酸作为精子糖酵解的关键代谢物，不仅为糖酵解过程生成必需的NAD+，还可以在线粒体内继续代谢。在牛精子中，内源性底物的代谢速率与添加的外源性底物(如葡萄糖、乳酸或β-羟基丁酸)无关，说明哺乳动物精子能够有效地利用内源性底物维持其运动能力，而不完全依赖外源性能源供应[37]。对猪精子的研究发现，在稀释液中添加10 mmol/L的乳酸后，猪精子的ATP显著增加，细胞外环境CO2水平升高，说明在某些条件下，外源性底物的添加可以通过特定的代谢途径显著影响精子的能量代谢和运动能力[43]。精子能够通过不同的代谢途径来适应能源供应的变化，因此能有效利用乳酸优化体外精子的供能途径，从而维持体外精子运动性。综上所述，乳酸在从精子生成到受精的整个过程中，都发挥了不可忽视的作用，它可以通过影响精子的代谢途径参与调控精子的生理功能。蛋白质翻译后修饰(protein post-translational modifications，PTMs)作为一种调控方式，在雄性生殖领域的研究中显示出不可或缺的作用。衣康酸修饰[44]、乙酰化[45]、磷酸化[46]等在调控精子功能和代谢过程中都发挥着重要作用。以其他类型的PTMs在精子发生、成熟以及功能方面的参考，不难推测出乳酸化修饰在雄性生殖研究中的重要价值。4 结语
自发现乳酸以来，其研究内容覆盖了从神经生理、运动生理到肿瘤学等多个领域，并在细胞代谢、信号转导、免疫调节、基因表达调控等多个层面发挥作用。从众多的研究中可以发现，乳酸对于雄性生殖同样具有重要意义。由于成熟精子缺乏新蛋白质的生物合成，蛋白质的翻译后修饰在调节其生理过程中显得尤为重要。而相较于其他类型的PTMs，乳酸化修饰的探索尚处于起步阶段，特别是在雄性生殖生物学领域。因此，阐明乳酸在雄性生殖中的具体机制仍是一项任重而道远的工作。
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