SLO家族在中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）精子发生过程中的表达及功能
发布时间：2021-01-14 21:40
精子是在睾丸曲细精管内完成,属于非常复杂的细胞分裂分化过程,为了使这一过程有条不紊的完成,需要曲细精管的内外信号、膜蛋白等对这一发生过程进行严格有序的调控。目前认为精子形成可能与生殖细胞电位的改变密切相关。精子为了获得受精能力需要完成以下几个步骤:附睾成熟、精子获能、超活化、趋向性,最后是精子的顶体反应。这些生理过程与细胞内外离子浓度变化有关。离子通道在精子形成过程中可以调节其内外的渗透压平衡,可以通过改变膜电位的变化推进精子的各种生理过程;受精过程中,精子外部环境会有很大的改变,离子通道就起了至关重要的作用,因此离子通道蛋白的表达、以及其功能的改变都会影响有性生殖物种雄性配子的发育以及受精能力。中华绒螯蟹（学名:Eriocheir sinensis）的生活史比较复杂,其受精过程有别于其它物种,其个体的生活环境与其它物种也有很大的不同。中华绒螯蟹有一个非常重要的生理现象,即生殖洄游。淡水的离子浓度与海水的离子浓度有很大的不同,因此中华绒螯蟹在生殖迁移过程中经历了很强的离子浓度的变化。由此可见,离子浓度变化对中华绒螯蟹生殖发育起着不可或缺的作用。钾通道为目前为止种类和亚型最多的离子通道。...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
小鼠生殖细胞的分化过程(图引自[3])
为了获得受精能力,精子需要在睾丸内发育成熟后再进行两个步骤,一个发生在雄性附睾,称为附睾成熟,另一个发生在射精后,称为获能。在20世纪50年代,Chang(1951)和Austin(1952)[14]首次独立地观察到精子的获能。他们的观察对体外受精技术的未来发展至关重要,首先是在兔子中,后来在人类研究出的第一个试管婴儿—Louise Brown也发现了精子获能现象。在细胞生物学水平上,获能可以诱导精子运动模式的改变,即精子的超活化运动,这为精子经历顶体反应的胞吐过程做了准备。在分子水平上,获能与精子质膜胆固醇损失、膜流动性增加、细胞内离子浓度变化有关[15](图1-2)。尽管这些事件中的每一个都是独立研究的,但是关于它们如何相互联系以调节精子的获能、精子的超极化和精子顶体反应的信息仍然不是很清楚。精子获能后会离开酸性环境(pH 5)的雌性生殖道,进入输卵管内的壶腹部与卵子结合。从子宫与输卵管交界处开始,内部的pH值将显著升高到pH 8左右[17]。这种细胞外pH的变化被认为是促进精子细胞内碱化的原因[18]。在体外实验中,尽管细胞外pH值保持不变,在支持获能的条件下培养的精子中也观察到细胞内的pHi(intracellular pH,pHi)值的增加。在这种情况下,细胞内碱化表明精子存在调节pHi的活跃机制。据报道在精子中有三个主要的分子系统控制着它们的pHi值。首先,直接电生理记录确定了电压门控通道Hv1[19],该通道位于人类精子的鞭毛部分,主要是通过调节pH敏感通道(精子特异性钙通道、SLO3)进而对Ca2+稳态有直接的影响,这些通道也位于鞭毛的主要部分。Hv1是一种H+转运体,通过电压门控机制促进质子在膜上的转运[20],对精浆中含量丰富的离子Zn2+高度敏感[21]。据推测这种高浓度的Zn2+可以维持Hv1的闭合过程,直到精液在雌性生殖道中被稀释,从而使其被未知的机制激活[22]。与人类精子相比,Hv1在小鼠精子中没有发现。因此在小鼠中提出了pHi碱化的第二种可能机制。特别是,缺乏精子特异性Na+/H+交换器(Na+/H+exchanger,sNHE)的小鼠是不育的[23],它们的精子无法在体外受精。精子在离开附睾时,HCO3-的浓度会显著增加外,精子还会在精液和雌性生殖道中遇到更高的Na+浓度。Na+的增加有利于通过s NHE将该阳离子交换为H+。在获能过程中,HCO3-内向转运,HCO3-也是一个弱碱,它向精子内的转运会使pHi碱化。在体外培养中,将HCO3-加入到预孵育的细胞培养基中,可诱导膜电位的超极化并伴随pHi的增加[24]。也有人提出存在中性的Na+/Cl-/HCO3-共转运体[25]和通过囊性纤维化跨膜调节因子(cystic fibrosis transmembrane regulator,CFTR)运输[26]或其耦合的Cl/HCO3交换器[27]。现在多种证据支持这一假说。即细胞内pH值增加是精子获能的前提。然而,精子碱化如何调节与获能相关的其他事件,如超活化和为顶体反应(AR)做准备,目前尚不清楚。
钾通道的主要亚基是目前为止最大和最多样化的。这种多样性部分源于大量编码K+通道主要亚基的基因,但也来自其他过程,如选择性剪接、从单个基因产生多个mRNA转录本、不同主要亚基的组装、以及可能的RNA编辑和翻译后修饰。钾通道c DNA的存在使人们对钾离子通道功能的结构和分子机制的认识有了很大的进展。离子选择性、电压和钙离子依赖性门控、失活和阻断这些通道的机制已经获得了重要的新见解。目前已经有几种类型的钾通道被鉴定出来,包括电压门控钾通道钙激活钾通道,内向整流钾通道、“leak”钾离子通道,和钠激活的钾通道。这几种类型的[63]主要亚基已经基本被确定,并根据结构特性分为三组(图1-3)。第一组由6个跨膜结构域(TMD)蛋白组成,是电压门控(Kv)和钙激活的钾通道,钠激活钾通道的主要组成成分。第二组由两个TMD蛋白组成,是内向整流钾离子(Kir)通道组件。第三组称为双孔亚单位,是“leak”钾离子通道的组成部分。每一个组都可进一步分为科,继续往下又被划分为亚科,这些亚科中的大多数都有几个关系密切的成员。第一个主要的K+通道主要亚基包含6个跨膜结构域(TMDs)(S1-S6),具有保守的P结构域。在功能上,当在异源表达时,它们形成电压或钙激活的钾通道。这一组包括Kv家族(包括8个子家族:Kv1-Kv6和Kv8-Kv9)以及主要亚单位的KQT、EAG、SK和SLO家族成员。第二大类成孔亚基是内向整流钾(Kir)通道的组成部分。第一个成员是通过克隆表达确定Kir通道的主亚基具有两个TMDs(M1-M2)和一个孔隙域的预测膜拓扑结构,类似于6TMD钾通道亚基的S5-P-S6。目前有7个亚科(Kir1-Kir7),其中大多数在异源表达体系中形成K+通道,并有不同程度的内向整流。最近报道了哺乳动物的第三类钾通道主要亚基,包括四个TMD(M1-M4)和两个P结构域(P1和P2)[64]。从结构上讲,这些亚基有一个预测的拓扑结构,它们好像是由两个剪接的Kir亚基组成。而6TMD和2TMD主要亚基被认为是以四聚蛋白的形式组装成功能通道,而4TMD亚基被认为是二聚的,从而保持了围绕中心孔的四倍对称性[65]。从功能上讲,这些主要亚基表达的是K+选择性通道,而不像Kir亚基形成的通道主要以门控的方式出现。由于Kir亚基对细胞外K+浓度变化与Goldman-Hodgkin-Katz方程所描述的方式相同,这些通道也被称为钾离子渗透通道。本论文主要研究的是6TMD钾离子通道的一个亚科,它的特别之处在于单通道的高电导特性。这些通道最初命名为大电导钾通道,但是也有人称之为最大钾通道(Maxi-K)或者称之为SLO家族通道。在上述分类中,这类通道隶属于6TMD,既有6个跨膜区域。这个名称来自于编码这一通道的基因的名称,这一通道的基因是在黑腹果蝇中第一个被克隆出来的。
本文编号：2977599
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
小鼠生殖细胞的分化过程(图引自[3])
为了获得受精能力,精子需要在睾丸内发育成熟后再进行两个步骤,一个发生在雄性附睾,称为附睾成熟,另一个发生在射精后,称为获能。在20世纪50年代,Chang(1951)和Austin(1952)[14]首次独立地观察到精子的获能。他们的观察对体外受精技术的未来发展至关重要,首先是在兔子中,后来在人类研究出的第一个试管婴儿—Louise Brown也发现了精子获能现象。在细胞生物学水平上,获能可以诱导精子运动模式的改变,即精子的超活化运动,这为精子经历顶体反应的胞吐过程做了准备。在分子水平上,获能与精子质膜胆固醇损失、膜流动性增加、细胞内离子浓度变化有关[15](图1-2)。尽管这些事件中的每一个都是独立研究的,但是关于它们如何相互联系以调节精子的获能、精子的超极化和精子顶体反应的信息仍然不是很清楚。精子获能后会离开酸性环境(pH 5)的雌性生殖道,进入输卵管内的壶腹部与卵子结合。从子宫与输卵管交界处开始,内部的pH值将显著升高到pH 8左右[17]。这种细胞外pH的变化被认为是促进精子细胞内碱化的原因[18]。在体外实验中,尽管细胞外pH值保持不变,在支持获能的条件下培养的精子中也观察到细胞内的pHi(intracellular pH,pHi)值的增加。在这种情况下,细胞内碱化表明精子存在调节pHi的活跃机制。据报道在精子中有三个主要的分子系统控制着它们的pHi值。首先,直接电生理记录确定了电压门控通道Hv1[19],该通道位于人类精子的鞭毛部分,主要是通过调节pH敏感通道(精子特异性钙通道、SLO3)进而对Ca2+稳态有直接的影响,这些通道也位于鞭毛的主要部分。Hv1是一种H+转运体,通过电压门控机制促进质子在膜上的转运[20],对精浆中含量丰富的离子Zn2+高度敏感[21]。据推测这种高浓度的Zn2+可以维持Hv1的闭合过程,直到精液在雌性生殖道中被稀释,从而使其被未知的机制激活[22]。与人类精子相比,Hv1在小鼠精子中没有发现。因此在小鼠中提出了pHi碱化的第二种可能机制。特别是,缺乏精子特异性Na+/H+交换器(Na+/H+exchanger,sNHE)的小鼠是不育的[23],它们的精子无法在体外受精。精子在离开附睾时,HCO3-的浓度会显著增加外,精子还会在精液和雌性生殖道中遇到更高的Na+浓度。Na+的增加有利于通过s NHE将该阳离子交换为H+。在获能过程中,HCO3-内向转运,HCO3-也是一个弱碱,它向精子内的转运会使pHi碱化。在体外培养中,将HCO3-加入到预孵育的细胞培养基中,可诱导膜电位的超极化并伴随pHi的增加[24]。也有人提出存在中性的Na+/Cl-/HCO3-共转运体[25]和通过囊性纤维化跨膜调节因子(cystic fibrosis transmembrane regulator,CFTR)运输[26]或其耦合的Cl/HCO3交换器[27]。现在多种证据支持这一假说。即细胞内pH值增加是精子获能的前提。然而,精子碱化如何调节与获能相关的其他事件,如超活化和为顶体反应(AR)做准备,目前尚不清楚。
钾通道的主要亚基是目前为止最大和最多样化的。这种多样性部分源于大量编码K+通道主要亚基的基因,但也来自其他过程,如选择性剪接、从单个基因产生多个mRNA转录本、不同主要亚基的组装、以及可能的RNA编辑和翻译后修饰。钾通道c DNA的存在使人们对钾离子通道功能的结构和分子机制的认识有了很大的进展。离子选择性、电压和钙离子依赖性门控、失活和阻断这些通道的机制已经获得了重要的新见解。目前已经有几种类型的钾通道被鉴定出来,包括电压门控钾通道钙激活钾通道,内向整流钾通道、“leak”钾离子通道,和钠激活的钾通道。这几种类型的[63]主要亚基已经基本被确定,并根据结构特性分为三组(图1-3)。第一组由6个跨膜结构域(TMD)蛋白组成,是电压门控(Kv)和钙激活的钾通道,钠激活钾通道的主要组成成分。第二组由两个TMD蛋白组成,是内向整流钾离子(Kir)通道组件。第三组称为双孔亚单位,是“leak”钾离子通道的组成部分。每一个组都可进一步分为科,继续往下又被划分为亚科,这些亚科中的大多数都有几个关系密切的成员。第一个主要的K+通道主要亚基包含6个跨膜结构域(TMDs)(S1-S6),具有保守的P结构域。在功能上,当在异源表达时,它们形成电压或钙激活的钾通道。这一组包括Kv家族(包括8个子家族:Kv1-Kv6和Kv8-Kv9)以及主要亚单位的KQT、EAG、SK和SLO家族成员。第二大类成孔亚基是内向整流钾(Kir)通道的组成部分。第一个成员是通过克隆表达确定Kir通道的主亚基具有两个TMDs(M1-M2)和一个孔隙域的预测膜拓扑结构,类似于6TMD钾通道亚基的S5-P-S6。目前有7个亚科(Kir1-Kir7),其中大多数在异源表达体系中形成K+通道,并有不同程度的内向整流。最近报道了哺乳动物的第三类钾通道主要亚基,包括四个TMD(M1-M4)和两个P结构域(P1和P2)[64]。从结构上讲,这些亚基有一个预测的拓扑结构,它们好像是由两个剪接的Kir亚基组成。而6TMD和2TMD主要亚基被认为是以四聚蛋白的形式组装成功能通道,而4TMD亚基被认为是二聚的,从而保持了围绕中心孔的四倍对称性[65]。从功能上讲,这些主要亚基表达的是K+选择性通道,而不像Kir亚基形成的通道主要以门控的方式出现。由于Kir亚基对细胞外K+浓度变化与Goldman-Hodgkin-Katz方程所描述的方式相同,这些通道也被称为钾离子渗透通道。本论文主要研究的是6TMD钾离子通道的一个亚科,它的特别之处在于单通道的高电导特性。这些通道最初命名为大电导钾通道,但是也有人称之为最大钾通道(Maxi-K)或者称之为SLO家族通道。在上述分类中,这类通道隶属于6TMD,既有6个跨膜区域。这个名称来自于编码这一通道的基因的名称,这一通道的基因是在黑腹果蝇中第一个被克隆出来的。
本文编号：2977599
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