SLO家族在中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）精子發(fā)生過程中的表達及功能
發(fā)布時間：2021-01-14 21:40
精子是在睪丸曲細精管內完成,屬于非常復雜的細胞分裂分化過程,為了使這一過程有條不紊的完成,需要曲細精管的內外信號、膜蛋白等對這一發(fā)生過程進行嚴格有序的調控。目前認為精子形成可能與生殖細胞電位的改變密切相關。精子為了獲得受精能力需要完成以下幾個步驟:附睪成熟、精子獲能、超活化、趨向性,最后是精子的頂體反應。這些生理過程與細胞內外離子濃度變化有關。離子通道在精子形成過程中可以調節(jié)其內外的滲透壓平衡,可以通過改變膜電位的變化推進精子的各種生理過程;受精過程中,精子外部環(huán)境會有很大的改變,離子通道就起了至關重要的作用,因此離子通道蛋白的表達、以及其功能的改變都會影響有性生殖物種雄性配子的發(fā)育以及受精能力。中華絨螯蟹（學名:Eriocheir sinensis）的生活史比較復雜,其受精過程有別于其它物種,其個體的生活環(huán)境與其它物種也有很大的不同。中華絨螯蟹有一個非常重要的生理現象,即生殖洄游。淡水的離子濃度與海水的離子濃度有很大的不同,因此中華絨螯蟹在生殖遷移過程中經歷了很強的離子濃度的變化。由此可見,離子濃度變化對中華絨螯蟹生殖發(fā)育起著不可或缺的作用。鉀通道為目前為止種類和亞型最多的離子通道。...
【文章來源】：河北大學河北省
【文章頁數】：124 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
小鼠生殖細胞的分化過程(圖引自[3])
為了獲得受精能力,精子需要在睪丸內發(fā)育成熟后再進行兩個步驟,一個發(fā)生在雄性附睪,稱為附睪成熟,另一個發(fā)生在射精后,稱為獲能。在20世紀50年代,Chang(1951)和Austin(1952)[14]首次獨立地觀察到精子的獲能。他們的觀察對體外受精技術的未來發(fā)展至關重要,首先是在兔子中,后來在人類研究出的第一個試管嬰兒—Louise Brown也發(fā)現了精子獲能現象。在細胞生物學水平上,獲能可以誘導精子運動模式的改變,即精子的超活化運動,這為精子經歷頂體反應的胞吐過程做了準備。在分子水平上,獲能與精子質膜膽固醇損失、膜流動性增加、細胞內離子濃度變化有關[15](圖1-2)。盡管這些事件中的每一個都是獨立研究的,但是關于它們如何相互聯(lián)系以調節(jié)精子的獲能、精子的超極化和精子頂體反應的信息仍然不是很清楚。精子獲能后會離開酸性環(huán)境(pH 5)的雌性生殖道,進入輸卵管內的壺腹部與卵子結合。從子宮與輸卵管交界處開始,內部的pH值將顯著升高到pH 8左右[17]。這種細胞外pH的變化被認為是促進精子細胞內堿化的原因[18]。在體外實驗中,盡管細胞外pH值保持不變,在支持獲能的條件下培養(yǎng)的精子中也觀察到細胞內的pHi(intracellular pH,pHi)值的增加。在這種情況下,細胞內堿化表明精子存在調節(jié)pHi的活躍機制。據報道在精子中有三個主要的分子系統(tǒng)控制著它們的pHi值。首先,直接電生理記錄確定了電壓門控通道Hv1[19],該通道位于人類精子的鞭毛部分,主要是通過調節(jié)pH敏感通道(精子特異性鈣通道、SLO3)進而對Ca2+穩(wěn)態(tài)有直接的影響,這些通道也位于鞭毛的主要部分。Hv1是一種H+轉運體,通過電壓門控機制促進質子在膜上的轉運[20],對精漿中含量豐富的離子Zn2+高度敏感[21]。據推測這種高濃度的Zn2+可以維持Hv1的閉合過程,直到精液在雌性生殖道中被稀釋,從而使其被未知的機制激活[22]。與人類精子相比,Hv1在小鼠精子中沒有發(fā)現。因此在小鼠中提出了pHi堿化的第二種可能機制。特別是,缺乏精子特異性Na+/H+交換器(Na+/H+exchanger,sNHE)的小鼠是不育的[23],它們的精子無法在體外受精。精子在離開附睪時,HCO3-的濃度會顯著增加外,精子還會在精液和雌性生殖道中遇到更高的Na+濃度。Na+的增加有利于通過s NHE將該陽離子交換為H+。在獲能過程中,HCO3-內向轉運,HCO3-也是一個弱堿,它向精子內的轉運會使pHi堿化。在體外培養(yǎng)中,將HCO3-加入到預孵育的細胞培養(yǎng)基中,可誘導膜電位的超極化并伴隨pHi的增加[24]。也有人提出存在中性的Na+/Cl-/HCO3-共轉運體[25]和通過囊性纖維化跨膜調節(jié)因子(cystic fibrosis transmembrane regulator,CFTR)運輸[26]或其耦合的Cl/HCO3交換器[27]�，F在多種證據支持這一假說。即細胞內pH值增加是精子獲能的前提。然而,精子堿化如何調節(jié)與獲能相關的其他事件,如超活化和為頂體反應(AR)做準備,目前尚不清楚。
鉀通道的主要亞基是目前為止最大和最多樣化的。這種多樣性部分源于大量編碼K+通道主要亞基的基因,但也來自其他過程,如選擇性剪接、從單個基因產生多個mRNA轉錄本、不同主要亞基的組裝、以及可能的RNA編輯和翻譯后修飾。鉀通道c DNA的存在使人們對鉀離子通道功能的結構和分子機制的認識有了很大的進展。離子選擇性、電壓和鈣離子依賴性門控、失活和阻斷這些通道的機制已經獲得了重要的新見解。目前已經有幾種類型的鉀通道被鑒定出來,包括電壓門控鉀通道鈣激活鉀通道,內向整流鉀通道、“l(fā)eak”鉀離子通道,和鈉激活的鉀通道。這幾種類型的[63]主要亞基已經基本被確定,并根據結構特性分為三組(圖1-3)。第一組由6個跨膜結構域(TMD)蛋白組成,是電壓門控(Kv)和鈣激活的鉀通道,鈉激活鉀通道的主要組成成分。第二組由兩個TMD蛋白組成,是內向整流鉀離子(Kir)通道組件。第三組稱為雙孔亞單位,是“l(fā)eak”鉀離子通道的組成部分。每一個組都可進一步分為科,繼續(xù)往下又被劃分為亞科,這些亞科中的大多數都有幾個關系密切的成員。第一個主要的K+通道主要亞基包含6個跨膜結構域(TMDs)(S1-S6),具有保守的P結構域。在功能上,當在異源表達時,它們形成電壓或鈣激活的鉀通道。這一組包括Kv家族(包括8個子家族:Kv1-Kv6和Kv8-Kv9)以及主要亞單位的KQT、EAG、SK和SLO家族成員。第二大類成孔亞基是內向整流鉀(Kir)通道的組成部分。第一個成員是通過克隆表達確定Kir通道的主亞基具有兩個TMDs(M1-M2)和一個孔隙域的預測膜拓撲結構,類似于6TMD鉀通道亞基的S5-P-S6。目前有7個亞科(Kir1-Kir7),其中大多數在異源表達體系中形成K+通道,并有不同程度的內向整流。最近報道了哺乳動物的第三類鉀通道主要亞基,包括四個TMD(M1-M4)和兩個P結構域(P1和P2)[64]。從結構上講,這些亞基有一個預測的拓撲結構,它們好像是由兩個剪接的Kir亞基組成。而6TMD和2TMD主要亞基被認為是以四聚蛋白的形式組裝成功能通道,而4TMD亞基被認為是二聚的,從而保持了圍繞中心孔的四倍對稱性[65]。從功能上講,這些主要亞基表達的是K+選擇性通道,而不像Kir亞基形成的通道主要以門控的方式出現。由于Kir亞基對細胞外K+濃度變化與Goldman-Hodgkin-Katz方程所描述的方式相同,這些通道也被稱為鉀離子滲透通道。本論文主要研究的是6TMD鉀離子通道的一個亞科,它的特別之處在于單通道的高電導特性。這些通道最初命名為大電導鉀通道,但是也有人稱之為最大鉀通道(Maxi-K)或者稱之為SLO家族通道。在上述分類中,這類通道隸屬于6TMD,既有6個跨膜區(qū)域。這個名稱來自于編碼這一通道的基因的名稱,這一通道的基因是在黑腹果蠅中第一個被克隆出來的。
本文編號：2977599
【文章來源】：河北大學河北省
【文章頁數】：124 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
小鼠生殖細胞的分化過程(圖引自[3])
為了獲得受精能力,精子需要在睪丸內發(fā)育成熟后再進行兩個步驟,一個發(fā)生在雄性附睪,稱為附睪成熟,另一個發(fā)生在射精后,稱為獲能。在20世紀50年代,Chang(1951)和Austin(1952)[14]首次獨立地觀察到精子的獲能。他們的觀察對體外受精技術的未來發(fā)展至關重要,首先是在兔子中,后來在人類研究出的第一個試管嬰兒—Louise Brown也發(fā)現了精子獲能現象。在細胞生物學水平上,獲能可以誘導精子運動模式的改變,即精子的超活化運動,這為精子經歷頂體反應的胞吐過程做了準備。在分子水平上,獲能與精子質膜膽固醇損失、膜流動性增加、細胞內離子濃度變化有關[15](圖1-2)。盡管這些事件中的每一個都是獨立研究的,但是關于它們如何相互聯(lián)系以調節(jié)精子的獲能、精子的超極化和精子頂體反應的信息仍然不是很清楚。精子獲能后會離開酸性環(huán)境(pH 5)的雌性生殖道,進入輸卵管內的壺腹部與卵子結合。從子宮與輸卵管交界處開始,內部的pH值將顯著升高到pH 8左右[17]。這種細胞外pH的變化被認為是促進精子細胞內堿化的原因[18]。在體外實驗中,盡管細胞外pH值保持不變,在支持獲能的條件下培養(yǎng)的精子中也觀察到細胞內的pHi(intracellular pH,pHi)值的增加。在這種情況下,細胞內堿化表明精子存在調節(jié)pHi的活躍機制。據報道在精子中有三個主要的分子系統(tǒng)控制著它們的pHi值。首先,直接電生理記錄確定了電壓門控通道Hv1[19],該通道位于人類精子的鞭毛部分,主要是通過調節(jié)pH敏感通道(精子特異性鈣通道、SLO3)進而對Ca2+穩(wěn)態(tài)有直接的影響,這些通道也位于鞭毛的主要部分。Hv1是一種H+轉運體,通過電壓門控機制促進質子在膜上的轉運[20],對精漿中含量豐富的離子Zn2+高度敏感[21]。據推測這種高濃度的Zn2+可以維持Hv1的閉合過程,直到精液在雌性生殖道中被稀釋,從而使其被未知的機制激活[22]。與人類精子相比,Hv1在小鼠精子中沒有發(fā)現。因此在小鼠中提出了pHi堿化的第二種可能機制。特別是,缺乏精子特異性Na+/H+交換器(Na+/H+exchanger,sNHE)的小鼠是不育的[23],它們的精子無法在體外受精。精子在離開附睪時,HCO3-的濃度會顯著增加外,精子還會在精液和雌性生殖道中遇到更高的Na+濃度。Na+的增加有利于通過s NHE將該陽離子交換為H+。在獲能過程中,HCO3-內向轉運,HCO3-也是一個弱堿,它向精子內的轉運會使pHi堿化。在體外培養(yǎng)中,將HCO3-加入到預孵育的細胞培養(yǎng)基中,可誘導膜電位的超極化并伴隨pHi的增加[24]。也有人提出存在中性的Na+/Cl-/HCO3-共轉運體[25]和通過囊性纖維化跨膜調節(jié)因子(cystic fibrosis transmembrane regulator,CFTR)運輸[26]或其耦合的Cl/HCO3交換器[27]�，F在多種證據支持這一假說。即細胞內pH值增加是精子獲能的前提。然而,精子堿化如何調節(jié)與獲能相關的其他事件,如超活化和為頂體反應(AR)做準備,目前尚不清楚。
鉀通道的主要亞基是目前為止最大和最多樣化的。這種多樣性部分源于大量編碼K+通道主要亞基的基因,但也來自其他過程,如選擇性剪接、從單個基因產生多個mRNA轉錄本、不同主要亞基的組裝、以及可能的RNA編輯和翻譯后修飾。鉀通道c DNA的存在使人們對鉀離子通道功能的結構和分子機制的認識有了很大的進展。離子選擇性、電壓和鈣離子依賴性門控、失活和阻斷這些通道的機制已經獲得了重要的新見解。目前已經有幾種類型的鉀通道被鑒定出來,包括電壓門控鉀通道鈣激活鉀通道,內向整流鉀通道、“l(fā)eak”鉀離子通道,和鈉激活的鉀通道。這幾種類型的[63]主要亞基已經基本被確定,并根據結構特性分為三組(圖1-3)。第一組由6個跨膜結構域(TMD)蛋白組成,是電壓門控(Kv)和鈣激活的鉀通道,鈉激活鉀通道的主要組成成分。第二組由兩個TMD蛋白組成,是內向整流鉀離子(Kir)通道組件。第三組稱為雙孔亞單位,是“l(fā)eak”鉀離子通道的組成部分。每一個組都可進一步分為科,繼續(xù)往下又被劃分為亞科,這些亞科中的大多數都有幾個關系密切的成員。第一個主要的K+通道主要亞基包含6個跨膜結構域(TMDs)(S1-S6),具有保守的P結構域。在功能上,當在異源表達時,它們形成電壓或鈣激活的鉀通道。這一組包括Kv家族(包括8個子家族:Kv1-Kv6和Kv8-Kv9)以及主要亞單位的KQT、EAG、SK和SLO家族成員。第二大類成孔亞基是內向整流鉀(Kir)通道的組成部分。第一個成員是通過克隆表達確定Kir通道的主亞基具有兩個TMDs(M1-M2)和一個孔隙域的預測膜拓撲結構,類似于6TMD鉀通道亞基的S5-P-S6。目前有7個亞科(Kir1-Kir7),其中大多數在異源表達體系中形成K+通道,并有不同程度的內向整流。最近報道了哺乳動物的第三類鉀通道主要亞基,包括四個TMD(M1-M4)和兩個P結構域(P1和P2)[64]。從結構上講,這些亞基有一個預測的拓撲結構,它們好像是由兩個剪接的Kir亞基組成。而6TMD和2TMD主要亞基被認為是以四聚蛋白的形式組裝成功能通道,而4TMD亞基被認為是二聚的,從而保持了圍繞中心孔的四倍對稱性[65]。從功能上講,這些主要亞基表達的是K+選擇性通道,而不像Kir亞基形成的通道主要以門控的方式出現。由于Kir亞基對細胞外K+濃度變化與Goldman-Hodgkin-Katz方程所描述的方式相同,這些通道也被稱為鉀離子滲透通道。本論文主要研究的是6TMD鉀離子通道的一個亞科,它的特別之處在于單通道的高電導特性。這些通道最初命名為大電導鉀通道,但是也有人稱之為最大鉀通道(Maxi-K)或者稱之為SLO家族通道。在上述分類中,這類通道隸屬于6TMD,既有6個跨膜區(qū)域。這個名稱來自于編碼這一通道的基因的名稱,這一通道的基因是在黑腹果蠅中第一個被克隆出來的。
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