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Protein tyrosine phosphorylation in sperm during capacitation

获能期间精子蛋白的酪氨酸磷酸化



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18卷 第 3期
2006年 6月
Vol. 18, No. 3
Jun., 2006
获能期间精子蛋白的酪氨酸磷酸化
周思畅,倪 崖,石其贤*
(浙江省医学科学院,杭州 3 10 01 3)
摘 要:哺乳动物精子获能是精子与卵子成功受精的前提。蛋白酪氨酸磷酸化对精子获能十分重要。
精子获能期蛋白酪氨酸磷酸化程度增高与 sAC/cAMP/PKA 途径、受体酪氨酸激酶途径和非受体蛋白酪
氨酸激酶途径调节有关。获能过程中酪氨酸磷酸化蛋白分布于精子细胞的不同区域,蛋白的酪氨酸磷
酸化与精子功能密切相关。
关键词:精子;精子获能;蛋白酪氨酸磷酸化;信号转导
中图分类号:Q 2 5  文献标识码:A
Protein tyrosine phosphorylation in sperm during capacitation
ZHOU Si-Chang, NI Ya, SHI Qi-Xian*
(Zhejiang Academy of Medical Sciences, Hangzhou, China 310013)
Abstract: Mammalian sperm are required to undergo a process known as capacitation before they can undertake
the fertilization process. The protein phosphorylation especially at tyrosine residues is one of the most impor-
tant events that occur during capacitation. The increase in protein tyrosine phosphorylation during capacita-
tion has been shown to be regulated by cAMP/PKA-dependent pathway, receptor tyrosine kinase pathway,
and non-receptor protein tyrosine kinase pathway. It has been observed that the tyrosine phosphorylated
proteins are localized in various regions of spermatozoon, and that the tyrosine phosphorylation of sperm
proteins link to the different sperm functions.
Key words: sperm;sperm capacitation;protein tyrosine phosphorylation; signal transduction
文章编号 :1004-0374(2006)03-0285-05
人及哺乳动物的受精过程是一系列的复杂
事件。哺乳动物精子必须在雌性生殖道内经历
成熟过程才能获得受精能力,这一现象称为获
能 ( c a p a c i t a t i o n )。获能精子伴随超激活运动
(hyperactive motility),与卵透明带结合,引发顶体
反应(acrosome reaction),随后与卵质膜融合,形
成合子,最终发育为胎儿。获能期间,精子质膜
结构与生物化学特性发生系列改变,质膜胆固醇含
量减少,膜的离子渗透性增加,膜的超极化,胞
内 pH升高,Ca2+和 cAMP含量增加,超氧阴离子
生成量增多,以及特异蛋白质的酪氨酸磷酸化增强
等。目前认为,精子获能正是这些变化的综合结果[1],
其中蛋白质酪氨酸磷酸化对于精子获能尤为重要。
蛋白质磷酸化是翻译后加工修饰过程。真核细
胞中,蛋白质的磷酸化 /去磷酸化是调节蛋白质生
物活性最普通的方式之一,通过它能调控细胞的许
多生理活动。成熟精子是高度分化的特异细胞,不
能转录翻译合成新的蛋白质。因此,翻译后修饰作
用,如蛋白质的磷酸化 /去磷酸化对精子的获能、
超激活运动的维持、发生顶体反应等十分重要。
收稿日期:2005-11-10;修回日期:2005-11-28
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G1999055902) ;国家自然科学基金(30270513)
作者简介:周思畅(19 80 —),男,硕士研究生;倪 崖(19 61 —),男,副研究员;石其贤(19 36 —),男,研究
员,硕士生导师,* 通讯作者。
286 生命科学 第18卷
Tash和Means[2]指出哺乳动物精子中存在各种磷酸
化蛋白、蛋白激酶和蛋白质磷酸酯酶,提示蛋白质
磷酸化 /去磷酸化与精子生理过程有关。蛋白质磷
酸化反应主要发生在丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)和酪
氨酸(Tyr)残基上。精子既有 Ser/Thr 磷酸化蛋白
质,也有酪氨酸磷酸化蛋白质。但大量研究结果表
明,精子的获能状态同酪氨酸磷酸化程度有关。
Visconti等[3]研究了小鼠精子获能与蛋白质酪氨酸磷
酸化的关系,发现获能过程同 40~120kDa蛋白的酪
氨酸磷酸化程度具有时间依赖关系。此后,在仓
鼠、牛、猪、马、猕猴及人精子中相继发现获能
同酪氨酸磷酸化具有相关性。自 Leyton和 Saling[4]
首次用磷酸化特异性抗体证明小鼠精子存在酪氨酸
磷酸化蛋白质以来,有关精子获能期蛋白质酪氨酸
磷酸化的研究已取得很大进展,目前利用双向电泳
(2-D)、免疫印迹(Western blot)以及串联质谱(MS/
MS)分析等技术对精子蛋白的酪氨酸磷酸化进行分析
[5],使蛋白质酪氨酸磷酸化与精子获能的关系更加
清楚。本文从功能蛋白质组学的观点综述精子获能
期蛋白质酪氨酸磷酸化的研究进展。
1 获能期精子细胞中酪氨酸磷酸化信号传导途径
目前发现精子细胞中可能存在三种信号传导途
径来调节蛋白质酪氨酸磷酸化,即可溶性腺苷酸环
化酶(sAC)/环磷酸腺苷(cAMP)/蛋白激酶A(PKA) 途
径、受体酪氨酸激酶途径和非受体蛋白质酪氨酸激
酶途径,其中以 AC/cAMP/PKA 途径最为重要。
1.1 sAC/cAMP/PKA途径 信号分子(如HCO3-、活
性氧等)→可溶性腺苷酸环化酶(soluble adenylate
cyclase, sAC)激活→ cAMP含量增加→ PKA在蛋白
激酶A锚定蛋白(AKAPs)中募集并活化→蛋白质酪氨
酸激酶激活→蛋白质酪氨酸磷酸化→生物效应(精子
获能)。cAMP是细胞中普遍存在的第二信使。在
精子获能期,加入H89(PKA抑制剂)能阻断 /减少蛋
白质酪氨酸磷酸化;而加入二丁酰基 cAMP能增加
精子蛋白质的酪氨酸磷酸化[6]。PKA虽然是 Ser/Thr
激酶,但它能间接激活酪氨酸激酶,导致精子蛋白
质的酪氨酸磷酸化[1]。这种作用对精子高度特异,
因为cAMP-PKA依赖的酪氨酸磷酸化在体细胞中还
未见报道。
1 .2 受体酪氨酸激酶途径 受体酪氨酸激酶
(receptor tyrosine kinases, RTKs) (如 EGF、IGF-1、
p190 c-met、c-abl 等)→接合蛋白(adapter protein)(如
Shc)→Ras→Raf→ MEK(MAPKK /extracellular sig-
nal-regulated kinase kinase)→丝裂原激活蛋白激酶
(mitogen-activated protein kinases, MAPK)→⋯⋯→蛋
白质酪氨酸磷酸化→生物效应(精子获能)。MEK是
双重特异性激酶,能分别催化细胞外信号调节蛋白
激酶 1(extracellular signal-regulated protein kinase1,
ERK1)和ERK2磷酸化。MAPK可间接催化蛋白质酪
氨酸磷酸化的蛋白质磷酸化,抑制MAPK能阻断获
能相关的蛋白质酪氨酸磷酸化。已知人精子头部存
在MAPK同工酶 ERK2、Shc和 Ras,说明该途径
与调节精子中蛋白质磷酸化有关[7]。
1.3 非受体蛋白质酪氨酸激酶途径 与非受体蛋白
质酪氨酸激酶联结的受体→非受体蛋白质酪氨酸激
酶(如 c-yes、TK-32)→底物磷酸化→蛋白质酪氨酸
磷酸化→生物效应(精子获能)。
2 精子获能期胞内酪氨酸磷酸化蛋白质的分布
酪氨酸磷酸化蛋白质在精子细胞内呈区域性分
布。精子细胞的结构高度极化,头部功能与卵子相
互作用有关,尾部功能与产能和细胞运动有关。精
子鞭毛蛋白质的酪氨酸磷酸化与获能期发生超激活
运动有关。精子鞭毛区似乎是酪氨酸磷酸化的主要
部位,许多动物鞭毛蛋白质酪氨酸磷酸化呈获能依
赖性增加[ 8 ]。免疫化学证实人、猴、仓鼠、大鼠
和小鼠的精子鞭毛区存在酪氨酸磷酸化蛋白质。
Urner等[9]利用免疫荧光发现,小鼠精子获能、透
明带结合、配子融合过程中,酪氨酸磷酸化蛋白质
定位于整个精子鞭毛区,并发现获能期鞭毛区具有
磷酸化蛋白质的精子比例增加。小鼠精子 -卵透明
带结合时,几乎所有精子的尾部主段与中段部位呈
进行性酪氨酸磷酸化。Carrera等[10]报道人精子随着
获能,酪氨酸磷酸化明显增加,但酪氨酸磷酸化主
要定位于精子主段。Naaby-Hansen等[11]首次证实,
获能期精子通过酪氨酸磷酸化使精子蛋白质获得结
合钙的能力。钙结合酪氨酸磷酸化调节蛋白
(CABYR)位于人精子尾主段区域。获能过程中,酪
氨酸磷酸化的 CABYR 具有同钙结合的能力,在精
子主段 Ca2+的摄取和释放过程中发挥作用[11]。体外
获能条件下,人精子 CABYR发生酪氨酸磷酸化,
一种酸性(p I4 .0 )、分子量为 86kDa、结合钙的
CABYR异构体生成增加,而碱性磷酸酶的去磷酸化
作用能阻断钙结合于酸性的 CABYR异构体[11]。精
子头部也能发生酪氨酸蛋白磷酸化,Naz等[12]报道
在获能及透明带诱发条件下,酪氨酸磷酸化主要发
生在人精子头部顶体区;但同尾部的磷酸化比较起
287第3期 周思畅,等:获能期间精子蛋白的酪氨酸磷酸化
来,顶体区的酪氨酸磷酸化程度在获能阶段似乎并
没有变化。定位于小鼠精子头部质膜的内质网蛋白
(endoplasmin, Erp99)和热休克蛋白 60(Hsp60),在获
能阶段都发生酪氨酸磷酸化,导致精子膜构象变
化,使其能形成功能性的透明带受体复合物,参与
精卵结合[13]。蛋白质酪氨酸磷酸化区域在精子的不
同生理状态会移位[14]。免疫荧光实验发现,磷酸化
酪氨酸从未获能精子的尾部,移至获能精子或透明
带激发精子顶体区。精子顶体区与精 -卵相互作用
有关,这种磷酸化酪氨酸特异荧光的移位似乎与受
精能力有关。
3 精子获能期酪氨酸磷酸化蛋白质与功能
Leyton和 Saling[4]首次利用抗磷酸化酪氨酸抗
体,在小鼠精子中发现 52kDa、75kDa、95kDa三
种酪氨酸磷酸化蛋白质,其中,95kDa蛋白质在获
能或与透明带相互作用后与抗体的免疫反应性增
强。随后Naz等[12]报道四种(95/94± 3kDa、46±
3kDa、25± 7kDa、12± 2kDa)人精子酪氨酸磷酸
化蛋白质,其酪氨酸磷酸化依赖精子的生理状态。
免疫荧光实验显示精子头部顶体区荧光强度,在精
子获能或与透明带蛋白作用后,单个精子的酪氨酸
特异荧光强度增强,同时荧光增强的精子数量也增
加了。进一步研究发现,46± 3 kDa蛋白是受精
抗原 -1(FA-1),FA-1抗原在精子获能与精子 -透明
带结合方面发挥重要作用。在获能期用抗FA-1单克
隆抗体处理人精子,降低了 94± 3 kDa 和 46± 3
kDa(FA-1抗原)蛋白质的酪氨酸磷酸化[15]。其后,
从精子蛋白质亚细胞定位以及功能的角度,对获能
期蛋白质酪氨酸磷酸化进行了研究。Flesch等[16]报
道,与获能期质膜流动性增加一致,获能诱导猪精
子三种主要质膜蛋白质(27kDa、37kDa、40kDa)和
三种次要质膜蛋白(34kDa、47kDa、55kDa)酪氨酸
磷酸化,这些质膜蛋白质被认为具有启动与透明带
结合,并诱发顶体反应的作用。Flesch等[17]在后续
研究中指出,猪精子质膜 34kDa和 47kDa蛋白质可
能与透明带有高度结合亲合力。
体外获能条件下,人、小鼠、大鼠精子的
Hsp90发生酪氨酸磷酸化。Ecroyd等[18]观察到,小
鼠的Hsp90家族成员Hsp86是酪氨酸磷酸化的主要
靶点。采用交叉免疫沉淀技术证实了Hsp86的酪氨
酸磷酸化,此作用不被 ansamycin antibiotic、geld-
anamycin所抑制。获能期透明带受体复合物内蛋白
质的磷酸化可启动构象改变,暴露或激活透明带结
合结构域,并导致形成功能性表面受体。这些构象
变化可以包括移动表面相连的隐蔽分子或者重新定
向关键识别肽至细胞表面。最近,Asquith等[19]研
究提示,精卵相互作用的分子基础与哺乳动物精子
表面功能性透明带受体复合物中的两种蛋白质分子
伴侣有关,即 HspD1和 TRA1(tumor rejection
antigen, gp96)。HspD1原来称为Hsp60,TRA1原
来称为Erp99。Hsp60和Erp99存在于获能精子与非
获能精子的完全溶解物中。小鼠 Erp99是内质网膜
的一种含量丰富的单跨膜糖蛋白质,与Hsp90有广
泛的同源性,成熟 Erp99的N末端与哺乳动物的葡
萄糖调节蛋白(Grp94)相同。Grp94、gp96、 Erp 99
及 TRA1均为Hsp90家族成员,参与翻译后转运至
细胞表面的蛋白质的成熟过程,包括 Toll样受体和
某些整合素,或者分泌性蛋白质,如 IgGs。Asquith
等[13]指出,获能诱导小鼠精子头部表面 Erp99与
Hsp60酪氨酸磷酸化,并对哺乳动物配子相互作用
提出一种新机制, 获能期精子通过酪氨酸磷酸化致精
子表面分子伴侣构象改变,促进哺乳动物精子表面
形成功能性透明带受体复合物,参与精卵结合。
AKAPs为绞架蛋白家族,是酪氨酸磷酸化的主
要底物。AKAPs能募集 PKA的调节亚单位和其他
酶,对不连续的细胞区域中信号传导进行精确调
控。Carrera等[10]报道人精子中存在与小鼠精子主要
的纤维鞘蛋白AKAP82及其前体pro-AKAP82同源的
蛋白,能发生酪氨酸磷酸化。最近发现人精子中的
AKAP3 和AKAP4是获能期间主要的酪氨酸磷酸化蛋
白[5]。所以,AKAPs的酪氨酸磷酸化可能是精子获
能和(或)与运动性有关的信号传导级联调节部分。
最近,Luconi等[20]证实HCO3-通过激活sAC使AKAP3
酪氨酸磷酸化,导致PKA在AKAP3中募集量增加,
最后激活人精子运动性和超激活反应。已知酪氨酸
磷酸化的人精子纤维鞘蛋白质中,有三种分子量为
81kDa、95kDa和 105kDa的蛋白质与AKAP有关。
例如,人精子纤维鞘蛋白质(FSP95)仅在睾丸特异
表达,与AKAP82有 32%的同源性,含有多个同
蛋白激酶 C和酪氨酸蛋白激酶 II反应的磷酸化位
点。Mandal等[21]报道人精子在获能期 FSP95发生酪
氨酸磷酸化。
NagDas等[22]报道,仓鼠精子获能期磷脂过氧
化谷胱甘肽过氧化物酶(PHGPx)酪氨酸磷酸化产生多
种异构体。PHGPx是二硫键交联的精子线粒体囊的
主要结构蛋白质。PHGPx的酪氨酸磷酸化是与获能
288 生命科学 第18卷
有关的信号传导激活的代表事件,可影响线粒体的
功能。同时,丙酮酸脱氢酶复合物对于哺乳动物能
量供给与葡萄糖平衡有重要作用。PDC催化丙酮酸
氧化脱羧生成乙酰辅酶A,后者进入三羧酸循环氧
化供能。二氢硫辛酰胺脱氢酶是 PDC成分之一[23],
其特异性抑制剂 5-甲氧吲哚 -2-羧酸(5-methoxyin-
dole-2-carboxylic acid)下调仓鼠精子酶活性,完全
阻断顶体反应和部分阻断超激活反应,说明二氢硫
辛酰胺脱氢酶对仓鼠精子获能有作用。Mitra和
Shivaji[24]首次报道二氢硫辛酰胺脱氢酶的酪氨酸磷酸
化与仓鼠精子获能有关。仓鼠精子获能后期需要丙
酮酸氧化供能,所以,二氢硫辛酰胺脱氢酶为精子
超激活运动和顶体反应所必要。
哺乳动物精子中存在Ras p21和类似于MAPKs
的蛋白质——ERKs,提示精子细胞中具有Ras/ERK
级联反应。Luconi等[25]报道,在人精子获能期间随
着 ERK-1和 ERK-2激活引起酪氨酸磷酸化增强。
ERKs存在于精子顶体后区。用钙离子载体A23187
和孕酮激活顶体反应后,E RK s 大部分位于赤道
区,说明 ERKs在顶体反应精子进行了重新分布。
体外获能时,呈时间依赖性酪氨酸磷酸化 42kDa和
44kDa蛋白质,经特异性抗体鉴别分别为ERK-2和
ERK-1。获能期间,ERKs酪氨酸磷酸化增加并伴
随激酶活性的增强。ERK-1和ERK-2能催化髓磷脂
碱性蛋白的磷酸化。精子体外获能期,MAPK抑制
剂 PD098059 可抑制ERK激活,显著降低孕酮诱导
精子发生顶体反应。由于只有获能精子才能对孕酮
发生应答反应,这表明ERKs与调节精子获能有关。
AAA(ATPases associated with various cellular
activities)p97也称为VCP(valosin-containing protein)。
VCP/p97是N-乙基顺丁烯二酰胺敏感因子(NSF) 的
同源蛋白,NSF与膜融合有关。VCP/p97参与蛋白
复合体组装、分离和功能作用。在T细胞中,VCP/
p97的酪氨酸磷酸化虽然没有改变自身ATP酶的活
性,但能调节细胞定位。在 T细胞激活期,p97是
酪氨酸磷酸化的靶蛋白质。Ficarro等[5]用抗 -VCP抗
体发现精子获能期VCP/p97酪氨酸磷酸化。在哺乳
动物精子中检测到含有黏附于蛋白受体的可溶性
NSF(SNARE)以及 SNARE-相关蛋白质的类似物,
而高尔基体的 t-SNARE syntaxin 5同 VCP/p97和NSF
类似,它们都能在细胞内膜融合过程中发挥作用。
获能期间,SNARE及相关蛋白质经过酪氨酸磷酸
化,如 VCP/p97的酪氨酸磷酸化,从而调节高尔
基体的膜融合。
4 结语
精子蛋白质的酪氨酸磷酸化是获能的重要事
件。酪氨酸磷酸化的蛋白质与获能期精子的超激活
运动、透明带结合以及顶体反应密切相关,深入研
究获能精子中酪氨酸磷酸化的蛋白质组学,以及与
酪氨酸磷酸化相关的信号传导通路与调节因素,对
于认识精子受精机制有重要意义。
[参 考 文 献]
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俄罗斯科学院生物医药化学研究所所长等一行访问上海药物所
2006年 4月 25日,俄罗斯科学院生物医药化学研究所所长Archakov Alexander教授和俄罗斯科学院生
物工程中心主任、俄罗斯总统科学与高技术顾问团成员Konstantin G. Skryabin院士在俄罗斯联邦驻上海总
领事馆领事Victor V. Godin的陪同下到上海药物所进行参观访问。蒋华良副所长热情接待了来访外宾,研
究所外事部门向外宾详细介绍了研究所的历史沿革、发展形势、研究进展和取得的主要成果。外宾感到
上海药物所近年来取得的成绩有目共睹,并详细询问了研究所运作方式、新药研发模式以及传统中草药研
究方面所取得的成绩,认为这些经验非常值得借鉴。同时,外宾也对俄罗斯科学院的悠久历史、庞大规
模、雄厚的研究实力进行了介绍,并特别指出,作为俄罗斯联邦的最高学术机构——俄罗斯科学院长期
以来在自然科学、技术科学、社会科学和人文科学等领域里的基础研究中取得了众多世界一流的研究成
果,该院至今先后已有 19位学者获得了诺贝尔奖,成为主导该国自然科学和社会科学基础研究的中心。
会谈后,在蒋华良副所长的陪同下,外宾参观了上海药物所药物发现与设计中心,听取了关于该中
心的研究方向及近年来主要研发情况的介绍。
摘自 http: //www.sibs.ac.cn
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