生! 箜 鲞筮 期Chin J Clin Obstet Gynecol July 2014,Vo1.15,No.4 ・337・ ・论著・ 不同质量精子线粒体DNA拷贝数 及完整性的比较研究 孙志敏 彭红梅 赵恩锋 穆莎 马憋悦 温春燕 唐结 【摘要】 目的 探讨精子线粒体DNA(mtDNA)拷贝数与完整性与男性不育的相关性。方法 选取正常 精液样本18例,异常精液样本34例,采用Percoll液密度梯度离心将样本分为3O 层和8O 层精子,并采用实 时荧光定量PCR技术测定精子mtDNA拷贝数及长链PCR技术测定mtDNA完整性。结果在8O 层精子中, 少精子症组mtDNA拷贝数[(1.52±0.68)个]和少弱精子症组[(1.93±0.65)个]与正常组[(o.80±0.45) 个]比较,差异有统计学意义(P<o.01);少弱精子症组mtDNA完整性(0.93±0.27)与正常组(2.70+1.74)、 弱精子症组(3.24±2.18)及少精子症组(1.76±0.76)比较,差异有统计学意义(P<O.01)。在3O%层精子 中,少精子症组mtDNA拷贝数(13.33±9.96)和弱精子症组(1.92±1.29)与正常组(4.85土3.00)比较, 差异有统计学意义(P<O.05)。结论可能成为预测精子质量的一个指标。 质量差的精子中存在mtDNA拷贝数增加及完整性减弱,mtDNA的检测 【关键词】 线粒体DNA;男性不育;精子;DNA拷贝数;DNA完整性 A comparative study on mitochondrial DNA copy number and integrity in different quality sperm SUNZhimin,PENGHongmei,ZHAOEnfeng,MUSha,MAMinyue,WENChunyan,TANGZhe. (Reproductive Medicine Center,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China) [Abstract] Objective To detect the copy number and integrity of sperm mitochondrial DNA(mtDNA),and to investigate the relationship between sperm mtDNA and mate infertility.Methods Using density gradient separa— tion,we selected motile sperm from 18 normal and 34 abnormal sperm samples.Quantitative long polymerase chain reaction(PCR)and real—time PCR were used to measure the mtDNA integrity and copy number in spermatozoa. Results The mtDNA copy numbers were increased in the 3O density gradient layers than the 8O layers in 52 sperm samples,the differences was statistically significant(P<O.05).In the 80 layers,a significant increasing in mtDNA copy number was observed in oligozoospermia(1.52±0.68)and oligoasthenozoosperrnia(1.93±O.65) compared to the patients with normal semen parameters(O.80±0.45,P(0.01).and lower mtDNA integrity was observed in oligoasthenozoospermia(O.93_i-0.27)compared to the patients with normal semen(2.70±1.74),as— thenozoospermia(3.24±2.18)and oligozoospermia(1.76±O.76,P(O.01).In the 30 layers,the mtDNA copy number from oligozoospermia(13.33±9.96)and asthenozoospermia(1.92+1.29)were significantly higher than normal semen samples(4.85±3.00。P<Z0.05).Conclusions A decreasing mtDNA integrity and increasing copy number were observed in poor sperm samples.We suggest that mtDNA quantity and quality may serve as a useful diagnostic markers of sperm quality. [Key words] mitochondrial DNA;male infertility;spermatozoa;DNA copy number;DNA integrity Chin J Clin Obstet Gynecol,2014,15:337—340 线粒体是精子中唯一的细胞器,通过氧化磷酸 化产生ATP供给精子能量。虽然线粒体产能对精 子运动和功能的重要性还存争议[ ,但已发现异常 精液中存在线粒体DNA(mtDNA)突变与缺失及 doi:10.13390/j.issn.1672—1861.2014.04.014 精子结构的异常[2]。近年来,精子mtDNA拷贝数 与男性不育的关系已经引起关注,有学者提出通过 测定精子mtDNA拷贝数评估线粒体功能的假 设[3]。本研究收集本院52例不同质量的精液样本, 采用实时荧光定量砌 技术测定精子mtDNA拷贝数 及长链PCR技术测定mtDNA完整性,探讨mtDNA 作者单位:100853北京解放军总医院妇产科生殖医学中心 通信作者:彭红梅Email:phmeizys@hotmail.com 中国妇产科临床杂志2014年7月第15卷第4期Chin J Clin Obstet Gynecol July 2014,Vo1.15,No.4 与精子质量的相关性,以促进男性生育的研究。 资料与方法 一、研究对象 选择2013年10月至2014年1月解放军总医 院生殖中心因不孕不育行门诊精液检查患者52例, 其中正常精液18例,异常精液34例。患者年龄 (31.67±3.94)岁。排除性腺功能低下、睾丸发育 异常、输精管梗阻和白细胞精子症等精液。 二、取材方法 禁欲3~5 d,手淫法留取精液样本于洁净容器 中,置于37℃恒温环境中。在1 h内经计算机辅 助精子分析系统(CASA)完成数据采集。 三、分组 根据2010年wHO颁布的第5版《世界卫生 组织人类精液实验室检验手册》_4]将精液样本分为 4组:正常组(精子前向运动>32 且精子浓 度>15×10 /m1)、弱精子症组(精子前向运动< 32 )、少精子症组(精子浓度<15×10。/m1)、少 弱精子症组(精子浓度<15×10 /ml且前向运 动<32 ),52例患者的情况见表1。 表1各组精液样本的一般资料 ± ) 四、方法 1.主要试剂和仪器:Percoll液购自美国GE healthcare公司,mtDNA提取相关试剂、SYBR Green核酸染料荧光试剂盒、寡核苷酸引物均购自 北京康为世纪公司。实时荧光定量PCR仪(美国 ABI公司,型号7500);PCR仪(杭州博日公司); 微光分光光度计(美国赛默飞世尔科技,型号 2000);全自动数码凝胶图像分析系统(上海天能 公司,型号1600)。 2.密度梯度离心法制备不同活力精子:向离 心管中依次加入80 、3O Percoll液各1 ml,形 成明显分界面的Percoll梯度层;将1 ml混匀后液 化精液加入密度梯度液上方,以500 r/min离心20 min。吸出上清层、30 层和80 层的精子,10 倍体积的PBS清洗精子,300 r/min离心10 min, 重复清洗离心,镜下观察各层精子活力。 3.柱式提取精子mtDNA:将精液10 000 r/ min离心1 min,弃尽上清,加200/AGTL和10 mmol/L DTT,振荡,加人20 l蛋白酶K,涡旋 震荡后56℃水浴60 min,加入200 l Buffer GL, 涡旋震荡。再加入200 1无水乙醇,涡旋震荡后 装入收集管的吸附柱中,10 000 r/min离心1 min, 倒掉废液。加入500 l Buffer GW1,10 000 r/min 离心1 min,加入500 1 Buffer GW2,10 000 r/ min离心1 min,再12 000 r/min离心2 min,均弃 掉废液,室温放置5 rain,再加入50 l Buffer GE, 室温放置5 min,10 000 r/min离心lmin,收集 DNA溶液,分光光度计测定浓度,一2O℃保存。 4.引物设计:参考Kao等[5]的实验进行mtD— NA拷贝数检测用引物的设计。ND1引物:扩增代 表精子总mtDNA数量的99 bpPCR产物;ACTB 引物:扩增精子核基因组中的』3一actin基因,代表 精子数量的119 bpPCR产物。具体引物:ACTB— F:5’一ATCCTGCGTCTGGACCT一3’,ACTB— R:5’一CCTTAATGTCACGCACGATTTC一3’, ND1一F:5’一TCTCACCAT ̄CTTCTACT一3’, ND1一R:5’一Af I ( A‘ I l ( AAl A一3 。 检测精子mtDNA完整性的引物按照Song等l_6]的 设计,采用长链PCR技术,扩增8.7 kb的线粒体 基因,包括4.9 kb和7.4 kb缺失基因。引物序 列:F:5’一AAGGA=rCC1‘C I、AGAGCCCACTGTA— AAG一3’,R:5’一TTGGAr℃CAGTGCp(IAC(X 一 CAAAAG一3’。 5.实时荧光定量PCR技术分析精子mtDNA 拷贝数:采用UltraSYBR Mixture试剂盒在定量 PCR仪上测定mtDNA拷贝数。根据试剂盒说明 书制备2O U1 PCR反应混合物。PCR反应条件: 95℃预变性10 min,95℃变性15s,60℃退火/ 延伸1 min,共4O个循环。设定融解曲线(60~ 95℃),检测PCR反应特异性。每个样品重复3 次测量。 6.长链PCR技术检测精子mtDNA完整性: 在标准条件下运行PCR反应,反应体系为5O l, 含1O×Amp PCR Buffer 5 l,dNTP mi×4 l, 5×C—Solution 10 l,LAmp DNA酶0.5 l,上、 下游引物各2“1,DNA模板200 ng。PCR反应条 件见文献[-6-1。PCR产物通过1.5 琼脂糖凝胶电 泳后,在全自动数码凝胶图像分析系统下获得图 中国妇产科临床杂志2014年7月第15卷第4期Chin J Clin Obstet Gynecol July 2014,Vo1.15,No.4 拷贝数3O 9,6层较80 9/6层显著增加,在少精子症组, 其差异高达49倍。说明在同一精液样本中,不同 活力的精子间mtDNA拷贝数存在差异,活力越 差,mtDNA拷贝数越多。其增加的原因被认为是 长期过量的活性氧(ROS)刺激,引起线粒体呼吸 链功能受损,ATP合成受到抑制,为了弥补损伤 后的功能缺陷,其拷贝数代偿性增加。线粒体是 ROS的主要产生部位,少量适当的ROS有助于精 子获能和顶体反应[1州,但当ROS的产生超过了抗 氧化系统的清除与防御能力时,就会导致损伤。另 外,异常分化与成熟的精子拷贝数会增加[83。同时 也不排除3O 层存在少量杂质的影响。 二、mtDNA完整性分析 人类mtDNA是含有16 569个碱基的双链闭 合环状结构,编码呼吸链氧化磷酸化复合体中13 条多肽链及线粒体蛋白质合成所需的22种tRNA 和2种rRNA基因。目前研究发现精液中存在 mtDNA的缺失与突变_2]。本研究发现,mtDNA 完整性在质量差的精子中显著降低,与Song等__6] 的结论基本一致,不同之处在于后者得出mtDNA 强度的平均值为51.1,这与本研究的结果差异较 大。可能的原因:一是样本的选择标准不同,本研 究根据2010年wHO的标准选择精子样本;二是 本研究对样本进行了分层分析;三是所用的仪器设 备的差异。但两者结果一致,即少弱精子症组的 mtDNA完整性较正常组、弱精子症组及少精子症 组显著降低。 对于精子制备方法的选择,WHO的意见是在 严重少精子症、畸精子症或弱精子症,选择密度梯 度法,可以回收到更多的活动精子_4]。虽然Per— coil已不在临床使用,但在精子的基础研究中还普 遍应用l_1j。并且目前没有文献报道显示Percoll对 精子mtDNA有损伤。 总体来说,质量差的精子中存在mtDNA拷贝 数的增加及完整性减弱。目前普遍认为线粒体通过 氧化磷酸化供给精子能量,但也有学者提出了糖酵 解参与精子供能[】 ,在本研究中弱精子症组与正 常组活动精子mtDNA完整性及拷贝数差异并不 大,因此有理由怀疑线粒体产能对精子运动和功能 的重要性。目前针对男性不育的卵泡浆内单精子注 射技术(ICSI)使生育过程的某些阶段避开了自然 选择,也有可能回避了父系mtDNA从胚胎中去除 的机制,mtDNA疾病存在通过ICSI垂直传递给 后代的可能性。因此,研究精子mtDNA十分重 要,更有助于了解线粒体与男性不育的关系。 参考文献 [1]Piomboni P,Focarelli R,Stendardi A,et a1.The role of mitochondria in energy production for human sperm motility. 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