陈强根，杨喆清，高 凡，曹诗雯，朱 琳，王雪楠，潘晓燕*

(1.吉林医药学院生殖医学研究中心，吉林 吉林 132013；2.济宁医学院附属医院生殖科，山东 济宁 272029)

男性不育是一种由多因素引起的复杂病症，主要为精子发生障碍和精子成熟异常，85%的男性不育症为精子生成障碍，表现为精液质量异常[1]。精子发生是一个复杂的、高度精准调控的过程。研究发现在基因序列没有发生改变的情况下，精子中仅存的5%～15%的组蛋白修饰异常也是导致男性不育的重要因素。组蛋白修饰可改变染色体结构、调控基因转录，影响生精过程和男性的生育能力，是表观遗传学研究的重要方向之一[2]。本文就精子发生过程中的组蛋白主要修饰方展开综述，为相关研究奠定基础。

1 精子发生过程中的组蛋白甲基化修饰

组蛋白甲基化发生在组蛋白H3和H4的N端氨基酸残基上。赖氨酸残基能发生单、双、三甲基化修饰，精氨酸残基可形成单、双甲基化修饰，这些不同程度的甲基化修饰大大地增加了组蛋白甲基化修饰的复杂性。组蛋白精氨酸甲基化修饰主要参与基因转录激活调控，H3和H4精氨酸甲基化丢失导致基因沉默；而组蛋白赖氨酸甲基化对基因表达的调控与赖氨酸甲基化位点和甲基化程度有关[3]，H3第4位的赖氨酸甲基化参与基因激活的调控，而第9位和第27位赖氨酸甲基化与基因沉默有关[4]。这些不同位点和不同程度的组蛋白甲基化修饰在基因表达和染色体结构方面起了重要调控作用。

精子发生是一个高度分化且复杂的过程。组蛋白甲基化在精子发生过程中，如生精细胞增殖、分化和精子形成的染色体动态变化中起了重要的调控作用。敲除H3K4甲基转移酶MII2基因，将会导致精原干细胞不能发育分化，使睾丸失去精子发生的能力[5]。An等在未分化精原细胞和已分化精原细胞中发现H4K20不同的甲基化修饰水平，甲基化组蛋白参与了精原细胞分化的调控[6]。Li等在精母细胞减数分裂染色体的不同区域发现了不同表达水平的H3K4me3、H3K9me1、H3K4me3和H4K20me3，其调控着精母细胞的分化[7]。H3K4me2表达于各类生精细胞中，参与整个生精过程的调控。小鼠睾丸中组蛋白去甲基化酶KDM1A的过表达，会造成H3K4me2丢失，使其调控的2300多个基因表达异常，严重影响后代的发育和存活[8]，且在后代的精子中也出现组蛋白甲基化的异常。同时发现，H3K9去甲基化酶的失活可引起生殖细胞大量凋亡，干扰细长精子形成，最终引起睾丸的严重缩小和不育[9]。而H3K9的去甲基化酶JHDM2A的失活会导致鱼精蛋白1表达完全缺失，造成精子染色质凝聚缺陷[10]。精母细胞中H3K27me3受组蛋白甲基转移酶EZH1和EZH2的调控，同时抑制EZH1和EZH2的表达，会导致精母细胞中H3K27me3的缺失和减数分裂阻滞[11]。精子组蛋白甲基化修饰酶的遗传突变，不仅会影响雄性的生殖过程，而且会遗传给后代，影响后代的精子发生。研究发现一些有毒的环境污染物会干扰精子的发生过程，造成睾丸生精功能障碍。环境内分泌干扰剂双酚A会降低生精细胞中H3K9me2的修饰水平，破坏精原细胞的自我更新能力和精母细胞的减数分裂能力[12]。低剂量的多菌灵可扰乱生精细胞中的H3K27的甲基化水平，降低精子活力[13]。空气中的污染物H2S和NH3通过干扰生精细胞中的组蛋白甲基化和DNA甲基化，降低雌激素和睾酮的合成水平，进而扰乱精子发生[14]。

2 精子发生过程中的组蛋白乙酰化修饰

乙酰化修饰是在组蛋白乙酰化酶(histone acetyltransferases,HATs)的作用下，在组蛋白N-末端的特定赖氨酸残基上引入乙酰基，使得核小体的结构松弛，有利于基因转录。组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)能逆转HAT的作用，使转录因子无法发挥作用，基因转录被抑制[15]。

精子形成过程中HATs和HDACs共同调控精子组蛋白的乙酰化水平。研究发现精子DNA分裂指数与HATs活性呈正相关，正常精子形态比例与HDACs指数呈负相关[16]。Sonnack等研究发现不育男性精子细胞中H4乙酰化水平显著降低，与被损伤的精子发生有关[17]。此外，鱼精蛋白P1/P2的比率也与男性的生育能力密切相关。正常情况下P1/P2比率接近0.9，一旦该比例异常，将显著降低精子的受精能力[18]。在精子发生过程中，组蛋白乙酰化以特定的方式调控生精细胞的发育，异常的组蛋白乙酰化修饰会使得睾丸生精功能异常，引起男性生精障碍。

3 精子发生过程中的组蛋白磷酸化修饰

组蛋白磷酸化作为一类重要的翻译后修饰，其在雄性配子的染色质功能调控、核包装和减数分裂进程的调控等方面也发挥了重要作用。组蛋白上有多个位点可发生磷酸化修饰，主要在组蛋白H3和H4的丝氨酸残基上。组蛋白磷酸化修饰是一个可逆过程。在有丝分裂间期，组蛋白H3的磷酸化程度很低，在G2晚期组和M期组蛋白H3开始发生磷酸化，并参与染色体折叠、压缩和包装。组蛋白H2A磷酸化在染色质的浓缩和G1/S转变过程中的转录激活过程中起着重要的调控作用[19]。

初级精母细胞在第一次减数分裂前期会发生组蛋白H2AX磷酸化修饰的周期性变化，共存在三波H2AX磷酸化信号的增强。而组蛋白乙酰转移酶MOF参与调控着上述三波H2AX磷酸化信号的扩散，维持着精母细胞减数分裂的顺利进行[20]。因此，如果在精母细胞发育过程中组蛋白的磷酸化修饰异常，将会导致精母细胞的减数分裂失败，睾丸生精功能紊乱。

4 精子发生过程中的组蛋白泛素化修饰

组蛋白泛素化修饰是组蛋白翻译后修饰的一种。泛素是由76个氨基酸组成的小分子蛋白质，其在泛素化酶的作用下对翻译后的蛋白质进行泛素化修饰。泛素连接酶HR6B底物泛素化失调是导致男性不育的重要原因之一[21]。Baarends等发现在粗线期精母细胞中组蛋白泛素化修饰增强，尤其在X染色体和Y染色体上，该修饰与染色质转录抑制密切相关[22]。泛素连接酶在性腺细胞、精原细胞和精母细胞等生殖细胞中持续表达，其中泛素连接酶Huwe1可通过调节γ-H2AX的表达水平和防止DNA损伤反应的过度激活来维持精原细胞的特性[23]。如果将雄性生殖细胞中Huwe1进行特异性失活，将会引起性腺细胞组蛋白泛素化修饰异常，影响性腺细胞的有丝分裂，抑制其向精原细胞的转化[24]。另外，在精原细胞分化过程中，Huwe1的特异性失活会导致精原细胞的耗竭和前细线期精母细胞的增多，破坏精原干细胞库的建立和维持，从而导致成年睾丸中精原细胞减少，无法形成正常数量的精子，最终导致无精子症或少弱精子症等[24]，引起男性不育。

5 精子发生过程中巴豆酰化修饰

在精子发生过程中，除了受组蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化修饰的调控，巴豆酰化修饰是一种新型的组蛋白翻译后修饰方式[25]。在精子发生过程中组蛋白巴豆酰化修饰富集于睾丸特异性基因转录起始位点，是性染色体相关基因活跃转录的标志[25]。CDYL(chromodomain Y-like transcription corepressor)为巴豆酰辅酶的水合酶，对组蛋白巴豆酰化修饰进行负调控，在CDYL过表达的小鼠中发现其组蛋白巴豆酰化水平下降，小鼠附睾精子数量显著减少、精子活力明显降低[26]。有研究表明，组蛋白H3和H4的赖氨酸残基乙酰化修饰与巴豆酰化修饰位点有所重叠。当这两种修饰标记都存在时，二者会协同作用，增强对基因表达的调控；而当它们单独进行修饰时，各自会有特异的选择性结合位点[26]。它们在雄性生殖细胞减数分裂期间和减数分裂后的精子细胞中，激活与发育相关的基因，使其摆脱性染色体的转录抑制状态，调控和维持着生精细胞发育。

研究发现在基因序列不变的情况下，父系生精细胞表观遗传异常不仅会影响精子生成而导致男性不育，而且直接会影响到受精后的胚胎发育，导致早期流产、胚胎发育异常和出生缺陷等遗传表型。组蛋白的翻译后修饰在生精细胞发育和精子形成等过程中发挥着重要的调控作用，在精子发生过程中组蛋白修饰异常会引起精子缺失、精子畸形或少弱精子等病症。进一步加深对精子发生过程中组蛋白修饰调控作用的研究，将对男性不育的预防和治疗以及一些遗传性疾病的诊治提供重要的理论依据。