褚　慧 綜述，王乾興 審校（遵義醫(yī)學院細胞生物學教研室，貴州遵義563000）

·綜述·

錳的雄性生殖毒理效應及其機制研究進展*

褚慧 綜述，王乾興 審校
（遵義醫(yī)學院細胞生物學教研室，貴州遵義563000）

錳中毒；精子；精細胞；睪丸；細胞凋亡；綜述

錳作為一種古老的職業(yè)危害因素和環(huán)境污染物，其來源多樣，用途廣泛。與錳相關的行業(yè)，如采礦、精煉、干電池生產、焊接等領域均可增加人類的錳暴露水平。近年來，無鉛汽油及殺真菌劑的廣泛使用更加大了空氣、土壤和食物的錳污染的程度。機體長期低劑量的錳暴露會引起職業(yè)性慢性錳中毒［1］。近年來的人群調查顯示，錳可對接觸錳男工的生殖功能造成很大的影響，嚴重降低其的生殖能力，接觸錳的男工其妻子自然流產率和死胎率可隨著其丈夫接觸錳時間的增長而升高［2］。部分男工在接錳后可出現(xiàn)陽瘺、早泄、性欲改變、生精困難等癥狀［3］。另有報道發(fā)現(xiàn)，錳對職業(yè)暴露男工精子有直接損傷作用，高濃度接錳（0.94 mg/m3）男工的子女出生數(shù)量明顯減少，而低濃度接錳（0.14 mg/m3）的男工精子數(shù)量、精子活力、精液濃度和活動精子百分比明顯降低［4］。因此，錳對人體生殖系統(tǒng)的影響和危害已成為人們關注的熱點。現(xiàn)將錳的雄性生殖毒性研究綜述如下。

1　錳對睪丸的影響

1.1對睪丸的形態(tài)學影響錳對睪丸損傷的形態(tài)學影響主要體現(xiàn)在對精子發(fā)生、曲細精管上皮結構及間質細胞的影響，表現(xiàn)為精原細胞核固縮，精子細胞、次級精母細胞發(fā)育障礙，細胞膜皺縮，核固縮或出現(xiàn)空泡，間質細胞出現(xiàn)核固縮，少數(shù)支持細胞脫落。

1.2睪丸組織生化的改變錳作用于機體后可引起睪丸組織生化改變，這些變化注要體現(xiàn)在曲細精管的酶系統(tǒng)和睪丸的氧化應激狀態(tài)，即可引起睪丸內抗氧化酶活性的降低，細胞內活性氧（ROS）的氧化應激狀態(tài)增加［5］。有報道稱，錳暴露可明顯降低雞睪丸細胞內過氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的活性，抑制羥自由基（·OH）的活性，引起睪丸組織病理改變，最終使細胞凋亡增加［6］。

2　錳對生精細胞的影響

錳對生精細胞的影響主要表現(xiàn)在對動物生精上皮細胞數(shù)、精子數(shù)量、畸形率和活動度等產生嚴重的影響［7］。郭海等［8］通過對健康SD大鼠腹腔注射氯化錳（每天1次，每周 5 d，共計 4周）的研究發(fā)現(xiàn)，染錳 15 mg/kg組與30 mg/kg組28 d時小鼠精子畸形率均升高，而染錳56 d時升高更顯著，提示染錳15 mg/kg 28 d已經造成小鼠睪丸生精功能的明顯損害。此外，張先平等［9］研究發(fā)現(xiàn)，大鼠腹腔注射15、30 mg/kg氯化錳溶液可導致大鼠生精細胞凋亡指數(shù)（apoptosis index，AI）增加、生精細胞增殖指數(shù)（proliferating index，PI）降低。錳還可誘導大鼠生精細胞細胞色素C（cyto-C）和支持細胞波形蛋白（vimentin，VM）的表達，抑制生精細胞增殖，從而產生生殖毒性效應［10］。

3　錳對性腺激素的影響

錳能引起多巴胺（DA）和5-羥色胺（5-HT）含量減少［11］，降低DA和5-HT對促卵泡生成激素（FSH）、促黃體生成素（LH）的抑制作用，引起FSH和LH濃度升高，下丘腦受循環(huán)中性激素水平的負反饋作用，致使血中睪酮濃度降低、LH和FSH濃度升高，從而導致睪酮分泌減少。有研究發(fā)現(xiàn)，長期低劑量的錳暴露可導致接錳工人的血清中的泌乳素（PRL）、促甲狀腺激素（TSH）、促黃體激素（LH）水平下降，并在一定程度上影響神經內分泌激素的代謝［9］。

4　錳對睪丸酶系統(tǒng)的影響

錳可抑制機體多種酶的活性，尤其抑制含鋅酶、含巰基酶和能量代謝酶的活性，干擾曲細精管細胞的能量合成，使曲細精管葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的活性降低，曲細精管生精細胞變性壞死，從而影響雄性生殖能力。錳通過抑制乳酸脫氫酶同工酶LDHx，阻礙精子能量來源，干擾粗線期初級精母細胞的減數(shù)分裂，進而影響精子的數(shù)量和活動力［12］。適量的錳可在生物體內對抗氧自由基，激活細胞色素氧化酶P450（CYP450）的活性，進而引起細胞死亡［13］。

5　錳與線粒體凋亡途徑

線粒體是細胞內主要的ATP生產場所，具有高度動態(tài)的網狀結構，可通過持續(xù)的融合、分裂來維持平衡，可介導細胞凋亡［14］，在人的衰老細胞、癌癥細胞凋亡及信號轉導過程中起著非常重要的作用。大量的研究表明，錳對線粒體有特殊的親和力［15］。錳作用后，細胞可通過線粒體發(fā)生凋亡，表現(xiàn)出細胞凋亡的各種形態(tài)特征，即胞質濃縮、DNA大規(guī)模片段化、細胞膜內陷形成凋亡小體。

5.1線粒體膜通透性的改變線粒體通透性轉換孔（MPTP）位于線粒體內外膜之間，由多個蛋白質組成，在線粒體內外信息交流中占據(jù)重要地位。MPTP的開放可引起線粒體跨膜電位的消失、基質的Ca2+外流，超氧離子產生caspase家族激活因子，將caspase激活，caspase激活后又可增加膜的通透性。MPTP的開放是一個自我放大的過程，其可以加速細胞的凋亡，而且可以協(xié)調某些凋亡反應［16］。

5.2錳與cyto-C正常情況下，cyto-C是一個定位于線粒體定位序列（IMS）的水溶性蛋白質，可穩(wěn)定地結合于線粒體內膜，但不能通過外膜。cyto-C的釋放是細胞凋亡的關鍵步驟，其可在脫氧腺苷三磷酸（deoxyadenosinetriphosphate，dATP）存在的情況下，與凋亡蛋白酶活化因子-1（apoptosis protease activating factor 1，Apaf-1）結合，并形成多聚體，促使caspase前體蛋白（pro-caspase）與其結合為凋亡小體，其中主要是與caspase-9前體蛋白（pro-caspase-9）結合，從而激活caspase-9，被激活的caspase-9又能夠激活其他caspase，如caspase-3等，進而導致細胞發(fā)生凋亡［17］。畢明玉等［18］發(fā)現(xiàn)，隨著染錳濃度的增加，雞支持-生精細胞細胞質內cyto-C表達量逐漸增加，caspase-3和caspase-9活力也顯著增高，說明錳可能通過提高線粒體膜通透性，使cyto-C釋放入細胞質，從而激活caspase-3介導的雞支持-生精細胞發(fā)生凋亡。Kilia等［19］報道發(fā)現(xiàn)，錳可破壞線粒體功能，釋放cyto-C，介導細胞凋亡，引起錳對雞生殖毒性作用。

5.3錳與線粒體融合、分裂蛋白線粒體融合、分裂的平衡對線粒體形態(tài)和功能的保持有著非常重要的作用，而這種平衡的打破總是伴隨著線粒體的功能障礙［16］。有研究表明，錳對線粒體有特殊的親和力［20］，線粒體融合增多可導致線粒體狹長、網絡狀，有利于線粒體膜電位的快速傳遞和物質的交換［21］，對細胞起到一定的保護作用。相反，線粒體融合蛋白OPA1的突變可導致線粒體的膨脹和拉伸，局部異常收縮，線粒體嵴急劇解體、膜電位耗散、線粒體脆片化，促cyto-C的釋放，從而引起細胞凋亡［22］。線粒體分裂增多可導致其片段化，膜電位的下降，呼吸功能的減退，ATP生成減少，最終引起細胞凋亡［23］。動力相關蛋白1（DRP1）的功能喪失可導致線粒體分裂失敗，細胞質移動不完全，這些改變最終導致子代細胞線粒體結構的異常［24］?；蚯贸鼶RP1則會導致線粒體長度的拉伸，線粒體片段化被阻止，延誤細胞的死亡過程［25］。

因此，線粒體在錳誘導的細胞凋亡的調控中起著十分重要的作用。促凋亡因子作用于線粒體后，引起MPTP過度開放，線粒體的融合、分裂平衡被打破，從而導致線粒體片段化、ATP生成減少、跨膜電位降低，cyto-C、凋亡誘導因子（AIF）、B淋巴細胞瘤-2基因（Bcl-2）家族及膜間隙中的pro-caspase等從線粒體釋放到膜間隙中，與此同時Bcl-2相關X蛋白（Bax）活化并插入到線粒體外膜中，Cyto-C激活caspase，促凋亡蛋白釋放，細胞進入凋亡程序。

6　小結與展望

錳在動物體內含量雖微乎其微，但與動物的生命活動息息相關。長期低劑量的錳暴露可導致雄性精子數(shù)量、密度、質量及活性降低，啟動線粒體凋亡途徑，影響生殖功能。因此，研究錳對人類生殖健康的負面效應及其相關機制具有時間緊迫性，需要進行進一步更深入的研究。

［1］Sriram K，Lin GX，Jefferson AM，et al.Modifying welding process parameters can reduce the neurotoxic potential of manganese-containing welding fumes［J］.Toxicology，2015，328（2）：168-178.

［2］Gunier RB，Mora AM，Smith D，et al.Biomarkers of manganese exposure in pregnant women and children living in an agricultural community in California［J］.Environ Sci Technol，2014，48（24）：14695-14702.

［3］Ellingsen DG，Chashchin V，Haug E，et al.An epidemiological study of reproductive function biomarkers in male welders［J］.Biomarkers，2007，12（5）：497-509.

［4］Wirth JJ，Rossano MG，Daly DC，et al.Ambient manganese exposure is negatively associated with human sperm motility and concentration［J］. Epidemiolagy，2007，18（2）：270-273.

［5］張先平，王乾興，才秀蓮，等.錳對大鼠睪丸抗氧化能力及生精細胞凋亡的影響［J］.中國計劃生育學雜志，2007，15（7）：408-410.

［6］Liu XF，Zhang LM，Guan HN，et al.Effects of oxidative stress on apoptosis in manganese-induced testicular toxicity in cocks［J］.Food Chem Toxicol，2013，60：168-176.

［7］才秀蓮，李興升，李季蓉，等.錳對小鼠精子數(shù)量、畸形率和活動度影響［J］.中國公共衛(wèi)生，2007，23（1）：104-105.

［8］郭海，李興升，才秀蓮，等.染錳鼠28天與56天生精功能相關指標比較研究［J］.遵義醫(yī)學院學報，2007，30（1）：4-7.

［9］張先平，才秀蓮，王乾興，等.錳對大鼠生精細胞凋亡與增殖的影響［J］.毒理學雜志，2007，21（3）：176-179.

［10］郭海，才秀蓮，王國秀.細胞色素C和波形蛋白在染錳大鼠睪丸表達及對精子發(fā)生的抑制作用［J］.解剖學研究，2015，37（1）：18-21.

［11］Vorhees CV，Graham DL，Amos-Kroohs RM，et al.Effects of developmental manganese，stress，and the combination of both on monoamines，growth，and corticosterone［J］.Toxicol Rep，2014，1：1046-1061.

［12］Wang C，Lu JP，Jiang YM，et al.Effects of low level manganese exposure on the serum neuroendocrine hormones in the welders［J］.Zhonghua Lao Dong Wei Sheng Zhi Ye Bing Za Zhi，2011，29（2）：94-97.

［13］吳衛(wèi)平.錳的雄性生殖毒性［J］.國外醫(yī)學·衛(wèi)生學分冊，1990，17（6）：324-326.

［14］孫統(tǒng)達，聶國本.錳對男工的生殖毒性［J］.勞動醫(yī)學，1995，12（2）：46-48.

［15］Lin HH，Hsu HL，Yeh NH.Apoptotic cleavage of NuMA at the C-terminal end is related to nuclear disruption and death am plification［J］.Biomed Sci，2007，14（5）：681-694.

［16］Bernardi P，Krauskopf A，Basso E，et al.The mitochondrial permeability transition from in vitro artifact to disease target［J］.FEBS J，2006，273（10）：2077-2099.

［17］Kim J，Parrish AB，Kurokawa M，et al.Rsk-mediated phosphorylation and 14-3-3ε binding of Apaf-1 suppresses cytochrome c-induced apoptosis［J］. EMBO J，2012，31（5）：1279-1292.

［18］畢明玉，李金龍，李術，等.線粒體凋亡途徑在錳致雞支持-生精細胞凋亡中的作用［J］.畜牧獸醫(yī)學報，2010，41（4）：500-504.

［19］Kalia K，Zheng W，Jiang W.Importance of mitochondria in manganeseinduced cellular toxicity［J］.Neurotoxicology，2009，30（4）：727.

［20］Alaimo A，Gorojod RM，Kotler ML，et al.The extrinsic and the intrinsic apoptotic pathways are involved in manganese toxicity in rat astrocytoma C6 cells［J］.Neurochem Int，2011，59（2）：297-308.

［21］Lee H，Yoon Y.Transient contraction of mitochondria induces depolarization through the inner membrane dynamin OPA1 protein［J］.J Biol Chem，2014，289（17）：11862-11872.

［22］Varanita T，Soriano ME，Romanello V，et al.The OPA1-dependent mitochondrial cristae remodeling pathway controls atrophic，apoptotic，and ischemic tissue damage［J］.Cell Metab，2015，21（6）：834-844.

［23］Xu Z，Zhang L，Li X，et al.Mitochondrial fusion/fission process involved in the improvement of catalpol on high glucose-induced hepatic mitochondrial dysfunction［J］.Acta Biochim Biophys Sin（Shanghai），2015，47（9）：730-740.

［24］Horm，Thomenius MJ，Johnson ES，et al.Regulation of mitochondrial morphology by APC/CCDH1-mediated control of DRP1 stability［J］.Mol Biol Cell，2011，22（8）：1207-1216.

［25］Alaimo A，Gorojod RM，Beauquis J，et al.Deregulation of mitochondriashaping proteins Opa-1 and Drp-1 in manganese-induced apoptosis.s［J］. Plos One，2014，4，9（3）：e91848.

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.07.016

A

1009-5519（2016）07-1007-03

國家科技部科技基礎性工作專項基金（2013FY110500）；貴州省自然科學基金（黔科合J字［2011］2282）。

（2015-12-30）