高分辨率成像揭示少弱精子症男性精子线粒体蛋白失衡

男性不育占全球不育病例的近半数，常与少精症、弱精症及畸形精子症等精子质量异常密切相关。尽管确切机制尚未完全阐明，线粒体作为受精过程中ATP生成及活性氧产生的关键细胞器，日益被认为是男性不育的重要参与者，但其相关研究仍不充分。ATP合成依赖于呼吸链复合物在线粒体内膜建立质子梯度，驱动F0F1-ATP合酶（F0F1-ATP synthase）工作，这些复合物的化学计量比由核基因组与线粒体基因组共同编码，对高效能量代谢至关重要。然而此前尚无研究直接将线粒体蛋白表达与精子质量关联。由于精子线粒体体积小且呈螺旋状，对其成像极具挑战性，而这又是理解精子功能的关键。本研究采用单精子免疫标记结合高分辨率显微镜技术，探究线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）蛋白在精子质量中的作用，比较少弱精子症（oligoasthenospermia, OA）患者与精液参数正常对照者的精子。研究发现，OA组精子中线粒体基因组编码的细胞色素c氧化酶亚基1（cytochrome c oxidase subunit 1, MT‑CO1）水平升高，而F0F1-ATP合酶亚基显著减少。这种失衡可能导致线粒体功能障碍，提示需深入探索相关病理生理机制，因其可能影响精子功能与生育力。初步结果表明，这有望为鉴定男性不育新型生物标志物提供潜在路径。

研究背景方面，全球约六分之一的夫妇受不育问题困扰，男女因素各占一半。男性不育常表现为少精症、弱精症及畸形精子症，其分子机制尚未完全明确。线粒体作为精子能量代谢的核心，通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP，维持鞭毛运动、获能及穿透卵母细胞的能力。人类精子线粒体位于鞭毛中段，呈螺旋状排列，结构独特但研究受限，既往多聚焦于群体水平，缺乏单精子高分辨率分析。此外，线粒体呼吸链复合物的核质基因组协调表达及其化学计量平衡对功能至关重要，但其在男性不育中的作用尚不清楚。该研究发表于《Molecular Reproduction and Development》，旨在填补这一空白。

关键技术方法方面，研究人员纳入2024年至2025年第一季度于法国昂热大学医院生殖生物学实验室就诊的22例男性精液样本，其中9例为精液参数正常的对照组，8例为符合WHO标准的少弱精子症组，另5例用于电镜分析。采用密度梯度离心处理精液，结合单精子免疫荧光标记、全内反射荧光显微镜（TIRF）、透射电子显微镜及免疫金标记技术，对线粒体呼吸链关键蛋白进行定量与超微结构观察，并使用非参数统计方法分析组间差异。

研究结果方面，3.1 人群特征显示两组年龄、体重指数及吸烟状态无显著差异，而少弱精子症组在精子浓度、前向运动率、总活动精子数及正常形态比例上均显著降低。3.2 荧光显微镜分析显示，少弱精子症组精子中MT‑CO1信号显著升高，而F₀F₁-ATP合酶的线粒体编码亚基MT‑ATP8与核编码亚基ATP5B均显著降低，该趋势在典型与非典型形态精子中均存在。线粒体面积分析显示，少弱精子症组线粒体区域较对照组增大，提示结构改变。3.3 电子显微镜分析证实，形态异常精子中段线粒体常出现嵴缺失、基质稀疏或排列紊乱，异常线粒体比例显著高于形态正常精子。

讨论与结论方面，研究人员指出，线粒体呼吸链复合物IV（细胞色素c氧化酶）活性增强与F₀F₁-ATP合酶亚基减少之间的失衡，会削弱质子梯度向ATP的转化效率，导致膜电位升高、电子传递链受阻及活性氧过量生成，进而损害精子功能。F₀F₁-ATP合酶亚基减少还可能破坏线粒体内膜结构与嵴的形成，与电镜观察到的超微结构异常相符。MT‑CO1的上调可能是线粒体在功能受损时的特异性代偿反应，而F₀F₁-ATP合酶缺陷则是少弱精子症的重要病理特征。线粒体面积增大可能反映功能补偿或结构肿胀。综上，该研究首次在单精子水平揭示了少弱精子症患者精子中线粒体氧化磷酸化蛋白的化学计量失衡与结构异常，为理解男性不育的分子机制提供了新视角，并为开发基于线粒体功能的新型诊断标志物奠定了基础。