Life Metab | 束刚/江青艳揭示AKG/OXGR1信号通路在维持雄性生殖健康过程中发挥重要作用

不孕不育是一个全球性的公共卫生问题，与遗传缺陷、生活方式、营养以及影响生殖系统局部代谢和微环境的因素造成。附睾是雄性生殖系统中一种复杂的管状结构 【1】 ，从睾丸出来的精子必须进入附睾经历一系列结构、生化和功能的改变才能获得成熟并具备受精能力 【2】 。附睾对精子成熟的影响主要表现在对精子形态、精子运动、精子获能、精子顶体反应和受精能力的改变，而附睾精子成熟极易受到衰老 【3】 、应激 【4】 和局部代谢 【5】 等因素的影响。

2022年7月15日，华南农业大学动物科学学院束刚教授和江青艳教授课题组在Life Metabolism上发表题为 Smooth muscle AKG/OXGR1 signaling regulates epididymal fluid acid-base balance and sperm maturation 的研究， 揭示AKG/OXGR1信号通路在维持雄性生殖健康过程中发挥重要作用 。该研究首次确认OXGR1在附睾平滑肌中表达，其水平随着老化和热应激而下降。在OXGR1全身性敲除及附睾特异性敲除小鼠模型中的研究发现OXGR1对附睾精子成熟至关重要。机制研究表明附睾平滑肌AKG/OXGR1信号传导通过调节肾小管液中的酸碱平衡在精子成熟中起着重要的作用。更为重要的是，补充AKG对由衰老和热应激引起的附睾精子成熟障碍有益。

氧化戊二酸受体1 （Oxoglutarate receptor 1, OXGR1 ） 是一种感应三羧酸 （Tricarboxylic acid, TCA） 循环关键代谢中间产物α-酮戊二酸 （α-ketoglutarate acid, AKG） 的内源性受体。以往研究发现OXGR1在睾丸中表达量最高 【6】 ，但其在男性生殖系统中的细胞分布和生物学功能尚不清楚。因此，揭示雄性生殖系统中OXGR1的潜在功能，具有重要的临床意义和应用价值。

为研究OXGR1在附睾中的细胞定位和表达模式，作者发现OXGR1定位于附睾平滑肌细胞中，衰老和热应激均可显著下调附睾OXGR1蛋白表达。为进一步研究OXGR1在附睾中的生物学功能，作者构建了OXGR1全身性敲除 （OXGR1 global knockout，OXGR1-GKO） 小鼠模型，发现OXGR1-GKO可导致小鼠附睾头、体和尾三段附睾管形态畸变，附睾管管腔面积显著减小，且雄性OXGR1-GKO小鼠产活仔数显著降低。

由于精子在附睾移行过程中形态逐渐发生改变，且逐渐获得运动能力、获能和顶体反应的潜能 【7】 从而变得成熟并具备受精能力 【8】 。作者发现，OXGR1-GKO小鼠附睾头、体和尾部附睾管管腔中的大量精子出现了典型的发卡状弯曲形态，精子畸形率显著增加。使用CASA对附睾精子检测发现，OXGR1-GKO显著降低了精子活力、精子曲线运动速度VCL、精子平均路径速度VAP和精子头侧移幅度ALH。此外，OXGR1-GKO可显著降低部分获能和完全获能精子的百分比，显著增加不获能精子的百分比，降低附睾精子的自发顶体反应率。

为了排除小鼠其它组织中OXGR1对附睾精子成熟的代偿作用，作者进一步选用OXGR1^Flox/Flox转基因小鼠，并在其附睾部位注射AAV-Cre-GFP病毒，以构建OXGR1附睾特异性敲除模型 （Epididymal-specifically OXGR1 knockdown，OXGR1-eKD） 。WB和IF结果显示，附睾注射AAV-Cre-GFP病毒显著降低了附睾OXGR1蛋白表达且对睾丸OXGR1蛋白表达无显著影响，建模成功。随后作者研究发现，OXGR1-eKD小鼠的精子尾部也同样出现了发卡状弯曲形态，精子畸形率显著增加。此外，OXGR1-eKD显著降低了小鼠精子获能能力、精子自发顶体反应率、精子活力、精子VCL、精子ALH和精子VAP。综合OXGR1-GKO和OXGR1-eKD模型的相关数据，表明OXGR1在附睾精子成熟中起关键作用。

作为OXGR1的内源性激动剂，AKG已被证明在延长寿命 【9】 ，维持肠道健康 【10】 ，降低肥胖风险 【11】 和通过表观遗传激活巨噬细胞 【12】 等方面具有重要调控作用。作者研究发现，衰老小鼠附睾精子畸形率显著增加，精子获能能力和自发顶体反应率显著降低。而饮水添加2% AKG可显著降低衰老小鼠附睾精子畸形率，增加精子获能能力和自发顶体反应率。在热应激小鼠模型中，60%相对湿度（RH）、35℃环境下热应激3 h可显著增加小鼠附睾精子畸形率，显著降低精子获能和自发顶体反应率。而饮水添加2%AKG可有效缓解热应激引起的精子畸形率升高和自发顶体反应率降低，但未能有效改善热应激引起的精子获能能力降低。

附睾平滑肌在精子成熟中发挥着重要作用，主要是通过促进跨上皮K⁺分泌来调节附睾液微环境从而影响精子成熟 【13】 。作者通过实验证实，AKG可通过OXGR1促进附睾平滑肌细胞内内质网Ca²⁺释放，进而上调胞内Na⁺-HCO₃^-共转运载体NBCe1的表达，从而影响HCO₃^-转运和附睾液酸碱平衡，并最终影响精子成熟 。

该研究首次发现附睾平滑肌可通过AKG/OXGR1信号通路调节局部微环境酸碱平衡和精子成熟，提示平滑肌样细胞新功能。同时该研究也表明平滑肌AKG/OXGR1信号通路可以逆转衰老和热应激诱导的雄性生殖能力降低，这为靶向治疗衰老和热应激引起的男性生殖能力降低提供了潜在策略 （图1） 。

图1 附睾平滑肌AKG/OXGR1信号通路调节局部微环境酸碱平衡和精子成熟

华南农业大学动物科学学院徐畅硕士、袁业现博士和张姹硕士为本文共同第一作者，束刚和江青艳教授为本文共同通讯作者。

原文链接：

https://academic.oup.com/lifemeta/advance-article/doi/10.1093/lifemeta/loac012/6643838

制版人：十一

参考文献

[1] PAL P, BISWAS S, MUKHOPADHYAY P K. Molecular perspective concerning fluoride and arsenic mediated disorders on epididymal maturation of spermatozoa: A concise review. Hum Exp Toxicol, 2021; 9603271211021474.

[2] AITKEN R J, NIXON B, LIN M, et al. Proteomic changes in mammalian spermatozoa during epididymal maturation. Asian J Androl,2007; 9:554-564.

[3] SLOTER E, SCHMID T E, MARCHETTI F, et al. Quantitative effects of male age on sperm motion. Hum Reprod, 2006; 21:2868-2875.

[4] BISHT S, FAIQ M, TOLAHUNASE M, et al. Oxidative stress and male infertility. Nat Rev Urol, 2017; 14:470-485.

[5] USDIN T B, BONNER T I, HARTA G, et al. Distribution of parathyroid hormone-2 receptor messenger ribonucleic acid in rat. Endocrinology, 1996; 137:4285-4297.

[6] HE W, MIAO F J P, LIN D C H, et al. Citric acid cycle intermediates as ligands for orphan G-protein-coupled receptors. Nature, 2004; 429:188-193.

[7] ZHOU Y, WU F, ZHANG M, et al. EMC10 governs male fertility via maintaining sperm ion balance. J Mol Cell Biol, 2018; 10:503-514.

[8] SULLIVAN R, MIEUSSET R. The human epididymis: its function in sperm maturation. Hum Reprod Update, 2016; 22:574-587.

[9] SU Y, WANG T, WU N, et al. Alpha-ketoglutarate extends lifespan by inhibiting mTOR and activating AMPK. Aging (Albany NY), 2019; 11:4183-4197.

[10] LI S, FU C, ZHAO Y, et al. Intervention with -Ketoglutarate Ameliorates Colitis-Related Colorectal Carcinoma via Modulation of the Gut Microbiome. Biomed Res Int, 2019; 2019:8020785.

[11] YUAN Y, XU P, JIANG Q, et al. Exercise-induced α-ketoglutaric acid stimulates muscle hypertrophy and fat loss through OXGR1-dependent adrenal activation. EMBO J, 2020; 39:e103304.

[12] LIU M, CHEN Y, WANG S, et al. α-Ketoglutarate Modulates Macrophage Polarization Through Regulation of PPARγ Transcription and mTORC1/p70S6K Pathway to Ameliorate ALI/ARDS. Shock, 2020; 53:103-113.

[13] GAO D-D, XU J-W, QIN W-B, et al. Cellular Mechanism Underlying Hydrogen Sulfide Mediated Epithelial K Secretion in Rat Epididymis. Front Physiol, 2018; 9:1886.

（可上下滑动阅览）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。