男性不育症在人群中发生率为10%左右，其中单属女方因素约为50%，单纯男方因素约为30%，男女共有因素为20%。就男性不育来说，精子的质量和运动性对于受孕非常重要，因为只有具有前进运动的精子才可能具有正常的生存能力和受精能力。那么哪些因素影响精子的形态、质量和运动性和育性呢？
近日，清华大学陈立功团队研究发现，SLC22A14是一个位于精子中段线粒体内膜的核黄素转运蛋白。如果缺乏这种蛋白将会干扰黄素酶功能，从而抑制氧化磷酸化并重组精子能量代谢，导致雄性不育。该研究近期发表在Cell Reports上。
i研究人员用大鼠进行实验，敲除野生型大鼠精子中的Slc22a14基因，结果发现脂肪酸β氧化过程出现问题，酰基肉碱和柠檬酸循环代谢物水平显著降低，但是甘油三酯和游离脂肪酸水平不断累积，产生三磷酸腺苷（ATP）总量下降。这说明Slc22a14是在精子脂肪酸β氧化和使精子产生能量和运动能力的过程中起调节作用的重要基因。有趣的是，用缺乏核黄素的饮食饲喂野生型大鼠，大鼠的精子与敲除Slc22a14的大鼠精子的状况相似。这一现象说明改变核黄素浓度会引起精子形态和生物能的异常。
精子是高速运动的，它们持续的运动表明它们需要ATP的量很大，尤其是附睾和射出的精子。ATP由精子糖酵解和氧化磷酸化代谢途径产生，糖酵解发生在精子主段和头部的纤维鞘，氧化磷酸化发生在精子鞭毛中段细胞线粒体。在精子中糖酵解酶位于精子主段的纤维鞘。
运动相关的ATP是在线粒体中段产生或在整个精子主段中大量存在。在附睾精子成熟过程中，除了糖酵解，脂肪酸β氧化（FAO）也参与能量产生。人类精子尾部亚细胞蛋白质组已经被揭开，科学家用代谢组方法研究发现，碳水化合物途径和脂与脂蛋白途径是人精子中最为活跃的。脂肪酸代谢主要参与精子能量代谢和精子运动。精子中FAO的研究方面仍未有进展，但有研究发现FAO在精子质量和雄性可育方面有很多作用。
敲除Slc22a14引起精子运动力、形态异常，造成雄性大鼠不育。（A）在大鼠和人睾丸中Slc22a14的mRNA水平，红色：大鼠，蓝色：人；（B）敲除Slc22a14后的基因图谱；（C）使用标准方法对于野生型雌性大鼠交配的雄性大鼠育性分析结果，WT：野生型雄性大鼠，KO：敲除Slc22a14的雄性大鼠；（D）正常精子鞭毛（上）和敲除Slc22a14精子改变了角度的鞭毛（下）的扫描电镜（i和iii）和投射电镜（ii和iv）图像；（F和G）（F）用完整卵母细胞体外受精，（G）敲除Slc22a14精子不能发育产生具有育性的卵母细胞，甚至用人工辅助方法也不能；（H）用卵丘细胞计算雄性大鼠体外受精成功率；（I）出生率评价，WT：野生型雄性大鼠，KO：敲除Slc22a14基因的雄性大鼠；（J）附睾精子顶体免疫荧光染色结果，蓝色：使用DAPI，红色：使用sp56；（K）精子运动参数测定，VAP：平均路径速度；VSL：直线速度；ALH：头部侧向位移幅值；BCF：鞭打频率；STR：单元格轨迹直线度；LIN：细胞径迹线性。
SLC22A14是一种核黄素（Rf）转运蛋白。（A）HEK-SLC22A14细胞系线粒体代谢组中Rf和Rf衍生化合物水平；（B）精子线粒体Rf含量检测结果；（C）HEK-EV、HEK-hSLC22A14和HEK-mSlc22a14三种细胞系对放射性Rf的吸收；（D和E）基于PDB：6H7D模板功能区表示法的（D）人SLC22A14同源蛋白3D结构模型和（E）大鼠Slc22a14蛋白结构。（i）人SLC22A14蛋白N端结构域的跨膜区，（iv）大鼠SLC22A14蛋白N端结构域的跨膜区，均由深色表示，（ii）人SLC22A14蛋白C端结构域，用浅色表示，整个模型是外闭塞构造，表面有与Rf对接的区域；（iii）人SLC22A14蛋白中央结合区域处于关闭状态和（vi）大鼠SLC22A14蛋白中央结合区域处于SLC22A14结合核黄素的结合状态。
而Slc22a14基因引起大鼠雄性不育机制如下：核黄素是黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）的前体，是FAO、三羧酸（TCA）循环、呼吸电子传递链（ETC）复合体I和II中许多能量相关酶的辅酶。在精子中段细胞中剪除Slc22a14基因干扰核黄素向线粒体中转运，使FAD和FMN量减少，抑制黄素酶的数量和活性。结果FAO和氧化磷酸化（OXPHOS）都放慢，ATP产生不足，需要通过糖酵解水平提高来补充ATP量的不足。
总之，这项研究证实了SLC22A14存在失调的状况。SLC22A14在大鼠精子中段细胞线粒体内膜上促进FAO能量代谢，可引起雄性不育，而不影响雌性大鼠。
参考资料：
Wenhua Kuang，Jie Zhang，Zhou Lan etc. (2021). SLC22A14 is a mitochondrial riboflavin transporter required for sperm oxidative phosphorylation and male fertility. Cell Reports, 35(3).https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109025
