本文来源：中华内分泌代谢杂志, 2023,39(12) : 1083-1088. 本文作者：柒锐冰 陈冰 李争明 近年来，伴随着社会经济的迅速发展，现代人饮食不健康和体力活动减少的不良生活方式，导致全世界肥胖/超重人数逐年增加。肥胖已被认为是非传染性疾病的主要危险因素之一，与2型糖尿病、慢性阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、脂肪肝、心血管疾病、癌症和抑郁症关系密切。世界卫生组织发布的《不孕症患病率估计(1990－2021)》报告了全球约17.5%的成年人(约占1/6人口)受到不孕不育的影响，且据不完全统计，不孕不育中男性比例占到50%左右。随着肥胖现象的不断增加，人们越来越关心其对生殖健康的影响。已有研究表明，肥胖不仅可以引起男性本身的生殖功能障碍，还可以影响下一代的健康问题，其发生机制包括肥胖影响内分泌激素及生殖器、促进慢性炎症与氧化应激，导致生殖细胞表观遗传学改变。 一、肥胖影响内分泌激素及生殖器 1．对内分泌激素的影响： 下丘脑-垂体-性腺(hypothalamic pituitary gonadal, HPG)轴对生长发育和生殖调控至关重要。Kisspeptin作为促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)上游神经元调节HPG轴，是生殖的关键调节器，分布于外周及中枢神经系统。GnRH神经元表达Kisspeptin受体，产生Kisspeptin的神经元通过受体信号转导协调GnRH神经元活性以及随后的GnRH和促性腺激素分泌模式，并介导GnRH神经元性腺类固醇激素反馈调节的许多方面以控制生殖功能。GnRH主要作用于垂体前叶，以脉冲式分泌诱导卵泡刺激素(follicle stimulating hormone, FSH)和黄体生成素(luteinizing hormone, LH)的表达和释放进入循环。FSH激活支持细胞，后者在精子发生的不同阶段滋养发育中的精子细胞。LH可刺激睾丸间质细胞产生睾酮，睾丸内睾酮的浓度是其血清浓度的30倍。维持成功的精子发生需要大量的睾酮，支持细胞与发育中的生精细胞的黏附依赖于睾酮，睾酮降低会导致成熟精子细胞的保留和吞噬，从而减少精子数量，睾酮浓度与精子数量和浓度关系密切。有研究表明，促性腺激素减退的肥胖男性使用Kisspeptin治疗可以刺激血清LH的释放。 当肥胖发生时，HPG轴生理平衡被打破，多种重要激素水平发生改变。类固醇合成急性调节蛋白(steroidogenic acute regulatory, StAR)是睾丸间质细胞内睾酮合成的关键酶。有研究表明，成年期高脂肪饮食组与青春期和成年期高脂肪饮食组小鼠的StAR表达较正常饮食组小鼠显著降低。睾酮可以通过雄激素受体直接作用于靶细胞，也可以通过5α-还原酶转化为二氢睾酮，或通过细胞色素P450芳香化酶转化为17β-雌二醇。白色脂肪组织表达高水平的细胞色素P450芳香化酶。肥胖男性外周脂肪组织睾酮芳构化导致雌二醇水平升高，通过负反馈抑制HPG轴，减少垂体分泌促性腺激素。睾酮主要与性激素结合球蛋白(sex hormone-binding globulin, SHBG)紧密地结合，与白蛋白可逆地结合。有生物活性的睾酮包括游离睾酮和与白蛋白结合的睾酮。肥胖患者低睾酮水平也可能是由胰岛素水平升高引起的SHBG结合活性降低，导致游离睾酮相对增加，通过芳构化放大了雌二醇负反馈的效果。肥胖与精子质量变差和生殖激素水平改变有关，在一项对43名体重指数>33 kg/m2的男性进行的队列研究显示，体重指数与精子浓度、形态、活力、睾酮呈负相关，与雌二醇呈正相关。 抑制素B是一种由支持细胞分泌的异二聚体糖蛋白，对垂体前叶分泌FSH具有负调节作用，并刺激间质细胞产生睾酮，是支持细胞功能和相关生精活性的标志物，被认为对雄性生殖系统的发育具有重要调节作用。抑制素B的水平与支持细胞呈正相关，由于每个支持细胞可被认为支持有限数量的生殖细胞，与体重正常男性相比，肥胖患者抑制素B水平较低，支持细胞较少，可能会导致精子数量减少。 瘦素是由脂肪细胞分泌的一种蛋白质激素，在生殖生物学中作用独特，通过充当营养和生殖之间的串扰分子，监测生物体不断变化的营养状态以调控生殖系。瘦素可以作为向中枢神经系统发出的信号，提供有关GnRH分泌和青春期HPG轴激活所需脂肪组织储存的临界量的信息。有研究显示，高脂肪饮食诱导的肥胖小鼠血浆瘦素水平升高，下丘脑瘦素受体、Kisspeptin和GnRH的mRNA和蛋白质表达下调。已有研究表明，瘦素受体存在于睾丸组织和精子细胞膜上，过多的瘦素可能损害血液-睾丸屏障(blood-testis barrier, BTB)成分并通过内分泌系统直接影响精子。但也有学者认为，瘦素对外周生殖组织的直接影响并不显著。胰岛素样因子3由睾丸中的间质细胞产生和分泌，反映睾丸间质的分化状态和数量。肥胖青少年的胰岛素样因子3水平降低，被认为可能是瘦素损伤间质细胞进而影响胰岛素样因子3分泌的结果。动物研究表明，中等负荷运动可以有效减轻肥胖引起的炎症反应、提高瘦素抵抗力并缓解雄性生殖能力下降，体现在体重、体脂、血清瘦素和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)显著降低，同时，血清白细胞介素(interleukin, IL)-10、FSH、LH和睾酮水平显著升高，精子凋亡率降低，精子数量和活力增加。 2．对生殖器的影响： 肥胖会影响睾丸和附睾的正常结构并进一步影响精子发生。高脂肪饮食诱导啮齿类动物的肥胖实验研究显示，大量异位脂质积聚在睾丸间质，甚至穿透基底膜在曲精小管的基底室异位沉积，形成脂肪毒性微环境，导致睾丸严重受损，例如支持细胞萎缩、生精细胞与支持细胞之间和支持细胞之间的紧密连接被破坏。此外，生精细胞中的线粒体发生空泡变性，其嵴不清晰，影响生精细胞的正常发育。高脂肪诱导的肥胖雄性小鼠脂肪异常代谢伴有大量的饱和脂肪酸，特别是毒性更大的棕榈酸在睾丸中累积，观察到肥胖雄性小鼠FSH降低，精子质量降低及BTB的完整性受到破坏，肥胖小鼠腹腔注射尿FSH后，精子质量和BTB完整性并未见改善。一项实验研究证实，棕榈酸对间质细胞有促凋亡作用。TM4细胞是一种成熟的小鼠支持细胞系，可为测试雄性生殖毒性和识别潜在机制提供有用、稳定和可复制的模型。最近一项体外研究显示，棕榈酸降低了原代支持细胞和TM4细胞中紧密连接相关蛋白的表达，细胞之间的细胞连接松散、断裂且结构紊乱，破坏BTB的完整性。附睾是睾丸和输精管的中间连接器，用于储存精子，同时还可以分泌营养物质供给精子营养，促进精子进一步发育成熟。有研究显示，谷氨酸诱导的肥胖大鼠附睾的绝对质量和相对质量都较正常对照组减低，且精子数量减少，推测肥胖附睾质量的降低可能影响附睾中精子的数量，并有助于加快精子通过附睾的时间，不益于精子发育成熟和影响其正常的射精和受精能力。在大多数哺乳动物中，睾丸温度低于身体核心温度2~8℃以确保精子发生的正常进行。在肥胖患者中阴囊周围脂肪堆积会导致性腺热量增加，持续损害精子生成。久坐的生活方式是大多数肥胖人群的一个特点，也会导致生殖器官处局部温度升高。 二、肥胖引起慢性炎症和促进氧化应激 长期以来，脂肪组织被认为是重要的能量储存器官。但在肥胖状态下，肥大的白色脂肪组织除了作为脂肪储备外，还作为一种内分泌器官，释放出大量的脂肪因子、促炎因子和趋化因子。有研究显示，肥胖小鼠CD8＋T细胞和CD4＋Th1细胞增多，并导致更多的趋化因子的释放，这些趋化因子可以将循环单核细胞募集到脂肪组织中，并促使单核细胞转化为巨噬细胞。巨噬细胞可被激活为两种极化表型的巨噬细胞：M1和M2巨噬细胞。M1巨噬细胞由脂多糖和IFNγ等促炎介质诱导，增加促炎细胞因子(TNF-α、IL-6、IL-12)的产生，并通过诱导型一氧化氮合酶的激活产生活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)如一氧化氮，促进慢性炎症发生。M2巨噬细胞产生高水平的抗炎细胞因子IL-10和IL-1受体，其功能主要是抑制炎症反应并使组织修复。 在肥胖小鼠中，营养过剩导致脂肪细胞扩张，趋化因子分泌增加，产生并积聚更多活化的M1巨噬细胞，产生更多的促炎因子，压倒M2巨噬细胞的保护作用，使机体处于慢性炎症状态。有研究显示，肥胖小鼠的慢性炎症状态损害生殖系统可通过诱发神经炎症效应和胶质细胞突触变化作用损伤GnRH神经元，通过影响HPG轴导致睾酮水平降低。此外，有研究显示，脂肪代谢产生大量的游离脂肪酸被释放进入血液循环，这些游离脂肪酸流入肾脏、睾丸、肝脏和骨骼肌等外周组织，对组织造成脂肪毒性，组织脂毒性诱导线粒体功能障碍，促进氧化应激和内质网应激，增加了睾丸组织的细胞凋亡。睾丸间质细胞滑面内质网含有丰富的胆固醇合成酶，参与雄性激素的合成。因此，内质网应激会影响睾酮的产生，对男性生殖功能产生不利的影响。脂肪细胞游离脂肪酸增加可通过腺嘌呤核苷酸转移酶2依赖性线粒体呼吸解偶联导致脂肪细胞缺氧，巨噬细胞浸润随着缺氧的反应而增加。脂肪的增加不仅引发促炎白细胞募集，还导致还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶活性的增加，进而产生额外的ROS。NADPH氧化酶在肥胖、炎症和氧化应激的联系中起关键作用。有研究显示，在肥胖小鼠的支持细胞中，NADPH氧化酶活性增加并激活核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor with a pyrin domain 3, NLRP3)，而NLRP3招募凋亡相关斑点样蛋白形成胱天蛋白酶1激活平台，并诱导IL-1β和IL-18的分泌，从而产生炎症微环境，诱导睾丸支持细胞损伤，进而影响BTB和精子发生。 大量研究表明，氧化应激会影响男性的生育能力和精子的生理。氧化应激产生如白三烯、血栓素等促炎物质，与内皮功能障碍有关，血管扩张剂(尤其是一氧化氮)的生物利用度降低，使血管扩张，并促进白细胞游走。因此，氧化应激可诱发炎症反应。氧化应激被定义为ROS过多或抗氧化剂缺乏。ROS可能有内源性和外源性来源，包括自由基和非自由基含氧分子，如过氧化氢(H2O2)、超氧化物(O2－·)、单线态氧(1/2 O2)和羟基自由基(·OH)，还有活性氮、铁、铜和硫等。精子中ROS的主要来源为精浆中活化白细胞和精子中的线粒体。实际上，ROS是机体内的一种不可或缺的具有双刃剑性质的活性元素。在生理状态下，精子产生低水平的ROS对细胞功能是必要且有益的，低浓度的ROS为细胞信号通路中的信号分子，对精子超激活、获能和顶体反应的精子生理有重要作用。在病理状态下，当机体受到某些疾病或外源性物质攻击后，ROS代谢异常，过多的ROS导致氧化还原失衡和大量炎性细胞因子的产生。韩瑞钰等研究显示，体重指数与精浆ROS、丙二醛呈正相关，与精浆超氧化物歧化酶呈负相关。肥胖引起的睾丸氧化应激在生殖障碍中起重要作用，包括影响精子质膜、DNA完整性和线粒体。 ROS不仅攻击精子质膜，还会攻击其DNA。通常，肥胖男性睾丸热量的增加会显著加剧氧化应激，鸟嘌呤易受自由基的氧化攻击并转化为8-羟基鸟嘌呤，增加DNA损伤。在人类精子发生过程中，通过鱼精蛋白对组蛋白的交换，成熟精子的染色质高度浓缩，形成稳定的结构确保男性基因组不易受到损伤。有研究显示，在肥胖患者中过多的氧化应激可能导致染色质凝聚不良，DNA易断裂，进而降低精子DNA完整性，从而严重影响生育潜力。同时，在生殖细胞中，线粒体是ROS的重要靶点。有研究显示，肥胖男性产生过量的ROS损伤线粒体蛋白质和脂质，线粒体活性受损发生代谢障碍。因此，ATP合成受到严重影响，无法产生足够的能量供给细胞发育，导致生殖细胞减数分裂停滞，造成精子形态异常。此外，线粒体功能的降低可能是精子进行性运动能力下降的原因之一。 三、肥胖引起表观遗传改变 环境因素的影响通常通过靶向代谢基因表达的表观遗传修饰物介导。肥胖男性表观遗传改变主要依赖于表观遗传递质，如DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。 DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA序列的前提下，改变遗传表现。DNA甲基化参与定义基因组印迹和基因表达程序。转录活性基因通常在转录起始位点周围表现出低甲基化，DNA甲基化与转录抑制相关。DNA甲基化是甲基与启动子区域5′-胞嘧啶磷酸鸟嘌呤-3′(C-phosphate-G, CpG)二核苷酸的胞嘧啶核苷酸连接，形成可逆的胞嘧啶甲基化，阻止有CpG位点的相关DNA序列的转录启动。最近一项使用横断面和纵向模型研究了脐血和全血的DNA甲基化与体重指数的关系，通过全表观基因组关联研究进行了meta分析，报告了个体CpG的DNA甲基化与儿童和青少年体重指数的相关性很小，而随着研究对象年龄增长，与成人体重指数相关的甲基化基因座改变的重叠越来越多，推测DNA甲基化的改变主要是肥胖的结果。有研究表明，男性肥胖会影响精子DNA甲基化重编程，由于DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, Dnmt)存在于整个精子发生过程中，即使精子进入附睾成熟后，从头开始的DNA甲基化仍可继续，且容易受到外源性和内源性环境的影响，尤其是肥胖环境。Dnmt1是一种维持性甲基转移酶，与复制相关，并在复制后维持DNA甲基化，并定位于所有雄性生殖细胞，Dnmt3a和Dnmt3b参与催化DNA上的活性从头甲基化过程，Dnmt3l缺乏催化活性，但通过与Dnmt3a和Dnmt3b的结合参与DNA甲基化的调节。对肥胖雄性大鼠的生殖系DNA甲基化的研究表明，遗传性肥胖大鼠睾丸Dnmt1、Dnmt3a和Dnmt3b上调，以及Dnmt3l水平的下调，精子中CpG甲基化水平增多，抑制相关基因转录导致表观遗传改变，甚至可能将发育重要性的缺陷表观遗传特征部分传递给胚胎，从而导致胚胎丢失。Potabattula等通过量化290个以上精子样本和113个胎儿脐带血中的甲基化变化，发现男性肥胖会影响精子中的DNA甲基化程序，也可能会影响下一代的表观基因组，表观遗传可能有助于解释全球肥胖发病率不断上升的原因。 组蛋白修饰是关键的表观遗传学机制之一，在各种组蛋白修饰中，组蛋白甲基化和乙酰化是最常研究的修饰，组蛋白的乙酰化与基因活化和DNA复制有关。组蛋白赖氨酸甲基化与基因转录的激活或抑制有关，这取决于修饰的特定氨基酸残基和组蛋白类型。最近一项研究表明，高脂肪饮食可能通过改变细胞代谢改变表观遗传程序从而影响甲基供体的可用性和或染色质修饰酶的激活或失活。研究显示，通过敲除雄性小鼠组蛋白H3K9特异性去甲基酶Jhdm2a破坏了棕色脂肪中β-肾上腺素能刺激的甘油释放和耗氧量，并减少了骨骼肌中的脂肪氧化和甘油释放，可诱导小鼠肥胖和高脂血症，表明组蛋白去甲基化酶在男性肥胖中起代谢调控作用。在精子生成过程中，大多数组蛋白在圆形精子细胞进行染色质重塑时被过渡蛋白取代，最后被鱼精蛋白取代，保留小部分组蛋白在早期胚胎中发挥关键作用。通常认为，组蛋白乙酰化可调节染色质状态，与染色质重塑密切相关。超乙酰化核心组蛋白H3和H4的增加导致核小体结构松散，引起各种因子和复合物募集，从而导致组蛋白被鱼精蛋白置换，使精子细胞核高度浓缩。研究表明，高脂肪饮食诱导雄性大鼠肥胖导致组蛋白去乙酰化水平上调，这可能会影响精子生成过程中核小体的分解过程。组蛋白乙酰化对于染色体的结构变化和DNA双链或单链断裂的修复很重要。有研究显示，高脂肪饮食诱导的肥胖雄性小鼠精子中的去乙酰酶SIRT6较正常小鼠显著降低，这与过渡期精子细胞核中乙酰化H3K9水平升高和DNA损伤的增加有关。 表观遗传改变还涉及小分子非编码RNA改变。哺乳动物中的RNA图谱和RNA修饰都对父系环境敏感，包括饮食、精神压力、化学物质暴露、运动和酗酒，都会改变RNA的组成，包括microRNA、转运RNA衍生的小RNA、核糖体RNA衍生的小RNA、线粒体小RNA。高脂肪诱导的肥胖大鼠研究显示，原代和第一子代精子中核小RNA、小核仁RNA、microRNA和核糖体RNA的比例增加，特别是microRNA let-7c水平上调，以及第一子代脂肪组织microRNA let-7c上调并激活预测靶点(如胰岛素受体和胰岛素受体底物2)表达。此外，研究表明，小鼠肥胖提高了附睾头中tRNA甲基转移酶Dnmt2的表达，而小鼠中Dnmt2的缺失消除了精子小分子非编码RNA介导的肥胖诱导的父亲代谢紊乱转移给后代的能力。 肥胖作为一种全身性疾病引发多个关联机制影响男性生殖健康，目前肥胖及肥胖所致生殖功能异常并无理想的治疗手段。研究肥胖对男性生殖功能健康的影响及可能的机制，有非常重要的社会意义和临床价值。本文从内分泌激素、睾丸附睾、氧化应激及表观遗传等方面综述肥胖对男性生殖健康的影响，期望能对肥胖男性生殖健康影响的研究、预防及治疗提供一定的线索。 本文编辑：朱梅华