KCNQ1钾离子通道及其KCNE家族辅助亚基调控人精子获能过程的分子机制

Human sperm capacitation is a prerequisite for acrosome reaction, sperm-egg fusion and fertilization under normal physiological conditions. This physiological process is regulated by ion channels. Potassium channel KCNQ1 always interacts with KCNE family auxiliary subunits, they play important roles in regulation of cell membrane potential, osmotic pressure and transfer driving force of other ions. In the previous studies, we found that KCNQ1 was expressed in human sperm. Further studies indicated that chromanol 293B, the specific inhibitor of KCNQ1, effected hyperactivated motility of human sperm. These results suggest that potassium channel KCNQ1 participates in regulation of human sperm capacitation, however the molecular mechanism is still unknown. Therefore, in this study we focus on potassium channel KCNQ1 and its KCNE family auxiliary subunits to detect the expression and location of KCNE family members in human sperm; which members of KCNE family auxiliary subunits interact with KCNQ1 during huamn sperm capacitation; whether KCNQ1/KCNE potassium channel participates in regulation of human sperm capacitation; what the molecular mechanism of KCNQ1/KCNE during capacitation is. The results of the study will reveal the mechanism of KCNQ1 and KCNE family auxiliary subunits in regulating human sperm capacitation. This will improve the regulation network of sperm capacitation and provide new theory for diagnosis and treatment of unexplained male infertility.

获能是正常生理条件下人精子顶体反应及受精的必要前提，离子通道参与调控精子获能。钾离子通道KCNQ1常与KCNE家族辅助亚基相互作用，形成KCNQ1/KCNE通道，具有调控细胞膜电位、调节其他离子转运驱动力等重要功能。我们前期研究发现，KCNQ1在人精子中表达，其特异性抑制剂Chromanol 293B可影响精子获能后的超激活运动，提示该离子通道参与调控精子获能，但分子机制不明。本项目拟围绕KCNQ1及KCNE家族蛋白开展四个层面研究：确定KCNE家族成员在人精子中的表达和定位；明确人精子中哪些KCNE家族成员与KCNQ1相互作用；明确KCNQ1/KCNE通道是否参与调控精子获能、影响受精；阐明其是否通过调节精子细胞膜电位、调控其他离子的转运驱动力进而影响获能。本项目旨在揭示KCNQ1及其KCNE家族辅助亚基调控人精子获能进而影响受精的机制，为填补精子获能调控理论及诊治男性不育提供科学依据。

离子通道在人精子获能及受精过程中发挥重要作用，参与调控细胞膜电位、渗透压、pH等。而人精子中钾离子通道的种类和作用机制尚不明了，且与小鼠等模式动物有较大差异。我们前期研究发现，KCNQ1钾离子通道在人精子中表达，因此本项目围绕KCNQ1钾离子通道在人精子获能过程中的作用机制开展研究，按照项目计划书设计的研究内容和技术路线执行，取得以下重要研究结果：（1）发现KCNQ1钾离子通道及其辅助亚基KCNE1在人精子中表达，间接免疫荧光结果显示KCNQ1定位于人精子头部、颈部及尾部区域，KCNE1主要定位于人精子颈部及尾部区域，二者存在共定位区域，可能形成有功能的KCNQ1/KCNE1钾离子通道。（2）用KCNQ1特异性抑制剂处理人精子，可干扰精子运动参数、顶体反应、蛋白酪氨酸磷酸化等与精子获能及受精相关的参数，说明KCNQ1可能参与人精子获能调控。（3）研究KCNQ1调控人精子获能的分子机制，抑制KCNQ1后可减少胞内钾离子外流，使人精子细胞膜电位升高，进而间接减少胞内钙离子浓度，降低pH，胞内氯离子浓度升高。钙离子浓度降低以及pH降低不利于后续cAMP/PKA信号通路，减少蛋白酪氨酸磷酸化水平，最终影响精子获能及受精。（4）我们还研究了人精子中其他钾离子通道Slo1和Slo3对精子获能的影响，发现二者发挥协同作用。同时抑制Slo1和Slo3比二者单独抑制时，对精子获能的抑制作用更加明显，二者协同调控人精子超激活运动、顶体反应、蛋白酪氨酸磷酸化，协同调节胞内钾离子浓度和细胞膜电位，并间接影响胞内钙离子浓度、pH等。这些研究结果为钾离子通道在精子获能过程中的作用机制提供新的见解，为诊治不明原因性男性不育提供新的科学依据。