《Molecular Aspects of Medicine》：Advances in sperm transcription and translation activities: From traditional views to new discoveries
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精子并非传统认为的转录和翻译惰性细胞，其携带的复杂RNA和蛋白质组参与 fertilization、胚胎发育及表观遗传传递，环境因素通过调控这些分子影响男性生育力，为相关疾病诊断和治疗提供新靶点。
陈伟明
贵州医科大学医学院，中国贵州省贵阳市南甲秀路
摘要
传统上，哺乳动物的精子被认为是转录和翻译上不活跃的细胞，其作用仅仅是将父亲的DNA传递给卵子。然而，高通量RNA测序和基于质谱的蛋白质组学技术的出现从根本上改变了这一观点。现在已知成熟的精子含有多种多样且动态变化的编码和非编码RNA（包括mRNA、lncRNA、miRNA、piRNA、tsRNA和circRNA），以及丰富的蛋白质组和专门的核糖体，这些共同支持着精巢后的复杂功能。这些RNA和蛋白质成分来源于精子发生过程、附睾细胞外囊泡的转运，可能还涉及有限的新生转录，并受到环境和生活方式因素的影响。从功能上讲，精子中的RNA和翻译活动参与了精子的成熟、运动能力、受精过程以及早期胚胎发育，还与代际表观遗传传递有关。在人类和家畜中的比较转录组学和蛋白质组学研究表明，特定的RNA和蛋白质特征可以区分高生育力和低生育力的男性，这表明它们可以作为评估男性生育能力的生物标志物，并辅助辅助生殖技术。新的证据表明，在受精过程中细胞质和线粒体中的翻译活动仍然发生，进一步证明了精子是能够根据环境条件进行蛋白质合成的动态细胞。本文综述了当前关于精子转录和翻译生物学的最新进展，重点探讨了精子RNA的来源和调控机制、专门核糖体及翻译因子的作用、这些过程的环境影响，以及精子RNA和蛋白质谱在男性生殖医学中的诊断、预后和治疗潜力。
引言
长期以来，精子一直被视为转录和翻译上不活跃的细胞，主要负责在受精过程中将父亲的DNA传递给卵子。这一传统观点主要基于精子发生过程中极度的染色质浓缩——此时组蛋白大部分被原胺替代，导致基因组高度浓缩且无法进行转录。此外，成熟的精子失去了大部分细胞器（如核糖体和内质网），而这些细胞器对蛋白质合成至关重要，进一步支持了精子在转录和翻译上处于静止状态的看法（Santiago等人，2021；Le Blevec等人，2020）。历史上，这导致人们认为精子仅负责传递遗传物质而不参与主动的基因表达或蛋白质合成（见图1）。
然而，过去十年的研究证据逐渐挑战了这一观点，揭示了精子内部更为复杂的分子结构。高通量测序技术（尤其是RNA-seq）的发展发现了成熟精子中存在多种RNA，包括编码信使RNA（mRNA）和多种非编码RNA（ncRNA），如microRNA（miRNA）、PIWI相互作用RNA（piRNA）、长非编码RNA（lncRNA）和转移RNA衍生的小RNA（tsRNA）（Santiago等人，2021；Prakash等人，2020；Yap等人，2025）。这些RNA并非仅仅是精子发生过程中的残留物，而是越来越被认为是能够影响精子功能、受精和早期胚胎发育的功能性分子。
对人类、公牛、水牛和啮齿动物精子的转录组分析显示，存在数千种转录本，其中一些mRNA的表达水平相对较高。例如，杂交公牛的精子中含有超过13,000个基因的转录本，包括原胺1（PRM1）和高迁移率组盒4（HMGB4）等与染色质结构和功能相关的mRNA（Prakash等人，2020）。类似地，对水牛公牛的研究发现了与精子功能属性和生育能力相关的异常转录本，突显了精子RNA谱作为男性生育能力评估生物标志物的潜力（Paul等人，2020）。与翻译、氧化磷酸化和精子发生途径相关的转录本的鉴定表明，精子RNA可能在维持精子活力和受精能力方面发挥积极作用。
除了mRNA之外，小非编码RNA（sncRNA）因其在基因表达和表观遗传传递中的调控作用而受到广泛关注。精子携带多种sncRNA，包括miRNA、piRNA、tsRNA和rRNA衍生的片段，这些RNA在附睾中成熟过程中会发生重塑。这些sncRNA对饮食、压力和毒素暴露等环境和生活方式因素敏感，这些因素可以调节它们的数量和组成（Yap等人，2025；Naveed等人，2025；Vaz等人，2025）。重要的是，精子sncRNA谱的变化与胚胎发育和后代表型的变化有关，提示了表观遗传传递获得性状的机制（Yap等人，2025）。例如，附睾中特定miRNA的获取已被证明会影响受精后胚胎的基因表达，强调了精子RNA的功能重要性，超出了其作为DNA传递工具的范畴（Trigg等人，2025）。
新的证据还表明，尽管失去了典型的翻译机制，成熟的精子仍保留了一定的新生蛋白质合成能力。利用代谢标记技术的研究发现，在精子受精准备阶段（即 capacitation）会合成特定的蛋白质。例如，在公牛精子中，顶体相关蛋白（如SPACA1和SPACA5）的翻译发生，正常生育力和低生育力精子之间存在差异（Park等人，2025）。此外，精子转录本中翻译起始因子和多聚腺苷酸化的存在表明精子中的蛋白质合成受到转录后调控（Njoroge等人，2025）。这些发现挑战了精子在转录上静止的传统观点，为理解精子功能调控开辟了新的途径。
精子RNA的功能不仅限于其在受精和早期胚胎发育中的作用，还可能涉及代际遗传。精子携带的RNA参与了父亲的染色质包装、精子成熟过程、受精后的母源-合子转变调控。此外，某些精子RNA还被认为能够调节后代表型，提示了一种表观遗传传递获得性状的机制。生育能力正常与不育男性之间精子RNA的表达差异，以及它们对环境因素的敏感性，进一步支持了它们作为男性生育能力生物标志物和治疗靶点的应用（Cannarella等人，2025）。
总之，基于最近的分子发现，传统的认为精子在转录和翻译上不活跃的观点已经得到了显著修正。成熟的精子含有多样且动态变化的RNA群体，包括编码和非编码RNA，这些RNA在精子生理、受精和早期胚胎发育中发挥着功能性作用。精子受精准备阶段的翻译能力也为精子生物学增添了新的复杂性。了解精子RNA的来源、调控机制和功能对于改进男性生育能力诊断和治疗具有重要意义，也有助于阐明表观遗传传递的机制。本文旨在全面综述关于精子转录和翻译活动的最新研究进展，重点探讨精子RNA在男性生育能力和生殖成功中的潜在作用。
精子中的RNA类型和来源
由于精子高度浓缩的染色质和核糖体的丢失，长期以来人们认为精子在转录和翻译上是不活跃的。然而，现在越来越认识到精子携带复杂的RNA群体，包括mRNA和ncRNA。这些RNA并非精子发生过程中的残留物，而是在精子成熟、受精和早期胚胎发育中发挥功能性作用。通过RNA-seq进行的全面转录组分析发现了成熟精子中的多种RNA种类。
精子中的RNA在运动能力和受精准备中的作用
精子中携带的多样且复杂的RNA群体，包括mRNA和各种非编码RNA，现在被认为是决定精子功能能力的关键因素。具体而言，这些转录本直接调节精子的运动能力、受精能力和早期胚胎发育。精子中翻译因子的存在
精子中存在翻译因子这一发现挑战了长期以来认为成熟精子因染色质高度浓缩和大部分蛋白质合成所需细胞器的丢失而处于转录静止状态的观点。最近的研究在精子中发现了多种与翻译相关的蛋白质，表明可能存在活跃的蛋白质合成，从而影响精子功能和生育能力。例如，公猪精子中含有参与谷胱甘肽（GSH）代谢的酶。环境因素对精子分子谱的影响
环境因素对精子的转录和翻译有深远影响，通过分子和表观遗传机制调节男性生育结果。温度、氧化应激以及内分泌干扰化学物质（EDCs）等环境毒素的暴露是通过改变基因表达和表观遗传调控来调节精子功能的关键外部因素。高生育力和低生育力精子之间的转录组差异
对不同生育能力男性精子的转录组分析显示，基因表达模式存在显著差异。例如，在水牛公牛中，全面的mRNA微阵列分析在精子中发现了超过51,000个转录本，其中4000多个转录本在高生育力和低生育力精子之间存在差异。推动研究的技术进步
特别是下一代RNA-seq的技术进步显著提高了精子转录组分析的分辨率和深度，推翻了精子在转录和翻译上不活跃的传统观点。早期认为精子缺乏活跃基因表达的假设是基于其紧凑的染色质结构和精子发生过程中核糖体及细胞器的丢失。然而，RNA-seq揭示了成熟精子含有多样化的RNA和蛋白质组。结论
几十年来，精子一直被视为仅具有微弱转录或翻译能力的被动遗传物质载体。来自RNA-seq、蛋白质组学和功能检测的累积数据表明，成熟精子含有复杂的RNA和蛋白质景观，这些成分在精子发生、附睾转运和受精准备阶段会发生动态变化。
作者声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
