综述：线粒体代谢调控精原干细胞命运决定

《Andrology》：Mitochondrial Metabolism Governs Spermatogonial Stem Cell Fate Decisions

　　

背景：精原干细胞（Spermatogonial Stem Cells, SSCs）凭借独特的自我更新与分化能力维持终生精子发生。尽管既往研究长期聚焦于转录调控，但多组学技术的发展已将线粒体代谢确立为SSCs命运的关键调节因子。 目的：本综述旨在系统总结线粒体代谢调控SSCs命运决定的最新机制，并探讨其在肥胖相关性男性不育中的病理改变及潜在治疗靶点。 方法：研究人员整合多组学数据、代谢检测及动物模型研究结果，深入解析线粒体调控SSCs命运的核心机制，并对已发表的肥胖相关性不育中线粒体功能障碍相关研究进行全面梳理。 结果与结论：静息态SSCs主要依赖低氧微环境中的糖酵解供能，而分化过程伴随代谢模式向氧化磷酸化（Oxidative Phosphorylation, OXPHOS）的转变，同时发生线粒体成熟与重塑。除能量供应外，线粒体作为关键信号枢纽，通过整合氧化还原调控、线粒体动力学及代谢物依赖性表观遗传机制决定SSCs命运。反之，在肥胖状态下，以活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）过度产生、线粒体片段化及质量控制受损为特征的线粒体功能障碍严重破坏SSCs稳态，驱动男性不育发生。 维持线粒体代谢完整性对正常SSCs功能至关重要。靶向线粒体质量控制及恢复代谢平衡是治疗肥胖相关性男性不育极具前景的新兴策略。

1 引言

男性不育是全球重大健康挑战，生精障碍是其核心病因。精原干细胞作为精子发生的种子细胞，需终身维持自我更新与分化的精细平衡。传统研究主要关注生精小管微环境（niche）分泌的GDNF、FGF2、视黄酸等转录因子与信号分子的调控作用。然而，越来越多的证据表明细胞命运与其内在代谢状态密切相关。线粒体不仅是细胞的能量工厂，更是整合代谢与环境信号、调控干细胞行为的核心信号细胞器。在其他成体干细胞中，静息与分化转换常伴随代谢重编程：静息干细胞多依赖糖酵解以维持干性基因组稳定性，分化则通常与线粒体氧化磷酸化增强相关，以满足生物合成与能量需求的激增。单细胞转录组分析显示，从SSCs向祖细胞过渡过程中，糖酵解与缺氧应答相关基因逐渐被线粒体呼吸与质量控制基因取代，脂质代谢通路亦发生显著重构。研究证实静息SSCs主要依赖糖酵解，分化则伴随向OXPHOS的显著转变。值得注意的是，线粒体功能远超能量生产范畴，其动力学（融合/分裂）、质量控制机制（如线粒体未折叠蛋白反应，UPR^mt）及代谢中间产物（如ROS、乙酰辅酶A）共同构成整合信号网络，可直接调控基因表达与表观遗传景观，主动指令细胞命运决定。肥胖常伴胰岛素抵抗、慢性炎症、脂毒性及激素紊乱，可诱导线粒体功能障碍（如片段化、ROS过量产生、质量控制受损）。这些发现提示线粒体功能障碍可能是系统性代谢紊乱与男性不育之间的关键机制纽带。本综述将系统阐述线粒体代谢调控SSCs命运的生物学机制，解析肥胖诱导线粒体损伤破坏SSCs稳态的病理生理机制，并探讨保护线粒体功能、恢复代谢稳态的潜在治疗策略。

2 SSCs及其微环境的基础生物学

哺乳动物精子发生分为有丝分裂、减数分裂与精子形成三个阶段。SSCs通过平衡自我更新（维持未分化干细胞池）与分化（产生定向生殖祖细胞）维持终生生精稳态，该平衡决定了SSCs群体的维持、扩增或耗竭。未分化精原细胞仅占睾丸生殖细胞总数的极小比例（小鼠中约0.03%）。哺乳动物SSCs主要分为A型与B型精原细胞，A型进一步分为A_dark（慢周期储备群）与A_pale（活跃增殖祖细胞）。啮齿类SSCs与祖精原细胞构成未分化精原细胞池，包括A_single、A_paired及4-16个细胞相连的A_aligned亚群。传统模型认为A_single是主要SSCs群，A_paired形成代表不可逆分化启动；但新近模型表明A_single群体具有异质性，A_paired/A_aligned精原细胞仍具备断裂生成新SSCs的能力，参与干细胞池维持。尽管GFRA1、PLZF/ZBTB16、THY1、FOXC2等分子标记有助于SSCs鉴定，但单一标记定义功能性SSCs仍存在争议。SSCs定位于生精小管基膜，与Sertoli细胞、Leydig细胞、管周肌样细胞、巨噬细胞及血管内皮细胞等共同构成SSCs微环境。该微环境通过GDNF、FGF2、视黄酸等生长因子与信号分子形成动态调控网络，维持干细胞稳态并确保精子发生正常进行。

3 线粒体代谢在SSCs命运决定中的作用

线粒体代谢通过多层次整合网络调控SSCs命运：能量代谢转换提供命运决定的基础动力，氧化还原系统将代谢变化转化为浓度依赖性的ROS信号，线粒体动力学与质量控制确保结构与功能适配，代谢-表观遗传串扰则将代谢信号转化为稳定的基因表达程序。

3.1 代谢转换：从糖酵解启动到氧化磷酸化

SSCs命运与细胞能量代谢模式紧密耦合。静息SSCs优先依赖糖酵解，分化启动则伴随向OXPHOS的代谢转变。成体干细胞通常驻留在低氧微环境中，糖酵解占主导以维持干性。体外研究显示低氧条件下培养的SSCs增殖细胞比例降低。SSCs位于生精小管基底室，与血管化间质组织空间分隔，形成生理性低氧微环境。为适应此环境，SSCs高度依赖缺氧诱导因子（HIF）信号通路：低氧下稳定的HIF-1α/EPAS1异二聚体激活糖酵解基因转录，抑制线粒体呼吸，使SSCs在限氧条件下维持基本功能。功能研究表明该代谢适应对维持SSCs干性至关重要，例如EPAS1是化疗或移植后SSCs再生能力所必需的。因此，由低氧微环境与HIF信号驱动的糖酵解代谢谱是维持SSCs静息与自我更新潜能的关键代谢基础。接收视黄酸等分化信号后，SSCs代谢景观发生显著重塑。单细胞转录组分析显示，从SSCs向精原祖细胞过渡过程中，线粒体呼吸链组分及OXPHOS相关酶编码基因显著上调。FOXO1通过调控MYC与MYCN表达，经糖酵解途径影响SSCs自我更新。功能上，分化精原细胞ATP产生增加，对线粒体呼吸依赖性增强，ROS水平适度升高。此转变伴随线粒体成熟，包括嵴结构发育与呼吸超复合物组装以支持高效OXPHOS。因此，从糖酵解向OXPHOS的转换不仅是能量需求增加的被动响应，更是驱动SSCs退出静息、进入分化程序的主动生化过程。

3.2 氧化还原稳态的精细调控：PPP与ROS的双重信号作用

代谢模式转换伴随细胞氧化还原稳态的动态变化。磷酸戊糖途径（PPP）与ROS共同构成精密调控的信号模块，ROS水平而非单纯存在与否决定其对SSCs命运的信号效应。PPP是胞质NADPH的主要来源，NADPH对维持还原型谷胱甘肽（GSH）水平、抵御氧化应激及提供脂肪酸与固醇合成所需的还原力至关重要。在SSCs中，抑制其限速酶G6PD会损害SSCs分化，减少Kit阳性祖细胞群。这表明PPP不仅通过生成NADPH缓冲分化过程中的ROS升高（防止达到细胞毒性水平），还可能通过提供大分子合成（包括脂质生成）所需的还原当量支持分化启动。传统观点认为ROS因损伤细胞成分及参与宿主防御而有害，但积累证据显示ROS也是多种组织干细胞维持与命运决定的信号分子。在SSCs中，生理水平的ROS是自我更新所必需的：NADPH氧化酶1（NOX1）产生的ROS通过激活p38 MAPK与JNK激酶通路促进SSCs自我更新，而降低ROS水平会损害该自我更新能力。分化过程中，伴随OXPHOS增强的线粒体ROS产生增加发挥促分化信号作用。大多数静息成体干细胞维持较低基础ROS水平，在定向、增殖与分化过程中适度升高。体外研究证实降低ROS水平抑制SSCs增殖，而外源性过氧化氢（H₂O₂）诱导的ROS升高可促进自我更新。这提示ROS信号存在经典剂量效应：NOX1等特定来源产生的低水平ROS支持干性维持，代谢重塑过程中ROS的适度升高促进分化。在此背景下，PPP通路作为关键上游调节因子，通过控制NADPH/GSH抗氧化系统精细调节ROS“设定点”。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）也在细胞氧化还原调控中发挥核心作用，作为关键代谢辅酶参与代谢、DNA修复、染色质重塑等多种过程。NAD⁺代谢及其对线粒体功能的调控对多种干细胞增殖与维持至关重要，补充NAD⁺前体可通过SIRT2依赖机制缓解白消安诱导的生精损伤。

3.3 线粒体动力学与质量控制：结构与功能的协调重塑

线粒体功能与其形态动态及网络结构的组织密切相关。SSCs分化过程中，线粒体动力学（融合与分裂）与质量控制机制发生协同重塑。证据表明SSCs向分化推进需要线粒体融合与分裂事件的加速与再平衡，其中发动蛋白相关蛋白1（DRP1）介导的线粒体分裂在早期分化中起关键作用，DRP1功能受损会导致精原细胞阶段特异性发育阻滞。这一现象并非SSCs独有，神经干细胞中增加的线粒体片段化也与自我更新能力下降相关。这表明特定的线粒体网络构型与不同细胞状态相关联：更融合互连的线粒体网络可能支持干性维持，而受控的线粒体片段化则是分化所必需。除形态重塑外，线粒体还通过UPR^mt等质量控制通路将功能状态传递给细胞核。在线粒体应激下，UPR^mt激活可通过c-Jun等转录因子影响核基因表达，例如UPR^mt激活已被证明通过c-Jun依赖的转录程序调控组蛋白乙酰化，这为线粒体功能状态直接影响表观遗传调控与细胞重编程提供了机制解释。

3.4 代谢-表观遗传串扰：代谢物作为细胞命运的分子桥梁

线粒体代谢对SSCs命运的最终影响主要通过重塑细胞表观遗传景观实现。线粒体代谢过程中产生的代谢中间产物可作为表观遗传修饰酶的底物或辅因子，直接将代谢状态与基因表达联系起来。典型例子是乙酰辅酶A。作为三羧酸循环的关键代谢物及组蛋白乙酰转移酶的必需底物，乙酰辅酶A的可用性直接决定组蛋白乙酰化水平。在体细胞重编程早期，线粒体应激诱导的UPR^mt激活已被证明通过c-Jun信号升高细胞内乙酰辅酶A水平，从而促进组蛋白H3K9乙酰化（H3K9ac）并增强多能性相关基因表达。尽管SSCs中的直接实验证据有限，但可以合理推测从糖酵解向OXPHOS的代谢转换伴随乙酰辅酶A、α-酮戊二酸等关键代谢物胞内库的动态变化，这些代谢物通过参与组蛋白乙酰化、DNA甲基化及其他染色质修饰，共同调控决定SSCs命运的基因转录程序的激活或抑制。

4 肥胖诱导的线粒体功能障碍及其对SSCs稳态的影响

肥胖作为全球流行的代谢性疾病，是男性不育的重要环境风险因素。越来越多的证据表明线粒体功能障碍在介导肥胖相关性生殖损伤中起核心作用。肥胖诱导睾丸局部与系统性代谢紊乱，可直接损伤SSCs的线粒体结构与功能，同时破坏维持SSCs所需的内分泌信号网络与微环境，进一步损害SSCs稳态。

4.1 直接打击：代谢紊乱诱导线粒体损伤与氧化应激

配子发生早期精原细胞维持的高脂质浓度是后续减数分裂与精母细胞分化快速进行的必要条件。然而高脂饮食引起的脂质过度蓄积可通过多种机制诱导肥胖并损害SSCs线粒体功能。首先，脂毒性触发线粒体结构与功能异常。肥胖相关脂质超载导致细胞内脂质代谢失衡，可能损害线粒体膜完整性与氧化能力。脂肪细胞研究已显示肥胖引起线粒体片段化与功能障碍，这一现象很可能发生在包括SSCs在内的其他代谢敏感细胞类型中。片段化的线粒体生物能效降低，常成为过量ROS产生的主要来源。其次，抗氧化防御系统受损使SSCs在肥胖条件下更易发生氧化损伤。肥胖及其相关代谢异常（如胰岛素抵抗、血脂异常）与氧化应激升高密切相关，代谢需求增加最终导致ROS过量产生。生殖细胞毒理学研究表明ROS与脂质过氧化显著影响SSCs增殖能力。值得注意的是，肥胖小鼠模型中精原细胞的重要非酶抗氧化剂ZIP12表达显著降低，这与精子ROS水平升高、精子质量下降及雄性亚不育相关。其他干细胞领域的研究也为脂质代谢影响SSCs命运提供了机制参考：诱导多能干细胞中过度脂质水解可引起胞内脂质组重塑，表现为线粒体磷脂与磷脂酰乙醇胺含量降低，进而破坏线粒体嵴结构、减少脂肪酸氧化与乙酰辅酶A生成，最终降低多能性相关基因启动子区的组蛋白乙酰化，加速退出多能性状态；相反，氧化应激期间神经干细胞微环境内形成的脂滴可限制ROS蓄积并抑制多不饱和脂肪酸氧化，从而维持神经干细胞增殖。

4.2 间接打击：内分泌轴紊乱与微环境支持功能障碍

肥胖不仅改变全身代谢，还通过干扰下丘脑-垂体-性腺轴与脂肪因子信号通路破坏SSCs微环境。肥胖男性常出现黄体生成素与卵泡刺激素水平降低、脂肪因子谱改变及睾酮/雌激素比值下降。白色脂肪组织作为活跃的内分泌器官分泌瘦素。瘦素受体在小鼠睾丸发育全程表达，在新生睾丸中主要定位于未分化A型精原细胞。体外研究显示瘦素补充通过激活ERK1/2与STAT3信号通路，以剂量与时间依赖性方式促进SSCs增殖。然而体内瘦素缺乏会抑制睾丸类固醇生成，这可能部分解释肥胖男性中高瘦素血症与睾酮水平降低的负相关关系。除生殖系统外，LepR⁺基质细胞与内皮细胞是造血干细胞的必需微环境组分。LepR⁺基质细胞产生高水平干细胞因子，支持出生后早期造血祖细胞，而内皮细胞膜结合SCF维持造血干细胞。放疗或化疗后，这些微环境细胞耗竭常伴随脂肪细胞扩增，Adipoq-Cre/ER⁺细胞（LepR⁺亚群）与更广泛的LepR⁺细胞群均参与损伤后造血干细胞再生。此外，肥胖儿童常出现胰岛素水平升高伴性激素结合球蛋白与睾酮浓度降低。SHBG通过结合睾酮与雌二醇调节循环性类固醇激素的生物利用度。雌激素信号也影响SSCs微环境功能：雌二醇结合ERβ可诱导人胎儿睾丸（16-28孕周）Sertoli细胞表达SCF，从而促进SSCs增殖并抑制凋亡；但成年大鼠过度暴露于雌激素会抑制c-kit表达，增加凋亡并减少SSCs增殖。在两栖类（如牛蛙）中，睾酮与雌激素共同调控季节性精子发生期间的原始精原细胞增殖。这些激素紊乱深刻影响微环境功能与SSCs命运。虽然FSH似乎不直接调控GDNF表达，但LH可通过睾酮依赖的方式抑制WNT5A信号，负调控SSCs自我更新。青春期超重男孩的抑制素B与睾酮水平显著低于体重正常者。大鼠实验性糖尿病可降低Gdnf、Gfra-1、c-ret与bcl-6b表达，显著抑制SSCs自我更新。此外，高脂饮食诱导的肠道菌群改变可破坏维生素A代谢，从而损害SSCs分化，这为代谢综合征相关性男性不育提供了潜在治疗靶点。

4.3 综合结局：SSCs功能耗竭与生精能力下降

在直接线粒体损伤与间接微环境破坏的共同作用下，SSCs的功能完整性严重受损。以氧化应激过度与线粒体片段化为特征的线粒体功能障碍直接损害SSCs的自我更新与分化。同时，LH/FSH水平改变、睾酮/雌激素比值失衡及高瘦素血症等内分泌紊乱破坏微环境信号，降低GDNF等必需调控因子的可用性。结果导致SSCs丧失维持干性或启动适当分化所需的微环境支持。累积效应表现为SSCs自我更新能力下降、分化受损、凋亡增加，最终导致维持精子发生的干细胞池耗竭。这些改变为肥胖个体常见的少精子症、精子质量下降及生育力降低提供了细胞学解释。总体而言，肥胖通过直接线粒体损伤与间接内分泌-微环境失调的双重打击机制破坏SSCs命运决定。理解这些机制为保护线粒体功能、恢复代谢稳态的治疗策略提供了病理生理学基础。

5 靶向线粒体的SSCs功能恢复策略

针对线粒体完整性的临床策略旨在通过协调线粒体生物发生与线粒体自噬，同时清除ROS，恢复代谢稳态。由于肥胖诱导线粒体片段化与功能障碍，有效治疗策略应促进受损线粒体的选择性清除，同时推动新生功能性细胞器的生成，以补充SSCs的线粒体池。

5.1 协调激活线粒体生物发生与线粒体自噬

恢复线粒体数量与功能能力对SSCs修复至关重要。线粒体生物发生是细胞响应能量需求增加等信号增加线粒体数量与质量的过程。核呼吸因子1与2在调控线粒体生物发生中起重要作用。NRF1激活大量线粒体呼吸链组分编码基因，并通过调控TOMM70、TOMM34、TOMM20等线粒体蛋白导入相关蛋白参与核-线粒体通讯。在许多情况下，NRF1与NRF2通过结合线粒体转录因子A的启动子协同调控线粒体生物发生。转录共激活因子PGC-1α、PGC-1β与PRC通过与NRF1/2、ERRα、NEF2L2等转录因子相互作用进一步增强线粒体生物发生，促进线粒体功能相关基因转录。MEF2、ATF-2、CREB等转录因子协同刺激PGC-1α表达，而PGC-1α本身又增强MEF2与ATF-2的转录活性。这些调控因子通过响应冷暴露、运动、营养限制、细胞因子信号等生理与环境刺激的多条信号通路整合，关键通路包括AMPK/SIRT1/PGC1α轴、钙/CAMK/p38 MAPK/PGC-1α通路及cAMP-PKA通路。

在肥胖背景下，线粒体片段化是SSCs功能障碍的特征。因此，治疗策略应促进通过线粒体自噬选择性清除功能失调的线粒体。多条信号通路参与线粒体自噬调控：p38 MAPK与ERK2被报道参与调控线粒体自噬，p38 MAPK对Parkin的Ser131磷酸化降低其活性，抑制A53T-突触核蛋白过表达诱导的线粒体自噬；ERK1/2激活可促进Unc-51样自噬激活激酶1的泛素化降解，从而损害线粒体自噬。HIF-1α也通过控制BNIP3与NIX受体的表达调控线粒体自噬，肾小管HIF-1α敲除抑制缺血/再灌注诱导的线粒体自噬，该缺陷可被BNIP3过表达挽救。此外，AMPK磷酸化线粒体自噬关键起始因子ULK1的Ser317与Ser777位点，ULK1激活随后促进线粒体自噬与自噬。AMPK或ULK1缺失导致线粒体自噬受损与线粒体蓄积，表明AMPK依赖的ULK1磷酸化对维持线粒体稳态至关重要。

这种线粒体生物发生与线粒体自噬的协调激活产生高线粒体周转率，受损线粒体被高效清除，同时合成的新生线粒体维持健康的线粒体群体，这对干细胞在代谢需求增加期间维持功能性线粒体池至关重要。

5.2 激素与代谢调节剂

新证据表明某些激素可协调线粒体更新过程，为SSCs保护提供潜在治疗策略。例如褪黑素治疗可增加Parkin/PINK1（线粒体自噬介质）与PGC-1α/NRF1（线粒体生物发生介质）的表达，通过同时促进线粒体生物发生与线粒体自噬减轻肝纤维化，提示褪黑素也可能有助于抵消肥胖诱导的SSCs线粒体损伤。甲状腺激素，特别是三碘甲状腺原氨酸，是线粒体代谢的重要调节因子。T3可诱导PGC-1α与ULK1表达，从而增强线粒体质量控制。此外，甲状腺激素通过促进线粒体生物发生与MTOR介导的线粒体自噬，刺激小鼠棕色脂肪组织的脂肪酸氧化与线粒体呼吸。这些发现提示激素对代谢的调控可能影响线粒体质量控制，从而参与SSCs命运调控，这类激素调节可能成为保护肥胖个体SSCs功能的潜在策略。

5.3 靶向线粒体的抗氧化剂

尽管恢复线粒体结构与功能是根本，但靶向线粒体的抗氧化剂对保护线粒体膜、防止脂质过氧化仍具有重要意义，脂质过氧化可直接损害线粒体完整性。理想的靶向线粒体抗氧化剂应具备以下特征：可接受口服生物利用度；选择性富集于氧化损伤最严重器官（心、脑、肝、肌肉）的线粒体中；高效防护氧化损伤；在线粒体内可回收至活性抗氧化状态；在安全浓度下即可发挥临床有效抗氧化作用且无毒性副作用。

通过将抗氧化分子与促进线粒体蓄积的亲脂性阳离子偶联，已开发出多种靶向线粒体的抗氧化剂。最具代表性的化合物之一是10-(6'-泛醌基)癸基三苯基鏻，其由泛醌基团通过10碳烷基链连接TPP阳离子构成，可蓄积在线粒体内膜基质侧。在线粒体内，MitoQ被复合物II还原为其活性抗氧化形式泛醇，主要功能为抑制脂质过氧化。MitoQ目前正在多种临床背景下进行研究，并在多个人类疾病动物模型中显示出保护作用。

另一类靶向线粒体的抗氧化剂是SkQs家族，包括10-(6'-质体醌基)癸基三苯基鏻。与MitoQ类似，SkQ1表现出强膜穿透能力与强效抗氧化活性，作为亲脂性抗氧化剂保护天然与人工膜免受脂质过氧化。在各种实验模型中，SkQ1显示出比MitoQ更强的抗氧化活性，并可抑制分离线粒体中的丙二醛产生。在线粒体内，SkQ1主要以氧化形式存在，但在清除ROS后可被呼吸链持续还原，使其能够作为可充电的抗氧化剂发挥作用。尽管最初用于癌症研究，但SkQ1也被证明可在正常细胞中蓄积并保护其免受ROS诱导的损伤。

其他具有抗氧化特性的化合物，包括肌酸、Latrepirdine、亚甲蓝、姜黄素、银杏叶提取物与ω-3多不饱和脂肪酸，也被报道可支持线粒体功能。辅酶Q10可减少氧化应激并增强线粒体活性。天然化合物如绿茶与白藜芦醇可保护细胞抵抗氧化损伤，白藜芦醇还可激活SIRT1，从而促进葡萄糖摄取与线粒体生物发生。维生素E与Tiron也被提议作为潜在的抗氧化疗法，以对抗过量ROS生成造成的损伤。

5.4 生活方式干预

生活方式干预在改善线粒体功能中也发挥重要作用。体力活动通过改善胰岛素敏感性与促进线粒体生物发生带来多重获益。运动刺激AMPK，随后通过直接磷酸化苏氨酸与丝氨酸残基促进PGC1表达，最终刺激线粒体生物发生。热量限制联合运动可提高组织NAD⁺水平，升高的NAD⁺已被证明可挽救化疗诱导的SSCs丢失，从而改善精子发生。无营养不良的热量限制已被证明可延长多种生物体的寿命，并降低年龄相关代谢疾病的风险。此外，热量限制可减少过量ROS产生与氧化损伤，从而改善人类线粒体功能，并可能成为管理肥胖与胰岛素抵抗的有效策略。

6 结论与未来方向

男性不育是全球重大健康负担，线粒体代谢已被确认为SSCs命运的关键决定因素。本综述系统总结了线粒体功能调控SSCs自我更新与分化的现有认知，并指出了该领域若干重要的未解决问题。基于近期SSCs与其他干细胞系统的研究发现，我们提出一个概念框架：SSCs在低氧微环境中通过糖酵解与PPP依赖的