還覺得抽菸沒事？吸菸影響男性精子、睪丸、受孕等一系列生殖能力

應《科學》雜誌社的約請，上海交通大學教授喬中東和他的博士研究生張東一起寫下了這篇綜述。

主要介紹了吸菸對男性生殖和後代的影響。

這篇文章已發表在2018年第五期的《科學》雜誌上。

吸菸對男性生殖和後代的影響

張東，喬中東

摘要：吸菸是目前世界上最大的公共問題之一。

現有的研究已經顯示，吸菸可以對男性的生殖能力產生不良的影響。

同時，吸菸還可以通過損傷精子和改變精子中的表觀遺傳學修飾，對後代產生不利的影響。

關鍵詞：吸菸、男性生殖、精子、後代、跨世代遺傳

吸菸是世界上最大的公共衛生問題之一。

世界衛生組織（World health organization，WHO）在2017年公布的數據顯示，截至2016年，全球的菸草使用者高達13億，全球每年有600萬人以上因直接或間接吸菸而死亡。

我國作為一個菸草大國，吸菸者超過3.2億，另有約7.4億人被動吸菸，其中包括1.8億兒童。

香菸煙霧中含有的各類化學物質共計4 000餘種，包括焦油、一氧化碳、各種致癌物質、尼古丁等。

大量流行病學調查顯示，吸菸與腫瘤、呼吸系統和心腦血管方面的疾病的發生密切相關。

此外，吸菸還會對精神疾病產生影響。

由於尼古丁的作用，偶然吸菸會使人產生快感。

精神抑鬱的人開始吸菸時，抑鬱的症狀會有所緩解。

但是隨著時間的推移，抑鬱患者大腦中的尼古丁受體全部結合了尼古丁後，緩解抑鬱的作用就會減弱。

為了不產生抑鬱，患者就會加大吸菸的量，從而進入一個「越吸菸越抑鬱」的狀態。

筆者研究發現，吸菸對男性生殖系統也存在著一定的危害，並且還會通過損傷精子，對後代產生不利的影響。

吸菸對男性生育能力的影響

流行病學調查顯示，吸菸行為與男性的生育能力之間具有較高的相關性，其主要表現為精液中精子密度降低、精子運動能力減弱、精子形態異常，以及體外受精受孕率降低。

這一現象直接導致了吸菸男性生育能力的降低，甚至因而影響到後代的健康。

筆者研究發現，雄性小鼠每天吸2支煙（相當於1個成年人每天吸20支煙的水平），連續吸菸5周以後，其精子的活動能力和運動性均會降低，且小鼠的出生率降低，出生後小鼠的死亡率也會增加。

錢英超等採用精子圖像分析系統檢測368位男性精子的成活率，並對其進行統計學分析，結果顯示：吸菸組男性的精子成活率低於非吸菸組，其中煙齡10年以上組男性的a級精子成活率同煙齡10年以下組的差別不大，但其ｂ級精子成活率則低於煙齡10年以下組；每日吸菸量多於20支組的男性，其ａ級和ｂ級精子成活率均低於每日吸菸量少於20支組的。

這表明吸菸是導致男性精子成活率下降的重要因素，長期或大量吸菸會降低精子質量。

曾有研究者通過對207例男性精子DNA碎片化指數（Sperm DNA Fragmentation, SDF）的檢測發現，長期大量吸菸可導致男性精液質量下降和精子DNA的損傷，從而影響男性生育。

正確的魚精蛋白與組蛋白比例對於精子產生是必不可少的，而有研究者發現吸菸可以通過造成組蛋白-魚精蛋白轉換異常，導致精子暴露於過量的氧自由基環境，造成其DNA損傷，最終降低了精子的活力。

也有研究者發現香菸煙霧處理能夠改變附睪氧化應激狀態，從而影響精子的獲能，妨害精子的形成與成熟，造成畸形精子症、弱精症甚至無精症，最終造成精液質量的下降。

同時，吸菸可能會增高男性體內抗精子抗體的陽性檢出率，對精子形態造成不利影響，造成精子畸形，從而可能影響男性的生殖能力。

這些研究均表明，吸菸可致精子活力降低，畸形率增加，是男性不育發生的一個重要影響因素。

吸菸對精子的影響

筆者研究表明，尼古丁處理還可以使小鼠生精細胞中Trim27基因的啟動子區域發生低甲基化修飾，從而誘導腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）介導的凋亡通路中的關鍵蛋白RIP1發生去泛素化修飾，導致小鼠精子在長形精子階段發生細胞凋亡。

乳酸脫氫酶C (Lactate Dehydrogenase C, LDHC)是睪丸和精子中最豐富的乳酸脫氫酶異構體，在生殖細胞的能量代謝中具有關鍵作用。

微摩爾級的尼古丁或可替寧(尼古丁的代謝產物)均可通過疏水作用力和氫鍵以競爭性方式抑制LDHC活性，導致LDHC含量降低，最終可導致不孕。

離子跨膜轉運在精子的生理活動中也發揮重要作用。

在影響精子生理活動的眾多離子中，精子內游離的Ca²⁺是調控精子活動等生理功能的關鍵因素，依靠精子鞭毛的主段和中段內Ca²⁺濃度的改變可以調節精子的活力、誘導精子的超活化、精子的趨藥性等。

然而，吸菸會引起精液中Ca²⁺濃度的降低，導致精子死亡率上升，存活精子活性降低，從而影響男性的生育。

無論是小鼠還是人群，吸菸都會影響精子中糖酵解和氧化磷酸化的過程，影響精子中的糖代謝，從而影響精子的功能。

筆者研究顯示，尼古丁處理小鼠後，精子中的骨架調節基因Pfn1的啟動子區域甲基化程度降低，致使PFN1蛋白表達增加，肌動蛋白更新加快，從而導致精子的運動性增強。

但是經尼古丁處理後，Sord基因的啟動子區域出現高甲基化，反而使得小鼠附睪尾部尤其是附睪小體中SORD蛋白的表達水平下調了，並進一步通過多元醇通路造成精子的能量缺乏以及附睪中的果糖代謝障礙，造成糖酵解異常。

這樣就導致了一種讓精子運動加快，但是能量供給不足的情況，最終導致最好的精子反而不能受孕。

此外，有研究曾將精子置於含有不同濃度的尼古丁的體外培養液中，通過使用計算機輔助精子分析來評估精子運動後的狀態，結果顯示，高濃度的尼古丁(≥5.0mM)顯著降低了精子的總運動性、漸進運動性、曲線速度、側頭位移幅度、交叉頻率、活力和自發頂體反應。

這表明高濃度的尼古丁可能通過降低精子運動性、活力和過早誘導頂體反應對人類精子的受精能力產生不利影響。

吸菸對睪丸的影響

睪丸是精子發生和產生雄激素的主要場所。

Ochedalski等人發現吸菸導致男性體內的激素水平發生變化，吸菸者的血清中17-β-雌二酮水平較不吸菸者顯著提高，而促黃體生成素(Luteotropic Hormone, LH)、卵泡刺激素(Follicle Stimulating hormone , FSH)與催乳素(Prolactin, PRL)的含量較不吸菸者顯著降低。

他們的研究還發現PRL含量與精子活動能力具有一定的相關性，PRL含量較低的男性吸菸者，其精子活動能力也較低。

此外，還有學者研究了吸菸對睪丸功能的影響，結果顯示吸菸改變了血清中的激素含量，從而造成了睪丸中生精細胞失去功能，精子生成量顯著降低。

這些研究結果均顯示，吸菸引起的內分泌水平的改變會降低男性生殖能力。

筆者研究發現，香菸煙霧處理可使睪丸中Pebp1基因的啟動子區域發生高甲基化，導致PEBP1蛋白表達量減少，ERK1蛋白磷酸化降低，最終影響精子形成。

尼古丁處理還降低了睪丸中Nme2基因啟動子區域的甲基化水平，增加了NME2蛋白的表達量，抑制端粒的合成及端粒酶的活性，導致小鼠精子在長形精子階段發生細胞凋亡。

此外，筆者還發現在暴露於尼古丁環境的小鼠睪丸間質細胞中，其Tcl1基因的啟動子區域發生高甲基化，從而降低了TCL1蛋白的表達量，激活了mTOR自噬途徑，從而導致睪丸間質細胞發生自噬，最終降低了血清睪酮的含量。

此外，尼古丁還可以使得小鼠的睪丸中的腦源性神經營養因子、多巴胺、酪氨酸羥化酶(Tyrosine Hydroxylase, TH)、促氧化劑，即活性氧簇(Reactive Oxygen Species, ROS)和誘導型一氧化氮合成酶(inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS)的活性發生上調，抗氧化劑的活性發生下調，從而導致發育中的精原細胞和精母細胞發生尼古丁劑量和時間的依賴性損失、基底膜破裂和DNA損傷，最終降低精子的數量。

吸菸對後代的影響

最近的科學研究表明，吸菸的父親不僅可以增加自發性流產的風險，而且能夠將菸草煙霧引起的跨代損害傳遞給他們的後代。

流行病學研究還表明，早期父親吸菸（11歲前吸菸）與男性（而非女性）後代的肥胖體重指數相關。

美國麻薩諸塞大學醫學院研究顯示，若男性吸菸，其後代肝臟中處理外源物的基因表達上調，後代有更強的耐藥性。

而這種耐藥性不是只針對特定的物質（尼古丁），而對一些外源物也起作用，這樣的話，藥物或者抗生素甚至化療手段可能在男性吸菸的後代身上的作用減弱。

Fang等通過二代測序的手段，分別分析了人和小鼠精子中保留的mRNA的種類和豐度，以及尼古丁處理前後小鼠精子中mRNA表達譜的變化，結果顯示，尼古丁處理前後，mRNA的表達差異高達16倍。

已知mRNA主要參與到胚胎髮育、免疫反應，以及一些疾病發生的途徑中，而一些精子中的轉錄本可以通過受精作用保留在受精卵中，並可能參與調節早期的胚胎髮育過程。

因此這提示我們，尼古丁很有可能通過影響mRNA轉錄對下一代產生一定的影響。

香菸煙霧可以影響作為負調節的微小RNA（miRNA）的功能，導致轉錄後沉默或抑制靶基因表達。

研究發現，在使用HepG2細胞的體外模型中，作為香菸煙霧的主要成分的苯並[a]芘能夠誘導中幾種miRNA的表達，從而改變mRNA轉錄水平。

而作為能夠被苯並[a]芘調節的miRNA，mir-29b、mir-26a-1、mir-122等通常被認為與基因毒性、DNA損傷反應、DNA修復、細胞周期和凋亡信號有關。

此外，在成年大鼠中，mir-29b含量的增加通常與DNA甲基轉移酶和抗凋亡蛋白Mcl-1表達量的減少相關，繼而導致成年生殖細胞凋亡增加等表觀遺傳改變。

因此這些結果表明，香菸煙霧可以影響作為負調節的微小RNA（miRNA）的功能，導致mRNA轉錄後沉默或抑制靶基因表達。

父親吸菸還會直接誘導氧化DNA損傷、DNA鏈斷裂、染色體畸變、突變和基因表達的改變，已知吸菸可導致其精子DNA鏈斷裂的基線頻率增加10％左右。

香菸煙霧中的苯並[a]芘能夠穿過血睪屏障，誘導精子DNA損傷，然後傳遞到未出生後代的基因組。

有學者在研究苯並[a]芘對小鼠的損傷機制時發現，精原幹細胞中誘導的DNA損傷被修復，而精子發生中誘導的DNA損傷尚未被修復；同時還發現苯並[a]芘-7,8-二醇-9,10-環氧化物加合物可與精子一起傳遞給後代。

而在吸菸人類的精子中，苯並[a]芘DNA加合物的含量也顯著增加，此外，當暴露於氧化應激時，成熟精子的DNA損傷程度也會有所增加。

未經修補的精子DNA損傷，可能導致後代遺傳不穩定。

Ahmadi和Ng發現無論精子的DNA損害的程度如何，其受精能力不受影響。

然而，胚胎髮育卻隨著精子DNA損傷的增加而顯著下降。

合子具有一定的修復DNA損傷的能力，但是如果當這個損傷程度過大，而且這個精子沒有被機體的調節機制所控制的話，則會導致出生缺陷、遺傳疾病、懷孕喪失和嬰兒死亡。

在哺乳動物中，最廣泛研究的表觀遺傳修飾是由DNA甲基轉移酶（DNA methyltransferase, DNMTs）家族介導的CpG二核苷酸內的碳5位置（5mC）處的胞嘧啶殘基的甲基化。

而香菸煙霧可以通過DNA損傷和隨後招募DNMTs來調節DNA甲基化狀態。

DNMT1是最重要的DNMT，被認為是哺乳動物中的關鍵維持性甲基轉移酶。

香菸煙霧中的致癌物質可以通過引起雙鏈斷裂來破壞DNA，而DNA修復會招募DNMT1， DNMT1能夠將需要修復的核苷酸相鄰的CpGs進行甲基化。

筆者研究表明，父母吸菸或尼古丁暴露（如電子香菸），均可引發自身的抑鬱。

單純父親吸菸，子代多動；單純母親吸菸，子代抑鬱。

而當父母均吸菸時，20%的子女多動，70%的子女抑鬱。

筆者的研究進一步揭示出尼古丁處理導致小鼠精子中的mmu-miR-15b的啟動子區域之前的CpG島灘發生了高甲基化，且這種表觀遺傳學修飾傳遞到了下一代。

而這一表觀遺傳學信息介導了尼古丁引發的神經精神病學效應的父系跨世代傳遞。

在人群中，夫妻中的某一方吸菸，很難保證另一方不被動吸菸。

因此，無論是夫妻雙方哪一方吸菸，都會對子女產生不利的影響。

綜上所述，吸菸或尼古丁暴露可以從多方面的影響男性的生殖能力，從而導致不育等不良後果。

同時吸菸還可以通過損傷精子，對後代的生長、發育等健康問題造成一定的影響。

這些事實提醒我們，應該充分認識到吸菸的危害，為了自己和孩子的健康，應早日戒菸，同時育齡期夫婦堅決不吸菸。