丘腦-垂體-性腺軸調(diào)節(jié)睪酮合成的研究進(jìn)展

侯曉鴻，郝衛(wèi)東*

( 北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院食品安全毒理學(xué)研究與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191 )

睪酮又稱(chēng)為睪丸素、睪丸酮或睪甾酮，其化學(xué)式為17β-羥基雄甾-4-烯-3-酮丙酸酯，是一種由19個(gè)C原子構(gòu)成的甾體類(lèi)激素[1]。睪酮是一種重要的雄激素，在雄性睪丸、雌性卵巢以及腎上腺中均有分泌，并且對(duì)多個(gè)組織系統(tǒng)發(fā)揮生理作用[2]：腦組織中，負(fù)責(zé)性沖動(dòng)、意識(shí)、記憶以及感覺(jué)；腎臟中，促進(jìn)激素及紅細(xì)胞生成素的產(chǎn)生，從而提高紅細(xì)胞數(shù)量；性腺中，與精子的生成，前列腺、陰莖的發(fā)育與功能發(fā)揮有關(guān)；肌肉組織中，維持骨骼肌生長(zhǎng)，增強(qiáng)肌肉強(qiáng)度與質(zhì)量[3]；骨骼中，維持骨密度、骨強(qiáng)度及促進(jìn)骨髓紅細(xì)胞的產(chǎn)生[4]；皮膚組織中，與毛發(fā)、皮脂腺、膠原蛋白的產(chǎn)生有關(guān)。此外，研究表明生理水平的睪酮對(duì)男性心血管系統(tǒng)有益，睪酮缺乏與心血管疾病事件的增加有關(guān)[5]。天然的雄激素主要包括雄烯二酮、脫氫表雄酮、睪酮及由其轉(zhuǎn)化而成的雙氫睪酮，雄激素發(fā)揮作用主要依賴(lài)于雄激素受體的激活，其他形式的雄激素可轉(zhuǎn)化為睪酮或雙氫睪酮而發(fā)揮生物學(xué)作用[6]。因此，睪酮的生物合成在生命體中發(fā)揮十分重要的作用。睪酮的主要來(lái)源是睪丸間質(zhì)細(xì)胞(Leydig細(xì)胞)，其次為腎上腺皮質(zhì)網(wǎng)狀帶。Leydig細(xì)胞主要通過(guò)兩種形式分泌睪酮：基礎(chǔ)分泌與受丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamus-puititary-gonad axis，HPGA)調(diào)節(jié)的促性腺激素誘導(dǎo)分泌[7]。HPGA調(diào)節(jié)作用(圖1)主要包括：下丘腦促性腺激素釋放神經(jīng)元合成并分泌促性腺激素釋放激素(gonadotropinreleasing hormone，GnRH)，經(jīng)下丘腦-垂體門(mén)脈循環(huán)至腦垂體，促進(jìn)垂體前葉分泌卵泡刺激素(follicle stimulating hormone，F(xiàn)SH)、黃體生成素(luteinizing hormone，LH)，其中LH作用于Leydig細(xì)胞，經(jīng)過(guò)一系列類(lèi)固醇合成酶的作用促進(jìn)睪酮合成[8]。本文主要敘述HPGA中主要物質(zhì)的合成及其調(diào)控機(jī)制。

圖1 睪酮合成的HPGA調(diào)節(jié)機(jī)制[2]

1 GnRH分類(lèi)及表達(dá)的調(diào)節(jié)

作為HPGA的第1個(gè)調(diào)控物質(zhì)，GnRH在生殖功能中發(fā)揮重要的作用。所有物種神經(jīng)組織中，已鑒定的GnRH包含24種結(jié)構(gòu)形式[9]， 分為GnRHⅠ、GnRH Ⅱ和GnRH Ⅲ三種類(lèi)型[10]。各類(lèi)型均具有保守的、與受體有效結(jié)合所必需的NH2-末端序列(pGlu-His-Trp-Ser)和COOH-末端序列(Pro-Gly NH)[11]。許多脊

2椎動(dòng)物體內(nèi)含有至少兩種類(lèi)型的GnRH，人體內(nèi)具有GnRH I、GnRH II兩種類(lèi)型[10，12]。GnRH I是一種最初從哺乳動(dòng)物下丘腦中分離得到的、能夠促進(jìn)FSH、LH分泌的十肽。GnRH I在不同的脊椎動(dòng)物體內(nèi)具有不同的氨基酸序列，且主要表達(dá)于腦組織中[12]， 具有調(diào)節(jié)生殖細(xì)胞形成和性行為的作用[10]。GnRH II最初從雞腦組織中分離得到，其氨基酸序列為pGlu-His-Trp-Ser-His-Gly-Trp-Tyr-Pro-Gly-NH2(QHWSHGWYPG)[10]。GnRH II與GnRH I具有不同的編碼基因，在生物進(jìn)化及不同物種中高度保守，且較高表達(dá)于腦組織以外的器官組織中[12]，與雌性生殖行為、食物攝入與能量平衡有關(guān)[10]。GnRH Ⅲ最初從七鰓鰻腦組織中分離得到，其氨基酸序列為pGlu-His-Trp-Ser-His-Asp-Trp-Lys-Pro-Gly-NH2(QHWSYGWLPG)，但僅發(fā)現(xiàn)于輻鰭魚(yú)組織內(nèi)[10]。研究表明GnRH I可直接調(diào)節(jié)生殖行為，GnRH II和GnRH Ⅲ間接調(diào)節(jié)相關(guān)的性行為[10]。

探究GnRH基因表達(dá)分為體內(nèi)和體外兩種方式，體外方式包括GT1、GT1-7、GN、GnV、GRT、hGLC和mHypoA-GnRH/GFP等細(xì)胞模型[13]； 體內(nèi)方式主要包括轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型[12]。GnRH基因含有許多與轉(zhuǎn)錄因子或輔酶因子結(jié)合的功能元件，轉(zhuǎn)錄因子或輔酶因子通過(guò)與基因元件的結(jié)合作用調(diào)控(啟動(dòng)、增強(qiáng)或抑制)GnRH基因的轉(zhuǎn)錄。其中轉(zhuǎn)錄因子包括八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子-1(octamer-binding transcription factor-1，Oct-1)、肌節(jié)同源盒(muscle segment homeobox，Msx1)、 遠(yuǎn)端同源異型盒2(distal less homeobox 2，Dlx2)；輔酶因子包括groucho-related gene(GRG)家族、three amino acid loop extension(TALE)同源域因子、orthodenticle-related(Otx)蛋白和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)等[9]。

2 GnRH與LH、FSH的生成

GnRH的分泌受到多種神經(jīng)肽的調(diào)節(jié)，包括kisspeptin(KP)、血管活性腸多肽(vasoactive intestinal polypeptide，VIP)、RF相關(guān)酰胺肽-3(RFamide-related peptide-3，RFRP-3)、神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)、饑餓素(ghrelin，GHR)等[14]。各神經(jīng)肽通過(guò)直接或間接方式調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元中GnRH的分泌。GnRH以脈沖方式分泌后，經(jīng)下丘腦-垂體門(mén)脈循環(huán)系統(tǒng)到達(dá)垂體，與位于垂體前葉促性腺激素細(xì)胞表面的促性腺激素釋放激素受體(gonadotropin-releasing hormone receptor，GnRHR)結(jié)合，從而促進(jìn)LH、FSH的生成。關(guān)于GnRH脈沖式分泌機(jī)制的研究，目前存在兩種假說(shuō)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為GnRH神經(jīng)元之間通過(guò)縫隙連接介導(dǎo)電偶聯(lián)，因此GnRH神經(jīng)元內(nèi)部可能存在GnRH脈沖發(fā)生器；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為GnRH神經(jīng)元外部存在弓狀核(arcuate nucleus，ARC)KP亞群作為GnRH脈沖發(fā)生器調(diào)節(jié)GnRH脈沖式分泌[15]。GnRH的分泌頻率和振幅影響LH、FSH的分泌：頻率高時(shí)促進(jìn)LH優(yōu)先分泌，頻率低時(shí)促進(jìn)FSH分泌增加。FSH、LH含有相同的α亞單元與不同的β亞單元(FSHβ、LHβ)。FSHβ、LHβ的轉(zhuǎn)錄依賴(lài)GnRH脈沖的頻率，因此認(rèn)為FSHβ、LHβ為FSH、LH發(fā)揮生物學(xué)作用的功能區(qū)[9]。研究表明GnRH促進(jìn)FSH、LH的合成與分泌涉及多種信號(hào)通路[16]：①絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路。MAPK包括細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)、J-氨基末端激酶(jun N-terminal kinase，JNK)和p38，能夠被GnRH激活。GnRH脈沖頻率影響ERK1/2的磷酸化水平，ERK1/2可能是GnRH脈沖信號(hào)的解碼器。②鈣信號(hào)通路。GnRH通過(guò)鈣動(dòng)員激活鈣/鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性激酶(Ca2+/calmodulin-dependent kinases，CamK1/2)并加速促性腺激素的分泌；鈣通道激動(dòng)劑能夠提高促性腺激素基因的表達(dá)；促性腺激素細(xì)胞中的ERK信號(hào)通路也需要鈣激活鈣調(diào)蛋白的作用。③活化 T細(xì) 胞 核 因 子 (nuclear factor of activated T-cells， NFAT)。NFAT是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過(guò)鈣調(diào)磷酸酶的作用介導(dǎo)GnRH調(diào)控的FSH、LH基因轉(zhuǎn)錄。④蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)。當(dāng)受到GnRH刺激時(shí)，促性腺激素細(xì)胞中的PKA活性增強(qiáng)，調(diào)控FSHβ、LHβ基因的轉(zhuǎn)錄。

3 Leydig細(xì)胞中睪酮的生成

垂體前葉分泌的LH調(diào)節(jié)Leydig細(xì)胞中睪酮的合成與分泌(圖2)。Leydig細(xì)胞膜上存在一種G蛋白偶聯(lián)受體即LH受體(LH receptor，LHR)，能與LH高度結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶，引起類(lèi)固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白(steroidogenic acute regulatory protein，StAR)、細(xì)胞色素P450膽固醇側(cè)鏈剪切酶(cholesterol side-chain cleavage cytochrome P450 enzyme，P450scc)、3β-羥基類(lèi)固醇脫氫酶(3β-hydroxysteroid dehydrogenase，3β-HSD)等一系列蛋白的作用，最終以膽固醇為原料合成睪酮，從而發(fā)揮促進(jìn)生殖系統(tǒng)發(fā)育及精子生成的生物學(xué)作用[17]。

圖2 睪丸間質(zhì)細(xì)胞中類(lèi)固醇生成途徑[18]

StAR是類(lèi)固醇激素生物合成所必需的調(diào)控因素，主要發(fā)揮轉(zhuǎn)運(yùn)膽固醇進(jìn)入線粒體內(nèi)膜并將其呈遞給P450scc，此為類(lèi)固醇激素生物合成的限速步驟[18]。LH與LHR結(jié)合后，通過(guò)G 蛋白(G protein，G)、腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase，AC)和磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)的介導(dǎo)與調(diào)控作用激活環(huán)磷酸腺苷/蛋白激酶A(cyclic adenosine monophosphate/protein kinase A，cAMP/PKA)信號(hào)通路。cAMP在PKA的作用下，通過(guò)與cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)結(jié)合，調(diào)控StAR基因的表達(dá)[18]。關(guān)于StAR蛋白作用機(jī)制的研究，目前存在兩種假說(shuō)[19]：一種觀點(diǎn)認(rèn)為StAR蛋白通過(guò)N末端直接定位到線粒體，其C末端序列在線粒體膜外將膽固醇從膜外轉(zhuǎn)移到膜內(nèi)；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為線粒體周?chē)赡艽嬖谒嵝晕h(huán)境，此環(huán)境下StAR能夠形成熔球結(jié)構(gòu)，并在作用于線粒體外膜時(shí)，增加N末端與C末端之間連接區(qū)域的靈活性，暴露出膽固醇通道或延長(zhǎng)該期的時(shí)間從而使StAR停留在外膜上以提高膽固醇的轉(zhuǎn)移。

P450scc(又稱(chēng)為CYP11A1)由CYP11A1基因編碼，大量存在于類(lèi)固醇激素生成細(xì)胞的線粒體中，主要作用是將進(jìn)入線粒體的膽固醇轉(zhuǎn)變?yōu)樵邢┐纪?。CYP11A1基因的轉(zhuǎn)錄具有組織特異性，PKA、PKC第二信使系統(tǒng)能夠通過(guò)與CYP11A1基因啟動(dòng)子的相應(yīng)序列相互作用調(diào)節(jié)CYP11A1基因的轉(zhuǎn)錄[20]。P450scc主要通過(guò)斷裂C20與C22之間的碳鏈將進(jìn)入線粒體的膽固醇轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮[7]。

3β-HSD(又稱(chēng)為△4-△5異構(gòu)酶)是合成所有活性類(lèi)固醇激素所必須的一類(lèi)脫氫酶，屬于乙醇脫氫酶/氧化酶家族，能夠?qū)⒕€粒體中合成的孕烯醇酮轉(zhuǎn)化為孕酮。3β-HSD的表達(dá)具有細(xì)胞及組織特異性，性成熟大鼠睪丸組織內(nèi)只有Leydig細(xì)胞表達(dá)3β-HSD。3β-HSD的表達(dá)受多種促性腺激素和其他類(lèi)固醇激素含量的影響。孕烯醇酮的C5、C6之間有雙鍵，稱(chēng)為△5甾體。線粒體內(nèi)生成的孕烯醇酮轉(zhuǎn)移至滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，3β-HSD能將此雙鍵轉(zhuǎn)移至C4、C5之間，形成△4甾體[6]。此甾體分別經(jīng)孕酮、脫氫表雄酮兩種中間產(chǎn)物，最終被3β-HSD轉(zhuǎn)化為雄烯二酮，再經(jīng)其他酶的作用最終轉(zhuǎn)化為睪酮。此為睪酮的△4(孕烯醇酮-孕酮-雄烯二酮-睪酮)、△5(孕烯醇酮-脫氫表雄酮-雄烯二酮-睪酮)兩種合成途徑[6]。

4 小 結(jié)

睪酮生成的HPGA調(diào)節(jié)可概括為：神經(jīng)肽信號(hào)作用于下丘腦GnRH神經(jīng)元，下丘腦GnRH神經(jīng)元合成并分泌GnRH；GnRH經(jīng)下丘腦-垂體門(mén)脈系統(tǒng)促進(jìn)垂體前葉釋放LH、FSH，其中LH與睪丸Leydig細(xì)胞的受體結(jié)合，促進(jìn)StAR表達(dá)；StAR將膽固醇呈遞至位于線粒體內(nèi)的P450scc，P450scc將膽固醇轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮；合成的孕烯醇酮被轉(zhuǎn)移至滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，經(jīng)?4途徑中3β-HSD將其轉(zhuǎn)化為孕酮或經(jīng)?5途徑轉(zhuǎn)化為脫氫表雄酮后，被轉(zhuǎn)化為雄烯二酮；兩種途徑的雄烯二酮最終都被轉(zhuǎn)化為睪酮。目前研究已發(fā)現(xiàn)睪酮生成的HPGA調(diào)節(jié)中的多種重要調(diào)節(jié)因素，但尚未被充分解釋?zhuān)缦虑鹉XGnRH脈沖式分泌、垂體前葉解碼GnRH脈沖式刺激作用及StAR轉(zhuǎn)運(yùn)膽固醇等的機(jī)制尚待研究。