抑制素-活化素-卵泡抑素系統(tǒng)在哺乳動(dòng)物生殖系統(tǒng)中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

張博琦，李純錦，陳璐，周虛

(吉林大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062)

活化素(activin,ACT)和抑制素(inhibin,INH)最初被作為化合物從卵巢提取物中分離出來，隨后，在豬的卵泡液中分離出卵泡抑素(follistatin,FST)[1-2]，三者皆與垂體促卵泡激素(FSH)的合成和分泌緊密相關(guān)，簡稱ACT-INH-FST系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，ACT-INH-FST系統(tǒng)通過影響下丘腦促性腺激素釋放激素(GnRH)的分泌以及其受體的表達(dá)，調(diào)控FSH和促黃體素(LH)的分泌(圖1)[3]。對于雌性動(dòng)物，F(xiàn)SH和LH與卵泡的生長排卵、雌激素與孕酮的產(chǎn)生、以及卵巢中類固醇激素的循環(huán)水平密切相關(guān)。在雄性動(dòng)物中，F(xiàn)SH能夠促進(jìn)睪丸間質(zhì)細(xì)胞分泌雄激素，LH與雄激素協(xié)同作用能夠促進(jìn)精子細(xì)胞成熟?；罨?、抑制素和卵泡抑素及其受體在哺乳動(dòng)物體內(nèi)均廣泛表達(dá)，并參與調(diào)控一系列生殖活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)[3]改繪

1 活化素、抑制素和卵泡素來源及分子結(jié)構(gòu)特性

1.1 活化素和抑制素來源及分子結(jié)構(gòu)特性

活化素和抑制素是緊密聯(lián)系的蛋白質(zhì)二聚體，二者都屬于細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族，TGF-β家族主要參與調(diào)控細(xì)胞的分化、成熟以及凋亡[4]。抑制素作為調(diào)控下丘腦-垂體-性腺軸(HPG軸)的重要激素，主要來源于雌性動(dòng)物卵巢顆粒細(xì)胞和雄性動(dòng)物睪丸支持細(xì)胞。除性腺組織外，抑制素還存在于腎上腺、眼睛、肺臟、腎臟、垂體和脾臟等多個(gè)組織，直接或間接影響各組織正常生理活動(dòng)。抑制素、活化素的前體和成熟形式見圖2[5]。

*表示糖基化位點(diǎn)；參考文獻(xiàn)[5]改繪

抑制素是一種異二聚體，由α-亞基(20 kDa)與β-亞基(13 kDa)組成見抑制素和活化素的前體和成熟示意圖。在人上，抑制素α-亞基位于2號染色體(2q33-q36)上，其5′非編碼區(qū)含有高度保守的啟動(dòng)子元件Tre、Cre和GATA結(jié)合位點(diǎn)，類固醇生成因子(SF-1)結(jié)合位點(diǎn)和Smad結(jié)合元件[6]。這些啟動(dòng)子位點(diǎn)由激活蛋白AP-1、AP-2、GATA、Smad3/4和cAMP結(jié)合蛋白(CREB)進(jìn)行調(diào)控[7]。α-亞基在不同物種之間高度保守，特別是豬和牛，與人的同源性高達(dá)85%。抑制素的β-亞基存在兩種形式βA-和βB-亞基，分別位于7號染色體(7p15-p13)和2號染色體(2cen-q13)上。βA-亞基由3個(gè)外顯子和一個(gè)2.6 kb的內(nèi)含子區(qū)域組成，啟動(dòng)子區(qū)域包含TATA box和幾個(gè)潛在的特異性蛋白1結(jié)合位點(diǎn)；βB-亞基由兩個(gè)外顯子和一個(gè)2.5 kb內(nèi)含子組成，啟動(dòng)子區(qū)域富含鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)，且包含多個(gè)特異性蛋白1結(jié)合位點(diǎn)和3個(gè)Cre序列[5]。抑制素主要存在兩種形式，抑制素A和抑制素B。α-亞基與βA-亞基組成抑制素A(α/βA)，α-亞基與βB-亞基組成抑制素B(α/βB)。

活化素是抑制素β-亞基的二聚體，具有與抑制素相似的組織分布，但其生理功能與抑制素完全不同[8]?；罨胤肿恿繛?5 kDa，主要由兩個(gè)β-亞基βA-和βB-組成，兩者分別由不同的基因INHBA和INHBB轉(zhuǎn)錄而來[9]。動(dòng)物體內(nèi)活化素以同源二聚體蛋白和異源二聚體蛋白形式存在，分別為活化素A(βA/βA)、活化素AB(βA/βB)和活化素B(βB/βB)，三者都通過經(jīng)典的TGF-β信號通路發(fā)揮作用，其中活化素A和活化素B研究最為廣泛且與生殖調(diào)控密切相關(guān)[10]。到目前為止，在人體中成功分離了4個(gè)活化素亞基，βA、βB、βC和βE[11]，但其中βC和βE亞基的生理功能還未完全了解。

1.2 卵泡抑素來源及分子結(jié)構(gòu)特性

卵泡抑素是一種富含半胱氨酸且高度糖基化的單鏈多肽，在結(jié)構(gòu)上與Kazal絲氨酸蛋白酶抑制劑家族同源,是活化素及其他TGF家族成員的拮抗劑。卵泡抑素在動(dòng)物體內(nèi)分布廣泛，除性腺組織外，在骨骼肌、胰腺細(xì)胞、腦脊液、腸上皮中都能檢測到卵泡抑素mRNA[12-13]。卵泡抑素是小鼠13號染色體和人類5號染色體的基因產(chǎn)物，基因全長約為6 kb，包含6個(gè)外顯子和5個(gè)內(nèi)含子。成熟的卵泡抑素由4個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，包括一個(gè)獨(dú)特的N端結(jié)構(gòu)域(Fs0)和3個(gè)卵泡抑素結(jié)構(gòu)域(Fs1、Fs2、Fs3)，其中Fs1和Fs2是活化素的結(jié)合域。卵泡抑素通過選擇性剪接和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生3種蛋白質(zhì)亞型，根據(jù)多肽鏈的長度，分別命名為卵泡抑素315(FST315)、卵泡抑素303(FST303)和卵泡抑素288(FST288)，3種異構(gòu)體都能與活化素結(jié)合并起到重要的調(diào)控作用，但3個(gè)異構(gòu)體之間存在功能差異，其主要原因在于它們與硫酸乙酰肝素(HS)的結(jié)合能力，F(xiàn)s288與HS的親和力最高，F(xiàn)S303次之，F(xiàn)s315不能與HS結(jié)合[3,14]。

2 抑制素-活化素-卵泡抑素系統(tǒng)的受體及作用機(jī)制

2.1 活化素受體及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

與其他TGF-β超家族成員相似，活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)也是通過與絲氨酸/蘇氨酸激酶特定受體之間的相互作用，以及激活細(xì)胞內(nèi)Smad蛋白啟動(dòng)的?；罨厥荏w根據(jù)分子量的高低，分別被命名為活化素Ⅰ型受體(低分子量，ACTR-I)和活化素II型受體(高分子量，ACTR-II)。研究表明，ACTR-II存在兩種同源形式ACTR-IIA和ACTR-IIB，兩者都通過激活相似的活化素下游通路發(fā)揮作用；ACTR-I也稱活化素受體樣激酶(ALK)，共存在7個(gè)變體[15]，其中，ALK4在活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起重要作用。通過對山羊的研究發(fā)現(xiàn)，活化素受體是在卵母細(xì)胞成熟和胚胎發(fā)育過程中合成的，在體外培養(yǎng)的成熟山羊卵母細(xì)胞和囊胚中，發(fā)現(xiàn)存在活化素Ⅱ型受體，證明活化素受體的表達(dá)與卵母細(xì)胞的正常發(fā)育密切相關(guān)[16]。

活化素與細(xì)胞表面的兩種Ⅱ型受體之一結(jié)合時(shí)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)被觸發(fā)。結(jié)合形成的復(fù)合物能夠募集ACTR-I并使其發(fā)生磷酸化，ACTR-I發(fā)生磷酸化被激活后，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)蛋白Smad2和Smad3的磷酸化，這些被磷酸化的Smad蛋白釋放到細(xì)胞質(zhì)中與co-SMAD、Smad4形成復(fù)合物，形成的Smad蛋白復(fù)合物轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，在細(xì)胞核內(nèi)它們與DNA結(jié)合并調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄?；罨赝ㄟ^上述級聯(lián)反應(yīng)調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、修復(fù)和凋亡等效應(yīng)(圖3)。研究發(fā)現(xiàn)，Smad7是活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的重要調(diào)節(jié)因子，Smad7與ACTR-I形成復(fù)合物時(shí)，能夠抑制Smad2和Smad3的磷酸化，從而阻斷信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。此外，反應(yīng)過程中形成的Smad蛋白復(fù)合物，能夠通過抑制Smad7調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[17]。除了激活Smad通路，活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在不同的細(xì)胞和生理?xiàng)l件下可能存在差異，并可以參與細(xì)胞內(nèi)其他通路的調(diào)節(jié)，如p38/MAPK、ERK1/2和JNK。

參考文獻(xiàn)[8]改繪

2.2 抑制素和卵泡抑素受體及作用機(jī)制

雖然人們對于活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)已經(jīng)有了比較全面的研究，但是，抑制素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其作為活化素拮抗劑的分子機(jī)制依舊是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。最簡單的機(jī)制表明，抑制素通過與細(xì)胞表面ACTR-IIA和ACTR-IIB競爭性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對活化素信號的拮抗作用。由于抑制素與活化素受體親和力遠(yuǎn)低于活化素本身[18]，所以，抑制素在調(diào)控活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中，可能需要輔助蛋白或輔助受體，這種重要的抑制素輔助受體為β-多糖。β-多糖是一種單次跨膜蛋白多糖,也稱III型TGF受體，作為TGF-β和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的共同受體發(fā)揮作用[19]。試驗(yàn)表明，抑制素與β-多糖細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的特異性位點(diǎn)結(jié)合后，能夠增強(qiáng)抑制素與活化素受體的結(jié)合能力，形成的β-多糖—抑制素—II型受體(ActRII, ActRIIB或BMPRII)三元復(fù)合物，通過干擾ACTR-I的募集和激活來阻斷活化素下游的信號傳導(dǎo)。此外，β-多糖高親和力結(jié)合抑制素A，但抑制素B的特異性蛋白尚未被確定，通過對抑制素A在綿羊垂體[20]和小鼠腎上腺[21]中高親和力結(jié)合位點(diǎn)的鑒定表明，抑制素B結(jié)合蛋白的作用方式可能與抑制素A相似。

卵泡抑素是一種高親和力的活化素結(jié)合蛋白，其受體除在生殖細(xì)胞表達(dá)外，在其他類型細(xì)胞中也有表達(dá)，并參與調(diào)控活化素與其受體間的相互作用?；罨睾虵ST有重疊的組織表達(dá)模式，機(jī)體內(nèi)FST能夠微調(diào)節(jié)活化素信號以確保內(nèi)穩(wěn)態(tài)[22]。研究表明，兩個(gè)卵泡抑素分子與一個(gè)活化素二聚體形成復(fù)合物，屏蔽活化素上I型和II型受體結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而阻止活化素信號傳導(dǎo)[23]。此外，研究發(fā)現(xiàn)一種重要的活化素結(jié)合蛋白，卵泡抑素相關(guān)蛋白FST-like 3(FSTL3)，F(xiàn)STL3在結(jié)構(gòu)和功能上與FST相似，與活化素結(jié)合后，通過阻止其與活化素受體的相互作用抑制活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[17]。最新研究發(fā)現(xiàn)，活化素C可能通過與ACTR-II和ACTR-I的結(jié)合發(fā)揮活化素A受體拮抗劑的作用[23-24]。除上述介紹的抑制劑外，β-多糖、Bambi(BMP and activin membrane-bound inhibitor)和Cripto都被證明，能夠通過不同的機(jī)制對活化素產(chǎn)生抑制作用。

3 抑制素-活化素-卵泡抑素系統(tǒng)的生理功能

ACT-INH-FST系統(tǒng)對于雌性動(dòng)物生殖活動(dòng)具有重要的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)，活化素受體和抑制素β-亞基廣泛存在于雌性動(dòng)物生殖系統(tǒng)中。原始卵泡形成時(shí)，新生小鼠或胎兒卵巢的生殖細(xì)胞和體細(xì)胞已經(jīng)開始表達(dá)活化素亞基及其受體，其中βA-亞基在卵原細(xì)胞中表達(dá)，βB-亞基在卵原細(xì)胞和體細(xì)胞中均有表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，活化素A可能通過促進(jìn)卵原細(xì)胞增殖加快原始卵泡的形成，從而參與胎兒卵巢的發(fā)育。Martins等[25]發(fā)現(xiàn)，活化素A可以誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的卵巢碎片中卵原細(xì)胞的增殖。此外，在妊娠14～20周人的胎兒卵巢中，檢測到Smad2和Smad3的表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)活化素A能夠增加體外培養(yǎng)的卵巢組織中Smad2和Smad3的磷酸化水平，表明在原始卵泡形成過程中可能存在局部的活化素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。抑制素、活化素、卵泡抑素的表達(dá)水平在卵泡發(fā)生過程中經(jīng)歷著動(dòng)態(tài)變化。在初級卵泡和次級卵泡中，活化素亞基在顆粒細(xì)胞中表達(dá)，但活化素受體及其信號介質(zhì)Smad2、Smad3和Smad4在卵母細(xì)胞中表達(dá)[26]。顆粒細(xì)胞釋放的活化素A可以通過旁分泌途徑作用于卵母細(xì)胞，刺激卵母細(xì)胞生長發(fā)育，同時(shí)活化素A能夠促進(jìn)卵泡腔的形成。對于有腔卵泡而言，活化素A能夠促進(jìn)其生長和類固醇的合成。研究表明，活化素能夠增加大鼠、牛和靈長類有腔卵泡細(xì)胞基礎(chǔ)芳香化酶活性；刺激小鼠顆粒細(xì)胞中雌激素受體的表達(dá)和功能[27]；此外，活化素A能夠抑制膜細(xì)胞產(chǎn)生雄激素，為排卵前卵泡提供有利微環(huán)境，研究表明，活化素能夠通過減少STAR和3b-HSD的表達(dá)來抑制膜細(xì)胞雄烯二酮的產(chǎn)生[28]。卵泡發(fā)育直至排卵是一個(gè)漫長的過程，嚙齒類動(dòng)物需要2周，牛、羊和人大約需要6個(gè)月的時(shí)間[29]，排卵后，剩余卵泡殘余物發(fā)生黃體化形成功能性黃體。大多數(shù)動(dòng)物抑制素和活化素亞基在LH峰后下調(diào)，在沒有受孕的情況下，活化素A促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶2(MMP2)表達(dá)上調(diào)從而誘導(dǎo)黃體結(jié)構(gòu)和功能退化，開始下一個(gè)卵巢周期[30]。

在卵泡發(fā)生過程中，抑制素及卵泡抑素同樣起到重要的調(diào)控作用。雌性動(dòng)物抑制素主要由卵巢顆粒細(xì)胞產(chǎn)生，卵泡生長過程中，抑制素含量隨著顆粒細(xì)胞數(shù)量的增加而增加。所有卵泡類型的顆粒細(xì)胞、膜細(xì)胞和卵母細(xì)胞都表達(dá)卵泡抑素、活化素I和II型受體。卵泡發(fā)生過程中抑制素A和B的分泌模式并不相同，小卵泡主要分泌抑制素B，優(yōu)勢卵泡和黃體分泌抑制素A。研究表明，活化素是卵泡生長早期重要的旁分泌因子，在此時(shí)期抑制素可能參與調(diào)節(jié)活化素介導(dǎo)的顆粒細(xì)胞的增殖和分化，一旦卵泡表達(dá)FSH受體(FSHR)，則進(jìn)一步發(fā)育將依賴FSH進(jìn)行。Lu等[31]研究發(fā)現(xiàn)，抑制素A通過抑制FSH誘導(dǎo)的大鼠顆粒細(xì)胞FSHR啟動(dòng)子活性和相關(guān)mRNA的表達(dá)，調(diào)節(jié)卵泡內(nèi)FSH水平。在有腔卵泡階段，卵泡能否繼續(xù)生長主要依賴于FSH，研究表明，抑制素-活化素系統(tǒng)對于調(diào)節(jié)有腔卵泡的生長和優(yōu)勢卵泡的選擇起到重要作用。在牛卵泡中，卵泡液中激活素A/抑制素A比值和激活素A/卵泡抑素比值，在FSH依賴的卵泡選擇階段均有升高。有腔卵泡發(fā)育過程中，抑制素A減緩卵母細(xì)胞的發(fā)育、促進(jìn)膜細(xì)胞產(chǎn)生雌激素，同時(shí)，促進(jìn)FSH誘導(dǎo)的顆粒細(xì)胞分泌雌二醇。卵泡周期結(jié)束后，抑制素主要由黃體分泌，抑制素A在黃體中的作用機(jī)制尚不清楚，但一些研究表明，它可能以旁分泌的方式促進(jìn)LH誘導(dǎo)的卵泡膜細(xì)胞雄激素的分泌。試驗(yàn)表明，卵泡抑素能夠調(diào)控活化素和生長激素共同介導(dǎo)的卵泡生長，參與調(diào)節(jié)顆粒細(xì)胞功能、卵泡黃體化和卵泡閉鎖。此外，通過基因編輯技術(shù)，建立了子宮卵泡抑素基因特異性敲除小鼠模型，并證明卵泡抑素在建立子宮內(nèi)膜容受性中起到關(guān)鍵作用[32]。

ACT-INH-FST系統(tǒng)對于雄性動(dòng)物生殖活動(dòng)同樣具有重要作用。雄性動(dòng)物睪丸是活化素產(chǎn)生的主要場所之一[33]。研究發(fā)現(xiàn)，活化素和抑制素是人、豬、牛等哺乳動(dòng)物睪丸和附睪發(fā)育過程中重要的生長和分化因子，正在發(fā)育和成體睪丸中，不同類型的細(xì)胞均表達(dá)抑制素β-A和β-B亞基基因。睪丸中活化素A的主要來源是小管周圍肌樣細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞，其受體主要定位于睪丸支持細(xì)胞，活化素A通過旁分泌擴(kuò)散到達(dá)支持細(xì)胞從而影響睪丸的發(fā)育。缺乏活化素A的小鼠出生當(dāng)天睪丸重量顯著低于野生型。Mendis等[34]研究表明，在胚胎發(fā)育過程中，活化素A亞基在小鼠睪丸中的表達(dá)穩(wěn)步增加，表明活化素A對于雄性性腺發(fā)育至關(guān)重要。除對睪丸發(fā)育影響外，活化素A可能參與控制精子向管腔釋放，并可能參與精子穿越血睪屏障的過程，從而使細(xì)線期前精母細(xì)胞能夠傳遞到管腔內(nèi)。Nicholls等[35]通過體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，活化素A能夠破壞構(gòu)成血睪屏障的支持細(xì)胞間緊密連接。同時(shí)，最新研究表明，活化素A和卵泡抑素，特別是FST288，可能在調(diào)節(jié)成人附睪和輸精管的結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮重要的區(qū)域特異性作用[36]。通過免疫研究發(fā)現(xiàn)，與雌性動(dòng)物一樣，抑制素對雄性大鼠、倉鼠、綿羊、山羊和牛的FSH分泌起負(fù)調(diào)節(jié)作用，同時(shí)，還能夠通過旁分泌或自分泌作用調(diào)控間質(zhì)細(xì)胞功能和精子發(fā)生。抑制素A基因缺乏，會使小鼠睪丸結(jié)構(gòu)破壞從而導(dǎo)致不育，在睪丸中過表達(dá)INHBA基因，會導(dǎo)致小鼠精子生成中斷，同時(shí)，抑制素B與睪丸體積和精液中精子濃度呈顯著正相關(guān)。

4 結(jié)語

抑制素-活化素-卵泡抑素系統(tǒng)在生殖、胚胎發(fā)育以及其他生理過程中發(fā)揮著重要的作用。雖然，我們對該系統(tǒng)及受體在性腺發(fā)育和配子發(fā)生調(diào)控中的作用機(jī)制已經(jīng)有了比較深入的了解，但對于抑制素、活化素和卵泡抑素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機(jī)制以及其在整個(gè)生殖系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與功能還需要更深層次的研究。