侯曉鴻，郝衛(wèi)東*

( 北京大學公共衛(wèi)生學院食品安全毒理學研究與評價北京市重點實驗室，北京 100191 )

睪酮又稱為睪丸素、睪丸酮或睪甾酮，其化學式為17β-羥基雄甾-4-烯-3-酮丙酸酯，是一種由19個C原子構成的甾體類激素[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，并且對多個組織系統(tǒng)發(fā)揮生理作用[2]：腦組織中，負責性沖動、意識、記憶以及感覺；腎臟中，促進激素及紅細胞生成素的產(chǎn)生，從而提高紅細胞數(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；肌肉組織中，維持骨骼肌生長，增強肌肉強度與質(zhì)量[3]；骨骼中，維持骨密度、骨強度及促進骨髓紅細胞的產(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。此外，研究表明生理水平的睪酮對男性心血管系統(tǒng)有益，睪酮缺乏與心血管疾病事件的增加有關[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。睪酮的主要來源是睪丸間質(zhì)細胞(Leydig細胞)，其次為腎上腺皮質(zhì)網(wǎng)狀帶。Leydig細胞主要通過兩種形式分泌睪酮：基礎分泌與受丘腦-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-垂體門脈循環(huán)至腦垂體，促進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細胞，經(jīng)過一系列類固醇合成酶的作用促進睪酮合成[8]。本文主要敘述HPGA中主要物質(zhì)的合成及其調(diào)控機制。

圖1 睪酮合成的HPGA調(diào)節(jié)機制[2]

1 GnRH分類及表達的調(diào)節(jié)

作為HPGA的第1個調(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)構形式[9]， 分為GnRHⅠ、GnRH Ⅱ和GnRH Ⅲ三種類型[10]。各類型均具有保守的、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椎動物體內(nèi)含有至少兩種類型的GnRH，人體內(nèi)具有GnRH I、GnRH II兩種類型[10，12]。GnRH I是一種最初從哺乳動物下丘腦中分離得到的、能夠促進FSH、LH分泌的十肽。GnRH I在不同的脊椎動物體內(nèi)具有不同的氨基酸序列，且主要表達于腦組織中[12]， 具有調(diào)節(jié)生殖細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，在生物進化及不同物種中高度保守，且較高表達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[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)相關的性行為[10]。

探究GnRH基因表達分為體內(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等細胞模型[13]； 體內(nèi)方式主要包括轉(zhuǎn)基因動物模型[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與基因元件的結(jié)合作用調(diào)控(啟動、增強或抑制)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-垂體門脈循環(huán)系統(tǒng)到達垂體，與位于垂體前葉促性腺激素細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LH、FSH的生成。關于GnRH脈沖式分泌機制的研究，目前存在兩種假說：一種觀點認為GnRH神經(jīng)元之間通過縫隙連接介導電偶聯(lián)，因此GnRH神經(jīng)元內(nèi)部可能存在GnRH脈沖發(fā)生器；另一種觀點認為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：頻率高時促進LH優(yōu)先分泌，頻率低時促進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GnRH脈沖的頻率，因此認為FSHβ、LHβ為FSH、LH發(fā)揮生物學作用的功能區(qū)[9]。研究表明GnRH促進FSH、LH的合成與分泌涉及多種信號通路[16]：①絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路。MAPK包括細胞外信號調(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脈沖信號的解碼器。②鈣信號通路。GnRH通過鈣動員激活鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性激酶(Ca2+/calmodulin-dependent kinases，CamK1/2)并加速促性腺激素的分泌；鈣通道激動劑能夠提高促性腺激素基因的表達；促性腺激素細胞中的ERK信號通路也需要鈣激活鈣調(diào)蛋白的作用。③活化 T細 胞 核 因 子 (nuclear factor of activated T-cells， NFAT)。NFAT是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過鈣調(diào)磷酸酶的作用介導GnRH調(diào)控的FSH、LH基因轉(zhuǎn)錄。④蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)。當受到GnRH刺激時，促性腺激素細胞中的PKA活性增強，調(diào)控FSHβ、LHβ基因的轉(zhuǎn)錄。

3 Leydig細胞中睪酮的生成

垂體前葉分泌的LH調(diào)節(jié)Leydig細胞中睪酮的合成與分泌(圖2)。Leydig細胞膜上存在一種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，引起類固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白(steroidogenic acute regulatory protein，StAR)、細胞色素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)揮促進生殖系統(tǒng)發(fā)育及精子生成的生物學作用[17]。

圖2 睪丸間質(zhì)細胞中類固醇生成途徑[18]

StAR是類固醇激素生物合成所必需的調(diào)控因素，主要發(fā)揮轉(zhuǎn)運膽固醇進入線粒體內(nèi)膜并將其呈遞給P450scc，此為類固醇激素生物合成的限速步驟[18]。LH與LHR結(jié)合后，通過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)信號通路。cAMP在PKA的作用下，通過與cAMP 反應元件結(jié)合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)結(jié)合，調(diào)控StAR基因的表達[18]。關于StAR蛋白作用機制的研究，目前存在兩種假說[19]：一種觀點認為StAR蛋白通過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)；另一種觀點認為線粒體周圍可能存在酸性微環(huán)境，此環(huán)境下StAR能夠形成熔球結(jié)構，并在作用于線粒體外膜時，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該期的時間從而使StAR停留在外膜上以提高膽固醇的轉(zhuǎn)移。

P450scc(又稱為CYP11A1)由CYP11A1基因編碼，大量存在于類固醇激素生成細胞的線粒體中，主要作用是將進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)能夠通過與CYP11A1基因啟動子的相應序列相互作用調(diào)節(jié)CYP11A1基因的轉(zhuǎn)錄[20]。P450scc主要通過斷裂C20與C22之間的碳鏈將進入線粒體的膽固醇轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮[7]。

3β-HSD(又稱為△4-△5異構酶)是合成所有活性類固醇激素所必須的一類脫氫酶，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的表達具有細胞及組織特異性，性成熟大鼠睪丸組織內(nèi)只有Leydig細胞表達3β-HSD。3β-HSD的表達受多種促性腺激素和其他類固醇激素含量的影響。孕烯醇酮的C5、C6之間有雙鍵，稱為△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-垂體門脈系統(tǒng)促進垂體前葉釋放LH、FSH，其中LH與睪丸Leydig細胞的受體結(jié)合，促進StAR表達；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，例如下丘腦GnRH脈沖式分泌、垂體前葉解碼GnRH脈沖式刺激作用及StAR轉(zhuǎn)運膽固醇等的機制尚待研究。