丘腦-垂體-性腺軸調節睪酮合成的研究進展

侯曉鴻，郝衛東*

( 北京大學公共衛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發揮生理作用[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生，從而提高紅細胞數量；性腺中，與精子的生成，前列腺、陰莖的發育與功能發揮有關；肌肉組織中，維持骨骼肌生長，增強肌肉強度與質量[3]；骨骼中，維持骨密度、骨強度及促進骨髓紅細胞的產生[4]；皮膚組織中，與毛發、皮脂腺、膠原蛋白的產生有關。此外，研究表明生理水平的睪酮對男性心血管系統有益，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、睪酮及由其轉化而成的雙氫睪酮，雄激素發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化為睪酮或雙氫睪酮而發揮生物學作用[6]。因此，睪酮的生物合成在生命體中發揮十分重要的作用。睪酮的主要來源是睪丸間質細胞(Leydig細胞)，其次為腎上腺皮質網狀帶。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)調節的促性腺激素誘導分泌[7]。HPGA調節作用(圖1)主要包括：下丘腦促性腺激素釋放神經元合成并分泌促性腺激素釋放激素(gonadotropinreleasing hormone，GnRH)，經下丘腦-垂體門脈循環至腦垂體，促進垂體前葉分泌卵泡刺激素(follicle stimulating hormone，FSH)、黃體生成素(luteinizing hormone，LH)，其中LH作用于Leydig細胞，經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中主要物質的合成及其調控機制。

圖1 睪酮合成的HPGA調節機制[2]

1 GnRH分類及表達的調節

作為HPGA的第1個調控物質，GnRH在生殖功能中發揮重要的作用。所有物種神經組織中，已鑒定的GnRH包含24種結構形式[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椎動物體內含有至少兩種類型的GnRH，人體內具有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具有不同的氨基酸序列，且主要表達于腦組織中[12]， 具有調節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)，但僅發現于輻鰭魚組織內[10]。研究表明GnRH I可直接調節生殖行為，GnRH II和GnRH Ⅲ間接調節相關的性行為[10]。

探究GnRH基因表達分為體內和體外兩種方式，體外方式包括GT1、GT1-7、GN、GnV、GRT、hGLC和mHypoA-GnRH/GFP等細胞模型[13]； 體內方式主要包括轉基因動物模型[12]。GnRH基因含有許多與轉錄因子或輔酶因子結合的功能元件，轉錄因子或輔酶因子通過與基因元件的結合作用調控(啟動、增強或抑制)GnRH基因的轉錄。其中轉錄因子包括八聚體結合轉錄因子-1(octamer-binding transcription factor-1，Oct-1)、肌節同源盒(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肽的調節，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)、神經肽Y(neuropeptide Y，NPY)、饑餓素(ghrelin，GHR)等[14]。各神經肽通過直接或間接方式調節GnRH神經元中GnRH的分泌。GnRH以脈沖方式分泌后，經下丘腦-垂體門脈循環系統到達垂體，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神經元之間通過縫隙連接介導電偶聯，因此GnRH神經元內部可能存在GnRH脈沖發生器；另一種觀點認為GnRH神經元外部存在弓狀核(arcuate nucleus，ARC)KP亞群作為GnRH脈沖發生器調節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的轉錄依賴GnRH脈沖的頻率，因此認為FSHβ、LHβ為FSH、LH發揮生物學作用的功能區[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包括細胞外信號調節激酶(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是一種轉錄調節因子，通過鈣調磷酸酶的作用介導GnRH調控的FSH、LH基因轉錄。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，調控FSHβ、LHβ基因的轉錄。

3 Leydig細胞中睪酮的生成

垂體前葉分泌的LH調節Leydig細胞中睪酮的合成與分泌(圖2)。Leydig細胞膜上存在一種G蛋白偶聯受體即LH受體(LH receptor，LHR)，能與LH高度結合，激活腺苷酸環化酶，引起類固醇激素合成急性調節蛋白(steroidogenic acute regulatory protein，StAR)、細胞色素P450膽固醇側鏈剪切酶(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，從而發揮促進生殖系統發育及精子生成的生物學作用[17]。

圖2 睪丸間質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控因素，主要發揮轉運膽固醇進入線粒體內膜并將其呈遞給P450scc，此為類固醇激素生物合成的限速步驟[18]。LH與LHR結合后，通過G 蛋白(G protein，G)、腺苷酸環化酶(adenylate cyclase，AC)和磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)的介導與調控作用激活環磷酸腺苷/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 反應元件結合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)結合，調控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移到膜內；另一種觀點認為線粒體周圍可能存在酸性微環境，此環境下StAR能夠形成熔球結構，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變為孕烯醇酮。CYP11A1基因的轉錄具有組織特異性，PKA、PKC第二信使系統能夠通過與CYP11A1基因啟動子的相應序列相互作用調節CYP11A1基因的轉錄[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，能夠將線粒體中合成的孕烯醇酮轉化為孕酮。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。線粒體內生成的孕烯醇酮轉移至滑面內質網，3β-HSD能將此雙鍵轉移至C4、C5之間，形成△4甾體[6]。此甾體分別經孕酮、脫氫表雄酮兩種中間產物，最終被3β-HSD轉化為雄烯二酮，再經其他酶的作用最終轉化為睪酮。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

睪酮生成的HPGA調節可概括為：神經肽信號作用于下丘腦GnRH神經元，下丘腦GnRH神經元合成并分泌GnRH；GnRH經下丘腦-垂體門脈系統促進垂體前葉釋放LH、FSH，其中LH與睪丸Leydig細胞的受體結合，促進StAR表達；StAR將膽固醇呈遞至位于線粒體內的P450scc，P450scc將膽固醇轉化為孕烯醇酮；合成的孕烯醇酮被轉移至滑面內質網，經?4途徑中3β-HSD將其轉化為孕酮或經?5途徑轉化為脫氫表雄酮后，被轉化為雄烯二酮；兩種途徑的雄烯二酮最終都被轉化為睪酮。目前研究已發現睪酮生成的HPGA調節中的多種重要調節因素，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轉運膽固醇等的機制尚待研究。