過氧化物還原酶在生殖與妊娠并發癥中作用機制的研究進展

張星瑩，李甜甜，楊春娜，李連芹

(1濱州醫學院，山東煙臺264003；2濱州醫學院煙臺附屬醫院)

活性氧自由基(ROS)是生理代謝的副產物，并且受到抗氧化酶的調控。ROS的主要成分包括超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫、一氧化氮等。雖然低水平的ROS在信號傳導等方面發揮有益作用，但是過量的ROS會造成細胞組分DNA、脂質、蛋白等大分子的氧化損傷，最終導致細胞死亡或凋亡。為了應對ROS水平升高，在包括哺乳動物在內的生物體內存在多種抗氧化系統，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、硫氧還原蛋白(TRX)、谷氧還蛋白(GRX)、以及過氧化物還原酶(PRX)。當ROS的產生超出其清除能力時，就會出現所謂的“氧化應激狀態”。研究表明，當機體內的一種或多種抗氧化酶能力減弱時，就會出現氧化應激狀態，并引發各種病理情況如不孕等。例如，當SOD2的基因發生變異時，會導致精子的DNA受到氧化損傷，造成男性不育[1]。同樣，SOD1基因的缺失，會導致這種基因敲除型雄性小鼠的生育能力受損[2]，而雌鼠的黃體功能和孕激素分泌受損[3]。另一方面，上調SOD1基因的表達，可以改善妊娠結局[4]。作為抗氧化系統的成員之一，PRX家族通過清除過氧化氫，在機體內發揮重要的抗氧化作用[5]。哺乳類的PRX家族共有6個成員，分別命名為PRX1至PRX6。盡管它們從不同的種類或者細胞系中克隆而來，但其蛋白質都含有活性半胱氨酸殘基，利用這一殘基將過氧化氫還原成水[5]。根據半胱氨酸殘基的數量和分布位置，哺乳類的PRX家族又分為三個亞群，其中PRX1到PRX4含有2個半胱氨酸殘基，兩者相距121個氨基酸殘基；PRX5也含有2個半胱氨酸殘基，但兩者相距較近，只有104個氨基酸殘基；而PRX6只有1個半胱氨酸殘基[5]。PRX通過清除細胞產生的ROS，調節細胞的生長、分化、凋亡、惡變。最近的研究表明，PRX在生殖生理和妊娠方面具有重要作用。本文對PRX在配子形成、胚胎發育、妊娠結局及妊娠期并發癥中的作用機制予以綜述。

1 PRX在生殖中的作用機制

1.1 PRX在精子發育中的抗氧化作用 隨著社會經濟的發展，環境污染的日益加重，人們工作生活的壓力加大，加上不良的生活習慣如吸煙、酗酒、熬夜，甚至吸毒，導致男性的精子質量逐年下降。為此，WHO于2010年頒布了第5版《人類精液實驗室檢驗手冊》，將評判精液質量的主要指標正常值大幅下調。一次排精的精液量由2.0 mL更改為1.5 mL，總精子數由40×106/次更改為39×106/次，精子密度由20×106/mL降為15×106/mL，前向運動力由a級+b級≥50%或a級≥25%更改為a級+b級≥32%，正常形態比率由15%更改為4%。雖然在評判細節和標準方面在第4版基礎上作了修訂，但“正常精液標準”的合格線降低毋庸置疑。影響精子質量的因素多種多樣，如內分泌異常、遺傳因素、免疫因素、性功能障礙、精索靜脈曲張、生殖器官先天性發育異常、全身慢性疾病、環境因素、不良生活習慣等，上述各種因素導致精子質量下降的發生機制也各有不同，其中ROS所引發的氧化應激狀態對精子造成的氧化損傷以及對精子質量的不良影響是顯而易見的[6]。

導致精子氧化損傷最常見的ROS是超氧化物陰離子和過氧化氫，而生物體內存在多種抗氧化系統，其中SOD是眾所周知的抗氧化蛋白，幾乎存在于人體的各個系統中，對于保護心臟、血管、腦組織等重要器官具有十分重要的抗氧化作用。其他抗氧化蛋白以及維生素類如維生素E、維生素C等也具有重要的抗氧化作用，對于保護精子的質量非常重要。除此以外，PRX對于調控ROS水平，維持并保護生殖系統的功能，也具有重要作用。一項研究則發現，不明原因的弱精子癥患者精子中PRX1表達顯著低于對照組，并引起高水平的ROS，導致精子的活力下降。當精液中的氧化應激狀態加重時，被氧化的PRX1增多，而具有活性的PRX1減少，說明PRX1是保護精子免于氧化損傷的抗氧化酶[7]。PRX3在精子細胞的表達水平很高，可以保護精子因氧化誘導的凋亡[8]。PRX4是存在于睪丸中的膜結合蛋白，參與精子發育過程中的頂體生成。缺乏PRX4的精子更易于受到氧化損傷而死亡[9]。同樣，在精子成熟和獲能過程中，PRX5的表達水平顯著升高[10]。加拿大學者報道，PRX6缺失導致精子活動力和受精能力下降，雄鼠的生育能力因此降低[11]。在多數情況下，PRX家族的各個成員之間可以互相協作，共同應對氧化應激狀態，維持精子活力，幫助精子獲能，保護精子免于氧化損傷。PRX的抗氧化活性下降，可以直接影響精子的質量和生育能力[12]。

1.2 PRX在卵子和胚胎發育中的抗氧化作用 PRX在卵子和胚胎發育中也具有不可或缺的抗氧化作用。PRX1在卵巢中的表達隨著卵泡的發育而逐漸升高。在接受人絨毛膜促性腺激素(hCG)治療的大鼠中，注射hCG 24 h即可發現PRX表達升高，并維持72 h，說明PRX1參與卵泡發育和排卵[13]。據韓國學者報道，促性腺激素治療會增加卵泡細胞內的過氧化氫，同時PRX2被氧化，說明PRX2在卵泡發育過程中發揮有益作用[14]。另外，PRX在卵子受孕、胚胎發育的過程中，對于所出現的氧化應激狀態作出積極的應答和響應。PRX2通過減低過氧化氫水平，提高線粒體活性，有利于胚胎發育[15]。新西蘭學者報道，在實施單精子注射獲得的78個胚胎中，PRX3是預測胚胎質量的指標之一[16]。國內學者Qian等[17]所做的動物實驗表明，PRX4主要存在于小鼠卵巢的顆粒細胞中，其表達隨著卵泡的發育逐漸升高，說明卵泡發育伴隨著氧化應激狀態，而PRX4對于維持卵泡的發育至關重要。

在臨床妊娠病例中，有11%～20%在孕20周之前發生自然流產，而復發性流產占2%～4%。除了一些常見的原因，染色體異常、內分泌疾病、女性生殖道解剖結構異常、感染、免疫因素、抗氧化能力降低和氧化應激也與此類疾病有關。PRX2和PRX6都參與了著床時的母胎耐受過程。PRX2在子宮自然殺傷細胞中的表達不足會增加自然流產的發生率[18]，而PRX6表達下調導致氧化應激狀態，胚胎移植失敗[19]。PRX3在胎盤絨毛膜組織中的表達降低會導致早期流產，說明PRX3對于胎盤發育和早期胚胎的發育作用重大[20]。另外，伊朗學者Gharesi-Fard等[21]報道，在患有自身免疫性疾病的患者中，其胎盤和血清中均存在抗PRX3和抗PRX4自身抗體。因此可以推測，盡管胚胎著床與子宮的氧化應激內環境之間的關系尚不清楚，至少自然流產與PRX的抗氧化能力不足有關。

2 PRX在妊娠并發癥中的作用機制

2.1 PRX在妊娠期高血壓中的作用 據統計，我國子癇前期的發病率為9.4%～10.41%，是嚴重威脅母嬰健康和安全的妊娠并發癥之一。當子癇發作，無論對于母體還是胎兒，都有致命的危害。由于目前尚未找到確切的發病原因和發病機制，往往在子癇前期發病之后，通過降低血壓、緩解痙攣等方法進行對癥治療。在我國部分地區，有些孕婦由于經濟因素等的制約，缺乏系統、正規的孕期檢查，就診時已發展為重度子癇前期甚至子癇，造成胎兒發育受限、胎兒窘迫、胎死宮內、產后出血等嚴重后果，是導致孕產婦死亡的第二位原因。雖然子癇前期的發病原因不明，但是胎盤的氧化應激狀態被認為是其中重要的因素。研究認為，由于胎盤植入異常等因素，導致胎盤的血液灌注量減少和低氧狀態，氧化與抗氧化之間的平衡被打破，則引起胎盤的氧化應激狀態，細胞中的脂質、DNA、蛋白質等大分子被氧化。胎盤中的脂質過氧化物(丙二醛等)通過血液循環到達全身，引起血管內皮激活和損傷，血管內皮的血管收縮因子和血管舒張因子之間的平衡失調,導致周圍小動脈痙攣及血壓升高[22]。

研究發現，子癇前期患者的胎盤存在氧化應激狀態，而PRX3的表達水平顯著升高[23]，但對于PRX3在子癇前期發病中的作用尚不清楚。我們之前在飼養PRX3基因敲除型小鼠時發現，雖然PRX3基因敲除型小鼠可以正常妊娠，但分娩時存活的幼鼠很少。換而言之，PRX3基因敲除型雌鼠發生死產的概率很高。進一步研究發現，PRX3基因敲除型雌鼠的胎盤處于嚴重的氧化應激狀態，胎盤中的血管內皮素1和腫瘤壞死因子α的表達較野生型小鼠顯著升高，小鼠胎盤中的脂質過氧化物4-羥壬烯醛表達也明顯增加[24]，從而證實PRX3在胎盤中具有重要的抗氧化作用。鑒于PRX3基因敲除型孕鼠的胎盤的病理改變與子癇前期患者胎盤的病理改變極為相似，測定妊娠小鼠的頸動脈血壓，并未發現與同窩出生的野生型孕鼠有顯著差異，說明PRX3抑制或者延緩子癇前期的進展，而非子癇前期的致病因素。

2.2 PRX在妊娠期糖尿病(GDM)中的作用 在整個妊娠期間，隨著孕周的增加，孕婦對胰島素的敏感性逐漸下降。作為人體的一種應急反應，體內所分泌的胰島素也會隨之增加，以維持正常的葡萄糖代謝。有些孕婦由于其自身胰島素的分泌受限，胰島素的分泌量不能滿足需求量，導致血中的葡萄糖水平升高，即出現所謂的GDM。在我國，由于人們生活水平的提高，妊娠后飲食無節制，加上缺乏運動，導致GDM的發病率逐年升高。雖然大部分孕婦在分娩以后GDM不治而愈，但仍有部分患者遠期患糖尿病的概率較非糖尿病孕婦增加，而且新生兒并發癥如呼吸窘迫綜合征、低血糖發生率增高，嚴重時可危及新生兒生命。因此，加強圍產期科普教育，及早發現并干預GDM，從而減少或者延緩GDM的發生或進展，顯得至關重要。

大量研究表明，氧化應激與GDM的發病或進展密切相關。而在與胰島素分泌有關的諸多因素中，PRX的作用不可忽視。有學者利用轉基因小鼠進行研究，發現提高PRX3的表達，可以顯著降低線粒體內過氧化氫的水平，減輕對線粒體的氧化損傷。而且通過降低過氧化氫水平，可以激活PI3K/AKT通路，使得其下游的糖原合成酶激酶3被磷酸化，其結果是改善了小鼠肝細胞對葡萄糖的耐受力，對葡萄糖的清除能力提高，血糖下降[25]。反之，在PRX3基因敲除型的小鼠中，PRX3缺失引起糖耐量受損，并出現胰島素抵抗。由于PRX3的缺失，脂肪細胞的線粒體內出現嚴重的氧化應激狀態，線粒體受到氧化損傷，導致線粒體DNA的數目減少。同時，參與糖/脂的蛋白(包括中鏈脂酰基輔酶A脫氫酶、ATP合成酶亞單位d、脂聯素)水平顯著下降，對葡萄糖的耐受力下降，對胰島素的敏感性降低，葡萄糖和脂肪代謝紊亂，小鼠出現脂肪堆積和肥胖[26]。另外，PRX家族的其他成員也參與胰島素的分泌和葡萄糖代謝。如PRX1和PRX2通過控制胰島β細胞內活性氧自由基的水平，抑制因氧化應激所誘導的細胞凋亡，從而維持胰島素的分泌[27]。德國學者Mehmeti等[28]利用鏈脲霉素制作了1型糖尿病小鼠模型，并對PRX4對胰島β細胞的分泌功能進行了研究。發現高表達PRX4可以顯著提高小鼠對于葡萄糖的耐受力。但是，低表達PRX4并未對細胞內的活性氧自由基水平和胰島素分泌造成影響，但對于高糖刺激更加敏感。認為PRX4在胰島β細胞中處于低表達狀態，主要在應激狀態下發揮作用。作為PRX家族中惟一具有單個半胱氨酸殘基的成員，PRX6對于葡萄糖的吸收和胰島素的分泌具有重要作用。對患有GDM孕婦的網膜脂肪組織中的蛋白表達進行分析，發現PRX6表達顯著降低，提示PRX6與GDM的發生、進展有關[29]。動物實驗表明，當PRX6缺失時，小鼠的胰島體積和密度均顯著減小，導致胰島素分泌下降，胰島素抵抗性增加，出現了類似于2型糖尿病的表型。說明PRX6對于在磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路的信號傳導中，具有重要的調節作用[30]。

總之，PRX家族通過清除細胞代謝所產生的ROS(主要為過氧化氫)，參與各種細胞活動包括生長、分化、凋亡、老化以及惡變，而且每個成員都扮演著自己的獨特角色。另外，PRX成員之間、PRX與其他抗氧化蛋白之間聯合“作戰”，共同應對氧化應激狀態。PRX對于生育功能的意義不同于其他抗氧化蛋白如SOD。SOD基因缺失可以導致實驗動物的不孕不育[6,7]，而PRX基因缺失對于生育功能不會產生致命影響。但是，隨著鼠齡增加，或者當受到氧化應激威脅時，這類小鼠的生殖功能(如配子和胚胎的發育)就會受到氧化損傷，導致不良妊娠結局。根據目前的研究結果得出以下結論：盡管PRX參與生育的各個生理過程，如配子發育成熟、受精、胚胎發育，只有當機體出現氧化應激狀態時(如年齡增長、病理改變)，這種抗氧化作用才會顯現出來。另外，當孕婦發生妊娠并發癥如妊娠期高血壓、GDM時，氧化物的產生超出抗氧化酶的清除能力，機體的氧化應激狀態進一步加重，包括PRX3在內的PRX成員的表達也會反應性升高，以應對氧化應激狀態，延緩病情的進展。