類固醇激素合成急性調節蛋白(StAR)的研究進展

烏日罕，哈斯高娃，陳小辛，張 睿，娜哈雅，娜仁花

（內蒙古農業大學動物科學學院，內蒙古自治區動物遺傳育種與繁殖重點實驗室，內蒙古 呼和浩特010018）

膽固醇是在動物體內廣泛存在的一類成分，是細胞膜組分和類固醇激素合成的重要原材料，其代謝反應也與生物體的正常功能存在緊密聯系。膽固醇跨膜轉運往往需要經由嵌在細胞膜上的蛋白通道來實現跨膜轉運[1-8]。膽固醇需要先由類固醇激素合成急性調節蛋白(StAR)轉運到線粒體內膜，再在膽固醇側鏈裂解酶(P450scc)催化下變成可溶性的孕烯醇酮。這兩個步驟都限制了類固醇激素的合成效率，也是調控機體類固醇激素合成水平的關鍵部分[9]。孕烯醇酮合成類固醇激素的生物反應是在線粒體內膜上開展的，但其反應底物膽固醇主要存在于線粒體外細胞質，因此在類固醇激素細胞合成類固醇激素時，需要有輔助其跨膜轉運的膜上蛋白[10-15]。

1 急性調節蛋白(StAR)的分子結構、編碼基因及生殖影響性

StAR是一類可由激素進行誘導的線粒體蛋白，可以根據相對分子質量劃分為30 kDa、32 kDa、37 kDa三類[16-17]。Christenson等通過2.2?分辨率的電子顯微鏡，來分析MLN64（StAR類似物）中START片段的晶體結構，檢測得到U段存在a／b折疊，蛋白中存在可供單個膽固醇分子通行的疏水管道，可能是轉運膽固醇的分子通道[18-20]。在研究者的努力下，通過熒光原位雜交、干細胞分化和Southern印跡技術對StAR基因的染色體位置進行研究，發現人基因在結構片段中8q11.12上，假基因則在13號染色體上，而不同物種的基因同源性比較和相似性對比都在90%左右[21-22]。

StAR基因的表達與機體生殖過程存在直接、間接影響。M.C.Beattie[23]等的研究發現，睪丸間質細胞睪酮的產生隨年齡增長而減少，導致血清睪酮水平降低(性腺功能減退)。在老化Leydig細胞的類固醇生成途徑中，已發現了許多與T細胞形成減少相關的細胞變化，包括類固醇激素合成急性調節蛋白(StAR)濃度的下降。Caron KM[24]等敲除小鼠的StAR基因，發現其腎上腺類固醇生成特點與先天性腎上腺增生患者[CAH]的性狀相似。還發現StAR轉基因可恢復類固醇生成功能障礙的小鼠，讓基因敲除小鼠的性腺激素水平與一般小鼠的腎上腺類固醇生成水平沒有顯著差異，這表明盡管敲除小鼠的StAR基因，這些小鼠保留了合成雄激素的能力。但是，缺陷小鼠表現出雌性外生殖器，這暗示了StAR的可能作用與敲除胎兒睪丸產生的雄激素有關。StAR也可以作為生殖代謝過程中的間接影響因素[25]。Hsin-Jung Ho[26]等研究GGOH調節睪酮生成的新功能，發現它能夠通過誘導cAMP/PKA信號來增強I-10細胞中睪酮和孕酮的產生，在此過程中StAR的基因和蛋白水平均有提升。

2 StAR表達的影響因素

2.1 cAMP-蛋白激酶A(PKA)信號通路

cAMP一般需要PKA作用才能激活并轉入到核內，與cAMP轉錄因子結合蛋白(CREB)及其磷酸化的調節因子共同作用，從而調控特定基因的轉錄表達。在合成睪丸間質細胞雄激素的過程中，cAMP會發生基因層面的長時效應，通過調控基因層面的轉錄表達，來實現對激素合成和分泌水平的調控[27]。其作用原理主要是通過作用部分類固醇激素酶基因的表達，來調控類固醇激素基因的表達和翻譯。根據免疫印跡法監測間質細胞中的cAMP作用機制，發現其會增強羥化酶的活性和數量，讓P450scc蛋白有較高的穩定性。cAMP還可以發生非基因性的短時效快速效應，這種方式可快速增強磷酸化作用，StAR蛋白在其中發揮著重要作用。Manna PR[28]等將StAR蛋白在其中的作用歸結為結構上的cAMP反應結合區，通過反應元件結合加速線粒體合成類固醇激素合酶的過程。PKA有利于維持StAR蛋白的穩定，還會作用于蛋白合成的修飾、剪切和折疊階段[29]。研究者在大鼠COS-1細胞中導入人腎上腺細胞StAR基因的cDNA突變片段，發現所表達的StAR中的PKA位點突變，會將StAR的類固醇生物合成能力降低至原水平的20%～30%。因此，cAMP能夠間接影響類固醇的生物合成過程，對生物體內類固醇的合成具有重要的調控作用。黃體生成素(LH)也能夠通過與受體結合來促進AC催化ATP轉化為cAMP的反應過程[30]。

2.2 蛋白激酶C(PKC)

配體、受體的結合能夠促進PKC的磷酸化，激發下游PKC進行信號表達，這是研究者所公認的。在PKC調節類固醇激素生物合成方面的影響能力，則沒有達成共識。PKC參與了細胞中多種類固醇的合成，能夠對類固醇激素合成效率起到增加和縮小的作用。相較于cAMP-PKA影響水平，cAMP-PKC在調控StAR表達上的作用能力更小，可改變的值小于1%，影響水平還與本細胞的類型及其他協同性刺激因子關聯緊密。據試驗研究可知，當PKC的活化劑佛波酯(PMA)在類固醇激素合成細胞中發揮作用時，若MA-10細胞受到PKC影響水平較低，例如10～50 nmol／L，6 h，其類固醇激素合成水平受到PKC的影響可以忽略不計[31]。但若PMA水平較高，例如在0.5～1 mmol／L時，則能夠有效激發StAR的表達。因此，矛盾式的作用機制會使得StAR蛋白的轉錄和修飾過程，往往難以受到PKC的明確調控性影響。相關研究表明，cAMP-PKA途徑能夠促進StAR表達，讓其合成過程不再依賴磷酸化。

2.3 調節因子

LH、卵泡刺激素(FSH)等促性腺激素及花生四烯酸，都是影響類固醇激素合成的調節因子?；ㄉ南┧岬淖饔脵C制主要是在PKA作用到P450scc作用之間，其代謝與磷脂酶A2活性直接存在關聯，能夠影響StAR蛋白的表達，從而發揮調控類固醇激素合成的作用。有關研究表明，花生四烯酸的代謝活動參與了StAR蛋白的表達，而其受阻往往也是因為花生四烯酸而表現出難以轉錄的問題[31]。反映出花生四烯酸也是cAMP之外的，參與StAR基因表達、類固醇激素合成的必要調節因子。

而且，在StAR基因表達的負調控上，也有很多影響因素。先天性腎上腺發育不全癥的X染色體基因1(DAX-1)是屬于核受體基因突變，盡管較為少見，但在人體中的表達會使得嬰兒出現先天性腎上腺發育不全，也會抑制其性腺合成低促性腺激素的反應。在Y-1細胞中，DAX-1的過度表達會抑制其合成類固醇激素的過程，主要是因為該基因干擾著與類固醇合成相關的兩種以上的酶的表達，目前可以證實存在直接影響的包括P450scc與3p-羥基甾醇脫氫酶。DAX-1型基因突變也會通過占據StAR 5’端啟動子結構而抑制其表達，是影響StAR負相表達的調節因子[32]。原發性腎上腺功能不全(PAI)可以通過影響NADPH產生和活性氧的細胞穩態，通過活性氧對類固醇生成急性調節蛋白(StAR)的負反饋，導致類固醇生成缺陷[33]。

2.4 PKA/CRTC依賴通路

ACTH參與CREB調控的轉錄共激活因子(CRTC)能夠對類固醇激素合成急性調節蛋白 (StAR)轉錄激活，Lorna I.F.Smith等的體內研究表明，CREB調控的轉錄共激活因子 (CRTC)2參與了關鍵的StAR的ACTH誘導的轉錄。利用兩株ACTH反應的腎上腺皮質細胞系，來研究CRTC在StAR轉錄中的作用。ACTH誘導StAR初級轉錄，或異核RNA(hnRNA)，平行于快速增長的核水平的CRTC的3亞型，CRTC1,CRTC2和CRTC3。此外，ACTH通過StAR啟動子促進CRTC2和CRTC3的募集，而CRTC2或CRTC3的siRNA敲除均可減弱ACTH誘導的StAR hnRNA的增加。使用PKA、MAP激酶和鈣調神經磷酸酶的藥理抑制劑，ACTH對StAR轉錄和CRTC核易位的影響主要取決于PKA通路。CRTC2和CRTC3參與了ACTH對StAR轉錄的激活，PKA/CRTC依賴通路是多因子調控StAR轉錄機制的一部分[34-35]。

2.5 其他因素

除了cAMP-PKA通路能夠調節StAR表達外，研究表明，還存在很多參與類固醇生物合成的調節因子，也構成了其旁路調節途徑。例如生長因子、CL-、Ca2+和類固醇誘導蛋白等。這些旁路調控的影響水平較小，一般不到cAMP／PKA信號通路調節作用的1%，但其機制間的相互關聯研究也是探討人體生理反應作用機制的重要研究內容。

在可合成類固醇激素的細胞中，通過cAMP-PKA通路進行信號調節的過程中，線粒體磷蛋白、StAR是主要作用部分。而StAR起快速調節作用，其中的cAMP反應元件結合區能夠通過與相應反應元件進行結合，加速類固醇激素合成。在cAMP調控StAR蛋白表達的過程中，主要是通過與蛋白激酶A(PKA)的磷酸化共同作用，來增強StAR基因的表達活性，從而提升類固醇激素細胞中類固醇激素的合成水平。促性腺激素能夠增強細胞中的G蛋白、腺苷酸環化酶的活性，從而提升細胞中的cAMP濃度及PKA的磷酸化活性，激活類固醇激素合成相關的SF-I等轉錄因子的磷酸化反應，及StAR相關蛋白基因的表達[36]。而且PKA也能夠促進StAR編碼基因的穩定表達，也參與了StAR蛋白質表達中的蛋白鏈修飾環節，因此一般認為cAMP-PKA通路發揮調控類固醇激素在細胞表達的過程中，PKA需要通過cAMP進行介導。研究者通過刺激小鼠和人StAR基因中的PKA磷酸化作用位點突變，發現在194/195位絲氨酸突變成丙氨酸后，細胞中StAR的表達水平顯著降低，而且也讓細胞的類固醇激素的合成水平減至原值的20%～30%。所以，可以認為在合成類固醇激素及表達StAR基因的過程中，cAMP-PKA作用通路發揮著重要的調控表達作用，也是主要的信號反應通路，可以通過改變cAMPPKA通路的作用條件來調控機體中的類固醇激素合成急性蛋白的水平。

Stocco[37]等主要研究了調節StAR表達的其他調控通路，盡管較cAMP-PKA通路的調控作用要小得多，但也是探討人體機能綜合調控的重要內容?？梢詫⑴月氛{控歸結為以下幾部分：

生長因子，包括胰島素樣生長因子I(IGF-I)、上皮生長因子(EGF)等，主要是通過MAPK／ERK通路的介導來影響類固醇激素合成細胞中StAR基因表達及合成類固醇激素的過程。

巨噬細胞源因子，在睪丸等區域的一些巨噬細胞與間質細胞聯系緊密，這可能使得巨噬細胞源因子直接經由近端膜傳遞或細胞介質，來影響間質細胞中StAR的合成過程。而且，有研究檢測到，白介素-1(IL-1)這種巨噬細胞源因子會在進入細胞膜后，強化大鼠間質細胞合成的孕酮和睪丸激素水平，可以將其作用機制推測為促進間質細胞表達StAR所實現的類固醇激素合成水平上升[38]。

CL-（氯離子）。在存在低濃度水平的cAMP類似物、人絨毛膜促性腺激素的環境中，CL-就能夠接收信號，并增強StAR基因表達和類固醇激素合成的反應。而且，CL-也能夠與Ca2+進行串并聯式反應，在細胞質中的Ca2+缺乏時可以單獨作用于細胞合成類固醇激素的過程，發揮調控作用；在Ca2+充足時，加上PKA的磷酸化作用，實現CL-通道與Ca2+通道的并聯反應，通過最后的復合結構體來發揮調控作用，但這種作用方式并不會顯著刺激StAR基因表達，而是發揮其綜合、穩定性調控作用[38]。

Ca2+濃度的變化會影響細胞中類固醇激素的合成過程，研究者通過增強Ca2+載體A23187結合蛋白的細胞液水平，發現其孕酮、StAR的表達水平都顯著提升；抑制其活性后，發現線粒體中合成類固醇激素的效率也有所降低。

K+是重要的跨膜電壓通路影響物質，能夠通過介導Ca2+在膜內外的濃度水平，來間接影響類固醇激素合成細胞中StAR基因表達及合成類固醇激素的過程。研究者通過增強大鼠間質細胞中的K+，發現其P450c17、P450scc、StAR mRNA 等成分水平都有所提升。但Ca2+本身的影響水平就較低，因此更具體的影響水平仍有待研究[39]。

鎘是工業中廣泛使用的重金屬，由于職業和環境暴露，影響包括人類在內的動物的雄性生殖系統。然而，其作用于類固醇激素合成的分子機制尚不清楚。Park Soo-Yun[14]等將K28暴露于鎘小鼠睪丸間質瘤細胞，發現其會顯著增加急性調節蛋白 (StAR)的mRNA水平、啟動子活性和蛋白反應水平，StAR是甾體生物合成的重要因素。已有文獻證實，StAR基因轉錄受多種轉錄因子調控，包括cAMP-responsive element binding protein(CREB)家族成員和SF-1。鎘處理導致CREB磷酸化水平升高，但未改變細胞核CREB蛋白水平。EMSA研究顯示，鎘誘導的CREB磷酸化與StAR基因啟動子的近端區域形成了特異性復合物。此外，與CREB表達質粒共轉染可顯著增加鎘誘導的StAR啟動子活性。然而，鎘暴露后，核水平和SF-1蛋白對StAR近端啟動子的親和力顯著降低。

胰島淀粉樣蛋白，該蛋白能夠對CREB進行慢性活化，從而增加StAR的表達。StAR隨胰島淀粉樣蛋白沉積而上調，這與線粒體功能障礙有關。在類固醇樣變組織中，StAR轉錄受到cAMP調控元件結合蛋白(CREB)的劇烈調控。通過研究體外(16.7 mM葡萄糖，144 h)和體內(高脂飲食;6個月的HFD)，發現體外磷酸化CREB(pCREB)和StAR表達僅隨著淀粉樣蛋白的形成而增加 (其他已知CREB靶基因的表達也是如此)。體內淀粉樣蛋白沉積也與StAR和其他CREB靶基因的上調相關[40]。

小vcp蛋白，在間質細胞中的發育表達能夠與StAR相互作用。Small vcp-interaction protein(SVIP)是一種由76個氨基酸組成的9kDa蛋白，在內質網相關蛋白降解(ERAD)途徑中發揮作用。SVIP是一種雄激素反應蛋白，其表達受雄激素的調控。Gulben Akcan[41]等利用TM3、MA-10 Leydig和Sertoli細胞株來評價SVIP的表達，通過熒光顯微鏡進行類固醇合成急性調節(StAR)蛋白的共定位研究，顯示StAR與SVIP在成年小鼠睪丸中存在共定位。利用SVIP siRNAs在Leydig細胞系培養中研究StAR的表達變化。SVIP的缺失導致StAR的表達下降。

3 急性調節蛋白(StAR)突變對生殖的影響

3.1 StAR蛋白對先天性腎上腺增生(CAH)的影響

先天性腎上腺增生(CAH)包括一組常染色體隱性遺傳病，特征是激素合成中的酶缺陷。先天性脂肪腎上腺增生癥(LCAH)是最嚴重的先天性腎上腺增生癥。類固醇急性調節(StAR)基因的突變是導致LCAH的原因。Hong Chen[42]等通過描述3例中國LCAH患者的臨床和遺傳特征，分析了三個女孩患有LCAH的病史、臨床表現、體格檢查、實驗室資料和計算機斷層檢查結果。利用基因組DNA對原代和親本的恒StAR基因進行測序。將野生型和突變型StAR cDNAs插入pcDNA3.1(+)質粒載體中，瞬時轉染COS7細胞。利用酶依賴性膽固醇對孕烯醇酮的轉化效率評價野生型和突變型的酶活性。發現了3例LCAH患者的分子遺傳異常。DNA測序顯示，三種StAR型存在復合雜合變異。

3.2 14-3-3蛋白家族識別調控通路

急性調節蛋白(StAR)的突變與脂樣先天性腎上腺增生(LCAH)有關，研究者假設StAR作用過程中包括一個模球結構轉變和與14-3-3蛋白的相互作用。為了研究14-3-3-StARD1相互作用的結構基礎，Smith LC[43]等發現，雖然分離的起始區域不與14-3-3相互作用，但這種相互作用是通過在Ser57處的StARD1磷酸化而實現的，該位置靠近線粒體肽裂解位點。對StARD1與14-3-3親和力和帶有Ser57和Ser195磷酸肽的14-3-3復合物晶體結構的生化分析表明，位點特異性磷酸化在募集14-3-3來調節StARD1活性、加工和導入線粒體中具有獨特的作用。Ser195位點的磷酸化產生了一個獨特的條件位點，該位點只能在開始區域部分展開時與14-3-3結合。

4 StAR調節類固醇激素合成的作用及其機制

4.1 跨膜轉運膽固醇

研究者在小鼠間質細胞的細胞質中導入大鼠StAR基因轉錄的cDNA質粒，該細胞合成的類固醇激素水平提升至原水平的7倍。StAR基因突變、不能發揮類固醇激素合成調節作用時，則會導致細胞中膽固醇等脂類成分超標，可能引發類脂性腎上腺增生，給人類健康帶來不利影響；利用傅里葉轉化紅外光譜對其進行成分測定，發現類脂性腎上腺增生患者存在StAR蛋白異常折疊、功能失效。StAR分子轉運作用的發揮與類固醇激素的合成關聯緊密[44]。

StAR分子如何發揮其轉運膽固醇的作用，可能存在以下幾種機制。StAR在線粒體內外膜間進行連接，并基于這些位點構成線粒體的內外膜轉運通道，為膽固醇的轉運與利用提供特定反應通路。這個通道結構是StAR自身跨膜時形成的，從而通過控制StAR的表達來調控類固醇激素的合成過程。Miller[45]等研究發現，StAR分子的作用位點主要是在線粒體外膜，這也是其依附于線粒體結構的部位。

研究者還發現若線粒體膜上存在苯二氮卓類受體(PBR)缺乏，單StAR分子也無法發揮類固醇激素調控作用。有人猜測二者可能是配體蛋白的關系，從而影響了StAR分子的轉運調控功能。通過免疫反應、電鏡觀察等，可以發現線粒體周StAR蛋白水平較胞質內其他區域也相差不大[45]。

4.2 StAR對類固醇激素合成的促進作用

Zenkert[46]等研究促性腺激素對類固醇合成的促進作用，發現細胞組織激素表達中會合成其他蛋白質。在此過程中，泌乳素(PRL)、促性腺激素LH、生長激素(GH)和促腎上腺皮質激素(ACTH)等，而這些相關的其他蛋白質成分則為StAR等基因表達的蛋白。在StAR蛋白前體大量合成過程中，肽鏈會緊密結合線粒體膜，其羧基端在與線粒體膜的某種機制下切入線粒體膜形成膽固醇的跨膜轉運通路。在此過程中，線粒體內的StAR前體蛋白也會經過轉錄酶修飾，變成分子質量為30 kDa的StAR蛋白成熟體，StAR蛋白成熟體靠近線粒體內膜再折疊后，可以實現線粒體內、外膜的連接。

線粒體相關內質網膜(MAM)通過StAR-電壓依賴陰離子通道2(VDAC2)作用調節激素合成活性。中樞神經系統合成類固醇激素的能力在生理學和病理學上有廣泛的意義。在被提出的作用中，神經類固醇可調節LH的激增。這種參與雌激素正反饋表明外周類固醇與神經類固醇的整合。在女性下丘腦中，來自發育卵泡的雌二醇刺激星形膠質細胞中孕酮的合成，從而激活調節促性腺激素(GnRH)神經元的神經回路。雌二醇作用于膜雌激素受體-抑制激活細胞信號，導致肌醇三磷酸敏感鈣的釋放，足以誘導神經孕酮的合成。Chen Clair[9]等為了研究雌二醇信號通路誘導激活急性調節蛋白(StAR)和轉運蛋白(TSPO)，由此介導甾體發育中的限速步驟，即膽固醇進入線粒體。雌二醇處理原代培養的成年雌性大鼠下丘腦星形膠質細胞誘導了級聯磷酸化，導致鈣依賴性腺苷環化酶的激活、AC1、cAMP的升高以及StAR和TSPO的激活。用H-89阻斷蛋白激酶A的激活可以終止雌二醇誘導的神經孕酮合成。還有外膜蛋白、三磷酸鳥苷(GTP)和結合蛋白等其他因子參與，共同影響了StAR對類固醇激素的合成。

4.3 巨噬細胞影響StAR調節類固醇生物合成作用

巨噬細胞是人體內的重要細胞類型，大量存在于睪丸間質組織，并根據睪丸的性成熟情況而具有不同分布情況。一般來說，性不成熟則巨噬細胞在間質細胞外，性成熟則嵌入其中、聯系緊密。Hiort[47]等對小鼠睪丸進行電鏡觀察，可以看到其中的間質細胞與巨噬細胞緊密連接，細胞膜呈鋸齒狀結構鑲嵌，可以推理這兩類細胞間的生理聯系也密切關聯。若間質組織中的巨噬細胞被破壞，則也導致與其緊密關聯的間質細胞的形態、發育異常。Lukyanenko[48]等通過同位素標記來分析睪丸巨噬細胞的代謝反應過程，發現其25-羥化酶(25-HC)合成過程中以膽固醇為原材料，主要是通過膽固醇氧化來獲得，這是從25-HC第25位碳原子的熒光溯源知曉的。25-HC是間質細胞直接用于類固醇激素合成的前體物質，在提升類固醇激素合成效率上有良好的調節作用[49]。

巨噬細胞分泌的細胞因子和活性氧物質(ROS)等炎性介質，也能夠有效調控間質細胞合成類固醇激素的過程。前者包括腫瘤壞死因子a(TNFa)、干擾素Y(IFN-Y)等，主要是通過抑制StAR及一些類固醇激素合成催化酶，來抑制類固醇激素的合成[50]。后者則主要是通過與細胞體內的常見生物大分子結合，并改變其一般的化學結構來使其失活，從而影響了這些生物大分子在細胞中功能作用的發揮。在線粒體中發生氧化反應時，會生成ROS副產物，這種副產物在機體致病因子作用、外界強刺激等條件下，能夠激發巨噬細胞中ROS的水平，經由體液交流或跨膜轉運，干擾了其他細胞的生理功能。Hales[51-52]等的研究表明，巨噬細胞中的這種反應會對與其有緊密接觸的間質細胞產生干擾，遏制了線粒體內StAR蛋白的表達及其對雄激素合成的調控作用。

綜上所述，在研究者的努力下，已經明確了StAR在機體細胞合成類固醇激素過程中的作用效果，但作用機制仍有待探究。本文通過綜合多篇文獻資料，對類固醇激素合成急性調節蛋白(StAR)的研究進展進行綜合論述，旨在通過整合現有研究成果，為廣大研究者更深入的探索StAR分子的功能機制，及合成類固醇激素過程中的相關因子作用提供理論參考。這有利于人類研究類固醇激素、StAR蛋白等的相關性疾病，從分子機制上增強對人類機體運行的了解。