丘脑-垂体-性腺轴调节睾酮合成的研究进展

侯晓鸿，郝卫东*

( 北京大学公共卫生学院食品安全毒理学研究与评价北京市重点实验室，北京 100191 )

睾酮又称为睾丸素、睾丸酮或睾甾酮，其化学式为17β-羟基雄甾-4-烯-3-酮丙酸酯，是一种由19个C原子构成的甾体类激素[1]。睾酮是一种重要的雄激素，在雄性睾丸、雌性卵巢以及肾上腺中均有分泌，并且对多个组织系统发挥生理作用[2]：脑组织中，负责性冲动、意识、记忆以及感觉；肾脏中，促进激素及红细胞生成素的产生，从而提高红细胞数量；性腺中，与精子的生成，前列腺、阴茎的发育与功能发挥有关；肌肉组织中，维持骨骼肌生长，增强肌肉强度与质量[3]；骨骼中，维持骨密度、骨强度及促进骨髓红细胞的产生[4]；皮肤组织中，与毛发、皮脂腺、胶原蛋白的产生有关。此外，研究表明生理水平的睾酮对男性心血管系统有益，睾酮缺乏与心血管疾病事件的增加有关[5]。天然的雄激素主要包括雄烯二酮、脱氢表雄酮、睾酮及由其转化而成的双氢睾酮，雄激素发挥作用主要依赖于雄激素受体的激活，其他形式的雄激素可转化为睾酮或双氢睾酮而发挥生物学作用[6]。因此，睾酮的生物合成在生命体中发挥十分重要的作用。睾酮的主要来源是睾丸间质细胞(Leydig细胞)，其次为肾上腺皮质网状带。Leydig细胞主要通过两种形式分泌睾酮：基础分泌与受丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamus-puititary-gonad axis，HPGA)调节的促性腺激素诱导分泌[7]。HPGA调节作用(图1)主要包括：下丘脑促性腺激素释放神经元合成并分泌促性腺激素释放激素(gonadotropinreleasing hormone，GnRH)，经下丘脑-垂体门脉循环至脑垂体，促进垂体前叶分泌卵泡刺激素(follicle stimulating hormone，FSH)、黄体生成素(luteinizing hormone，LH)，其中LH作用于Leydig细胞，经过一系列类固醇合成酶的作用促进睾酮合成[8]。本文主要叙述HPGA中主要物质的合成及其调控机制。

图1 睾酮合成的HPGA调节机制[2]

1 GnRH分类及表达的调节

作为HPGA的第1个调控物质，GnRH在生殖功能中发挥重要的作用。所有物种神经组织中，已鉴定的GnRH包含24种结构形式[9]， 分为GnRHⅠ、GnRH Ⅱ和GnRH Ⅲ三种类型[10]。各类型均具有保守的、与受体有效结合所必需的NH2-末端序列(pGlu-His-Trp-Ser)和COOH-末端序列(Pro-Gly NH)[11]。许多脊

2椎动物体内含有至少两种类型的GnRH，人体内具有GnRH I、GnRH II两种类型[10，12]。GnRH I是一种最初从哺乳动物下丘脑中分离得到的、能够促进FSH、LH分泌的十肽。GnRH I在不同的脊椎动物体内具有不同的氨基酸序列，且主要表达于脑组织中[12]， 具有调节生殖细胞形成和性行为的作用[10]。GnRH II最初从鸡脑组织中分离得到，其氨基酸序列为pGlu-His-Trp-Ser-His-Gly-Trp-Tyr-Pro-Gly-NH2(QHWSHGWYPG)[10]。GnRH II与GnRH I具有不同的编码基因，在生物进化及不同物种中高度保守，且较高表达于脑组织以外的器官组织中[12]，与雌性生殖行为、食物摄入与能量平衡有关[10]。GnRH Ⅲ最初从七鳃鳗脑组织中分离得到，其氨基酸序列为pGlu-His-Trp-Ser-His-Asp-Trp-Lys-Pro-Gly-NH2(QHWSYGWLPG)，但仅发现于辐鳍鱼组织内[10]。研究表明GnRH I可直接调节生殖行为，GnRH II和GnRH Ⅲ间接调节相关的性行为[10]。

探究GnRH基因表达分为体内和体外两种方式，体外方式包括GT1、GT1-7、GN、GnV、GRT、hGLC和mHypoA-GnRH/GFP等细胞模型[13]； 体内方式主要包括转基因动物模型[12]。GnRH基因含有许多与转录因子或辅酶因子结合的功能元件，转录因子或辅酶因子通过与基因元件的结合作用调控(启动、增强或抑制)GnRH基因的转录。其中转录因子包括八聚体结合转录因子-1(octamer-binding transcription factor-1，Oct-1)、肌节同源盒(muscle segment homeobox，Msx1)、 远端同源异型盒2(distal less homeobox 2，Dlx2)；辅酶因子包括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与LH、FSH的生成

GnRH的分泌受到多种神经肽的调节，包括kisspeptin(KP)、血管活性肠多肽(vasoactive intestinal polypeptide，VIP)、RF相关酰胺肽-3(RFamide-related peptide-3，RFRP-3)、神经肽Y(neuropeptide Y，NPY)、饥饿素(ghrelin，GHR)等[14]。各神经肽通过直接或间接方式调节GnRH神经元中GnRH的分泌。GnRH以脉冲方式分泌后，经下丘脑-垂体门脉循环系统到达垂体，与位于垂体前叶促性腺激素细胞表面的促性腺激素释放激素受体(gonadotropin-releasing hormone receptor，GnRHR)结合，从而促进LH、FSH的生成。关于GnRH脉冲式分泌机制的研究，目前存在两种假说：一种观点认为GnRH神经元之间通过缝隙连接介导电偶联，因此GnRH神经元内部可能存在GnRH脉冲发生器；另一种观点认为GnRH神经元外部存在弓状核(arcuate nucleus，ARC)KP亚群作为GnRH脉冲发生器调节GnRH脉冲式分泌[15]。GnRH的分泌频率和振幅影响LH、FSH的分泌：频率高时促进LH优先分泌，频率低时促进FSH分泌增加。FSH、LH含有相同的α亚单元与不同的β亚单元(FSHβ、LHβ)。FSHβ、LHβ的转录依赖GnRH脉冲的频率，因此认为FSHβ、LHβ为FSH、LH发挥生物学作用的功能区[9]。研究表明GnRH促进FSH、LH的合成与分泌涉及多种信号通路[16]：①丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路。MAPK包括细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)、J-氨基末端激酶(jun N-terminal kinase，JNK)和p38，能够被GnRH激活。GnRH脉冲频率影响ERK1/2的磷酸化水平，ERK1/2可能是GnRH脉冲信号的解码器。②钙信号通路。GnRH通过钙动员激活钙/钙调蛋白依赖性激酶(Ca2+/calmodulin-dependent kinases，CamK1/2)并加速促性腺激素的分泌；钙通道激动剂能够提高促性腺激素基因的表达；促性腺激素细胞中的ERK信号通路也需要钙激活钙调蛋白的作用。③活化 T细 胞 核 因 子 (nuclear factor of activated T-cells， NFAT)。NFAT是一种转录调节因子，通过钙调磷酸酶的作用介导GnRH调控的FSH、LH基因转录。④蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)。当受到GnRH刺激时，促性腺激素细胞中的PKA活性增强，调控FSHβ、LHβ基因的转录。

3 Leydig细胞中睾酮的生成

垂体前叶分泌的LH调节Leydig细胞中睾酮的合成与分泌(图2)。Leydig细胞膜上存在一种G蛋白偶联受体即LH受体(LH receptor，LHR)，能与LH高度结合，激活腺苷酸环化酶，引起类固醇激素合成急性调节蛋白(steroidogenic acute regulatory protein，StAR)、细胞色素P450胆固醇侧链剪切酶(cholesterol side-chain cleavage cytochrome P450 enzyme，P450scc)、3β-羟基类固醇脱氢酶(3β-hydroxysteroid dehydrogenase，3β-HSD)等一系列蛋白的作用，最终以胆固醇为原料合成睾酮，从而发挥促进生殖系统发育及精子生成的生物学作用[17]。

图2 睾丸间质细胞中类固醇生成途径[18]

StAR是类固醇激素生物合成所必需的调控因素，主要发挥转运胆固醇进入线粒体内膜并将其呈递给P450scc，此为类固醇激素生物合成的限速步骤[18]。LH与LHR结合后，通过G 蛋白(G protein，G)、腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)和磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)的介导与调控作用激活环磷酸腺苷/蛋白激酶A(cyclic adenosine monophosphate/protein kinase A，cAMP/PKA)信号通路。cAMP在PKA的作用下，通过与cAMP 反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)结合，调控StAR基因的表达[18]。关于StAR蛋白作用机制的研究，目前存在两种假说[19]：一种观点认为StAR蛋白通过N末端直接定位到线粒体，其C末端序列在线粒体膜外将胆固醇从膜外转移到膜内；另一种观点认为线粒体周围可能存在酸性微环境，此环境下StAR能够形成熔球结构，并在作用于线粒体外膜时，增加N末端与C末端之间连接区域的灵活性，暴露出胆固醇通道或延长该期的时间从而使StAR停留在外膜上以提高胆固醇的转移。

P450scc(又称为CYP11A1)由CYP11A1基因编码，大量存在于类固醇激素生成细胞的线粒体中，主要作用是将进入线粒体的胆固醇转变为孕烯醇酮。CYP11A1基因的转录具有组织特异性，PKA、PKC第二信使系统能够通过与CYP11A1基因启动子的相应序列相互作用调节CYP11A1基因的转录[20]。P450scc主要通过断裂C20与C22之间的碳链将进入线粒体的胆固醇转化为孕烯醇酮[7]。

3β-HSD(又称为△4-△5异构酶)是合成所有活性类固醇激素所必须的一类脱氢酶，属于乙醇脱氢酶/氧化酶家族，能够将线粒体中合成的孕烯醇酮转化为孕酮。3β-HSD的表达具有细胞及组织特异性，性成熟大鼠睾丸组织内只有Leydig细胞表达3β-HSD。3β-HSD的表达受多种促性腺激素和其他类固醇激素含量的影响。孕烯醇酮的C5、C6之间有双键，称为△5甾体。线粒体内生成的孕烯醇酮转移至滑面内质网，3β-HSD能将此双键转移至C4、C5之间，形成△4甾体[6]。此甾体分别经孕酮、脱氢表雄酮两种中间产物，最终被3β-HSD转化为雄烯二酮，再经其他酶的作用最终转化为睾酮。此为睾酮的△4(孕烯醇酮-孕酮-雄烯二酮-睾酮)、△5(孕烯醇酮-脱氢表雄酮-雄烯二酮-睾酮)两种合成途径[6]。

4 小 结

睾酮生成的HPGA调节可概括为：神经肽信号作用于下丘脑GnRH神经元，下丘脑GnRH神经元合成并分泌GnRH；GnRH经下丘脑-垂体门脉系统促进垂体前叶释放LH、FSH，其中LH与睾丸Leydig细胞的受体结合，促进StAR表达；StAR将胆固醇呈递至位于线粒体内的P450scc，P450scc将胆固醇转化为孕烯醇酮；合成的孕烯醇酮被转移至滑面内质网，经∆4途径中3β-HSD将其转化为孕酮或经∆5途径转化为脱氢表雄酮后，被转化为雄烯二酮；两种途径的雄烯二酮最终都被转化为睾酮。目前研究已发现睾酮生成的HPGA调节中的多种重要调节因素，但尚未被充分解释，例如下丘脑GnRH脉冲式分泌、垂体前叶解码GnRH脉冲式刺激作用及StAR转运胆固醇等的机制尚待研究。