常雪蕊,郭 勇,齊曉龍,陳 余,王 梁,盛熙暉,王相國(guó),邢 凱,肖龍菲,倪和民
(1.北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 102206;2.北京市畜牧總站,北京 100107)
睪丸間質(zhì)細(xì)胞(Leydig cells,LCs)合成與分泌的睪酮是雄性動(dòng)物最重要的雄激素之一,其可刺激雄性生殖器官發(fā)育成熟并維持其機(jī)能,促進(jìn)精子的發(fā)生及成熟,促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成,特別是肌肉、骨骼以及生殖器官蛋白質(zhì)的合成,睪酮的合成還存在負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,以保證睪酮分泌處于相對(duì)穩(wěn)定的水平[1]。鑒于睪酮的以上重要生理功能,調(diào)節(jié)睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成與分泌睪酮的研究越來(lái)越受到關(guān)注。近年來(lái),大量研究表明,睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成分泌睪酮與線粒體密切相關(guān),線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性直接影響睪酮的生物合成[2-4]。作者簡(jiǎn)述了睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)睪酮合成的分子機(jī)制及影響睪酮合成的重要因子,并從線粒體結(jié)構(gòu)、線粒體氧化損傷、線粒體調(diào)控的細(xì)胞調(diào)亡和線粒體的生物發(fā)生多個(gè)角度論述線粒體影響睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成睪酮的作用機(jī)制,旨在為進(jìn)一步研究睪丸間質(zhì)細(xì)胞中的線粒體影響睪酮合成的作用靶點(diǎn)及改善雄性動(dòng)物睪酮分泌并提高其繁殖性能提供參考。
睪丸間質(zhì)細(xì)胞最早于1850年在大鼠中首次被發(fā)現(xiàn)并命名[5],為分布在睪丸生精小管之間的疏松結(jié)締組織,其主要功能是合成和分泌睪酮。盡管睪丸間質(zhì)細(xì)胞在睪丸細(xì)胞中占比較少,但體內(nèi)超過(guò)90%的睪酮是由睪丸間質(zhì)細(xì)胞分泌的。哺乳動(dòng)物睪丸間質(zhì)細(xì)胞可分為胚胎期的胎兒型睪丸間質(zhì)細(xì)胞(fetal Leydig cells,FLCs)和出生后生成的成熟型睪丸間質(zhì)細(xì)胞(adult Leydig cells,ALCs)[6]。胎兒型睪丸間質(zhì)細(xì)胞在胚胎發(fā)育期間就開(kāi)始大量合成睪酮,此時(shí)的睪酮可以維持雄性生殖器官生長(zhǎng)發(fā)育和胎兒大腦的正常發(fā)育。在胎兒出生后,胎兒型睪丸間質(zhì)細(xì)胞數(shù)量下降,睪酮分泌與合成也隨之下降。隨著新生睪丸干細(xì)胞中成熟型睪丸間質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育,睪酮逐漸升高恢復(fù)至機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育所需的正常水平[7]。目前,針對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞開(kāi)展的各項(xiàng)體內(nèi)外研究均趨于成熟,為探究睪丸間質(zhì)細(xì)胞的功能及其調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
睪酮主要由睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成并分泌,其合成過(guò)程受下丘腦-垂體-睪丸軸(HPT)、轉(zhuǎn)錄因子和輔酶因子的調(diào)控。在下丘腦合成和釋放的促性腺激素釋放激素(GnRH)的刺激下垂體前葉釋放能夠刺激睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成睪酮的促黃體生成素(LH)。LH與睪丸間質(zhì)細(xì)胞的膜受體結(jié)合,再與G蛋白偶聯(lián),刺激睪丸間質(zhì)細(xì)胞激活腺苷酸環(huán)化酶使ATP轉(zhuǎn)變?yōu)閏AMP,進(jìn)一步激活腺苷酸環(huán)化酶和蛋白激酶的表達(dá),進(jìn)而生成睪酮。同時(shí)睪酮的生成對(duì)GnRH、LH的分泌具有負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用,使得機(jī)體內(nèi)睪酮維持在正常的生理水平[8-10]。膽固醇是睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成睪酮的原料,位于線粒體外膜上的類(lèi)固醇合成急性調(diào)節(jié)蛋白(steroidogenic acute regulatory protein,StAR)能促進(jìn)膽固醇向線粒體的內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn),隨后在線粒體內(nèi)膜膽固醇側(cè)鏈裂解酶(cholesterol side-chain cleavage cytochrome,P450scc)的催化下生成孕烯醇酮,再通過(guò)光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的羥基類(lèi)固醇脫氫酶(3β-hydroxysteroid dehydrogenase,3β-HSD)和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(translocator protein,TSPO)的共同作用合成睪酮[9]。在體外試驗(yàn)中,在小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞(TM3)中添加75 μg/mL芹菜、金盞花的提取物能顯著提高睪丸間質(zhì)細(xì)胞的活力,增加睪酮的合成[11]。
位于線粒體上的StAR和P450scc是睪酮合成的關(guān)鍵限速酶[12]。通過(guò)調(diào)控StAR、P450scc和TSPO等關(guān)鍵基因和蛋白的表達(dá)可調(diào)控睪酮的合成[13]。如霉菌T-2毒素的抑制作用會(huì)降低P450scc和StAR的轉(zhuǎn)錄水平,導(dǎo)致小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)睪酮合成減少[14]。給小鼠直接飼喂大豆油會(huì)提高睪丸間質(zhì)細(xì)胞中類(lèi)固醇合成StAR、P450scc蛋白的表達(dá),使睪酮合成與分泌增加[15]。
1.3.1 StAR 類(lèi)固醇合成急性調(diào)節(jié)蛋白StAR位于線粒體外膜,主要參與類(lèi)固醇激素(膽固醇)的底物從線粒體外膜向線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明,核轉(zhuǎn)錄因子(NRF1)可調(diào)控StAR的表達(dá),在低氧血癥或缺氧條件下,NRF1的下調(diào)可抑制StAR和睪酮的合成[16]。低氧誘導(dǎo)因子1(HIF1)與StAR啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并抑制StAR的表達(dá),降低睪酮的合成[17]。在男性生殖方面的研究發(fā)現(xiàn),用適量的類(lèi)黃酮和異類(lèi)黃酮等物質(zhì)可提高StAR的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)睪酮合成[18]。
1.3.2 P450scc P450scc又稱(chēng)為CYP11A1,由CYP11A1基因編碼,位于類(lèi)固醇激素生成細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上,主要作用是將進(jìn)入線粒體的膽固醇轉(zhuǎn)變?yōu)樵邢┐纪?。睪酮合成的第一步是P450scc切割膽固醇側(cè)鏈,也是至關(guān)重要的一步。 P450scc在所有類(lèi)固醇生成細(xì)胞(包括睪丸間質(zhì)細(xì)胞、腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞、卵巢細(xì)胞)中均有表達(dá)[19-20]。 如添加100 nmol/L雙酚A(BPA)會(huì)通過(guò)上調(diào)大鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)P450scc基因及其蛋白表達(dá)來(lái)促進(jìn)睪丸間質(zhì)細(xì)胞增殖和分化[21]。研究發(fā)現(xiàn),CYP11A1基因缺失會(huì)誘導(dǎo)小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積,進(jìn)而影響睪酮的合成[22],抑制CYP11A1和3βHSD的活性及表達(dá)水平可顯著減少睪酮的合成[23]。
1.3.3 TSPO 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TSPO是一種保守的線粒體外膜蛋白,在類(lèi)固醇合成細(xì)胞中普遍存在,與多種細(xì)胞和組織功能有關(guān),包括類(lèi)固醇激素的生物合成、呼吸作用、細(xì)胞增殖和凋亡[24]。膽固醇是一種高度親脂性的化合物,不能自由擴(kuò)散,而TSPO對(duì)膽固醇有高親和力可以促進(jìn)其向線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)。TSPO與StAR結(jié)合后促進(jìn)膽固醇向線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)并結(jié)合到P450scc上,是影響睪酮合成的關(guān)鍵步驟[25]。最近對(duì)TSPO的研究發(fā)現(xiàn),缺失TSPO基因可直接影響小鼠StAR的合成與加工[26]。 敲除TSPO基因后,小鼠線粒體脂肪酸氧化程度和活性氧(ROS)含量明顯增加,影響線粒體的能量穩(wěn)態(tài)[27]。
此外,研究發(fā)現(xiàn),添加1~10 nmol/L神經(jīng)介素B7會(huì)增強(qiáng)豬原代睪丸間質(zhì)細(xì)胞中關(guān)鍵蛋白(StAR、P450scc和3β-HSD)的表達(dá),并顯著促進(jìn)睪酮的合成與分泌[28]。由此可見(jiàn),位于線粒體中的StAR、P450scc和TSPO等是睪丸間質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睪酮生物合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。
線粒體是位于真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器,其特有的雙層膜結(jié)構(gòu)上分布著大量酶及酶復(fù)合體,是類(lèi)固醇激素生物合成調(diào)控的關(guān)鍵控制點(diǎn),只有在線粒體保持穩(wěn)定的狀態(tài)下睪丸間質(zhì)細(xì)胞才能合成睪酮,而睪酮合成的關(guān)鍵限速酶StAR和P450scc的表達(dá)依賴(lài)于線粒體結(jié)構(gòu)及功能的完整[29]。因此,睪丸間質(zhì)細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)和功能的改變會(huì)直接影響睪酮的生物合成,線粒體損傷則會(huì)造成睪酮合成障礙,如不同濃度(1~200 μmol/L)尼古丁會(huì)造成小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞(TM3)的線粒體損傷,并且隨著毒性的增加線粒體活性降低,最終造成睪酮生成障礙[30]。
膽固醇從細(xì)胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體外膜,在StAR幫助下從線粒體外膜再轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)膜,隨后穿過(guò)線粒體內(nèi)膜運(yùn)輸?shù)骄€粒體基質(zhì)內(nèi),通過(guò)P450scc復(fù)合物的作用在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步合成代謝[31-32]。穩(wěn)定的線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)、合適的pH和持續(xù)的ATP合成才能保證StAR發(fā)揮作用[33]。線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子及其他離子的分布不均產(chǎn)生負(fù)電位差,即線粒體膜電位,而線粒體膜電位是驅(qū)動(dòng)ATP合成的動(dòng)力[34]。線粒體膜電位的變化會(huì)影響線粒體的功能,睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)對(duì)線粒體膜電位產(chǎn)生影響的物質(zhì)也會(huì)改變類(lèi)固醇合成水平。研究發(fā)現(xiàn),氧化后的低密度脂蛋白(oxLDL)通過(guò)破壞電子傳輸鏈并抑制睪丸激素合成相關(guān)的蛋白質(zhì)和酶(StAR、P450scc和3β-HSD)來(lái)降低線粒體膜電位,最終導(dǎo)致線粒體功能障礙并減少睪丸間質(zhì)細(xì)胞睪酮的合成[35]。
線粒體結(jié)構(gòu)的改變同樣也會(huì)對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞中睪酮的合成產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期暴露于靜電場(chǎng)的睪丸間質(zhì)細(xì)胞線粒體內(nèi)外膜間隙擴(kuò)大,會(huì)導(dǎo)致線粒體腫脹,線粒體膜破裂和缺陷,從而使睪酮合成和分泌減少[36]。如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(transcriptional coactivator with PDZ-binding motif,TAZ)在睪丸間質(zhì)細(xì)胞中誘導(dǎo)類(lèi)固醇生成酶的表達(dá)和睪丸激素產(chǎn)生中起重要作用,TAZ的缺乏會(huì)直接導(dǎo)致小鼠線粒體功能障礙和溶酶體功能失調(diào),最終造成睪酮合成和分泌減少[37]。研究發(fā)現(xiàn),在小鼠成熟的睪丸間質(zhì)細(xì)胞中添加200 μmol/L 4-甲基兒茶酚可顯著降低線粒體活性而減少睪酮分泌[38]。因此,線粒體膜電位及結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響睪丸間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)而影響睪酮合成。
線粒體呼吸鏈的氧化磷酸化系統(tǒng)主要由線粒體呼吸鏈酶組成。在電子傳遞鏈中起關(guān)鍵作用的酶分別是NADH氧化還原酶(復(fù)合體Ⅰ)、細(xì)胞色素b(復(fù)合體Ⅲ)和細(xì)胞色素C(CytC)氧化酶(復(fù)合體Ⅳ)[39]。線粒體在正常的新陳代謝過(guò)程中會(huì)生成ATP,同時(shí)產(chǎn)生氧負(fù)離子(O2-)。細(xì)胞中的氧負(fù)離子是ROS的前體,主要由呼吸鏈中的蛋白酶復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ產(chǎn)生[40-41]。
正常情況下,ROS的濃度在機(jī)體內(nèi)會(huì)保持穩(wěn)態(tài)[42],而在ROS濃度過(guò)高時(shí)就會(huì)造成氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激是影響睪丸間質(zhì)細(xì)胞生殖功能的主要因素之一,線粒體作為氧化應(yīng)激的主要靶點(diǎn),易受到ROS的攻擊,造成線粒體結(jié)構(gòu)和功能的損傷并破壞睪丸間質(zhì)細(xì)胞的類(lèi)固醇生成能力[43]。過(guò)量的ROS會(huì)導(dǎo)致線粒體膜結(jié)構(gòu)損傷,進(jìn)而降低線粒體膜電位。線粒體膜電位參與ATP的合成、線粒體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)和細(xì)胞增殖與凋亡等多種功能,同時(shí)維持線粒體膜電位的穩(wěn)態(tài)也是線粒體氧化磷酸化發(fā)生必備的基礎(chǔ)條件。因此,線粒體膜電位的降低會(huì)直接造成線粒體氧化損傷[44]。此外,細(xì)胞內(nèi)ROS大量積聚可引起線粒體呼吸鏈的破壞,從而導(dǎo)致ATP生成減少[40]。大量體內(nèi)外試驗(yàn)都表明,ROS會(huì)造成線粒體損傷,進(jìn)而破壞睪丸間質(zhì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能,誘導(dǎo)睪丸間質(zhì)細(xì)胞凋亡,影響睪酮的生物合成,對(duì)生殖系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害[45-46]。研究表明,過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物1α(PGC-1α)是ROS的抑制因子,PGC-1α缺失的小鼠對(duì)氧化應(yīng)激的敏感性增強(qiáng),而提高PGC-1α表達(dá)可顯著保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激介導(dǎo)的死亡[47]。抑制山羊PGC-1α表達(dá)可降低調(diào)控睪酮合成StAR、P450scc等關(guān)鍵基因的表達(dá),從而抑制睪丸間質(zhì)細(xì)胞的睪酮分泌[48]。因此,調(diào)控ROS的產(chǎn)生,避免線粒體的氧化損傷,進(jìn)而保護(hù)睪丸間質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)睪酮合成與分泌,有望成為新的研究熱點(diǎn)。
線粒體作為體內(nèi)重要的代謝調(diào)節(jié)中樞,通過(guò)傳遞調(diào)節(jié)信號(hào)來(lái)控制細(xì)胞的功能,在細(xì)胞凋亡過(guò)程中具有重要的意義。線粒體不僅是細(xì)胞主要的供能細(xì)胞器,也是調(diào)控細(xì)胞凋亡的重要細(xì)胞器。細(xì)胞凋亡是細(xì)胞程序化死亡過(guò)程,是精確調(diào)節(jié)細(xì)胞數(shù)量和去除有害細(xì)胞(如被病毒感染的細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞等)的主要途徑[49]。盡管細(xì)胞凋亡的調(diào)控因物種的不同而有所不同,但在哺乳動(dòng)物中,細(xì)胞凋亡主要通過(guò)線粒體進(jìn)行調(diào)控,線粒體自身結(jié)構(gòu)和功能的改變及外界環(huán)境的改變均可影響細(xì)胞凋亡[50]。
CytC存在于線粒體內(nèi)膜外側(cè),參與線粒體呼吸鏈電子傳遞。同時(shí),CytC也參與細(xì)胞凋亡過(guò)程,CytC由線粒體釋放到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)這一過(guò)程被認(rèn)為是控制細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[51]。半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶家族(Caspase)是細(xì)胞凋亡特異性的蛋白酶,線粒體在此蛋白酶的激活中起著關(guān)鍵作用[52]。B細(xì)胞淋巴瘤-2蛋白家族(Bcl-2)包括抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白,主要作用于線粒體外膜,通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體膜孔隙進(jìn)而調(diào)控促凋亡因子的釋放,參與線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程[53]。此外,由線粒體產(chǎn)生的ROS也可參與凋亡信號(hào)的傳導(dǎo)。線粒體產(chǎn)生的ROS會(huì)隨著時(shí)間而逐漸積累,最終導(dǎo)致DNA損傷、細(xì)胞凋亡[54]。因此,線粒體可通過(guò)調(diào)節(jié)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的凋亡而影響睪酮的合成與分泌。鈣離子結(jié)合蛋白的過(guò)表達(dá)會(huì)降低線粒體相關(guān)凋亡因子(如Caspase-9和CytC)的表達(dá),增強(qiáng)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的活力和增殖活性[55]。有研究表明,在大鼠的飲用水中添加1%?;撬峥商岣連cl-2的表達(dá)并降低CytC和Caspase-3等蛋白的表達(dá),增強(qiáng)線粒體內(nèi)蛋白的抗凋亡活性從而抑制睪丸間質(zhì)細(xì)胞的凋亡[56]。因此,通過(guò)線粒體途徑調(diào)控睪丸間質(zhì)細(xì)胞凋亡發(fā)生過(guò)早或過(guò)多均可降低睪酮水平,從而直接影響雄性動(dòng)物的繁殖性能。
線粒體的生物發(fā)生(mitochondrial biogenesis)是一個(gè)復(fù)雜的生物過(guò)程,指現(xiàn)有的線粒體通過(guò)線粒體數(shù)量的增加及酶活性的增強(qiáng)從而變成新的線粒體。線粒體中存在著機(jī)體細(xì)胞核及線粒體自身的DNA和RNA,所以線粒體的整個(gè)生物發(fā)生過(guò)程受細(xì)胞核基因組和線粒體基因組的雙重調(diào)控。線粒體的生物發(fā)生伴隨著線粒體大小、數(shù)量和質(zhì)量的變化,同時(shí)通過(guò)促進(jìn)線粒體氧化磷酸化和ATP合成改變線粒體的功能和結(jié)構(gòu)[57-59]。
線粒體的生物發(fā)生是由多種因素引起的,如熱量產(chǎn)生和氧化應(yīng)激、細(xì)胞分裂和更新以及分化等,其受到來(lái)自激素、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路、核轉(zhuǎn)錄因子等的密切調(diào)控[60-61]。線粒體生物發(fā)生的最主要調(diào)節(jié)因子是過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物1α(PPARGC1A/PGC-1α),激素、第二信使(鈣離子、cAMP)和激酶途徑(PKA、MAPK、PRKAA2)等均可通過(guò)調(diào)節(jié)PPARGC1A的表達(dá)、蛋白定位或翻譯后修飾起調(diào)節(jié)作用[62-63]。在小鼠上的大量臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示,PGC-1α的表達(dá)可調(diào)控線粒體DNA損傷通路,缺失PGC-1α基因的小鼠線粒體生物發(fā)生會(huì)受到直接影響[64]。多環(huán)芳烴苯并[a]芘(B[a]P)和二羥環(huán)氧苯并芘(BPDE)作為環(huán)境中廣泛分布的污染物,可通過(guò)改變IRT1/TERT/PGC-1α途徑抑制線粒體的生物發(fā)生,最終導(dǎo)致睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)睪酮合成水平的下降[65]。胰島素會(huì)影響小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞中線粒體生物發(fā)生的主要因子PPARGC1A及其下游靶基因線粒體轉(zhuǎn)錄因子(Tfam)的表達(dá)導(dǎo)致睪酮分泌減少[66]。此外,外界壓力對(duì)大鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)可通過(guò)線粒體的生物發(fā)生來(lái)緩解,以保證睪酮的正常合成[67]。
綜上所述,睪酮合成與睪丸間質(zhì)細(xì)胞的線粒體結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān),線粒體氧化損傷、能量代謝、生物發(fā)生和線粒體凋亡等均可直接或間接影響睪丸間質(zhì)細(xì)胞睪酮的合成與分泌。目前大量試驗(yàn)都已經(jīng)證實(shí)通過(guò)不同的條件處理睪丸間質(zhì)細(xì)胞會(huì)影響睪酮合成,但是線粒體影響睪酮合成的信號(hào)通路仍不明確,通過(guò)改善睪丸間質(zhì)細(xì)胞中線粒體結(jié)構(gòu)和功能促進(jìn)睪酮合成的作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入研究。隨著線粒體影響睪酮合成的作用靶點(diǎn)和作用機(jī)制的研究不斷深入,將為研究雄性動(dòng)物生殖內(nèi)分泌的調(diào)控提供新的思路和途徑。