血管內皮生長因子在男性生殖系統的表達及作用研究

艾慶燕,趙豫鳳,楊加周,王艷梅,苗乃周

細胞因子是一類由免疫細胞和相關細胞產生的具有調節功能的高活性、多功能蛋白質多肽,在生殖系統各種不同細胞間復雜的局部調節和信號轉導中起重要作用,其以自分泌或旁分泌形式直接或間接調節免疫平衡。血管內皮生長因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)又名血管通透性因子,能高度特異性地作用于血管內皮細胞,是強效的血管發生誘導物,以受體介導的方式發揮其生物學作用。VEGF和 (或)VEGF受體 (VEGFR)表達于許多與生殖有關的細胞,并調節生殖系統各器官的血管生成和通透性,是體內與生殖有關的重要生長因子之一。

1 VEGF及其受體分子生物學特性

VEGF由各種正常細胞和腫瘤細胞合成分泌,兩個 17～22 kD的相同多肽鏈由二硫鍵連接而成分泌型同源二聚體糖蛋白,具有高度的保守性,對熱和酸穩定,與乙酰肝素蛋白多糖有很高的親和力。VEGF cDNA序列顯示其有一個 N-糖基化位點可能與其細胞分泌有關。人類細胞中根據氨基酸殘基數不同分為 VEGF121、VEGF145、 VEGF148、 VEGF165、VEGF189和 VEGF206,這幾種亞型的同型二聚體具有基本相同的生物學活性,但因其與細胞表面和胞外基質中乙酰肝素結合能力的不同而功能上有所差異,其中VEGF165是發揮生物學效應的主要成分。

VEGFR屬酪氨酸激酶 c-fms家族,由 7個免疫球蛋白樣結構形成的胞外部分,含有酪氨酸激酶的胞內部分和疏水氨基酸組成的跨膜區域 3部分構成。胞內部分含有一段酪氨酸插入序列,是磷酸化的下游信號分子結合位點。VEGF信號轉導的主要受體包括 fms樣酪氨酸激酶 (Flt-1)和胎兒肝激酶插入區受體 (KDR),均具有酪氨酸激酶活性。Lam等[1]證實VEGFR在血管形成中起不同的作用,KDR的表達明顯強于 Flt-1,因此 KDR可能為發揮主要功能的受體。

2 VEGF及其受體的生物學效應

VEGFR被 VEGF刺激形成二聚體并活化,促進相鄰受體亞基的自身磷酸化和轉磷酸化,以觸發信號的傳導,導致磷脂酰肌醇 3-激酶和磷脂酶 Cγ活化,前者使磷脂酰肌醇在肌醇環 3位上發生磷酸化產生第二信使;后者水解磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 (IPI2)產生肌醇 l,4,5-三磷酸 (IPI3)和二脂酰甘油 (DAG),分別起到激活 Ca2+通道開放促進細胞 Ca2+升高和激活蛋白酶 C(PKC)的作用[2]。VEGF與 Flt-1結合后,表現為促內皮細胞遷移,有調節血管通透性的作用;與KDR結合后則表現為促進細胞有絲分裂和抗凋亡作用。VEGF能介導內皮及非內皮效應促進有絲分裂,使血管通透性增加,內皮細胞增殖遷移、細胞間粘連,改變胞外基質構建新生血管的生長環境,在血管生成中起誘導和基因調節作用[3];刺激血小板 vWF的釋放調節纖溶系統;促進腫瘤生長和轉移,激活單核細胞促其遷移,對組織重構及再生等均有重要作用。

3 VEGF在睪丸中的表達及作用

VEGF轉基因小鼠的生精細胞內有VEGF基因信號且出現于 1～12級精子細胞[4],說明 VEGF參與精子形成過程并可能調節男性生殖。VEGF蛋白表達于生精細胞、發育中的頂體和精子殘余體中[5],可能參與精原細胞有絲分裂的增殖分化以及精母細胞的減數分裂過程,促進和加速精子的發生,作用于精子細胞直接參與精子的形成。Flt-1和 KDR蛋白表達于各級精子細胞發育中的頂體內,說明 VEGF與其受體參與精子細胞變態過程,特別對精子頂體的發育具有重要作用。支持細胞的基部胞質及殘余體表達 VEGF,其分泌的 VEGF通過旁分泌作用于生精細胞;VEGF和其受體共表達于 Leydig細胞質中,通過自分泌調節睪酮的分泌,影響生精細胞的增殖分化、生精功能和精子發生的微環境,直接或間接調控精子的發生。VEGF表達于睪丸間質血管內皮及小血管平滑肌上調節睪丸微血管通透性和血管化對睪丸正常功能的發揮及微血管生成起著重要作用。

睪丸是具有高度增殖能力的組織,精子發生耗氧量大,輕度的氧濃度下降就會導致生精細胞的損害。VEGF和 Flt-1蛋白在實驗性左側精索靜脈曲張 (experimental left varicocele,ELV)2周組睪丸中表達均上調,其可能作為保護因子參與精索靜脈曲張 (varicocele,VC)機制,抑制凋亡、誘導血管形成,改善對睪丸組織的營養或逆流熱交換系統功能[6]。隱睪組對側睪丸 VEGF的表達顯著增強,其表達水平與低氧誘導因子 1a(HIF-1a)同步,這是對組織缺氧進行的適應性反應,通過改變組織的血管生成和代謝來維持氧的穩態,發揮一定的抗細胞凋亡作用[7]。精原細胞瘤 VEGF的表達明顯高于正常睪丸組織,且 KDR、Flt-1的表達均升高,提示血管生成在睪丸癌的病理進展起著重要作用[8]。VEGF在精原細胞瘤中主要表達于細胞質內,其表達與精原細胞瘤的臨床分期密切相關,臨床分期越晚,VEGF表達越明顯,轉移的機會也就越大[9]。

4 VEGF在附睪中的表達及作用

VEGF蛋白定位于人附睪的基底細胞、輸出小管的纖毛細胞及附睪管周肌樣細胞,KDR蛋白表達于附睪管體部基細胞及大的間質血管內皮細胞,Flt-1蛋白在附睪輸出小管及淋巴小管上表達[10]。VEGF和 Flt-1、KDR蛋白在附睪管上皮中的表達具有細胞和區域特異性[5]:VEGF蛋白幾乎表達于附睪管上皮所有主細胞胞質中,近管腔游離面纖毛也呈陽性染色,附睪體部表達最強,頭、尾部次之;Flt-1和 KDR蛋白表達于上皮主細胞的核上部胞質內,以附睪頭部最強,部分間質小血管內皮也為陽性。附睪上皮主細胞分泌大量的 VEGF蛋白與其相應受體作用,調節自身的吸收和分泌功能,在附睪頭部可能參與睪網液的重吸收,在體部參與精子胞質小滴的代謝,進而影響附睪管腔液的組成及精子成熟的微環境,參與精子的睪丸后成熟。體外實驗用VEGF165可刺激附睪使毛細血管及毛細淋巴管的內皮細胞間隙增大、通透性增加,VEGF可能以旁分泌的形式影響間質血管和淋巴管的通透性,調節附睪內的微環境[11]。其在附睪中的分布格局可能與附睪區域特異的分泌和吸收功能有關,通過調節微循環系統且以自分泌和旁分泌作用參與附睪原因的生殖活動。VEGF也可能作用于輸精小管纖毛細胞影響精子的運輸[2]。

VEGF及其受體對精子發生、成熟的調控作用也有負面性。VEGF在睪丸與附睪的高表達可導致血管新生且可能與男性不育有關[3],VEGF過度表達的轉基因鼠發現睪丸上皮增生及生精過程受阻、精子發生停止,毛細血管密度和通透性增高;附睪管膨脹且出現上皮細胞增生區,間質毛細血管數增加;可能因過度表達的VEGF對男性生殖道內皮和非內皮細胞雙重作用,附睪中的過度表達影響了附睪的結構和功能,破壞了附睪管腔微環境,影響精子成熟,進而導致男性生育力下降甚至不育。ELV組左側附睪 Flt-1蛋白表達量的變化隨時間延長而減少具有時間累進性[6],提示 VC有可能通過影響附睪上皮蛋白的合成和分泌較早并持續地造成睪丸及附睪精子發生、熟微環境的改變,繼而導致男性不育。VEGF的高表達與附睪乳頭狀囊腺瘤的血管新生也有關。

5 VEGF在精子的表達及作用

精漿 VEGF水平對人類生殖有重要影響,VEGF受體定位于精子表面,精子頂體區 Flt-1強表達,KDR微弱表達于精子鞭毛表面。精液中 VEGF水平較高,女性妊娠率相對增加,VEGF不僅通過作用于男性生殖道細胞的 VEGFR對男性生殖起調節作用,而且通過對精子細胞的直接調節作用,影響女性妊娠的幾率[13]。

VEGF、Flt-1和 KDR表達于大鼠附睪精子頭部的頂體、尾部的頸段、中段和主段,說明精子本身也是 VEGF的靶細胞之一[5]。精子在附睪成熟過程中的重要變化是精子膜結構及其理化性質的改變,包括膜的通透性、流動性、膜脂、膜蛋白、膜受體等改變。VEGF和其受體蛋白在附睪精子的頂體、尾部不同區段的表達表明它們可能以自分泌和旁分泌方式作用于不同的離子通道等機制參與精子的睪丸后成熟過程,通過重飾膜結構,參與頂體的發育成熟及功能活動;也可能形成或激活 Ca2+通道引起精子尾部鈣離子內流,激活細胞內信息傳遞,使精子呈現超激活運動而獲得運動能力,存在于精子尾部Ca2+相關離子通道在精子運動方面發揮著重要作用[14]。細胞內重要的第二信使鈣離子在精子各個生理階段發揮重要作用,包括精子的運動、獲能、頂體反應和獲得受精能力等。

6 VEGF在前列腺中的表達及作用

前列腺體積增大,間質比例增加,以血管、平滑肌增生為主的組織 VEGF表達增加[15]。VEGF、KDR蛋白及 mRNA陽性表達廣泛分布于前列腺增生組織和前列腺癌的上皮細胞、少數基質細胞和微小血管壁中,前列腺內癌組織的表達強度明顯高于增生組織,隨腫瘤分級增高而明顯增加[16]。VEGF在前列腺癌中的表達與病理分級、遠處轉移相關,可能成為前列腺癌預后的一個重要指標[17]。VEGF表達隨人類前列腺癌細胞轉移特性的增加而增加,且惡性細胞合成并分泌的 VEGF刺激血管生成的效率更高,除了以旁分泌刺激血管內皮細胞增殖、血管新生外,還能通過自分泌調節腫瘤細胞增殖,在腫瘤的形成及進展過程中意義重大。前列腺液中的各種細胞因子可能就在精漿相互發生作用而導致不育。

總之,血管生成在男性生殖系統的許多疾病的發生、發展中起著重要作用,VEGF是血管生成的重要因素之一。VEGF及其受體在男性生殖領域中占有重要地位,但其在生殖系統中的表達意義、作用機制還需進一步研究,以更完善地了解其對男性生殖系統的調節機制,促進男性生殖生理學的發展。

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