抑制素-活化素-卵泡抑素系統在哺乳動物生殖系統中的作用機制研究進展

張博琦，李純錦，陳璐，周虛

(吉林大學動物科學學院，吉林 長春 130062)

活化素(activin,ACT)和抑制素(inhibin,INH)最初被作為化合物從卵巢提取物中分離出來，隨后，在豬的卵泡液中分離出卵泡抑素(follistatin,FST)[1-2]，三者皆與垂體促卵泡激素(FSH)的合成和分泌緊密相關，簡稱ACT-INH-FST系統。研究發現，ACT-INH-FST系統通過影響下丘腦促性腺激素釋放激素(GnRH)的分泌以及其受體的表達，調控FSH和促黃體素(LH)的分泌(圖1)[3]。對于雌性動物，FSH和LH與卵泡的生長排卵、雌激素與孕酮的產生、以及卵巢中類固醇激素的循環水平密切相關。在雄性動物中，FSH能夠促進睪丸間質細胞分泌雄激素，LH與雄激素協同作用能夠促進精子細胞成熟。活化素、抑制素和卵泡抑素及其受體在哺乳動物體內均廣泛表達，并參與調控一系列生殖活動。

參考文獻[3]改繪

1 活化素、抑制素和卵泡素來源及分子結構特性

1.1 活化素和抑制素來源及分子結構特性

活化素和抑制素是緊密聯系的蛋白質二聚體，二者都屬于細胞轉化生長因子(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族，TGF-β家族主要參與調控細胞的分化、成熟以及凋亡[4]。抑制素作為調控下丘腦-垂體-性腺軸(HPG軸)的重要激素，主要來源于雌性動物卵巢顆粒細胞和雄性動物睪丸支持細胞。除性腺組織外，抑制素還存在于腎上腺、眼睛、肺臟、腎臟、垂體和脾臟等多個組織，直接或間接影響各組織正常生理活動。抑制素、活化素的前體和成熟形式見圖2[5]。

*表示糖基化位點；參考文獻[5]改繪

抑制素是一種異二聚體，由α-亞基(20 kDa)與β-亞基(13 kDa)組成見抑制素和活化素的前體和成熟示意圖。在人上，抑制素α-亞基位于2號染色體(2q33-q36)上，其5′非編碼區含有高度保守的啟動子元件Tre、Cre和GATA結合位點，類固醇生成因子(SF-1)結合位點和Smad結合元件[6]。這些啟動子位點由激活蛋白AP-1、AP-2、GATA、Smad3/4和cAMP結合蛋白(CREB)進行調控[7]。α-亞基在不同物種之間高度保守，特別是豬和牛，與人的同源性高達85%。抑制素的β-亞基存在兩種形式βA-和βB-亞基，分別位于7號染色體(7p15-p13)和2號染色體(2cen-q13)上。βA-亞基由3個外顯子和一個2.6 kb的內含子區域組成，啟動子區域包含TATA box和幾個潛在的特異性蛋白1結合位點；βB-亞基由兩個外顯子和一個2.5 kb內含子組成，啟動子區域富含鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)，且包含多個特異性蛋白1結合位點和3個Cre序列[5]。抑制素主要存在兩種形式，抑制素A和抑制素B。α-亞基與βA-亞基組成抑制素A(α/βA)，α-亞基與βB-亞基組成抑制素B(α/βB)。

活化素是抑制素β-亞基的二聚體，具有與抑制素相似的組織分布，但其生理功能與抑制素完全不同[8]。活化素分子量為25 kDa，主要由兩個β-亞基βA-和βB-組成，兩者分別由不同的基因INHBA和INHBB轉錄而來[9]。動物體內活化素以同源二聚體蛋白和異源二聚體蛋白形式存在，分別為活化素A(βA/βA)、活化素AB(βA/βB)和活化素B(βB/βB)，三者都通過經典的TGF-β信號通路發揮作用，其中活化素A和活化素B研究最為廣泛且與生殖調控密切相關[10]。到目前為止，在人體中成功分離了4個活化素亞基，βA、βB、βC和βE[11]，但其中βC和βE亞基的生理功能還未完全了解。

1.2 卵泡抑素來源及分子結構特性

卵泡抑素是一種富含半胱氨酸且高度糖基化的單鏈多肽，在結構上與Kazal絲氨酸蛋白酶抑制劑家族同源,是活化素及其他TGF家族成員的拮抗劑。卵泡抑素在動物體內分布廣泛，除性腺組織外，在骨骼肌、胰腺細胞、腦脊液、腸上皮中都能檢測到卵泡抑素mRNA[12-13]。卵泡抑素是小鼠13號染色體和人類5號染色體的基因產物，基因全長約為6 kb，包含6個外顯子和5個內含子。成熟的卵泡抑素由4個結構域組成，包括一個獨特的N端結構域(Fs0)和3個卵泡抑素結構域(Fs1、Fs2、Fs3)，其中Fs1和Fs2是活化素的結合域。卵泡抑素通過選擇性剪接和蛋白質水解產生3種蛋白質亞型，根據多肽鏈的長度，分別命名為卵泡抑素315(FST315)、卵泡抑素303(FST303)和卵泡抑素288(FST288)，3種異構體都能與活化素結合并起到重要的調控作用，但3個異構體之間存在功能差異，其主要原因在于它們與硫酸乙酰肝素(HS)的結合能力，Fs288與HS的親和力最高，FS303次之，Fs315不能與HS結合[3,14]。

2 抑制素-活化素-卵泡抑素系統的受體及作用機制

2.1 活化素受體及信號轉導

與其他TGF-β超家族成員相似，活化素信號轉導也是通過與絲氨酸/蘇氨酸激酶特定受體之間的相互作用，以及激活細胞內Smad蛋白啟動的。活化素受體根據分子量的高低，分別被命名為活化素Ⅰ型受體(低分子量，ACTR-I)和活化素II型受體(高分子量，ACTR-II)。研究表明，ACTR-II存在兩種同源形式ACTR-IIA和ACTR-IIB，兩者都通過激活相似的活化素下游通路發揮作用；ACTR-I也稱活化素受體樣激酶(ALK)，共存在7個變體[15]，其中，ALK4在活化素信號轉導過程中起重要作用。通過對山羊的研究發現，活化素受體是在卵母細胞成熟和胚胎發育過程中合成的，在體外培養的成熟山羊卵母細胞和囊胚中，發現存在活化素Ⅱ型受體，證明活化素受體的表達與卵母細胞的正常發育密切相關[16]。

活化素與細胞表面的兩種Ⅱ型受體之一結合時信號轉導被觸發。結合形成的復合物能夠募集ACTR-I并使其發生磷酸化，ACTR-I發生磷酸化被激活后，誘導細胞內蛋白Smad2和Smad3的磷酸化，這些被磷酸化的Smad蛋白釋放到細胞質中與co-SMAD、Smad4形成復合物，形成的Smad蛋白復合物轉移到細胞核內，在細胞核內它們與DNA結合并調節靶基因的轉錄。活化素通過上述級聯反應調控細胞的增殖、分化、修復和凋亡等效應(圖3)。研究發現，Smad7是活化素信號轉導過程中的重要調節因子，Smad7與ACTR-I形成復合物時，能夠抑制Smad2和Smad3的磷酸化，從而阻斷信號轉導。此外，反應過程中形成的Smad蛋白復合物，能夠通過抑制Smad7調控信號轉導[17]。除了激活Smad通路，活化素信號轉導在不同的細胞和生理條件下可能存在差異，并可以參與細胞內其他通路的調節，如p38/MAPK、ERK1/2和JNK。

參考文獻[8]改繪

2.2 抑制素和卵泡抑素受體及作用機制

雖然人們對于活化素信號轉導已經有了比較全面的研究，但是，抑制素信號轉導及其作為活化素拮抗劑的分子機制依舊是當今的研究熱點之一。最簡單的機制表明，抑制素通過與細胞表面ACTR-IIA和ACTR-IIB競爭性結合，實現對活化素信號的拮抗作用。由于抑制素與活化素受體親和力遠低于活化素本身[18]，所以，抑制素在調控活化素信號轉導的過程中，可能需要輔助蛋白或輔助受體，這種重要的抑制素輔助受體為β-多糖。β-多糖是一種單次跨膜蛋白多糖,也稱III型TGF受體，作為TGF-β和骨形態發生蛋白(BMP)的共同受體發揮作用[19]。試驗表明，抑制素與β-多糖細胞外結構域的特異性位點結合后，能夠增強抑制素與活化素受體的結合能力，形成的β-多糖—抑制素—II型受體(ActRII, ActRIIB或BMPRII)三元復合物，通過干擾ACTR-I的募集和激活來阻斷活化素下游的信號傳導。此外，β-多糖高親和力結合抑制素A，但抑制素B的特異性蛋白尚未被確定，通過對抑制素A在綿羊垂體[20]和小鼠腎上腺[21]中高親和力結合位點的鑒定表明，抑制素B結合蛋白的作用方式可能與抑制素A相似。

卵泡抑素是一種高親和力的活化素結合蛋白，其受體除在生殖細胞表達外，在其他類型細胞中也有表達，并參與調控活化素與其受體間的相互作用。活化素和FST有重疊的組織表達模式，機體內FST能夠微調節活化素信號以確保內穩態[22]。研究表明，兩個卵泡抑素分子與一個活化素二聚體形成復合物，屏蔽活化素上I型和II型受體結合位點，進而阻止活化素信號傳導[23]。此外，研究發現一種重要的活化素結合蛋白，卵泡抑素相關蛋白FST-like 3(FSTL3)，FSTL3在結構和功能上與FST相似，與活化素結合后，通過阻止其與活化素受體的相互作用抑制活化素信號轉導[17]。最新研究發現，活化素C可能通過與ACTR-II和ACTR-I的結合發揮活化素A受體拮抗劑的作用[23-24]。除上述介紹的抑制劑外，β-多糖、Bambi(BMP and activin membrane-bound inhibitor)和Cripto都被證明，能夠通過不同的機制對活化素產生抑制作用。

3 抑制素-活化素-卵泡抑素系統的生理功能

ACT-INH-FST系統對于雌性動物生殖活動具有重要的調控作用。研究發現，活化素受體和抑制素β-亞基廣泛存在于雌性動物生殖系統中。原始卵泡形成時，新生小鼠或胎兒卵巢的生殖細胞和體細胞已經開始表達活化素亞基及其受體，其中βA-亞基在卵原細胞中表達，βB-亞基在卵原細胞和體細胞中均有表達。研究發現，活化素A可能通過促進卵原細胞增殖加快原始卵泡的形成，從而參與胎兒卵巢的發育。Martins等[25]發現，活化素A可以誘導體外培養的卵巢碎片中卵原細胞的增殖。此外，在妊娠14～20周人的胎兒卵巢中，檢測到Smad2和Smad3的表達，并發現活化素A能夠增加體外培養的卵巢組織中Smad2和Smad3的磷酸化水平，表明在原始卵泡形成過程中可能存在局部的活化素信號轉導。抑制素、活化素、卵泡抑素的表達水平在卵泡發生過程中經歷著動態變化。在初級卵泡和次級卵泡中，活化素亞基在顆粒細胞中表達，但活化素受體及其信號介質Smad2、Smad3和Smad4在卵母細胞中表達[26]。顆粒細胞釋放的活化素A可以通過旁分泌途徑作用于卵母細胞，刺激卵母細胞生長發育，同時活化素A能夠促進卵泡腔的形成。對于有腔卵泡而言，活化素A能夠促進其生長和類固醇的合成。研究表明，活化素能夠增加大鼠、牛和靈長類有腔卵泡細胞基礎芳香化酶活性；刺激小鼠顆粒細胞中雌激素受體的表達和功能[27]；此外，活化素A能夠抑制膜細胞產生雄激素，為排卵前卵泡提供有利微環境，研究表明，活化素能夠通過減少STAR和3b-HSD的表達來抑制膜細胞雄烯二酮的產生[28]。卵泡發育直至排卵是一個漫長的過程，嚙齒類動物需要2周，牛、羊和人大約需要6個月的時間[29]，排卵后，剩余卵泡殘余物發生黃體化形成功能性黃體。大多數動物抑制素和活化素亞基在LH峰后下調，在沒有受孕的情況下，活化素A促進基質金屬蛋白酶2(MMP2)表達上調從而誘導黃體結構和功能退化，開始下一個卵巢周期[30]。

在卵泡發生過程中，抑制素及卵泡抑素同樣起到重要的調控作用。雌性動物抑制素主要由卵巢顆粒細胞產生，卵泡生長過程中，抑制素含量隨著顆粒細胞數量的增加而增加。所有卵泡類型的顆粒細胞、膜細胞和卵母細胞都表達卵泡抑素、活化素I和II型受體。卵泡發生過程中抑制素A和B的分泌模式并不相同，小卵泡主要分泌抑制素B，優勢卵泡和黃體分泌抑制素A。研究表明，活化素是卵泡生長早期重要的旁分泌因子，在此時期抑制素可能參與調節活化素介導的顆粒細胞的增殖和分化，一旦卵泡表達FSH受體(FSHR)，則進一步發育將依賴FSH進行。Lu等[31]研究發現，抑制素A通過抑制FSH誘導的大鼠顆粒細胞FSHR啟動子活性和相關mRNA的表達，調節卵泡內FSH水平。在有腔卵泡階段，卵泡能否繼續生長主要依賴于FSH，研究表明，抑制素-活化素系統對于調節有腔卵泡的生長和優勢卵泡的選擇起到重要作用。在牛卵泡中，卵泡液中激活素A/抑制素A比值和激活素A/卵泡抑素比值，在FSH依賴的卵泡選擇階段均有升高。有腔卵泡發育過程中，抑制素A減緩卵母細胞的發育、促進膜細胞產生雌激素，同時，促進FSH誘導的顆粒細胞分泌雌二醇。卵泡周期結束后，抑制素主要由黃體分泌，抑制素A在黃體中的作用機制尚不清楚，但一些研究表明，它可能以旁分泌的方式促進LH誘導的卵泡膜細胞雄激素的分泌。試驗表明，卵泡抑素能夠調控活化素和生長激素共同介導的卵泡生長，參與調節顆粒細胞功能、卵泡黃體化和卵泡閉鎖。此外，通過基因編輯技術，建立了子宮卵泡抑素基因特異性敲除小鼠模型，并證明卵泡抑素在建立子宮內膜容受性中起到關鍵作用[32]。

ACT-INH-FST系統對于雄性動物生殖活動同樣具有重要作用。雄性動物睪丸是活化素產生的主要場所之一[33]。研究發現，活化素和抑制素是人、豬、牛等哺乳動物睪丸和附睪發育過程中重要的生長和分化因子，正在發育和成體睪丸中，不同類型的細胞均表達抑制素β-A和β-B亞基基因。睪丸中活化素A的主要來源是小管周圍肌樣細胞和間質細胞，其受體主要定位于睪丸支持細胞，活化素A通過旁分泌擴散到達支持細胞從而影響睪丸的發育。缺乏活化素A的小鼠出生當天睪丸重量顯著低于野生型。Mendis等[34]研究表明，在胚胎發育過程中，活化素A亞基在小鼠睪丸中的表達穩步增加，表明活化素A對于雄性性腺發育至關重要。除對睪丸發育影響外，活化素A可能參與控制精子向管腔釋放，并可能參與精子穿越血睪屏障的過程，從而使細線期前精母細胞能夠傳遞到管腔內。Nicholls等[35]通過體外試驗發現，活化素A能夠破壞構成血睪屏障的支持細胞間緊密連接。同時，最新研究表明，活化素A和卵泡抑素，特別是FST288，可能在調節成人附睪和輸精管的結構和功能中發揮重要的區域特異性作用[36]。通過免疫研究發現，與雌性動物一樣，抑制素對雄性大鼠、倉鼠、綿羊、山羊和牛的FSH分泌起負調節作用，同時，還能夠通過旁分泌或自分泌作用調控間質細胞功能和精子發生。抑制素A基因缺乏，會使小鼠睪丸結構破壞從而導致不育，在睪丸中過表達INHBA基因，會導致小鼠精子生成中斷，同時，抑制素B與睪丸體積和精液中精子濃度呈顯著正相關。

4 結語

抑制素-活化素-卵泡抑素系統在生殖、胚胎發育以及其他生理過程中發揮著重要的作用。雖然，我們對該系統及受體在性腺發育和配子發生調控中的作用機制已經有了比較深入的了解，但對于抑制素、活化素和卵泡抑素信號轉導分子機制以及其在整個生殖系統中的結構與功能還需要更深層次的研究。