鈣蛋白酶和鈣蛋白酶抑制系統(tǒng)在雌性生殖調(diào)控中的研究進展

朱桂玉

摘要 鈣蛋白酶-鈣蛋白酶抑制蛋白系統(tǒng)在多種細胞中發(fā)揮作用，在雌性生殖系統(tǒng)中其對卵母細胞、子宮與胎盤的調(diào)控也起著重要作用。對該系統(tǒng)在雌性生殖調(diào)控中的作用的研究進展進行了綜述，為進一步了解該系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 鈣蛋白酶；鈣蛋白酶抑制蛋白；雌性生殖調(diào)控

中圖分類號 S813.3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03918-02

Abstract Calpain/calpastatin system is a large family and takes important roles in the cells normal function. In female reproduction， the calpain/calpastatin system is involved in the development of oocyte， uterus and placenta. Thus， this paper summarized the characteristics and functions of calpain/calpastatin regulation in the female reproduction.

Key words Calpain； Calpastatin； Female reproduction regulation

鈣蛋白酶（Calpain）是一個依賴于Ca2+的半胱氨酸蛋白酶（通過半胱氨酸位點水解蛋白），它水解的蛋白能在一系列生理生化反應(yīng)中發(fā)揮作用，包括細胞骨架的形成、細胞增殖、信號傳導(dǎo)、細胞調(diào)亡與壞死、細胞內(nèi)物質(zhì)運輸、蛋白的合成和降解等。

1 鈣蛋白酶和鈣蛋白酶抑制蛋白

在人類中，鈣蛋白酶家族共有14個成員，在其眾多成員中鈣蛋白酶1（calpain-1/μ-calpain）和鈣蛋白酶2（calpain-2/m-calpain）研究的最為深入[1]。

Calpain的眾多成員按其表達規(guī)律可大致分為2類：第一類是在各種細胞中組成性表達的，包括calpain-1，2，5，7，10，13和15；其余的只在某一種或幾種細胞中表達，包括calpain-3，6，8，9，11和12[2]。

Calpain的活性可以被一種特異的鈣蛋白酶抑制蛋白（Calpastatin）所調(diào)控，而迄今所確定的Calpastatin的唯一作用就是抑制Calpain的活性。 Calpastatin是由唯一一個基因編碼的，但是它卻能運用不同位置的啟動子以及選擇性剪切產(chǎn)生十幾種異構(gòu)體，最后翻譯成分子量為17～100 kD的各種蛋白[1]。

近年來，隨著對Calpain和Calpastatin系統(tǒng)在生殖發(fā)育中的研究的逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)Calpain-calpastatin系統(tǒng)對卵母細胞的發(fā)育、子宮、胎盤作用及一些常見雌性生殖疾病等有重要作用。筆者對Calpain-calpastatin系統(tǒng)在雌性生殖發(fā)育過程中的調(diào)控機制進行了綜述。

2 雌性生殖系統(tǒng)中鈣蛋白酶-鈣蛋白酶抑制蛋白的調(diào)控

2.1 鈣蛋白酶-鈣蛋白酶抑制蛋白在卵母細胞中的調(diào)控

最早的關(guān)于Calpain-calpastatin系統(tǒng)在卵母細胞中的研究報道于1989年。Watanabe等發(fā)現(xiàn)非洲爪蟾的卵母細胞在發(fā)育成熟過程中產(chǎn)生1種c-mos原癌基因蛋白（pp39mos），在受精或者第二次減數(shù)分裂（MⅡ）完成后，這種蛋白立刻被Calpain水解掉，說明Calpain能水解c-mos癌蛋白從而促進減數(shù)分裂的完成[3]。 大鼠卵母細胞發(fā)育成熟過程中Calpain的表達是上升的，進行受精或孤雌激活時其表達出現(xiàn)瞬間下降，然后在原核形成時又恢復(fù)到原來的水平[4]。 Santella等將Calpain蛋白注射到發(fā)生減數(shù)分裂停滯的星魚的卵母細胞中，在一定程度上恢復(fù)了生發(fā)泡破裂（Germinal vesical breakdown），對減數(shù)分裂具有促進作用[5]。

Ben-Aharon等首次對Calpain-calpastatin蛋白在卵母細胞內(nèi)的分布進行了系統(tǒng)研究，采用免疫熒光技術(shù)探測到calpain-1和calpain-2主要分布在卵母細胞的皮質(zhì)部分，而Calpastatin在細胞膜上有大量分布[6]。 由于人的卵母細胞來源有限，Ben-Aharon所在的研究組又利用大鼠的卵母細胞進行了進一步試驗，研究了Calpain-calpastatin系統(tǒng)在卵母細胞發(fā)育和受精以及孤雌激活過程中的作用。 與人類的研究結(jié)果類似，calpain-1和calpain-2主要分布在大鼠卵母細胞的皮質(zhì)和紡錘體中[7]，通過Western方法發(fā)現(xiàn)卵母細胞中有2種Calpastatin蛋白，一種是110 kD的肌肉型，主要分布在細胞膜和紡錘體上；另一種是77 kD的紅細胞型，主要在皮質(zhì)中呈簇狀分布[8]。 當(dāng)發(fā)生受精或者孤雌激活時，calpain-2由皮質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞膜和紡錘體附近，而calpain-1無明顯變化。與此同時，分布在細胞膜上的肌肉型的Calpastatin蛋白（110 kD）迅速釋放到細胞皮質(zhì)中，分布在紡錘體上的保持不變，紅細胞型的Calpastatin蛋白（77 kD）沒有變化。calpain-2和Calpastatin（110 kD）在成熟的卵母細胞中的互補分布以及它們在受精和孤雌激活時相反的移動，從另一方面證明了Calpastatin對Calpain的抑制，Calpain為了避免Calpastatin對它的抑制，而移動到?jīng)]有Calpastatin的地方去發(fā)揮它的蛋白水解能力，從而順利完成受精或者孤雌激活過程。calpain-1和Calpastatin（77 kD）在激活過程中沒有變化，說明它們未參與受精和激活過程，但可能會在calpain-2和Calpastatin（110 kD）缺乏時起到補充的作用。 進一步的研究發(fā)現(xiàn)，卵母細胞激活過程中細胞骨架蛋白α-spectrin被Calpain降解，Calpain的抑制因子Calpetin能抑制這個降解過程，從而抑制減數(shù)分裂[7-8]。

最新的研究發(fā)現(xiàn)，Calpain-calpastatin系統(tǒng)可能參與了卵母細胞和卵丘細胞的互作。Zhu等采用差異顯示的方法對有卵丘細胞包裹的豬卵母細胞和無卵丘細胞包裹的裸卵中差異表達的基因進行了篩選，發(fā)現(xiàn)Calpastatin基因在正常的卵母細胞中的表達量比裸卵中的表達量要高，并運用RT-PCR進行了驗證，說明Calpastatin在卵母細胞和卵丘細胞之間的互作中發(fā)揮了重要作用，由于裸卵的發(fā)育能力遠遠低于正常卵，因此Calpastatin還有可能作為標(biāo)記對生存能力強的卵母細胞進行選擇[9]。

2.2 鈣蛋白酶-鈣蛋白酶抑制蛋白在子宮以及胎盤中的調(diào)控

胎盤是人類各種體細胞組織中比較容易獲得的，因此最早的關(guān)于分離人類Calpain和Calpastatin蛋白的試驗是以胎盤為材料進行的。 Kubota等第1次從人類胎盤中分離到calpain-2蛋白，并證明該蛋白在250 mmol/L Ca2+濃度時達到最大活性，并能被亮肽素（Leupeptin）、抗痛素（Antipain）和一種內(nèi)源蛋白所抑制[10]。 該研究組又接著從胎盤中分離到了calpain-1蛋白，發(fā)現(xiàn)calpain-1和calpain-2在胎盤中的表達量非常高且基本相同（3～4 mg calpain-1和4～5 mg calpain-2/1000 g胎盤組織），同時還發(fā)現(xiàn)它們在不同Ca2+濃度下表現(xiàn)出最大活性[11]。 Samis等對大鼠子宮中calpain-2的表達進行了研究，發(fā)現(xiàn)在妊娠前、妊娠過程中和產(chǎn)后calpain的表達基本維持恒定，子宮在生育過程中變化非常劇烈，受到各種激素和神經(jīng)的調(diào)控，而calpain-2的表達量較高且保持不變，說明其在整個生育周期中發(fā)揮了重要的作用[12]。 Thompson等用Western方法在人胎盤中檢測到了2條calpastatin蛋白條帶，1條為70 kD左右的紅細胞型calpastatin，另1條為48～51 kD左右，似乎是胎盤所特有的[13]。

3 鈣蛋白酶-鈣蛋白酶抑制蛋白與某些雌性生殖疾病的關(guān)系

在不孕婦女的血清中發(fā)現(xiàn)一種能引起精子凝集反應(yīng)的蛋白，用這種蛋白作為抗體在睪丸cDNA表達文庫中篩選到calpastatin基因，說明calpastatin的抗原抗體反應(yīng)與不孕不育有一定的關(guān)系，有可能作為抗精子抗體的檢測標(biāo)記應(yīng)用到不孕不育的檢測和治療中[14-15]。

雌性動物胎盤內(nèi)有一類絨毛外滋養(yǎng)細胞，一部分侵入子宮內(nèi)膜，另一部分在子宮胎盤螺旋動脈內(nèi)，如果這類細胞生長發(fā)育不完全，擴散不充分，就容易造成母體的血液無法高效進入胎盤，造成先兆子癇（妊娠高血壓綜合癥）。試驗表明，絨毛外滋養(yǎng)細胞擴散過程中需要前列腺素E2蛋白（PGE2）的激活，而此環(huán)節(jié)需要Ca2+濃度的升高和Calpain蛋白的激活，因此Calpain蛋白在絨毛外滋養(yǎng)細胞擴散中有重要作用[16]。Saarela等對calpain-10基因中的1個SNP位點（G43 A）在先兆子癇患者和正常人群中進行了相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)該位點與兆子癇患沒有相關(guān)性[17]。

Escobar-Morreale等對calpain-10基因中的3個多態(tài)位點（SNP43、SNP44和SNP45）與高雄激素癥婦女進行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)SNP43和SNP45分別與婦女血清中的雄激素水平和婦女多毛癥呈顯著相關(guān)[18] 。

4 鈣蛋白酶-鈣蛋白酶抑制蛋白在動物繁殖中的研究

Gladney等在一個具有較高排卵率、胚胎成活率以及產(chǎn)仔數(shù)的豬品系和一般品系的卵泡內(nèi)細胞進行了基因差異表達的分析，采用mRNA差異顯示方法篩選出了calpain 4基因，發(fā)現(xiàn)它在繁殖能力高的品系中表達量比一般個體要低，并采用Northern驗證了該差異表達，說明calpain 4基因的表達可能影響到母豬的繁殖能力[19]。 Garcia發(fā)現(xiàn)了奶牛中calpastatin基因外顯子3中的2個錯義突變與產(chǎn)奶周期和妊娠率有顯著相關(guān)[20]，說明可將calpain基因作為重要繁殖性狀的候選基因應(yīng)用到動物選育中。

5 展望

隨著對Calpain-calpastatin在生殖系統(tǒng)中的研究的逐漸深入，有望對這個系統(tǒng)在生殖調(diào)控方面的功能和發(fā)揮作用的具體機制有更準(zhǔn)確了解，在臨床上可以利用它們作為藥物的靶位點，為治療相關(guān)疾病提供新途徑，還可以運用到動物生產(chǎn)實踐中，提高動物的繁殖力。

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