糖皮質激素受體在動物應激時的作用及其調控

魏師

（1.廣東溫氏食品集團股份有限公司 稔村分公司，廣東 新興 527400；2.南京農業(yè)大學 動物醫(yī)學院，南京 210095）

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糖皮質激素受體在動物應激時的作用及其調控

魏師1,2

（1.廣東溫氏食品集團股份有限公司 稔村分公司，廣東 新興 527400；2.南京農業(yè)大學 動物醫(yī)學院，南京 210095）

摘 要：應激反應是以HPA軸激活為主要特征的生理過程，是所有生物對緊張性事件的適應性反應，對生物的存活具有重要的意義。HPA軸興奮的直接結果是糖皮質激素分泌的增加。海馬、杏仁核、下丘腦都表達高豐度的糖皮質激素受體，糖皮質激素受體在調控HPA軸活性上具有至關重要的作用。MR、11βHSDs及GR的多態(tài)性對糖皮質激素受體功能的發(fā)揮有著重要的調控作用。

關鍵詞：應激；下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸；糖皮質激素受體；調控

應激是指機體在受到各種內外環(huán)境因素刺激時所出現(xiàn)的非特異性全身反應。應激反應以交感-腎上腺髓質系統(tǒng)（sympathetic-adrenal medulla system）和下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸(hypothalamus-pituitaryadrenal cortex axis，HPA axis)的強烈興奮為主要特征。糖皮質激素（glucocorticoid，GC）是HPA軸興奮的終端產物，它由腎上腺皮質束狀帶和網狀帶分泌，其合成和釋放受到上游的促腎上腺皮質激素釋放激素（CRH）和促腎上腺皮質激素（ACTH）的調控。GC必須通過與其受體結合來發(fā)揮生理作用。糖皮質激素受體（glucocorticoid receptor，GR）作為是GC的主要受體之一，在應激反應中的作用尤其重要。應激可引起人類多種不同的精神和心理方面的疾病，在畜牧生產上亦可引起動物生產性能下降和許多疾病的發(fā)生。因此，對于應激機理的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文就GR在應激過程中的作用及其調控做一綜述。

1 GR的結構

人類GR基因位于第5號染色體長臂31～32區(qū)帶（5q31-32），GR基因相對較大，人類GR基因長度超過80 kb，小鼠超過110 kb，包括9個外顯子，8個內含子。第3、4外顯子編碼DNA結合區(qū)，第5～9外顯子編碼激素結合區(qū)，第2外顯子編碼轉錄激活區(qū)，是發(fā)揮生理作用的關鍵部位。GR的主要存在形式有GRα和GRβ兩種，分別由777個氨基酸和742個氨基酸組成。GRα是GR的主要存在形式，分子量約為100 kDa。GRα 和GRβ在N末端的前727位氨基酸相同，此區(qū)域包括DNA結合區(qū)和轉錄激活區(qū)，具有調節(jié)基因轉錄活性的功能，可與其他轉錄因子相互作用調控靶基因的轉錄。GRα與GRβ僅第9個外顯子不同[1-2]，導致C末端的激素結合區(qū)序列不同，GRβ獨有的15個氨基酸代替了GRα的50個氨基酸，這使得GRα可與糖皮質激素結合，而GRβ不能與糖皮質激素結合，其單獨存在時沒有任何轉錄激活活性[3]。但當GRβ存在時，可顯著抑制GRα的潛在功能。另外，還有報道GRγ、GR-A、GR-P的存在，與GRα比較，GRγ在第3、4外顯子之間多了3個堿基，這3個堿基編碼了一個精氨酸，位于DNA結合區(qū)；GR-A 缺失了外顯子5、6、7；GR-P缺失了外顯子8、9（圖1）。這幾個突變體在很多疾病中與GC抵抗有關[4]。

圖1 人糖皮質激素受體基因結構示意圖

2 GR的作用機理

幾乎所有類型細胞的細胞質和細胞核中都存在GR。GC發(fā)揮作用有兩條途徑，分別是經典基因途徑和快速非基因途徑。經典基因途徑是在正常生理狀態(tài)下，GR一般處于無活性狀態(tài)，與兩個熱休克蛋白90（heat shock proteins 90，HSP90）及幾個免疫啡啉（immunophilins）分子結合，形成一種復合體，GR的DNA結合部位被HSPs遮蓋，使GR不能與DNA結合，從而處于無活性狀態(tài)。當發(fā)生應激反應時，HPA軸興奮，GC水平升高，高濃度的GC進入細胞與GR的激素結合區(qū)結合，GR發(fā)生構象變化，HSP90與GR分開，去除了DNA結合部位遮蓋物，使GR的DNA結合部位可與特定的DNA結合，繼而GR開始具有活性。隨后，激素-受體復合物移向細胞核內，并在核內形成二聚體，可與靶基因上的糖皮質激素反應元件（glucocorticoid response elements，GRE）結合，或先與轉錄因子結合后再與GRE結合，或與轉錄因子分別結合在GRE上，激活啟動子，從而調控靶基因的表達[4-5]（圖2）?？焖俜腔蛲緩絼t是在細胞膜上也有GR的存在，尤其在神經元突觸后膜上GR的表達豐度很高，它參與了記憶的存儲[6]。

圖2 糖皮質激素受體作用機制示意圖

3 應激對GR的表達的影響

機體發(fā)生應激反應時，HPA軸興奮，GC的合成和釋放增多，但GR水平下降。豚鼠受到噪音刺激時，耳蝸GR mRNA水平顯著下降[7]。通過在小鼠杏仁核埋植電極刺激小鼠，可使其海馬齒狀回和CA1區(qū)GR mRNA水平顯著下降[8]。限飼可顯著降低海馬CA1區(qū)和齒狀回GR mRNA水平，同時CA1區(qū)和大腦皮層GR蛋白水平也顯著下降[9]。新生小鼠與母親隔離24 h后，其海馬CA1區(qū)和下丘腦室旁核GR mRNA水平顯著降低[10]?？梢酝茰y，應激時GR的降低是機體為了避免長期暴露在高糖皮質激素水平受到不利影響而做出的自我保護反應，而這種下調的速度和程度可能與應激敏感性有直接關系。

GR在應激時的表達具有性別差異。豚鼠妊娠后期用地塞米松處理母體，會使雌性胎兒海馬CA1和CA2區(qū)GR mRNA水平顯著升高，而對雄性胎兒卻沒有明顯作用[11]。雄性小鼠海馬在培養(yǎng)液中培養(yǎng)，加入地塞米松后其神經元樹突棘的密度會顯著增加，而在雌性小鼠上沒有發(fā)生類似變化[6]。由此可以推斷，性激素在應激過程中也參與了某些反應。

4 GR對HPA軸的調控

4.1 下丘腦水平

HPA軸的活動直接受下丘腦室旁核（PVN）的控制。應激反應發(fā)生時，促進PVN的小細胞神經元分泌促腎上腺皮質激素釋放激素（CRH）和精氨酸加壓素（AVP），這兩種激素經垂體門脈血流到達垂體，刺激垂體分泌促腎上腺皮質激素（ACTH），ACTH經血液循環(huán)到達腎上腺，促進腎上腺皮質合成和分泌GC[12]。

下丘腦室旁核小細胞區(qū)與弓狀核都存在豐富的GR。這為GC負反饋調節(jié)HPA軸活性提供了組織基礎，并形成了經典的內分泌環(huán)。急性應激時，GC與下丘腦GR作用，促使HPA 軸恢復到正常水平；慢性應激時，下丘腦GR水平下降，GC的負反饋調節(jié)減弱，使HPA軸持續(xù)興奮，維持高濃度的GC水平，以應付持久的應激環(huán)境[13]。

4.2 海馬水平

作為邊緣系統(tǒng)重要組成部分的海馬是HPA軸負反饋調節(jié)的高位中樞，它還與情緒、記憶、行為、免疫等調節(jié)密切相關。GR在海馬中的密度遠高于其他腦區(qū)。實驗證明，應激反應時，刺激海馬可使GC的分泌水平降低。而在海馬損傷的情況下，動物對多種應激原的敏感性增強，HPA軸異常興奮，血漿GC異常升高[14]。應激前用DEX處理大鼠，大鼠接受應激后血漿CRH和ACTH 以及GC水平均較未接受DEX處理的應激大鼠明顯降低，而GR阻斷劑RU-38486可使這種降低程度大大減弱?？梢姡珼EX抑制HPA軸應激反應是通過海馬中的GR介導的[15]。

在GC與海馬中GR作用抑制HPA軸活性的同時，GC還可使海馬受到損傷，特別是在慢性應激時，HPA軸持久亢進，持續(xù)高水平的GC使海馬神經元萎縮，數(shù)量減少，導致學習記憶能力下降。老年癡呆癥、抑郁癥等均與此有關[16]。應激時海馬中GR水平顯著下降，這可能是海馬的一種自我保護反應。

4.3 杏仁核水平

杏仁核對HPA軸具有激活作用，與海馬的作用相反。有研究證明，應激行為反應以及應激性自主神經活動和應激性神經內分泌的激活都需要有杏仁核的參與[17-18]。損害或切除試驗動物的杏仁核可阻止應激引起的行為反應，也可阻止條件刺激引起的行為反應。GR在杏仁核的表達也較為豐富[17]，但GR與杏仁核激活HPA軸的詳細機理還不是很清楚。

5 GR功能的調解

5.1 MR與GR的關系

糖皮質激素與鹽皮質激素（mineralocorticoid）有相似的受體和DNA反應元件，但鹽皮質激素受體（mineralocorticoid receptor，MR）和GR的功能截然不同[19]。MR主要調節(jié)水鹽平衡，并與GC結合，調節(jié)GC的晝夜節(jié)律性分泌。GR主要在應激時發(fā)揮作用，動物面對應激時，高濃度的糖皮質激素與GR結合，調節(jié)碳水化合物、甘油三酯代謝以及心血管功能和免疫反應，同時負反饋調節(jié)HPA軸的活性。此外，GR在腦部還參與調節(jié)學習、記憶、適應等行為[20-21]，而學習、記憶和適應等功能又直接與應激敏感性相關，這些功能的增強能提高動物的抗應激能力，反之，動物則易受到應激損傷。

MR與GR雖然共同存在于大多數(shù)細胞中，但其數(shù)量卻存在巨大差異。腎臟的MR含量遠高于GR，這與MR的水鹽平衡調節(jié)功能直接相關。而在海馬、下丘腦和垂體中，GR和MR含量都很多，但功能卻完全不同。GC與MR的親和力是與GR親和力的10倍。GR/MR值的大小決定GC在細胞中的功能，當此值小時，GC主要與MR結合，MR的功能得到體現(xiàn)，在海馬、下丘腦和垂體中，MR主要參與基礎GC水平的維持和日節(jié)律的調節(jié)。當此值大時，GR與GC結合的機會增大，GR的功能才會得到體現(xiàn)，在海馬、下丘腦和垂體中，GR主要表現(xiàn)為抑制HPA軸的活性[22]。應激反應發(fā)生時，GC濃度迅速升高，增加了GC與GR結合的機會，使GR的功能得到更多發(fā)揮，從而抑制由應激導致的HPA軸興奮。試驗表明，小鼠的腎上腺切除1周后，海馬部位的GR基本消失，而MR的數(shù)量維持不變。但當注射皮質酮后，GR表達又恢復到切除腎上腺之前的水平[21]，這充分證明皮質酮對海馬GR功能的發(fā)揮是必需的，而對MR功能的發(fā)揮影響不大。應激時迅速升高的GC正是通過GR實現(xiàn)其生理意義的。

5.2 GR與11βHSD的關系

GR功能的發(fā)揮必然少不了GC的存在。GC主要存在皮質醇（cortisol）和皮質酮（corticosterone）兩種形式。在人類和豬上，以皮質醇即氫化可的松為主，在鼠和禽類則以皮質酮為主。GC存在氧化態(tài)和還原態(tài)兩種形態(tài)，還原態(tài)有活性，而氧化態(tài)無活性。氧化態(tài)和還原態(tài)之間可以在11β羥基類固醇脫氫酶1（11βhydroxysteroid dehydrogenase-1，11βHSD-1）和11βHSD-2的催化下相互轉化（圖3）。11βHSD-2可使GC失活變成可的松或脫氫皮質酮，而11βHSD-1催化的反應正好向相反的方向進行，生成可的松或皮質酮。這兩種酶在調控GR及MR功能方面有著重要意義。腎臟是調節(jié)水鹽代謝最重要的器官，其11βHSD-2和MR表達非常高，這就使得到達腎臟的GC處于無活性狀態(tài)，從而降低GC在腎臟的功能，而鹽皮質激素在此與MR共同作用，來完成對水鹽代謝平衡的調節(jié)。肝臟的11βHSD-1表達很高，所以到達肝臟的GC大多處于有活性狀態(tài)，這與其在肝臟所承擔的調節(jié)糖、脂代謝的功能是一致的。高水平的GC對發(fā)育和細胞的增殖、分化都有不利影響，因此，胎盤上高度表達了11βHSD-2，這正是母體為了避免高水平的GC給胎兒帶來不利影響而產生的[23-24]。因此，11βHSD-1/11βHSD-2值的大小對局部組織和細胞中GC的作用效率起著重要的調節(jié)作用。

圖3 11βHSD-1和11βHSD-2作用示意圖

6 GR多態(tài)性的研究

有關GR多態(tài)性的研究報道很多，最常見有N363S、BclI和ER22/23EK 3個突變位點。GR在這幾個位點發(fā)生突變后，引起其對GC敏感性發(fā)生變化，從而導致一系列病理變化，如高鈣尿癥、高血壓、心腦血管病、肥胖、PTSD（post-traumatic stress disorder，PTSD）以及胰島素、膽固醇及基礎皮質醇水平等的變化[25-38]。這些研究對與糖代謝相關的遺傳疾病的研究有重要的現(xiàn)實意義。

7 小結

GC作為應激時變化最敏感的激素之一，它對動物機體在應激情況下的存活是必需的。它在應激情況下的作用依賴于與GR的結合來體現(xiàn)。在不同器官、組織和細胞中，GR/MR、11βHSD-1/11βHSD-2值的大小對于GC在該部位發(fā)揮何種作用及作用效率的高低有著重要的調控作用。它們之間互作機理的詳細闡述將有助于對應激機理的深入探討。

參考文獻：

[1]Hollenberg S M，Weinberger C，Ong E S，et al.Primary structure and expression of a functional human glucocorticoid receptor cDNA[J].Nature，1985，318：635-641.

[2]Encio I J，Detera-Wadleigh S D.The genomic structure of the human glucocorticoid receptor[J].J Biol Chem，1991，266（11）：7182-7188.

[3]Gehring.The structure of glucocorticoid receptors[J].J Steroid BiochemMolBiol，1993，45：183-190.

[4]Zhou J，Cidlowski J A.The human glucocorticoid receptor：one gene，multiple proteins and diverse responses[J].Steroids，2005，70：407-417.

[5]Kumar R，Thompson E B.Gene regulation by the glucocorticoid receptor：structure: function relationship[J].J Steroid Biochem Mol Biol，2005，94：383-394.

[6]Komatsuzaki Y，Murakami G，Tsurugizawa T，et al.Rapid spinogenesis of pyramidal neurons induced by activation of glucocorticoid receptors in adult male rat hippocampus[J].Biochem Biophy Res Commun，2005，335：1002-1007.

[7]Terunuma T，Kawauchi S，Kajihara M，et al.Effect of acoustic stress on glucocorticoid receptor mRNA in the cochlea of the guinea pig[J].Brain Res Mol Brain Res，2003，120：65-72.

[8]Kalynchuk L E，Meaney M J.Amygdala kindling increases fear responses and decreases glucocorticoid receptor mRNA expression in hippocampal regions[J].Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry，2003，27：1225-1234.

[9]Lee J，Herman J P，Mattson M P.Dietary restriction selectively decreases glucocorticoid receptor expression in the hippocampus and cerebral cortex of rats[J].Exp Neurol，2000，166：435-441.

[10]Avishai-Eliner S，Hatalski C G，Tabachnik E，et al.Differential regulation of glucocorticoid receptor messenger RNA（GR-mRNA）by maternal deprivation in immature rat hypothalamus and limbic regions[J].Brain Res Dev Brain Res，1999，114：265-268.

[11]Dean F，Matthews S G.Maternal dexamethasone treatment in late gestation alters glucocorticoid and mineralocorticoid receptor mRNA in the fetal guinea pig brain[J].Brain Res，1999，846：253-259.

[12]Wust S，F(xiàn)ederenko I S，vanRossum E F，et al.A psychobiological perspective on genetic determinants of hypothalamus-pituitary-adrenal axis activity[J].Ann N Y Acad Sci，2004，1032：52-62.

[13]Korz V，F(xiàn)rey J U.Stress-related modulation of hippocampal long-term potentiation in rats: Involvement of adrenal steroid receptors[J].J Neurosci，2003，23：7281-7287.

[14]Joels M.Corticosteroid actions in the hippocampus[J].J Neuroendocrinol，2001，13：657-669.

[15]Brooke S M，Haas-Johnson A M，Kaplan J R，et al.Dexamethasone resistance among nonhuman primates associated with a selective decrease of glucocorticoid receptors in the hippocampus and a history of social instability[J].Neuroendocrinology，1994，60：134-140.

[16]Roozendaal B，Griffith Q K，Buranday J，et al.The hippocampus mediates glucocorticoid-induced impairment of spatial memory retrieval: dependence on the basolateral amygdala[J].Proc Nat Acad Sci U S A，2003，100：1328-1333.

[17]Johnson L R，F(xiàn)arb C，Morrison J H，et al.Localization of glucocorticoid receptors at postsynaptic membranes in the lateral amygdala[J].Neuroscience，2005，136：289-299.

[18]Conrad C D，MacMillan D D，Tsekhanov S，et al.Influence of chronic corticosterone and glucocorticoidreceptor antagonism in the amygdala on fear conditioning[J].Neurobiol Learn Mem，2004，81：185-199.

[19]Turnamian S G，Binder H J.Regulation of active sodium and potassium transport in the distal colon of the rat.Role of the aldosterone and glucocorticoid receptors[J].J Clin Invest，1989，84：1924-1929.

[20]Schoneveld O J，Gaemers I C，Lamers W H.Mechanisms of glucocorticoid signalling[J].Biochim.Biophys Acta，2004，1680：114-128.

[21]Han F，Ozawa H，Matsuda K.Colocalization of mineralocorticoid receptor and glucocorticoid receptor in the hippocampus and hypothalamus[J].Neurosci Res，2005，51：371-381.

[22]Peters A，Schweiger U，Pellerin L，et al.The selfish brain: competition for energy resources[J].Neurosci Biobehav Rev，2004，28：143-180.

[23]Holmes M C，Seckl J R.The role of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenases in the brain[J].Mol Cell Endocrinol，2006，248：9-14.

[24]Nugent J L，Wareing M，Palin V，et al.Chronic glucocorticoid exposure potentiates placental chorionic plate artery constriction: implications for aberrant fetoplacental vascular resistance in fetal growth restriction[J].Endocrinology，2013，154：876-887.

[25]Kenyon C J，Panarelli M，Zagato L，et al.Glucocorticoid receptor polymorphism in genetic hypertension[J].J Mol Endocrinol，1998，21：41-50.

[26]Auxéméry Y.Posttraumatic stress disorder（PTSD）as a consequence of the interaction between an individual genetic susceptibility，a traumatogenic event and a social context[J].Encephale，2012，35：373-380.

[27]Eipel O T，Németh K，T?r?k D，et al.The glucocorticoid receptor gene polymorphism N363S predisposes to more severe toxic side effects during pediatric acute lymphoblastic leukemia（ALL）therapy[J].Int J Hematol，2013，97：216-222.

[28]Wust S，F(xiàn)ederenko I S，vanRossum E F，et al.Habituation of cortisol responses to repeated psychosocial stress-further characterization and impact of genetic factors[J].Psychoneuroendocrinology，2005，30：199-211.

[29]vanRossum E F，F(xiàn)eelders R A，van denBeld A W，et al.Association of the ER22/23EK polymorphism in the glucocorticoid receptor gene with survival and C-reactive protein levels in elderly men[J].Am J Med，2004，117：158-162.

[30]DeRijk R H，Schaaf M，deKloet E R.Glucocorticoid receptor variants: clinical implications[J].J Steroid Biochem Mol Biol，2002，81：103-122.

[31]ter Borg P C，Hagendorf A，van Buuren H R，et al.A pilot study exploring the role of glucocorticoid receptor variants in primary biliary cirrhosis and primary sclerosing cholangitis[J].Neth J Med，2004，62：326-331.

[32]Jiang T，Liu S，Tan M，et al.The phase-shift mutation in the glucocorticoid receptor gene: potential etiologic significance of neuroendocrine mechanisms in lupus nephritis[J].Clin Chim Acta，2001，313：113-117.

[33]Maciel G A，Moreira R P，Bugano D D，et al.Association of glucocorticoid receptor polymorphisms with clinical and metabolic profiles in polycystic ovary syndrome[J].Clinics（Sao Paulo），2014，69：179-184.

[34]Quax R A，Koper J W，Huisman A M，et al.Polymorphisms in the glucocorticoid receptor gene and in the glucocorticoid-induced transcript 1 gene are associated with disease activity and response to glucocorticoid bridging therapy in rheumatoid arthritis[J].Rheumatol Int，2015，35：1325-1333.

[35]Mora M，Sánchez L，Serra-Prat M，et al.Hormonal determinants and effect of ER22/23EK glucocorticoid receptor gene polymorphism on health status deterioration in the participants of the Mataró Ageing Study[J].Age（Dordr），2012，34：553-561.

[36]van Moorsel D，van Greevenbroek M M，Schaper N C，et al.Bc/I glucocorticoid receptor polymorphism in relation to cardiovascular variables: the Hoorn and CODAM studies[J].Eur J Endocrinol，2015，173：455-464.

[37]Moreira R P，Bachega T A，Machado M C，et al.Modulatory effect of Bc/I GR gene polymorphisms on the obesity phenotype in Brazilian patients with Cushing's disease[J].Clinics（Sao Paulo），2013，5：579-585.

[38]Boscaro M，Giacchetti G，Ronconi V.Visceral adipose tissue: emerging role of gluco-and mineralocorticoid hormones in the setting of cardiometabolic alterations[J].Ann N Y Acad Sci，2012，1264：87-102.

Function and Regulation of Glucocorticoid Receptor in Animal Stress

WEI Shi1,2
（1.Guangdong Wens Foodstuff Group CO.,LTD,Rencun Branch Company,Xinxing 527400,Guangdong Province,China; 2.College of Veterinary Medicine,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China）

Abstract:Stress reaction is an adaptive response of all living organism to stressful events,and it has important significance for their survival.The main feature of stress reaction is activation of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis (HPA axis).Abundant glucocorticoid receptor expressed in the hippocampus,amygdala and hypothalamus.Glucocorticoid receptor plays a crucial role in regulating the HPA axis' activity.The function of GR can be regulated by MR,11βHSDs and GR's polymorphism.

Key words:stress; hypothalamus-pituitary-adrenal axis; glucocorticoid receptor; regulation

作者簡介：魏師（1980-），男，寧夏靈武人，博士，高級畜牧師，主要從事動物營養(yǎng)生理方面的研究。E-mail：weishiok@126.com。

基金項目：國家自然科學基金重點項目“家豬應對運輸應激的個性特征及其生理和遺傳機制研究”（30430420）

收稿日期：2015-10-28

文章編號：1008-5394（2016）01-0057-05

中圖分類號：S852.21

文獻標識碼：A