睪丸間質(zhì)細胞中的線粒體對雄激素合成的影響

李海超，宋春垚，劉 暢，張 航，張 浩綜述，王艷春*審校

(1.延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院，吉林 延吉 133002;2.吉林醫(yī)藥學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院,吉林 吉林 132013)

近年來，男性不育癥的發(fā)病率呈全球性增高趨勢，占世界不孕不育病癥比例的50%[1]。人們對于男性生殖系統(tǒng)病變的探究以及關(guān)注度顯著提高。環(huán)境溫度是人體心情愉悅和良好體況必要條件，然而高溫環(huán)境卻給男性發(fā)育和生殖帶來巨大的困擾。目前世界衛(wèi)生組織認(rèn)為局部熱應(yīng)激對男性的生殖能力有著巨大的破壞力，男性陰囊溫度的升高是導(dǎo)致生殖能力下降的一個重要因素。睪丸是合成分泌雄激素的器官，睪丸間質(zhì)細胞(leydig cell，LC)是睪丸組織合成雄激素的主要細胞[2]。LC凋亡后，機體內(nèi)雄激素水平分泌不足，導(dǎo)致不同階段的生精細胞發(fā)生凋亡，生精小管內(nèi)精子的存活率下降；補充雄激素睪酮后，其凋亡損傷有所改善。在雄激素生成的過程中，諸多外界因素影響睪酮合成，主要是因為睪丸間質(zhì)細胞對雄激素生成的條件要求高且敏感。研究顯示高溫、電離輻射和重金屬等與外在因素都可影響線粒體結(jié)構(gòu)和功能，也能阻礙間質(zhì)細胞的發(fā)育和表達。本文從LC產(chǎn)生雄激素的機制著手，就LC中的線粒體與雄激素產(chǎn)生的關(guān)系作一綜述。

1 LC基本生物學(xué)功能

LC又稱睪丸間隙細胞，自1850年LEYDIG首次作出描述后[3]，科研學(xué)者對男性和雄性睪丸進行大量的實驗探究。LC成群分布于睪丸曲精小管之間，細胞胞體較大，胞漿內(nèi)含有大量的管狀嵴線粒體，其中線粒體總量約占睪丸細胞總數(shù)的3%，并為雄激素合成提供主要場所[4]。雖然LC在睪丸細胞中含量較少，但人體超過90%的血漿睪酮是利用LC胞內(nèi)貯存和合成的膽固醇生成的[5]。研究證實，LC的主要功能就是分泌雄激素睪酮。雄激素睪酮對機體可產(chǎn)生如下作用:促進精子的發(fā)生以及維持雄性第二性征的出現(xiàn)；促進雄性生殖器官發(fā)育和成熟，并維持其正常生理功能[6]。LC內(nèi)存在一系列高度特異性的合成甾體酶系，它們按一定規(guī)律分布于線粒體、滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細胞器內(nèi)，在下丘腦、垂體及自身分泌的雄激素調(diào)節(jié)下，分泌睪酮以維持機體的雄性化特征[7]。

2 線粒體對睪丸間質(zhì)細胞的影響

2.1 線粒體與睪丸間質(zhì)細胞分泌雄激素

線粒體存在于真核細胞的細胞質(zhì)中，是內(nèi)外雙層膜構(gòu)成的囊狀結(jié)構(gòu)，囊內(nèi)含有多種蛋白質(zhì)，外膜上分布著多種呼吸鏈酶及酶復(fù)合體，如酶促反應(yīng)中睪酮合成的關(guān)鍵酶類固醇激素合成快速調(diào)節(jié)蛋白(steroidogenicacute regulatory protein，StAR)和膽固醇側(cè)鏈裂解酶(cholesterol-side-chain cleavage enzyme,P450scc)[8]，這些睪酮合成關(guān)鍵酶在LC內(nèi)催化復(fù)雜的生物學(xué)過程以合成睪酮[9]。HALES等[10]研究表明，線粒體只有正常并保持穩(wěn)定活力才能使細胞合成睪酮，因此線粒體的完整性或損傷程度與睪酮合成水平有著密切聯(lián)系。

目前認(rèn)為，在性成熟后一段時間內(nèi)睪丸間質(zhì)細胞的數(shù)量保持相對穩(wěn)定，在垂體分泌的黃體生成素(luteinizing hormone,LH)的刺激下，間質(zhì)細胞的數(shù)量顯著增加[11]。LH通過線粒體途徑合成睪酮[12]，其信號通路如下：LH作用于LC，與LC細胞膜上的受體(LHR)結(jié)合，再與G蛋白偶聯(lián)，激活腺苷酸環(huán)化酶。腺苷酸活化酶促使腺苷三磷酸(ATP)轉(zhuǎn)變成環(huán)磷酸腺苷(cAMP)，由此激活了cAMP依賴的蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)。PKA進一步磷酸化，促進類固醇激素生成酶如StAR的表達。位于線粒體外膜上的StAR能促進膽固醇向線粒體的內(nèi)膜轉(zhuǎn)運，并在P450scc的作用下，使膽固醇轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮[13]。孕烯醇酮再通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的3-羥類固醇脫氫酶(3β-hydroxysteroid dehydrogenase,3β-HSD)作用轉(zhuǎn)化為孕酮。孕酮在17β-羥化酶(CYP17)的作用下轉(zhuǎn)變成雄烯二酮，最終通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的17β-HSD的作用轉(zhuǎn)變成雄激素睪酮[14]。

2.2 線粒體膜通透性與睪丸間質(zhì)細胞凋亡

細胞凋亡又稱細胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)，是指受凋亡因子控制的細胞在內(nèi)外環(huán)境改變或死亡信號誘導(dǎo)以及基因調(diào)控下，發(fā)生一個自主的、有序的死亡的過程[15]。LC凋亡發(fā)生過早或者過多，都有可能降低雄激素水平，直接影響男性生殖而造成不育。吳維光[16]研究表明，LC發(fā)生凋亡受多種因素影響，其中線粒體途徑在間質(zhì)細胞凋亡中發(fā)揮主要作用。由于細胞膜電位的波動由細胞膜通透性調(diào)控，而細胞膜通透性改變源于線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondria permeability transition，MPTP)的調(diào)節(jié)，所以線粒體凋亡通路的開始與否，是由MPTP的開放決定的[17]。LC正常時，MPTP允許符合條件的小分子物質(zhì)通過，以維持線粒體內(nèi)電化學(xué)的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)?shù)蛲鲂盘杺鬟f過來時，線粒體的膜電位突發(fā)浮動，膜電位信號變得異常，隨之線粒體膜的通透性也會驟然增大，各種凋亡因子會從線粒體內(nèi)膜釋放到細胞質(zhì)中[18]。MPTP保持持續(xù)開放狀態(tài)，失去限制能力。此時會出現(xiàn)線粒體膜電位的降低，甚至導(dǎo)致線粒體腫脹、破裂，并釋放出細胞色素C(cytochrome-C，Cyt-C)[19]。Cyt-C是調(diào)控細胞凋亡的一種主要蛋白，當(dāng)MPTP異常、線粒體膜電位降低時，Cyt-C從線粒體間隙釋放到細胞質(zhì)中，迅速與凋亡蛋白酶激活因子-1(apoptotic protease activating factor-1,Apaf-1)結(jié)合。Apaf-1能使ATP水解為ADP。ADP與Cyt-C共同促進與Apaf-1之間的相互聚合，從而形成強胱冬肽酶活性的復(fù)合物，即凋亡小體(apoptosome)[20]，進一步激活半胱氨酸蛋白酶家族上游的起始因子胱天蛋白酶-9。在其他輔助因子的協(xié)助下進行自我活化并激活下游凋亡執(zhí)行器胱天蛋白酶-3因子，進而引起一系列因子活化反應(yīng)，最終導(dǎo)致LC發(fā)生凋亡[21]。

3 線粒體損傷與睪丸間質(zhì)細胞功能異常

近些年，有關(guān)熱應(yīng)激會對人和動物精子生成產(chǎn)生不利影響的報道不斷。在臨床工作中，伴有隱睪和睪丸精索靜脈曲張的疾病，可增加病患睪丸的溫度，并且在這些患者的睪丸中發(fā)現(xiàn)，精子的發(fā)生受到顯著抑制[22]。通過小鼠水浴實驗，在水浴溫度和水浴時間都滿足界點的情況下可導(dǎo)致生精細胞凋亡[23]。對小鼠早期囊胚體外熱應(yīng)激處理，可以觀察到熱應(yīng)激后的小鼠線粒體結(jié)構(gòu)變化，41 ℃熱應(yīng)激的處理組發(fā)現(xiàn)胚胎線粒體嚴(yán)重膨脹，經(jīng)孵箱37 ℃恢復(fù)2 h，線粒體異常膨脹的情況未減輕[24]。

研究表明，雄性生殖系統(tǒng)對微波輻射非常敏感。1950 MHz的電離輻射能夠影響到小鼠睪丸間質(zhì)細胞關(guān)鍵酶 StAR、P450scc的表達，進而降低睪酮合成[25]。同時低劑量電離輻射的刺激使線粒體膜間的Cyt-C釋放出來，激活胱天蛋白酶一系列凋亡途徑，啟動生精細胞的凋亡。形態(tài)學(xué)可以觀察到線粒體腫脹，生精細胞結(jié)構(gòu)改變。提高電離輻射的劑量，明顯觀察到線粒體囊膜分離、空泡變化的現(xiàn)象[26]。

重金屬對人和動物有生殖毒性，對雄性的生殖毒性尤為嚴(yán)重。鉛、錳、鎳等重金屬對LC合成雄激素的功能有很強的抑制效應(yīng)。研究表明，重金屬引起的氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體膜電位降低，使線粒體產(chǎn)生損傷，從而影響了LC對類固醇激素合成的功能[27]。最新研究顯示重金屬鉛暴露能明顯抑制二氫硫辛酰胺脫氫酶的表達，二氫硫辛酰胺脫氫酶的低表達能顯著誘導(dǎo)類固醇激素分泌不足。其作用機制是重金屬鉛暴露降低了與雄激素合成相關(guān)的關(guān)鍵酶P450scc，StAR和17β-HSD的活性，減少了雄激素的生成[28]。

4 結(jié)語和展望

綜上所述，線粒體作為細胞能量代謝的中心，同時還參與了細胞的基因表達、凋亡等生物體重要的生命活動過程。線粒體對于睪丸間質(zhì)細胞合成雄激素是一個十分重要的細胞器，線粒體的存在對于調(diào)控細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定十分必要。目前，科研人員對間質(zhì)細胞在不同損傷條件的變化進行了大量的實驗探究，仍未針對人和動物不同的群體提出可靠的損傷界點，對于預(yù)防損傷因素也還未建立有效的范圍。希望下一步繼續(xù)進行科研實驗，完善對間質(zhì)細胞損傷程度的探究，為男性生殖發(fā)育提供可靠的科學(xué)依據(jù)。