組織缺氧在黃體形成過(guò)程中的作用

劉召遠(yuǎn)，張正紅，吳佳琦，王正朝

福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福建省發(fā)育與神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350007

在哺乳動(dòng)物中，促黃體生成素(luteinizing hormone，LH)峰誘導(dǎo)成熟卵泡破裂排卵，隨后黃體形成。黃體是由分化的卵泡顆粒細(xì)胞與內(nèi)膜細(xì)胞組成，排卵前可以合成并分泌17β-雌二醇。在LH峰之后，這些細(xì)胞迅速分化為黃體細(xì)胞，并分泌孕酮。黃體由顆粒細(xì)胞分化的大黃體細(xì)胞、內(nèi)膜細(xì)胞分化的小黃體細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和一些基質(zhì)細(xì)胞組成[1- 13]。從卵泡到黃體過(guò)程中卵巢組織的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生了巨大的變化，這與血管增生密切相關(guān)[5- 8]。隨著卵巢卵泡的發(fā)育，卵泡液中氧濃度持續(xù)降低[9- 13]。由此可見(jiàn)，卵泡的成熟、卵巢的排卵及黃體的形成是在缺氧條件下進(jìn)行的[1- 13]。因此，本文從排卵前與排卵后卵巢局部缺氧情況闡述黃體形成過(guò)程中卵巢功能與組織結(jié)構(gòu)的變化情況，旨在進(jìn)一步理解缺氧在黃體形成與卵巢生理調(diào)節(jié)中的重要作用。

卵巢的血流

20世紀(jì)70年代，一些研究采用電磁探針監(jiān)控綿羊和牛卵巢動(dòng)脈的血流，發(fā)現(xiàn)卵巢動(dòng)脈血流的周期性變化，即在黃體期血流保持在較高的水平，在黃體退化時(shí)降低，直到排卵后第5～6天一直維持較低的水平，隨后到黃體階段開始升高[14- 15]。使用多普勒彩色B超對(duì)卵巢內(nèi)血流進(jìn)行監(jiān)測(cè)[16- 17]，結(jié)果顯示排卵前卵泡的血流面積與速度在LH峰之后短暫升高，這與血漿17β-雌二醇濃度升高及LH峰密切相關(guān)[16- 17]。通過(guò)注射促性腺激素釋放激素誘導(dǎo)排卵，可以導(dǎo)致血流面積和速度持續(xù)升高120 h，并伴隨著血漿孕酮的升高[16- 17]。血流的增加與血漿孕酮濃度之間的相關(guān)性與利用電磁探針的經(jīng)典研究結(jié)果一致，表明卵巢的血液供應(yīng)與卵巢中孕酮合成顯著相關(guān)[14- 15]。由于血液供應(yīng)影響組織中氧的水平，這些變化表明氧供應(yīng)與類固醇激素合成之間存在密切聯(lián)系。從黃體退化到黃體形成，卵巢血流量較低被認(rèn)為是卵巢供氧量下降的基礎(chǔ)[14- 15]，包括排卵前后卵泡顆粒細(xì)胞和內(nèi)膜細(xì)胞的黃體化過(guò)程。

排卵前缺氧

有研究已經(jīng)證實(shí)缺氧與缺氧誘導(dǎo)因子- 1(hypoxia-inducible factor- 1，HIF- 1)一樣，參與類固醇基因的表達(dá)調(diào)控[1- 3]。缺氧(1%～3% O2)可以顯著減少大鼠和豬顆粒細(xì)胞以及牛黃體細(xì)胞中孕酮合成[1- 3]。在3%、5%和10%氧濃度下培養(yǎng)牛中期黃體細(xì)胞24 h可顯著減少孕酮合成，且3%氧濃度培養(yǎng)可顯著降低細(xì)胞色素P450家族成員11A1(cytochrome P450 11A1，CYP11A1)(也稱為P450scc)mRNA表達(dá)與活性[1- 3]。HIF- 1化學(xué)激動(dòng)劑氯化鈷處理睪丸間質(zhì)細(xì)胞，可顯著減少CYP11A1 mRNA的表達(dá)與孕酮的產(chǎn)生。研究顯示HIF- 1可以結(jié)合并激活睪丸間質(zhì)細(xì)胞中HSD3B基因的啟動(dòng)子，而在其他細(xì)胞類型中，缺氧可以降低芳香化酶的表達(dá)和活性。在人滋養(yǎng)層細(xì)胞中，HIF- 1通過(guò)雌激素相關(guān)受體α降低芳香化酶的表達(dá)，HIF- 1α還可以通過(guò)激活H295R細(xì)胞中miR- 98抑制CYP19A1 mRNA的表達(dá)[1- 3]。然而，目前尚不清楚缺氧是否也能抑制卵巢顆粒細(xì)胞內(nèi)的芳香酶活性。

在哺乳動(dòng)物卵巢中，大卵泡液中氧含量比小卵泡液中氧含量更低，其可以通過(guò)HIF- 1促進(jìn)顆粒細(xì)胞中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的產(chǎn)生[9- 11]。在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中，HIF- 1α幾乎不在卵巢生長(zhǎng)卵泡與有腔卵泡的細(xì)胞核中表達(dá)，但排卵時(shí)在卵泡顆粒細(xì)胞核中顯著表達(dá)。排卵前卵泡迅速改變功能，排卵后黃體形成，伴隨著劇烈的血管增生[9- 11]。由此可見(jiàn)，HIF- 1-VEGF誘導(dǎo)的血管生成系統(tǒng)可能參與了卵泡發(fā)育的后期階段與排卵后黃體形成的起始階段。在牛黃體細(xì)胞與人顆粒細(xì)胞中，HIF- 1α的表達(dá)受cAMP與缺氧互作的調(diào)控?；瘜W(xué)性缺氧可以增加HIF- 1α蛋白的表達(dá)，并通過(guò)促黃體生成素和cAMP進(jìn)一步增強(qiáng)其表達(dá)，表明HIF- 1α是在轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后水平被誘導(dǎo)的。首先是促黃體生成素誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)錄，然后在缺氧條件下HIF- 1α蛋白的穩(wěn)定性及蛋白水平進(jìn)一步增加。在排卵前卵泡發(fā)育的后期，缺氧情況通過(guò)多種現(xiàn)象的調(diào)節(jié)參與卵泡功能，如類固醇激素合成與血管增生。這種調(diào)控僅是整個(gè)排卵/黃體化系統(tǒng)的一小部分，且缺氧在這個(gè)階段卵巢功能中的絕大部分作用仍不清楚，但缺氧產(chǎn)生的信號(hào)已經(jīng)表明其在黃體化及黃體形成中具有非常重要的作用[4- 8]。

排卵中缺氧

在哺乳動(dòng)物卵巢排卵時(shí)，許多趨化因子表達(dá)水平升高，如白介素- 8、單核細(xì)胞趨化蛋白- 1、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)的原癌基因-α、趨化因子配體5與胸腺表達(dá)趨化因子[18- 21]。CXC趨化因子家族的基質(zhì)細(xì)胞衍生因子- 1及其受體CXCR4在排卵前調(diào)節(jié)卵泡功能，如CXCR4在排卵前表達(dá)升高。孕酮是排卵必需的，通過(guò)孕酮受體(progesterone receptor，PGR)發(fā)揮作用，同時(shí)還調(diào)節(jié)小鼠HIF- 1α、HIF- 2α和HIF- 1β基因的表達(dá)。另外，敲除孕酮受體的小鼠在促性腺激素誘導(dǎo)其超數(shù)排卵時(shí)，HIF- 1α、HIF- 2α和HIF- 1β的表達(dá)顯著低于野生型小鼠，同時(shí)利用棘霉素抑制HIF- 1的轉(zhuǎn)錄功能明顯減少3個(gè)排卵相關(guān)基因(ADAMTS1、VEGF、EDN2)的表達(dá)[9- 13，18- 19]，表明孕酮、PGR、HIF- 1和HIF- 2在排卵過(guò)程中具有重要作用。雖然缺氧的重要性及排卵過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)得到越來(lái)越多的關(guān)注，但還需要進(jìn)一步研究來(lái)了解缺氧信號(hào)與排卵信號(hào)之間的對(duì)話，以闡明缺氧在排卵中的作用。排卵后，破裂的卵泡組織立即形成黃體，同時(shí)伴隨著功能與結(jié)構(gòu)的變化。這些變化需要快速的血管增生來(lái)支持，而這種血管增生是由缺氧引起的[1- 13]。

排卵后缺氧

排卵后，由于出血、未成熟的血管以及沒(méi)有血流供應(yīng)的細(xì)胞增殖，破裂的卵泡被認(rèn)為處于缺氧狀態(tài)[4- 8]。在靈長(zhǎng)類動(dòng)物卵巢中，缺氧條件的已知標(biāo)志蛋白HIF- 1α在排卵后第2天新形成的黃體中表達(dá)顯著增高，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在牛卵巢中，在排卵后第2～6天早期發(fā)育黃體組織中HIF- 1α的表達(dá)顯著高于發(fā)情周期的其他階段[9- 13]。盡管目前還沒(méi)有確定某一物種黃體中的氧濃度，但關(guān)于HIF- 1α蛋白表達(dá)這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)表明新生黃體組織是處于缺氧狀態(tài)的。

在20世紀(jì)90年代早期，最早進(jìn)行黃體形成過(guò)程中血管增生的研究。Ferrarra和Henzel于1989年首次證明VEGF是一種強(qiáng)有力的促血管生成因子，并發(fā)現(xiàn)其促進(jìn)奶牛和婦女黃體形成過(guò)程中血管增生[22]。在1995年HIF- 1α發(fā)現(xiàn)后不久，研究表明HIF- 1α是VEGF的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子[9]。為了證實(shí)HIF- 1α參與黃體形成，HIF- 1的蛋白分析至關(guān)重要，因?yàn)镠IF- 1主要受蛋白質(zhì)羥基化調(diào)控[5- 8]。通常，HIF- 1α通過(guò)泛素-蛋白溶酶體途徑迅速降解，但缺氧抑制HIF- 1α降解，并與HIF- 1β結(jié)合后發(fā)揮功能[5- 8]。在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中，HIF- 1α免疫染色結(jié)果顯示HIF- 1α在早期黃體細(xì)胞核中表達(dá)[23]。另外，在牛早期及發(fā)育階段黃體中，HIF- 1α的表達(dá)比其他階段黃體中的表達(dá)要高；在體外培養(yǎng)的牛早期黃體細(xì)胞中，缺氧誘導(dǎo)HIF- 1α及VEGF的表達(dá)；在牛黃體化顆粒細(xì)胞和人顆粒細(xì)胞中，化學(xué)性缺氧(氯化鈷)也可以誘導(dǎo)HIF- 1α蛋白和VEGF mRNA的表達(dá)，且可以被LH進(jìn)一步誘導(dǎo)[9- 13]。在卵巢類固醇合成細(xì)胞中，缺氧可以增加VEGF、內(nèi)皮素- 2及成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子- 2的表達(dá)[18- 21]，表明這些因子也在黃體形成所需要的缺氧信號(hào)中發(fā)揮作用。例如，內(nèi)皮素- 2可以誘導(dǎo)黃體發(fā)育特性的改變，如細(xì)胞增殖、VEGF/COX- 2增加；缺氧可以誘導(dǎo)人顆粒細(xì)胞中促血管生成因子白介素- 8的表達(dá)，且在牛黃體早期階段白介素- 8的表達(dá)顯著高于發(fā)情周期的其他階段[18- 21]。因此，缺氧/白介素- 8系統(tǒng)誘導(dǎo)的血管增生對(duì)黃體形成具有輔助作用。由此可見(jiàn)，缺氧通過(guò)HIF產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)黃體形成中的血管增生是必需的。

另外，缺氧可以促進(jìn)黃體形成過(guò)程中黃體內(nèi)皮細(xì)胞的增殖，如同黃體類固醇合成細(xì)胞。但排卵后黃體快速生長(zhǎng)主要是由于類固醇合成細(xì)胞體積的增加，而不是數(shù)量的增多。黃體類固醇合成細(xì)胞在缺氧刺激下也表達(dá)VEGF，導(dǎo)致黃體血管增生過(guò)程中內(nèi)皮細(xì)胞的增殖。目前，缺氧是如何誘導(dǎo)類固醇合成細(xì)胞增殖的機(jī)制仍不清楚，可能與HIF- 1α通路有關(guān)。

細(xì)胞缺氧反應(yīng)

在哺乳動(dòng)物中，幾乎所有的細(xì)胞都具有一種保守的細(xì)胞機(jī)制來(lái)適應(yīng)缺氧條件。缺氧可以特異性地激活HIF，其由α和β兩個(gè)亞單元組成，形成二聚體，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子的功能。通常情況下，HIF與其靶基因上的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄水平。HIF可通過(guò)多種機(jī)制啟動(dòng)對(duì)缺氧的防御，如缺氧誘導(dǎo)腎臟促紅細(xì)胞生成素的合成，刺激紅細(xì)胞生成，增加血氧量。同時(shí)，缺氧還可以誘導(dǎo)組織蛋白質(zhì)合成，調(diào)節(jié)局部血流，如VEGF、內(nèi)皮型一氧化氮合酶及血紅素氧化酶- 1[4- 13]。VEGF刺激血管增生，并增加血管的通透性。內(nèi)皮型一氧化氮合酶和血紅素氧化酶- 1可以產(chǎn)生血管擴(kuò)張物質(zhì)一氧化氮和一氧化碳，增強(qiáng)缺氧組織的灌注[24- 26]。另外，缺氧可以誘導(dǎo)糖酵解酶的表達(dá)，如磷酸激酶- 1、烯醇化酶- 1和乳酸脫氫酶- 1；同時(shí)增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，從而增加葡萄糖的攝取。

總結(jié)與展望

HIF- 1的發(fā)現(xiàn)闡明了許多類型細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)，其與病理性或生理性組織生長(zhǎng)有關(guān)，如癌癥及雌性生殖系統(tǒng)。HIF在多種器官中表達(dá)，表明這些器官細(xì)胞有能力對(duì)缺氧條件做出響應(yīng)。在生殖生理中，缺氧是一個(gè)重要信號(hào)，缺氧產(chǎn)生響應(yīng)在所有物種黃體形成中是必不可少的。然而，缺氧對(duì)黃體形成的一些調(diào)控機(jī)制仍不清楚，如HIF- 1α在缺氧和不缺氧條件下均受生殖激素人絨毛膜促性腺激素和LH的調(diào)控。深入理解缺氧產(chǎn)生的信號(hào)與生殖激素誘導(dǎo)的信號(hào)之間的對(duì)話有助于進(jìn)一步闡明缺氧在黃體形成以及卵巢生理調(diào)控中的作用。