過氧化物還原酶在生殖與妊娠并發(fā)癥中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

張星瑩，李甜甜，楊春娜，李連芹

(1濱州醫(yī)學(xué)院，山東煙臺264003；2濱州醫(yī)學(xué)院煙臺附屬醫(yī)院)

活性氧自由基(ROS)是生理代謝的副產(chǎn)物，并且受到抗氧化酶的調(diào)控。ROS的主要成分包括超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫、一氧化氮等。雖然低水平的ROS在信號傳導(dǎo)等方面發(fā)揮有益作用，但是過量的ROS會造成細(xì)胞組分DNA、脂質(zhì)、蛋白等大分子的氧化損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡或凋亡。為了應(yīng)對ROS水平升高，在包括哺乳動物在內(nèi)的生物體內(nèi)存在多種抗氧化系統(tǒng)，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、硫氧還原蛋白(TRX)、谷氧還蛋白(GRX)、以及過氧化物還原酶(PRX)。當(dāng)ROS的產(chǎn)生超出其清除能力時(shí)，就會出現(xiàn)所謂的“氧化應(yīng)激狀態(tài)”。研究表明，當(dāng)機(jī)體內(nèi)的一種或多種抗氧化酶能力減弱時(shí)，就會出現(xiàn)氧化應(yīng)激狀態(tài)，并引發(fā)各種病理情況如不孕等。例如，當(dāng)SOD2的基因發(fā)生變異時(shí)，會導(dǎo)致精子的DNA受到氧化損傷，造成男性不育[1]。同樣，SOD1基因的缺失，會導(dǎo)致這種基因敲除型雄性小鼠的生育能力受損[2]，而雌鼠的黃體功能和孕激素分泌受損[3]。另一方面，上調(diào)SOD1基因的表達(dá)，可以改善妊娠結(jié)局[4]。作為抗氧化系統(tǒng)的成員之一，PRX家族通過清除過氧化氫，在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮重要的抗氧化作用[5]。哺乳類的PRX家族共有6個成員，分別命名為PRX1至PRX6。盡管它們從不同的種類或者細(xì)胞系中克隆而來，但其蛋白質(zhì)都含有活性半胱氨酸殘基，利用這一殘基將過氧化氫還原成水[5]。根據(jù)半胱氨酸殘基的數(shù)量和分布位置，哺乳類的PRX家族又分為三個亞群，其中PRX1到PRX4含有2個半胱氨酸殘基，兩者相距121個氨基酸殘基；PRX5也含有2個半胱氨酸殘基，但兩者相距較近，只有104個氨基酸殘基；而PRX6只有1個半胱氨酸殘基[5]。PRX通過清除細(xì)胞產(chǎn)生的ROS，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、分化、凋亡、惡變。最近的研究表明，PRX在生殖生理和妊娠方面具有重要作用。本文對PRX在配子形成、胚胎發(fā)育、妊娠結(jié)局及妊娠期并發(fā)癥中的作用機(jī)制予以綜述。

1 PRX在生殖中的作用機(jī)制

1.1 PRX在精子發(fā)育中的抗氧化作用 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染的日益加重，人們工作生活的壓力加大，加上不良的生活習(xí)慣如吸煙、酗酒、熬夜，甚至吸毒，導(dǎo)致男性的精子質(zhì)量逐年下降。為此，WHO于2010年頒布了第5版《人類精液實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)手冊》，將評判精液質(zhì)量的主要指標(biāo)正常值大幅下調(diào)。一次排精的精液量由2.0 mL更改為1.5 mL，總精子數(shù)由40×106/次更改為39×106/次，精子密度由20×106/mL降為15×106/mL，前向運(yùn)動力由a級+b級≥50%或a級≥25%更改為a級+b級≥32%，正常形態(tài)比率由15%更改為4%。雖然在評判細(xì)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)方面在第4版基礎(chǔ)上作了修訂，但“正常精液標(biāo)準(zhǔn)”的合格線降低毋庸置疑。影響精子質(zhì)量的因素多種多樣，如內(nèi)分泌異常、遺傳因素、免疫因素、性功能障礙、精索靜脈曲張、生殖器官先天性發(fā)育異常、全身慢性疾病、環(huán)境因素、不良生活習(xí)慣等，上述各種因素導(dǎo)致精子質(zhì)量下降的發(fā)生機(jī)制也各有不同，其中ROS所引發(fā)的氧化應(yīng)激狀態(tài)對精子造成的氧化損傷以及對精子質(zhì)量的不良影響是顯而易見的[6]。

導(dǎo)致精子氧化損傷最常見的ROS是超氧化物陰離子和過氧化氫，而生物體內(nèi)存在多種抗氧化系統(tǒng)，其中SOD是眾所周知的抗氧化蛋白，幾乎存在于人體的各個系統(tǒng)中，對于保護(hù)心臟、血管、腦組織等重要器官具有十分重要的抗氧化作用。其他抗氧化蛋白以及維生素類如維生素E、維生素C等也具有重要的抗氧化作用，對于保護(hù)精子的質(zhì)量非常重要。除此以外，PRX對于調(diào)控ROS水平，維持并保護(hù)生殖系統(tǒng)的功能，也具有重要作用。一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)，不明原因的弱精子癥患者精子中PRX1表達(dá)顯著低于對照組，并引起高水平的ROS，導(dǎo)致精子的活力下降。當(dāng)精液中的氧化應(yīng)激狀態(tài)加重時(shí)，被氧化的PRX1增多，而具有活性的PRX1減少，說明PRX1是保護(hù)精子免于氧化損傷的抗氧化酶[7]。PRX3在精子細(xì)胞的表達(dá)水平很高，可以保護(hù)精子因氧化誘導(dǎo)的凋亡[8]。PRX4是存在于睪丸中的膜結(jié)合蛋白，參與精子發(fā)育過程中的頂體生成。缺乏PRX4的精子更易于受到氧化損傷而死亡[9]。同樣，在精子成熟和獲能過程中，PRX5的表達(dá)水平顯著升高[10]。加拿大學(xué)者報(bào)道，PRX6缺失導(dǎo)致精子活動力和受精能力下降，雄鼠的生育能力因此降低[11]。在多數(shù)情況下，PRX家族的各個成員之間可以互相協(xié)作，共同應(yīng)對氧化應(yīng)激狀態(tài)，維持精子活力，幫助精子獲能，保護(hù)精子免于氧化損傷。PRX的抗氧化活性下降，可以直接影響精子的質(zhì)量和生育能力[12]。

1.2 PRX在卵子和胚胎發(fā)育中的抗氧化作用 PRX在卵子和胚胎發(fā)育中也具有不可或缺的抗氧化作用。PRX1在卵巢中的表達(dá)隨著卵泡的發(fā)育而逐漸升高。在接受人絨毛膜促性腺激素(hCG)治療的大鼠中，注射hCG 24 h即可發(fā)現(xiàn)PRX表達(dá)升高，并維持72 h，說明PRX1參與卵泡發(fā)育和排卵[13]。據(jù)韓國學(xué)者報(bào)道，促性腺激素治療會增加卵泡細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫，同時(shí)PRX2被氧化，說明PRX2在卵泡發(fā)育過程中發(fā)揮有益作用[14]。另外，PRX在卵子受孕、胚胎發(fā)育的過程中，對于所出現(xiàn)的氧化應(yīng)激狀態(tài)作出積極的應(yīng)答和響應(yīng)。PRX2通過減低過氧化氫水平，提高線粒體活性，有利于胚胎發(fā)育[15]。新西蘭學(xué)者報(bào)道，在實(shí)施單精子注射獲得的78個胚胎中，PRX3是預(yù)測胚胎質(zhì)量的指標(biāo)之一[16]。國內(nèi)學(xué)者Qian等[17]所做的動物實(shí)驗(yàn)表明，PRX4主要存在于小鼠卵巢的顆粒細(xì)胞中，其表達(dá)隨著卵泡的發(fā)育逐漸升高，說明卵泡發(fā)育伴隨著氧化應(yīng)激狀態(tài)，而PRX4對于維持卵泡的發(fā)育至關(guān)重要。

在臨床妊娠病例中，有11%～20%在孕20周之前發(fā)生自然流產(chǎn)，而復(fù)發(fā)性流產(chǎn)占2%～4%。除了一些常見的原因，染色體異常、內(nèi)分泌疾病、女性生殖道解剖結(jié)構(gòu)異常、感染、免疫因素、抗氧化能力降低和氧化應(yīng)激也與此類疾病有關(guān)。PRX2和PRX6都參與了著床時(shí)的母胎耐受過程。PRX2在子宮自然殺傷細(xì)胞中的表達(dá)不足會增加自然流產(chǎn)的發(fā)生率[18]，而PRX6表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致氧化應(yīng)激狀態(tài)，胚胎移植失敗[19]。PRX3在胎盤絨毛膜組織中的表達(dá)降低會導(dǎo)致早期流產(chǎn)，說明PRX3對于胎盤發(fā)育和早期胚胎的發(fā)育作用重大[20]。另外，伊朗學(xué)者Gharesi-Fard等[21]報(bào)道，在患有自身免疫性疾病的患者中，其胎盤和血清中均存在抗PRX3和抗PRX4自身抗體。因此可以推測，盡管胚胎著床與子宮的氧化應(yīng)激內(nèi)環(huán)境之間的關(guān)系尚不清楚，至少自然流產(chǎn)與PRX的抗氧化能力不足有關(guān)。

2 PRX在妊娠并發(fā)癥中的作用機(jī)制

2.1 PRX在妊娠期高血壓中的作用 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國子癇前期的發(fā)病率為9.4%～10.41%，是嚴(yán)重威脅母嬰健康和安全的妊娠并發(fā)癥之一。當(dāng)子癇發(fā)作，無論對于母體還是胎兒，都有致命的危害。由于目前尚未找到確切的發(fā)病原因和發(fā)病機(jī)制，往往在子癇前期發(fā)病之后，通過降低血壓、緩解痙攣等方法進(jìn)行對癥治療。在我國部分地區(qū)，有些孕婦由于經(jīng)濟(jì)因素等的制約，缺乏系統(tǒng)、正規(guī)的孕期檢查，就診時(shí)已發(fā)展為重度子癇前期甚至子癇，造成胎兒發(fā)育受限、胎兒窘迫、胎死宮內(nèi)、產(chǎn)后出血等嚴(yán)重后果，是導(dǎo)致孕產(chǎn)婦死亡的第二位原因。雖然子癇前期的發(fā)病原因不明，但是胎盤的氧化應(yīng)激狀態(tài)被認(rèn)為是其中重要的因素。研究認(rèn)為，由于胎盤植入異常等因素，導(dǎo)致胎盤的血液灌注量減少和低氧狀態(tài)，氧化與抗氧化之間的平衡被打破，則引起胎盤的氧化應(yīng)激狀態(tài)，細(xì)胞中的脂質(zhì)、DNA、蛋白質(zhì)等大分子被氧化。胎盤中的脂質(zhì)過氧化物(丙二醛等)通過血液循環(huán)到達(dá)全身，引起血管內(nèi)皮激活和損傷，血管內(nèi)皮的血管收縮因子和血管舒張因子之間的平衡失調(diào),導(dǎo)致周圍小動脈痙攣及血壓升高[22]。

研究發(fā)現(xiàn)，子癇前期患者的胎盤存在氧化應(yīng)激狀態(tài)，而PRX3的表達(dá)水平顯著升高[23]，但對于PRX3在子癇前期發(fā)病中的作用尚不清楚。我們之前在飼養(yǎng)PRX3基因敲除型小鼠時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然PRX3基因敲除型小鼠可以正常妊娠，但分娩時(shí)存活的幼鼠很少。換而言之，PRX3基因敲除型雌鼠發(fā)生死產(chǎn)的概率很高。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PRX3基因敲除型雌鼠的胎盤處于嚴(yán)重的氧化應(yīng)激狀態(tài)，胎盤中的血管內(nèi)皮素1和腫瘤壞死因子α的表達(dá)較野生型小鼠顯著升高，小鼠胎盤中的脂質(zhì)過氧化物4-羥壬烯醛表達(dá)也明顯增加[24]，從而證實(shí)PRX3在胎盤中具有重要的抗氧化作用。鑒于PRX3基因敲除型孕鼠的胎盤的病理改變與子癇前期患者胎盤的病理改變極為相似，測定妊娠小鼠的頸動脈血壓，并未發(fā)現(xiàn)與同窩出生的野生型孕鼠有顯著差異，說明PRX3抑制或者延緩子癇前期的進(jìn)展，而非子癇前期的致病因素。

2.2 PRX在妊娠期糖尿病(GDM)中的作用 在整個妊娠期間，隨著孕周的增加，孕婦對胰島素的敏感性逐漸下降。作為人體的一種應(yīng)急反應(yīng)，體內(nèi)所分泌的胰島素也會隨之增加，以維持正常的葡萄糖代謝。有些孕婦由于其自身胰島素的分泌受限，胰島素的分泌量不能滿足需求量，導(dǎo)致血中的葡萄糖水平升高，即出現(xiàn)所謂的GDM。在我國，由于人們生活水平的提高，妊娠后飲食無節(jié)制，加上缺乏運(yùn)動，導(dǎo)致GDM的發(fā)病率逐年升高。雖然大部分孕婦在分娩以后GDM不治而愈，但仍有部分患者遠(yuǎn)期患糖尿病的概率較非糖尿病孕婦增加，而且新生兒并發(fā)癥如呼吸窘迫綜合征、低血糖發(fā)生率增高，嚴(yán)重時(shí)可危及新生兒生命。因此，加強(qiáng)圍產(chǎn)期科普教育，及早發(fā)現(xiàn)并干預(yù)GDM，從而減少或者延緩GDM的發(fā)生或進(jìn)展，顯得至關(guān)重要。

大量研究表明，氧化應(yīng)激與GDM的發(fā)病或進(jìn)展密切相關(guān)。而在與胰島素分泌有關(guān)的諸多因素中，PRX的作用不可忽視。有學(xué)者利用轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提高PRX3的表達(dá)，可以顯著降低線粒體內(nèi)過氧化氫的水平，減輕對線粒體的氧化損傷。而且通過降低過氧化氫水平，可以激活PI3K/AKT通路，使得其下游的糖原合成酶激酶3被磷酸化，其結(jié)果是改善了小鼠肝細(xì)胞對葡萄糖的耐受力，對葡萄糖的清除能力提高，血糖下降[25]。反之，在PRX3基因敲除型的小鼠中，PRX3缺失引起糖耐量受損，并出現(xiàn)胰島素抵抗。由于PRX3的缺失，脂肪細(xì)胞的線粒體內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化應(yīng)激狀態(tài)，線粒體受到氧化損傷，導(dǎo)致線粒體DNA的數(shù)目減少。同時(shí)，參與糖/脂的蛋白(包括中鏈脂酰基輔酶A脫氫酶、ATP合成酶亞單位d、脂聯(lián)素)水平顯著下降，對葡萄糖的耐受力下降，對胰島素的敏感性降低，葡萄糖和脂肪代謝紊亂，小鼠出現(xiàn)脂肪堆積和肥胖[26]。另外，PRX家族的其他成員也參與胰島素的分泌和葡萄糖代謝。如PRX1和PRX2通過控制胰島β細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的水平，抑制因氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，從而維持胰島素的分泌[27]。德國學(xué)者M(jìn)ehmeti等[28]利用鏈脲霉素制作了1型糖尿病小鼠模型，并對PRX4對胰島β細(xì)胞的分泌功能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)高表達(dá)PRX4可以顯著提高小鼠對于葡萄糖的耐受力。但是，低表達(dá)PRX4并未對細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基水平和胰島素分泌造成影響，但對于高糖刺激更加敏感。認(rèn)為PRX4在胰島β細(xì)胞中處于低表達(dá)狀態(tài)，主要在應(yīng)激狀態(tài)下發(fā)揮作用。作為PRX家族中惟一具有單個半胱氨酸殘基的成員，PRX6對于葡萄糖的吸收和胰島素的分泌具有重要作用。對患有GDM孕婦的網(wǎng)膜脂肪組織中的蛋白表達(dá)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PRX6表達(dá)顯著降低，提示PRX6與GDM的發(fā)生、進(jìn)展有關(guān)[29]。動物實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)PRX6缺失時(shí)，小鼠的胰島體積和密度均顯著減小，導(dǎo)致胰島素分泌下降，胰島素抵抗性增加，出現(xiàn)了類似于2型糖尿病的表型。說明PRX6對于在磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路的信號傳導(dǎo)中，具有重要的調(diào)節(jié)作用[30]。

總之，PRX家族通過清除細(xì)胞代謝所產(chǎn)生的ROS(主要為過氧化氫)，參與各種細(xì)胞活動包括生長、分化、凋亡、老化以及惡變，而且每個成員都扮演著自己的獨(dú)特角色。另外，PRX成員之間、PRX與其他抗氧化蛋白之間聯(lián)合“作戰(zhàn)”，共同應(yīng)對氧化應(yīng)激狀態(tài)。PRX對于生育功能的意義不同于其他抗氧化蛋白如SOD。SOD基因缺失可以導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)動物的不孕不育[6,7]，而PRX基因缺失對于生育功能不會產(chǎn)生致命影響。但是，隨著鼠齡增加，或者當(dāng)受到氧化應(yīng)激威脅時(shí)，這類小鼠的生殖功能(如配子和胚胎的發(fā)育)就會受到氧化損傷，導(dǎo)致不良妊娠結(jié)局。根據(jù)目前的研究結(jié)果得出以下結(jié)論：盡管PRX參與生育的各個生理過程，如配子發(fā)育成熟、受精、胚胎發(fā)育，只有當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí)(如年齡增長、病理改變)，這種抗氧化作用才會顯現(xiàn)出來。另外，當(dāng)孕婦發(fā)生妊娠并發(fā)癥如妊娠期高血壓、GDM時(shí)，氧化物的產(chǎn)生超出抗氧化酶的清除能力，機(jī)體的氧化應(yīng)激狀態(tài)進(jìn)一步加重，包括PRX3在內(nèi)的PRX成員的表達(dá)也會反應(yīng)性升高，以應(yīng)對氧化應(yīng)激狀態(tài)，延緩病情的進(jìn)展。