李增民,徐 鷹,管觀文,蔡茜茜,江偉華,任 震,唐建紅
(1.贛南醫(yī)學院 贛州市實驗動物工程技術研究中心,江西 贛州 341000;2.江西農業(yè)大學 江西省動物營養(yǎng)重點實驗室,江西 南昌 330000)
陰道膈及陰道閉鎖是以雌性生殖道畸形為特征的疾病。在人類醫(yī)學的研究中,婦女陰道閉鎖的發(fā)病率為0.2‰~0.25‰,陰道斜膈發(fā)生率為0.1%~3.8%,陰道膈及陰道閉鎖在不孕和反復流產病例中高達7%[1-4],二者均是嚴重影響生殖健康和生活質量的疾病。陰道膈分類為陰道橫膈、陰道縱膈和陰道斜膈,根據(jù)美國生育協(xié)會(American Fertility Society, AFS)分類標準[3-5],將人類陰道縱膈和陰道斜膈歸因于副中腎管側面融合異常,陰道橫膈歸因于副中腎管垂直融合異常。根據(jù)AFS分類標準[3-5],將陰道閉鎖分為以先天性無子宮陰道為特征的副中腎管發(fā)育不良(MRKH綜合征)、處女膜閉鎖、泌尿生殖竇發(fā)育不良和副中腎管融合異常引起的陰道下段完全閉鎖。處女膜閉鎖是人類與靈長類動物特有的陰道閉鎖類型,俗稱“石女”、“石芯子”。陰道斜膈一部分轉化為單側性陰道閉鎖,90%以上的陰道橫膈將轉化為陰道完全閉鎖。目前實驗動物學、獸醫(yī)學研究報道的陰道膈病例大部分為陰道縱膈或斜膈。貓[6]、大鼠[7]、小鼠[8]極其罕見報道患有陰道橫膈。哺乳動物中,除有袋目(如袋鼠)擁有雙子宮雙陰道(含陰道膈)屬正常的生殖結構外,陰道膈及陰道閉鎖均屬生殖道畸形[1]。目前,陰道膈及陰道閉鎖報道最多的是小鼠,其它動物的相關報道極為稀少[6,8-15]。原因在于:陰道膈及陰道閉鎖是生殖缺陷性疾病,與流產、死胎、不孕密切相關;家畜及伴侶動物在長期的人工選種過程中已將這些影響繁殖性能的個體不斷淘汰,凈化了種群基因;而實驗小鼠生命周期短、繁殖速度快,其雌性生殖道的異常發(fā)育現(xiàn)象極易被觀察發(fā)現(xiàn)。小鼠的陰道膈及陰道閉鎖是參照人類AFS標準進行分類的,目的是以實驗小鼠作為人類生殖缺陷的替代者來進行胚胎發(fā)生學、解剖學形成機制、遺傳學、病理學的相關研究。
在實驗動物生產實踐中,陰道膈及陰道閉鎖的出現(xiàn)是一把雙刃劍。一方面,陰道膈及陰道閉鎖的出現(xiàn)會嚴重影響實驗小鼠的選種和繁育,育種工作者需及時將缺陷小鼠甚至父母同胞從種群中淘汰;另一方面,研究人員又希望能培育出足夠數(shù)量具有陰道膈及陰道閉鎖缺陷表型的小鼠用以開展科學研究,解析潛在致病機制。隨著基因功能的深入解析和基因編輯技術的快速發(fā)展,目前已基于C57BL/6J品系小鼠,成功培育有100%產生陰道閉鎖表型純合子小鼠Lhfpl2突變系[10]和91%產生陰道閉鎖表型的β-cateninC429S突變系[9]。諸多研究報道顯示,陰道閉鎖的致病機制具有其復雜性,致病基因之間極有可能存在相互作用。如WU H等[11]研究發(fā)現(xiàn),同時敲除Tyro3-/-、Axl-/-和Tyro-/-三種基因的小鼠陰道閉鎖發(fā)病率為16.06%;Axl-/-和Mer-/-雙基因敲除小鼠陰道閉鎖發(fā)病率為4.0%;Mer-/-和Tyro3-/-雙基因敲除小鼠陰道閉鎖發(fā)病率約為3.7%;Mer-/-單基因敲除小鼠陰道閉鎖發(fā)病率為2.5%[11]。偶有報道自發(fā)產生野生型陰道膈[8,12-16]及陰道閉鎖小鼠[8,15],且主要見于近交系小鼠中,極少有封閉群小鼠病例報道[15]。
簡而言之,自發(fā)性產生的野生型陰道膈及陰道閉鎖小鼠需經過生產種群世代繁育、人工篩選并經基因鑒定、純化并分離形成突變系[8,12-16]。而陰道膈及陰道閉鎖純合子突變小鼠又很難通過近交繁育保種。所以,近五年外文報道的三種能產生50%以上雌鼠子代罹患陰道膈及陰道閉鎖表型的小鼠均是通過基因工程等方法獲取的:β-cateninC429S突變系小鼠是通過復蘇凍存精卵(來源于日本筑波RIKEN生物資源中心),體外受精,胚胎移植,代孕產出91%子代雌性小鼠雌激素抗性陰道閉鎖[9]。Adamts18-/-小鼠是通過Cre/loxP重組酶系統(tǒng)基因打靶,制作雜合子,由雜合子兄妹互交產出純合子子代雌性小鼠,使子代雌鼠50%同時出現(xiàn)雌激素抗性陰道縱膈及陰道閉鎖[17]。LHFPL2G102E小鼠是通過購買美國杰克遜實驗室的突變系小鼠經基因鑒定和蛋白質分析篩選出雜合子,由雜合子兄妹互交產出純合子子代雌性小鼠,使子代雌鼠100%出現(xiàn)雌激素抗性陰道閉鎖[10]。
哺乳動物(包括人類)胚胎期均擁有一對苗勒管(起始于副中腎管)和一對沃夫管(起始于中腎管),胚胎內苗勒管和沃夫管共同經歷過起始、延伸、分化/退化后,至胚胎生長第10~15 d出現(xiàn)雌雄分化。小鼠在胚胎生長第9 d時沃夫管從中胚層起始生長,胚胎生長第11.5 d時苗勒管才從中胚層表面上皮內陷窩起始生長,循著沃夫管的尾端方向延伸2 d,此時沃夫管尾端已延伸4.5 d,至該小鼠胚胎生長第13.5 d時,正常發(fā)育情況下苗勒管和沃夫管同期抵達泌尿生殖竇,與之融合生長。雄性小鼠經歷了沃夫管分化和苗勒管退化,形成雄性生殖系統(tǒng)。雌性小鼠經歷了苗勒管分化和沃夫管退化,苗勒管分化成卵巢、附件、子宮、宮頸及陰道上段組織,泌尿生殖竇分化成陰道中下段[1-5,10]。
目前陰道膈的胚胎形成機制尚無定論,一種學說為沃夫管延伸異常引起一側苗勒管移位,無法融合對側苗勒管而分化形成雙子宮腔體結構,而移位的苗勒管無法融合泌尿生殖竇最終形成盲端分化形成陰道斜膈;另一種學說則認為,陰道膈是苗勒管分化異常引起泌尿生殖竇的過度分化產生的贅生物[18]。而陰道閉鎖的胚胎發(fā)生學則爭論更為激烈,一種學說認為,人類的先天性無子宮的陰道閉鎖是苗勒管無法完成正常分化引起的,而子宮卵巢可以正常發(fā)育的陰道上段完全性閉鎖則被一種假說認為是苗勒管末端太短無法融合泌尿生殖竇造成泌尿生殖竇過度上皮性分化所形成的;還有部分學者認為是沃夫管退化不全造成兩側苗勒管末端無法融合泌尿生殖竇所形成;伴有發(fā)育正常的卵巢子宮的中下段陰道閉鎖則被大部分學者共識為泌尿生殖竇的分化不良所形成[1-4,16]。目前文獻記載的自發(fā)性小鼠陰道膈及陰道閉鎖均伴有卵巢子宮的生長發(fā)育,卵巢子宮先天性缺失的陰道閉鎖病例報道較少[8-15]。
雌性小鼠初生時陰道口是緊閉的。在雌性激素調控作用下,小鼠經歷初情期后陰道口張開。這個過程中一旦下丘腦-垂體-性腺軸(H-P-O軸)出現(xiàn)改變,無法產生功能性卵泡造成雌性激素分泌不足,將會推遲陰道開口或者發(fā)生陰道閉鎖。由于小鼠血量極少,在其一生中無法多次檢測其血清激素水平,部分學者過去受自由激素假說的困擾,長期致力于雌性激素受體損傷(如卵巢子宮發(fā)育不全、腫瘤、雌雄同體等)的研究來證明陰道閉鎖的成因。2005年,HAMMES等在gp330/megalin突變系世代近交獲得雜合子Het/megalin+小鼠,再經兄妹近交獲得純合子Mut/megalin+小鼠,Mut/megalin+基因缺失小鼠在正常小鼠陰道開口期即便有外源性持續(xù)注射的雌激素提供信號,但是由于megalin蛋白失活出現(xiàn)陰道完全性閉鎖[19]。這一結果挑戰(zhàn)了自由激素假說所認為的只有游離類固醇才能進入靶細胞產生生物活性,而雌性激素被運輸?shù)搅诵约に亟Y合球蛋白SHBG處成為了載體結合類固醇,只有血清雌激素水平達到一定劑量時,雌激素能夠通過被動運輸?shù)诌_信號通路終端才能啟動陰道開口的觀點;實際上巨蛋白megalin(一種生殖系統(tǒng)的內吞受體)結合雌激素的內吞途徑信號傳導,在實現(xiàn)陰道開口過程中也具有啟動作用;這種實驗方法所構建的基因缺失雌性小鼠與ZHAO F等報道的臨床表現(xiàn)相一致。ZHAO F 等通過LHFPL2G102E系小鼠用Hammes的方法成功培育出Mut/Lhfpl2+純合子基因缺失小鼠。位于小鼠第13號染色體的Lhfpl2基因所編碼出的LHFPL2蛋白是一種在卵巢濾泡細胞和生殖道上皮細胞中高量表達的四跨膜蛋白,這種蛋白失活后小鼠表現(xiàn)出雌、雄性激素抗性,在有持續(xù)的性激素信號刺激下出現(xiàn)陰道閉鎖(雌鼠)和輸精管彎曲阻塞(雄鼠)的生殖缺陷[10]。
陰道開口是小鼠初情期開始的信號,也是雌性生命周期的重要節(jié)點。雌激素是調控各種雌性性別特征出現(xiàn)的上游信號分子,起總開關的作用。內分泌活動的病理性紊亂及人為注射雌激素受體拮抗劑均可以影響陰道開口的正常開放。因此,早期研究人員認為雌激素是促成陰道開口的充分必要條件, 而MURATA T等[9]、ZHAO F等[10]、HAMMES等[19]構建的基因工程小鼠充分證明了在持續(xù)的雌激素誘導下,陰道開口未必能如期發(fā)生。雌激素是促成陰道開口的最重要的必要條件而非充分條件。
隨著人體胚胎早期發(fā)生的研究深入,陰道膈及陰道閉鎖各種分型的確立,各種組織胚胎分化學說的不斷出現(xiàn)、爭論和融合;目前有關小鼠的陰道膈及陰道閉鎖的主流研究觀點認為應集中在下段陰道閉鎖形成機制和細胞凋亡作用機制的研究上,具體可以分為突變基因表達、轉錄、功能蛋白質翻譯的終止;細胞極化和內吞作用;細胞凋亡和信號轉導通路的研究等。
目前文獻記載的陰道膈及陰道閉鎖致病基因及相關通路如表1所示:編碼β-catenin蛋白的Ctnnb1基因的錯義突變致使C57BL/6J小鼠內生殖器時空持續(xù)的Wnt信號傳導而表現(xiàn)出性激素抗性雄性不育、雌性陰道閉鎖[1]。在非經典的Wnt信號傳導中,Wnt7a基因突變不僅可以造成CBA小鼠長有陰道膈,子宮角直徑小且輸卵管不彎曲,并且可以通過基因工程改造Wnt7a基因突變系小鼠子代體內持續(xù)產生已經發(fā)生點突變的梵高樣蛋白2(van gogh-like 2), 影響細胞骨架肌動蛋白的極化和scribble(Scrb1)定位的改變,造成上皮細胞頂面纖維化,誘發(fā)50%雌性小鼠出現(xiàn)陰道閉鎖[19]。Pax8基因缺失不僅可以導致人類甲狀腺發(fā)育不全,而且可以引起小鼠苗勒管分化異常,先天性陰道閉鎖[20]。編碼Adamts金屬蛋白酶孤兒核受體家族中的Adamts18等位基因的缺失造成C57Bl6/Ola小鼠在發(fā)育過程中無法切割細胞外基質成分引起雌鼠50%出現(xiàn)陰道縱膈及陰道閉鎖,同時造成100%雌雄小鼠在出現(xiàn)胚胎期晶狀體囊破損晶狀體外溢,肺塌陷等病理變化[17]。MAP3K1基因(也稱為MEKK1)編碼一個絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK激酶),該激酶充當磷酸三聯(lián)體的一部分來磷酸化MAPKs JNK,ERK和p38,尤其是JNK途徑;MAPK途徑可整合各種信號調控人與小鼠的苗勒管與沃夫管間的分化,影響胚胎早期性別分化;MAP3K1基因缺失C57BL/6J小鼠也會導致雌鼠罹患陰道膈和陰道閉鎖及閉鎖引起的陰道子宮積水綜合征[21]。此外,TAM三聯(lián)受體基因(Tyro3、Axl和Mer受體)敲除C57BL/6J小鼠也有報道通過介導酪氨酸激酶TAM受體信號通路造成2.5%~16.0%雌性小鼠發(fā)生遠端陰道閉鎖。與細胞凋亡家族蛋白類信號通路相關的基因缺失誘發(fā)小鼠出現(xiàn)陰道膈及陰道閉鎖的有:Lhfp12基因在G102E位置出現(xiàn)點突變產生了一種四跨膜蛋白Lhfp12G102E(脂肪瘤HMGIC融合伴侶樣蛋白-2),可以引起性激素抗性雌雄C57BL/6J小鼠不孕不育,100%雌性陰道閉鎖和70%雄性睪丸發(fā)育不良和附睪阻塞[11];編碼Bcl-2家族蛋白Bcl-2、Bax、Bak、Bid、Bim基因和Puma基因同樣也會誘導小鼠罹患陰道膈及陰道閉鎖[18,22-24];編碼P63蛋白的基因缺失會導致雌性小鼠苗勒管胚胎期停止分化,先天性陰道閉鎖[24]。
表1 陰道膈及陰道閉鎖小鼠信息一覽表
3.1 Wnt信號通路在經典Wnt信號通路和β-catenin細胞間隙傳導通路中,β-連環(huán)蛋白信號傳導調節(jié)著哺乳動物眾多發(fā)育過程和體內內環(huán)境穩(wěn)態(tài)[2]。β-cateninC429S錯義突變使編碼出來的β-catenin蛋白的中央犰狳重復中的半胱氨酸(Cys429)突變成絲氨酸(Ser),啟動了β-catenin與Wnt配體的蛋白復合物的微調開關,使內生殖器官存在持續(xù)的β-catenin信號傳導從而雌性小鼠的下段陰道閉鎖的出現(xiàn)[9]。
VANDENBERG等[25]利用Wnt7a突變系與T環(huán)[loop-tail (Lp)]工具鼠雜交,基因鑒定獲得的Vangl2Lp/Lp及Vangl2Lp/-轉基因鼠的研究證明了非典型Wnt信號也可通過梵高樣蛋白2(van gogh-like 2)調控著雌性生殖道發(fā)育中的細胞極性。這一研究[25]表明:非典型Wnt信號誘導了陰道膈、陰道閉鎖的形成,使Vangl2Lp/Lp小鼠在胚胎期18.5 d時輸卵管無法卷曲,陰道膈出現(xiàn)隔斷形成雙子宮;Vangl2Lp/-雜合子50%出現(xiàn)陰道閉鎖。另外,非經典Wnt/β-Catenin通路下游Pax8基因——一種在人和小鼠卵巢癌組織中高表達的配對盒基因,Pax8基因在細胞凋亡中也有重要作用,缺乏Pax8基因會導致小鼠先天性甲狀腺功能減退, MITTAG J等[20]曾報道經人工敲除基因的Pax8-/-小鼠即使持續(xù)補充甲狀腺素,雌鼠依然無法受孕,原因在于苗勒管在關鍵時期的發(fā)育停滯而不是激素失衡,這一研究表明[20]:苗勒管的分化障礙易導致雌鼠先天性上段陰道閉鎖、子宮發(fā)育停滯、輸卵管積水等先天性缺陷的發(fā)生。
3.2 PI3K-AKT相關信號通路Adamts18基因在PI3K-AKT和NF-κB信號通路的下游起作用。ATACA D等通過Cre/loxP重組酶系統(tǒng)基因打靶的方法構建了Adamts18基因敲除鼠造成轉基因鼠出現(xiàn)晶狀體外溢(100%發(fā)生)、肺塌陷、雌鼠陰道膈及陰道閉鎖(50%發(fā)生)等病癥。Adamts18基因編碼的蛋白是具有解聚素和金屬蛋白酶結構域及血小板反應蛋白基序的19個家族成員之一,也是鋅依賴性分泌型金屬蛋白酶,該酶與處理細胞外基質的成分,如纖維膠原,以及其他與硫酸軟骨素蛋白聚糖的轉化作用有關,小鼠體內缺少Adamts18造成發(fā)育異常的組織的胞外基質異常及構建細胞骨架蛋白障礙,最終導致青春期外陰及陰道重塑受損可導致陰道膈或陰道閉鎖[17]。
Bcl-2家族蛋白Bcl-2、Bax、Bak、Bid、Bim、Puma等的作用基因不僅在PI3K-AKT信號通路的下游起作用,也在雌激素誘導的細胞凋亡中起作用,Bax和Bak基因同時敲除出現(xiàn)母鼠的子代大部分陰道閉鎖,趾間網退化不全,造血障礙,中樞神經癥狀,仔鼠離乳期內不足10%成活等表型[18,23]。
3.3細胞凋亡及相關信號轉導通路雌激素誘導的細胞凋亡被認為是青春期陰道開放的一種重要作用機制,通過轉基因技術將人類BCL2基因轉入C57BL/6J小鼠的基因組中,造成BCL2蛋白在陰道上皮細胞及黏膜細胞的過表達(其它組織經檢測無表達),促使了組織重塑過程中陰道口粘膜細胞的集體凋亡(其它組織細胞如耳廓、眼瞼無此現(xiàn)象),形成陰道末端閉鎖,這與PI3K/AKT/ BCL2信號傳導通路的作用且與瘢痕形成有相似之處[22]。BCL2家族的另兩個成員Bax和Bak基因雙敲除后也可使C57BL/6罹患陰道閉鎖缺陷,90%以上的小鼠出生后離乳期內死亡,進一步研究發(fā)現(xiàn)Bax和Bak蛋白是通過啟動線粒體凋亡最終導致細胞凋亡[18]。
2010年REN D等[23]報道了Bid、Bim和Puma三基因敲除小鼠出現(xiàn)了與Bax、Bak雙基因敲除小鼠完全相同的臨床表型,同時證明了這三個基因缺失后阻止了Bax蛋白的同種寡聚,導致細胞色素C介導的半胱天冬酶Caspase激活神經元和T淋巴細胞中的凋亡信號。P63是皮膚發(fā)育所需的P53(人與小鼠的抑癌基因)的同源基因,在成熟的鱗狀上皮和宮頸的儲備細胞中表達,美國病理學雜志曾報道[25]P63基因敲除小鼠胚胎期即形成無孔性陰道,表現(xiàn)為雌鼠苗勒管胚胎期即停止分化,胚胎期出現(xiàn)上段陰道閉鎖;表明[24]在胚胎發(fā)育過程中陰道口的膜性封閉是P63依賴性轉導信號缺失所誘導的先天性陰道閉鎖,這一發(fā)現(xiàn)又提供了關于陰道閉鎖P63所介導的細胞凋亡信號轉導通路的研究思路。
前文所述的LHFPL2基因位于脂肪瘤高遷移率融合蛋白樣HMGIC2蛋白相關的細胞凋亡P53家族蛋白類抑癌通路下游,LHFPL2基因G102E位點點突變的純合子基因缺陷鼠子代會出現(xiàn)性激素抗性雌雄不育特征(包括100%雌性陰道閉鎖和70%雄性不育)[10]。
3.4酪氨酸激酶受體信號通路Tyro3、Axl及Mer受體(TAM受體)是酪氨酸激酶受體亞家族之一,它們結構相似,有相同的Gas6和protein S配體,其二聚體結構使其胞內酪氨酸殘基容易發(fā)生磷酸化,激活受體本身的酪氨酸蛋白激酶活性,催化下游分子信號轉導,包括細胞增殖、遷移、黏附、吞噬作用參與生殖系統(tǒng)的調控,WU H等[11]研究認為TAM三聯(lián)受體基因敲除鼠有較高概率的陰道閉鎖發(fā)生率。
3.5 MAPK信號通路WU H等[11]曾報道,MAP3K1基因缺失小鼠突變系純合子代雌鼠40%出現(xiàn)陰道閉鎖和子宮積液,公鼠90%出現(xiàn)輸精管堵塞睪丸萎縮的不育癥。
總之,隨著與實驗小鼠陰道膈及陰道閉鎖相關基因的陸續(xù)發(fā)現(xiàn),與之相關聯(lián)的蛋白和信號轉導通路也逐漸清晰起來:例如,可以模仿人類MRKH綜合征的苗勒管發(fā)育不良型陰道閉鎖小鼠Pax8-/-[20]、P63-/-[24]與細胞凋亡信號通路密切相關;陰道子宮可以正常發(fā)育、表現(xiàn)有雌激素抗性的基因缺陷鼠β-CateninC429S+/C429S+的陰道閉鎖與經典的Wnt/β-Catenin信號通路密切相關[9];誘導雌鼠50%出現(xiàn)雌激素抗性陰道縱膈及陰道閉鎖的Adamts18-/-小鼠與PI3K-AKT-Adamts18和NF-κB信號通路密切相關[17]。
雖然目前人類醫(yī)學在有關陰道閉鎖和陰道膈的婦產科、影像學、外科手術學等分支上有較深的造詣,在陰道閉鎖和陰道膈致病基因的分子診斷水平上卻研究的不夠透徹,尚有不少隱性攜帶的基因需要進一步發(fā)現(xiàn);不少罹患有陰道閉鎖的少女也只能在月經初潮來臨時感覺持續(xù)腹痛就診時方檢查發(fā)現(xiàn)自己患有此種疾病,疾病臨床癥狀出現(xiàn)前被篩查發(fā)現(xiàn)的極少[18]。如何從分子層面認識、診斷、預防疾病,實現(xiàn)精準醫(yī)療是當前醫(yī)學研究的大勢所趨。小鼠生命周期短,飼養(yǎng)成本小,研究人員眾多,投入有限的時間及科研成本可以觀察數(shù)代的遺傳信息;然而現(xiàn)有有關實驗小鼠陰道膈及陰道閉鎖的研究中極少關注如何利用人類醫(yī)學先進的外科手術技術手段進行小鼠陰道口的人工修復[26-28],以確保這些珍稀的小鼠品種能夠恢復生育功能,擴大種群,為陰道膈及陰道閉鎖小鼠的轉錄組學、基因組學和蛋白質組學等高通量深入探索提供更多研究材料。因此,為深入開展實驗小鼠陰道膈及陰道閉鎖的研究,實驗動物研究人員不僅要熟練掌握現(xiàn)有的應用于小鼠陰道膈切除及陰道閉鎖造口術的普外科技術手段,更應與時俱進引入激光治療、顯微外科、利用新型生物材料修補、人工智能手術等先進的技術手段,以保種繁育出更多的陰道膈及陰道閉鎖小鼠個體,研究清楚這些雌性生殖缺陷,為人類精準醫(yī)學研究服務。
綜上所述,自發(fā)性陰道隔及陰道閉鎖小鼠是揭開人類陰道隔及陰道閉鎖分子生物學、遺傳學的神秘面紗,建立和完善致病性基因數(shù)據(jù)庫的良好研究材料。研究小鼠自發(fā)性陰道膈及陰道閉鎖的形成機制,不僅可以為實驗動物行業(yè)制定嚴格質控標準提供參照,而且可以指導實驗動物繁育技術人員及時從生產力低下的淘汰小鼠中發(fā)現(xiàn)新的致病基因,保種并培育出新的突變品系,創(chuàng)造出更多應用于女性生殖缺陷研究的動物實驗材料。