5-羥色胺對卵母細胞成熟及胚胎早期發(fā)育影響的研究進展

韓 宇,張 蒙,段佳慧，張學明，李子義，唐 博*

(1.吉林大學 動物醫(yī)學學院,吉林 長春130062；2.吉林大學 第一醫(yī)院 轉化醫(yī)學研究院 人類疾病動物模型國家地方聯(lián)合工程實驗室，吉林 長春 130062)

1 前言

5-羥色胺(5-HT)，又名血清素，是一種神經(jīng)遞質(zhì)，功能上也可以作為一種激素和生長因子，在動物發(fā)育、生理和病理過程中發(fā)揮重要作用。5-HT參與廣泛的生理活動，包括調(diào)節(jié)情緒、精力、記憶力，控制胃腸運動和分泌，調(diào)節(jié)心血管，調(diào)節(jié)睡眠-覺醒周期，感知疼痛、食欲、惡心和性行為[1]；同時，5-HT也是一種強血管收縮劑和平滑肌收縮刺激劑，能促進血管平滑肌細胞的增生、遷移，參與血壓的調(diào)節(jié)[2]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，5-HT及其受體家族在雌性動物生殖組織中發(fā)揮重要作用。已有研究報道在人類卵泡液，大鼠子宮、輸卵管、卵巢、胎盤，小鼠卵母細胞、顆粒細胞、胚胎等生殖組織檢測到5-HT[3-6]。此外，5-HT合成限速酶色氨酸羥化酶(TPH)，特定5-HT受體(5-HT1D，5-HT2A，5-HT2B和5-HT7)，及5-HT轉運蛋白(SERT)在小鼠顆粒細胞、卵母細胞及胚胎中也有分布，在調(diào)控卵泡發(fā)育、卵母細胞成熟及早期胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用[5-11]。本研究將對5-HT及其受體家族的結構、組成及其在卵母細胞成熟及胚胎早期發(fā)育的作用機制作一綜述。

2 5-HT的合成、轉運及代謝途徑

5-HT通過2步酶促途徑合成,在TPH的作用下，必需氨基酸色氨酸(Trp)被轉化為5-羥色氨酸(5-HTP)，接著通過芳香族氨基酸脫羧酶(AADC)將中間產(chǎn)物5-HTP脫羧生成5-HT[12](圖1)。人體內(nèi)大部分的5-HT存在于外周組織中，其中約90%由腸嗜鉻細胞合成，主要分布于腸道腸嗜鉻細胞中，通常與ATP等物質(zhì)一起儲存于細胞顆粒內(nèi)；8%～9%的5-HT釋放、彌散到血液，并被血小板攝取和儲存，少量分布在各種組織的肥大細胞中；僅1%左右存在于中樞神經(jīng)細胞內(nèi)，作為調(diào)節(jié)神經(jīng)活動的神經(jīng)遞質(zhì)，主要分布于松果體和下丘腦，參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，如參與調(diào)節(jié)痛覺、睡眠和體溫等生理功能[1-2]。

圖1 5-HT的合成及代謝途徑

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)及胃腸道中，以多種方式處理5-HT[13]。囊泡單胺轉運蛋白2(VMAT2)將5-HT轉運到突觸前囊泡中。當機體受到各種刺激時，5-HT被釋放到突觸間隙中，它可以與突觸后膜上的5-HT受體結合，從而將信號從一個細胞傳遞到另一個細胞；或與5-HT自身受體結合，從而調(diào)節(jié)5-HT的進一步釋放[14]。位于突觸前膜的高選擇性血清素轉運蛋白(SERT)負責從突觸間隙中重新攝取發(fā)揮完生理效應的5-HT，再回收進入突觸前神經(jīng)細胞胞體內(nèi)，從而調(diào)節(jié)突觸間隙5-HT的濃度及一系列生命過程[15]。血清素的主要代謝途徑是經(jīng)單胺氧化酶(MAO)轉化為5-羥基吲哚乙酸(5HIAA)，從尿液排出。松果體中5-HT的另一種代謝途徑是轉化為褪黑激素[13]。在松果體細胞中，5-HT在5-羥色胺-N-乙酰轉移酶作用下轉化為N-乙酰-5-羥色胺，然后在羥基吲哚-氧-甲基轉移酶的作用下轉化為5-甲氧基-N-乙酰胺，即褪黑素(Mel)[16]。

3 5-HT及其受體家族的組成及信號通路

5-HT通過與5-HT受體(5-HTR)結合而發(fā)揮作用。5-HTR分型復雜，到目前為止，在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)14個5-HTR亞型，7個亞家族，即5-HT1R～5-HT7R，在7種5-HTR中，除5-HT3R為配體門控離子通道受體外，其余均為G蛋白偶聯(lián)受體[17]。

大多數(shù)5-HTR通過與G蛋白偶聯(lián)，改變細胞內(nèi)環(huán)腺苷酸cAMP或Ca2+濃度，進而引起不同的信號轉導途徑。5-HT1及5-HT5A受體結合到抑制性蛋白Gi上，激活百日咳毒素敏感G蛋白，抑制腺苷酸環(huán)化酶(AC)[18-19]；而5-HT4、5-HT6及5-HT7受體通常通過Gs家族G蛋白刺激AC，增強該腺苷酸環(huán)化酶的活性，促進ATP轉化為cAMP，從而激活蛋白激酶A(PKA)[19-21]。PKA被激活后，其釋放的催化亞基可使細胞內(nèi)某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，改變底物蛋白的活性。5-HT2受體通過Gq/11家族G蛋白激活水解磷脂酶C(PLC)，在PLC的水解作用下，將磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)轉化為三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)，激活IP3-Ca2+和DG-PKC兩個信號傳遞途徑[21]。IP3可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的特定受體結合，從而使Ca2+通道打開，導致細胞內(nèi)Ca2+水平升高；而DAG激活Ca2+和磷脂依賴性蛋白激酶(PKC)。PKC被激活后，可以以磷酸化形式對許多蛋白質(zhì)和酶進行修飾，進而調(diào)節(jié)和控制另外一系列的生理過程[22-24]。

4 5-HT及其受體家族對卵母細胞成熟的影響

眾所周知，5-HT是多種無脊椎動物及魚類生殖的調(diào)節(jié)劑[23,25-27]，可能參與了幾個關鍵的生殖過程，包括卵泡生長和類固醇生成、排卵、受精和早期胚胎發(fā)育[5,28-30]。在青鳉或底鳉中，5-HT通過cA-MP促進分泌類固醇或影響卵母細胞對類固醇的反應性，影響卵母細胞的成熟[9,31]。青蛙卵母細胞在加入5-HT拮抗劑利坦色林后受到正向調(diào)節(jié)，有利于進行減數(shù)分裂的重新啟動[32-33]。在雙殼類軟體動物中，5-HT可誘導大西洋浪蛤卵母細胞減數(shù)分裂的重新啟動[34]，誘導卵母細胞成熟和產(chǎn)卵[35]。

在哺乳動物中，對5-HT參與卵母細胞成熟的調(diào)節(jié)的研究尚不充分。早期研究發(fā)現(xiàn)5-HT刺激倉鼠排卵前卵泡和顆粒細胞雌二醇(E2)和黃體酮分泌[36]，大鼠卵泡的E2分泌[37]，牛顆粒葉黃素細胞中孕酮(PRG)的分泌[38-39]，以及培養(yǎng)中人類顆粒細胞的E2和黃體酮的分泌[40]，這表明5-HT可能調(diào)節(jié)類固醇激素的分泌，參與卵成熟過程。研究表明,大鼠皮下注射5-HT可導致卵泡刺激素(FSH)，促黃體生成素(LH)、E2和PRG的血清濃度降低，排卵率下降，初情期延遲，卵泡發(fā)育受阻[41]。5-HT可通過下丘腦-垂體-卵巢軸的神經(jīng)內(nèi)分泌機制發(fā)揮功能,即通過特定的膜受體將GnRH分泌入垂體門脈，并影響細胞內(nèi)信號通路以調(diào)節(jié)GnRH的釋放并減少促性腺激素的分泌，進而調(diào)節(jié)初情期啟動及卵泡發(fā)育[42-43]。此外，5-HT可能通過受體激活導致cAMP水平升高，激活細胞內(nèi)PKA使PKA釋放催化亞基，促進CYP11A1和StAR(類固醇激素合成的主要限速酶)等的轉錄，調(diào)控卵巢中類固醇激素(包括P4、E2等)的合成，進而間接調(diào)節(jié)卵泡發(fā)育,顆粒細胞的分化及早期胚胎發(fā)育[44]。

在哺乳動物卵巢中，cAMP的作用之一是維持在前期Ⅰ內(nèi)的卵母細胞直至排卵，卵丘細胞提供維持卵母細胞減數(shù)分裂停滯所需的cAMP，從而允許cAMP和Ca2+離子的自由轉移[10,45-47]。5-HT可能是卵丘細胞及卵母細胞成熟和增殖過程中相互影響相互聯(lián)系的通道[33,48]。目前已確定在哺乳動物卵丘細胞中存在5-HT、TPH1，早期5-HT轉運蛋白及5-HT受體亞型組成的局部5-HT能網(wǎng)絡[5]。在卵丘細胞、卵母細胞和早期胚胎中，5-HT可能通過其受體介導發(fā)揮作用。小鼠卵丘細胞、卵母細胞和早期胚胎中存在5-HT[5-6]，且小鼠卵母細胞和胚胎中發(fā)現(xiàn)5-HT1D及5-HT7的表達[10]，在卵丘細胞中檢測到5-HT2A、5-HT2B和5-HT7受體，同時已在人類卵母細胞中發(fā)現(xiàn)了5-HT2A受體[8]。將5-HT添加到分離的Ⅱ期倉鼠卵母細胞中，可誘導Ca2+激增[49-50]。在小鼠卵丘卵母細胞復合體中添加5-HT或其激動劑則會導致卵丘細胞Ca2+和cAMP激增，可能通過小鼠卵丘細胞表達的5-HT2A、5-HT2B和5-HT7受體來調(diào)節(jié)細胞Ca2+和cAMP水平[10]。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)在哺乳動物卵母細胞減數(shù)分裂成熟過程中發(fā)揮了重要的作用[51]，卵丘細胞中MAPK的激活參與GVBD的發(fā)生，而升高的cAMP可以激活MAPK，進而誘導一個或多個觸發(fā)減數(shù)分裂恢復的信號的釋放[52-53](圖1)。

注：TPH作為5-HT的潛在來源存在于小鼠卵丘細胞。5-HT可能通過卵丘細胞表達的5-HT2A、5-HT2B和5-HT7受體提高Ca2+和cAMP的水平，進而可能通過間隙連接影響生發(fā)泡(GV)卵母細胞。5-HT1D和5-HT7受體在中期Ⅱ卵母細胞中表達，很可能影響其細胞cAMP水平。在卵丘細胞中，cAMP的升高與MAPK的激活有關，卵丘細胞中而非卵母細胞中MAPK的激活參與了GVBD。此外，cAMP升高可能調(diào)控類固醇激素(Steroid hormone)的合成。最后5-HT轉運蛋白SERT再攝取5-HT進行再循環(huán)或被MAO降解。實線代表已驗證的連接，虛線代表假設的聯(lián)系

總而言之，5-HT可能通過其受體影響卵丘細胞中cAMP及Ca2+水平，激活MAPK，誘導GVBD的發(fā)生，進而影響卵母細胞的成熟。

5 5-HT其受體家族對胚胎發(fā)育的影響

近年來，人們對5-HT及其受體家族對胚胎發(fā)育的影響進行了探究?；加斜奖虬Y(PKU)的患者，會出現(xiàn)氨基酸苯丙氨酸異常蓄積，并間接導致外周5-HT水平降低[54]，患者自然流產(chǎn)，宮內(nèi)發(fā)育遲緩和胎兒異常的發(fā)生率很高[55-56]。因此推測這些胚胎缺陷與宮內(nèi)環(huán)境中5-HT的缺失有關[57]。隨后在TPH1的小鼠基因敲除模型中，發(fā)現(xiàn)早期胚胎存在重大異常。但胚胎異常不是出現(xiàn)在具有純合TPH1-/-基因型的幼崽中，而是出現(xiàn)在TPH1-/-的妊娠母體產(chǎn)生的幼崽中[58]。這表明無論幼仔本身的基因型如何，母體5-HT的存在的確對正常胚胎發(fā)育必不可少[33,58]。

5-HT對胚胎發(fā)育的影響似乎具有濃度依賴性。外源添加1 g/L的5-HT抑制了小鼠的發(fā)育，較低質(zhì)量濃度的5-HT(0.01，0.10 g/L)略微降低胚胎發(fā)育，而0.000 1 g/L 5-HT對發(fā)育具有積極影響[59]。在4個卵裂球階段，用5-HT(5 μmol/L)預處理后進行冷凍保存所獲得的植入前小鼠胚胎的活力明顯增強[60]。體外培養(yǎng)小鼠的植入前胚胎，添加5-HT或5-HT激動劑舒馬曲坦后均會影響早期胚胎發(fā)育，使胚胎細胞凋亡增加，囊胚細胞數(shù)量減少，囊胚率下降[6,9]。通過羊膜內(nèi)和皮下注射5-HT來治療妊娠期大鼠，發(fā)現(xiàn)一定劑量5-HT會導致胚胎死亡和少數(shù)胚胎發(fā)育異常，較低劑量則無致命影響[61]。使用5-HT拮抗劑(賽庚啶)可在一定濃度抑制小鼠胚胎體外發(fā)育，且更高濃度則會阻止小鼠胚胎發(fā)育[62]。此外，5-HT或其受體拮抗劑可影響頭顱的發(fā)育，造成胚胎畸形[63-64]。

5-HT在胚胎發(fā)育中發(fā)揮重要的作用，但其機制尚不明確。5-HT可能通過5-HT1D、5-HT7受體發(fā)揮作用，也可能通過CaMKII依賴性信號轉導途徑或TREK通道影響胚胎發(fā)育過程。目前已在小鼠卵母細胞及胚胎發(fā)育的各個階段(包括受精卵、2-細胞胚胎、桑葚胚及囊胚時期)發(fā)現(xiàn)5-HT1D的表達，5-HT1D激動劑舒馬曲坦會顯著抑制小鼠胚胎的體外發(fā)育[9]。5-HT7在小鼠卵母細胞表達至4細胞階段消失[10]，推測5-HT7受體可能在卵母細胞成熟階段起作用，5-HT1D受體可能會在胚胎發(fā)育期發(fā)揮重要的作用。隨著色氨酸底物的增加，腺體5-HT增加，直接影響了胚胎的生存能力，當胚胎暴露于5-HT1D和5-HT7受體拮抗劑時，胚胎質(zhì)量顯著降低[65]。此外，小鼠晚期2-細胞胚胎對氟西汀(一種選擇性5-HT再攝取抑制劑)的低劑量和短期暴露可能通過激活CaMKⅡ依賴性信號轉導途徑來增加胚泡形成，而長期暴露則通過抑制TREK通道門控來降低小鼠早期胚胎發(fā)育。此外，促分裂原激活的MAPK主要由細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)、氨基末端激酶(JNK)及p38-MAPK這3條信號轉導途徑構成[66]。大量研究表明MAPK在卵母細胞成熟及胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[67-68]。同時5-HT可以增強JNK的活性，該激酶的作用與CaMKII和ERK1/2都有關系。因此，5-HT可能通過MAPK途徑影響胚胎發(fā)育，但這一猜測仍需驗證。此外,大量研究表明,色氨酸合成的另一產(chǎn)物Mel,可作為一種重要的抗氧化劑,在哺乳動物卵母細胞成熟,早期胚胎發(fā)育,克隆胚胎的早期發(fā)育過程發(fā)揮重要作用[69-73]。Mel與5-HT在哺乳動物卵母細胞成熟及胚胎發(fā)育中的存在及作用是否相互影響相互制約也有待探究。

6 總結與展望

5-HT及其受體家族廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)及外周組織，在神經(jīng)系統(tǒng)及胃腸道中研究較多，其與焦慮、抑郁等精神疾病的發(fā)生密切相關。本研究從5-HT合成及代謝過程入手，進而總結了5-HT受體家族的分類、結構及功能，并對5-HT及其受體家族對卵母細胞成熟和胚胎發(fā)育的影響進行了闡述，為進一步探究5-HT的生理作用奠定基礎。

隨著SSRI(選擇性5-HT再攝取抑制劑)作為一種抗抑郁藥應用到人類精神疾病中，雖然影響較小，但仍有一些研究報道，妊娠期使用此種藥物具有流產(chǎn)[74]、先天性畸形[75]、早產(chǎn)[76]及持續(xù)性肺動脈高壓[77]的風險[33]。因此母體5-HT水平與胎兒健康息息相關。我們目前已知5-HT在卵母細胞成熟，受精卵及胚胎發(fā)育的過程中起著重要的作用，但其在胚胎的作用時期及相應機制尚不明確，這仍是一個亟待解決的問題。此外，5-HT在雌性生殖組織中的調(diào)節(jié)機制還需進一步探究。相信對5-HT、5-HT受體及亞型的深入研究，將有助于揭示5-HT及其受體家族對生命早期作用的影響機制，為人類生殖與健康的研究提供新的思路。