雄激素對肺發(fā)育的影響

王邑塵,張進威,劉玲燕,肖葦航,李明洲,李學偉,馬繼登,*

（1.四川農業(yè)大學畜禽遺傳資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用四川省重點實驗室,中國四川 成都 611130;2.重慶市畜牧科學院,中國重慶 402460）

人胎肺的發(fā)育開始于妊娠26 d左右,首先在原始前腸上形成肺芽,而后肺芽不斷生長、分支[1],在出生前完成上皮細胞的分化,產生表面活性物質（pulmonary surfactant,PS）。出生后肺泡繼續(xù)增殖,體積和表面積增加,肺部毛細血管網逐漸成熟[2]。肺的成熟過程受到諸多因素的調節(jié),其中雄激素（androgen）在分支形態(tài)發(fā)生、PS產生等過程中都發(fā)揮重要作用。同時,男性的肺部發(fā)育通常較緩于女性。在肺臟中廣泛分布的雄激素受體（androgen receptor,AR）[3]為雄激素參與肺部發(fā)育提供支持。臨床證據顯示,2019冠狀病毒?。╟oronavirus disease 2019,COVID-19）[4]、新生兒呼吸窘迫綜合征（neonatal respiratory distress syndrome,NRDS）、慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD）、哮喘、肺癌等肺部疾病均表現(xiàn)出性別差異。這說明雄激素不僅參與性別分化和維持性征,同時在肺臟的發(fā)育和功能完善上也發(fā)揮重要作用。研究雄激素對非生殖器官的作用,可進一步豐富性激素的功能,使人們著力探究來源于性器官的睪酮（testosterone,T）等性激素如何以某種方式或途徑影響非生殖器官,同時也有助于進一步了解機體發(fā)育過程中性腺和肺部的發(fā)育情況,探究具有性別差異的肺部疾病如何受到雄激素影響,為疾病的產生及治療提供理論基礎。本文綜述了雄激素對肺發(fā)育及肺部不同結構的影響,討論了雄激素對肺功能紊亂的致病機理,這些內容進一步闡釋了雄激素對肺部組織的功能作用,可為研究雄激素非生殖相關的作用機制和闡釋性別差異疾病提供參考。

1 肺部的發(fā)育和功能

肺是動物呼吸系統(tǒng)的重要器官,是與外界進行氣體交換的場所。肺組織分實質和間質兩部分,實質由肺內支氣管的各級分支及其終端的大量肺泡組成,間質由結締組織及血管、淋巴管和神經等組成。人體肺部的發(fā)育始于妊娠4周,持續(xù)到成年,可以分為5個階段,即胚胎期、假腺體期、小管期、囊狀期以及肺泡期（表1）。具體來說:胚胎發(fā)育至4周左右時,內胚層卷曲形成原始消化管,其腹側上皮細胞外翻形成原始肺芽,原始肺芽分支到消化管兩側形成兩個肺芽,同時上皮細胞進入周圍的間充質,在間充質的誘導下開始不斷分支,第5周出現(xiàn)段支氣管,同時心臟延伸出肺動脈,在肺芽周圍形成毛細血管網;第7周結束后,肺部發(fā)育成類似管狀腺體的形態(tài),即假腺體期,這一時期氣管繼續(xù)分支,同時氣管壁細胞分化,形成軟骨和支氣管平滑肌等結構;16周進入小管期,立方上皮細胞分化為Ⅰ型肺泡上皮細胞（alveolar typeⅠcell,ATⅠ）和Ⅱ型肺泡上皮細胞（alveolar typeⅡcell,ATⅡ）,ATⅠ細胞變得更薄,與毛細血管共同形成氣血屏障,24周時即可檢測到PS;30周左右進入囊狀期,該時期是肺部發(fā)育的重要階段,PS開始分泌到氣管腔內,平滑肌細胞前體開始構建彈性纖維和膠原纖維的纖維網絡,為之后的肺泡期做準備;肺泡期是肺部發(fā)育的最后階段,主要對肺泡、肺血管等進行完善,出生時肺部并沒有發(fā)育完全,大約80%的肺泡都是在出生后發(fā)育成的,這一階段可持續(xù)到成年[2,5～8]。

表1 肺的發(fā)育階段[5～6]Table 1 Lung development stages[5～6]

2 雄激素及其受體

2.1 雄激素的產生

雄激素屬于類固醇激素,是雄性激素的總稱,主要包括T、雙氫睪酮（dihydrotestosterone,DHT）等。雄激素在雄性和雌性體內都存在,雄性主要由睪丸分泌,而雌性主要由腎上腺皮質及卵巢分泌[9]。雄激素從膽固醇逐步合成加工而來。膽固醇通過位于線粒體膜中的P450側鏈裂解酶轉化為孕烯醇酮。孕烯醇酮可以轉化為脫氫表雄酮（dehydroepiandrosterone,DHEA）,DHEA經3β-羥基類固醇脫氫酶（3β-hydroxysteroid dehydrogenase,3β-HSD）進一步轉化為雄烯二酮或經17β-HSD轉化為T[10～11]。T可以經由5α-還原酶轉變?yōu)镈HT,其生物活性比T高[12]。肺中的雄激素來源可大致分為兩種,一是來源于循環(huán)雄激素,在男性胎肺中第9周就可以觀察到來源于睪丸的循環(huán)雄激素[13],另外,人胎肺具有通過17β-HSD5的表達從循環(huán)前體合成雄激素的能力,同時特定的細胞類型可以通過17β-HSD2的表達促進雄激素的失活[14]。

2.2 雄激素的作用機制

AR屬于核受體超家族中的類固醇受體,一般由3個主要功能域組成:N端轉錄激活區(qū)（N terminal domain,NTD）、DNA 結合區(qū)（DNA binding domain,DBD）、配體結合區(qū)（ligand binding domain,LBD）[15]。在大多數情況下,T及其代謝產物5α-DHT通過與AR結合來觸發(fā)作用。正常情況下,AR與熱休克蛋白（heat shock protein,HSP）形成復合物以無活性形式存在于細胞質中,當T或DHT進入胞質后,AR經歷構象變化,從原來的復合物上解離,形成有活性的單體并進入細胞核[16],二聚化后招募共激活因子,結合相應靶基因啟動子區(qū)域內存在的雄激素響應元件（androgen response element,ARE）,調節(jié)靶基因的轉錄[17]。雄激素調節(jié)的靶基因廣泛參與多種生理生化過程,如影響肺臟的脂質代謝、細胞增殖[18]和氧的運輸[19]等。雄激素除了通過經典的基因組途徑發(fā)揮功能外,還可通過激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）或與性激素結合球蛋白（sex hormone-binding globulin,SHBG）結合等非基因組途徑發(fā)揮調控效應[20]。

3 雄激素對肺發(fā)育的影響

3.1 支氣管樹

支氣管樹是肺部的重要組成部分,為氣體交流提供了必要通道。支氣管的形成是一個復雜的過程,簡單來說,肺芽（肺部）伸長并開始重復分支,向周圍的間充質中生長,每個分支都會產生新一代氣管[21],從支氣管（第1級）至肺泡（24級）,這種分支管道共同構成肺臟的支氣管樹。整個支氣管樹的形成依賴于分支形態(tài)發(fā)生,這一過程涉及上皮-間充質相互作用模式、細胞增殖和分化等重要過程[22]。

3.1.1 支氣管上皮

支氣管上皮是AR表達的部位之一,在分支形態(tài)發(fā)生過程中發(fā)揮作用[3],為雄激素對支氣管樹的調控提供基礎。分支形態(tài)發(fā)生主要存在于小鼠的假腺體期（GD 9.5～16.5）[23]。Levesque 等[24]在研究DHT對體外培養(yǎng)胎肺的影響中發(fā)現(xiàn),雄激素可以通過AR途徑調控細胞增殖和程序性死亡,進而促進分支形態(tài)發(fā)生,該團隊推測這種機制可能是由于細胞周期調節(jié)基因c-Myc受到雄激素調控,但并未對其進行驗證;后來Wang等[25]的研究證明,AR可以作用于c-Myc基因的增強子;直到2013年,Ni等[26]在大汗腺癌的研究中闡明了雄激素通過AR影響c-Myc基因的機制,這才為Levesque等的推測提供了理論基礎。肺的大多數上皮細胞由上皮祖細胞迅速增殖并分化而來[27],因此保證上皮細胞在合適的時間分化為行使各自功能的細胞群體對于肺部的發(fā)展非常重要。這一過程受到諸多因素的調節(jié),例如miR-92a-1-5p。miR-92a-1-5p的作用是保持祖細胞的增殖狀態(tài),然而,在GD 17時miR-92a-1-5p被雄激素下調[18],這可能意味著在該關鍵時間點,雄激素促進上皮細胞由增殖向分化狀態(tài)轉變;與此同時,小鼠肺中的雄激素水平在GD 16左右開始明顯升高[28],推測這種抑制效果可能存在劑量效應,即較高水平的雄激素會下調miR-92a-1-5p,從而促進氣管結構的發(fā)展。當然,這種推測還需進一步驗證。此外,成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor,FGF）在肺發(fā)育的假腺體期也起到至關重要的作用。間質產生的FGF10[29]可以通過上皮成纖維細胞生長因子受體2b（fibroblast growth factor receptor 2b,FGFR2b）發(fā)出信號,以促進上皮增殖和分化[30],而FGF10同樣受到雄激素的調控[31]。

3.1.2 氣道平滑肌

氣道平滑?。╝irway smooth muscle,ASM）具有調節(jié)氣道口徑的作用[32],同時也參與分支形態(tài)的構建[33]。ASM劇烈收縮是哮喘癥狀的主要表現(xiàn)。近幾年關于雄激素對ASM作用的研究越來越多[34～40]（表2）。Kouloumenta等[34]針對兔的研究顯示,T可以以非基因組方式松弛乙酰膽堿（acetylcholine,ACh）或卡巴膽堿（carbamylcholine,CCh）預收縮的ASM,這種作用方式似乎是建立在氣道上皮細胞完整的條件下,因為其機械去除氣道上皮層可以降低松弛效果。但是,在Bordallo等[35]的研究中上皮移除不會改變牛氣管中的雄激素松弛效應,這與Kouloumenta等的結果矛盾,另外,該研究還提出了雄激素通過阻斷電壓門控的鈣通道（voltageoperated Ca2+channel,VOCC）引起ASM松弛的可能性。隨后,Montao等[36]慢慢闡明了雄激素對ASM的作用機制,證明了T主要通過阻斷PLCβ-IP3信號通路,減少由CCh等激動劑造成的內質網Ca2+的泵出,從而舒張已經收縮的ASM。然而,不同雄激素的作用方式也有差異,5β-DHT對KCl誘導的ASM收縮的抑制比T更強烈[37],其主要通過L型電壓門控Ca2+通道來控制胞外Ca2+內流。不同雄激素之間的調控差異可能與其構象有關,5β-DHT特有的構象使其更容易與電壓門控通道作用[38]。

表2 雄激素對ASM的影響Table 2 The effects of androgens on ASM

此外,雖然ASM細胞存在AR的表達[41],但雄激素可能主要通過非基因組途徑對ASM發(fā)揮作用,因為其反應時間通常較短（數秒至數分鐘[42]）,不足以讓相應的基因轉錄[43]。但也有研究認為,在哮喘、炎癥過程中表達增加的AR可以通過基因組的方式下調Ca2+,從而緩和氣道高反應性（airway hyperresponsiveness,AHR）[44]。雄激素是否以不同的方式作用于ASM還有待研究。

3.2 肺泡

肺泡包含兩種上皮細胞類型,即Ⅰ型（ATⅠ）和Ⅱ型（ATⅡ）肺泡上皮細胞。ATⅠ細胞形成大部分上皮細胞,主要行使氣體交換功能,參與構成氣血屏障,但沒有增殖能力;ATⅡ細胞僅占外周肺細胞的約15%,可以增殖分化成為ATⅠ細胞,同時具有分泌功能,可以分泌PS以降低肺泡的表面張力,通過防止肺泡塌陷來減少呼吸功[19]。

3.2.1 肺泡發(fā)育

PS分泌過程受影響的典型癥狀是NRDS,該癥狀有性別差異,多發(fā)生在男性早產兒當中。PS主要由磷脂組成,在呼氣時起到保持肺泡穩(wěn)定性的重要功能。PS含有4種蛋白質:SP-A、SP-B、SP-C和SP-D,它們在PS顆粒的適當包裝、維持肺泡完整性、肺泡損傷修復[45～46]以及肺的免疫防御系統(tǒng)[47]中起關鍵作用。ATⅡ細胞的成熟與PS的分泌受成纖維細胞和鄰近ATⅡ的細胞間通訊調節(jié)[48],各種調節(jié)因子刺激ATⅡ細胞成熟并產生PS[49],例如:表皮生長因子（epidermal growth factor,EGF）有利于細胞間的通訊,可以促進胎兒肺ATⅡ細胞成熟[50]。近年來,越來越多的證據表明雄激素參與調控ATⅡ細胞分泌PS的過程。Lee等[48]的研究發(fā)現(xiàn),DHT通過激活SRC增加EGF通路的活性,以促進胎兒ATⅡ細胞成熟。相關研究報道,肺PS中磷脂的合成可能依賴于雄激素的刺激[51]。此外,有研究認為,雄激素可以作用于成纖維細胞,延緩成纖維細胞與ATⅡ細胞間的通訊調節(jié)[49];Klein等[52]的研究證明,在胎兒發(fā)育過程中雄激素會降低EGF與受體的結合活性;Bresson等[31]發(fā)現(xiàn),雄激素通過Klf5基因影響轉化生長因子-β （transforming growth factor-β,TGF-β）途徑和PS中板層小體的形成;Bouhaddioui等[18]認為,雄激素可以促進Creb1的表達,并通過miR-130a下調Zeb2的表達,參與ATⅠ、ATⅡ上皮細胞的分化。上述研究結果顯示了雄激素對肺泡發(fā)育的復雜影響,而非僅局限于促進或抑制。

目前來看,雄激素對肺部發(fā)育的影響更像是機體自身的調控現(xiàn)象,因為肺上皮本身也具有產生雄激素的能力,在ATⅡ細胞分化成熟及PS分泌的同時,17β-HSD5[34]、17β-HSD2[53]和雄激素[5]的水平也在上升。有研究人員針對這一現(xiàn)象做出推測:雄激素對ATⅡ細胞的作用是調節(jié)其成熟狀態(tài)的正常生理過程,低水平的雄激素促進肺泡發(fā)育,高水平的雄激素則出現(xiàn)抑制效果,17β-HSD5和17β-HSD2在ATⅡ細胞成熟時表達上升是為了控制雄激素水平,而男性的肺相比于女性的肺發(fā)育延遲則可能是由于男性除ATⅡ細胞自身來源之外的雄激素[54]。這一推測有別于人們常認為的雄激素在肺泡成熟中的抑制作用,一定范圍內的雄激素是否有益于肺泡發(fā)育值得進一步探究。

另外,出生于37周前的早產嬰兒,通常肺部發(fā)育不足[55],提前暴露在O2中可能導致氧化損傷[56],而且還會影響肺泡發(fā)育以及免疫系統(tǒng)等[57],這可能會影響ATⅡ細胞的發(fā)育,導致PS未產生或量不足時雄激素就已經開始對其進行負調控,這或許可以解釋NRDS在男性早產兒中的高發(fā)病率。此外,有研究探究了O2和雄激素對肺發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)無論高氧（80%）還是正常情況下抗雄激素氟他胺都會阻礙肺部發(fā)育,而外源施加DHT會加重高氧對肺部的影響[58],這提示雄激素參與調控高氧對肺部的影響。另有研究報道,降鈣素基因相關肽（calcitonin gene related peptide,CGRP）在大鼠性器官中顯示出雄激素依賴性[59],而CGRP可以降低高氧對肺部的損傷[60],但雄激素是否可以通過CGRP影響肺部高氧損傷還有待驗證。

總之,以往普遍認為的雄激素抑制肺泡發(fā)育的觀點似乎受到了挑戰(zhàn),相反,適量的雄激素可能有助于肺泡發(fā)育,當雄激素水平達到一定程度時開始顯現(xiàn)抑制肺泡發(fā)育的效果,這一觀點或許可為NRDS的治療等提供新的思路,值得進一步探究。

3.2.2 肺泡液體清除

肺泡液體清除（alveolar fluid clearance,AFC）在新生兒適應空氣呼吸和消除肺水腫等方面有重要意義,AFC不足也會導致NRDS。該過程由ATⅠ和 AT Ⅱ細胞的 Na+轉運驅動[61～62]。Na+先通過位于ATⅠ和ATⅡ細胞頂側的上皮Na+通道（epithelial sodium channel,ENaC）進入上皮細胞,然后通過基底側的Na-K-ATP泵進入肺微循環(huán),這種離子轉運會產生滲透驅動力,導致流體通過水通道蛋白5（aquaporin 5,AQP5）并沿滲透梯度向下,由肺泡吸收進入間質或血流中[63～64]。

肺泡Na+轉運存在性別差異,雄性胎兒的肺泡細胞Na+轉運活性通常低于雌性。有研究發(fā)現(xiàn),雄激素可能會導致肺上皮細胞中的ENaC和Na-K-ATP酶亞基表達水平降低,但性別間的差異更多的是源于雌性中雌激素的影響[65]。Haase等[66]的研究證明,DHT會降低肺泡上皮細胞中ENaC和Na-K-ATP酶亞基的mRNA表達,但抑制效果不明顯,而T對這一過程無影響。這無法確定雄激素對ENaC的影響。不過,鑒于α-ENaC的啟動子序列中確實存在ARE[67],本文作者查閱了在其他組織中的相關研究以提供一些線索:對睪丸切除的大鼠進行T治療可以增加腎臟中ENaC mRNA的表達,施用氟他胺則會抑制這一過程[68],相反,在雌性大鼠腎臟中DHT會抑制ENaC亞基的表達[69],這些研究結果雖然相矛盾,但至少表明雄激素可以通過AR途徑影響ENaC,不同的結果可能源于不同性別之間的差異。目前,關于雄激素對AFC的影響的相關文獻不多,兩者之間存在怎樣的調控仍需進一步探究。

3.3 免疫細胞

肺部行使著與外界進行氣體交換的功能,與外界空氣接觸頻繁?？諝庵泻写罅康姆蹓m、細菌等物質,雖然有鼻腔作為防御外界有害物質的第一道防線,但仍有一些有害物質進入肺部,進而引發(fā)哮喘等炎癥,所以保證肺部免疫細胞的正常功能尤為重要。關于雄激素如何影響免疫系統(tǒng)的研究頗多,本文僅針對雄激素對肺部免疫的影響,并以哮喘為主線進行概述。

哮喘是氣道的慢性疾病,主要表現(xiàn)為支氣管免疫細胞高反應性,即氣道狹窄、黏液產生過多等[70]。青春期前男性哮喘患病率較高,青春期后降低[71],其后隨著年齡的增長發(fā)病率再次升高[72]。這可以用體內雄激素含量來解釋,青春期后雄激素含量明顯上升[73],而隨著年齡的增加,生殖機能下降,雄激素水平降低,故哮喘發(fā)病率再次提高。而且,雄激素的一些效應機制也支持這一觀點,例如:雄激素對ASM的松弛作用可能有助于增加氣管通氣能力;DHT可以通過AR促進巨噬細胞M2極化[74],降低炎癥反應;雄激素在正常狀態(tài)下會限制骨髓中Ⅱ型固有淋巴細胞（type 2 innate lymphoid cell,ILC2）祖細胞的發(fā)育,控制ILC2數量,而在炎癥狀態(tài)下會抑制ILC2產生其他細胞因子[75]（如有產生黏液功能的IL-13[76]、控制嗜酸性粒細胞和肥大細胞活化的IL-5[71]等）,進而緩解哮喘。這體現(xiàn)了雄激素對TH2型哮喘的影響,然而,哮喘是一種復雜的異質性疾病[77],由諸多因素引起,涉及整個呼吸系統(tǒng),雄激素是否影響其他類型的哮喘以及作用于其他部位（如同樣有AR表達的鼻黏膜[78]）還無法確定。鑒于已有實驗證明注射T可以緩解患者的哮喘癥狀,進一步探究雄激素對哮喘的影響機制有助于誕生新的哮喘治療思路。

4 展望

越來越多的證據表明雄激素對肺的發(fā)育及功能有著復雜的影響,而不是人們曾經所認為的減緩肺部發(fā)育。雄激素可以通過基因組和非基因組的方式作用于肺,同時,參與細胞生長、凋亡、免疫功能、脂質代謝[79]以及氧氣運輸、鐵離子結合[19]等方面的基因也受到雄激素影響。本文對文獻[18]和[31]的研究數據進行了整合（圖1）,以期更直觀地體現(xiàn)受到雄激素促進（綠色）或抑制（紅色）調控的基因,這些受影響的基因或功能在肺中所扮演的角色值得進一步探究。目前,大多數研究著眼于肺中受到雄激素調控的DNA和mRNA,而關于雄激素如何影響lncRNA等其他非編碼RNA的研究較少。此外,單細胞測序等新技術在肺部中的應用也越來越多,研究肺部不同細胞間的雄激素差異表達基因可以更為精確地找到雄激素的作用對象。

圖1 部分受到雄激素調節(jié)的基因（根據文獻[18]和[31]整合而成）雄激素直接或通過miRNA間接影響目的基因,綠色:促進;紅色:抑制。Fig.1 Partially androgen-regulated genes（based on References[18]and[31]）The target gene is directly affected by androgens or indirectly through miRNA.Green line:Promotion;Red line:Suppression.

性激素之間的相互影響也是值得探究的方面,例如T可在芳香化酶P450的作用下轉變?yōu)榇贫糩80],這使得雄激素對肺部的影響過程更加復雜。探究不同性別肺部中性激素的作用差異有助于理清性激素與肺部之間的作用網絡。

此外,肺部疾病影響著人們的正常生活,相關疾病的治療方式備受人們關注,而多數對于肺部疾病的研究是在鼠中進行的,豬作為接近人體構造的模式動物,對其進行肺部疾病研究可以在一個更接近人體環(huán)境的條件下驗證新治療方法的可能性,提供新的治療思路。

雖然本文未對肺癌與肺正常組織之間的差異進行概述,但因為人們對癌癥的重視,雄激素在肺癌方面的研究眾多。例如:在人非小細胞肺癌細胞系中,雄激素可以通過AR途徑對一些基因進行調控[81],這說明雄激素對正常肺部和癌癥的調節(jié)有相似之處。探究雄激素對肺癌的作用以及肺癌與正常組織間的異同或許會在雄激素對肺的影響方面有新的見解。