性激素與生物鐘系統(tǒng)關(guān)系的研究進(jìn)展

李 娜，劉 煜

南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院內(nèi)分泌科，江蘇 南京 211166

生物鐘是生命為適應(yīng)地球光照以及溫度等環(huán)境因子周期變化而演化的內(nèi)在自主計(jì)時(shí)機(jī)制。地球自轉(zhuǎn)決定了這些環(huán)境因子以大約24 h 為周期循環(huán)變化，從而導(dǎo)致生命過(guò)程也形成了以大約24 h為周期的近晝夜節(jié)律。在分子水平上，機(jī)體的晝夜節(jié)律是由生物鐘基因規(guī)律性表達(dá)產(chǎn)生，即使在沒(méi)有周期性環(huán)境刺激的情況下，機(jī)體的晝夜節(jié)律也能保持一定的自主節(jié)律。生物鐘系統(tǒng)可以影響基因的表達(dá)、激素的分泌、機(jī)體的代謝和行為等［1］，其中性激素水平也呈晝夜節(jié)律性。另外，生物鐘也受一部分外在環(huán)境因素的影響。很多研究表明，性激素在受生物鐘系統(tǒng)影響的同時(shí)，也能反過(guò)來(lái)作用于生物鐘系統(tǒng)［2］。生物鐘的紊亂會(huì)使機(jī)體內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變而導(dǎo)致包括生殖系統(tǒng)疾病在內(nèi)的一系列疾病的發(fā)生［3-4］，而性激素也可以通過(guò)影響生物鐘基因的表達(dá)，來(lái)影響機(jī)體的代謝和生殖等功能［5］。近年來(lái)，性激素和生物鐘的相互作用在生殖系統(tǒng)疾病發(fā)生和發(fā)展中的作用越來(lái)越受到關(guān)注。因此，為了更好地了解性激素生物節(jié)律紊亂在生殖系統(tǒng)的作用，本文就性激素與生物鐘系統(tǒng)之間的關(guān)系予以綜述。

1 生物鐘系統(tǒng)與生物鐘基因

生物鐘是生物適應(yīng)光線、溫度等環(huán)境因子晝夜周期性變化的一種內(nèi)在機(jī)制。哺乳動(dòng)物生物鐘系統(tǒng)的中心起搏器或振蕩器位于下丘腦視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），也被稱為中樞生物鐘起搏器，其還決定了大腦其他部分以及外周組織的生物節(jié)律。外周生物鐘網(wǎng)絡(luò)遍布于機(jī)體幾乎所有的器官與組織中，包括肝臟、胰腺、心、腎、肺、腸道、脂肪、骨骼肌與平滑肌等。而生物鐘系統(tǒng)受一組特殊基因的轉(zhuǎn)錄/翻譯自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋環(huán)調(diào)控，稱為生物鐘基因，且機(jī)體很多細(xì)胞都存在著生物鐘基因轉(zhuǎn)錄因子的自我調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄/翻譯反饋回路［6］。

生物鐘基因主要包括芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白樣1（brain and muscle ARNT?like protein 1，Bmal1）基因、時(shí)鐘基因（CLOCK）、隱色素（cryptochrome，Cry）1基因、Cry2 基因、周期（period，Per）1 基因、Per2 和Per3 基因等。轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子Bmal1 和CLOCK 是振蕩器的中心，Bmal1?CLOCK二聚體結(jié)合到目的基因啟動(dòng)子E?box序列（CACGTG）中，并促進(jìn)Pers和Crys基因的轉(zhuǎn)錄。而在經(jīng)過(guò)酪蛋白激酶磷酸化等修飾后，Pers 和Crys 蛋白二聚體可以從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核并抑制Bmal1?CLOCK 基因的轉(zhuǎn)錄，從而抑制其自身的表達(dá)［7］。另外，Bmal1?CLOCK二聚體還能夠促進(jìn)反紅細(xì)胞增多病毒（reverse?erythroblastosis，REV?ERB）和視黃酸受體相關(guān)孤兒受體（retinoic ac?id receptor?related orphan receptor，ROR）的表達(dá)，但當(dāng)REV?ERB 和ROR 蛋白在轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核后，REV?ERB 蛋白抑制Bmal1的表達(dá)，而ROR蛋白則促進(jìn)其表達(dá)［8］。因此，在生物鐘基因轉(zhuǎn)錄/翻譯的基礎(chǔ)上，細(xì)胞內(nèi)形成了一個(gè)相對(duì)保守的自我調(diào)節(jié)反饋回路。

2 性激素與生物鐘系統(tǒng)的關(guān)系

2.1 性激素分泌的生物節(jié)律

女性分泌的性激素主要包括雌激素、孕激素及少量雄激素。成年女性性激素水平存在明顯晝夜節(jié)律、月經(jīng)周期、更年期等周期變化，而且在卵巢濾泡功能的不同生理階段存在較大差距［9］。17β?雌二醇（estradiol，E2）在女性初潮前有明顯的晝夜節(jié)律，上午達(dá)最高點(diǎn)，而午夜至最低點(diǎn)，但在初潮后1年其節(jié)律性消失。卵泡刺激素（follicle stimulating hor?mone，F(xiàn)SH）在早期卵泡期和晚期卵泡期均呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律性，且FSH 水平在夜間較高［10］，但有人認(rèn)為兩者的波動(dòng)僅與睡眠有關(guān)［11］。

另外，青春期前男性激素一直處于較低水平，青春期開(kāi)始快速上升，青春期后分泌逐漸上升并表現(xiàn)出晝夜節(jié)律變化，但老年男性的睪酮水平降低且其晝夜節(jié)律消失。游離睪酮（free testosterone，F(xiàn)T）即未與性激素結(jié)合球蛋白（sex hormone binding glob?ulin，SHBG）結(jié)合的睪酮濃度在深夜和早晨的差異很大，F(xiàn)T在早晨較高，傍晚后降低，但與SHBG 結(jié)合的睪酮一般變化不大，而青春期前和青春期女性體內(nèi)睪酮的日變化也顯示出與男性睪酮水平相同的規(guī)律［12］。一般而言，SCN決定了晝夜節(jié)律的時(shí)相，該時(shí)相控制各種生殖激素釋放的時(shí)間，從而導(dǎo)致機(jī)體的激素水平呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性分布［13］。

2.2 性激素對(duì)生物鐘系統(tǒng)的影響

2.2.1 雌激素對(duì)生物鐘系統(tǒng)的影響

雌激素的分泌存在明顯的生物節(jié)律，且生物鐘基因也影響雌激素合成，而雌激素對(duì)維持生物鐘穩(wěn)定也發(fā)揮重要作用。雌激素可以影響不同組織生物鐘基因的表達(dá)，包括腦、子宮和卵巢等［14］。在雌激素的誘導(dǎo)下，SCN 組織Per2 mRNA 表達(dá)的峰值提前出現(xiàn)，而Per1 mRNA 的表達(dá)節(jié)律則沒(méi)有改變，但大腦皮層組織Per1 和Per2 mRNA 表達(dá)均無(wú)明顯改變，這一結(jié)果可能是雌激素在各組織的雌激素受體分布不同而導(dǎo)致對(duì)這2 種基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)存在差異［15］。Quintela等［16］發(fā)現(xiàn)雌激素通過(guò)與雌激素受體結(jié)合可以增加脈絡(luò)叢中Bmal1、Per1 和Per2 的表達(dá)。此外，去卵巢雌性小鼠的時(shí)差發(fā)生紊亂后，其代謝水平也隨之改變，包括內(nèi)臟脂肪組織重量增加、脂肪細(xì)胞變大和脂肪相關(guān)基因表達(dá)增加，而皮下注射雌激素后未見(jiàn)類似改變，這一現(xiàn)象可能與雌激素對(duì)Cry1、Per2和Per3等生物鐘基因的影響有關(guān)［17］。由此可見(jiàn)，雌激素不僅同時(shí)影響中樞生物鐘和外周生物鐘，而且對(duì)外周不同組織生物鐘基因的調(diào)節(jié)也存在明顯差異。

2.2.2 雄激素對(duì)生物鐘系統(tǒng)的影響

有學(xué)者認(rèn)為睪酮不受光暗周期和SCN 的控制，而是直接依賴于睡眠。在一些哺乳動(dòng)物中，睪酮可以通過(guò)結(jié)合SCN 內(nèi)表達(dá)的雄激素受體來(lái)調(diào)節(jié)SCN的結(jié)構(gòu)與功能，包括SCN 對(duì)光的反應(yīng)［18］。另外，雄性大鼠青春期活動(dòng)等晝夜節(jié)律的改變較雌性大鼠更為顯著［18］，而且人類在青春期時(shí)會(huì)傾向于夜間睡眠模式，男性比女性更明顯［19］，以上均提示雄激素水平可能影響機(jī)體生物鐘的調(diào)節(jié)。

雄激素對(duì)生物鐘基因的表達(dá)也起到重要作用。在無(wú)脈沖光時(shí)，對(duì)照組、二氫睪酮處理組和去雄小鼠SCN的Per1和Per2表達(dá)無(wú)明顯差異，而在經(jīng)過(guò)脈沖光處理后，去雄小鼠SCN Per2的表達(dá)在傍晚時(shí)減少，Per1的表達(dá)在午夜增加，表明雄激素對(duì)SCN的影響依賴于光照刺激［19］。另外，CLOCK 和Per2蛋白在卵巢顆粒細(xì)胞的有腔卵泡中廣泛表達(dá)，且在睪酮刺激后，CLOCK 和Per2 呈周期性表達(dá)［20］，而且在大鼠多囊卵巢綜合征（polycystic ovarian syn?drome，PCOS）模型中，雄激素影響各個(gè)外周生物鐘間的同步性［3］，這可能是PCOS發(fā)病機(jī)制之一。

3 性激素生成相關(guān)細(xì)胞與生物鐘系統(tǒng)的關(guān)系

3.1 生物鐘基因在卵巢各類細(xì)胞的表達(dá)

生物鐘基因能夠在生殖組織中廣泛表達(dá)，如卵巢組織［21］。大鼠黃體細(xì)胞（luteal cell，LC）中Per2蛋白呈節(jié)律性表達(dá)，而其在竇前卵泡和竇卵泡顆粒細(xì)胞（granulosa cells，GC）中的表達(dá)無(wú)節(jié)律性。青春期前大鼠卵巢組織Per1和Bmal1表達(dá)水平較低且無(wú)節(jié)律性，而在卵泡發(fā)育過(guò)程中，促性腺激素刺激后的生物鐘基因開(kāi)始呈節(jié)律性表達(dá)［22］。而且有研究發(fā)現(xiàn)人類竇卵泡GC 表達(dá)CLOCK 和Per2 蛋白，但兩者在原始卵泡和竇前卵泡中并不表達(dá)［20］。另外，F(xiàn)SH和黃體生成素（luteinizing hormone，LH）可以在體外影響顆粒細(xì)胞生物鐘基因的表達(dá)［23］。因此，生物鐘基因的節(jié)律性僅局限于成熟的GC及LC中，反映了細(xì)胞生物鐘的發(fā)展過(guò)程。

3.2 生物鐘基因?qū)β殉蚕嚓P(guān)細(xì)胞的作用

近年來(lái)，很多研究開(kāi)始關(guān)注卵巢時(shí)鐘的生理意義，且大多是利用嚙齒類動(dòng)物的GC 和卵泡膜細(xì)胞（theca cells，TC）來(lái)研究的。Mereness 等［24］在小鼠體內(nèi)分別特異性敲除TC 和GC 中的Bmal1（敲除后分別簡(jiǎn)稱為TCKO 和GCKO）后發(fā)現(xiàn)，生殖周期、排卵前LH、孕酮、卵巢形態(tài)及行為均未見(jiàn)明顯改變，而黃體生成素/人絨毛膜促性腺激素受體（luteinizing hor?mone/choriogonadotropin receptor，LHCGR）在TCKO小鼠卵巢中的表達(dá)節(jié)律與對(duì)照組和GCKO 組不同，且TCKO 小鼠的排卵數(shù)和生育力下降，提示TCKO小鼠對(duì)LH的敏感性下降，因此表明Bmal1對(duì)生殖系統(tǒng)的重要性。另外，卵巢的時(shí)鐘還影響甾體類激素的合成。用小干擾RNA（small interfering RNA，siR?NA）抑制GC 中Bmal1 的表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，Per1、Per2、REV?erbα、FSH 受體、Cyp11a1、Cyp19a1 及StAR 的表達(dá)均下降，且Bmal1可以通過(guò)PI3K/AKT/mTOR 途徑來(lái)降低孕酮和E2 的分泌［25］。另外，有學(xué)者用CLOCK siRNA 處理GC 后發(fā)現(xiàn)雌激素和細(xì)胞色素P450 芳香化酶（cytochrome P450 aromatase，P450arom）mRNA 均顯著降低，其可能的機(jī)制是P450arom基因啟動(dòng)子區(qū)域含有的E?box元件能夠與CLOCK?Bmal1 二聚體結(jié)合，而CLOCK敲除后，P450arom mRNA 及雌激素水平亦降低；而用Per2 siRNA 處理GC 后發(fā)現(xiàn)孕酮和StAR mRNA 表達(dá)升高，可能是因?yàn)镾tAR 啟動(dòng)子區(qū)域含有的E?box元件也與CLOCK?Bmal1二聚體結(jié)合發(fā)揮作用，而此時(shí)Per2基因減少，因此StAR與CLOCK?Bmal1結(jié)合增加而使孕酮和StAR mRNA表達(dá)升高［26］。REV?ERBα在生物鐘系統(tǒng)中是一種重要負(fù)性因子。在成熟GC 中，GSK4112（一種REV?ERBα激動(dòng)劑）可以抑制Bmal1及Per2 的表達(dá)，而且REV?ERBα還可以通過(guò)與啟動(dòng)子區(qū)域ROR 反應(yīng)元件結(jié)合而抑制氨基酮戊酸合成酶1、過(guò)氧化物酶體增殖激活受體共激活因子1α和白介素?6的表達(dá)，從而影響排卵和孕酮的產(chǎn)生［27］。

4 生物鐘系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)疾病

一些學(xué)者在許多組織的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了控制時(shí)鐘基因的分子機(jī)制，隨后又提出時(shí)鐘也對(duì)生育生殖能力有影響［28-29］。生育能力是由下丘腦?垂體?性腺軸（HPG 軸）和2 個(gè)下丘腦神經(jīng)元調(diào)控的，包括親吻肽神經(jīng)元和促性腺激素釋放激素（gonadotropin?re?leasing hormone，GnRH）神經(jīng)元［30-31］。HPG軸上各個(gè)生物鐘的協(xié)調(diào)維持正常的生殖功能，而生物鐘基因多態(tài)性等原因?qū)е翲PG 軸上的生物鐘失同步，很可能是一些生殖系統(tǒng)疾病的病因之一。此外，外周的生物鐘模式與褪黑素和皮質(zhì)醇的生物節(jié)律相一致，且激素水平機(jī)體穩(wěn)態(tài)［32-35］。輪班工作、時(shí)差綜合征及睡眠不足等因素會(huì)影響女性性激素的生物節(jié)律，進(jìn)而影響子宮、卵巢和SCN 生物鐘基因的表達(dá)水平，并進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)體生殖功能的紊亂［36］，如受孕率下降、流產(chǎn)率上升和乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)增加等［37］。其中，PCOS是育齡期女性常見(jiàn)的內(nèi)分泌疾病［38］，以無(wú)排卵、稀發(fā)排卵和高雄激素為特征［39］，但其發(fā)病機(jī)制并不明確。有研究發(fā)現(xiàn)PCOS患者GC中Bmal1的表達(dá)較正常女性降低，提示PCOS 的發(fā)病可能與生物鐘有著重要聯(lián)系［20］。Chen 等［20］用睪酮刺激人類黃體顆粒細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)Per2和CLOCK基因呈節(jié)律性表達(dá)，且與甾類激素生成有關(guān)的Cyp11A1、Cyp19A1 和StAR 表達(dá)增加，其中StAR呈晝夜節(jié)律性表達(dá)，表明PCOS患者高雄狀態(tài)不僅影響激素水平，而且可能引起機(jī)體晝夜節(jié)律的紊亂。另外，有人用雄激素處理雌性大鼠模擬PCOS，發(fā)現(xiàn)雄激素不僅擾亂大鼠的發(fā)情周期，而且使各個(gè)外周生物鐘（包括生殖和代謝相關(guān)的結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，從而可能導(dǎo)致體內(nèi)疾病狀態(tài)的發(fā)生［3］。因此，PCOS患者體內(nèi)雄激素水平的升高對(duì)生物鐘系統(tǒng)的影響可能加速了患者疾病的進(jìn)程。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，HPG軸上的分子時(shí)鐘對(duì)生殖功能的影響備受關(guān)注。生物鐘系統(tǒng)在維持HPG 軸功能的過(guò)程中發(fā)揮重要作用，同時(shí)生物鐘的紊亂與各種病理生理狀態(tài)密切相關(guān)。人們對(duì)性激素和生物鐘系統(tǒng)關(guān)系的研究可能有助于揭示一些生殖系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制。然而性激素與生物鐘相互作用及其機(jī)制仍不清楚，生物鐘在SCN中分子調(diào)節(jié)機(jī)制、生物鐘系統(tǒng)通過(guò)影響促性腺激素的分泌對(duì)卵巢時(shí)鐘和甾體類激素合成的作用機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。