鞘脂代謝在不孕不育中的研究進(jìn)展

王紀(jì)田，石拴霞，魏璐曉，宋誠，程耀萍,王玲*

世界衛(wèi)生組織(WHO)將不孕癥定義為育齡夫婦婚后在適當(dāng)、定時、無保護(hù)性交的情況下12個月或更長時間女方未能成功懷孕，由男方原因造成女方不孕稱為不育癥[1]。據(jù)估計，不孕不育影響著全球8%～12%的夫婦，在我國約為10%，其中男性因素約占50%[2]。男性不育是一種由多種病因引起的多因素疾病，包括類固醇激素生成障礙、精子發(fā)生缺陷、精子DNA損傷和線粒體功能障礙等，通常表現(xiàn)為少、弱、畸形精子癥，最嚴(yán)重的是非梗阻性無精子癥，其中少弱精子癥是男方不育的常見原因，大約占男性不育的46%[3-4]。女性不孕因素主要包括輸卵管因素、排卵障礙和子宮性因素，其中排卵障礙約占不孕癥診斷的25%，70%無排卵的女性患有多囊卵巢綜合征(polycystic ovarian syndrome,PCOS)[5]。不孕不育的病因較多，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，迄今為止尚未完全解釋清楚。研究表明，神經(jīng)酰胺(Cer)與鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate，S1P)作為脂質(zhì)第二信使調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞功能，鞘磷脂(sphingomyeline，SM)及其代謝產(chǎn)物也參與多種疾病(動脈粥樣硬化、阿爾茲海默病、癌癥等)的病理生理過程，近年來，鞘脂代謝在男性和女性生殖系統(tǒng)中的作用也成為國內(nèi)外生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，并取得了很大進(jìn)展，特別是鞘脂代謝產(chǎn)物S1P和Cer，成為妊娠期信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的新興分子。因此，如能探明鞘脂代謝在人類生殖系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，將對不孕不育的診斷及治療有重大意義，具體內(nèi)容綜述如下。

1 鞘脂代謝及其作用

鞘脂存在于所有真核細(xì)胞中，在細(xì)胞膜生物學(xué)和細(xì)胞內(nèi)外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路方面發(fā)揮重要的作用，包括SM、Cer、鞘氨醇(sphingosine,Sph)、S1P和神經(jīng)酰胺-1-磷酸(ceramide-1-phosphate,C1P)[6]。Cer作為鞘脂代謝的中心樞紐，在哺乳動物細(xì)胞中主要有以下3種途徑合成[7-8]：其一，從頭合成途徑。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，絲氨酸和棕櫚酰CoA經(jīng)絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶催化形成3-氧二氫鞘氨醇，隨后迅速降解為二氫鞘氨醇，在神經(jīng)酰胺合成酶作用下生成Cer；其二，鞘磷脂酶水解途徑。酸性或中性鞘磷脂酶水解SM生成Cer,其中酸性鞘磷脂酶的生物學(xué)活性約占鞘磷脂酶總活性的90%，是體內(nèi) Cer 生成最快、最直接的途徑；其三，補(bǔ)救合成途徑。通過復(fù)雜鞘脂(糖鞘脂等)分解代謝生成Sph，后經(jīng)神經(jīng)酰胺合成酶催化生成Cer。另外，Cer還可經(jīng)Sph與脂肪酸合成途徑，以及C1P脫磷酸等途徑生成。Cer形成后進(jìn)行如下代謝過程：① 通過神經(jīng)酰胺激酶磷酸化生成C1P；② 在酸性神經(jīng)酰胺酶的作用下生成Sph，后者在鞘氨醇激酶(sphingosine kinase，Sphk)的作用下被磷酸化為S1P；③在鞘磷脂合成酶(sphingomyelin synthase,SMS)作用下生成SM，該途徑合成的SM可作為Cer的惰性貯存池[9]。Cer作為重要的信號分子參與控制多種細(xì)胞活動，包括細(xì)胞凋亡、衰老、自噬等。相反，S1P作為G蛋白偶聯(lián)受體家族的配體，與不同G蛋白受體結(jié)合介導(dǎo)多種下游信號通路的激活，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞存活、遷移和增殖，以及細(xì)胞骨架重組、縫隙連接形成和血管生成等,目前共鑒定出5種不同的S1P受體亞型，分別為S1P受體1-5(S1P receptor 1-5,S1PRs)。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠精子及人原代顆粒葉黃素細(xì)胞(hGLCs)中均有S1PR1、S1PR2、S1PR3及S1PR5的表達(dá)[10]。細(xì)胞內(nèi)Cer與S1P之間的平衡，也被稱為Cer/S1P變阻器，對細(xì)胞的命運(yùn)至關(guān)重要,是維持細(xì)胞增殖和分化的必要條件，也是維持鞘脂穩(wěn)態(tài)的重要貢獻(xiàn)者。另外，鞘脂除了是細(xì)胞膜的重要組成部分外，還可以通過脂質(zhì)-脂質(zhì)或脂質(zhì)-蛋白代謝相互作用來調(diào)節(jié)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。

2 鞘脂代謝與男性不育

2.1 鞘脂代謝與男性弱精癥

脂質(zhì)對哺乳動物精子生物學(xué)功能和完整性至關(guān)重要，SM作為細(xì)胞膜主要的脂質(zhì)成分，在人精子中占胞膜總脂質(zhì)的12.5%[11]。在哺乳動物精子膜結(jié)構(gòu)中，SM和Cer含有很高比例的超長鏈(C24-C34)多不飽和脂肪酸 (VLC-PUFA)，精子頭部的SM幾乎只含有VLC-PUFA(文獻(xiàn)將其稱為V-SM)，而尾部的SM主要含有飽和脂肪酸，Cer主要集中在精子的尾部[12]。當(dāng)SM被水解生成Cer時可增加精子獲能率，也可使精子頂體反應(yīng)(acrosome reaction,AR)更加快速、劇烈，這有利于精卵融合，增加雄性動物的繁殖能力。文獻(xiàn)報道，精子膜中V-SM水平與精子計數(shù)和總運(yùn)動計數(shù)呈正相關(guān)，較低水平的V-SM影響男性精子質(zhì)量和數(shù)量[13]。Boguenet M等[14]也發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重少弱精子癥患者精子膜中V-SM減少。SMS是參與SM生物合成的關(guān)鍵酶，具有SMS1和SMS2兩種異構(gòu)體，分別定位于反式高爾基體及其質(zhì)膜上。睪丸脂質(zhì)譜顯示SMS1基因敲除小鼠精子V-SM生成減少，附睪中成熟精子很少出現(xiàn)，表現(xiàn)為精母細(xì)胞和精子細(xì)胞凋亡[15]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，SMS2定位于雄性動物睪丸和精子，在弱精癥患者精子中的表達(dá)顯著降低，抑制SMS2活性可顯著降低Akt磷酸化水平，增加Erk的磷酸化水平以及顯著提高caspase 3水平，這會促進(jìn)人類精子凋亡且影響精子獲能、AR和精子運(yùn)動從而導(dǎo)致男性弱精癥的發(fā)生[16]。因此，V-SM生成減少與男性弱精癥的發(fā)生息息相關(guān)，SMS在睪丸多不飽和脂肪酸穩(wěn)態(tài)和男性生育能力中也具有比預(yù)期更廣泛的作用。

2.2 Cer參與精子頂體反應(yīng)

精子AR是一種特殊的胞外分泌過程，它由外頂體膜和質(zhì)膜融合所觸發(fā)，這一過程需要復(fù)雜的融合機(jī)制。可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子附著蛋白受體(SNARE)蛋白在AR中發(fā)揮著核心作用,可使頂體外膜與質(zhì)膜融合,保證AR的順利進(jìn)行[17]。Cer在獲能精子中具有觸發(fā)AR并增強(qiáng)配子對孕酮的反應(yīng)作用,且是發(fā)生AR時出現(xiàn)最早和最敏感的脂質(zhì)生物標(biāo)志物。先前的研究表明，當(dāng)鞘磷脂酶活性增強(qiáng)水解SM生成Cer時，精子膜結(jié)構(gòu)發(fā)生重大重構(gòu)，膽固醇大量流失，伴隨著SM的減少和不對稱分布，使精子膜穩(wěn)定性與滲透性大幅度降低，質(zhì)膜與頂體外膜融合，這有助于大量頂體酶的快速釋放[18]。然而，最近的一篇文獻(xiàn)報道稱，Cer誘導(dǎo)人類精子細(xì)胞內(nèi)鈣增加觸發(fā)級聯(lián)反應(yīng)，精子胞外分泌過程中所需SNARE復(fù)合物解體，精子質(zhì)膜與頂體外膜融合，最終誘發(fā)頂體內(nèi)容物胞外分泌[19]。這表明Cer在AR中并不是誘導(dǎo)膜的不穩(wěn)定，而是生理信號通路的激活，即Cer激活了涉及鈣通道的信號級聯(lián)，驅(qū)動頂體胞吐，揭示了脂質(zhì)誘導(dǎo)AR的分子機(jī)制。

2.3 鞘脂代謝參與雄性生殖細(xì)胞凋亡

文獻(xiàn)報道，Cer參與輻射誘導(dǎo)的雄性生殖細(xì)胞凋亡，使成熟精子質(zhì)量下降、數(shù)目減少，且可被S1P部分抑制。Otala M等[20]對酸性鞘磷脂酶基因敲除小鼠進(jìn)行輻照后發(fā)現(xiàn)睪丸中出現(xiàn)了凋亡的精原干細(xì)胞、精母細(xì)胞和精子細(xì)胞，且在雄性生殖細(xì)胞凋亡過程中，在出現(xiàn)caspase3激活和凋亡DNA片段之前，睪丸Cer水平首先升高，提示其在雄性生殖細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用。最新的研究結(jié)果表明，Cer通過調(diào)節(jié)線粒體功能、DNA損傷反應(yīng)通路和MAPK通路介導(dǎo)γ輻射誘導(dǎo)的秀麗隱桿線蟲生殖細(xì)胞凋亡[21]。S1P可部分抑制Cer水平增高后的促凋亡作用，但高濃度的S1P缺乏抗凋亡作用，甚至可引發(fā)男性生殖細(xì)胞凋亡，這與S1P大量積累使睪丸間質(zhì)細(xì)胞p21基因表達(dá)增加，以及caspase3、Bax和Bcl-2水平顯著提高有關(guān)。Stobezki R等[22]首次發(fā)現(xiàn)精子中DNA修復(fù)隨著年齡的增長而下降，而S1P可通過提高DNA修復(fù)基因BRCA1的表達(dá)來改善精子DNA修復(fù)。因此，Cer/S1P變阻器調(diào)控精子生成及凋亡，在男性不育癥的發(fā)生中發(fā)揮重要作用，且S1P對男性生殖細(xì)胞起到一定的保護(hù)作用，可抑制生殖細(xì)胞凋亡、延緩精子衰老和提高精子質(zhì)量，使用S1P改善精子DNA修復(fù)可能成為治療男性不育癥新的藥理靶點。

3 鞘脂代謝與女性不孕

3.1 S1P與卵巢生理

S1P在卵巢生理中發(fā)揮重要作用，其產(chǎn)生過度或不足與卵巢病理息息相關(guān)。S1PR1和S1PR3在hGLCs以及人原代卵巢顆粒細(xì)胞株hGL5中高度表達(dá)，已被證明其能夠促進(jìn)環(huán)加氧酶2 (COX-2)激活、前列腺素E2 (PGE2)產(chǎn)生、以及激活PI3K/Akt通路發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡作用從而有助于卵泡發(fā)育、黃體發(fā)育、排卵以及類固醇激素合成[23]。研究表明，顆粒細(xì)胞上的C型鈉肽(NPPC)與其鈉尿肽受體2(NPR2)結(jié)合后，通過增加細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)的合成來調(diào)控卵母細(xì)胞減數(shù)分裂、卵泡存活以及卵丘形成，然而當(dāng)S1P大量累積時可降低NPR2的活性從而使早期卵泡生長停止[24]。目前大量研究已證實S1P可預(yù)防放化療和電離輻射誘導(dǎo)的卵母細(xì)胞死亡。最近發(fā)現(xiàn)S1P可誘導(dǎo)Nrf2/ARE(抗氧化反應(yīng)元件)信號通路保護(hù)小鼠免受環(huán)磷酰胺(CP)誘導(dǎo)的卵巢衰竭，以及通過抑制線粒體氧化應(yīng)激保護(hù)雌性大鼠免受輻射誘導(dǎo)的卵巢損傷[25-26]，但線粒體參與輻射誘導(dǎo)卵巢損傷的具體機(jī)制以及S1P潛在的抗氧化作用有待進(jìn)一步探討。

3.2 鞘脂代謝與多囊卵巢綜合征

PCOS是育齡婦女最常見的內(nèi)分泌疾病，也是無排卵性不孕的主要原因，影響全球10%～15%的婦女,中國約5.6%的育齡婦女患有PCOS[27-28],其臨床特點表現(xiàn)為稀發(fā)排卵、高雄激素和多囊卵巢形態(tài)，并伴有嚴(yán)重的代謝紊亂。Hanamatsu H等[29]認(rèn)為長飽和?；?18∶0、20∶0、22∶0和24∶0)SM與Cer代謝綜合征、肥胖和胰島素抵抗的發(fā)生密切相關(guān)，且大量研究表明，PCOS患者血清中S1P、Cer和長飽和?；淪M水平顯著高于對照組，因此，目前的學(xué)者普遍認(rèn)為SM及其代謝產(chǎn)物參與了PCOS的發(fā)病機(jī)制，也提示血清鞘脂可以作為PCOS的診斷生物標(biāo)志物。此外，Liu LY等[30]利用超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(UPLC-MS)發(fā)現(xiàn)PCOS患者卵泡液中鞘脂代謝水平下調(diào)，SM和Cer水平均降低，這可能會影響促性腺激素分泌，以及對卵泡刺激素刺激的反應(yīng)能力受損，導(dǎo)致顆粒細(xì)胞數(shù)量減少，從而降低PCOS患者卵子的發(fā)育潛力，使卵母細(xì)胞質(zhì)量差、受精率低和胚胎質(zhì)量差，最終影響其生育能力。

3.3 鞘脂代謝與子宮內(nèi)膜異位癥

子宮內(nèi)膜異位癥(endometriosis,EMT)是一種性激素依賴性的慢性炎癥性疾病，全世界估計有1.9億婦女受到這種疾病的影響，子宮外子宮內(nèi)膜樣組織(病變)生長為其病理特征，除了引發(fā)盆腔疼痛外，EMT患者中不孕的發(fā)生率為40%～60%[31]。其造成女性不孕的原因可能包括異位子宮內(nèi)膜粘連和纖維化造成的解剖變形、內(nèi)分泌失調(diào)和免疫系統(tǒng)紊亂。研究表明，鞘脂代謝水平異常與EMT的發(fā)生密切相關(guān)，它參與子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞遷移、異位子宮內(nèi)膜組織侵襲、去神經(jīng)支配和再神經(jīng)支配過程以及盆腔疼痛等的發(fā)生。目前已經(jīng)證實S1PRs在EMT病灶中高度表達(dá)，S1P與其受體結(jié)合后刺激局部免疫細(xì)胞腫瘤壞死因子-α和白介素-1的表達(dá)，從而激活前列腺素(PGs)導(dǎo)致EMT患者盆腔疼痛和不孕,且轉(zhuǎn)化生長因子-β1促進(jìn)異位子宮內(nèi)膜纖維化及S1PRs重塑也是通過S1P信號介導(dǎo)的[32-33]。Cer在高爾基體中被糖基化生成糖基神經(jīng)酰胺(GlcCer)，作為重要的胞內(nèi)信號分子，其可介導(dǎo)子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞遷移與侵襲形成異位病灶[34]，而白藜蘆醇可通過激活異位子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞中過氧化物酶體增殖物激活受體-α(PPARα)調(diào)節(jié)鞘脂水平促進(jìn)Cer生成，從而發(fā)揮促細(xì)胞凋亡作用，抑制異位子宮內(nèi)膜細(xì)胞增殖和侵襲，減小病灶范圍[35]，這為白藜蘆醇治療EMT提供了理論依據(jù)。

4 鞘脂代謝與胚胎發(fā)育

S1P作用于G蛋白偶聯(lián)受體，在胎盤血管生長、免疫反應(yīng)、子宮蛻膜形成和胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞分化中具有重要的作用。子癇前期患者胎盤絨毛膜動脈內(nèi)皮細(xì)胞S1P合成和信號傳導(dǎo)受損，胎盤絨毛膜動脈中S1P水平降低及SM水平升高參與血管重塑，且在其血漿和胎盤組織中發(fā)現(xiàn)Cer水平升高[36-37]。SphK是Sph向S1P代謝的關(guān)鍵酶，包括SphK1和SphK2兩種異構(gòu)酶，分別分布于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核,SphK1缺乏會使未分化子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞增殖減少，大量子宮蛻膜細(xì)胞在妊娠早期死亡，蛻膜血管破裂，最終導(dǎo)致子宮出血和早期胚胎死亡[38]。文獻(xiàn)報道，血漿中高水平Cer會增加滋養(yǎng)細(xì)胞自噬，表皮生長因子可通過調(diào)節(jié)S1P/Cer變阻器使S1P水平提高，促進(jìn)妊娠滋養(yǎng)細(xì)胞增殖、遷移及侵襲，以及與S1PR1結(jié)合促進(jìn)蛻膜血管形成[39]。此外，Cer可通過誘導(dǎo)細(xì)胞P53基因表達(dá)促進(jìn)囊胚期細(xì)胞凋亡，影響胚泡形成，而S1P在胚胎著床前可部分抑制Cer的這種作用[40]。因此，鞘脂代謝在胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮重大作用，S1P及相關(guān)的神經(jīng)鞘脂是否可用于不孕癥的診斷和治療，將成為我們未來研究的重點。目前，人類輔助生殖技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，S1P是否能提高胚胎發(fā)育潛力及其存活率尚不清楚,有待進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，鞘脂代謝在精子能量代謝、卵泡發(fā)育以及胚胎發(fā)育中的作用已取得重大進(jìn)展，充分證實了鞘脂代謝產(chǎn)物Cer、S1P及鞘脂代謝過程中的關(guān)鍵酶在生殖系統(tǒng)生理病理中發(fā)揮重要作用，同時也為不孕癥的診斷提供了新的生物標(biāo)志物，但其在人類生殖系統(tǒng)中的作用機(jī)制尚未完全明確，且目前大多數(shù)研究只是針對基因敲除小鼠及動物實驗，相關(guān)臨床研究較少。另外，還需要進(jìn)一步研究來證實S1P在保護(hù)女性卵巢、男性生殖細(xì)胞及胚胎發(fā)育方面的有效性及安全性。隨著“三孩”政策的實施，輔助生殖技術(shù)需求大大增加，積極研究鞘脂代謝穩(wěn)態(tài)對人類生殖系統(tǒng)的影響和機(jī)制，尋求改善、解決、治療和預(yù)防的不孕不育方案，有利于提高人類生育率。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。