防御素在雌性哺乳動物生殖系統中的分布和功能研究進展

蘇美麗，肖越文，孔嵬潞，徐 可，田麗紅*

(1.東北林業(yè)大學 野生動物與自然保護地學院，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.青海省飼草料技術推廣站，青海省西寧市，810000)

防御素(defensin)是由脊椎動物、無脊椎動物和植物產生的抗菌肽，由6個～8個半胱氨酸殘基組成。根據分子內二硫鍵的位置不同，將其分為α-防御素、β-防御素和θ-防御素3類。α-防御素存在于哺乳動物中，在Cys1-Cys6、Cys2-Cys4和Cys3-Cys5之間形成二硫鍵[1]。β-防御素廣泛存在于脊椎動物中，二硫鍵于Cys1-Cys5、Cys2-Cys4和Cys3-Cys6之間形成，其中一些在N端形成α-螺旋[2-3]。θ-防御素在某些非人靈長類動物被鑒定出，有2個截短的α-防御素衍生的環(huán)狀結構，二硫鍵在Cys1-Cys6、Cys2-Cys5和Cys3-Cys4之間[4]。研究表明，防御素除具有廣泛的抗微生物感染及免疫調節(jié)功能外，還參與哺乳動物的有效生殖。近年來發(fā)現，防御素在哺乳動物雌性生殖系統中大量表達，并證實其具有促進卵母細胞和胚胎發(fā)育、成熟的作用，暗示防御素與雌性哺乳動物生殖功能密切相關。本文就防御素在哺乳動物雌性生殖系統中的種類、分布及其生物學功能作以綜述，以期為研究抗生素替代劑及雌性哺乳動物有效生殖檢測方法提供依據。

1 哺乳動物雌性生殖系統中防御素的種類及分布

最早在兔的肺泡巨噬細胞中發(fā)現的α-防御素，廣泛存在于人、恒河猴的中性粒細胞和小腸潘氏細胞內[5]。近年來研究發(fā)現α-防御素在哺乳動物雌性生殖系統中表達。人類α-防御素5(human defensin,hD5)在正常陰道、外宮頸和炎癥輸卵管中表達量相同，但在正常宮頸、子宮內膜和輸卵管中表達不同(分別為60 %、64 %和29 %)[6]。β-防御素大量存在于人和動物組織中，主要表達在各種器官的上皮細胞及黏膜表面，在哺乳動物的子宮、陰道、宮頸、輸卵管等雌性生殖器官中廣泛表達。在人體內，β-防御素1 (human beta-defensin,hBD1) 在宮頸、子宮內膜、輸卵管和陰道處表達，hBD2在胎盤和絨毛膜滋養(yǎng)層有一定程度表達，hBD1-5在子宮內膜等多種上皮組織中廣泛表達[7-8]。豬β-防御素(pig beta-defensin,pBD)的表達表現出品種差異性，pBD1基因在烏金豬和約大烏豬卵巢中表達量較高，pBD3基因在約大烏豬卵巢中表達量較高[9]。在雌性牛體內，β-防御素1(beta-defensin,BDEF1)在輸卵管、乳頭黏膜、陰道中均有表達[10]。在綿羊體內，只發(fā)現β-防御素1(sheep beta-defensin,sBD1)和β-防御素2(sBD2)的表達[11]，sBD1在雌性生殖道的各個組織均有表達，表達量從高到低依次是子宮頸、子宮和輸卵管、陰道[12]。大鼠β-防御素1-4 (rat beta-defensin,rBD1-4) 在大鼠子宮內膜中表達，小鼠β-防御素1-4(mouse beta-defensin,mBD1-4)在子宮和陰道處表達[13]。駱駝β-防御素1 (camel deta-defensin,caBD1) 、β-防御素2 (caBD2) 和β-防御素7 (caBD7) 在子宮內膜中表達[14]。黑山羊β-防御素1(goat beta-defensin,gBD1)在卵巢、子宮和陰道中表達[15]。θ-防御素在雌性哺乳動物生殖系統中尚未發(fā)現具體表達。

2 哺乳動物雌性生殖系統中防御素的生物學功能

2.1 參與雌性生殖系統抗微生物感染

防御素在哺乳動物雌性生殖系統中表現出廣譜抗菌功能，能直接殺滅或抑制侵入哺乳動物體內的病原微生物，同時發(fā)揮抗炎作用，參與雌性生殖系統組織內的免疫反應，從而預防子宮或生殖道等的感染，維持雌性生殖系統的環(huán)境穩(wěn)定[16]。由淋球菌以外的病原體所致的非淋菌性宮頸炎是最常見的性傳播疾病，hBD2和hBD3在非淋菌宮頸炎組織中表達水平明顯增強，暗示 hBD2和hBD3的表達增強對宮頸上皮迅速殺滅入侵的病原菌意義重大[17]。鏈球菌、金黃色葡萄球菌等革蘭氏陽性致病菌和大腸埃希氏菌、沙門氏菌、變形桿菌等革蘭氏陰性致病菌是引起哺乳動物雌性生殖道炎癥的重要病原菌[18-19]，研究表明哺乳動物生殖道內多種防御素對以上微生物表達出抗菌活性，發(fā)揮抗炎作用。例如，大腸埃希氏菌異源表達的pBD1和pBD2分別具有抗大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、傷寒沙門氏菌、單核增生李斯特菌、白色念珠菌活性[20]和抗金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌活性[21]；犬科β-防御素1-3 (canine beta-defensin,cBD1-3) 對金黃色葡萄球菌、單核增生李斯特菌、淋球菌和大腸埃希氏菌均表現出較強的抗菌活性，但對白色念珠菌和解脲支原體抑制作用輕微[22]；sBD1對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、變形桿菌、銅綠假單胞菌和痢疾桿菌等均有明顯抑制作用[23]。在病毒感染中，HD5能夠防止人類乳頭瘤病毒(human papillomavirus,HPV)進入宮頸角蛋白細胞，降低宮頸組織感染HPV的風險，并預防二次感染，影響適應性免疫[24]。HD5 在低離子強度和無血清條件下，低微摩爾濃度即可抑制原發(fā)性CD4+T淋巴細胞的艾滋病病毒(Human immunodeficiencyvirus,HIV-1)感染[25]。

但也有研究表明，某些防御素在動物體內的高表達在一定條件下會促進病毒的感染[26]。在宮頸陰道組織培養(yǎng)系統中，由淋病奈瑟菌感染誘導的HD5和HD6可經CD4和HIV獨立于核心受體方式來增加艾滋病病毒感染率[27]， 屬于人類α-防御素的人中性粒細胞防御素-1(human neutrophil defensin-1,HNP-1)也能夠破壞上皮完整性，促進艾滋病病毒跨越上皮屏障，利于病毒的感染和傳播[26]。

2.2 參與雌性生殖

卵泡發(fā)育依賴于卵泡壁顆粒細胞的增殖。將顆粒細胞與不同濃度pBD2或pBD3共培養(yǎng)24 h后發(fā)現，pBD3以濃度依賴性方式刺激顆粒細胞增殖，而任何濃度的pBD2均不能刺激顆粒細胞的增殖。細胞遷移試驗顯示，pBD3可使顆粒細胞遷移率提高2.5倍。pBD3還能顯著提高磷酸化ERK1/2與非磷酸化的比率，而特異性ERK1/2磷酸化抑制劑U0126可顯著抑制pBD3誘導的顆粒細胞的ERK1/2磷酸化及細胞增殖和遷移，表明在卵泡發(fā)育過程中，pBD3可通過ERK1/2途徑增強小卵泡源性顆粒細胞的增殖和遷移來調節(jié)卵巢功能[28]。

在妊娠過程中防御素也具有重要作用。用ELISA法測定50對因不孕而接受輔助生殖技術治療夫婦的卵泡液和精液中hBD1的濃度，發(fā)現卵母細胞受精率高的女性卵泡液中hBD1表達水平顯著高于受精率低的女性，暗示卵泡內hBD1的表達水平與卵母細胞的受精率有關[29]。研究也發(fā)現hBD2在羊水中的濃度與膜的早破呈正相關，可在妊娠中期實施羊膜穿刺術，測定羊水中hBD2濃度并分析其表達水平，來預防早產膜破裂[30]。另外，在足月分娩或自發(fā)性早產婦女的羊水中，hBD3的濃度均會增加，表明hBD3參與羊膜腔對微生物或危險信號的宿主防御機制[31]。健康奶牛在產犢當日，子宮內膜中β-防御素4(BDEF-4)和β-防御素5(BDEF-5)高組成性表達，反映了它們在子宮內膜免疫和保持子宮健康的重要作用[32]。hBD1和hBD2被發(fā)現在人類初乳和成熟乳中，且在初乳中hBD1和hBD2濃度更高，初乳中的hBD1可在嬰兒出生后6個月內預防上呼吸道感染。豐富的牛中性粒細胞β-防御素1(bovine neutrophil β-defensins1,BNBD1)和 BNBD-2也被發(fā)現在新鮮牛乳中[33]。

2.3 參與雌性生殖系統免疫調節(jié)

β-防御素是哺乳動物雌性生殖系統抵御外來病原體感染的第一道防線，在預防子宮或生殖道感染等方面起免疫調節(jié)作用。在綿羊輸卵管上皮細胞中，LPS 通過 Toll 樣受體 4(TLR4)激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)P38、ERK 和 JNK 信號通路上調 sBD-1 的表達，從而保護輸卵管上皮免受外來病原體的感染[34]。hBD2在陰道黏膜的天然免疫中也發(fā)揮重要作用。受支原體和衣原體感染的小鼠，其陰道組織中mBD2的表達水平明顯高于正常小鼠，通過檢測分析小鼠陰道組織中mBD2表達水平可預測小鼠非淋菌性陰道炎的發(fā)生[35]。研究表明，宮頸陰道中hBD2低表達的妊娠婦女與表達正常的妊娠婦女相比，發(fā)生自然早產的幾率略有升高[36]。hBD3和 hBD4在人類子宮內膜中表達呈周期依賴性，hBD3 mRNA 表達水平在月經周期的黃體期最高，而 HBD4 mRNA 表達水平在月經周期的卵泡期達到峰值。這些天然抗菌劑有助于人類子宮內膜中存在的先天免疫發(fā)揮作用，防止子宮感染[7]。而胎盤的合體滋養(yǎng)層產生包括 hBD1-3的多種抗菌分子，可能為母體血液中存在的任何感染提供關鍵的防御屏障[37]。

3 前景與展望

3.1 用于雌性哺乳動物有效生殖檢測

防御素和雌性哺乳動物生殖過程密切相關，參與卵泡發(fā)育、受精、妊娠分娩等生殖各階段及產后細菌感染預防。β-防御素可以保證卵母細胞的質量，保護卵母細胞免受微生物的侵害。研究表明，卵母細胞受精率良好(≥75%)的女性hBD1在卵泡液中的表達水平顯著高于受精率不佳(<75%)的女性，提示hBD1具有潛在的促受精作用[29]。在妊娠中期實施羊膜穿刺術，通過檢測分析羊水中hBD2表達水平即可預估胎膜早破的可能性[30]。而病原微生物等抗原刺激能夠上調hBD2的表達，通過測定hBD2的表達水平可預測動物生殖系統的感染程度[38]。因此，防御素可作為哺乳動物生殖功能的檢測指標，根據防御素表達水平的高低，可以了解卵巢功能、預防胎兒早產、推斷子宮健康狀況。

3.2 用于預防病原微生物感染

防御素是存在于動物體內的一種小分子內源性抗菌肽，具有廣譜抗微生物活性，又不易誘發(fā)其產生抗性。防御素對生殖系統常見的病原體如細菌(部分革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌)、病毒(HPV、HIV)以及支原體(解脲支原體)均表現出較強的殺傷作用，是生殖道黏膜抵御外來病原體感染的屏障，對維持雌性生殖系統內菌群平衡及保證成功妊娠發(fā)揮重要作用。包括hBD1-3在內的幾種天然抗微生物制劑在妊娠子宮的宮頸、胎膜、胎盤等關鍵部位及胎脂中的大量表達，可防止子宮或胎兒在母體妊娠后期或分娩期間受到感染[37]。因此，防御素作為抗生素替代品，用于生殖系統病原微生物感染的預防和治療具有廣闊的應用前景。