摘 要： 睾丸间质细胞是合成及分泌雄激素的功能细胞, 而线粒体是间质细胞合成雄激素的重要部位, 睾丸间质细胞对雄性的生殖健康和生育能力是必需的。研究发现, 线粒体的结构和功能与雄激素的合成以及雄性生殖密不可分。
关键词： 睾丸间质细胞; 线粒体; 雄激素; 睾酮;
近年来, 男性不育症的发病率呈全球性增高趋势, 占世界不孕不育病症比例的50%[1]。人们对于男性生殖系统病变的探究以及关注度显着提高。环境温度是人体心情愉悦和良好体况必要条件, 然而高温环境却给男性发育和生殖带来巨大的困扰。目前世界卫生组织认为局部热应激对男性的生殖能力有着巨大的破坏力, 男性阴囊温度的升高是导致生殖能力下降的一个重要因素。睾丸是合成分泌雄激素的器官, 睾丸间质细胞 (leydig cell, LC) 是睾丸组织合成雄激素的主要细胞[2]。LC凋亡后, 机体内雄激素水平分泌不足, 导致不同阶段的生精细胞发生凋亡, 生精小管内精子的存活率下降;补充雄激素睾酮后, 其凋亡损伤有所改善。在雄激素生成的过程中, 诸多外界因素影响睾酮合成, 主要是因为睾丸间质细胞对雄激素生成的条件要求高且敏感。研究显示高温、电离辐射和重金属等与外在因素都可影响线粒体结构和功能, 也能阻碍间质细胞的发育和表达。本文从LC产生雄激素的机制着手, 就LC中的线粒体与雄激素产生的关系作一综述。
1、 LC基本生物学功能
LC又称睾丸间隙细胞, 自1850年LEYDIG首次作出描述后[3], 科研学者对男性和雄性睾丸进行大量的实验探究。LC成群分布于睾丸曲精小管之间, 细胞胞体较大, 胞浆内含有大量的管状嵴线粒体, 其中线粒体总量约占睾丸细胞总数的3%, 并为雄激素合成提供主要场所[4]。虽然LC在睾丸细胞中含量较少, 但人体超过90%的血浆睾酮是利用LC胞内贮存和合成的胆固醇生成的[5]。研究证实, LC的主要功能就是分泌雄激素睾酮。雄激素睾酮对机体可产生如下作用:促进精子的发生以及维持雄性第二性征的出现;促进雄性生殖器官发育和成熟, 并维持其正常生理功能[6]。LC内存在一系列高度特异性的合成甾体酶系, 它们按一定规律分布于线粒体、滑面内质网等细胞器内, 在下丘脑、垂体及自身分泌的雄激素调节下, 分泌睾酮以维持机体的雄性化特征[7]。
2、 线粒体对睾丸间质细胞的影响
2.1、 线粒体与睾丸间质细胞分泌雄激素
线粒体存在于真核细胞的细胞质中, 是内外双层膜构成的囊状结构, 囊内含有多种蛋白质, 外膜上分布着多种呼吸链酶及酶复合体, 如酶促反应中睾酮合成的关键酶类固醇激素合成快速调节蛋白 (steroidogenicacute regulatory protein, St AR) 和胆固醇侧链裂解酶 (cholesterol-side-chaincleavageenzyme, P450scc) [8], 这些睾酮合成关键酶在LC内催化复杂的生物学过程以合成睾酮[9]。HALES等[10]研究表明, 线粒体只有正常并保持稳定活力才能使细胞合成睾酮, 因此线粒体的完整性或损伤程度与睾酮合成水平有着密切联系。
目前认为, 在性成熟后一段时间内睾丸间质细胞的数量保持相对稳定, 在垂体分泌的黄体生成素 (luteinizing hormone, LH) 的刺激下, 间质细胞的数量显着增加[11]。LH通过线粒体途径合成睾酮[12], 其信号通路如下:LH作用于LC, 与LC细胞膜上的受体 (LHR) 结合, 再与G蛋白偶联, 激活腺苷酸环化酶。腺苷酸活化酶促使腺苷三磷酸 (ATP) 转变成环磷酸腺苷 (c AMP) , 由此激活了c AMP依赖的蛋白激酶A (protein kinase A, PKA) 。PKA进一步磷酸化, 促进类固醇激素生成酶如St AR的表达。位于线粒体外膜上的St AR能促进胆固醇向线粒体的内膜转运, 并在P450scc的作用下, 使胆固醇转化为孕烯醇酮[13]。孕烯醇酮再通过内质网上的3-羟类固醇脱氢酶 (3β-hydroxysteroid dehydrogenase, 3β-HSD) 作用转化为孕酮。孕酮在17β-羟化酶 (CYP17) 的作用下转变成雄烯二酮, 最终通过内质网上的17β-HSD的作用转变成雄激素睾酮[14]。
2.2、 线粒体膜通透性与睾丸间质细胞凋亡
细胞凋亡又称细胞程序性死亡 (programmed cell death, PCD) , 是指受凋亡因子控制的细胞在内外环境改变或死亡信号诱导以及基因调控下, 发生一个自主的、有序的死亡的过程[15]。LC凋亡发生过早或者过多, 都有可能降低雄激素水平, 直接影响男性生殖而造成不育。吴维光[16]研究表明, LC发生凋亡受多种因素影响, 其中线粒体途径在间质细胞凋亡中发挥主要作用。由于细胞膜电位的波动由细胞膜通透性调控, 而细胞膜通透性改变源于线粒体膜通透性转换孔 (mitochondria permeability transition, MPTP) 的调节, 所以线粒体凋亡通路的开始与否, 是由MPTP的开放决定的[17]。LC正常时, MPTP允许符合条件的小分子物质通过, 以维持线粒体内电化学的稳态。当凋亡信号传递过来时, 线粒体的膜电位突发浮动, 膜电位信号变得异常, 随之线粒体膜的通透性也会骤然增大, 各种凋亡因子会从线粒体内膜释放到细胞质中[18]。MPTP保持持续开放状态, 失去限制能力。此时会出现线粒体膜电位的降低, 甚至导致线粒体肿胀、破裂, 并释放出细胞色素C (cytochrome-C, CytC) [19]。Cyt-C是调控细胞凋亡的一种主要蛋白, 当MPTP异常、线粒体膜电位降低时, Cyt-C从线粒体间隙释放到细胞质中, 迅速与凋亡蛋白酶激活因子-1 (apoptotic protease activating factor-1, Apaf-1) 结合。Apaf-1能使ATP水解为ADP。ADP与Cyt-C共同促进与Apaf-1之间的相互聚合, 从而形成强胱冬肽酶活性的复合物, 即凋亡小体 (apoptosome) [20], 进一步激活半胱氨酸蛋白酶家族上游的起始因子胱天蛋白酶-9。在其他辅助因子的协助下进行自我活化并激活下游凋亡执行器胱天蛋白酶-3因子, 进而引起一系列因子活化反应, 最终导致LC发生凋亡[21]。
3、 线粒体损伤与睾丸间质细胞功能异常
近些年, 有关热应激会对人和动物精子生成产生不利影响的报道不断。在临床工作中, 伴有隐睾和睾丸精索静脉曲张的疾病, 可增加病患睾丸的温度, 并且在这些患者的睾丸中发现, 精子的发生受到显着抑制[22]。通过小鼠水浴实验, 在水浴温度和水浴时间都满足界点的情况下可导致生精细胞凋亡[23]。对小鼠早期囊胚体外热应激处理, 可以观察到热应激后的小鼠线粒体结构变化, 41℃热应激的处理组发现胚胎线粒体严重膨胀, 经孵箱37℃恢复2 h, 线粒体异常膨胀的情况未减轻[24]。
研究表明, 雄性生殖系统对微波辐射非常敏感。1950 MHz的电离辐射能够影响到小鼠睾丸间质细胞关键酶St AR、P450scc的表达, 进而降低睾酮合成[25]。同时低剂量电离辐射的刺激使线粒体膜间的Cyt-C释放出来, 激活胱天蛋白酶一系列凋亡途径, 启动生精细胞的凋亡。形态学可以观察到线粒体肿胀, 生精细胞结构改变。提高电离辐射的剂量, 明显观察到线粒体囊膜分离、空泡变化的现象[26]。
重金属对人和动物有生殖毒性, 对雄性的生殖毒性尤为严重。铅、锰、镍等重金属对LC合成雄激素的功能有很强的抑制效应。研究表明, 重金属引起的氧化应激导致线粒体膜电位降低, 使线粒体产生损伤, 从而影响了LC对类固醇激素合成的功能[27]。最新研究显示重金属铅暴露能明显抑制二氢硫辛酰胺脱氢酶的表达, 二氢硫辛酰胺脱氢酶的低表达能显着诱导类固醇激素分泌不足。其作用机制是重金属铅暴露降低了与雄激素合成相关的关键酶P450scc, St AR和17β-HSD的活性, 减少了雄激素的生成[28]。
4、 结语和展望
综上所述, 线粒体作为细胞能量代谢的中心, 同时还参与了细胞的基因表达、凋亡等生物体重要的生命活动过程。线粒体对于睾丸间质细胞合成雄激素是一个十分重要的细胞器, 线粒体的存在对于调控细胞内环境的稳定十分必要。目前, 科研人员对间质细胞在不同损伤条件的变化进行了大量的实验探究, 仍未针对人和动物不同的群体提出可靠的损伤界点, 对于预防损伤因素也还未建立有效的范围。希望下一步继续进行科研实验, 完善对间质细胞损伤程度的探究, 为男性生殖发育提供可靠的科学依据。
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