李 娟，欒新紅

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

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專論與講座

類固醇合成急性調(diào)節(jié)蛋白的生物學(xué)特性及作用研究概況

李 娟，欒新紅*

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

類固醇合成急性調(diào)節(jié)蛋白(StAR )是膽固醇的一種轉(zhuǎn)運蛋白，在類固醇激素合成過程中StAR作為限速酶起著特別關(guān)鍵的作用。類固醇激素合成主要在腎上腺、性腺和胎盤等組織中進(jìn)行，對于維持正常生殖功能和機體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定非常重要。有關(guān)StAR的發(fā)現(xiàn)和特性在以往的文獻(xiàn)中已有報道，在此基礎(chǔ)上，論文對StAR的生物學(xué)特征、作用機制及其與生殖疾病的關(guān)系等方面進(jìn)行綜述。

類固醇合成急性調(diào)節(jié)蛋白；生物學(xué)特性；作用機制

作為類固醇合成非常重要的限速酶，類固醇合成急性調(diào)節(jié)蛋白(steroidogenic acute regulatory protein,StAR)首次是在小鼠睪丸的間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的線粒體上實現(xiàn)純化的[1]。4年之后，F(xiàn)urukawa A等[2]在腦部檢測到StAR。類固醇激素合成過程中，StAR能夠促進(jìn)膽固醇從線粒體外膜轉(zhuǎn)到它的內(nèi)膜，這是類固醇激素合成的開端，同時也是它的限速步驟。研究可知，C端及N端的區(qū)域是StAR兩個非常重要的功能區(qū)。前者主要功能是通過促進(jìn)膽固醇從含量多的線粒體外膜轉(zhuǎn)運至含量低的線粒體內(nèi)膜上，StAR蛋白被后者引導(dǎo)最終定位于線粒體。StAR基因表達(dá)調(diào)控是一個非常復(fù)雜的過程，這是近幾年來隨著對卵巢、腎上腺等類固醇激素合成組織中StAR蛋白的深入研究所得出的結(jié)論，包括多種激素和信號途徑協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)錄機制合作與互動，以及若干支配轉(zhuǎn)錄后的mRNA和蛋白表達(dá)機制[3]。隨著人們對StAR的深入研究，發(fā)現(xiàn)其對機體生殖也有著非常重要的影響,在生殖調(diào)控方面有著非常關(guān)鍵的作用。

1 StAR生物學(xué)特性與分布

1.1 StAR生物學(xué)特性

StAR蛋白組中有3種形式(37、32、30ku)是激素可誘導(dǎo)的線粒體蛋白,而根據(jù)胰酶肽譜顯示30ku蛋白質(zhì)的前體是37ku。在細(xì)胞漿中新合成的StAR蛋白是37ku,經(jīng)過短暫的半衰期進(jìn)入線粒體中，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成30ku的成熟蛋白。盡管研究表明成熟StAR蛋白位于線粒體內(nèi),但大都認(rèn)為其是在線粒體外膜發(fā)揮作用[4]。線粒體生物活性部位是其羧基端，能與脂質(zhì)或者膽固醇連接這一部位，被稱為StAR相關(guān)脂質(zhì)轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)域(StAR-related lipid transfer,START)并且根據(jù)研究可知在此結(jié)構(gòu)域中有一段氨基酸片段具有防止蛋白酶水解的活性,其具體位置在第63-188位。另外START在蛋白質(zhì)參與脂質(zhì)轉(zhuǎn)運等生命代謝中有調(diào)節(jié)作用[5]。

根據(jù)研究顯示，可用系統(tǒng)發(fā)生學(xué)的方法將已知可編碼的START基因(Star D 1～StarD15)分成6大亞家族,并且已明確PCPT(StarD2)、MLN64(StarD3)、CRSP(StarD4)的X線晶體結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，這3種亞家族螺旋樣折疊是一樣的,均位于結(jié)構(gòu)的兩端(即氨基端和羧基端)，氨基端有1個α折疊，羧基端有1個α折疊，整體結(jié)構(gòu)的中間部位是由2個短α折疊和9個β折疊組成。有趣的是，β折疊彎曲形成一個空洞，羧基端α折疊壓在這個空洞的上方[6]。其中在運轉(zhuǎn)膽固醇這一過程中，羧基端α折疊充分體現(xiàn)了它的重要性，即成熟的StAR蛋白結(jié)合并轉(zhuǎn)運膽固醇是由羧基端的α折疊的閉合完成的[7]。

1.2 StAR的表達(dá)分布

通過多年研究積累已證實，StAR在脊椎動物中廣泛存在，尤其是哺乳動物和魚類，在它們的神經(jīng)系統(tǒng)、腎上腺皮質(zhì)、性腺細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了StAR的蹤跡。在人、小鼠、大鼠、牛、綿羊、豬的卵巢等類固醇合成組織中已發(fā)現(xiàn)有StAR蛋白的表達(dá)[8]，但在人腦和胎盤等類固醇合成組織中發(fā)現(xiàn)的是與StAR蛋白具有高度同源性的蛋白。

2 StAR的作用機制

較早時期Clark B J等[9]提出了一種模型，認(rèn)為StAR是在細(xì)胞質(zhì)中快速合成前體蛋白37ku，然后根據(jù)37ku的信號序列和靶序列快速在線粒體中定位，進(jìn)入線粒體的方式是穿過其內(nèi)外膜之間的“接觸位點”這一通道，但是這一通道并不是一直存在，而是37ku進(jìn)入線粒體的過程中形成的。在復(fù)合神經(jīng)酸脫羧形成磷脂酰乙醇胺之前,復(fù)合神經(jīng)酸和磷脂酰乙醇胺與線粒體內(nèi)的這些位點都有關(guān)系，但是兩者的運輸方向相反，復(fù)合神經(jīng)酸向線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運，而磷脂酰乙醇胺則向線粒體外膜轉(zhuǎn)運。之后，Tuller G等[10]在一系列試驗后觀察到膽固醇可以通過線粒體兩膜之間的這些位點完成跨膜運動，即從線粒體的外膜轉(zhuǎn)運到它的內(nèi)膜。但是形成“接觸位點”的過程中,膽固醇以一種并不被人們知曉的方式暫且轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)膜。在兩膜之間臨時搭起的“脂質(zhì)橋”使線粒體膜的水樣空間被破壞，從而解除阻止疏水性膽固醇穿過線粒體膜的障礙。有研究者提出，基質(zhì)加工蛋白酶和線粒體中間加工肽切除37ku蛋白的尋靶序列及信號序列，進(jìn)而使其形成30ku蛋白，不會合成和加工多余的StAR前體蛋白，線粒體的內(nèi)膜和外膜第2次分開之后，缺少足量的膽固醇轉(zhuǎn)運到線粒體，這一系列發(fā)現(xiàn)證明，如果想要膽固醇持續(xù)轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)膜不可缺少的一步是StAR前體蛋白的合成和加工。Epstein L F等[11]觀察到，30ku蛋白的37ku和32ku兩種前體的半衰期非常短。這些研究說明，StAR運轉(zhuǎn)膽固醇時形成線粒體內(nèi)外膜間“接觸位點”這個模型是可以相信的。

Arakane F等[12]發(fā)現(xiàn)，把切除N端62個氨基酸(StARN-62)的StAR轉(zhuǎn)染COS-1細(xì)胞后該細(xì)胞合成類固醇激素的水平與轉(zhuǎn)染了正常StAR的細(xì)胞相比水平相當(dāng)。同時通過Western blot發(fā)現(xiàn)，在線粒體內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)缺失的N端的StAR，說明其沒有進(jìn)入線粒體，這表明，StAR很可能在線粒體外發(fā)揮作用，并且調(diào)節(jié)膽固醇向線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運。最后通過實驗證明,“接觸位點”這一模型應(yīng)該修改，并且這一觀點在之后的研究中得到證明[13]。那么究竟StAR蛋白與線粒體內(nèi)外膜之間有著何種關(guān)系可以使疏水性的膽固醇通過呢？

Stocco D M等[14]似乎找到了答案，他們提出線粒體兩膜之間所形成的“接觸位點”與StAR蛋白相互作用，進(jìn)而促進(jìn)疏水性通道形成這一概念,它很好地解釋了人們的疑問，即線粒體外膜上的StAR蛋白被去掉同時阻斷膽固醇向內(nèi)膜的轉(zhuǎn)移，使StAR蛋白進(jìn)入線粒體后被修飾成較為成熟的蛋白。并且，Bose H S等[15]提出“可溶性球體”,這一新模型進(jìn)一步驗證了前人研究的觀點。盡管許多學(xué)者對StAR的作用機制做了很多的研究，但是StAR確切的作用機制還不是很清楚，需要繼續(xù)探索。

3 StAR蛋白對生殖的調(diào)控作用

3.1 StAR對黃體的影響

臨床上檢測黃體功能是否正常，一般是以黃體中期血清孕酮水平來監(jiān)測的。孕酮主要是由卵巢、胎盤分泌的性激素，血清孕酮水平的升高，能夠引起卵巢激素合成水平的升高，兩者的關(guān)系是正向關(guān)系，這個過程是由黃素化的卵泡膜和顆粒細(xì)胞協(xié)同完成。輸送膽固醇從線粒體外膜轉(zhuǎn)運到內(nèi)膜調(diào)節(jié)是類固醇生物合成的限速步驟，在這個過程中StAR的作用是快速調(diào)節(jié)，并且已經(jīng)證明其成為細(xì)胞功能標(biāo)志[16]。在妊娠早期血清孕酮水平較為平穩(wěn)，水平過低時會出現(xiàn)妊娠異常的現(xiàn)象。一般認(rèn)為，血清孕酮水平可以反映出細(xì)胞滋養(yǎng)層的功能，異常妊娠時供血不足，滋養(yǎng)層細(xì)胞活力下降，導(dǎo)致黃體功能不足，孕酮分泌減少。懷孕初期正常的黃體功能十分重要，它是保證胚胎著床成功和維持早期妊娠的必需條件，這已經(jīng)成為一項必須檢查的指標(biāo)。妊娠期間，必須有足夠量孕酮維持妊娠，膽固醇向P450膽固醇側(cè)鏈裂解酶(P450cholesterol side chain cleavage,P450scc)轉(zhuǎn)運的過程就是孕酮合成的限速步驟。在黃體中StAR介導(dǎo)著孕酮產(chǎn)生，而在胎盤中孕酮產(chǎn)生這一過程則是在MLN64作用下完成的[17]。所以StAR蛋白表達(dá)的正常與否對于黃體功能發(fā)揮至關(guān)重要。另有研究報道，在豬卵巢顆粒細(xì)胞中黃體生成素(LH)和胰島素的協(xié)同作用能夠提高StAR mRNA表達(dá)的增強，并且引起cAMP的聚集，令人遺憾的是并不清楚其中的作用機制[18]。

3.2 StAR對先天性類脂質(zhì)性腎上腺皮質(zhì)增生的影響

目前先天性腎上腺皮質(zhì)增生癥中最罕見和最嚴(yán)重類型是先天性類脂質(zhì)性腎上腺皮質(zhì)增生(lipoid congenital adrenal hyperplasia,LCAH)。由于StAR基因突變導(dǎo)致腎上腺及性腺類固醇激素生成障礙，臨床上表現(xiàn)為腎上腺皮質(zhì)功能低下及性激素合成障礙，皮質(zhì)激素替代治療可獲得良好預(yù)后[19]。大量的臨床研究可知LCAH是常染色體隱性遺傳的一類疾病，其發(fā)病原因主要是類固醇合成過程中關(guān)鍵酶的缺失，遺傳學(xué)上認(rèn)為與StAR基因突變密切相關(guān)。目前已發(fā)現(xiàn)2個重要的StAR基因突變是T44HfsX3和G221S，這2個基因雜合子突變導(dǎo)致StAR基因失活。另外，染色體異常等遺傳因素也能引起LCAH[20]。前文已經(jīng)提到StAR的功能是把膽固醇從胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)膜，P450scc和膽固醇結(jié)合后轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮。StAR基因突變導(dǎo)致StAR蛋白酶活性下降，從而影響腎上腺及性腺類固醇激素合成，表現(xiàn)為不同程度的腎上腺皮質(zhì)功能低下。到2014年2份HGMD 數(shù)據(jù)庫已報道 ，StAR 基因突變63種，多為錯義、無義突變、移碼突變等，其中剪接位點突變占10%，尚有1例StAR基因完全缺失報導(dǎo)[21]。極少數(shù)LCAH由于細(xì)胞色素P45011A1抗體(CYP11A1)基因突變導(dǎo)致P450scc酶的活性降低所致[22]。

LCAH患者通常因膽固醇及膽固醇酯在腎上腺組織細(xì)胞胞漿聚集，導(dǎo)致類脂質(zhì)性腎上腺增大，但還有一部分的LCAH患者腎上腺超聲是正常的[23]。研究可知，LCAH是一種罕見的失鹽型先天性腎上腺皮質(zhì)增生癥，同時伴有性腺類固醇激素合成障礙。對于女性表型的腎上腺皮質(zhì)功能低下者，應(yīng)該警惕StAR基因突變所致LCAH，通過常規(guī)進(jìn)行染色體核型分析及腎上腺超聲檢測有助于鑒別，StAR基因突變分析可明確診斷。

3.3 StAR對多囊卵巢綜合征的影響

多囊卵巢綜合征(Polycystic ovary syndrom，PCOS)作為一種比較常見的生殖內(nèi)分泌疾病[24]，屬于一種最常見的內(nèi)分泌紊亂性疾病，以青年女性為主要的發(fā)病人群，其發(fā)病的主要特點是腎上腺分泌過量雄激素[25]。由于多基因遺傳背景和環(huán)境因素的相互作用導(dǎo)致的PCOS是一種多因素引起的復(fù)雜性疾病。根據(jù)多年積累的經(jīng)驗可知，PCOS的特征是卵巢多囊性改變、高雄激素血癥和黃體生成素與卵泡刺激素的比值增高，并且可能出現(xiàn)月經(jīng)失調(diào)、肥胖等問題。目前的研究顯示，PCOS的激素分泌紊亂的具體機制還不完全清楚，推測其發(fā)病原因很可能與年幼時雄激素分泌過多有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，PCOS患者的多囊卵泡的兩種細(xì)胞(顆粒細(xì)胞和卵泡膜細(xì)胞)中StAR轉(zhuǎn)錄水平與正常水平相比較高,但是StAR表達(dá)與卵巢激素的分泌的關(guān)系尚不清楚。在PCOS中過度的刺激內(nèi)膜細(xì)胞致使還未成熟的顆粒細(xì)胞黃體化的原因是由于內(nèi)膜細(xì)胞和顆粒細(xì)胞內(nèi)的類固醇合成酶系和StAR的mRNA過量表達(dá)[26]。此外，比較有意義的發(fā)現(xiàn)是，在人的腎上腺附帶瘤中發(fā)現(xiàn)了StAR第5個外顯子產(chǎn)生無意義突變的變異子。根據(jù)目前的研究信息雖然不足以說明StAR在PCOS中具體扮演什么樣的角色，但是可以肯定的是，StAR的異常對這種疾病發(fā)生是有影響的。

4 結(jié)語

自StAR蛋白首次被發(fā)現(xiàn)之后，對StAR的研究主要涉及它的生物學(xué)特性、作用機制、生物調(diào)節(jié)等方面。但是其作用機體的相關(guān)機制并不確定，仍然需要研究探索。目前的研究發(fā)現(xiàn)，由于編碼StAR蛋白的基因發(fā)生突變，以及轉(zhuǎn)錄、翻譯及翻譯后調(diào)節(jié)等其中的任何一步有異常都有可能引發(fā)疾病。疾病嚴(yán)重程度和影響類固醇激素合成的程度密切相關(guān)[27]。因此，研究StAR與類固醇激素合成調(diào)節(jié)關(guān)系以及StAR分子功能，能夠幫助人們更好的解決由于StAR基因的變異或類固醇激素合成異常引起的相關(guān)疾病，尤其在生殖方面的疾病，同時，可為防治這類疾病的相關(guān)藥物的研發(fā)提供合理的科學(xué)依據(jù)。

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Induction to Biological Characteristics and Action Mechanisms of Steroidogenic Acute Regulatory Protein

LI Juan,LUAN Xin-hong

(AnimalScienceandVeterinaryMedicineCollege,ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang,Liaoning,110866,China)

Steroidogenic acute regulatory protein (StAR) is a transport proteins of cholesterol.In the process of steroid hormone synthesis,StAR plays a particularly crucial role as the rate limiting enzyme.Steroid hormones are synthesized mainly in the adrenal gland,gonad and placenta,and very important for the maintenance of normal reproductive function and the stability of the environment.The discovery and characterization of StAR were reported in the past.On this basis,the biological characteristics,action mechanisms of StAR and its relationship with reproductive diseases were reviewed.

steroidogenic acute regulatory protein; biological characteristics; action mechanism

2015-08-20

國家自然科學(xué)基金項目(31372395)

李 娟(1988-)，女(滿族)，遼寧鳳城人，碩士研究生，主要從事動物生理學(xué)與生殖內(nèi)分泌學(xué)研究。*通訊作者

Q512.5

A

1007-5038(2016)01-0110-04