金明昊，黃文一，張夢旖，張一葦，劉悅，丁之德

瘦素（leptin）是一種蛋白質(zhì)類激素，主要由脂肪組織分泌，也可由腦垂體前葉、精子等非脂肪組織或細胞分泌。早在1995年，瘦素因其對能量平衡和體質(zhì)量的調(diào)節(jié)功能而被發(fā)現(xiàn)[1]。2004年起，學(xué)者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)瘦素能促進和刺激下丘腦-垂體-性腺（HPG）軸發(fā)育[2-4]。近期研究證明瘦素在雄性哺乳動物HPG軸內(nèi)分泌器官、睪丸、生殖道、附屬生殖腺及精子中的水平異?？蓪?dǎo)致雄性生殖系統(tǒng)的發(fā)育和功能障礙。我國近年來的臨床研究結(jié)果顯示，健康男性精漿中瘦素濃度約為0.8～1.5 μg/L，血清瘦素濃度低于10 μg/L。肥胖相關(guān)的男性不育患者精漿和血清中瘦素濃度差別較大，但兩者均顯著高于健康男性[5-6]。

1 瘦素的定義、結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

1.1 瘦素及其受體基因和蛋白結(jié)構(gòu) 瘦素是由肥胖基因（ob）編碼且主要由脂肪組織分泌的一種細胞因子。人類ob基因定位于染色體7q32.1，跨度約20 kb，并且僅有一個拷貝。ob基因在脊椎動物中高度保守，人和小鼠的總編碼序列84%同源。瘦素蛋白是由146 個氨基酸殘基構(gòu)成的單鏈多肽，分子質(zhì)量約16 ku，由4個反向平行的α螺旋（A、B、C、D）構(gòu)成，其中有2個保守的半胱氨酸殘基構(gòu)成二硫鍵，對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和生物活性至關(guān)重要[1]。

瘦素受體（LepR）是由糖尿病基因（db）編碼，含1 165個氨基酸的細胞因子受體。db基因位于染色體1p31.3，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有多種拼接形式，分別翻譯不同的LepR。LepR有6種亞型（LepRa～f），根據(jù)其有無胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域可分為分泌型（既無胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域也無跨膜結(jié)構(gòu)域）、短型（無胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域、有跨膜結(jié)構(gòu)域）、長型（有胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域）3類。其中LepRe為分泌型；LepRa、LepRc、LepRd和LepRf為短型，包含box1模體（胞內(nèi)氨基酸6～17位），能夠結(jié)合Janus激酶（Janus kinase，JAK），并激活其他一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)；LepRb為長型，含有JAK-信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子（signal transducers and activators of transcription，STAT）結(jié)合位點，能將激活信號完全導(dǎo)入含受體的靶細胞[7]。

1.2 瘦素的生物學(xué)功能 瘦素在外周組織中具有多樣生物活性，最早因其在肥胖和能量代謝方面具有重要作用而受到關(guān)注。瘦素可以降低動物食欲，提高能量代謝效率。瘦素及其受體基因突變可引起機體脂肪代謝障礙和內(nèi)分泌缺陷，從而導(dǎo)致肥胖[8]。另一方面，瘦素可上調(diào)多種炎性細胞因子的分泌，包括腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細胞介素6（IL-6）、IL-12。在非自身免疫炎癥性疾病如心血管疾病、代謝性疾病中，瘦素低表達可抑制免疫系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，而在自身免疫性疾病中瘦素低表達可降低過激免疫反應(yīng)，減緩慢性炎癥的進展[9]。此外，瘦素在雄性生殖中同樣發(fā)揮重要作用。

2 瘦素及其受體在內(nèi)分泌及雄性生殖系統(tǒng)的表達

血循環(huán)中的瘦素主要由皮下的白色脂肪組織產(chǎn)生和分泌，也可由一些非脂肪組織產(chǎn)生，如腦垂體前葉；也有研究發(fā)現(xiàn)人射出的精子中有瘦素分泌[10]。瘦素通過與其受體結(jié)合發(fā)揮作用。不同亞型的受體在人體內(nèi)分布廣泛，其中與男性生殖有關(guān)的主要分布在HPG軸[11-12]、睪丸Sertoli細胞[13]和Leydig細胞[14]。

2.1 瘦素及其受體在HPG軸中表達 LepR在哺乳動物下丘腦多種神經(jīng)元和內(nèi)分泌細胞中廣泛分布，尤其是在下丘腦弓形核（ARC）中高表達，瘦素經(jīng)血循環(huán)至大腦并作用于此處的LepR，參與能量代謝的調(diào)節(jié)[15]。然而，在HPG軸調(diào)控生殖起始環(huán)節(jié)的促性腺激素釋放激素（GnRH） 神經(jīng)元中卻無法檢測到LepR；同時，也無法檢測到LepR作用最重要的下游靶點磷酸化STAT3（p-STAT3）[11]。

LepR在GnRH神經(jīng)元的上游神經(jīng)細胞中有較多表達，如腹側(cè)前乳核（PMV）神經(jīng)元[16]、弓形核親吻肽（Kisspeptin）神經(jīng)元[17]以及GABA能神經(jīng)元[18]，這些實驗結(jié)果為了解瘦素對GnRH神經(jīng)元的可能性作用機制提供了重要的研究方向。

垂體結(jié)節(jié)部近90%的促性腺激素細胞和遠側(cè)部30%的促性腺激素細胞有LepR表達。實驗表明，垂體促性腺激素細胞在GnRH、神經(jīng)肽Y、生長激素釋放激素（GHRH）的刺激下會局部分泌瘦素[12]。

2.2 瘦素及其受體在睪丸與附睪中表達 小鼠睪丸組織中，瘦素及其受體主要表達于生精小管和睪丸間質(zhì)[11]。在生精小管，LepR定位于生精細胞。在新生小鼠體內(nèi)，小鼠睪丸中瘦素及其受體的表達部位隨著小鼠睪丸的發(fā)育而發(fā)生變化：5日齡小鼠瘦素表達局限于原始生殖細胞（PGC），LepR表達于A型精原細胞；10日齡以上小鼠瘦素及其受體表達于A型和B型精原細胞。在成年小鼠體內(nèi)，瘦素在生精上皮周期的第Ⅶ至第Ⅻ期表達于精母細胞，而LepR在生精上皮周期的第Ⅸ和第Ⅹ期表達于精母細胞，呈現(xiàn)明顯的生精上皮周期特異性[19-20]。

大鼠附睪中，瘦素及其受體僅表達于亮細胞（clear cell），且實驗結(jié)果顯示：在蛋白水平上，瘦素及其受體在附睪頭部區(qū)域表達較多，而在mRNA水平上，瘦素和其受體在附睪尾部區(qū)域表達較多[21]。

2.3 瘦素及其受體在附屬腺中表達 人前列腺和精囊腺上皮的分泌細胞中存在瘦素和LepRb，提示精囊腺和前列腺可能是精液中瘦素的重要來源之一。LepR在前列腺中有較高的表達，血清中高濃度瘦素可以促進前列腺癌細胞增殖[22]。Malendowicz等[23]發(fā)現(xiàn)大鼠瘦素mRNA表達量在精囊腺和前列腺后葉（dorsal lobe）中較高，且各類型LepR在不同前列腺葉中含量各異。

2.4 瘦素及其受體在精子及精漿中表達 精漿中存在瘦素和游離型LepR。人精液中的瘦素至少有2種變體，以游離形式存在[24]。Jope等[25]在人精子中檢測到一個LepR亞型（145 ku），該亞型可能是瘦素作用于精子的靶點，通過免疫熒光顯微鏡觀測到其定位于精子尾部。該受體的暴露與精子膜完整性密切相關(guān)，推測精子膜完整性丟失可能會增加LepR的表達。

3 瘦素在雄性生殖中的功能及意義

瘦素在雄性生殖中發(fā)揮重要作用。肥胖伴隨高血清瘦素水平與精子數(shù)量減少、活力下降、DNA碎片增加等密切相關(guān)[2]。瘦素基因敲除的雄性小鼠（ob/ob小鼠）均喪失生育能力[3]，其睪丸體積變小并伴有組織形態(tài)和生化指標(biāo)的異常[4]。同時，還有研究認為血清瘦素水平與性成熟有關(guān)[26]。

3.1 瘦素通過HPG軸調(diào)節(jié)生殖系統(tǒng)功能 瘦素可通過HPG軸調(diào)控性腺功能。HPG軸是哺乳動物體內(nèi)通過神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)控性腺功能的主要途徑，在促進性成熟和維持性功能方面起著重要作用。下丘腦是HPG軸的起始環(huán)節(jié)，下丘腦視前區(qū)的GnRH神經(jīng)元接受相應(yīng)刺激后會釋放GnRH作用于垂體，垂體釋放黃體生成激素（LH）和卵泡刺激素（FSH），LH和FSH可分別促進睪丸Leydig細胞合成分泌睪酮以及生精小管中的精子發(fā)生[27]。

3.1.1 瘦素作用于下丘腦 禁食期大鼠血清脂肪源性瘦素水平低下時，GnRH和LH分泌量均減少并可引起不育[28]。先天性瘦素缺乏癥患者也存在促性腺激素水平低下導(dǎo)致的性腺功能減退[29]。STAT蛋白家族是一組可被不同的細胞因子受體激活的相關(guān)蛋白，其中STAT3可以被LepR激活且磷酸化形成p-STAT3。然而，GnRH神經(jīng)元中并不能檢測到瘦素誘導(dǎo)的p-STAT3，也無法在GnRH神經(jīng)元中檢測到LepR。另外，GnRH細胞LepRb基因缺失也未導(dǎo)致小鼠生殖功能的缺陷[30-31]，因此，這些實驗結(jié)果表明瘦素并不直接作用于GnRH神經(jīng)元。

下丘腦的PMV中存在LepR的集中表達。實驗發(fā)現(xiàn)瘦素干預(yù)后，高比例的PMV神經(jīng)元去極化，這與瘦素作用于下丘腦視前區(qū)ARC的機制相似，該過程同樣依賴于磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）。去極化的PMV神經(jīng)元直接向GnRH細胞傳遞信號，這表明在瘦素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至HPG軸過程中，PMV神經(jīng)元可能具有重要的中間傳遞作用[16]。

Kisspeptin是已知最有效的GnRH釋放誘導(dǎo)因子，瘦素很可能通過調(diào)節(jié)Kisspeptin分泌系統(tǒng)中的基因和蛋白表達，間接調(diào)節(jié)GnRH的釋放。下丘腦中的Kisspeptin合成細胞主要位于ARC與前房室周圍核（AVPV），然而這些區(qū)域中僅有極少Kisspeptin合成細胞能夠表達LepR，這表明瘦素還可能通過某種間接途徑調(diào)控Kisspeptin系統(tǒng)[17]。

以一氧化氮（NO）為代表的氮能系統(tǒng)（nitrergic system）是瘦素調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)的重要中間途徑。已有實驗發(fā)現(xiàn)，NO合成抑制劑可以阻斷瘦素對ARC中Kisspeptin mRNA表達的作用，而在AVPV中幾乎無影響，這表明瘦素對中樞神經(jīng)的作用至少部分是由氮能系統(tǒng)介導(dǎo)的[28]。位于PMV表達LepR的神經(jīng)元投射到AVPV和ARC，可能參與瘦素對Kisspeptin分泌系統(tǒng)的間接作用。PMV中存在大量NO合成細胞，而正常條件下，細胞內(nèi)NO的合成依賴于神經(jīng)元型一氧化氮合成酶（nNOS）。瘦素干預(yù)后，PMV中nNOS和LepR的下游靶點p-STAT3共表達，這進一步表明NO介導(dǎo)了瘦素對Kisspeptin分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用[32]。

表達LepR的神經(jīng)元中有一部分是GABA能性（釋放神經(jīng)遞質(zhì)GABA的神經(jīng)元），尤其是ARC中的LepR神經(jīng)元，可占10%～45%。從GABA能神經(jīng)元中敲除LepRb會導(dǎo)致嚴(yán)重的肥胖和代謝功能障礙；同時，該敲除小鼠還呈現(xiàn)生殖功能受損[18]。因此，此項研究表明小鼠正常生育力的維持也需要GABA能神經(jīng)元中瘦素信號的傳導(dǎo)。

3.1.2 瘦素作用于垂體 瘦素能夠直接作用于垂體前葉發(fā)揮自分泌和旁分泌作用。在男性體內(nèi)，垂體瘦素主要來自于生長激素細胞（somatotropes），可通過激活促性腺激素細胞（gonadotroph）中的NOS促進LH釋放，并促進少量FSH釋放。實驗證實NOS完全抑制劑可在大鼠垂體水平上抑制瘦素誘導(dǎo)的LH釋放[33]，但瘦素在垂體水平的具體作用機制還有待進一步闡明。

3.2 瘦素影響睪丸細胞結(jié)構(gòu)及附屬腺功能

3.2.1 瘦素作用于Sertoli細胞 首先，瘦素可以通過調(diào)節(jié)Sertoli細胞中的糖代謝抑制生殖細胞的發(fā)育。Sertoli細胞從血液中吸收葡萄糖，其中大多數(shù)被代謝為丙酮酸，在乳酸脫氫酶的催化下轉(zhuǎn)化為乳酸，發(fā)育中的生精細胞優(yōu)先利用乳酸。高水平瘦素可降低人睪丸Sertoli細胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2（GLUT2）水平和乳酸脫氫酶活性，抑制Sertoli細胞對丙酮酸的攝取與代謝，從而阻止生殖細胞的發(fā)育[3]。

其次，瘦素可通過調(diào)節(jié)Sertoli細胞中的乙酸代謝影響生精細胞的發(fā)育。Sertoli細胞在自身代謝中會產(chǎn)生大量的乙酸，它們是精子形成過程中合成脂質(zhì)的重要碳源。病理性高水平瘦素可明顯降低Sertoli細胞乙酸的產(chǎn)量，從而阻止生殖細胞的發(fā)育[3]。

另外，瘦素可能通過損害血睪屏障（blood-testis barrier）而引起男性不育。Sertoli細胞間的緊密連接是構(gòu)成血睪屏障的主要結(jié)構(gòu)，血睪屏障可防止某些物質(zhì)進出生精上皮，從而維持精子生長發(fā)育的微環(huán)境。過量外源性瘦素可降低小鼠Sertoli細胞中緊密連接相關(guān)蛋白的表達，從而干擾血睪屏障的完整性[13]。

3.2.2 瘦素作用于Leydig細胞 Leydig細胞的主要功能是合成和分泌雄激素。雄性哺乳動物血清中90%以上的睪酮由Leydig細胞分泌。有研究表明，肥胖男性的血清睪酮水平與脂肪量呈負相關(guān)，可能與瘦素抑制Leydig細胞合成和分泌睪酮有關(guān)[34]，但值得注意的是，瘦素本身不能直接影響Leydig細胞的合成和分泌功能，而是通過降低LH和人絨毛膜促性腺激素（hCG）水平，抑制這些激素誘導(dǎo)Leydig細胞合成和分泌睪酮[14]。

3.2.3 瘦素作用于前列腺和精囊腺 人前列腺和精囊腺上皮可能是精漿瘦素的來源之一。前列腺和精囊腺中的瘦素進入精液后，加速精子膽固醇外排和蛋白酪氨酸磷酸化，從而促進精子成熟。另外，瘦素作為有絲分裂原和抗凋亡因子，可通過絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）和PI3K途徑促進前列腺癌細胞的生長，并且還可刺激前列腺癌衍生細胞系的增殖、遷移以及分泌生長因子等。因此，高瘦素水平可被認為是前列腺癌發(fā)生和轉(zhuǎn)移的一個危險因素[22]。

3.3 瘦素對精子發(fā)生和成熟的影響

3.3.1 精漿中瘦素的來源及作用 Glander等[35]發(fā)現(xiàn)輸精管切除術(shù)患者每次射精的瘦素量無明顯變化，精漿瘦素濃度與血清瘦素濃度無相關(guān)性，且顯著低于血清中瘦素濃度，這提示精漿瘦素可能僅來源于雄性生殖道。Cami?a等[24]比較40例健康男性和5例輸精管切除男性精漿瘦素水平后發(fā)現(xiàn)兩者差異無統(tǒng)計學(xué)意義。因此認為睪丸組織不是精漿瘦素的來源，其最可能的來源是精囊腺或前列腺組織。

精漿中的瘦素參與精子運動力發(fā)育的過程。當(dāng)精漿中瘦素濃度相對較低，瘦素對精子形態(tài)和運動無負面影響，而瘦素濃度較高時，精子的數(shù)量和活力都與瘦素濃度呈負相關(guān)，推測較低濃度瘦素有維持或促進精子運動能力的作用。

3.3.2 瘦素導(dǎo)致生精細胞內(nèi)氧化應(yīng)激產(chǎn)生

3.3.2.1 瘦素增加精子活性氧簇（ROS）水平 已有研究表明，瘦素可引起精子所處環(huán)境的ROS水平增加。瘦素處理后，精子表達8-羥基脫氧鳥苷（8-OHdG）水平升高[36]，這是細胞DNA氧化損傷檢測中最常用的生物學(xué)標(biāo)志物之一。

瘦素可直接作用于生精小管上皮細胞線粒體，通過影響線粒體外膜通透性，使線粒體跨膜勢能耗竭，增加ROS產(chǎn)生。另一方面，瘦素處理后，線粒體中電子傳遞鏈相關(guān)酶表達顯著上調(diào)，而抗氧化酶、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶1（GPX1）、過氧化物酶1（Prdx1）和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶pi 1（Gstp1）的表達均下調(diào)，最終可導(dǎo)致ROS的增加和氧化應(yīng)激水平的提升[36]。

另外，瘦素還可通過與瘦素作用相關(guān)的途徑[腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）、PI3K、MAPK和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路]發(fā)揮作用[37]。Md Mokhtar等[38]發(fā)現(xiàn)PI3K途徑抑制劑LY294002能減少瘦素對精子的負面影響，但AMPK途徑抑制劑卻見效甚微。

3.3.2.2 瘦素抑制精子ROS防御系統(tǒng) 瘦素引起氧化應(yīng)激損傷的另一因素可能是瘦素抑制了抗氧化防御系統(tǒng)。瘦素處理的大鼠生精細胞其組蛋白-魚精蛋白的過渡受到損害。精子形成過程中，組蛋白被魚精蛋白取代是保護精子DNA的一個重要過程。經(jīng)瘦素處理后，組蛋白被魚精蛋白替代不足，染色體DNA無法緊密包裝，因此，容易受到ROS的攻擊、增加DNA斷裂的可能性，而該過程可能通過下調(diào)魚精蛋白基因的表達實現(xiàn)[39]。

此外，組蛋白乙酰化在精子發(fā)生中也起著重要作用。瘦素能夠加速組蛋白乙酰化，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，更容易受到破壞，從而加大DNA損傷和斷裂的風(fēng)險[39]。

3.3.3 瘦素在精子獲能中發(fā)揮重要作用 Aquila等[10]發(fā)現(xiàn)精子在獲能過程中可伴隨著瘦素的分泌量增加，提出瘦素可能在精子獲能中發(fā)揮重要作用。瘦素可觸發(fā)STAT3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，誘導(dǎo)PI3K和MAPK通路及抗凋亡蛋白B細胞淋巴瘤/白血病2（BCL-2）的激活，從而增強精子的獲能指數(shù)和頂體蛋白酶活性[40]。研究發(fā)現(xiàn)瘦素處理后未獲能精子的膽固醇外排水平增加，這是獲能過程的啟動過程；蛋白酪氨酸磷酸化水平也會增加，這可以用于評價獲能的進度[10]。

另一方面，瘦素也會通過影響糖原合成酶活性，負向調(diào)節(jié)精子的獲能過程。糖原積累可為精子獲能提供能量。在未獲能精子中，瘦素會通過蛋白激酶B（Akt）途徑顯著降低糖原合酶激酶3S9（GSK-3S9）的磷酸化水平，下調(diào)糖原合成酶活性，從而降低糖原合成效率[10]。由此可見在生理狀況下精子獲能過程，瘦素濃度升高有利于獲能進展，而當(dāng)瘦素濃度異常增高時可使精子獲能過程減緩或終止。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，瘦素通過作用于HPG軸、睪丸組織Leydig細胞和精子對男性生殖系統(tǒng)發(fā)揮作用。其中，瘦素通過HPG軸的激素調(diào)節(jié)促進Leydig細胞合成分泌睪酮以及生精小管中精子的發(fā)生，在小鼠中體現(xiàn)為與性成熟調(diào)控有關(guān)。睪丸組織中，瘦素直接作用于Sertoli細胞和Leydig細胞，調(diào)節(jié)Sertoli細胞中乳酸的代謝，影響Leydig細胞分泌雄激素。對于精子，瘦素主要影響其發(fā)生、成熟和獲能過程。一方面，瘦素既可以誘導(dǎo)ROS的生成從而增加睪丸組織和生精細胞的氧化應(yīng)激；另一方面也可降低生精細胞對ROS的抵御能力，最終造成生精細胞的損傷；此外，瘦素還能通過參與精子能量底物糖原的積累和STAT3信號途徑調(diào)節(jié)精子的獲能。

然而，瘦素間接作用于下丘腦GnRH神經(jīng)元的確切機制還尚未完全明了，目前部分學(xué)者將目光投向瘦素作用于下丘腦參與機體代謝調(diào)節(jié)的神經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，探究其對生殖系統(tǒng)的影響。另外，瘦素及其受體在Sertoli細胞中的表達量較少，瘦素是否通過影響Sertoli細胞的功能從而影響精子發(fā)育也有待進一步研究。