孕激素非基因作用的研究进展

孕激素非基因作用的研究进展 ? 232?国际生殖健康/计划生育杂志2010年5月第29卷第3期 JIntReprodHeahh/FamPlan,May2010,Vo1.29,No:3 孕激素非基因作用的研究进展 朴曙花综述杨清审校 【摘要】孕激素与孕激素核受体结合,通过结合靶基因上的激素应答元件,调节靶 基因达,孕 激素的这种作用被称为基因作用.但许多实验已证明,孕激素可不依赖孕激素核受 体的转录活性产生快 速调节作用,这些作用被称为孕激素的非基因作用.对于孕激素的非基因作用可以 通过孕激素核受体与 孕激素膜受体实现.对于孕激素非基因作用的研究对动物和人的许多生理变化有 并为激素依 新的理解, 赖性恶性肿瘤的发生和药物治疗研究开辟了新的前景. 【关键词】孕激素;膜受体;非基因作用 ProgressinNon-genomicActionofProgesteronePIA0Shu— hua,YangQing.TheAffliatedHospitalof ResearchInstituteforFamilyPlanningofLiaoningProvince,Shenyang110031,China(PIA0Shu—hua);The AJfliatedShen~ingHospitalofChinaMedicalUniversity,Shenyang110004,Chinafro~gQn 【Abstract】 Progesteronecanmodulatethetranscriptionofgenesthroughthebindingtonuclear- localizedreceptor.However,progesteronecanalsoexertfast,nontranscriptionaleffectsthroughthebinding eithertotheclassicalnuclearreceptorortheprogesteronemembranereceptor.Theresearchin non—genomic actionofprogesteronemakesiteasiertoundemtandmanyphysicalchangesinanimalandhum anbody,andit alsoopenanewwaytoexplainandtreatthehormone—depandedmalignanttumor. 【Keywords】Progesterone;Membranereceptor;Non—genomicaction (JlntReprodHeahh/FamPlan,2010,29:232—234) 传统的观点认为,孕激素的功能受孕激素核受 体(progesteronenuclearreceptor,nPR)的调控,即孕 激素以自由扩散形式通过质膜,并与nPR紧密结 合,通过结合靶基因上的激素应答元件hormone responseelement,HRE),调节基因表达或与其他核 蛋白相互作用改变基因的转录活性,此种功能被称 为孕激素的基因作用(genomicactionofprogesterone). 但许多实验已证明,孕激素可产生快速调节作用, 这些作用不依赖nPR的转录活性,被称为孕激素的 非基因作用(non.genomicactionofprogesterone).尽 管早在三十多年前已发现孕激素的非基因作用的 证据,但对介导孕激素非基因作用的孕激素受体 (PR)孕激素结构及其具体机制尚不完全清楚.笔者 对此作一综述. Plq结构 一 ,nPR的结构 目前,nPR的结构已经明确,属于类固醇核受体 基金项目:辽宁省高校科学研究计划项目(2008757) 作者单位:110031沈阳,辽宁省计划生育科学研究院(朴曙花) 中国医科大学附属盛京医院(杨清) ? 综述? 家族中的一员.人nPR有多种亚型,目前研究较多 的是PRA和PRB.PRA和PRB具有共同的结构 域:羧基末端的配体结合~(LigandBindingDomain, LBD)是激素的特异结合部位.中间的DNA结合区 (DNABindingDomain,DBD)包括两个高度保守的 锌指结构;氨基末端结构域(N.terminalBinding Domain,NBD).其中LBD和DBD是高度保守序列, 而NBD即氨基末端是高变区.有3个反式作用激活 结构域(AP1,AP2,AP3),AP1位于NBD,AP2位于 LBD,AP3为PRB所特有,位于PRB氨基末端164 个氨基酸所在的区域. 在无孕激素作用时,PR与热休克蛋白结合,维 持nPR的构象稳定,当孕激素进入细胞与PR结合, 使nPR与热休克蛋白解离,nPR构象发生改变,形 成二聚体,结合于靶基因启动子上的HRE,调节基 因的表达,发挥经典的基因作用. 二,孕激素膜受体(mPR)的结构 孕激素可促进卵母细胞的有丝分裂,促进精子 的顶体反应.大量实验证明,孕激素的这种快速作 用是通过与细胞膜上的特异受体结合实现的.近十 国际生殖健康/计划生育杂志2010年5月第29卷第3期 JIntReprodHealth,rFamPlan,May2010,Vo1.29,No.3 年研究者利用放射和光亲和技术在许多细胞膜的 表面发现了孕激素特异性的结合位点,并对其结构 进行了大量研究. 关于mPR的具体结构存在许多争议.目前有3 种认识:@mPR与nPR结构截然不同.?mPR与 nPR具有部分相同的结构域,特别是配体结合结构 域.@mPR与nPR结构相同. 1996年,Falkenstein等从猪的血管平滑肌细胞 分离出了孕激素膜结合蛋白,同nPR具有完全相同 的序列,由194个氨基酸组成.接着Selmin等在鼠 的肝脏,Cenedella等在牛的晶状体细胞膜上分离出 同族蛋白质.Gerdes等首次从人类身上克隆出孕激 素膜结合蛋白,称为Hpr6.6和Dg6.Hpr6.6是从猪 的身上克隆出的mPR的同族蛋白,主要在肝脏和肾 脏中表达,Dg6主要在胎盘中表达.2005年 Falkenstein等在人精子膜上亦发现了该蛋白的表 达.对该膜结合蛋白的结构分析发现其含有一个跨 膜区域,氨基末端位于细胞外,羧基末端位于细胞 内,含有血红蛋白结合位点和SH结构域,其中血红 蛋白结合位点对于其功能至关重要lll. 2002年,Zhu等从斑点海鳟鱼卵母细胞中发现 了一种新的基因,其编码的蛋白质具有受体的基本 特征,与孕激素发生特异性的结合,亲和力强,与配 体的结合具有饱和性和可逆性.近年来对其结构研 究发现,该蛋白质具有7个跨膜区域,含有细胞外 的氨基端和细胞内的羧基端,具有典型的G蛋白耦 联受体(Gproteincoupledreceptor,GPCR)的结构, 分子质量为40ku,在GPCR的分子质量范围内,其 与孕激素结合的平衡解离常数(kd)为20,40 nmol/L[2-31.虽然大量的研究证实,在细胞膜表面存在 着mPR,其结构与nPR完全不同,但在精子mPR的 研究中发现,用nPR的LBD特异抗体C一262作用 于人精子细胞,能够抑制孕激素的促顶体反应,通 过免疫印迹杂交技术发现,精子细胞膜上mPR蛋白 分子质量为55ku[41,表明在进化过程中,mPR具有 高度的保守性.已知人nPRPRA和PRB的分子质 量分别为94ku和l16ku,与精子细胞膜上PR分子 质量不同,由此推测mPR可能来自nPR不同的剪 切方式,但保存了nPR的配体结合区域. 2000年,Tian和Bayaa以人nPR的LBD做探 针,在非洲蟾蜍的卵母细胞cDNA文库中克隆出 nPR同源结构(xPR).2006年,Martinez等[51亦在非 洲蟾蜍卵母细胞中克隆出xPR.近十年的研究证实, xPR位于卵母细胞膜上,增加细胞膜表面xPR的表 ? 233? 达,可促进卵母细胞的成熟.将xPR转染人乳腺癌 COS细胞,用免疫印迹杂交及免疫荧光技术发现, xPR位于乳腺癌COS细胞膜上[63.因此推测,细胞膜 PR具有与nPR相同的结构,但对此观点仍存在争 议,争议的焦点为nPR不具有跨膜区域,如果mPR 与nPR结构相同,那么是如何插人细胞膜的呢? 总之,虽然目前对mPR的结构进行了大量的研 究并取得一定的进展,但对其结构尚无统一的认 识,仍有待进一步的研究. 孕激素的非基因作用机制 研究发现,孕激素可加速非洲蟾蜍卵母细胞的 成熟,促进精子顶体反应I8l,调节神经递质的释放, 激活乳腺癌细胞MAPK信号传导通路[91.这些作用 迅速,无法用孕激素的基因作用解释.因为孕激素 与nPR结合后调节靶基因的转录和翻译,合成 mRNA和蛋白质的过程不能在几分钟内完成,把孕 激素的这种快速调节作用称为孕激素的非基因作 用.孕激素的非基因作用具有以下特点:?作用很 快,与mRNA和蛋白质合成不同.?可在一些特异 的细胞中表达,这些细胞不能合成mRNA和蛋白质 或缺少经典的细胞nPR(例如精子细胞).?在孕激 素结合不能通过细胞膜的大的蛋白质时发挥作用. ?不能被mRNA和蛋白质合成抑制剂阻滞.?不 能被nPR阻断剂抑制. 一 ,nPR介导的非基因作用 众所周知,孕激素以自由扩散形式通过质膜 后,与nPR结合,形成二聚体,通过结合靶基因上的 HRE,调控靶基因的表达,发挥其经典的基因作用. 但在乳腺癌的研究中发现,孕激素与nPR结合后, 不仅可增强靶基因的转录活性,促进细胞的增殖, 还可通过MAPK/ERK和PI3K/Akt信号传导途径, 抑制细胞的凋亡,促进细胞周期素的表达,发挥其 快速的调节作用『10].研究发现,在表达PRA和PRB, 不表达ER的乳腺癌T47D细胞及表达ER但不表 达PRA和PRB的T47D—Y细胞中给予孕激素刺激 后,T47D细胞中有MAPK/ERK信号传导途径的激 活,而T47D—Y细胞中无p-ERK的活化,进一步研 究发现,在将人PR—B转染人T47D.Y细胞后,孕激 素恢复对p-ERK的活化作用,而将DNA结合区域 (DNAbindingdomain,DBD)发生突变的人PRB转 染人T47D—Y细胞后,PRB虽不能与靶基因的HRE 结合,但不影响孕激素活化MAPK信号传导途径的 作用,说明在乳腺癌细胞中孕激素可以通过nPR发 挥非基因作用fl1】.对nPR的结构进一步的研究发现, 国际生殖健康/计划生育杂志2010年5月第29卷第3期 JIntReprodHeahh/FamPlan,May2010,Vo1.29,No.3 在nPR的氨基末端的421428位氨基酸富含脯氨 酸,可与非受体型酪氨酸激酶Src的SH3结构域结 合,活化Src,进而活化MAPK信号传导通路【I2】.当 PRB的SH3结构域点突变后,失去活化Src的作 用,但不影响PRB的转录活性.研究发现,虽然PRA 和PRB都具有SH3结构域,但PRA无活化 MAPK/ERK的作用l131.利用光淬灭后的荧光复现技 术分析绿色荧光蛋白标记的PR在活细胞中的运动 发现,在给予孕激素刺激后,可见PRB较PRA向细 胞内运动速度快,当用SV40NLS5使PRB强行定位 于细胞核上时,PRB失去激活Src的作用.相反,当 改变PRA的空间构象,使其进入细胞质时,PRA具 有活化Src的作用.因此认为,nPR向胞质内运动是 其活化Src,进而激活MAPK信号传导通路的先决 条件【l4】.从以上的研究中推测,nPR具有双重作用. 二,mPR介导的非基因作用 仍存 尽管目前对于mPR的结构尚不完全清楚, 在许多争议,但是大量实验已经证实,孕激素可通 过细胞膜上的PR发挥其非基因作用.研究发现,在 给予孕激素后,通过激活细胞内MAPK/ERK及PKC 促进细胞内一氧化氮(NO)的合成,使处于收缩状态 的血管迅速的扩张旧,在非洲蟾蜍卵母细胞,孕激素 作用于mPR,抑制PKA的活性,减少环磷酸腺苷 (cAMP)的合成,激活p42MAPK及PI3K途径,促进 卵细胞的成熟;孕激素作用于精子质膜上的PR,促 进钙离子内流,氯离子外流,细胞外信号调节激酶 的磷酸化及cAMP生成,促进精子活动,获能及顶体 反应『j61.在卵巢颗粒细胞中,孕激素与mPR结合后 可以激活蛋氨酸脑啡肽(MEK)的活性,降低细胞内 Ca2+的水平,并通过激活PKG抑制cAMP的活性, 抑制颗粒细胞的凋亡.在子宫肌细胞中,存在两种 G蛋白耦联受体,mPRa和mPRb,内源性的mPRa 和mPRb可抑制cAMP的合成,促进肌球蛋白轻链 的磷酸化,抑制子宫平滑肌的收缩fI8】.将mPR转染 人缺乏nPR的人乳腺癌MDAMB.231细胞,给予孕 激素刺激,可见MAPK途径激活及cAMP生成减 少.在成骨细胞瘤中,小牛血清结合的孕激素通过 L『型Ca2+通道促进Ca2+从内质网的释放口91. 展望 对孕激素非基因作用的认识完善了nPR的作 用机制,认识到nPR不仅可发挥转录因子的活性, 还可以激活细胞内信号传导途径,发挥非基因作 用.mPR结构的研究,进一步完善了孕激素的非基 因作用.尽管对mPR已经有一定的了解,但其确切 分子结构,作用的分子机制还不甚明了. 综合目前的研究成果发现,孕激素的基因作用 和非基因作用存在一定的交叉,且在不同的细胞和 环境中产生的作用不同.孕激素非基因作用的研 究是一项非常艰巨而且充满争议的工作. 孕激素非基因作用的研究更新了对动物和人 的许多生理变化的理解.另外,孕激素在激素依赖 性肿瘤的发生中起重要作用.以往只重视其通过核 受体对基因转录的影响,相信孕激素非基因作用机 制的深人研究能为激素依赖性恶性肿瘤的发生和 药物治疗开辟新的前景. 参考文献 [1]ZhuY,HannaRN,SchaafMJ.Candidatesformembraneprogestin receptors—pastapproachesandfuturechallenges[J】.Comp BiochemPhysiolCToxieolPharmaeol,2008,148(4):381—389. 【2】ThomasP.Characteristicsofmembraneprogestinreceptoralpha (mPRalpha)andprogesteronemembranereceptorcomponent1 (PGMRC1)andtheirrolesinmediatingrapidprogestinactions fJ].FrontNeuroendoerinol,2008,29(2):292-312. 【3]3SmithJL,KupchakBR,GaritaonandiaI,eta1.Heterologous expressionofhumanmPRalpha,mPRbetaandmPRgammain yeastconfirmstheirabilitytofunctionasmembraneprogesterone receptors『J】.Steroids,2008,73(11):116o一1173. 『4]ModiDN,ShahC,PurlCP.Non—genomicmembraneprogesterone receptorsonhumanspermatozoa『J】.SoeReprodFertilSuppl, 2007.63:515—529. 【5]MartinezS,GrandyR,PastenP,eta1.Plasmamembrane destinationoftheclassicalXenopuslaevisprogesteronereceptor acceleratesprogesterone—inducedoocytematuration[J】.JCell Bioehem,2006,99(3):853—859. [6]MartinezS,Past6nP,SuarezK,eta1.ClassicalXenopuslaevis progesteronereceptorassociatestotheplasmamembranethrough itsligand-bindingdomain[J].JCellPhysiol,2007,211(2):560- 567. (7】LessmanCA.Oocytematuration:convertingthezebrafishoocyte tothefertilizableegg[J].GenCompEndocrinol,2009.161(1):53- 57. 『8】TokmakovAA,FukamiNongenomicmechanismsofprogesterone 【J].Tsitologiia,2009,51(5):403-416. [9】VicentGP,Ballar6C,NachtAS,eta1.Convergenceonehromatin ofnon?genomicandgenomicpathwaysofhormonesignaling叨.J SteroidBioehemMolBiol,2008,109(5):344—349. 【10】LangeCA,SartoriusCA,Abdel—HafizH,eta1.Progesterone receptoraction:translatingstudiesinbreastcancermodelsto clinicalinsights[J].AdvExpMedBiol,2008,630(2):94-111. [11]SkildumA,FaivreE,LangeCA.Progesteronereceptorsinduce cellcycleprogressionviaactivationofmitogen?activatedprotein ki[J].M.lE"d0cri".l,2oo5'l9(2):327—339_(下转 p246) [101 【12】 [13】 [14】 [15】 【16] [17] ?246?国际生殖健康/计划生育杂志2010年5月第29卷第3期 JIntReprodHeahh/FamPlan,May2010,VoL29.,No.3 HumReprod.2005,20(8):2043-2051. Christin-MaitreS,HuguesJN.Acomparativerandomized muhicentriostudycomparingthestep-upversusstep-down protocolinpolycysticovarysyndrome[J1.HumReprod,2003,18 (8):1626-.1631. LeaderA.Improvedmenofollicularovulationinanovulatoryor oligoovulatorywomenafteralow?-dosestep--upprotocolwith weeklyincrementsof25internationalunitsoffollicle-.stimulating hormone[J}.FertilSteril,2006.,85(6):1766一l773. HuguesJN,Cedrin-.DurnerinI,Howl,tesCM,eta1.Theuseofa decremeutaldoseregimeninpatientstreatedwithachroniclow— dosestep-.upprotocolforWHOGroupIIanovulation:a prospectiverandomizedmulticentrestudy[J},.HumReprod,2006, 21(11):2817一.2822. PracticeCommitteeoftheAmericanSocietyforReproductive Medicine.Ovarianhyperstimulationsyndrome[J】.FertilSteril, 2006,86(5supp1):S178-183. TsoLO,CostelloMF,AlbuquerqueLE,eta1.Metformintreatment beforeandduringIVForICSIinwomenwithpolycysticovary syndrome[J].CochraneDatabaseSystRev,2009,15(2):CD006105. LordJM,FlightIH.,NormanRJ.Insulin-sensitisingdrugs {f, metformin,troglitasone,,rosiglitazone..pi0tazone,D一-chiro? inositolJ/forpolycysticovarysyndrome[[J1.CochraneDatabaseSyst Rev,2003,(3):CD003053. KimCH,JeonGH,KimSR,eta1.Effectsofpioglitaz【)neon ovarianstromalbloodflow,ovarianstimulation,andinvitro fertilizationoutcomeinpatientswithpolycysticovarysyndrome 【J].FertilSteril.2009,24.[Epubaheadofprint】] AlivanisP,GiannikourisI,PaliurasC,eta1.Metformin- associatedlacticacidosistreatedwithcontinuousreual replacementtherapy[J}.ClinTher.,2006,28(3):396-400. [18]NissenSE,WolskiK.Effectofresiglitazoneontheriskof myocardialinfarctionanddeathfromcardiovascularcauses【J1.N EnglJMed.,2007,356(24):2457-2471. [19]MitwallyMF,CasperRF.Useofanaromataseinhibitorfor inductionofovulationinpatientswithaninadequateresponseto clomiphenecitratefJ11.FertilSteril,2001,75(2).'305-309. [20】MitwallyME,CasperRF.,DiamondMP.Theroleofaromatase inhibitorsinamelioratingdeleteriouseffectsofovarian stimulationonoutocomeofinfertilitytreatment[J].ReprodBid Endocrinol,2005,3:54. 【21】HolzerH,CasperR,TulandiT.Anewerainovulationinduction 【J】.FertilSteril,2006.,85(2):277.一-284. 『22】TulandiT,MartinJ,AI—FadhliR,eta1.Congenitalmalformations among911newbornsconceivedafterinfertihtytreatmentwith letrozoleorclomiphenecitrate『J】_FertilSteril,2006,85(6): 1761-1765. [23]CasperRiF,MitwallyMF.Review:aromataseinhibitorsfor ovulationinduction[J】_ClinEndocrinolMetab.,2006,91(3): 760-一771. 【24】1GaneshA,GoswamiSK.,ChattopadhyayR,eta1.Comparisonof letrozolewithcontinuousgonadotropinsandclomipbene.- gonadotropincombinationforovulationinductionin1387PCOS womenafterclomiphenecitratefailure:arandomizedprospective clinicialmal[J].JAssistReprodGenet.,2009,26(1):19-24. [25]ScowKM,JuanCC,HwangJL,eta1.Laparoscopicsurgeryin polycysticovarysyndrome:reproductiveandmetaboliceffects【J1. SeminReprodMed,2008,26(1):101一ll0. 【26】]HeijnenEM,EijkemansMJ.,DeKlerkC,eta1.Amildtreatment strategyforin-.vitrofertilisation:arandomisedlion--inferioritytrial 【J].Lancet,2007,369(9563):743—749. 11-:2O) (收稿日期:2009— 【12】 [13】 [14】 【15】 【16】 (上接p234) BoonyaratanakornkitV,Bi【Y,RuddM,eta1..Theroleand mechanismofprogesteronereceptoractivationofextra—nuclear signalingpathwaysinregulatinggenetranscriptionandcellcycle progression[J].Steroids,2008,73【f9)':922-928. BoonyaratanakornkitV,McGowanEJ,ShermanL,eta1.Therole ofextranuclearsignalingactionsofprogesteronereceptorin mediatingprogesteroneregulationofgeneexpressionandcell cycle[J].MolEndocrinol,2007,21(2):59-75. LimCS,BaumannCT,,HtunH,eta1.Differentiallocalizationand ? activityoftheA-andB-formsofthehumanprogesteronereceptor usinggreenfluorescentproteinchimeras『JJ.MolEndocrinol, l999..130):366--375. CutiniP,Sell6sJ,MassheimerV.Cross-talkbetweenrapidand longtermeffectsofprogesteroneonvasculartissue『J].JSteroid BiochemMSlBidI,2009,115(1):36—43. ThomasP,TubbsC,GarryVF.Progestinfunctionsinvertebrate gametesmediatedbymembraneprogestinreceptors(mPRs)': IdentificationofmPRalphaonhumanspermanditsassociation 【17】 [18J [19] 【20】 withspermmotility[J},.Steroids,2009,74(7~I:614—621. PelusoJJ,LiuX,GawkowskaA,eta1.Progesteroneactivatesa progesteronereceptormembranecomponent1-,dependentmecha— nismthatpromoteshumangranulosa/lutealcellsurvivalbutnot progesteronesecretion.JClinEndocrinolMetah,2009,94(7): 2644-:2~649. KarterisE,ZervousS,PangY,eta1.Progesteronesignalingin humanmyometriumthroughtwonovelmembraneGprotein-"COU-- piedreceptors;potentialroleinfunctionalprogesteronewith— drawalatterm[J].MdEndocrinol,2006,2Of7):1519-一1534.. GrosseB,KachkacheM,LeMellayV,eta1.Membranesignal- ingandprogesteroneinfemaleandmaleosteoblasts:involvement ofintracellularCa2+,inositoltriphosphateanddiacylglycerol,but notcAMP[J】_JCellBiochem,2000,79(21I:334—345. GellersenB,FernandesMS,BrosensJJ.Non-genomicproges— teroneactionsinfemalereproduction[J1.HumReprodUpdate, 2009,15(11:119—138. (收稿日期:2009—12-一19)