垂体-性腺轴的内分泌调节

垂体-性腺轴的内分泌调节 中国兽医杂志2006年(第42卷)第9期41 禽类下丘脑一垂体一性腺轴的内分泌调节 刘红云,张才乔 (浙江大学动物科学学院,浙江杭州310029) 中图分类号:$856.5文献标识码:B文章编号:0529—6005(2006)09—0041一O3 动物生殖系统的发育和功能维持受到下丘脑一 下丘脑,垂体,性腺在中 垂体一性腺(HPG)轴的调控. 枢神经的调控下形成一个封闭的自动反馈系统,三 者相互协调,相互制约使动物的生殖内分泌系统保 持相对稳定.下丘脑接受经中枢神经系统分析与整 合后的各种信息,以间歇性脉冲形式分泌促性腺激 素释放激素(GnRH),刺激垂体前叶分泌促性腺激 素(GTH),即卵泡刺激素(FSH)和黄体生成素 (LH),然后促进睾丸或卵巢的发育并分泌睾酮或雌 二醇.性腺,垂体,下丘脑释放的调控因子又可以作 用于上级中枢或其自身,形成长轴,短轴和超短轴反 馈调节通路. 1GnRH 1971年GnRH首次从猪下丘脑分离得到,已被 证明是HPG轴的关键信号分子. 1.1结构,分布及生理功能哺乳动物GnRH具有 同一化学结构,是由9种氨基酸残基组成的十肽,禽 类GnRH主要有cGnRH—I和cGnRH—II两种存在形 式.利用放射免疫和免疫酶标定位技术,现已确定 GnRH主要由下丘脑产生,松果体,脊髓液脑外组织, 包括肠,胃,胰脏,卵巢,输卵管,子宫内膜,胎盘及交 感神经节等器官和组织中也发现有GnRH类似物存 在?引. 传统观念认为,下丘脑GnRH以脉冲形式通过门 脉系统(如高等脊椎动物)或神经细胞的轴突末梢(如 鱼类)到达垂体前叶[3],特异地与垂体促性腺激素细 胞上的受体结合,刺激GTH的合成和分泌,进而通过 血液循环调节性腺类固醇激素的分泌和配子发生,从 而调控动物的生殖功能,因此GnRH可在垂体,性腺 等多个水平影响生殖机能].不同组织中GnRH具有 不同的生物学功能:下丘脑中GnRH可调控促性腺激 素的释放;胎盘中的GnRH可调控人绒毛膜促性腺激 素的分泌;肿瘤中的GnRH可抑制癌细胞的增殖;消 化系统中GnRH的功能目前还不确定,但有研究证明 GnRH对消化系统有正向的调节作用l_2]. 禽类两种类型的GnRH虽然都能以相近的浓度 收稿日期:2005—05—27 基金项目:国家自然科学基金(30371051) 作者简介:刘红云(1978一),女,博士,从事基础兽医学研究 通讯作者:张才乔,E—mail:cqzhang@zju.edu.Cn 刺激GTH的释放,但I型主要存在于正中隆起并由 此分泌,而II型主要存在于下丘脑以外的脑区,这表 明I型是脑垂体GTH释放的调节者,直接刺激FSH 和IH的分泌,与生殖机能的关系较大,而II型在其 他脑区起作用.GnRH脉冲式的释放决定了垂体促 性腺细胞也呈脉冲式分泌GTH.同时,GnRH的脉 冲式释放还可以调节LH/FSH的比值. 1.2GnRH受体(GnRHR)GnRH通过与其受体 结合,参与动物生殖机能的调节和维持.RNA印迹, RT—PCR,原位杂交及受体结合分析等研究表明,垂 体中GnRHR的mRNA水平最高,GnRHR分布于 表达LH和FSH的促性腺细胞上,其次是卵巢和睾 丸,分别占垂体含量的40和50,脑中GnRHR分 布于弓状核,海马等部位,同时在分泌GnRH的下丘 脑神经元上也存在GnRH特异结合位点,提示脑内 存在GnRH自分泌调节机制.而卵巢颗粒细胞和黄 体细胞,睾丸间质细胞,胎盘细胞,滋养层细胞和合 体滋养层细胞,正常子宫组织,乳腺组织及前列腺均 有GnRHRmRNA的表达,提示GnRH在生殖调控 中除刺激腺垂体分泌GTH外,还可直接和生殖器官 发生作用,调节这些器官和细胞的功能活动. 2GTH LH和FSH是由垂体前叶分泌的糖蛋白激素, 均由两个非共价结合的多肽亚单位a和口组成,其中 a亚单位结合两个寡糖群,无种属差异,口亚单位分 别结合1个和2个寡糖群,决定GTH的特异性活性. GTH先与颗粒细胞和内膜细胞上的相应受体结合, 并激活cAMP—PKA系统,提高细胞中参与类固醇合 成的一系列酶的活性,进而发挥其刺激性腺发育的 生物学功能.在鸡胚孵化的第8天就可检测到FSH, 第10天和第13天分别出现两个峰值j,第10.5天 在其血浆中才能检测到IH的存在.在雄禽,FSH作 用于睾丸支持细胞,促进精细管的增长和分化,并刺 激精子生成.LH则促进睾丸间质细胞分化并产生 雄激素;在雌禽,FSH主要促进卵巢内卵泡的生长 和发育,诱导卵泡细胞LHR形成,刺激类固醇激素 的合成;LH主要促进卵泡成熟和排卵,并刺激孕酮 的分泌.虽然FSH,IH都能促使卵巢合成类固醇激 素,但IH的作用较大.IH能够诱导成熟卵泡颗粒 细胞和膜细胞中cAMP的升高,刺激类固醇激素的 42中国兽医杂志2006年(第42卷)第9期 合成,其刺激作用的强弱与细胞内类固醇激素合成 酶活性呈正相关.FSH刺激细胞中的类固醇激素合 成,主要作用在小卵泡和大卵泡的膜细胞上.在颗粒 细胞中,FSH对类固醇激素合成的调节作用取决于 卵泡的发育状态.尽管排卵前卵泡颗粒细胞上有 FSHR存在,但其受体数目随卵泡成熟而下调,FSH 不能刺激成熟卵泡颗粒细胞的类固醇激素的合成. 体外短期培养时,FSH只能诱导6,8mm卵泡颗粒 细胞P450的升高,但细胞内P450mRNA的水平 较低;经FSH预处理(>8h)后,细胞内P450 mRNA水平显着升高,并迅速表达P450导致孕 酮合成显着增加,此时这些细胞尚不能对IH刺激 产生反应.卵泡发育至12,15mm时,颗粒细胞开 始呈现对LH刺激的反应,而逐渐失去对FSH刺激 的反应.因此,FSH在禽类卵泡发育中的主要作用 是诱导颗粒细胞分化和LHR形成,促进卵泡发育并 使其进入排卵前的等级状态. 3HPG轴对性腺发育的调控机理 性腺的发育受到HPG轴分泌的多种激素的调 控[6].下丘脑和腺垂体激素及性腺内调节因子(性激 素,卵巢肽类激素和生长因子)等控制生殖细胞的增 殖,分化和凋亡.然而,Woods等报道HPG轴在鸡 胚发育第13.5天(雄性)和第14.5天(雌性)才开始 发挥其作用,在这之前下丘脑,腺垂体,性腺各自独 立发挥作用. 3.1GTH对性腺发育的调控作用FSH和IH是 调控正常卵泡发育和精子发生的重要因素.FSH细 胞和LH细胞最早出现在第4.5天鸡胚垂体中, FSHRmRNA在性腺未分化的孵化第4天的鸡胚中 就可检测.FSHR属于G蛋白受体家族,主要存在于 卵巢基质组织,颗粒细胞和膜细胞的质膜上,其表达 量随鸡胚的发育而逐渐增加,相应地刺激卵巢性激 素的合成,并促进卵母细胞的发育.FSHR除能自发 合成外,FSH的刺激能上调FSHR的表达.卵泡发 育数量的差异可能与FSHR表达程度的不同有关. 达到阈值的FSH启动卵泡的发育,FSH达阈值以上 的持续时间及超过阈值的程度最终取决于成熟卵泡 的数目.FSH作用于优势卵泡的颗粒细胞,诱导其 增殖分化,并增加颗粒细胞P450.…的活性,使雄激 素转变为雌激素.随着优势卵泡的出现,FSH浓度 逐渐下降至基本浓度,并且一直维持到下一个峰值 出现.随着成熟卵泡接受到的促性腺激素的刺激达 到峰值就会诱发排卵.现在有观点认为阈值浓度的 促性腺激素刺激是成熟卵泡排卵的根本原因.FSH 能促进许多哺乳动物卵母细胞的体外成熟[8和未 成熟小鼠腔前卵泡的体外发育[1.此外,FSH还能 刺激体外培养鸡胚卵巢细胞DNA合成和P450… mRNA的表达,促进类固醇激素分泌和生殖细胞的 增殖.LHR的分布比较广泛,除卵泡内膜细胞 和睾丸间质细胞,在非性腺组织也有表达,但IHR 的表达要迟于FSHR的表达.优势卵泡发育阶段表 现出对IH的依赖,在优势卵泡选择颗粒细胞中 FSHR数目不变,而LHRmRNA有了最初的表达, 并且LHR数目逐渐增多,优势卵泡的选择开始由 FSH依赖向LH依赖转变.动物的排卵是一个复杂 的过程,涉及成熟卵泡的破裂,卵子排出等一系列变 化.对排卵有根本影响的激素是IH.经过选择的优 势卵泡完成对促性腺激素依赖性的转变后,卵泡内 的雌激素迅速增加,出现了雌二醇峰值.随着雌二醇 峰的出现,垂体对GnRH的反应增加,垂体贮存的 LH增加,排卵前到达峰值的IH可引起卵泡壁缺血 形成一种"生理性萎缩"状态,导致排卵的发生.值得 一 提的是,LH必须和一定比例的FSH协调作用才 能促使正常排卵. 雌禽繁殖周期分段明显,包括产蛋期,抱窝期和 恢复期3个阶段.由于卵泡生长,成熟,排卵和抱窝 时垂体释放的激素不同,卵巢进行着生长和萎缩时 向的交替变化.产蛋期雌禽血浆雌二醇,孕酮,LH, FSH水平提高,开始产蛋时催乳素较低,以后逐渐 上升.雌二醇,LH在产蛋后期下降,产蛋鸡的血浆 GnRH比不产蛋时高;母鸡产蛋的最后一天,孕酮高 峰消失.产蛋量及产双黄蛋较高的鸡具有较高水平 的孕酮和LH.抱窝期HPG轴功能下降,血浆中高浓 度的催乳素具有抑制GTH分泌以及抑制性腺功能 的作用.动态观察结果表明,抱窝初期IH首先下 降,并在整个抱窝期都很低,育雏时逐渐回升,为下 次产蛋做准备,孕酮开始下降,再次是雌二醇,FSH 最后下降,但是恢复期FSH最先升高,其次是雌二 醇,孕酮和LH. 正常的精子发生需要生殖细胞与体细胞(如间 质细胞,支持细胞)之间复杂的相互作用,需要LH, FSH,雄激素和雌激素的精密调节,而且还涉及到许 多基因的相互作用.下丘脑一垂体一睾丸轴的平衡是 精子发生起始和维持所必需的.FSH与支持细胞 FSHR的相互作用可以影响雄激素的分泌;LH与 间质细胞LHR相互作用刺激间质细胞睾酮分泌; FSH与间质细胞和支持细胞以及生殖细胞的增殖 密切相关[1.支持细胞在精子发生过程中起着非常 重要的作用,其数目与精子生成的数量密切相关,一 定数目的支持细胞只能维持一定数目的生殖细胞的 生长,因此支持细胞愈少,产生精子的上限愈低;同 时,幼年期支持细胞的改变能影响成年后睾丸的大 小和精子数量,并可能影响精子的质量. 3.2性激素对性腺发育的调控作用性腺的发育 取决于胚胎发育早期的中胚层分化出来的生殖嵴中 皮质部与髓质部的发育程度.用雌激素或雄激素处理 ChineseJournalofVeterinaryMedicine中国兽医杂志2006年(第42卷)第9期43 鸡胚,可影响皮质和髓质的发育,进而控制性别. 大量的性反转试验表明,禽类胚胎性腺产生的类固醇 激素在性腺发育过程中起着重要作用.雄激素,17t? 雌二醇,雌酮在孵化第3天的鸡胚中已达可测浓度, 在发育第6,8天的鸡胚卵巢中分泌旺盛.在性腺分 化时,右侧卵巢分泌的雄激素的量远远高于左侧卵 巢,到孵化第12天,退化的右侧卵巢产生雌二醇和睾 酮的量基本与左侧卵巢相同,到第15天,右侧的类固 醇激素合成量降低到大约是左侧的一半.在整个胚胎 期,左侧卵巢雌激素/雄激素合成比例超过了1.0.右 侧卵巢内雌激素/睾酮比例的改变(从大于1.0到小 于1.0)发生在第10天,与其退化同步.雌激素在禽类 性腺和生殖器的分化过程中起着重要作用.雌激素通 过与其受体结合,作用于靶细胞来发挥作用.雌激素 受体首先出现在孵化第4.5天的性腺中,并且在左侧 和右侧性腺有相同的表达强度.在性腺开始分化时, 左侧性腺比右侧性腺表达量更多,并且一直持续到孵 化第12.5天.此外,雌激素对生殖管道的分化也起着 决定性作用.在胚胎发育期间及整个性成熟阶段,鸡 胚卵巢会产生缪氏管抑制素,雌二醇会通过旁分泌的 作用抑制其分泌,从而防止左侧缪氏管的退化,保证 了生殖管道的正常发育. 除了雌激素外,雄激素也是性腺发育所必需的. 在孵化第5天,用去甲睾酮处理可以影响鸡胚睾丸 的发育,导致左侧睾丸发育为卵睾体,而卵巢的发育 不受影响.用5a一双氢睾酮处理,可以使左侧睾丸发 育为卵睾体,说明雄激素不必转变成雌激素就可扰 乱性腺发育[1].雄激素可以通过雄激素样和雌激素 样两种作用方式促进鸡胚卵巢生殖细胞的增殖_l. 合成的性激素也可影响性腺的发育,将己烯雌酚和 乙炔雌二醇注射到孵化第3天的鸡胚中可导致性腺 胚胎雌性化,左侧睾丸发育为卵睾样组织和稳定的 输卵管结构[1. 综上所述,HPG轴在动物的生殖发育及功能的 维持过程中发挥着重要的作用.生殖过程的完成,是 一 系列激素共同作用的结果.虽然目前对禽类HPG 轴的研究较哺乳动物还有不少差距,但随着分子生 物学,细胞生物学等在禽类研究中的广泛应用,对各 激素受体,各激素作用机理,信号转导,相关基因表 达,以及应激,细胞因子,衰老,营养,饮食等多种影 响HPG轴功能的因素的深入研究都将更好的促进 禽类HPG轴的完善和发展. 参考文献: [1]WangL,XieLP,HuangWQ,Ptn.Presenceofgonado一 [2] tropin—releasinghormone(GnRH)anditstuRNAinrat pancreas[J].MolCellEndocrinol,2001,172:185—191. 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