血管内皮生长因子在男性生殖系统的表达及作用研究

艾庆燕,赵豫凤,杨加周,王艳梅,苗乃周

细胞因子是一类由免疫细胞和相关细胞产生的具有调节功能的高活性、多功能蛋白质多肽,在生殖系统各种不同细胞间复杂的局部调节和信号转导中起重要作用,其以自分泌或旁分泌形式直接或间接调节免疫平衡。血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)又名血管通透性因子,能高度特异性地作用于血管内皮细胞,是强效的血管发生诱导物,以受体介导的方式发挥其生物学作用。VEGF和 (或)VEGF受体 (VEGFR)表达于许多与生殖有关的细胞,并调节生殖系统各器官的血管生成和通透性,是体内与生殖有关的重要生长因子之一。

1 VEGF及其受体分子生物学特性

VEGF由各种正常细胞和肿瘤细胞合成分泌,两个 17～22 kD的相同多肽链由二硫键连接而成分泌型同源二聚体糖蛋白,具有高度的保守性,对热和酸稳定,与乙酰肝素蛋白多糖有很高的亲和力。VEGF cDNA序列显示其有一个 N-糖基化位点可能与其细胞分泌有关。人类细胞中根据氨基酸残基数不同分为 VEGF121、VEGF145、 VEGF148、 VEGF165、VEGF189和 VEGF206,这几种亚型的同型二聚体具有基本相同的生物学活性,但因其与细胞表面和胞外基质中乙酰肝素结合能力的不同而功能上有所差异,其中VEGF165是发挥生物学效应的主要成分。

VEGFR属酪氨酸激酶 c-fms家族,由 7个免疫球蛋白样结构形成的胞外部分,含有酪氨酸激酶的胞内部分和疏水氨基酸组成的跨膜区域 3部分构成。胞内部分含有一段酪氨酸插入序列,是磷酸化的下游信号分子结合位点。VEGF信号转导的主要受体包括 fms样酪氨酸激酶 (Flt-1)和胎儿肝激酶插入区受体 (KDR),均具有酪氨酸激酶活性。Lam等[1]证实VEGFR在血管形成中起不同的作用,KDR的表达明显强于 Flt-1,因此 KDR可能为发挥主要功能的受体。

2 VEGF及其受体的生物学效应

VEGFR被 VEGF刺激形成二聚体并活化,促进相邻受体亚基的自身磷酸化和转磷酸化,以触发信号的传导,导致磷脂酰肌醇 3-激酶和磷脂酶 Cγ活化,前者使磷脂酰肌醇在肌醇环 3位上发生磷酸化产生第二信使;后者水解磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 (IPI2)产生肌醇 l,4,5-三磷酸 (IPI3)和二脂酰甘油 (DAG),分别起到激活 Ca2+通道开放促进细胞 Ca2+升高和激活蛋白酶 C(PKC)的作用[2]。VEGF与 Flt-1结合后,表现为促内皮细胞迁移,有调节血管通透性的作用;与KDR结合后则表现为促进细胞有丝分裂和抗凋亡作用。VEGF能介导内皮及非内皮效应促进有丝分裂,使血管通透性增加,内皮细胞增殖迁移、细胞间粘连,改变胞外基质构建新生血管的生长环境,在血管生成中起诱导和基因调节作用[3];刺激血小板 vWF的释放调节纤溶系统;促进肿瘤生长和转移,激活单核细胞促其迁移,对组织重构及再生等均有重要作用。

3 VEGF在睾丸中的表达及作用

VEGF转基因小鼠的生精细胞内有VEGF基因信号且出现于 1～12级精子细胞[4],说明 VEGF参与精子形成过程并可能调节男性生殖。VEGF蛋白表达于生精细胞、发育中的顶体和精子残余体中[5],可能参与精原细胞有丝分裂的增殖分化以及精母细胞的减数分裂过程,促进和加速精子的发生,作用于精子细胞直接参与精子的形成。Flt-1和 KDR蛋白表达于各级精子细胞发育中的顶体内,说明 VEGF与其受体参与精子细胞变态过程,特别对精子顶体的发育具有重要作用。支持细胞的基部胞质及残余体表达 VEGF,其分泌的 VEGF通过旁分泌作用于生精细胞;VEGF和其受体共表达于 Leydig细胞质中,通过自分泌调节睾酮的分泌,影响生精细胞的增殖分化、生精功能和精子发生的微环境,直接或间接调控精子的发生。VEGF表达于睾丸间质血管内皮及小血管平滑肌上调节睾丸微血管通透性和血管化对睾丸正常功能的发挥及微血管生成起着重要作用。

睾丸是具有高度增殖能力的组织,精子发生耗氧量大,轻度的氧浓度下降就会导致生精细胞的损害。VEGF和 Flt-1蛋白在实验性左侧精索静脉曲张 (experimental left varicocele,ELV)2周组睾丸中表达均上调,其可能作为保护因子参与精索静脉曲张 (varicocele,VC)机制,抑制凋亡、诱导血管形成,改善对睾丸组织的营养或逆流热交换系统功能[6]。隐睾组对侧睾丸 VEGF的表达显著增强,其表达水平与低氧诱导因子 1a(HIF-1a)同步,这是对组织缺氧进行的适应性反应,通过改变组织的血管生成和代谢来维持氧的稳态,发挥一定的抗细胞凋亡作用[7]。精原细胞瘤 VEGF的表达明显高于正常睾丸组织,且 KDR、Flt-1的表达均升高,提示血管生成在睾丸癌的病理进展起着重要作用[8]。VEGF在精原细胞瘤中主要表达于细胞质内,其表达与精原细胞瘤的临床分期密切相关,临床分期越晚,VEGF表达越明显,转移的机会也就越大[9]。

4 VEGF在附睾中的表达及作用

VEGF蛋白定位于人附睾的基底细胞、输出小管的纤毛细胞及附睾管周肌样细胞,KDR蛋白表达于附睾管体部基细胞及大的间质血管内皮细胞,Flt-1蛋白在附睾输出小管及淋巴小管上表达[10]。VEGF和 Flt-1、KDR蛋白在附睾管上皮中的表达具有细胞和区域特异性[5]:VEGF蛋白几乎表达于附睾管上皮所有主细胞胞质中,近管腔游离面纤毛也呈阳性染色,附睾体部表达最强,头、尾部次之;Flt-1和 KDR蛋白表达于上皮主细胞的核上部胞质内,以附睾头部最强,部分间质小血管内皮也为阳性。附睾上皮主细胞分泌大量的 VEGF蛋白与其相应受体作用,调节自身的吸收和分泌功能,在附睾头部可能参与睾网液的重吸收,在体部参与精子胞质小滴的代谢,进而影响附睾管腔液的组成及精子成熟的微环境,参与精子的睾丸后成熟。体外实验用VEGF165可刺激附睾使毛细血管及毛细淋巴管的内皮细胞间隙增大、通透性增加,VEGF可能以旁分泌的形式影响间质血管和淋巴管的通透性,调节附睾内的微环境[11]。其在附睾中的分布格局可能与附睾区域特异的分泌和吸收功能有关,通过调节微循环系统且以自分泌和旁分泌作用参与附睾原因的生殖活动。VEGF也可能作用于输精小管纤毛细胞影响精子的运输[2]。

VEGF及其受体对精子发生、成熟的调控作用也有负面性。VEGF在睾丸与附睾的高表达可导致血管新生且可能与男性不育有关[3],VEGF过度表达的转基因鼠发现睾丸上皮增生及生精过程受阻、精子发生停止,毛细血管密度和通透性增高;附睾管膨胀且出现上皮细胞增生区,间质毛细血管数增加;可能因过度表达的VEGF对男性生殖道内皮和非内皮细胞双重作用,附睾中的过度表达影响了附睾的结构和功能,破坏了附睾管腔微环境,影响精子成熟,进而导致男性生育力下降甚至不育。ELV组左侧附睾 Flt-1蛋白表达量的变化随时间延长而减少具有时间累进性[6],提示 VC有可能通过影响附睾上皮蛋白的合成和分泌较早并持续地造成睾丸及附睾精子发生、熟微环境的改变,继而导致男性不育。VEGF的高表达与附睾乳头状囊腺瘤的血管新生也有关。

5 VEGF在精子的表达及作用

精浆 VEGF水平对人类生殖有重要影响,VEGF受体定位于精子表面,精子顶体区 Flt-1强表达,KDR微弱表达于精子鞭毛表面。精液中 VEGF水平较高,女性妊娠率相对增加,VEGF不仅通过作用于男性生殖道细胞的 VEGFR对男性生殖起调节作用,而且通过对精子细胞的直接调节作用,影响女性妊娠的几率[13]。

VEGF、Flt-1和 KDR表达于大鼠附睾精子头部的顶体、尾部的颈段、中段和主段,说明精子本身也是 VEGF的靶细胞之一[5]。精子在附睾成熟过程中的重要变化是精子膜结构及其理化性质的改变,包括膜的通透性、流动性、膜脂、膜蛋白、膜受体等改变。VEGF和其受体蛋白在附睾精子的顶体、尾部不同区段的表达表明它们可能以自分泌和旁分泌方式作用于不同的离子通道等机制参与精子的睾丸后成熟过程,通过重饰膜结构,参与顶体的发育成熟及功能活动;也可能形成或激活 Ca2+通道引起精子尾部钙离子内流,激活细胞内信息传递,使精子呈现超激活运动而获得运动能力,存在于精子尾部Ca2+相关离子通道在精子运动方面发挥着重要作用[14]。细胞内重要的第二信使钙离子在精子各个生理阶段发挥重要作用,包括精子的运动、获能、顶体反应和获得受精能力等。

6 VEGF在前列腺中的表达及作用

前列腺体积增大,间质比例增加,以血管、平滑肌增生为主的组织 VEGF表达增加[15]。VEGF、KDR蛋白及 mRNA阳性表达广泛分布于前列腺增生组织和前列腺癌的上皮细胞、少数基质细胞和微小血管壁中,前列腺内癌组织的表达强度明显高于增生组织,随肿瘤分级增高而明显增加[16]。VEGF在前列腺癌中的表达与病理分级、远处转移相关,可能成为前列腺癌预后的一个重要指标[17]。VEGF表达随人类前列腺癌细胞转移特性的增加而增加,且恶性细胞合成并分泌的 VEGF刺激血管生成的效率更高,除了以旁分泌刺激血管内皮细胞增殖、血管新生外,还能通过自分泌调节肿瘤细胞增殖,在肿瘤的形成及进展过程中意义重大。前列腺液中的各种细胞因子可能就在精浆相互发生作用而导致不育。

总之,血管生成在男性生殖系统的许多疾病的发生、发展中起着重要作用,VEGF是血管生成的重要因素之一。VEGF及其受体在男性生殖领域中占有重要地位,但其在生殖系统中的表达意义、作用机制还需进一步研究,以更完善地了解其对男性生殖系统的调节机制,促进男性生殖生理学的发展。

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