GnRH依赖型性早熟遗传调控系统研究进展

韩 威，李慧芳，朱云芬，宋 迟，徐文娟

(1.中国农业科学院 家禽研究所,江苏 扬州 225125；2. 南京农业大学，江苏 南京 210095)

性早熟在家禽生产上具有重要经济价值，是高产蛋用型和优质肉用型品种(品系)培育中的一个重要选择性状[1-2]。在长期的选择和进化过程中，我国地方家禽品种资源形成了明显的早熟特性，如蛋用型的白耳黄鸡、仙居鸡、济宁百日鸡，肉用型的文昌鸡、宁都黄鸡、广西三黄鸡等开产日龄都在100～110 d，比国外品种提前20 d以上，比蛋鸡专门化品种提前10 d以上；绍兴鸭、山麻鸭的开产日龄也在105～110 d[3]。然而，与哺乳类、啮齿类动物相比，禽类早熟性状遗传机理研究相对滞后。由于性早熟在人类上表现为疾病状态，因此备受关注，相关研究报道较多；尤其是近年来全基因关联分析方法的应用，使得研究者对性成熟启动调控系统的认识更加深入，更重要的是新发现了一些关键基因。本文综述了人类性早熟相关基因调控系统研究进展，以期为禽类早熟性状研究提供煎借鉴。

1 遗传因素是性成熟启动调控的组成

人类的性早熟按照启动机制的不同可分为：(1)GnRH依赖型性早熟(GnRH-dependent precocious puberty，GDPP)，也称中枢性或真性性早熟，是由下丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamic-pituitary-gonadal axis，HPG)的提前发动引起的。其表现除了第二性征外，还包括生长加速，骨龄增加和具有生殖能力，且成年身高往往较矮。(2)非GnRH依赖型性早熟(GnRH-independent precocious puberty)，该类型的HPG轴功能并未成熟，是由于外周组织产生的性激素而致性早熟症状的出现，但不具备生育能力。按照中枢神经系统(central nervous system，CNS)是否受到损伤，GDPP又可分为“器质性”和“先天性”两种类型；“器质性”的指因中枢神经系统损伤引发了GnRH脉冲式释放增加，“先天性”的指中枢神经系统并不存在解剖学异常而GnRH脉冲式释放仍增加。

GDPP与正常性成熟(青春期)启动的调控机制相同，可通过测定性腺类固醇激素及促性腺激素(LH、FSH、GnRH)水平进行诊断[4-5]。女孩GDPP的发病率远高于男孩(比率超过20∶1)，且约90%的女性病例是先天性的[4，6]；而男孩GDPP病例中超过75%是由于器质性损伤引起的[6-8]。

性成熟的启动时机受遗传和环境因素的共同调节[9]，人类遗传学研究为肯定遗传调控作用提供了有力的证据[10]：(1)青春期的启动时机在不同种族群体间存在差异[11]；(2)母亲和女儿的初潮期之间存在正相关；(3)同卵双胞胎比双卵生双胞胎的性成熟发育过程表现出更强的一致性。性成熟启动是由包含一系列抑制因子、刺激因子和允许性神经内分泌因子的复杂网络控制的。啮齿类和灵长类动物上研究表明，兴奋性(易化性)输入的增加和抑制性因素的减少引起了GnRH脉冲分泌的增加和青春期的起始[12]。这些错综复杂的神经通路的紊乱将会导致性成熟启动时机异常[13-14]。人类上的研究也证实，大量的基因参与了神经内分泌控制的性成熟启动过程[15-18]。近来，基因组关联分析研究揭示人类LIN28B 基因6q21位点与初潮期相关[19-20]。然而，到目前为止，仅发现有限的几个分子突变和SNP与GDPP有关。

2 参与性成熟启动的基因调控系统

2.1 kisspeptin 系统

2.1.1KISS1RSeminara等[21]首次报道了性成熟发育受损病人中KISS1R基因的功能缺失突变。自此以后，其他抑制性突变陆续被报道[22-24]。KISS1及其受体KISS1R也被认为是性成熟启动的关键看门基因(gatekeeper)[25]。到目前为止，发现约5%的特发性低促性腺激素性性腺功能减退症(nIHH)病例与KISS1R突变有联系[26]。kisspeptin是GnRH分泌的一个强有力刺激物，其通过与下丘脑GnRH神经元表面的G蛋白偶联受体KISS1R结合发挥作用[27]。使用低剂量的kisspeptin处理啮齿类、灵长类动物，不论是中枢性的或边缘性的，都能够引发强烈的GnRH依赖的促性腺激素释放激素的分泌[27-28]；啮齿类和灵长类动物性成熟启动时，下丘脑KISS1和KISS1R基因的表达均增加。另一方面，与长时间持续性刺激会导致GnRH/GnRHR系统受体敏感性降低相类似，连续的kisspeptin注入会降低去势青年公猴的LH水平[25]。

Teleset等[15]探讨了kisspeptin/KISS1R系统在人类GDPP发病机理中的作用，研究扫描了53个患有先天性GDPP的巴西儿童的KISS1R突变，并在一个女孩上首次发现了杂合的激活突变p.R386P。这个女孩自出生后就显现出缓慢的和渐进性的乳房发育现象，表明存在一个早期的、持续的和缓慢升高的雌激素分泌；在7岁时，即表现出生长加速、骨骼成熟和连续的乳房发育，且伴随有接近正常性成熟期的E2和LH激素水平。体外研究表明，p.R386P突变位于KISS1R基因的羧基末端，导致细胞内kisspeptin信号通路持续保持激活状态，进而引起高水平高肌糖磷酸盐累积[15]。相对于最为熟知的G蛋白偶联受体功能组成型激活形式(即受体并不需要配体的存在去激活信号传输)，在体外，p.R386P突变的KISS1R与其配体的亲和力以及基础条件下的细胞内信号传导能力并没有发生改变，表明该突变是一个非组成型激活KISS1R突变；然而，p.R386P突变KISS1R的脱敏率有一个显著的减少(即仍保持较高的敏感性)。脱敏现象是一种配体诱导受体信号传输终止机制，缓慢的受体脱敏将导致持续增强的细胞性反应，GnRH释放脉冲幅度增加。与此相同的受体激活机制，在一个患有促肾上腺皮质激素非依赖性库欣综合征(adrenocorticotropic hormone-independent cushing syndrome)的病人中也被发现，其激活是由位于皮质素受体2(MC2R)羧基末端的一个突变引起的[29]。事实上，KISS1R的组成型激活也可能会扰乱脉冲式的GnRH释放，进而导致性成熟启动迟缓，因为持续性的GnRH分泌会导致受体脱敏。2011年，Bianco等[30]探讨了p.R386P突变延长KISS1R对kisspeptin反应的可能机制。在中国GDPP女孩中，6个KISS1R多态位点也已经被鉴定[31]；仅发现有1个非同义改变与GDPP有轻微的关联。

2.1.2Kiss1 鉴于kisspeptin在性成熟启动控制中的关键作用，以及其受体KISS1R的p.R386P突变会引起性腺轴的提前激活，因此Kiss1基因是GDPP的候选基因。Silveira等[32]扫描了83个患有GDPP的孩子(77个女孩、6个男孩，包括15.3%的家族病例)Kiss1突变，发现2个极少见的kisspeptin突变体p.P74S和p.H90D。

p.P74S突变是在一个1岁时即患有GDPP的男孩中被鉴定出，处于杂合状态。这个男孩表现出的症状包括：没有中枢性损伤，过早发育、高水平的基础LH和睾丸激素，提示是由遗传因素造成的。大多数患有GDPP的男孩子，尤其是那些4岁以下的，一般有潜在的中枢性异常[7]。该男孩的妈妈和外祖母性发育正常，也带有杂合的p.P74S突变，表明不完全性别依赖性外显(incomplete sex-dependent penetrance)；另外一种可能就是涉及其它基因。

p.H90D突变体是在2个没有亲缘关系的GDPP女孩中被鉴定出，处于纯合状态。尽管该突变体并不存在于巴西人群中，但在一些正常个体及来自于美国和法国的性腺机能减退病人中并鉴定为杂合状态，这表明该突变是一个稀有SNP[33]。p.H90D突变体在体外对kisspeptin生物利用效率无变化。

大量位于Kiss1基因编码区、非翻译区及启动子区的SNP在统计上并未显示出与GDPP有显著关联[31-32，34]。其中的一个SNP(p.P110T)在中国人和韩国人群体中等位基因频率很低[31，34]，在非洲和西方人群体中未被发现。然而，在韩国人群体中p.P110T突变频率是正常人高于GDPP病人，表明该突变体可能对早熟性发育起到保护作用，该突变位点功能仍需要进一步的验证。

Vries等[35]评价了Kisspeptin在性早熟临床上的应用，比较了两个实验组血清kisspeptin水平：一组是31个被临床诊断为GDPP的女孩，另一组是14个处于青春期前期健康的对照组，结果发现GDPP女孩的Kisspeptin水平还是显著高于对照组。因此，Kisspeptin水平可被用作中枢性性早熟诊断的一个指标。

2.2 GABA系统

γ-氨基丁酸(GABA)是参与灵长类动物性成熟启动调节的一个支配性的抑制性神经递质。GABA对GnRH神经元的抑制效应主要是通过GABRA1受体介导的[36]。扫描了31个患有GDPP女孩(其中包括3个家族病例)的GABRA1基因，并没有发现功能性突变。除此之外，已被鉴定的7个GABRA1 SNPs中没有一个在统计上与GDPP关联，这表明GABRA1突变体不是引起中枢性性早熟的常见原因[37]。

2.3 NPY和leptin系统

机体的营养状态对于性成熟的启动和初潮期是非常重要的[38]。主要是由脂肪细胞分泌的Leptin(瘦蛋白)已经被证实与性成熟启动的调节相关，它被视为一个边缘性的代谢信号，扮演“允许信号”(permissive signal)作用，告知大脑有关外缘能量沉积情况，允许性成熟启动及其进程。Leptin或leptin受体突变个体表现出严重的肥胖和性腺机能减退[38]症状。研究证实leptin对GnRH的分泌的促进效用是通过kisspeptin神经元介导的，而这种效用的下调是通过 NPY神经元信号通路实现的[39]。在灵长类动物青春期前期，NPY对脉冲式GnRH分泌有抑制效用。NPY通过激活至少6个不同的受体类型介导其效用，NPY-Y1R亚型是一个抑制性G蛋白偶联受体，在所有类型中效用最显著[40]。Freitas等[41]调查了48个患有先天性GDPP病人的NPY-Y1R突变，在一个有家族性GDPP 病史的女孩中发现一个杂合型NPY-Y1R突变体K374T。然而，K374T突变在GDPP中的作用仍然需要进一步证实，因为它并没有导致该受体的NPY刺激活性显著降低。 Barker 等[42]也研究了GDPP患者的NPY-Y1和NPY-Y5受体基因，均没有发现与性早熟有关联的突变体。

2.4 LIN28B系统

2009年，4个独立的全基因组关联分析在LIN28B基因6q21处发现了与早初潮期有关的突变[43]。Elks等[44]开展了一个被称之为“ReproGen”的更大规模的初潮期性状全基因组关联分析，总计包括87 820个女性；结果在全基因组水平上新发现30个与初潮期有关联的位点，其中2个关联最显著的位点进一步证实了前期发现的LIN28B(rs7759938)和9q31.2 (rs2090409)。新位点位于包含与体质指数、能量平衡、激素调节相关基因的区域，提示能量平衡与性成熟启动的遗传调控有关。

证实LIN28基因对性成熟发育作用的进一步证据，来自于表达LIN28A的转基因鼠研究[45]，这些小鼠生长速率和成年体重增加、性成熟启动推迟。

2.5 NKB 系统

神经激肽B (Neurokinin B，NKB)是一个速激肽家族成员，属兴奋性神经传递素[46]。人类的NKB及其受体NK3R分别由TAC3和TACR3基因编码。

近年来，研究发现TAC3和TACR3基因的功能缺失突变与人类的特发性低促性腺激素性性腺功能减退症(nIHH)发病机理有关。到目前为止，大概49个带有TAC3和TACR3突变的个体被报道，这49个个体来源于多个不同种族，区域分布广泛。Gianetti等[47]报道，NKB系统突变是性腺机能减退症的常见原因，在nIHH群体中的发生率超过5%。更有趣的是，这个报道表明大多数病人表现出阴茎短小现象，更突显出NKB系统在新生儿时期的重要性，超过80%的在成年期表现出可逆性。这些报道揭示NKB信号通路是人类性成熟启动和促性腺激素分泌的一个必不可少的成分[46]。

NKB系统的作用机制依然未知，仅有的几个证据表明NKB可能具有GnRH分泌调节作用。NKB在大鼠下丘脑正中隆起表达，其受体在GnRH神经元上表达，表明该系统可能直接调节GnRH神经元功能[47]；更近一步，NKB在表达Kisspeptin的下丘脑神经元中也是高表达[48]。这些结果表明NKB复合体是人类生殖控制的一个重要组分。

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