睾丸Serrttoollii细胞功能研究的新进展

严 俨赵 冉徐奕玫党学宁综述 刘 悦丁之德审校.上海交通大学医学院03级临床医学系（上海 0005）；.上海交通大学医学院解剖学与组织胚胎学系



睾丸Serrttoollii细胞功能研究的新进展

严 俨1赵 冉1徐奕玫1党学宁1综述 刘 悦2丁之德2审校
1.上海交通大学医学院2013级临床医学系（上海 200025）；
2.上海交通大学医学院解剖学与组织胚胎学系

睾丸支持细胞又称Sertoli细胞，在生精小管内数量恒定，相邻Sertoli细胞间形成紧密连接，组成血睾屏障，并由此将生精上皮分隔成基底室和近腔室。Sertoli细胞直接接触生精细胞，且对其周边微环境的调控意义重大。除了其最基础的支持与营养功能外，近年来研究发现，Sertoli细胞还涉及到了分泌、免疫、吞噬与凋亡以及其他功能。

一、Sertoli细胞的支持功能

在生精小管中，Sertoli细胞的支持作用大部分依赖于其自身和相邻Sertoli细胞以及Sertoli细胞和其他各级生精细胞的连接结构。

（一）构建血睾屏障

生精小管中的细胞连接可分为紧密连接、锚定连接以及缝隙连接，这些连接均由Sertoli细胞参与构成。其中，紧密连接和锚定连接中的细胞外质特化（ectoplasmic specialization,ES）和桥粒连接是血-睾屏障（Blood-testis barrier,BTB）的主要组成部分。BTB形成了免疫豁免区域，为精子的发生提供了合适的环境。

雄激素受体（AR）是Sertoli细胞表达的一种重要蛋白。它对黏附连接和紧密连接的调控有着重要作用。Lan等发现[1]功能性雄激素/雄激素受体信号通路可抑制Sox9基因的表达，继而进一步抑制抗苗勒管激素（anti-Mullerian hormone，AMH）的分泌，这对支持细胞的成熟至关重要。如缺乏该信号通路的抑制，Sox9基因表达上调，可进一步促进AMH的分泌，这是造成唯支持细胞综合征（Sertoli-cells-only syndrome，SCOS）的无精子症患者其Sertoli细胞受损的重要原因之一。

然而，近年来研究发现血睾屏障并非睾丸中保护精子免受自身免疫反应的唯一屏障，如从患睾丸炎的啮齿类动物模型中分离得到的激活性CD4+T细胞，移植至受体动物的睾丸内，在其血睾屏障完好的情况下，也可穿过血睾屏障；在精子发生过程中，即使血睾屏障通透性改变，如渗透分子量高达70kda的蛋白时，也未发生自身免疫反应，减数分裂仍可进行[2]。

另外，在血睾屏障相关研究领域中，有关男性避孕药物的开发也是研究热点之一。研究发现一个作用于生精上皮功能轴，即顶部外胞质特化区（apical ES，apical ectoplasmic specialization）-BTB轴，可调控各类生精细胞穿越Sertoli细胞，如释放精子等。此功能轴的组分，尤其是血睾屏障功能相关的蛋白复合体（α6β1-integrin 和 occluding），可成为男性避孕的重要靶点，如设计对血睾屏障穿透性高以及对α6β1-intergrin受体亲和力高的adjudin类似物，可激活相关调节蛋白（如p-FAK,DOCK180,PKB）和下游的 ERK1/2 信号转导通路，导致Sertoli细胞与生殖细胞黏连更紧密，以致生精细胞在生精小管内未能向管腔移动，最终导致雄性不育的发生。由于该避孕方法并未影响下丘脑-垂体-睾丸轴，故副作用较小[3]。

（二）参与精子发生

精子发生过程中，精原细胞和其他生精细胞一直处于支持细胞的环绕中。生精细胞在生精上皮的迁移过程中与支持细胞参与构成的锚定连接重构作用有关。

睾丸中含有两种特异的、以肌动蛋白为基础的结构。其中之一即为细胞外质特化（ES），并可分为基底ES与近腔ES两种。钙粘素2（cadherin 2,Neural-cadherin,or N-cadherin，CDH2）是基底ES中一种主要蛋白，由CDH2基因表达合成。Jiang等研究发现，在生精过程中，CDH2基因仅在Sertoli细胞中表达。Sertoli细胞中CDH2的缺失除了可导致BTB损伤外，还可引起减数分裂和精子形成障碍[4]。管腔复合物（tubulobulbar complexes，TBCs）是另一种特异的以肌动蛋白为基础的结构，是锚定连接的重要组成部分。其主要功能是消除精子细胞中多余的胞浆、内吞并回收连接分子（junctional molecules）、塑造精子顶体的形状并在成熟精子被释放前形成临时的锚定装置[5]。

此外，Cx43是Sertoli细胞形成缝隙连接的主要连接蛋白。Giese等发现患有生精障碍的男性经常会表现出精原细胞与支持细胞中Cx43表达量减少甚至不表达的情况[6]。

二、Serrttoollii细胞的分泌功能

Sertoli细胞可分泌多种转运蛋白与调节蛋白，为精子形成即生精细胞发育及代谢提供营养物质并起调节作用。

（一）转运蛋白

生精细胞的发生和发育均需要多种小分子如铁离子、铜离子、维生素等，而细胞连接蛋白或结合蛋白能保证它们的转运过程。Sertoli细胞能够分泌转铁蛋白和血浆铜蓝蛋白，这两种转运蛋白负责将铁离子和铜离子运输至发育中的生精细胞。与此同时，其分泌的叶酸结合蛋白与维生素结合蛋白能补充生精细胞所需维生素[7]。

（二）调节蛋白

Sertoli细胞分泌的调节蛋白有苗勒管抑制物质（MIS）、抑制素（INH）、内皮素（ET），骨形成蛋白（BMPs）、干细胞因子等。另外，Sertoli细胞还可以分泌多种生长因子，如生精细胞生长因子（spermatogenic cell growth factor,SGF）、神经白细胞素（neuroleukin，NLK）、神经胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）等。Sertoli细胞分泌的这些蛋白作用于各种生精过程，如DNA合成调控，生精细胞的生长代谢等。Sertoli细胞分泌的GDNF属于TGF-β家族，其通过旁分泌途径可促进精原干细胞（SSC）自身更新和维持[8]。

胰岛素与胰岛素样生长因子（insulin-like family of growth factors,IGFs）组成的通路对机体的每个器官、系统的细胞生长、增殖、分化与存活均起着重要作用。在睾丸中，IGFs通过自分泌与旁分泌两种通路发挥作用，其传导的信号能调控睾丸的正常发育与功能行使。男性如不能分泌IGF-1则表现为侏儒症状且无生育能力。同时，相比正常对照组，患者的精子数与血清睾酮含量下降80%以上[9]。灭活小鼠睾丸中IGF-1受体的实验表明，胰岛素/IGF通路障碍导致的精子数量下降并非是由于生精细胞受到影响，而是其使未成熟的Sertoli细胞增殖速度下降的缘故，最终导致成年小鼠睾丸大小与日产精子量下降了75%。因此，IGFs是调控Sertoli细胞数量以及睾丸大小最重要的生长因子[10]。此外，在小鼠实验中发现，胰岛素/ IGF信号通路还与雄性、雌性性腺分化有关[11]。

神经营养因子通过与酪氨酸蛋白激酶受体（tyrosine kinase receptors,Trks）结合对生殖系统发育发挥着重要的影响。然而，在神经营养因子中，如神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、神经营养素3（neurotrophin-3,NT-3）、脑源性神经营养因子（brain-derived neurotro-phic factor，BDNF）等中只有NGF会对雄性生殖系统产生影响。目前可知，NGF通过NGF/TrkA/p75信号通路对雄性生殖发挥作用，包括精子成熟、活动力、生存力以及顶体反应[12]。实验发现，少弱精子症患者精子样本中TrkA mRNA水平相比健康男性明显减少。此外，实验同时检测到NGF与TrkA在人精子中分布，然而，在成熟精子中仅检测到TrkA mRNA，而无NGF mRNA；另一方面，NGF mRNA大量存在于精母细胞，由此推测NGF可能通过旁分泌形式影响精子的功能[13]。

在生精小管中，睾酮可刺激S e r t o l i细胞分泌成纤维细胞生长因子FGF-2，FGF-2通过MEK/ERK/CREB途径激活果糖-2,6-二磷酸酶4（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase，PFKFB4）同工酶在小鼠生精细胞中的表达。生殖细胞发生发育过程中需要果糖-2,6-二磷酸激活糖酵解途径，而PFKFB同工酶能维持和增加果糖-2,6-二磷酸的含量。在建立的GC-1 spg（小鼠精原细胞系）与GC-2 spd（小鼠精母细胞系）两组细胞系中发现，PFKFB同工酶在精子发生过程中的表达由Sertoli细胞协调复杂的旁分泌信号体系调节，Sertoli细胞激活ERK信号途径和CREB（环磷腺苷效应元件结合蛋白，cAMP-response element binding protein）与PFKFB4启动子的连接并诱导PFKFB同工酶的转录[14]。此外，另有研究发现，小鼠精原干细胞（SSC）体外与FGF-2共培养可通过AKT与ERK1/2自分泌磷酸化途径诱导SSC的增殖并能保持干细胞的活性[15]。

三、Serrttoollii细胞的免疫功能

Sertoli细胞能分泌大量的免疫调节因子，这些生物活性因子有利于睾丸的免疫豁免功能，起到保护生精细胞的作用。

（一）免疫调节

Sertoli细胞是睾丸中重要的免疫调节器，具有诱导调节性免疫细胞的功能，但相关机制还未完全明确。现研究表明，Sertoli细胞可通过行使致耐受性抗原呈递细胞的功能，直接诱导产生调节T淋巴细胞，产生不同种类的免疫调节因子，直接或间接地影响免疫系统，辅助免疫豁免的形成。如小鼠原代Sertoli细胞（primary mouse Sertoli cells）分泌的一种可溶性JAGGED1（一种Notch配体）可强烈影响对Tregs （regulatory T cells）的诱导，通过触发Notch通路以维持调节性T细胞从头增殖；并招募Notch特异转录因子CSL/RBP-Jk至Foxp3（Forkhead box p3）启动子、调节Notch靶基因Hey1（Hairy/enhancer-of-split related with YRPW motif protein 1）。另外，受炎症刺激后，Sertoli细胞可分泌MCP-1（单核细胞趋化蛋白-1，monocyte chemotactic protein 1），促进睾丸巨噬细胞的迁移[16]。Sertoli细胞还表达固有免疫反应相关活性蛋白（如Toll样受体（TLRs）和细胞因子）的基因，并通过此类蛋白直接作用于细菌配体，起到保护睾丸和抗感染的作用[17]。

（二）免疫豁免

现普遍认为，睾丸的免疫豁免作用并非完全通过睾丸的自身解剖学结构实现,而是同时依赖于Sertoli细胞分泌的Fas/FasL介导，引起炎性细胞浸润，杀伤T、B、中性粒细胞、单核细胞。近年来，有关Sertoli细胞在移植领域的研究已成为热点。作为一个重要和理想的移植协同者，Sertoli细胞被异位移植后仍能存活，且能保护共移植的细胞行使正常功能。

此外，另有实验结果表明内皮细胞即胰岛血管化的基础，与Sertoli细胞共培养且与胰岛共移植后，胰岛细胞的存活率和功能都有所提升[19]。

2.Sertoli细胞与皮肤、肾及其他组织或细胞移植：当联合异体或异种细胞/组织移植时，Sertoli细胞可引起系统性的免疫抑制。如皮肤排斥反应目前仍然是皮肤重建移植手术中的主要障碍。最新研究表明移植至腹膜内具有强生命力的微胶囊化的异种猪Sertoli细胞（microencapsulated xenogeneic porcine SC，SCMCS）能显著延长同种异体皮肤移植后不发生排异现象的时间，且观察到80%的受体动物中调节性T细胞（Treg细胞）表达的显著提高，这一研究进一步证实Sertoli细胞移植技术是由Sertoli细胞诱导宿主免疫系统改变促成的，同时也展示了皮肤组织移植治疗的新视角和新策略[20]。此外，Sertoli细胞植入术也是延长大鼠肾移植存活时间的一种有效方法，它可作为环孢素A等免疫抑制类药物潜在的替代品[21]。

近年来，诱导性多功能干细胞已成为生物医学和转化医学研究的热点之一。由Sertoli细胞诱导生成的多功能干细胞（Sertoli cell induced pluripotent stem cells ,Ser-iPS），在早期时会保留Sertoli细胞的体细胞记忆，使Ser-iPS及其子代在活体内也能发挥免疫豁免功能，iPS细胞具有自我更新和分化的全能性，这样可避免移植过程中发生的免疫排斥问题[22]。

3.Sertoli细胞与雄性不育：敲除Sertoli细胞特异性雄激素受体（Sertoli cell-specifi c Ar，S-Ar）基因会使Cldn3（Claudin 3）的表达降低。Cldn3是一类睾酮调节基因，其产物是重要的Sertoli细胞紧密连接蛋白之一，可对睾丸的免疫豁免功能发挥重要的影响。另外，当S-Ar基因突变时，Sertoli细胞的紧密连接发生缺陷，睾丸内IgG浓度上升，睾丸间质中出现大量的巨噬细胞、中性粒细胞、浆细胞、嗜酸性粒细胞以及针对生精细胞抗原的抗体，导致睾丸丧失免疫豁免功能，提示Sertoli细胞的雄激素信号通路被抑制可能是特发性男性不育症发病的极为重要的病因之一[23]。

四、Serrttoollii细胞与吞噬及凋亡的相关功能

（一）吞噬功能

Sertoli细胞可有效吞噬清除凋亡的生精细胞和残余体，这对精子的成熟具有重要意义。转移相关蛋白2（metastasis associated protein 2，Mta2），是一种染色质修饰蛋白，也是Sertoli细胞表达代谢功能的相关蛋白，其功能主要是修饰具有调控转录作用的DNA。最新研究表明，Mta2表达下调与血清中FSH异常增高有关，而高浓度FSH环境对Sertoli细胞吞噬活动具有抑制作用。FSH/MTA2/FSHr级联反应可通过补偿性负反馈调节机制使FSH处于低水平状态，该机制对维持Sertoli细胞的吞噬功能处于正常水平必不可少[24]。

（二）凋亡功能

二硫化碳（CS2）暴露与动物及人类的生精细胞损伤及雄性不育有关。外源性加入CS2可使大鼠睾丸结构明显改变，Sertoli细胞凋亡率上升，内质网凋亡相关基因表达显著增高，且细胞内钙离子含量也明显增高，这是内质网凋亡途径的重要标志。因此，推测CS2可通过内质网凋亡途径诱导大鼠Sertoli细胞凋亡。然而，目前该途径的分子机制仍未完全清晰[25]。

另一方面，过量暴露于氟化物会引起雄性生殖系统功能障碍，最终导致生精细胞的病理损伤和凋亡。研究表明，外源性加入氟化钠会显著降低Sertoli细胞活性且诱导Sertoli细胞发生凋亡，而活性氧介导的内质网应激通路则在氟化钠诱导的Sertoli细胞凋亡中起关键作用[26]。

此外，壬基酚（NP）是一种重要的环境毒物，可破坏生殖系统的完整性和和功能，其细胞毒性可诱导小鼠睾丸的Sertoli细胞株TM4发生凋亡。在NP诱导TM4细胞凋亡时，线粒体凋亡途径可能起到部分促进作用，而MAPK途径抑制Akt信号的激活也可能参与了该凋亡过程。由此可见，细胞毒性，氧化应激和凋亡都可能是由NP引起TM4细胞损伤的关键因素，而NP则可能是一种对男性生殖特有的、潜在的毒理因子[27]。

五、Serrttoollii细胞的其他功能

（一）肿瘤发生

作为TGF-β超家族的成员之一，胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）是一种由Sertoli细胞产生的重要生长因子。大量研究表明CNDF对于精原干细胞增殖的维持必不可少，主要是它在体内外对于精原干细胞自我更新具有促进作用。另外，干细胞因子（SCF）、骨形态蛋白4（BMP4）和视黄酸（RA）均为Sertoli细胞分泌的促进精原干细胞自我更新和分化的必要因子[28]。然而，精原干细胞自我更新和分化的精准平衡调节十分关键。精原干细胞的去路包括精原干细胞自我更新维持的干细胞池（stem cell pool）或分化成不同类型的精母细胞最终成为精子以及最后走向凋亡。如果精原干细胞的分化占主导地位，精原干细胞池将会耗尽从而导致唯Sertoli细胞综合征的发生。反之，如果精原干细胞的自我更新占优势，那么精原干细胞就会不断增殖使得生精上皮仅有精原干细胞存在，从而可导致睾丸肿瘤的发生。

（二）细胞分化与增殖

在新生儿和青春期时，Sertoli细胞的存活、增殖和成熟与激素和其他因素调节密切相关。其多种受体与细胞内信号转导通路可被雄激素、促卵泡激素、甲状腺激素、激活素、维甲酸、胰岛素、胰岛素样因子、松弛素、雌激素等激活，尤其是雌激素受体。雌激素受体可激活细胞内的信号转导通路，其主要作用是扮演细胞周期过程中的转录因子，在Sertoli细胞的增殖和分化调控中具有重要的影响[29]。以往研究认为：青春期后成人Sertoli细胞是一种终末分化细胞，数量不变且也无法改变。然而，最近研究表明，Seroli细胞可以转化为功能性神经干细胞，并且成人Sertoli细胞通过长时间培养增殖，细胞数量会显著增加，同时它们的主要形态、表型及信号通路都依然保持不变[30]。

六、结语

综上所述，Sertoli细胞支持作用的缺失与少精症、弱精症等男性生殖疾病密切相关；与Sertoli细胞共孵育不仅有助于生精细胞发育，同时也能提高神经细胞、胰岛细胞等的分化、增殖水平；Sertoli细胞的免疫豁免能力不仅在血睾屏障中帮助调控生精过程，同时，在与其他细胞共移植时其可发挥免疫抑制功效。另外，Sertoli细胞能有效吞噬凋亡的生精细胞，调控精原干细胞的自我更新与分化。因此，Sertoli细胞的结构、功能及机制的新发现对临床男性不育症和Sertoli细胞相关肿瘤的诊断和治疗以及相关细胞和器官的移植均有重要意义。

关键词塞尔托利细胞;精子发生;精原干细胞;细胞分化

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29 Guo Y,Hai Y,Yao C,et al.Cell Commun Signal 2015;13:20

（2015-09-07收稿）

1.Sertoli细胞与胰岛移植：抑制排斥反应已成为延长胰岛移植物存活的关键因素之一。Sertoli细胞可与胰岛细胞共移植用于治疗糖尿病，其作用机理为：Sertoli细胞通过表达和分泌Fas/FasL系统可诱导T淋巴细胞凋亡，使胰岛移植物产生免疫豁免作用，延长其存活时间。研究表明：通过悬滴制备法将小鼠Sertoli细胞与胰岛细胞混合液经门静脉移植到因化学诱导产生的糖尿病小鼠体内，此不同细胞混合物可长期存活，并未发生免疫排斥现象，且能有效延长胰岛移植物存活时间以及降低外周血淋巴细胞和细胞因子水平。然而，研究人员同时还发现，在这一过程中Sertoli细胞发挥免疫豁免功能的主要效应分子并非普遍所认为的Fas/Fasl，而是TGF-β1，Fas仅起到了辅助作用[18]。

doi:10.3969/j.issn.1008-0848.2016.01.015

中图分类号R 321.1