闻鑫,张杨,张跃辉,姚美玉
生殖内分泌疾病是涉及女/男性生殖系统的一组疾病,往往表现为不孕(育)症和不良妊娠结局。该类疾病具有病因复杂、疾病的分子机制不明、遗传和环境因素联合作用、临床治疗缺乏个体化和有效的靶向性、患者个体差异较大及异质性强等特点[1]。生物学研究表明,编码序列仅占基因组的1.5%[2],而人类基因组中超过97%的转录产物是功能多样的非编码RNA(ncRNAs)。ncRNAs是基因表达和染色质结构的调控元件,可参与染色质修饰、转录调控,调节RNA稳定性等生物过程[3],目前研究最为广泛的ncRNAs为微小RNA(microRNAs,miRNAs)。研究表明,miRNAs调控60%的人类蛋白编码基因,并参与发育、代谢、凋亡、分化、细胞周期调控、应激反应和肿瘤转移等各种病理和生理过程[4]。
近年来,miRNAs在生殖疾病中的调控作用受到越来越多的关注。正常的生殖功能是一个复杂的过程,基因的准确表达、性激素的适度释放和细胞因子的充分分泌都是卵泡和胚胎发育的必要条件,任何环节紊乱皆可导致生殖功能障碍。miRNAs在精子发生和卵子发生的转录后基因控制中起重要作用,本文对miRNAs在此调控过程中所发挥作用的最新研究进展进行综述。
miRNAs是一类由19~24个核苷酸(nt)组成的单链小RNA,可以通过与靶基因mRNA结合,促进mRNA降解或抑制蛋白翻译,在转录后负调控基因表达。几乎所有成熟的编码mRNA转录序列都包含miRNAs响应元件(miRNAs response elements,MREs),意味着miRNAs几乎存在于所有的生物学环境中(包括细胞内液、血浆、血清、卵泡液、精液、尿液和唾液[5]),在生理和病理过程中都扮演着重要角色。
miRNAs起源于细胞核中被转录的初级miRNAs(pri-miRNAs),pri-miRNAs被甲基转移酶3(METTL3)甲基化。随后,pri-miRNAs被DROSHA-DGCR8复合物加工成miRNAs前体(pre-miRNAs,70~100 nt),并通过输出蛋白5(exportin-5,XPO5)从细胞核输出到细胞质中。在细胞质中,pre-miRNAs由Dicer蛋白切割并最终转化成双链成熟miRNAs(19~23 nt),这种双链小RNA将分离成单链,其中的一条链会加载到RNA诱导的沉默复合物(RISC)中,RISC作为导向分子通过与靶基因mRNA的3′非编码区(3′UTR)配对并进行转录和转录后调控,导致序列特异性翻译抑制或mRNA降解[6],继而影响信号通路的转导,从而发挥生物学功能。miRNAs编码基因分布在染色体上,单独分布或成簇分布,其中两个或多个miRNAs基因位于染色体同一段的短距离内。因此,特定片段上的miRNAs簇通常表现出协同的转录模式和相关的调节功能。值得注意的是,1个miRNAs可以有不同的靶点从而调控多个基因;反之,一个基因特定的mRNA 3′UTR可以被多个miRNAs调控,且miRNAs之间还存在反馈调节机制,可抑制或放大特定的信号,该作用机制增加了miRNAs调控网络的复杂性[7]。
卵巢功能决定着生殖和内分泌功能的正常发挥。POI是一种卵巢功能在40岁之前发生衰退的临床综合征,以高促性腺激素和低雌激素为特征,伴有生殖能力骤降和围绝经期症状,卵泡功能障碍和(或)原始卵泡衰竭是其病理特征。据报道,2.8%的中国女性患有POI[1]。由于卵巢功能衰退为渐进性过程,POI从隐匿期到生化异常期再到临床异常期可能需要数年时间,故对于高危人群的早诊断、早干预有助于解决POI患者的生育问题,病因研究可为POI高危人群的诊治提供线索。目前已知的POI病因包括遗传因素、医源性因素和免疫性因素,其中遗传因素占20%~25%,但大部分(75%~90%)病因尚未明确。随着对蛋白质编码遗传因子研究的逐渐深入,已确定部分POI候选基因:包括DNA损伤修复、同源重组(HR)、减数分裂相关基因STAG3、SYCE1、SPIDR、PSMC3IP、HFM1、MSH4、MSH5、MCM8、MCM9、CSBPGBD3和NUP107;细胞凋亡相关基因PGRMC1和FMR1;卵母细胞特异性转录因子FIGLA、SOHLH1和NOBOX;影响卵泡发育的转录因子NR5A1、WT1和FOXL2;转化生长因子β(TGF-β)家族成员骨形态发生蛋白15(BMP15)和生长分化因子9(GDF9)。以往对于POI候选基因的研究主要集中在外显子区域,即蛋白编码区。POI病因的高度异质性提示ncRNA对卵巢功能和POI发病机制调控的复杂性和重要性。
miRNAs在哺乳动物卵巢中广泛表达。Dicer作为调节miRNAs成熟的核糖核酸酶,敲除小鼠Dicer可导致卵泡发育功能障碍和排卵率下降,表明miRNAs在卵巢功能中的相关性[8]。XPO5多态性也被证明与POI风险增加有关。在POI和正常女性之间发现了差异表达的miRNAs,它们参与了卵泡发育、颗粒细胞(granule cells,GCs)凋亡、细胞DNA修复、类固醇激素与促性腺激素的合成以及表观遗传的调控。
2.1 影响卵泡发育在卵泡发育过程中,卵丘细胞(cumulus cells,CCs)与卵母细胞组成卵丘-卵母细胞复合物(cumulus-oocyte complexes,COCs),通过缝隙连接将营养物质传递给卵母细胞。同时,卵母细胞分泌特异性生长因子,促进CCs增殖。CCs与卵母细胞之间复杂的信号转导直接影响卵泡发育和卵母细胞成熟。缝隙连接蛋白37(CX37)形成卵丘缝隙连接亚基,其缺失会阻止卵母细胞成熟并导致小鼠生殖障碍;CX43缺失可通过降低对GDF9信号的响应抑制卵泡生成。BMP15和GDF9通过自分泌和旁分泌机制调节卵巢局部的细胞分化、增殖等功能。动物实验表明,miR-378过表达会降低缝隙连接相关基因CX37、CX43和卵泡发育相关基因BMP15、GDF9的表达,导致卵母细胞成熟率降低、卵巢体积减小、动情周期延长,通过下调抗凋亡基因B细胞淋巴瘤2(Bcl-2)促进细胞凋亡[9]。研究表明,BMP15和GDF9之间存在协同作用,该协同作用主要是由骨形态发生蛋白受体2(BMPR2)介导的。CCs中过表达的miR-375以BMPR2为靶点降低其表达,进而影响BMP15、GDF9受体的表达,导致细胞增殖能力降低、凋亡率增加;抑制miR-375则导致BMPR2表达升高[10]。
2.2 促进GCs凋亡随着生殖相关研究的不断深入,研究者逐渐认识到卵泡过度、提前闭锁将导致POI,而卵泡闭锁的基本机制是GCs凋亡。一般来说,GCs的增殖和分化导致卵泡成熟和排卵,而GCs的凋亡和变性导致卵泡闭锁[7]。Fas及其配体系统(Fas-FasL)是明确的凋亡信号通路之一,在卵泡闭锁中发挥重要作用。既往研究发现POI患者血清中miR-23a和miR-27a水平上调。Nie等[11]进一步研究表明miR-23a 和miR-27a 可 以 靶 向Sma 和Mad 相 关 蛋 白5(SMAD5)激活Fas-FasL信号通路,使凋亡蛋白半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶8(caspase-8)、caspase-3水平升高,从而发挥促凋亡作用。TGF-β信号通路控制细胞生理过程,与生殖密切相关。SMAD4是TGF-β信号通路的中心调节因子,与哺乳动物生殖能力和卵泡发育密切相关。SMAD4的过表达或下调分别促进GCs的增殖或凋亡。GCs中miR-26b过表达可抑制SMAD4 mRNA和蛋白水平,导致抗凋亡基因Bcl-2下调,促进GCs凋亡[12]。miR-26还被证明以透明质酸合酶2(HAS2)为靶基因,通过HAS2-cdd44-caspase-3通路介导凋亡过程[13]。miR-146a水平上调可通过Toll样受体和caspase通路促进GCs凋亡。miR-23a通过下调凋亡抑制蛋白X连锁凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein,XIAP),增加caspase-3的裂解,从而诱导GCs凋亡。let-7家族是最早发现的miRNAs家族之一,与正常女性相比,POI患者的let-7c水平降低。Cao等[14]将let-7g类似物转染至猪GCs后,观察到促凋亡基因caspase-3、Bax表达水平显著上调,抗凋亡基因Bcl-2、Mcl-1表达显著下调,表明let-7g可促进GCs凋亡。进一步研究发现,let-7g水平在卵泡闭锁期间显著升高。let-7g的过表达还可通过靶向抗凋亡基因增殖蛋白激酶1(MAP3K1)的mRNA位点并抑制GCs中MAP3K1基因的表达,同时促进叉头框转录因子O1(forkhead box O1,FOXO1)的表达并导致FOXO1去磷酸化,诱导GCs凋亡。
2.3 破坏DNA的修复过程多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(poly ADP-ribose polymerase 1,PARP1)和X射线修复交叉互补基因6(XRCC6)是参与DNA损伤修复和保护细胞的关键基因。PARP1与DNA单链和双链的断裂末端结合,促进DNA修复过程。XRCC6(也称为Ku70)与Ku80协同形成异源二聚体,在DNA双链断裂修复中启动非同源末端连接通路。Dang等[15]研究利用miRNAs和mRNA微阵列分析发现,与正常女性相比,生化异常期的POI患者miR-379-5p明显上调,通过直接靶向PARP1和XRCC6的缺陷修复,抑制DNA修复功能和细胞增殖。证实了DNA修复在POI病因学研究的意义,并提出了该病的表观遗传学解释。有研究发现,与正常卵泡相比,闭锁卵泡中miR-92b、let-7a和let-7i表达下调[16]。然而,miR-26b在卵泡闭锁期间上调,并抑制共济失调毛细血管扩张突变基因(ATM,一种调节DNA修复的基因)表达,导致GCs凋亡。
2.4 干扰类固醇激素合成类固醇激素急性调节蛋白(STAR)促进胆固醇运输,为类固醇激素生物合成提供底物。类固醇生成酶包括Cyp19a1、3β-羟化类固醇脱氢酶(3β-hydroxysteroid dehydrogenase,3β-HSD)和Cyp17等,参与类固醇激素的合成、脂质转运和细胞信号转导。卵巢中的miR-133b直接靶向FOXL2介导的对STAR和Cyp19a1的转录抑制,从而促进雌二醇(E2)的生成。miR-181a通过调控Cyp19a1基因的表达,下调GCs中雌激素的生物合成。其他间接调控Cyp19a1的miRNAs包括miR-320、miR-383和miR-764,它们直接靶向转录因子E2F1或类固醇生成因子1(steroidogenic factor 1,SF1),最终影响其下游基因Cyp19a1的表达;而miR-1275则靶向另一种Cyp19a1转录因子LRH1,从而影响雌激素的表达。据报道,miR-15a可促进孕酮和睾酮的释放,但其靶基因和调控机制尚不清楚。Sang等[17]研究表明,转染miR-193b、miR-483-5p和miR-24模拟物与孕激素合成的减少有关。此外,转染miR-320、miR-132、miR-222和miR-520c-3p模拟物可促进人卵巢颗粒样肿瘤细胞系KGN细胞中E2的生成,而转染miR-24模拟物则可降低E2的生成。
2.5 干扰促性腺激素的合成据报道,miR-22-3p是人GCs中最丰富的miRNAs之一,可负调控卵泡刺激素(FSH)分泌以及雌激素受体1(ESR1)、人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因(PTEN)的表达。许多miRNAs靶向转录因子影响卵泡发育,如TGF-β、黄体生成激素受体(LHR)和卵泡刺激素受体(FSHR)[18]。Dang等[19]研究发现,与正常女性相比,POI女性miR-22-3p表达水平明显降低,且miR-22-3p水平与血清FSH浓度呈负相关。在猪垂体前叶中检测到的miR-22-3p经促性腺激素释放激素(GnRH)处理后明显下调,提示miR-22-3p参与了垂体对FSH分泌的特异性调控。细胞因子是一种与细胞膜表面受体结合的小蛋白,促进细胞生长和调节免疫反应,在卵泡生长和胚胎发育中发挥重要作用。集落刺激因子1(CSF1)是一种由卵巢GCs通过自分泌或旁分泌途径分泌的细胞因子。CSF1可通过上调FSHR表达来促进FSH分泌,进而影响细胞内代谢、卵母细胞减数分裂、卵泡生长和成熟[20]。
2.6 表观遗传修饰ncRNAs是基因表达和染色质结构的调控元件,可以作为表观遗传过程的诱导因子和目标。多项研究表明,ncRNAs参与了与DNA甲基化或组蛋白修饰无关的表观遗传,在环境因素介导的表观遗传修饰中起重要作用[21]。miRNAs依赖的表观遗传调控可能是POI致病因素的基础。miRNAs直接参与生殖毒性效应的表观遗传传递的证据已在人类身上得到证实,即父母的生活方式可以在后代身上留下印记[22]。
PCOS是一种女性常见的生殖内分泌疾病,约9%~21%的育龄女性受其影响。与POI的病因异质性不同的是,PCOS的临床表型具有高度异质性,包括排卵障碍导致的月经稀发和不孕、卵巢多囊样改变、高雄激素血症,易伴发肥胖、胰岛素抵抗(IR)、高胆固醇血症和2型糖尿病、代谢综合征(metabolic syndrome,MetS)等合并症。数据显示,80%的PCOS患者患有无排卵性不孕。此外,PCOS还与不良的妊娠并发症相关,如妊娠期糖尿病(GDM)、妊娠高血压、胎盘早剥、胎膜早破和早产等。PCOS的病因尚不明确,目前认为主要是由遗传和环境因素联合作用所致,具有明显的家族聚集倾向。由于PCOS高度异质的临床表型,其诊断标准并不统一。越来越多的证据表明,PCOS患者的GCs、卵泡膜细胞、脂肪组织、滤泡液、血清和外周血白细胞中均检测到miRNAs的异常表达。与正常女性相比,PCOS患者中miR-30c、miR-146a和miR-222显著上调[5]。以下就miRNAs对PCOS的几个临床常见表型的调控进行论述,以期为PCOS更加明确的临床诊断提供参考。
3.1 miRNAs与高雄激素血症高雄激素血症是PCOS内分泌紊乱的典型表现,可能原因包括激素生成酶活性增强、雄激素生成增加和(或)雄激素代谢缺陷等。研究表明,雄激素过剩是PCOS患者稀发排卵的主要原因,过剩的雄激素可导致腹部脂肪沉积和内脏肥胖,促进IR,引起代谢功能障碍,进而促进卵巢和肾上腺雄激素的产生,形成恶性循环。此外,雄激素过剩还导致多毛、痤疮、皮脂过多和脱发等体征。目前已知的PCOS患者卵泡液中几种与雄激素代谢相关的miRNAs,其中miR-518、miR-29a、miR-320与血清睾酮呈正相关;miR-151、miR-135、miR-146a、miR-9、miR-132和miR-18b被证实可抑制睾酮分泌,与血清睾酮呈负相关。Arancio等[23]证实,PCOS患者中miR-155和miR-29a与雄烯二酮浓度呈负相关。miR-34b-3p被证实可以在体外控制雄激素受体(AR)的转录,与血清游离睾酮水平正常的PCOS女性相比,高雄激素性PCOS女性中miR-34b-3p的表达显著降低。此外,AR蛋白的高表达与低miR-34b-3p水平相关,推测高雄激素性PCOS女性中低水平的miR-34b-3p可增强AR的表达,导致雄激素代谢紊乱[24]。
3.2 miRNAs与IRIR是PCOS常见的代谢异常表现之一。约50%~70%的PCOS女性患有IR,极大地增加了罹患2型糖尿病的风险。Jiang等[25]比较了糖耐量受损(impaired glucose tolerance,IGT)PCOS患者与糖耐量正常(normal glucose tolerance,NGT)的PCOS患者的miRNAs谱,发现PCOS/IGT患者的miR-193b、miR-194和miR-122表达均升高,KEGG分析潜在的信号通路靶点发现这些miRNAs参与糖代谢和卵泡生长。葡萄糖转运因子4(GLUT4)是一种受胰岛素刺激的葡萄糖转运蛋白,与PCOS患者分离的原代脂肪细胞的胰岛素敏感性呈正相关。胰岛素通过磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路激活GLUT4并转运至质膜,从而促进葡萄糖摄取。研究表明,miR-483-5p通过激活PI3K/Akt来降低IR并促进卵细胞增殖。Yang等[26]发现PCOS伴IR大鼠卵巢组织中miR-33b-5p 表达增加,miR-33b-5p 水平与GLUT4、高迁移率族蛋白A2(HMGA2)、固醇调节元件结合蛋白1(SREBF1)表达呈负相关,证实miR-33b-5p是调控PCOS患者IR的重要分子,其可能机制是通过靶向HMGA2和SREBF1抑制GLUT4的产生。可见miRNAs主要通过调节GLUT4的表达来影响PCOS患者的葡萄糖代谢和IR。此外,PI3K和Akt的单基因突变可导致严重的IR。其他信号通路,如丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、JNK、p38和细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)也被证明与IR相关。线粒体是维持细胞能量稳态和生存能力的细胞动力源,也是活性氧簇(ROS)的主要来源,而ROS可通过受损的胰岛素信号通路促进IR的发生。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)通过调节线粒体基因的表达来调控线粒体DNA复制和细胞氧化代谢,对IR具有重要调节作用。Zhang等[27]发现PCOS女性PGC-1α水平降低,miR-485-3p以PGC-1α为靶点,PCOS女性中高水平的miR-485-3p可抑制PGC-1α活性,从而导致IR。此外,高雄激素性PCOS患者血清miR-378a-5p升高,通过抑制PGC-1β的活性并靶向PI3K引起IR。
3.3 miRNAs与排卵障碍PCOS的显著特征是GCs异常增殖和卵泡生长停滞。在卵母细胞发育过程中,已经证明卵母细胞与周围的GCs之间存在相互依赖关系,GCs的支持对于卵母细胞提供合适的微环境(如营养物质和生长调节剂)至关重要。此外,近年研究证实PCOS患者GCs的功能障碍,从增殖减少、凋亡增加到激素分泌紊乱,都与卵泡发育异常密切相关。He等[28]采用定量逆转录聚合酶链反应(qRTPCR)分析90例PCOS患者和70例正常女性GCs中miR-200b的表达发现,与正常女性相比,PCOS患者miR-200b的表达明显升高;miR-200b和miR-200c的过表达抑制了KGN细胞(人卵巢颗粒细胞瘤细胞)的增殖。此外,敲低PTEN可以抑制KGN细胞的增殖。表明miR-200b和miR-200c通过靶向PTEN抑制KGN细胞的增殖,为PCOS中GCs的异常增殖提供了新的证据。Cai等[29]研究表明,PCOS患者GCs中miR-145表达较低。miR-145直接与胰岛素受体底物1(IRS1)的3′UTR mRNA序列结合,进而抑制MAPK/ERK信号通路的激活,认为miR-145的低表达可通过调节PCOS女性GCs中的IRS1/MAPK/ERK通路而导致细胞异常增殖。研究还发现,PCOS患者GCs中miR-126-5p和miR-29a-5p水平明显低于正常女性,二者通过Klotho相关信号通路诱导GCs凋亡。Jiang等[30]研究表明,与正常受试者相比,PCOS患者血清中miR-21明显升高。靶基因分析显示,大肿瘤抑制激酶1(large tumor suppressor kinase,LATS1)是miR-21的下游靶基因,也是Hippo信号通路的核心激酶,在卵泡发育过程中起重要作用,过表达的miR-21可降低LATS1的表达并促进卵泡生长。
3.4 miRNAs与MetSSrensen 等[31]检测了42 例PCOS患者和20例正常女性的血清miRNAs水平以及与MetS相关的生化标志物,发现5种miRNAs(miR-20a-5p、miR-1225-3p、miR-433-3p、miR-1290 和miR-361-5p)与糖稳态异常或血脂异常有关,同时确定3 种miRNAs (miR-361-5p、miR-1225-3p 和miR-34-3p)的联合可以不受雄激素水平的影响正确识别PCOS组中的所有MetS病例。该研究首次报道了PCOS女性不同亚组的MetS综合miRNAs表达谱,提示循环miRNAs可作为诊断PCOS不同亚组MetS的生物标志物。
全世界约有7 240万对夫妇患有不孕症,约300万例通过体外受精(in vitro fertilization,IVF)和(或)胞浆内单精子注射(intracytoplasmic sperm injection,ICSI)完成妊娠。为了实现成功妊娠,目前精子和胚胎的选择基于其形态特征。辅助生殖技术(assisted reproductive technology,ART)的过程受到很多因素的影响,临床妊娠率只有约30%,这给大多数患者带来了经济、身体和精神上的负担。如果在胚胎移植前选择优质胚胎,那么可以在胚胎发育和植入之间给予一个合理的时间间隔,以减少子宫的排斥反应,提高IVF的成功率。最近的研究表明,精子质量在早期胚胎发育中起重要作用。当精子质量作为生物标志物时,选择形态正常的优质精子可以有效改善早期胚胎发育,进而影响妊娠结局。Xu等[32]收集了接受ART治疗的102例精子指数正常的精子样本的RNAseq数据,利用高通量测序分析精子中miRNAs差异表达与受精率(FR)、囊胚率和高质量胚胎率(HQER)之间的关系,发现miR-191高表达的精子具有更高的FR、有效胚胎率(EER)和HQER。表明精子中miR-191-5p的高表达与早期人类胚胎质量相关,miR-191-5p可能是维持正常精子形态的关键分子之一,可作为筛选高质量精子的潜在标志物,以提高IVF的成功率。另有研究发现,miR-191在IVF/ICSI周期失败培养基中的浓度高于周期成功的培养基,进一步证实了miR-191在胚胎发育中的重要作用。胚胎向周围环境释放核酸,包括miRNAs,这些分子可反映胚胎的内部特征,也可预示妊娠结局。Abu-Halima等[33]在植入前胚胎的废弃培养液(SCM)中发现了人类精子中差异丰富的miRNAs,对人类精子和SCM中的miRNAs丰度水平进行测定,发现SCM和精子的miRNAs丰度水平预示着胚胎质量和妊娠结局。进一步研究证实miR-19b-3p参与早期胚胎发育,可作为预测妊娠结局的潜在生物标志物。
miRNAs调节网络缺陷会导致生殖内分泌疾病及伴随的不孕症和不良妊娠结局,了解其在生殖内分泌疾病中的分子机制,将有助于缓解生殖缺陷、提高临床妊娠率。对于有生育需求的POI患者而言,对miRNAs的早期检测与遗传学研究可以帮助患者在卵巢功能完全衰竭之前制定合理的妊娠计划(如适时婚育、冷冻卵巢组织或卵母细胞等手段保留生育能力),或针对异常的miRNAs水平进行积极干预治疗,以解决生殖问题;对于PCOS患者,掌握完善的miRNAs调控网络有助于排除PCOS患者临床表型的异质性干扰,进行更加精确的诊断;对于ART而言,miRNAs可作为高质量精子的筛选标志物和预测妊娠结局的指标之一。因在血清中含量丰富、稳定且易检测,miRNAs已作为临床癌症的预测因子和诊断标志物[34],其作为非侵入性诊断工具在生殖医学中解决日益增长的生育问题同样具有显著的应用前景,可作为POI、PCOS等生殖内分泌疾病患者的候选诊断标志物。但目前对于miRNAs的研究多局限于单一miRNAs在生殖内分泌疾病的差异表达,为更好地解决miRNAs对生殖健康的影响,需要探索更多的miRNAs与miRNAs之间、miRNAs与其他ncRNAs之间的调控网络。转录组测序是探索miRNAs与靶基因相互作用的有力手段。然而,确定特异性miRNAs或miRNAs-信号网络在生殖内分泌疾病发病机制中的潜在作用仍面临重大挑战与机遇。