类固醇激素合成急性调节蛋白(StAR)的研究进展

乌日罕，哈斯高娃，陈小辛，张 睿，娜哈雅，娜仁花

（内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古自治区动物遗传育种与繁殖重点实验室，内蒙古 呼和浩特010018）

胆固醇是在动物体内广泛存在的一类成分，是细胞膜组分和类固醇激素合成的重要原材料，其代谢反应也与生物体的正常功能存在紧密联系。胆固醇跨膜转运往往需要经由嵌在细胞膜上的蛋白通道来实现跨膜转运[1-8]。胆固醇需要先由类固醇激素合成急性调节蛋白(StAR)转运到线粒体内膜，再在胆固醇侧链裂解酶(P450scc)催化下变成可溶性的孕烯醇酮。这两个步骤都限制了类固醇激素的合成效率，也是调控机体类固醇激素合成水平的关键部分[9]。孕烯醇酮合成类固醇激素的生物反应是在线粒体内膜上开展的，但其反应底物胆固醇主要存在于线粒体外细胞质，因此在类固醇激素细胞合成类固醇激素时，需要有辅助其跨膜转运的膜上蛋白[10-15]。

1 急性调节蛋白(StAR)的分子结构、编码基因及生殖影响性

StAR是一类可由激素进行诱导的线粒体蛋白，可以根据相对分子质量划分为30 kDa、32 kDa、37 kDa三类[16-17]。Christenson等通过2.2Å分辨率的电子显微镜，来分析MLN64（StAR类似物）中START片段的晶体结构，检测得到U段存在a／b折叠，蛋白中存在可供单个胆固醇分子通行的疏水管道，可能是转运胆固醇的分子通道[18-20]。在研究者的努力下，通过荧光原位杂交、干细胞分化和Southern印迹技术对StAR基因的染色体位置进行研究，发现人基因在结构片段中8q11.12上，假基因则在13号染色体上，而不同物种的基因同源性比较和相似性对比都在90%左右[21-22]。

StAR基因的表达与机体生殖过程存在直接、间接影响。M.C.Beattie[23]等的研究发现，睾丸间质细胞睾酮的产生随年龄增长而减少，导致血清睾酮水平降低(性腺功能减退)。在老化Leydig细胞的类固醇生成途径中，已发现了许多与T细胞形成减少相关的细胞变化，包括类固醇激素合成急性调节蛋白(StAR)浓度的下降。Caron KM[24]等敲除小鼠的StAR基因，发现其肾上腺类固醇生成特点与先天性肾上腺增生患者[CAH]的性状相似。还发现StAR转基因可恢复类固醇生成功能障碍的小鼠，让基因敲除小鼠的性腺激素水平与一般小鼠的肾上腺类固醇生成水平没有显著差异，这表明尽管敲除小鼠的StAR基因，这些小鼠保留了合成雄激素的能力。但是，缺陷小鼠表现出雌性外生殖器，这暗示了StAR的可能作用与敲除胎儿睾丸产生的雄激素有关。StAR也可以作为生殖代谢过程中的间接影响因素[25]。Hsin-Jung Ho[26]等研究GGOH调节睾酮生成的新功能，发现它能够通过诱导cAMP/PKA信号来增强I-10细胞中睾酮和孕酮的产生，在此过程中StAR的基因和蛋白水平均有提升。

2 StAR表达的影响因素

2.1 cAMP-蛋白激酶A(PKA)信号通路

cAMP一般需要PKA作用才能激活并转入到核内，与cAMP转录因子结合蛋白(CREB)及其磷酸化的调节因子共同作用，从而调控特定基因的转录表达。在合成睾丸间质细胞雄激素的过程中，cAMP会发生基因层面的长时效应，通过调控基因层面的转录表达，来实现对激素合成和分泌水平的调控[27]。其作用原理主要是通过作用部分类固醇激素酶基因的表达，来调控类固醇激素基因的表达和翻译。根据免疫印迹法监测间质细胞中的cAMP作用机制，发现其会增强羟化酶的活性和数量，让P450scc蛋白有较高的稳定性。cAMP还可以发生非基因性的短时效快速效应，这种方式可快速增强磷酸化作用，StAR蛋白在其中发挥着重要作用。Manna PR[28]等将StAR蛋白在其中的作用归结为结构上的cAMP反应结合区，通过反应元件结合加速线粒体合成类固醇激素合酶的过程。PKA有利于维持StAR蛋白的稳定，还会作用于蛋白合成的修饰、剪切和折叠阶段[29]。研究者在大鼠COS-1细胞中导入人肾上腺细胞StAR基因的cDNA突变片段，发现所表达的StAR中的PKA位点突变，会将StAR的类固醇生物合成能力降低至原水平的20%～30%。因此，cAMP能够间接影响类固醇的生物合成过程，对生物体内类固醇的合成具有重要的调控作用。黄体生成素(LH)也能够通过与受体结合来促进AC催化ATP转化为cAMP的反应过程[30]。

2.2 蛋白激酶C(PKC)

配体、受体的结合能够促进PKC的磷酸化，激发下游PKC进行信号表达，这是研究者所公认的。在PKC调节类固醇激素生物合成方面的影响能力，则没有达成共识。PKC参与了细胞中多种类固醇的合成，能够对类固醇激素合成效率起到增加和缩小的作用。相较于cAMP-PKA影响水平，cAMP-PKC在调控StAR表达上的作用能力更小，可改变的值小于1%，影响水平还与本细胞的类型及其他协同性刺激因子关联紧密。据试验研究可知，当PKC的活化剂佛波酯(PMA)在类固醇激素合成细胞中发挥作用时，若MA-10细胞受到PKC影响水平较低，例如10～50 nmol／L，6 h，其类固醇激素合成水平受到PKC的影响可以忽略不计[31]。但若PMA水平较高，例如在0.5～1 mmol／L时，则能够有效激发StAR的表达。因此，矛盾式的作用机制会使得StAR蛋白的转录和修饰过程，往往难以受到PKC的明确调控性影响。相关研究表明，cAMP-PKA途径能够促进StAR表达，让其合成过程不再依赖磷酸化。

2.3 调节因子

LH、卵泡刺激素(FSH)等促性腺激素及花生四烯酸，都是影响类固醇激素合成的调节因子。花生四烯酸的作用机制主要是在PKA作用到P450scc作用之间，其代谢与磷脂酶A2活性直接存在关联，能够影响StAR蛋白的表达，从而发挥调控类固醇激素合成的作用。有关研究表明，花生四烯酸的代谢活动参与了StAR蛋白的表达，而其受阻往往也是因为花生四烯酸而表现出难以转录的问题[31]。反映出花生四烯酸也是cAMP之外的，参与StAR基因表达、类固醇激素合成的必要调节因子。

而且，在StAR基因表达的负调控上，也有很多影响因素。先天性肾上腺发育不全症的X染色体基因1(DAX-1)是属于核受体基因突变，尽管较为少见，但在人体中的表达会使得婴儿出现先天性肾上腺发育不全，也会抑制其性腺合成低促性腺激素的反应。在Y-1细胞中，DAX-1的过度表达会抑制其合成类固醇激素的过程，主要是因为该基因干扰着与类固醇合成相关的两种以上的酶的表达，目前可以证实存在直接影响的包括P450scc与3p-羟基甾醇脱氢酶。DAX-1型基因突变也会通过占据StAR 5’端启动子结构而抑制其表达，是影响StAR负相表达的调节因子[32]。原发性肾上腺功能不全(PAI)可以通过影响NADPH产生和活性氧的细胞稳态，通过活性氧对类固醇生成急性调节蛋白(StAR)的负反馈，导致类固醇生成缺陷[33]。

2.4 PKA/CRTC依赖通路

ACTH参与CREB调控的转录共激活因子(CRTC)能够对类固醇激素合成急性调节蛋白 (StAR)转录激活，Lorna I.F.Smith等的体内研究表明，CREB调控的转录共激活因子 (CRTC)2参与了关键的StAR的ACTH诱导的转录。利用两株ACTH反应的肾上腺皮质细胞系，来研究CRTC在StAR转录中的作用。ACTH诱导StAR初级转录，或异核RNA(hnRNA)，平行于快速增长的核水平的CRTC的3亚型，CRTC1,CRTC2和CRTC3。此外，ACTH通过StAR启动子促进CRTC2和CRTC3的募集，而CRTC2或CRTC3的siRNA敲除均可减弱ACTH诱导的StAR hnRNA的增加。使用PKA、MAP激酶和钙调神经磷酸酶的药理抑制剂，ACTH对StAR转录和CRTC核易位的影响主要取决于PKA通路。CRTC2和CRTC3参与了ACTH对StAR转录的激活，PKA/CRTC依赖通路是多因子调控StAR转录机制的一部分[34-35]。

2.5 其他因素

除了cAMP-PKA通路能够调节StAR表达外，研究表明，还存在很多参与类固醇生物合成的调节因子，也构成了其旁路调节途径。例如生长因子、CL-、Ca2+和类固醇诱导蛋白等。这些旁路调控的影响水平较小，一般不到cAMP／PKA信号通路调节作用的1%，但其机制间的相互关联研究也是探讨人体生理反应作用机制的重要研究内容。

在可合成类固醇激素的细胞中，通过cAMP-PKA通路进行信号调节的过程中，线粒体磷蛋白、StAR是主要作用部分。而StAR起快速调节作用，其中的cAMP反应元件结合区能够通过与相应反应元件进行结合，加速类固醇激素合成。在cAMP调控StAR蛋白表达的过程中，主要是通过与蛋白激酶A(PKA)的磷酸化共同作用，来增强StAR基因的表达活性，从而提升类固醇激素细胞中类固醇激素的合成水平。促性腺激素能够增强细胞中的G蛋白、腺苷酸环化酶的活性，从而提升细胞中的cAMP浓度及PKA的磷酸化活性，激活类固醇激素合成相关的SF-I等转录因子的磷酸化反应，及StAR相关蛋白基因的表达[36]。而且PKA也能够促进StAR编码基因的稳定表达，也参与了StAR蛋白质表达中的蛋白链修饰环节，因此一般认为cAMP-PKA通路发挥调控类固醇激素在细胞表达的过程中，PKA需要通过cAMP进行介导。研究者通过刺激小鼠和人StAR基因中的PKA磷酸化作用位点突变，发现在194/195位丝氨酸突变成丙氨酸后，细胞中StAR的表达水平显著降低，而且也让细胞的类固醇激素的合成水平减至原值的20%～30%。所以，可以认为在合成类固醇激素及表达StAR基因的过程中，cAMP-PKA作用通路发挥着重要的调控表达作用，也是主要的信号反应通路，可以通过改变cAMPPKA通路的作用条件来调控机体中的类固醇激素合成急性蛋白的水平。

Stocco[37]等主要研究了调节StAR表达的其他调控通路，尽管较cAMP-PKA通路的调控作用要小得多，但也是探讨人体机能综合调控的重要内容。可以将旁路调控归结为以下几部分：

生长因子，包括胰岛素样生长因子I(IGF-I)、上皮生长因子(EGF)等，主要是通过MAPK／ERK通路的介导来影响类固醇激素合成细胞中StAR基因表达及合成类固醇激素的过程。

巨噬细胞源因子，在睾丸等区域的一些巨噬细胞与间质细胞联系紧密，这可能使得巨噬细胞源因子直接经由近端膜传递或细胞介质，来影响间质细胞中StAR的合成过程。而且，有研究检测到，白介素-1(IL-1)这种巨噬细胞源因子会在进入细胞膜后，强化大鼠间质细胞合成的孕酮和睾丸激素水平，可以将其作用机制推测为促进间质细胞表达StAR所实现的类固醇激素合成水平上升[38]。

CL-（氯离子）。在存在低浓度水平的cAMP类似物、人绒毛膜促性腺激素的环境中，CL-就能够接收信号，并增强StAR基因表达和类固醇激素合成的反应。而且，CL-也能够与Ca2+进行串并联式反应，在细胞质中的Ca2+缺乏时可以单独作用于细胞合成类固醇激素的过程，发挥调控作用；在Ca2+充足时，加上PKA的磷酸化作用，实现CL-通道与Ca2+通道的并联反应，通过最后的复合结构体来发挥调控作用，但这种作用方式并不会显著刺激StAR基因表达，而是发挥其综合、稳定性调控作用[38]。

Ca2+浓度的变化会影响细胞中类固醇激素的合成过程，研究者通过增强Ca2+载体A23187结合蛋白的细胞液水平，发现其孕酮、StAR的表达水平都显著提升；抑制其活性后，发现线粒体中合成类固醇激素的效率也有所降低。

K+是重要的跨膜电压通路影响物质，能够通过介导Ca2+在膜内外的浓度水平，来间接影响类固醇激素合成细胞中StAR基因表达及合成类固醇激素的过程。研究者通过增强大鼠间质细胞中的K+，发现其P450c17、P450scc、StAR mRNA 等成分水平都有所提升。但Ca2+本身的影响水平就较低，因此更具体的影响水平仍有待研究[39]。

镉是工业中广泛使用的重金属，由于职业和环境暴露，影响包括人类在内的动物的雄性生殖系统。然而，其作用于类固醇激素合成的分子机制尚不清楚。Park Soo-Yun[14]等将K28暴露于镉小鼠睾丸间质瘤细胞，发现其会显著增加急性调节蛋白 (StAR)的mRNA水平、启动子活性和蛋白反应水平，StAR是甾体生物合成的重要因素。已有文献证实，StAR基因转录受多种转录因子调控，包括cAMP-responsive element binding protein(CREB)家族成员和SF-1。镉处理导致CREB磷酸化水平升高，但未改变细胞核CREB蛋白水平。EMSA研究显示，镉诱导的CREB磷酸化与StAR基因启动子的近端区域形成了特异性复合物。此外，与CREB表达质粒共转染可显著增加镉诱导的StAR启动子活性。然而，镉暴露后，核水平和SF-1蛋白对StAR近端启动子的亲和力显著降低。

胰岛淀粉样蛋白，该蛋白能够对CREB进行慢性活化，从而增加StAR的表达。StAR随胰岛淀粉样蛋白沉积而上调，这与线粒体功能障碍有关。在类固醇样变组织中，StAR转录受到cAMP调控元件结合蛋白(CREB)的剧烈调控。通过研究体外(16.7 mM葡萄糖，144 h)和体内(高脂饮食;6个月的HFD)，发现体外磷酸化CREB(pCREB)和StAR表达仅随着淀粉样蛋白的形成而增加 (其他已知CREB靶基因的表达也是如此)。体内淀粉样蛋白沉积也与StAR和其他CREB靶基因的上调相关[40]。

小vcp蛋白，在间质细胞中的发育表达能够与StAR相互作用。Small vcp-interaction protein(SVIP)是一种由76个氨基酸组成的9kDa蛋白，在内质网相关蛋白降解(ERAD)途径中发挥作用。SVIP是一种雄激素反应蛋白，其表达受雄激素的调控。Gulben Akcan[41]等利用TM3、MA-10 Leydig和Sertoli细胞株来评价SVIP的表达，通过荧光显微镜进行类固醇合成急性调节(StAR)蛋白的共定位研究，显示StAR与SVIP在成年小鼠睾丸中存在共定位。利用SVIP siRNAs在Leydig细胞系培养中研究StAR的表达变化。SVIP的缺失导致StAR的表达下降。

3 急性调节蛋白(StAR)突变对生殖的影响

3.1 StAR蛋白对先天性肾上腺增生(CAH)的影响

先天性肾上腺增生(CAH)包括一组常染色体隐性遗传病，特征是激素合成中的酶缺陷。先天性脂肪肾上腺增生症(LCAH)是最严重的先天性肾上腺增生症。类固醇急性调节(StAR)基因的突变是导致LCAH的原因。Hong Chen[42]等通过描述3例中国LCAH患者的临床和遗传特征，分析了三个女孩患有LCAH的病史、临床表现、体格检查、实验室资料和计算机断层检查结果。利用基因组DNA对原代和亲本的恒StAR基因进行测序。将野生型和突变型StAR cDNAs插入pcDNA3.1(+)质粒载体中，瞬时转染COS7细胞。利用酶依赖性胆固醇对孕烯醇酮的转化效率评价野生型和突变型的酶活性。发现了3例LCAH患者的分子遗传异常。DNA测序显示，三种StAR型存在复合杂合变异。

3.2 14-3-3蛋白家族识别调控通路

急性调节蛋白(StAR)的突变与脂样先天性肾上腺增生(LCAH)有关，研究者假设StAR作用过程中包括一个模球结构转变和与14-3-3蛋白的相互作用。为了研究14-3-3-StARD1相互作用的结构基础，Smith LC[43]等发现，虽然分离的起始区域不与14-3-3相互作用，但这种相互作用是通过在Ser57处的StARD1磷酸化而实现的，该位置靠近线粒体肽裂解位点。对StARD1与14-3-3亲和力和带有Ser57和Ser195磷酸肽的14-3-3复合物晶体结构的生化分析表明，位点特异性磷酸化在募集14-3-3来调节StARD1活性、加工和导入线粒体中具有独特的作用。Ser195位点的磷酸化产生了一个独特的条件位点，该位点只能在开始区域部分展开时与14-3-3结合。

4 StAR调节类固醇激素合成的作用及其机制

4.1 跨膜转运胆固醇

研究者在小鼠间质细胞的细胞质中导入大鼠StAR基因转录的cDNA质粒，该细胞合成的类固醇激素水平提升至原水平的7倍。StAR基因突变、不能发挥类固醇激素合成调节作用时，则会导致细胞中胆固醇等脂类成分超标，可能引发类脂性肾上腺增生，给人类健康带来不利影响；利用傅里叶转化红外光谱对其进行成分测定，发现类脂性肾上腺增生患者存在StAR蛋白异常折叠、功能失效。StAR分子转运作用的发挥与类固醇激素的合成关联紧密[44]。

StAR分子如何发挥其转运胆固醇的作用，可能存在以下几种机制。StAR在线粒体内外膜间进行连接，并基于这些位点构成线粒体的内外膜转运通道，为胆固醇的转运与利用提供特定反应通路。这个通道结构是StAR自身跨膜时形成的，从而通过控制StAR的表达来调控类固醇激素的合成过程。Miller[45]等研究发现，StAR分子的作用位点主要是在线粒体外膜，这也是其依附于线粒体结构的部位。

研究者还发现若线粒体膜上存在苯二氮卓类受体(PBR)缺乏，单StAR分子也无法发挥类固醇激素调控作用。有人猜测二者可能是配体蛋白的关系，从而影响了StAR分子的转运调控功能。通过免疫反应、电镜观察等，可以发现线粒体周StAR蛋白水平较胞质内其他区域也相差不大[45]。

4.2 StAR对类固醇激素合成的促进作用

Zenkert[46]等研究促性腺激素对类固醇合成的促进作用，发现细胞组织激素表达中会合成其他蛋白质。在此过程中，泌乳素(PRL)、促性腺激素LH、生长激素(GH)和促肾上腺皮质激素(ACTH)等，而这些相关的其他蛋白质成分则为StAR等基因表达的蛋白。在StAR蛋白前体大量合成过程中，肽链会紧密结合线粒体膜，其羧基端在与线粒体膜的某种机制下切入线粒体膜形成胆固醇的跨膜转运通路。在此过程中，线粒体内的StAR前体蛋白也会经过转录酶修饰，变成分子质量为30 kDa的StAR蛋白成熟体，StAR蛋白成熟体靠近线粒体内膜再折叠后，可以实现线粒体内、外膜的连接。

线粒体相关内质网膜(MAM)通过StAR-电压依赖阴离子通道2(VDAC2)作用调节激素合成活性。中枢神经系统合成类固醇激素的能力在生理学和病理学上有广泛的意义。在被提出的作用中，神经类固醇可调节LH的激增。这种参与雌激素正反馈表明外周类固醇与神经类固醇的整合。在女性下丘脑中，来自发育卵泡的雌二醇刺激星形胶质细胞中孕酮的合成，从而激活调节促性腺激素(GnRH)神经元的神经回路。雌二醇作用于膜雌激素受体-抑制激活细胞信号，导致肌醇三磷酸敏感钙的释放，足以诱导神经孕酮的合成。Chen Clair[9]等为了研究雌二醇信号通路诱导激活急性调节蛋白(StAR)和转运蛋白(TSPO)，由此介导甾体发育中的限速步骤，即胆固醇进入线粒体。雌二醇处理原代培养的成年雌性大鼠下丘脑星形胶质细胞诱导了级联磷酸化，导致钙依赖性腺苷环化酶的激活、AC1、cAMP的升高以及StAR和TSPO的激活。用H-89阻断蛋白激酶A的激活可以终止雌二醇诱导的神经孕酮合成。还有外膜蛋白、三磷酸鸟苷(GTP)和结合蛋白等其他因子参与，共同影响了StAR对类固醇激素的合成。

4.3 巨噬细胞影响StAR调节类固醇生物合成作用

巨噬细胞是人体内的重要细胞类型，大量存在于睾丸间质组织，并根据睾丸的性成熟情况而具有不同分布情况。一般来说，性不成熟则巨噬细胞在间质细胞外，性成熟则嵌入其中、联系紧密。Hiort[47]等对小鼠睾丸进行电镜观察，可以看到其中的间质细胞与巨噬细胞紧密连接，细胞膜呈锯齿状结构镶嵌，可以推理这两类细胞间的生理联系也密切关联。若间质组织中的巨噬细胞被破坏，则也导致与其紧密关联的间质细胞的形态、发育异常。Lukyanenko[48]等通过同位素标记来分析睾丸巨噬细胞的代谢反应过程，发现其25-羟化酶(25-HC)合成过程中以胆固醇为原材料，主要是通过胆固醇氧化来获得，这是从25-HC第25位碳原子的荧光溯源知晓的。25-HC是间质细胞直接用于类固醇激素合成的前体物质，在提升类固醇激素合成效率上有良好的调节作用[49]。

巨噬细胞分泌的细胞因子和活性氧物质(ROS)等炎性介质，也能够有效调控间质细胞合成类固醇激素的过程。前者包括肿瘤坏死因子a(TNFa)、干扰素Y(IFN-Y)等，主要是通过抑制StAR及一些类固醇激素合成催化酶，来抑制类固醇激素的合成[50]。后者则主要是通过与细胞体内的常见生物大分子结合，并改变其一般的化学结构来使其失活，从而影响了这些生物大分子在细胞中功能作用的发挥。在线粒体中发生氧化反应时，会生成ROS副产物，这种副产物在机体致病因子作用、外界强刺激等条件下，能够激发巨噬细胞中ROS的水平，经由体液交流或跨膜转运，干扰了其他细胞的生理功能。Hales[51-52]等的研究表明，巨噬细胞中的这种反应会对与其有紧密接触的间质细胞产生干扰，遏制了线粒体内StAR蛋白的表达及其对雄激素合成的调控作用。

综上所述，在研究者的努力下，已经明确了StAR在机体细胞合成类固醇激素过程中的作用效果，但作用机制仍有待探究。本文通过综合多篇文献资料，对类固醇激素合成急性调节蛋白(StAR)的研究进展进行综合论述，旨在通过整合现有研究成果，为广大研究者更深入的探索StAR分子的功能机制，及合成类固醇激素过程中的相关因子作用提供理论参考。这有利于人类研究类固醇激素、StAR蛋白等的相关性疾病，从分子机制上增强对人类机体运行的了解。