钙蛋白酶和钙蛋白酶抑制系统在雌性生殖调控中的研究进展

朱桂玉

摘要 钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制蛋白系统在多种细胞中发挥作用，在雌性生殖系统中其对卵母细胞、子宫与胎盘的调控也起着重要作用。对该系统在雌性生殖调控中的作用的研究进展进行了综述，为进一步了解该系统奠定基础。

关键词 钙蛋白酶；钙蛋白酶抑制蛋白；雌性生殖调控

中图分类号 S813.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）13-03918-02

Abstract Calpain/calpastatin system is a large family and takes important roles in the cells normal function. In female reproduction， the calpain/calpastatin system is involved in the development of oocyte， uterus and placenta. Thus， this paper summarized the characteristics and functions of calpain/calpastatin regulation in the female reproduction.

Key words Calpain； Calpastatin； Female reproduction regulation

钙蛋白酶（Calpain）是一个依赖于Ca2+的半胱氨酸蛋白酶（通过半胱氨酸位点水解蛋白），它水解的蛋白能在一系列生理生化反应中发挥作用，包括细胞骨架的形成、细胞增殖、信号传导、细胞调亡与坏死、细胞内物质运输、蛋白的合成和降解等。

1 钙蛋白酶和钙蛋白酶抑制蛋白

在人类中，钙蛋白酶家族共有14个成员，在其众多成员中钙蛋白酶1（calpain-1/μ-calpain）和钙蛋白酶2（calpain-2/m-calpain）研究的最为深入[1]。

Calpain的众多成员按其表达规律可大致分为2类：第一类是在各种细胞中组成性表达的，包括calpain-1，2，5，7，10，13和15；其余的只在某一种或几种细胞中表达，包括calpain-3，6，8，9，11和12[2]。

Calpain的活性可以被一种特异的钙蛋白酶抑制蛋白（Calpastatin）所调控，而迄今所确定的Calpastatin的唯一作用就是抑制Calpain的活性。 Calpastatin是由唯一一个基因编码的，但是它却能运用不同位置的启动子以及选择性剪切产生十几种异构体，最后翻译成分子量为17～100 kD的各种蛋白[1]。

近年来，随着对Calpain和Calpastatin系统在生殖发育中的研究的逐步深入，人们发现Calpain-calpastatin系统对卵母细胞的发育、子宫、胎盘作用及一些常见雌性生殖疾病等有重要作用。笔者对Calpain-calpastatin系统在雌性生殖发育过程中的调控机制进行了综述。

2 雌性生殖系统中钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制蛋白的调控

2.1 钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制蛋白在卵母细胞中的调控

最早的关于Calpain-calpastatin系统在卵母细胞中的研究报道于1989年。Watanabe等发现非洲爪蟾的卵母细胞在发育成熟过程中产生1种c-mos原癌基因蛋白（pp39mos），在受精或者第二次减数分裂（MⅡ）完成后，这种蛋白立刻被Calpain水解掉，说明Calpain能水解c-mos癌蛋白从而促进减数分裂的完成[3]。 大鼠卵母细胞发育成熟过程中Calpain的表达是上升的，进行受精或孤雌激活时其表达出现瞬间下降，然后在原核形成时又恢复到原来的水平[4]。 Santella等将Calpain蛋白注射到发生减数分裂停滞的星鱼的卵母细胞中，在一定程度上恢复了生发泡破裂（Germinal vesical breakdown），对减数分裂具有促进作用[5]。

Ben-Aharon等首次对Calpain-calpastatin蛋白在卵母细胞内的分布进行了系统研究，采用免疫荧光技术探测到calpain-1和calpain-2主要分布在卵母细胞的皮质部分，而Calpastatin在细胞膜上有大量分布[6]。 由于人的卵母细胞来源有限，Ben-Aharon所在的研究组又利用大鼠的卵母细胞进行了进一步试验，研究了Calpain-calpastatin系统在卵母细胞发育和受精以及孤雌激活过程中的作用。 与人类的研究结果类似，calpain-1和calpain-2主要分布在大鼠卵母细胞的皮质和纺锤体中[7]，通过Western方法发现卵母细胞中有2种Calpastatin蛋白，一种是110 kD的肌肉型，主要分布在细胞膜和纺锤体上；另一种是77 kD的红细胞型，主要在皮质中呈簇状分布[8]。 当发生受精或者孤雌激活时，calpain-2由皮质转移到细胞膜和纺锤体附近，而calpain-1无明显变化。与此同时，分布在细胞膜上的肌肉型的Calpastatin蛋白（110 kD）迅速释放到细胞皮质中，分布在纺锤体上的保持不变，红细胞型的Calpastatin蛋白（77 kD）没有变化。calpain-2和Calpastatin（110 kD）在成熟的卵母细胞中的互补分布以及它们在受精和孤雌激活时相反的移动，从另一方面证明了Calpastatin对Calpain的抑制，Calpain为了避免Calpastatin对它的抑制，而移动到没有Calpastatin的地方去发挥它的蛋白水解能力，从而顺利完成受精或者孤雌激活过程。calpain-1和Calpastatin（77 kD）在激活过程中没有变化，说明它们未参与受精和激活过程，但可能会在calpain-2和Calpastatin（110 kD）缺乏时起到补充的作用。 进一步的研究发现，卵母细胞激活过程中细胞骨架蛋白α-spectrin被Calpain降解，Calpain的抑制因子Calpetin能抑制这个降解过程，从而抑制减数分裂[7-8]。

最新的研究发现，Calpain-calpastatin系统可能参与了卵母细胞和卵丘细胞的互作。Zhu等采用差异显示的方法对有卵丘细胞包裹的猪卵母细胞和无卵丘细胞包裹的裸卵中差异表达的基因进行了筛选，发现Calpastatin基因在正常的卵母细胞中的表达量比裸卵中的表达量要高，并运用RT-PCR进行了验证，说明Calpastatin在卵母细胞和卵丘细胞之间的互作中发挥了重要作用，由于裸卵的发育能力远远低于正常卵，因此Calpastatin还有可能作为标记对生存能力强的卵母细胞进行选择[9]。

2.2 钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制蛋白在子宫以及胎盘中的调控

胎盘是人类各种体细胞组织中比较容易获得的，因此最早的关于分离人类Calpain和Calpastatin蛋白的试验是以胎盘为材料进行的。 Kubota等第1次从人类胎盘中分离到calpain-2蛋白，并证明该蛋白在250 mmol/L Ca2+浓度时达到最大活性，并能被亮肽素（Leupeptin）、抗痛素（Antipain）和一种内源蛋白所抑制[10]。 该研究组又接着从胎盘中分离到了calpain-1蛋白，发现calpain-1和calpain-2在胎盘中的表达量非常高且基本相同（3～4 mg calpain-1和4～5 mg calpain-2/1000 g胎盘组织），同时还发现它们在不同Ca2+浓度下表现出最大活性[11]。 Samis等对大鼠子宫中calpain-2的表达进行了研究，发现在妊娠前、妊娠过程中和产后calpain的表达基本维持恒定，子宫在生育过程中变化非常剧烈，受到各种激素和神经的调控，而calpain-2的表达量较高且保持不变，说明其在整个生育周期中发挥了重要的作用[12]。 Thompson等用Western方法在人胎盘中检测到了2条calpastatin蛋白条带，1条为70 kD左右的红细胞型calpastatin，另1条为48～51 kD左右，似乎是胎盘所特有的[13]。

3 钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制蛋白与某些雌性生殖疾病的关系

在不孕妇女的血清中发现一种能引起精子凝集反应的蛋白，用这种蛋白作为抗体在睾丸cDNA表达文库中筛选到calpastatin基因，说明calpastatin的抗原抗体反应与不孕不育有一定的关系，有可能作为抗精子抗体的检测标记应用到不孕不育的检测和治疗中[14-15]。

雌性动物胎盘内有一类绒毛外滋养细胞，一部分侵入子宫内膜，另一部分在子宫胎盘螺旋动脉内，如果这类细胞生长发育不完全，扩散不充分，就容易造成母体的血液无法高效进入胎盘，造成先兆子痫（妊娠高血压综合症）。试验表明，绒毛外滋养细胞扩散过程中需要前列腺素E2蛋白（PGE2）的激活，而此环节需要Ca2+浓度的升高和Calpain蛋白的激活，因此Calpain蛋白在绒毛外滋养细胞扩散中有重要作用[16]。Saarela等对calpain-10基因中的1个SNP位点（G43 A）在先兆子痫患者和正常人群中进行了相关分析，发现该位点与兆子痫患没有相关性[17]。

Escobar-Morreale等对calpain-10基因中的3个多态位点（SNP43、SNP44和SNP45）与高雄激素症妇女进行了相关性分析，发现SNP43和SNP45分别与妇女血清中的雄激素水平和妇女多毛症呈显著相关[18] 。

4 钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制蛋白在动物繁殖中的研究

Gladney等在一个具有较高排卵率、胚胎成活率以及产仔数的猪品系和一般品系的卵泡内细胞进行了基因差异表达的分析，采用mRNA差异显示方法筛选出了calpain 4基因，发现它在繁殖能力高的品系中表达量比一般个体要低，并采用Northern验证了该差异表达，说明calpain 4基因的表达可能影响到母猪的繁殖能力[19]。 Garcia发现了奶牛中calpastatin基因外显子3中的2个错义突变与产奶周期和妊娠率有显著相关[20]，说明可将calpain基因作为重要繁殖性状的候选基因应用到动物选育中。

5 展望

随着对Calpain-calpastatin在生殖系统中的研究的逐渐深入，有望对这个系统在生殖调控方面的功能和发挥作用的具体机制有更准确了解，在临床上可以利用它们作为药物的靶位点，为治疗相关疾病提供新途径，还可以运用到动物生产实践中，提高动物的繁殖力。

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