类固醇合成急性调节蛋白的生物学特性及作用研究概况

李 娟，栾新红

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)



专论与讲座

类固醇合成急性调节蛋白的生物学特性及作用研究概况

李 娟，栾新红*

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)

类固醇合成急性调节蛋白(StAR )是胆固醇的一种转运蛋白，在类固醇激素合成过程中StAR作为限速酶起着特别关键的作用。类固醇激素合成主要在肾上腺、性腺和胎盘等组织中进行，对于维持正常生殖功能和机体内环境的稳定非常重要。有关StAR的发现和特性在以往的文献中已有报道，在此基础上，论文对StAR的生物学特征、作用机制及其与生殖疾病的关系等方面进行综述。

类固醇合成急性调节蛋白；生物学特性；作用机制

作为类固醇合成非常重要的限速酶，类固醇合成急性调节蛋白(steroidogenic acute regulatory protein,StAR)首次是在小鼠睾丸的间质细胞内的线粒体上实现纯化的[1]。4年之后，Furukawa A等[2]在脑部检测到StAR。类固醇激素合成过程中，StAR能够促进胆固醇从线粒体外膜转到它的内膜，这是类固醇激素合成的开端，同时也是它的限速步骤。研究可知，C端及N端的区域是StAR两个非常重要的功能区。前者主要功能是通过促进胆固醇从含量多的线粒体外膜转运至含量低的线粒体内膜上，StAR蛋白被后者引导最终定位于线粒体。StAR基因表达调控是一个非常复杂的过程，这是近几年来随着对卵巢、肾上腺等类固醇激素合成组织中StAR蛋白的深入研究所得出的结论，包括多种激素和信号途径协调转录机制合作与互动，以及若干支配转录后的mRNA和蛋白表达机制[3]。随着人们对StAR的深入研究，发现其对机体生殖也有着非常重要的影响,在生殖调控方面有着非常关键的作用。

1 StAR生物学特性与分布

1.1 StAR生物学特性

StAR蛋白组中有3种形式(37、32、30ku)是激素可诱导的线粒体蛋白,而根据胰酶肽谱显示30ku蛋白质的前体是37ku。在细胞浆中新合成的StAR蛋白是37ku,经过短暂的半衰期进入线粒体中，进而转变成30ku的成熟蛋白。尽管研究表明成熟StAR蛋白位于线粒体内,但大都认为其是在线粒体外膜发挥作用[4]。线粒体生物活性部位是其羧基端，能与脂质或者胆固醇连接这一部位，被称为StAR相关脂质转运结构域(StAR-related lipid transfer,START)并且根据研究可知在此结构域中有一段氨基酸片段具有防止蛋白酶水解的活性,其具体位置在第63-188位。另外START在蛋白质参与脂质转运等生命代谢中有调节作用[5]。

根据研究显示，可用系统发生学的方法将已知可编码的START基因(Star D 1～StarD15)分成6大亚家族,并且已明确PCPT(StarD2)、MLN64(StarD3)、CRSP(StarD4)的X线晶体结构。研究发现，这3种亚家族螺旋样折叠是一样的,均位于结构的两端(即氨基端和羧基端)，氨基端有1个α折叠，羧基端有1个α折叠，整体结构的中间部位是由2个短α折叠和9个β折叠组成。有趣的是，β折叠弯曲形成一个空洞，羧基端α折叠压在这个空洞的上方[6]。其中在运转胆固醇这一过程中，羧基端α折叠充分体现了它的重要性，即成熟的StAR蛋白结合并转运胆固醇是由羧基端的α折叠的闭合完成的[7]。

1.2 StAR的表达分布

通过多年研究积累已证实，StAR在脊椎动物中广泛存在，尤其是哺乳动物和鱼类，在它们的神经系统、肾上腺皮质、性腺细胞中都发现了StAR的踪迹。在人、小鼠、大鼠、牛、绵羊、猪的卵巢等类固醇合成组织中已发现有StAR蛋白的表达[8]，但在人脑和胎盘等类固醇合成组织中发现的是与StAR蛋白具有高度同源性的蛋白。

2 StAR的作用机制

较早时期Clark B J等[9]提出了一种模型，认为StAR是在细胞质中快速合成前体蛋白37ku，然后根据37ku的信号序列和靶序列快速在线粒体中定位，进入线粒体的方式是穿过其内外膜之间的“接触位点”这一通道，但是这一通道并不是一直存在，而是37ku进入线粒体的过程中形成的。在复合神经酸脱羧形成磷脂酰乙醇胺之前,复合神经酸和磷脂酰乙醇胺与线粒体内的这些位点都有关系，但是两者的运输方向相反，复合神经酸向线粒体内膜转运，而磷脂酰乙醇胺则向线粒体外膜转运。之后，Tuller G等[10]在一系列试验后观察到胆固醇可以通过线粒体两膜之间的这些位点完成跨膜运动，即从线粒体的外膜转运到它的内膜。但是形成“接触位点”的过程中,胆固醇以一种并不被人们知晓的方式暂且转运到线粒体内膜。在两膜之间临时搭起的“脂质桥”使线粒体膜的水样空间被破坏，从而解除阻止疏水性胆固醇穿过线粒体膜的障碍。有研究者提出，基质加工蛋白酶和线粒体中间加工肽切除37ku蛋白的寻靶序列及信号序列，进而使其形成30ku蛋白，不会合成和加工多余的StAR前体蛋白，线粒体的内膜和外膜第2次分开之后，缺少足量的胆固醇转运到线粒体，这一系列发现证明，如果想要胆固醇持续转运到线粒体内膜不可缺少的一步是StAR前体蛋白的合成和加工。Epstein L F等[11]观察到，30ku蛋白的37ku和32ku两种前体的半衰期非常短。这些研究说明，StAR运转胆固醇时形成线粒体内外膜间“接触位点”这个模型是可以相信的。

Arakane F等[12]发现，把切除N端62个氨基酸(StARN-62)的StAR转染COS-1细胞后该细胞合成类固醇激素的水平与转染了正常StAR的细胞相比水平相当。同时通过Western blot发现，在线粒体内并没有发现缺失的N端的StAR，说明其没有进入线粒体，这表明，StAR很可能在线粒体外发挥作用，并且调节胆固醇向线粒体内膜转运。最后通过实验证明,“接触位点”这一模型应该修改，并且这一观点在之后的研究中得到证明[13]。那么究竟StAR蛋白与线粒体内外膜之间有着何种关系可以使疏水性的胆固醇通过呢？

Stocco D M等[14]似乎找到了答案，他们提出线粒体两膜之间所形成的“接触位点”与StAR蛋白相互作用，进而促进疏水性通道形成这一概念,它很好地解释了人们的疑问，即线粒体外膜上的StAR蛋白被去掉同时阻断胆固醇向内膜的转移，使StAR蛋白进入线粒体后被修饰成较为成熟的蛋白。并且，Bose H S等[15]提出“可溶性球体”,这一新模型进一步验证了前人研究的观点。尽管许多学者对StAR的作用机制做了很多的研究，但是StAR确切的作用机制还不是很清楚，需要继续探索。

3 StAR蛋白对生殖的调控作用

3.1 StAR对黄体的影响

临床上检测黄体功能是否正常，一般是以黄体中期血清孕酮水平来监测的。孕酮主要是由卵巢、胎盘分泌的性激素，血清孕酮水平的升高，能够引起卵巢激素合成水平的升高，两者的关系是正向关系，这个过程是由黄素化的卵泡膜和颗粒细胞协同完成。输送胆固醇从线粒体外膜转运到内膜调节是类固醇生物合成的限速步骤，在这个过程中StAR的作用是快速调节，并且已经证明其成为细胞功能标志[16]。在妊娠早期血清孕酮水平较为平稳，水平过低时会出现妊娠异常的现象。一般认为，血清孕酮水平可以反映出细胞滋养层的功能，异常妊娠时供血不足，滋养层细胞活力下降，导致黄体功能不足，孕酮分泌减少。怀孕初期正常的黄体功能十分重要，它是保证胚胎着床成功和维持早期妊娠的必需条件，这已经成为一项必须检查的指标。妊娠期间，必须有足够量孕酮维持妊娠，胆固醇向P450胆固醇侧链裂解酶(P450cholesterol side chain cleavage,P450scc)转运的过程就是孕酮合成的限速步骤。在黄体中StAR介导着孕酮产生，而在胎盘中孕酮产生这一过程则是在MLN64作用下完成的[17]。所以StAR蛋白表达的正常与否对于黄体功能发挥至关重要。另有研究报道，在猪卵巢颗粒细胞中黄体生成素(LH)和胰岛素的协同作用能够提高StAR mRNA表达的增强，并且引起cAMP的聚集，令人遗憾的是并不清楚其中的作用机制[18]。

3.2 StAR对先天性类脂质性肾上腺皮质增生的影响

目前先天性肾上腺皮质增生症中最罕见和最严重类型是先天性类脂质性肾上腺皮质增生(lipoid congenital adrenal hyperplasia,LCAH)。由于StAR基因突变导致肾上腺及性腺类固醇激素生成障碍，临床上表现为肾上腺皮质功能低下及性激素合成障碍，皮质激素替代治疗可获得良好预后[19]。大量的临床研究可知LCAH是常染色体隐性遗传的一类疾病，其发病原因主要是类固醇合成过程中关键酶的缺失，遗传学上认为与StAR基因突变密切相关。目前已发现2个重要的StAR基因突变是T44HfsX3和G221S，这2个基因杂合子突变导致StAR基因失活。另外，染色体异常等遗传因素也能引起LCAH[20]。前文已经提到StAR的功能是把胆固醇从胞浆内转运到线粒体内膜，P450scc和胆固醇结合后转化为孕烯醇酮。StAR基因突变导致StAR蛋白酶活性下降，从而影响肾上腺及性腺类固醇激素合成，表现为不同程度的肾上腺皮质功能低下。到2014年2份HGMD 数据库已报道 ，StAR 基因突变63种，多为错义、无义突变、移码突变等，其中剪接位点突变占10%，尚有1例StAR基因完全缺失报导[21]。极少数LCAH由于细胞色素P45011A1抗体(CYP11A1)基因突变导致P450scc酶的活性降低所致[22]。

LCAH患者通常因胆固醇及胆固醇酯在肾上腺组织细胞胞浆聚集，导致类脂质性肾上腺增大，但还有一部分的LCAH患者肾上腺超声是正常的[23]。研究可知，LCAH是一种罕见的失盐型先天性肾上腺皮质增生症，同时伴有性腺类固醇激素合成障碍。对于女性表型的肾上腺皮质功能低下者，应该警惕StAR基因突变所致LCAH，通过常规进行染色体核型分析及肾上腺超声检测有助于鉴别，StAR基因突变分析可明确诊断。

3.3 StAR对多囊卵巢综合征的影响

多囊卵巢综合征(Polycystic ovary syndrom，PCOS)作为一种比较常见的生殖内分泌疾病[24]，属于一种最常见的内分泌紊乱性疾病，以青年女性为主要的发病人群，其发病的主要特点是肾上腺分泌过量雄激素[25]。由于多基因遗传背景和环境因素的相互作用导致的PCOS是一种多因素引起的复杂性疾病。根据多年积累的经验可知，PCOS的特征是卵巢多囊性改变、高雄激素血症和黄体生成素与卵泡刺激素的比值增高，并且可能出现月经失调、肥胖等问题。目前的研究显示，PCOS的激素分泌紊乱的具体机制还不完全清楚，推测其发病原因很可能与年幼时雄激素分泌过多有关。研究发现，PCOS患者的多囊卵泡的两种细胞(颗粒细胞和卵泡膜细胞)中StAR转录水平与正常水平相比较高,但是StAR表达与卵巢激素的分泌的关系尚不清楚。在PCOS中过度的刺激内膜细胞致使还未成熟的颗粒细胞黄体化的原因是由于内膜细胞和颗粒细胞内的类固醇合成酶系和StAR的mRNA过量表达[26]。此外，比较有意义的发现是，在人的肾上腺附带瘤中发现了StAR第5个外显子产生无意义突变的变异子。根据目前的研究信息虽然不足以说明StAR在PCOS中具体扮演什么样的角色，但是可以肯定的是，StAR的异常对这种疾病发生是有影响的。

4 结语

自StAR蛋白首次被发现之后，对StAR的研究主要涉及它的生物学特性、作用机制、生物调节等方面。但是其作用机体的相关机制并不确定，仍然需要研究探索。目前的研究发现，由于编码StAR蛋白的基因发生突变，以及转录、翻译及翻译后调节等其中的任何一步有异常都有可能引发疾病。疾病严重程度和影响类固醇激素合成的程度密切相关[27]。因此，研究StAR与类固醇激素合成调节关系以及StAR分子功能，能够帮助人们更好的解决由于StAR基因的变异或类固醇激素合成异常引起的相关疾病，尤其在生殖方面的疾病，同时，可为防治这类疾病的相关药物的研发提供合理的科学依据。

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Induction to Biological Characteristics and Action Mechanisms of Steroidogenic Acute Regulatory Protein

LI Juan,LUAN Xin-hong

(AnimalScienceandVeterinaryMedicineCollege,ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang,Liaoning,110866,China)

Steroidogenic acute regulatory protein (StAR) is a transport proteins of cholesterol.In the process of steroid hormone synthesis,StAR plays a particularly crucial role as the rate limiting enzyme.Steroid hormones are synthesized mainly in the adrenal gland,gonad and placenta,and very important for the maintenance of normal reproductive function and the stability of the environment.The discovery and characterization of StAR were reported in the past.On this basis,the biological characteristics,action mechanisms of StAR and its relationship with reproductive diseases were reviewed.

steroidogenic acute regulatory protein; biological characteristics; action mechanism

2015-08-20

国家自然科学基金项目(31372395)

李 娟(1988-)，女(满族)，辽宁凤城人，硕士研究生，主要从事动物生理学与生殖内分泌学研究。*通讯作者

Q512.5

A

1007-5038(2016)01-0110-04