过氧化物还原酶在生殖与妊娠并发症中作用机制的研究进展

张星莹，李甜甜，杨春娜，李连芹

(1滨州医学院，山东烟台264003；2滨州医学院烟台附属医院)

活性氧自由基(ROS)是生理代谢的副产物，并且受到抗氧化酶的调控。ROS的主要成分包括超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢、一氧化氮等。虽然低水平的ROS在信号传导等方面发挥有益作用，但是过量的ROS会造成细胞组分DNA、脂质、蛋白等大分子的氧化损伤，最终导致细胞死亡或凋亡。为了应对ROS水平升高，在包括哺乳动物在内的生物体内存在多种抗氧化系统，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、硫氧还原蛋白(TRX)、谷氧还蛋白(GRX)、以及过氧化物还原酶(PRX)。当ROS的产生超出其清除能力时，就会出现所谓的“氧化应激状态”。研究表明，当机体内的一种或多种抗氧化酶能力减弱时，就会出现氧化应激状态，并引发各种病理情况如不孕等。例如，当SOD2的基因发生变异时，会导致精子的DNA受到氧化损伤，造成男性不育[1]。同样，SOD1基因的缺失，会导致这种基因敲除型雄性小鼠的生育能力受损[2]，而雌鼠的黄体功能和孕激素分泌受损[3]。另一方面，上调SOD1基因的表达，可以改善妊娠结局[4]。作为抗氧化系统的成员之一，PRX家族通过清除过氧化氢，在机体内发挥重要的抗氧化作用[5]。哺乳类的PRX家族共有6个成员，分别命名为PRX1至PRX6。尽管它们从不同的种类或者细胞系中克隆而来，但其蛋白质都含有活性半胱氨酸残基，利用这一残基将过氧化氢还原成水[5]。根据半胱氨酸残基的数量和分布位置，哺乳类的PRX家族又分为三个亚群，其中PRX1到PRX4含有2个半胱氨酸残基，两者相距121个氨基酸残基；PRX5也含有2个半胱氨酸残基，但两者相距较近，只有104个氨基酸残基；而PRX6只有1个半胱氨酸残基[5]。PRX通过清除细胞产生的ROS，调节细胞的生长、分化、凋亡、恶变。最近的研究表明，PRX在生殖生理和妊娠方面具有重要作用。本文对PRX在配子形成、胚胎发育、妊娠结局及妊娠期并发症中的作用机制予以综述。

1 PRX在生殖中的作用机制

1.1 PRX在精子发育中的抗氧化作用 随着社会经济的发展，环境污染的日益加重，人们工作生活的压力加大，加上不良的生活习惯如吸烟、酗酒、熬夜，甚至吸毒，导致男性的精子质量逐年下降。为此，WHO于2010年颁布了第5版《人类精液实验室检验手册》，将评判精液质量的主要指标正常值大幅下调。一次排精的精液量由2.0 mL更改为1.5 mL，总精子数由40×106/次更改为39×106/次，精子密度由20×106/mL降为15×106/mL，前向运动力由a级+b级≥50%或a级≥25%更改为a级+b级≥32%，正常形态比率由15%更改为4%。虽然在评判细节和标准方面在第4版基础上作了修订，但“正常精液标准”的合格线降低毋庸置疑。影响精子质量的因素多种多样，如内分泌异常、遗传因素、免疫因素、性功能障碍、精索静脉曲张、生殖器官先天性发育异常、全身慢性疾病、环境因素、不良生活习惯等，上述各种因素导致精子质量下降的发生机制也各有不同，其中ROS所引发的氧化应激状态对精子造成的氧化损伤以及对精子质量的不良影响是显而易见的[6]。

导致精子氧化损伤最常见的ROS是超氧化物阴离子和过氧化氢，而生物体内存在多种抗氧化系统，其中SOD是众所周知的抗氧化蛋白，几乎存在于人体的各个系统中，对于保护心脏、血管、脑组织等重要器官具有十分重要的抗氧化作用。其他抗氧化蛋白以及维生素类如维生素E、维生素C等也具有重要的抗氧化作用，对于保护精子的质量非常重要。除此以外，PRX对于调控ROS水平，维持并保护生殖系统的功能，也具有重要作用。一项研究则发现，不明原因的弱精子症患者精子中PRX1表达显著低于对照组，并引起高水平的ROS，导致精子的活力下降。当精液中的氧化应激状态加重时，被氧化的PRX1增多，而具有活性的PRX1减少，说明PRX1是保护精子免于氧化损伤的抗氧化酶[7]。PRX3在精子细胞的表达水平很高，可以保护精子因氧化诱导的凋亡[8]。PRX4是存在于睾丸中的膜结合蛋白，参与精子发育过程中的顶体生成。缺乏PRX4的精子更易于受到氧化损伤而死亡[9]。同样，在精子成熟和获能过程中，PRX5的表达水平显著升高[10]。加拿大学者报道，PRX6缺失导致精子活动力和受精能力下降，雄鼠的生育能力因此降低[11]。在多数情况下，PRX家族的各个成员之间可以互相协作，共同应对氧化应激状态，维持精子活力，帮助精子获能，保护精子免于氧化损伤。PRX的抗氧化活性下降，可以直接影响精子的质量和生育能力[12]。

1.2 PRX在卵子和胚胎发育中的抗氧化作用 PRX在卵子和胚胎发育中也具有不可或缺的抗氧化作用。PRX1在卵巢中的表达随着卵泡的发育而逐渐升高。在接受人绒毛膜促性腺激素(hCG)治疗的大鼠中，注射hCG 24 h即可发现PRX表达升高，并维持72 h，说明PRX1参与卵泡发育和排卵[13]。据韩国学者报道，促性腺激素治疗会增加卵泡细胞内的过氧化氢，同时PRX2被氧化，说明PRX2在卵泡发育过程中发挥有益作用[14]。另外，PRX在卵子受孕、胚胎发育的过程中，对于所出现的氧化应激状态作出积极的应答和响应。PRX2通过减低过氧化氢水平，提高线粒体活性，有利于胚胎发育[15]。新西兰学者报道，在实施单精子注射获得的78个胚胎中，PRX3是预测胚胎质量的指标之一[16]。国内学者Qian等[17]所做的动物实验表明，PRX4主要存在于小鼠卵巢的颗粒细胞中，其表达随着卵泡的发育逐渐升高，说明卵泡发育伴随着氧化应激状态，而PRX4对于维持卵泡的发育至关重要。

在临床妊娠病例中，有11%～20%在孕20周之前发生自然流产，而复发性流产占2%～4%。除了一些常见的原因，染色体异常、内分泌疾病、女性生殖道解剖结构异常、感染、免疫因素、抗氧化能力降低和氧化应激也与此类疾病有关。PRX2和PRX6都参与了着床时的母胎耐受过程。PRX2在子宫自然杀伤细胞中的表达不足会增加自然流产的发生率[18]，而PRX6表达下调导致氧化应激状态，胚胎移植失败[19]。PRX3在胎盘绒毛膜组织中的表达降低会导致早期流产，说明PRX3对于胎盘发育和早期胚胎的发育作用重大[20]。另外，伊朗学者Gharesi-Fard等[21]报道，在患有自身免疫性疾病的患者中，其胎盘和血清中均存在抗PRX3和抗PRX4自身抗体。因此可以推测，尽管胚胎着床与子宫的氧化应激内环境之间的关系尚不清楚，至少自然流产与PRX的抗氧化能力不足有关。

2 PRX在妊娠并发症中的作用机制

2.1 PRX在妊娠期高血压中的作用 据统计，我国子痫前期的发病率为9.4%～10.41%，是严重威胁母婴健康和安全的妊娠并发症之一。当子痫发作，无论对于母体还是胎儿，都有致命的危害。由于目前尚未找到确切的发病原因和发病机制，往往在子痫前期发病之后，通过降低血压、缓解痉挛等方法进行对症治疗。在我国部分地区，有些孕妇由于经济因素等的制约，缺乏系统、正规的孕期检查，就诊时已发展为重度子痫前期甚至子痫，造成胎儿发育受限、胎儿窘迫、胎死宫内、产后出血等严重后果，是导致孕产妇死亡的第二位原因。虽然子痫前期的发病原因不明，但是胎盘的氧化应激状态被认为是其中重要的因素。研究认为，由于胎盘植入异常等因素，导致胎盘的血液灌注量减少和低氧状态，氧化与抗氧化之间的平衡被打破，则引起胎盘的氧化应激状态，细胞中的脂质、DNA、蛋白质等大分子被氧化。胎盘中的脂质过氧化物(丙二醛等)通过血液循环到达全身，引起血管内皮激活和损伤，血管内皮的血管收缩因子和血管舒张因子之间的平衡失调,导致周围小动脉痉挛及血压升高[22]。

研究发现，子痫前期患者的胎盘存在氧化应激状态，而PRX3的表达水平显著升高[23]，但对于PRX3在子痫前期发病中的作用尚不清楚。我们之前在饲养PRX3基因敲除型小鼠时发现，虽然PRX3基因敲除型小鼠可以正常妊娠，但分娩时存活的幼鼠很少。换而言之，PRX3基因敲除型雌鼠发生死产的概率很高。进一步研究发现，PRX3基因敲除型雌鼠的胎盘处于严重的氧化应激状态，胎盘中的血管内皮素1和肿瘤坏死因子α的表达较野生型小鼠显著升高，小鼠胎盘中的脂质过氧化物4-羟壬烯醛表达也明显增加[24]，从而证实PRX3在胎盘中具有重要的抗氧化作用。鉴于PRX3基因敲除型孕鼠的胎盘的病理改变与子痫前期患者胎盘的病理改变极为相似，测定妊娠小鼠的颈动脉血压，并未发现与同窝出生的野生型孕鼠有显著差异，说明PRX3抑制或者延缓子痫前期的进展，而非子痫前期的致病因素。

2.2 PRX在妊娠期糖尿病(GDM)中的作用 在整个妊娠期间，随着孕周的增加，孕妇对胰岛素的敏感性逐渐下降。作为人体的一种应急反应，体内所分泌的胰岛素也会随之增加，以维持正常的葡萄糖代谢。有些孕妇由于其自身胰岛素的分泌受限，胰岛素的分泌量不能满足需求量，导致血中的葡萄糖水平升高，即出现所谓的GDM。在我国，由于人们生活水平的提高，妊娠后饮食无节制，加上缺乏运动，导致GDM的发病率逐年升高。虽然大部分孕妇在分娩以后GDM不治而愈，但仍有部分患者远期患糖尿病的概率较非糖尿病孕妇增加，而且新生儿并发症如呼吸窘迫综合征、低血糖发生率增高，严重时可危及新生儿生命。因此，加强围产期科普教育，及早发现并干预GDM，从而减少或者延缓GDM的发生或进展，显得至关重要。

大量研究表明，氧化应激与GDM的发病或进展密切相关。而在与胰岛素分泌有关的诸多因素中，PRX的作用不可忽视。有学者利用转基因小鼠进行研究，发现提高PRX3的表达，可以显著降低线粒体内过氧化氢的水平，减轻对线粒体的氧化损伤。而且通过降低过氧化氢水平，可以激活PI3K/AKT通路，使得其下游的糖原合成酶激酶3被磷酸化，其结果是改善了小鼠肝细胞对葡萄糖的耐受力，对葡萄糖的清除能力提高，血糖下降[25]。反之，在PRX3基因敲除型的小鼠中，PRX3缺失引起糖耐量受损，并出现胰岛素抵抗。由于PRX3的缺失，脂肪细胞的线粒体内出现严重的氧化应激状态，线粒体受到氧化损伤，导致线粒体DNA的数目减少。同时，参与糖/脂的蛋白(包括中链脂酰基辅酶A脱氢酶、ATP合成酶亚单位d、脂联素)水平显著下降，对葡萄糖的耐受力下降，对胰岛素的敏感性降低，葡萄糖和脂肪代谢紊乱，小鼠出现脂肪堆积和肥胖[26]。另外，PRX家族的其他成员也参与胰岛素的分泌和葡萄糖代谢。如PRX1和PRX2通过控制胰岛β细胞内活性氧自由基的水平，抑制因氧化应激所诱导的细胞凋亡，从而维持胰岛素的分泌[27]。德国学者Mehmeti等[28]利用链脲霉素制作了1型糖尿病小鼠模型，并对PRX4对胰岛β细胞的分泌功能进行了研究。发现高表达PRX4可以显著提高小鼠对于葡萄糖的耐受力。但是，低表达PRX4并未对细胞内的活性氧自由基水平和胰岛素分泌造成影响，但对于高糖刺激更加敏感。认为PRX4在胰岛β细胞中处于低表达状态，主要在应激状态下发挥作用。作为PRX家族中惟一具有单个半胱氨酸残基的成员，PRX6对于葡萄糖的吸收和胰岛素的分泌具有重要作用。对患有GDM孕妇的网膜脂肪组织中的蛋白表达进行分析，发现PRX6表达显著降低，提示PRX6与GDM的发生、进展有关[29]。动物实验表明，当PRX6缺失时，小鼠的胰岛体积和密度均显著减小，导致胰岛素分泌下降，胰岛素抵抗性增加，出现了类似于2型糖尿病的表型。说明PRX6对于在磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路的信号传导中，具有重要的调节作用[30]。

总之，PRX家族通过清除细胞代谢所产生的ROS(主要为过氧化氢)，参与各种细胞活动包括生长、分化、凋亡、老化以及恶变，而且每个成员都扮演着自己的独特角色。另外，PRX成员之间、PRX与其他抗氧化蛋白之间联合“作战”，共同应对氧化应激状态。PRX对于生育功能的意义不同于其他抗氧化蛋白如SOD。SOD基因缺失可以导致实验动物的不孕不育[6,7]，而PRX基因缺失对于生育功能不会产生致命影响。但是，随着鼠龄增加，或者当受到氧化应激威胁时，这类小鼠的生殖功能(如配子和胚胎的发育)就会受到氧化损伤，导致不良妊娠结局。根据目前的研究结果得出以下结论：尽管PRX参与生育的各个生理过程，如配子发育成熟、受精、胚胎发育，只有当机体出现氧化应激状态时(如年龄增长、病理改变)，这种抗氧化作用才会显现出来。另外，当孕妇发生妊娠并发症如妊娠期高血压、GDM时，氧化物的产生超出抗氧化酶的清除能力，机体的氧化应激状态进一步加重，包括PRX3在内的PRX成员的表达也会反应性升高，以应对氧化应激状态，延缓病情的进展。