胚胎植入的相关信号通路

朱霞，李慧珍，刘丹，马天仲

胚胎植入又称为胚胎着床，是指具有着床能力的胚胎与母体子宫内膜之间建立密切联系的过程，此过程包括定位、黏附和侵入。影响胚胎植入的因素包括胚胎发育情况、子宫内膜容受性、良好的母胎对话、阴道和子宫的微生物群[1]。在植入过程中，胚胎及免疫细胞同时释放各种细胞因子、生长因子作用于子宫内膜，促进蜕膜化。雌激素受体α（estrogen receptorα，ERα）通过细胞外信号调节激酶/丝裂原活化蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase/mitogen activated protein kinase，ERK/MAPK）途径诱导上皮细胞增殖和基质细胞蜕膜化。子宫内膜蜕膜化受各种生长因子、免疫因子和激素的调控，在胚胎植入中起关键作用。首先，受精后第6～7天的囊胚分化出合体滋养细胞，然后由细胞黏附分子（cell adhesion molecule，CAM）如整合素、钙黏蛋白、选择素、免疫球蛋白超家族等共同参与胚胎的黏附；其次，在胚胎侵入子宫内膜时，有白血病抑制因子（leukocyte inhibitory factor，LIF）、整合素及其配体、CAM、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）和激素传导信号等共同参与[1-2]；最后，在雌激素、孕激素的共同作用下，子宫内膜血管重塑以促进胚胎的种植。现综述胚胎植入的相关信号通路研究进展，为进一步研究胚胎植入的相关分子机制提供参考。

1 Notch信号通路

Notch信号通路参与真核细胞的增殖、黏附、侵袭、分化及凋亡等生命活动。该信号通路主要调节组织发育和调控内环境动态平衡，对女性卵巢和生殖系统功能有重要影响。Notch通路包括4种相关蛋白（Notch1～4）、5个配体（Jagged1/2、Delta-like1/3/4），其膜蛋白既是受体也是配体，在人类囊胚的内细胞团和滋养外胚层中均有表达，可以调控滋养外胚层形成、蜕膜化、胎盘形成和血管内滋养层的侵入[3]。Afshar等[4-5]的2项研究发现Notch1在人和小鼠的子宫内膜中均发挥重要作用，证明Notch在子宫内膜容受性窗口期扮演不同的角色，Notch表达受胎盘激素和卵巢激素水平的严格调控，使用绒毛膜促性腺激素（chorionic gonadotropin，CG）处理后的子宫内膜基质成纤维细胞中Notch1水平会升高，在CG与孕酮协同作用下诱导α平滑肌肌动蛋白抑制基质细胞凋亡，促进蜕膜化，内膜蜕膜后Notch1蛋白减少，参与Notch激活的基因被上调。其他研究发现Notch1在第1次自然妊娠的蜕膜化过程中尤为重要[6]，推测黄体期Notch1低水平可以作为早期复发性流产的标志物[4]。Notch2可以调控催乳素和胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor-1，IGF-1），选择性敲除Notch2基因的雌性小鼠生育能力未受明显影响，但阻断催乳素信号传导后，小鼠的早期流产率将显著增加，这是由于Notch2基因被消融后，催乳素成员prl8a2表达下调，从而导致胚胎植入失败，prl8a2主要参与妊娠早期黄体维持，可作为子宫内膜蜕膜化的标志物[7]。Notch3是唯一一个在子宫内膜窗口期表达明显增加的受体，有研究发现Jagged1参与上皮细胞黏附、调节子宫内膜容受性和囊胚植入，敲除人子宫内膜的Jagged1会减少Notch3受体的表达，从而影响子宫内膜容受性导致胚胎着床失败，而敲除雌性小鼠子宫内膜Jagged1基因后，其仍具有生育能力，猜测Notch3可能不参与小鼠子宫内膜容受性调节[8]。以上研究提示Notch1表达低下是胚胎着床失败的主要原因之一，而Notch2～4受体在子宫内膜容受性调节中占非主导作用，主要是支持胚胎继续植入发育。血管生成是子宫蜕膜化必不可少的过程，胚胎着床后、胎盘形成前的血管生成受血管内皮生长因子和Delta-like4/Notch信号传导调控，促进蜕膜毛细血管生成[9]。最新研究报道，雌、孕激素联合作用子宫内膜诱导蜕膜化后人类ERBB2转录因子1（transducer of ERBB2/1，TOB1）表达水平明显升高，证明TOB1/Notch信号通路在蜕膜化中具有重要作用，这一新标志物为改善子宫内膜容受性提供了新的靶点[10]。Notch通路的过表达或抑制都会影响胚胎的植入和生长发育速度[11]。由此可知，Notch信号通路在胚胎着床过程中发挥重要作用。

2 JAK激酶（Janus kinase，JAK）-信号转导及转录活化因子（signal transducer and activator of transcription，STAT）信号通路

JAK-STAT信号通路由3部分组成：接受信号的酪氨酸激酶相关受体、传递信号的JAK和产生效应的STAT。JAK属于蛋白质酪氨酸激酶（protein tyrosine kinase，PTK）的一种，JAK家族有JAK1～3和TYK2共4个成员。STAT家族包括7个成员：STAT1～4、STAT5a/5b和STAT6。JAK-STAT信号通路激活与多个因子和其他信号通路相互作用，如通过白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）可以与Notch通路、核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）通路相互联系。IL-2、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocytemacrophage colony stimulating factor，GM-CSF）、生长激素（growth hormone，GH）、表皮细胞生长因子、血小板衍生生长因子和干扰素（interferon，IFN）等都可以激活JAK-STAT信号通路，与细胞增殖、分化、凋亡存在密切关系[12]。正是发现这些相关因子的相互作用，有人发现虽然生长激素在辅助生殖技术（assisted reproductive technology，ART）中的应用存在争议，但研究证明生长激素对反复着床失败和宫腔粘连的患者治疗有效，主要是通过GH-JAKSTAT3/5信号通路促进子宫内膜细胞增殖，同时生长激素还能调控IGF-1、IGF-2表达水平而改善子宫内膜厚度，间接提高整合素的表达而改善子宫内膜容受性，促进胚胎着床[13]。IGF信号通路介导胚胎植入过程中正常上皮分化，子宫内膜基质细胞IGF-1和胚胎来源的IGF-2依次激活IGF受体，通过ERK1/2和STAT3信号传导诱导环氧合酶2的转录[14]。IL-3、IL-5和GM-CSF可以激活JAK1、JAK2，促进胚胎植入中的血管生成。LIF是一种多效性细胞因子，属于IL-6超家族，参与调节子宫内膜容受性，促进胞饮突形成和滋养外胚层细胞侵入子宫内膜，在胚胎植入窗口期的子宫内膜中特异性表达，该表达与雌激素水平升高一致，可以作为复发性流产的标志物[15]。Fukui等[16]和Hamelin-Morrissette等[17]的实验进一步探讨了子宫内膜上皮和基质细胞中LIF受体对胚胎植入的调控作用，敲除雌性小鼠子宫上皮STAT3基因后囊胚无法植入，但将小鼠子宫基质细胞中STAT3基因敲除后囊胚会植入子宫内膜并生长至足月，这说明不同细胞中LIF受体对胚胎植入作用不同。由此证明STAT3在胚胎植入过程中起关键作用，上调LIF表达可以提高胚胎植入的能力。提示JAKSTAT信号通路通过不同的分子与其他通路相互作用，在胚胎植入过程中相互影响，有望成为母体免疫因素导致胚胎移植失败的新的研究方向。

3 Wnt信号通路

Wnt蛋白属于富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白，通过自分泌或旁分泌发挥作用，主要有经典和非经典2条路径。研究人员在哺乳动物中已经发现19个高度保守的分泌型Wnt信号配体，与细胞膜上的卷曲蛋白、低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6（LDL receptor-related protein 5/6，LRP5/6）结合后该通路被激活，下游效应分子β-连环蛋白（β-catenin）调节靶基因转录，调控细胞生长、发育和分化等[18]。

经典β-catenin依赖性途径在胚胎早期发育、维持组织稳态、干细胞增殖分化中的作用尤为明显。近年有研究发现，过氧化物酶体增殖物激活受体δ（peroxisome proliferator-activated receptorδ，PPARδ）与Wnt/β-catenin在胚胎植入中起协同作用，在小鼠和牛的胚胎发育中，Wnt3激活的同时内胚团和滋养干细胞中PPARδ的表达会增加，促进胚胎发育和保证胚胎干细胞具有多功能分化的能力，参与胎盘的形成，此通路失活会导致动物的子代先天性畸形、代谢紊乱[19]。另外通过检测血清中整合素连接酶（integrin-linked kinase，ILK）的含量发现，不明原因不孕妇女与健康非妊娠妇女相比ILK含量明显减少，用ILK使Wnt/β-catenin通路失活后，MMP-3、MMP-9表达下调，子宫内膜上皮细胞增殖受到抑制，导致胚胎着床失败，推测上调MMP-3、MMP-9表达可改善子宫内膜容受性，提高妊娠率，ILK也能成为子宫内膜容受性的生物标志物、不孕症诊断和治疗的新靶点[18,20]。随后有研究发现改变子宫内膜上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）也会影响妊娠结局，验证了特洛细胞（telocytes）可以通过Wnt/β-catenin信号通路增强EMT，促进子宫内膜基质细胞蜕膜化，未来可作为改善子宫内膜容受性的新型细胞疗法[21-22]。Li等[23]首次发现EMT是通过Wnt/β-catenin-lin28a/let-7轴影响小鼠的胚胎植入，lin28a是let-7的抑制剂，两者在EMT调节下作用相反，因为let-7会抑制囊胚的种植能力，EMT过程中lin28a与启动子结合后转录，抑制let-7活性，从而促进胚胎黏附和发育。非经典的β-catenin依赖途径主要有Wnt/平面细胞极性（planar cell polarity，PCP）和Wnt-环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）/Ca2+途径，Wnt/PCP途径的配体Wnt5a基因沉默或过表达后虽然卵巢功能正常，但子宫内膜容受性会严重受损，干扰基质细胞蜕膜化进程[18]。总之，Wnt信号通路在胚胎植入过程中发挥重要的调控作用。

4 MAPK信号通路

MAPK信号通路调控真核生物的基因表达，激活该通路的因子有细胞因子、神经递质和激素等，主要有4种：ERK、c-Jun氨基端蛋白激酶（c-Jun Nterminal protein kinase，JNK）、p38 MAPK和ERK5，在细胞增殖、分化、凋亡、血管生成和肿瘤转移中发挥重要作用[24]。MAPK信号通路与自然流产密切相关，有研究显示ERK1/2信号通路参与滋养细胞侵袭，抑制ERK活性会导致早期绒毛发育不良、子宫螺旋动脉重塑障碍，磷酸化的P38通过调节环氧合酶2（cyclooxygenase 2，COX-2）的表达调控蜕膜化[25]。前动力蛋白1（prokineticin 1，PROK1）是目前发现的一种新的早期流产标志物，PROK1-PROKR1信号通路激活后诱导调节血管生成、免疫应答、滋养层细胞黏附、侵袭、增殖的基因表达，从而刺激IL-6、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、LIF、MMP和IGF等因子释放，其中已证明MMP-9基因表达升高与滋养层细胞黏附有关，通过激活MAPK、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B信号通路在胚胎植入过程中发挥重要作用[26]。CG也能通过激活ERK1/2通路增强孕酮的表达，维持妊娠早期所需的孕酮水平[2]。JNK在真核细胞中分为JNK1～3，激活有丝分裂原/细胞外信号调节激酶激酶1（mitogen/extracellular signal-regulated kinase kinase 1，MEKK1）-MKK4/7-JNK通路，主要调控胚胎发育，诱导细胞凋亡，敲除JNK基因的小鼠会导致神经管闭合失败[25]。P38α可以调控颗粒细胞发育和卵母细胞减数分裂，影响胚胎发育，为针对卵巢因素导致不孕人群的研究提供了新方向[27]。此外，P38α异常激活会导致不良妊娠结局。ERK5通路是一种非经典的MAPK通路，又称为大MAPK1（BMK1）通路，依次磷酸化MEKK2/3-MEK5-ERK5，BMK1促进血管生成、维持血管完整性，主要参与胚胎早期血管形成，异常激活会导致死胎现象，敲除胚胎期大鼠ERK5基因会出现血管形成发育障碍及神经元分化异常[25]。MAPK信号通路在胚胎植入中主要介导细胞凋亡、参与血管形成，通过MAPK信号通路和各种相关分子为靶点可以研制保胎药物，预防自然流产。

5 NF-κB信号通路

NF-κB是1986年从B淋巴细胞核提取物中发现的转录因子，κB与免疫球蛋白Kappa轻链基因的增强子B序列特异性结合，主要由Re1A、Re1B、c-Re1、P50/P105和P52/P100组成，已有证据表明单个NF-κB蛋白在细胞发育和免疫中具有双重作用[28]。研究发现NF-κB在妊娠的植入、维持、分娩阶段都发挥重要作用，分别对妊娠和非妊娠的小鼠子宫内膜进行RNA测序，验证了在胚胎着床中子宫内膜炎症相关的4个基因Ptgs2、IL1f6、Cxcl 14和Cxcl 15，NF-κB充当妊娠小鼠子宫内膜炎症激活的重要转录因子，在胚胎植入过程中，通过进一步了解这4个相关基因可能有助于改善子宫内膜容受性，促进胚胎着床[29]。早期胚胎植入过程中辅助性T细胞1/2（Th1/2细胞）、促炎细胞因子、TNF-α和IFN-γ会发生改变，以上炎症介质均由NF-κB调控。TNF是该信号通路的上游信号分子，与受体结合后发生构象改变，信号传递给IκB激酶（inhibittor of kappa B kinase，IKK），抑制小鼠NF-κB的活化，导致胚胎植入延迟，另外，当胚胎植入子宫内膜时MMP-1、MMP-2、MMP-3和MMP-9的分泌受NF-κB调控，妊娠早期子宫内膜基质细胞中MMP-2和MMP-9水平升高，而在蜕膜区该水平相反，妊娠期间NF-κB通路异常激活会导致子痫、胎儿生长受限和早产等不良妊娠结局[30-31]，说明这些炎症因子在胚胎植入过程中保持动态平衡是关键。促炎因子表达水平升高是胚胎植入的特征，胚胎入侵时子宫内膜自然杀伤细胞被募集到着床部位，各种免疫细胞因子释放，使胚胎适应该环境，有助于子宫螺旋动脉的重塑和胎盘形成[1]。在30例反复着床失败患者的子宫内膜基质中发现NF-κB和P65显著增加，病理性的子宫内膜炎会抑制孕酮表达，影响子宫内膜的容受性，这可能是ART助孕患者出现反复着床失败的主要原因，了解该致病机制有望在未来研制新的药物，提高妊娠率[32]。NF-κB可以调节多种免疫因子，部分免疫因子使JAK-STAT信号通路与其相互作用，高浓度的血氨会导致奶牛早期胚胎植入失败，研究发现孕酮可通过NF-κB和LIF-STAT3信号通路改善此类型不孕者的内膜容受性[33]。各种免疫因子在胚胎植入中相互作用，从侧面也反映了胚胎植入机制的复杂。

6 结语与展望

胚胎植入的调控机制十分精细和复杂，从以上5条与胚胎植入相关的通路中可以进一步发现妊娠的成功建立和维持依赖于胚胎和子宫内膜的相互调节，子宫内膜在胚胎植入中具有核心作用，其分泌的各种调节因子都是胚胎植入的必要成分，从这些调节因子着手可以挖掘更多可靠的证据。成功的植入是哺乳动物妊娠的开始，也是生命延续的过程。综述近年胚胎植入涉及的分子机制和各种信号通路，利于临床医生参考，相信随着RNA测序技术的发展，会有更新的子宫内膜容受性指标被发现，精准预测种植窗，进一步提升妊娠率，为不孕症及反复移植失败的妇女带来福音。