韩 宇,张 蒙,段佳慧，张学明，李子义，唐 博*

(1.吉林大学 动物医学学院,吉林 长春130062；2.吉林大学 第一医院 转化医学研究院 人类疾病动物模型国家地方联合工程实验室，吉林 长春 130062)

1 前言

5-羟色胺(5-HT)，又名血清素，是一种神经递质，功能上也可以作为一种激素和生长因子，在动物发育、生理和病理过程中发挥重要作用。5-HT参与广泛的生理活动，包括调节情绪、精力、记忆力，控制胃肠运动和分泌，调节心血管，调节睡眠-觉醒周期，感知疼痛、食欲、恶心和性行为[1]；同时，5-HT也是一种强血管收缩剂和平滑肌收缩刺激剂，能促进血管平滑肌细胞的增生、迁移，参与血压的调节[2]。近年来的研究发现，5-HT及其受体家族在雌性动物生殖组织中发挥重要作用。已有研究报道在人类卵泡液，大鼠子宫、输卵管、卵巢、胎盘，小鼠卵母细胞、颗粒细胞、胚胎等生殖组织检测到5-HT[3-6]。此外，5-HT合成限速酶色氨酸羟化酶(TPH)，特定5-HT受体(5-HT1D，5-HT2A，5-HT2B和5-HT7)，及5-HT转运蛋白(SERT)在小鼠颗粒细胞、卵母细胞及胚胎中也有分布，在调控卵泡发育、卵母细胞成熟及早期胚胎发育中发挥着重要的作用[5-11]。本研究将对5-HT及其受体家族的结构、组成及其在卵母细胞成熟及胚胎早期发育的作用机制作一综述。

2 5-HT的合成、转运及代谢途径

5-HT通过2步酶促途径合成,在TPH的作用下，必需氨基酸色氨酸(Trp)被转化为5-羟色氨酸(5-HTP)，接着通过芳香族氨基酸脱羧酶(AADC)将中间产物5-HTP脱羧生成5-HT[12](图1)。人体内大部分的5-HT存在于外周组织中，其中约90%由肠嗜铬细胞合成，主要分布于肠道肠嗜铬细胞中，通常与ATP等物质一起储存于细胞颗粒内；8%～9%的5-HT释放、弥散到血液，并被血小板摄取和储存，少量分布在各种组织的肥大细胞中；仅1%左右存在于中枢神经细胞内，作为调节神经活动的神经递质，主要分布于松果体和下丘脑，参与中枢神经系统的调节，如参与调节痛觉、睡眠和体温等生理功能[1-2]。

图1 5-HT的合成及代谢途径

在中枢神经系统及胃肠道中，以多种方式处理5-HT[13]。囊泡单胺转运蛋白2(VMAT2)将5-HT转运到突触前囊泡中。当机体受到各种刺激时，5-HT被释放到突触间隙中，它可以与突触后膜上的5-HT受体结合，从而将信号从一个细胞传递到另一个细胞；或与5-HT自身受体结合，从而调节5-HT的进一步释放[14]。位于突触前膜的高选择性血清素转运蛋白(SERT)负责从突触间隙中重新摄取发挥完生理效应的5-HT，再回收进入突触前神经细胞胞体内，从而调节突触间隙5-HT的浓度及一系列生命过程[15]。血清素的主要代谢途径是经单胺氧化酶(MAO)转化为5-羟基吲哚乙酸(5HIAA)，从尿液排出。松果体中5-HT的另一种代谢途径是转化为褪黑激素[13]。在松果体细胞中，5-HT在5-羟色胺-N-乙酰转移酶作用下转化为N-乙酰-5-羟色胺，然后在羟基吲哚-氧-甲基转移酶的作用下转化为5-甲氧基-N-乙酰胺，即褪黑素(Mel)[16]。

3 5-HT及其受体家族的组成及信号通路

5-HT通过与5-HT受体(5-HTR)结合而发挥作用。5-HTR分型复杂，到目前为止，在哺乳动物中已发现14个5-HTR亚型，7个亚家族，即5-HT1R～5-HT7R，在7种5-HTR中，除5-HT3R为配体门控离子通道受体外，其余均为G蛋白偶联受体[17]。

大多数5-HTR通过与G蛋白偶联，改变细胞内环腺苷酸cAMP或Ca2+浓度，进而引起不同的信号转导途径。5-HT1及5-HT5A受体结合到抑制性蛋白Gi上，激活百日咳毒素敏感G蛋白，抑制腺苷酸环化酶(AC)[18-19]；而5-HT4、5-HT6及5-HT7受体通常通过Gs家族G蛋白刺激AC，增强该腺苷酸环化酶的活性，促进ATP转化为cAMP，从而激活蛋白激酶A(PKA)[19-21]。PKA被激活后，其释放的催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，改变底物蛋白的活性。5-HT2受体通过Gq/11家族G蛋白激活水解磷脂酶C(PLC)，在PLC的水解作用下，将磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)转化为三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)，激活IP3-Ca2+和DG-PKC两个信号传递途径[21]。IP3可与内质网膜上的特定受体结合，从而使Ca2+通道打开，导致细胞内Ca2+水平升高；而DAG激活Ca2+和磷脂依赖性蛋白激酶(PKC)。PKC被激活后，可以以磷酸化形式对许多蛋白质和酶进行修饰，进而调节和控制另外一系列的生理过程[22-24]。

4 5-HT及其受体家族对卵母细胞成熟的影响

众所周知，5-HT是多种无脊椎动物及鱼类生殖的调节剂[23,25-27]，可能参与了几个关键的生殖过程，包括卵泡生长和类固醇生成、排卵、受精和早期胚胎发育[5,28-30]。在青鳉或底鳉中，5-HT通过cA-MP促进分泌类固醇或影响卵母细胞对类固醇的反应性，影响卵母细胞的成熟[9,31]。青蛙卵母细胞在加入5-HT拮抗剂利坦色林后受到正向调节，有利于进行减数分裂的重新启动[32-33]。在双壳类软体动物中，5-HT可诱导大西洋浪蛤卵母细胞减数分裂的重新启动[34]，诱导卵母细胞成熟和产卵[35]。

在哺乳动物中，对5-HT参与卵母细胞成熟的调节的研究尚不充分。早期研究发现5-HT刺激仓鼠排卵前卵泡和颗粒细胞雌二醇(E2)和黄体酮分泌[36]，大鼠卵泡的E2分泌[37]，牛颗粒叶黄素细胞中孕酮(PRG)的分泌[38-39]，以及培养中人类颗粒细胞的E2和黄体酮的分泌[40]，这表明5-HT可能调节类固醇激素的分泌，参与卵成熟过程。研究表明,大鼠皮下注射5-HT可导致卵泡刺激素(FSH)，促黄体生成素(LH)、E2和PRG的血清浓度降低，排卵率下降，初情期延迟，卵泡发育受阻[41]。5-HT可通过下丘脑-垂体-卵巢轴的神经内分泌机制发挥功能,即通过特定的膜受体将GnRH分泌入垂体门脉，并影响细胞内信号通路以调节GnRH的释放并减少促性腺激素的分泌，进而调节初情期启动及卵泡发育[42-43]。此外，5-HT可能通过受体激活导致cAMP水平升高，激活细胞内PKA使PKA释放催化亚基，促进CYP11A1和StAR(类固醇激素合成的主要限速酶)等的转录，调控卵巢中类固醇激素(包括P4、E2等)的合成，进而间接调节卵泡发育,颗粒细胞的分化及早期胚胎发育[44]。

在哺乳动物卵巢中，cAMP的作用之一是维持在前期Ⅰ内的卵母细胞直至排卵，卵丘细胞提供维持卵母细胞减数分裂停滞所需的cAMP，从而允许cAMP和Ca2+离子的自由转移[10,45-47]。5-HT可能是卵丘细胞及卵母细胞成熟和增殖过程中相互影响相互联系的通道[33,48]。目前已确定在哺乳动物卵丘细胞中存在5-HT、TPH1，早期5-HT转运蛋白及5-HT受体亚型组成的局部5-HT能网络[5]。在卵丘细胞、卵母细胞和早期胚胎中，5-HT可能通过其受体介导发挥作用。小鼠卵丘细胞、卵母细胞和早期胚胎中存在5-HT[5-6]，且小鼠卵母细胞和胚胎中发现5-HT1D及5-HT7的表达[10]，在卵丘细胞中检测到5-HT2A、5-HT2B和5-HT7受体，同时已在人类卵母细胞中发现了5-HT2A受体[8]。将5-HT添加到分离的Ⅱ期仓鼠卵母细胞中，可诱导Ca2+激增[49-50]。在小鼠卵丘卵母细胞复合体中添加5-HT或其激动剂则会导致卵丘细胞Ca2+和cAMP激增，可能通过小鼠卵丘细胞表达的5-HT2A、5-HT2B和5-HT7受体来调节细胞Ca2+和cAMP水平[10]。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)在哺乳动物卵母细胞减数分裂成熟过程中发挥了重要的作用[51]，卵丘细胞中MAPK的激活参与GVBD的发生，而升高的cAMP可以激活MAPK，进而诱导一个或多个触发减数分裂恢复的信号的释放[52-53](图1)。

注：TPH作为5-HT的潜在来源存在于小鼠卵丘细胞。5-HT可能通过卵丘细胞表达的5-HT2A、5-HT2B和5-HT7受体提高Ca2+和cAMP的水平，进而可能通过间隙连接影响生发泡(GV)卵母细胞。5-HT1D和5-HT7受体在中期Ⅱ卵母细胞中表达，很可能影响其细胞cAMP水平。在卵丘细胞中，cAMP的升高与MAPK的激活有关，卵丘细胞中而非卵母细胞中MAPK的激活参与了GVBD。此外，cAMP升高可能调控类固醇激素(Steroid hormone)的合成。最后5-HT转运蛋白SERT再摄取5-HT进行再循环或被MAO降解。实线代表已验证的连接，虚线代表假设的联系

总而言之，5-HT可能通过其受体影响卵丘细胞中cAMP及Ca2+水平，激活MAPK，诱导GVBD的发生，进而影响卵母细胞的成熟。

5 5-HT其受体家族对胚胎发育的影响

近年来，人们对5-HT及其受体家族对胚胎发育的影响进行了探究。患有苯丙酮尿症(PKU)的患者，会出现氨基酸苯丙氨酸异常蓄积，并间接导致外周5-HT水平降低[54]，患者自然流产，宫内发育迟缓和胎儿异常的发生率很高[55-56]。因此推测这些胚胎缺陷与宫内环境中5-HT的缺失有关[57]。随后在TPH1的小鼠基因敲除模型中，发现早期胚胎存在重大异常。但胚胎异常不是出现在具有纯合TPH1-/-基因型的幼崽中，而是出现在TPH1-/-的妊娠母体产生的幼崽中[58]。这表明无论幼仔本身的基因型如何，母体5-HT的存在的确对正常胚胎发育必不可少[33,58]。

5-HT对胚胎发育的影响似乎具有浓度依赖性。外源添加1 g/L的5-HT抑制了小鼠的发育，较低质量浓度的5-HT(0.01，0.10 g/L)略微降低胚胎发育，而0.000 1 g/L 5-HT对发育具有积极影响[59]。在4个卵裂球阶段，用5-HT(5 μmol/L)预处理后进行冷冻保存所获得的植入前小鼠胚胎的活力明显增强[60]。体外培养小鼠的植入前胚胎，添加5-HT或5-HT激动剂舒马曲坦后均会影响早期胚胎发育，使胚胎细胞凋亡增加，囊胚细胞数量减少，囊胚率下降[6,9]。通过羊膜内和皮下注射5-HT来治疗妊娠期大鼠，发现一定剂量5-HT会导致胚胎死亡和少数胚胎发育异常，较低剂量则无致命影响[61]。使用5-HT拮抗剂(赛庚啶)可在一定浓度抑制小鼠胚胎体外发育，且更高浓度则会阻止小鼠胚胎发育[62]。此外，5-HT或其受体拮抗剂可影响头颅的发育，造成胚胎畸形[63-64]。

5-HT在胚胎发育中发挥重要的作用，但其机制尚不明确。5-HT可能通过5-HT1D、5-HT7受体发挥作用，也可能通过CaMKII依赖性信号转导途径或TREK通道影响胚胎发育过程。目前已在小鼠卵母细胞及胚胎发育的各个阶段(包括受精卵、2-细胞胚胎、桑葚胚及囊胚时期)发现5-HT1D的表达，5-HT1D激动剂舒马曲坦会显著抑制小鼠胚胎的体外发育[9]。5-HT7在小鼠卵母细胞表达至4细胞阶段消失[10]，推测5-HT7受体可能在卵母细胞成熟阶段起作用，5-HT1D受体可能会在胚胎发育期发挥重要的作用。随着色氨酸底物的增加，腺体5-HT增加，直接影响了胚胎的生存能力，当胚胎暴露于5-HT1D和5-HT7受体拮抗剂时，胚胎质量显著降低[65]。此外，小鼠晚期2-细胞胚胎对氟西汀(一种选择性5-HT再摄取抑制剂)的低剂量和短期暴露可能通过激活CaMKⅡ依赖性信号转导途径来增加胚泡形成，而长期暴露则通过抑制TREK通道门控来降低小鼠早期胚胎发育。此外，促分裂原激活的MAPK主要由细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)、氨基末端激酶(JNK)及p38-MAPK这3条信号转导途径构成[66]。大量研究表明MAPK在卵母细胞成熟及胚胎发育过程中发挥重要作用[67-68]。同时5-HT可以增强JNK的活性，该激酶的作用与CaMKII和ERK1/2都有关系。因此，5-HT可能通过MAPK途径影响胚胎发育，但这一猜测仍需验证。此外,大量研究表明,色氨酸合成的另一产物Mel,可作为一种重要的抗氧化剂,在哺乳动物卵母细胞成熟,早期胚胎发育,克隆胚胎的早期发育过程发挥重要作用[69-73]。Mel与5-HT在哺乳动物卵母细胞成熟及胚胎发育中的存在及作用是否相互影响相互制约也有待探究。

6 总结与展望

5-HT及其受体家族广泛分布于中枢神经系统及外周组织，在神经系统及胃肠道中研究较多，其与焦虑、抑郁等精神疾病的发生密切相关。本研究从5-HT合成及代谢过程入手，进而总结了5-HT受体家族的分类、结构及功能，并对5-HT及其受体家族对卵母细胞成熟和胚胎发育的影响进行了阐述，为进一步探究5-HT的生理作用奠定基础。

随着SSRI(选择性5-HT再摄取抑制剂)作为一种抗抑郁药应用到人类精神疾病中，虽然影响较小，但仍有一些研究报道，妊娠期使用此种药物具有流产[74]、先天性畸形[75]、早产[76]及持续性肺动脉高压[77]的风险[33]。因此母体5-HT水平与胎儿健康息息相关。我们目前已知5-HT在卵母细胞成熟，受精卵及胚胎发育的过程中起着重要的作用，但其在胚胎的作用时期及相应机制尚不明确，这仍是一个亟待解决的问题。此外，5-HT在雌性生殖组织中的调节机制还需进一步探究。相信对5-HT、5-HT受体及亚型的深入研究，将有助于揭示5-HT及其受体家族对生命早期作用的影响机制，为人类生殖与健康的研究提供新的思路。