环境雌激素生物效应的作用机制研究进展

DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20160811002季晓亚,李娜,袁圣武,等.环境雌激素生物效应的作用机制研究进展[J].生态毒理学报,2017,12(1):JiXY,LiN,YuanSW,etal.ResearchProgressintheMechanismsforBiologicalEffectsofEnvironmentalEstrogens[J].AsianJournalofEcotoxicology,2017,12(1):(inChinese)环境雌激素生物效应的作用机制研究进展季晓亚1，李娜1，袁圣武1，黄超1，饶凯峰1，马梅1,2,*摘要：环境雌激素(EnvironmentalEstrogens,EEs)种类繁多、来源多样且分布广泛，大量工业添加剂、食品添加剂和农药类物质已被证实具有雌激素活性。EEs对人体生殖、神经、免疫等系统的生物毒性已经引起了公众的普遍关注。近年来的研究表明，EEs不仅结合雌激素核受体(nuclearEstrogenReceptor,nER)还可以活化雌激素膜受体(membraneEstrogenReceptor,mER)干扰正常的雌激素信号通路。本文总结了EEs通过nER、mER介导的多种雌激素基因组和非基因组信号途径及其产生的生物学效应，综述了在其毒理学作用机理基础上发展的环境样品的雌激素活性评估和EEs混合物的联合作用研究，以期为该类污染物的筛查、风险评估和进一步的机制研究提供参考。关键词：环境雌激素；核受体；膜受体；基因组；非基因组；信号通路文章编号：中图分类号：X171.5文献标识码：AResearchProgressintheMechanismsforBiologicalEffectsofEnvironmentalEstrogens*，王子健11.中国科学院生态环境研究中心中国科学院饮用水科学与技术重点实验室，北京1000852.中国科学院大学资源与环境学院，北京100190收稿日期：2016-08-11录用日期：2016-09-02JiXiaoya1,LiNa1,YuanShengwu1,HuangChao1,RaoKaifeng1,MaMei1,2,*,Wang基金项目：自然科学基金重点课题（No.51290283）；自然科学基金重点基金（No.21437006）；国家自然科学基金青年基金（No.21107131）作者简介：季晓亚(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为水生态毒理学，E-mail:[e-mail]*通讯作者(Correspondingauthor)，E-mail:[e-mail]aterScienceandTechnology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2.CollegeofResourcesandEnvironment,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100190,ChinaReceived11August2016Accepted2September2016Abstract:EnvironmentalEstrogens(EEs)haveavarietyoftypesandsources.Agreatnumberofindustrialadditives,foodadditivesandpesticideshavebeenidentifiedtohaveestrogenicactivities.Thepotentialreproductivetoxicity,neurotoxicityandimmunotoxicityresultedfromestrogenicactivitieshaveattractedwidespreadattention.ItwasfoundinrecentyearsthatEEsdisruptnormalestrogensignalingpathwaysbybindingtonuclearEstrogenReceptorandmembraneEstrogenReceptor.Inthisreview,thebiologicaleffectsresultedfromnERandmERmediatedmultipleestrogengenomicandnon-genomicsignalingpathwaysweresummarized.Inordertoprovidebetterunderstandingforscreening,riskassessmentandmechanismstudiesofEEs,theresearchprogressoftheestrogenactivityassessmentofenvironmentalsamplesandthecombinedeffectsoftheEEsmixturewerereviewed.Keywords:EnvironmentalEstrogens;NuclearReceptor;MembraneReceptor;genomic;non-genomic;signalingpathways内分泌干扰物(Endocrinedisruptingchemicals,EDCs)又称环境类激素(EnvironmentalHormones)，是通过破坏或干扰生物体内天然激素合成、分泌、运输、代谢、结合和降解的过程，从而影响生物体稳定性和正常生长发育的一类外源性物质[1]。环境雌激素（EnvironmentalEstrogens,EEs）是最早发现的典型环境内分泌干扰物，可以通过基因组或非基因组信号通路激活或抑制内源雌激素活性，从而产生抗/类雌激素效应，干扰内源雌激素正常的生理功能。研究表明，目前内分泌干扰物中有超过200种的化学物已被证实具有雌激素活性[2]，这些雌激素类物质来源多样、分布广泛且具有生物毒性。因此EEs污染已经引起了公众的普遍关注。传统的研究指向EEs的雌激素效应主要通过雌激素核受体(nuclearEstrogenReceptor,nER)介导，且基于对此信号通路的认识，目前已开发出多种环境雌激素类物质离体生物检测法[3-5]。这些方法具有高灵敏、高通量的特点。然而大量有关于EEs作用机制的研究表明其引发的信号途径的复杂性，除了nER经典的雌激素基因组信号通路，多种由结合雌激素膜受体(membraneEstrogenReceptor,mER)诱发快速雌激素非基因组信号转导途径的作用方式经过复杂的信号通路分析也被不断挖掘[6-9]，且EEs可通过这些信号通路对人体产生生殖毒性、神经毒性、免疫毒性和致癌性[10-13]。基于多种EEs离体生物检测法，大量环境样品被发现具有雌激素活性且存在多种不同浓度的EEs[14-15]，已有研究表明，EEs混合物的联合毒性可以因各组分浓度水平、作用位点、作用方式以及效应终点的不同而改变[16-17]，引起了科学界对EEs混合物联合作用的关注。本文综述了近年来环境雌激素类物质在生物效应作用机理方面研究的新进展，试图展现一个更为完整和复杂的EEs发挥雌激素效应的作用机制，并综述了在此基础上发展的环境样品的雌激素活性评估和EEs混合物的联合作用研究。1雌激素受体（EstrogenReceptor,ER）EEs主要通过结合3种不同的雌激素受体ERα、ERβ和G蛋白耦联受体30(Gprotein-coupledreceptor30,GPR30)干扰内源雌激素功能。ERα和ERβ是核受体超家族的成员，具有相似的结构和高度的同源性[18]；而GPR30与核受体的结构完全不同，是一个7次跨膜的G蛋白耦联受体。3种雌激素受体能够被配体激活介导多种雌激素信号途径发挥生物学功能。研究发现，EEs可模拟内源雌激素成为激活雌激素受体的配体[3,19]，典型EEs诱发的信号通路及其检测方法总结见表1，且EEs与3种雌激素受体具有不同的结合能力[3,20]，这意味着EEs可以结合不同的受体产生多种雌激素效应的形成途径。1.1雌激素核受体（nuclearEstrogenReceptor,nER）ERα、ERβ是nER的2种亚型，由不同的基因编码，都会在生殖器官、肺、骨、心脏、大脑的部分区域表达[21]，但其分布具有一定程度的组织特异性，ERα主要在子宫、肾脏、肝脏中表达，ERβ在前列腺和小脑中含量较高[22]。ERα、ERβ的结构特点已经被大量的报道[23]，N端到C端依次可分为3个功能域：非配体依赖的转录激活功能域AF-1(ActivationFunction-1)、DNA结合域（DNAbindingdomain,DBD）、配体结合结构域（ligandbindingdomain,LBD）：含有配体依赖的转录激活功能域AF-2(ActivationFunction-2)。EEs通过结合nER导致靶基因表达的改变而产生雌激素效应总结见表1。Robert等[24]利用雌激素受体结合实验发现，在188种化合物中有100个化合物对ER具有亲和力，其中包括合成雌激素、烷基酚、有机氯杀虫剂、联苯衍生物等，且根据这些化合物的结构得出了环状结构对于化合物结合ER具有重要的作用。部分EEs还对特定核受体亚型表现出强烈的亲和力。Escande等[25]在稳染ERα、ERβ的Hela细胞中，[3H]E2受体结合实验表明，染料木黄酮、香豆雌酚等植物激素对ERβ的亲和力较强，药物类乙炔基雌二醇(EE2)对ERα的亲和力较强，特异性雌激素受体激动剂如PPT、DPN更说明了配体对ERα、ERβ亲和力的差异(RBAERα/ERβ=84.4,0.019)。1.2雌激素膜受体（membraneEstrogenReceptor,mER）mER已经被证实介导快速的雌激素非基因组信号通路[26-28]。根据它们的结构可以分为mERα、mERβ、GPR30、ERα和ERβ的变异体（ER-X、ER-α36），其中mERα和mERβ是核受体经过棕榈酰化定位在细胞膜上小窝蛋白的膜受体[29]。近年来，许多研究发现GPR30在下丘脑、垂体、肾上腺、卵巢等组织中高表达[22,30]，而多种EEs如农药类、烷基酚、植物激素类等物质与之结合会干扰其正常的生理功能总结见表1，因此引起了研究者的广泛关注。Thomas等[31]利用[35S]GTPγS受体结合实验发现他莫昔芬(TAM)、ICI、o,p’-DDE可以结合且活化SKBR3细胞中的GPR30；除此之外，还说明了稳转GPR30的HEK293与SKBR3细胞类似。所以他们利用此细胞研究EEs对GPR30的亲和能力[3]，[3H]E2受体结合实验表明双酚A(BPA)、壬基酚(NP)、染料木黄酮、十氯酮、p,p’-DDT、o,p’-DDE等EEs对GPR30具有不同的结合能力。值得注意的是，BPA与nER的结合能力很低(RBA=0.315[32])，但与GPR30的结合能力却相反(RBA=2.83[3])，且能大幅度提高cAMP的浓度，说明BPA主要通过GPR30产生雌激素效应，这意味着仅通过检测EEs与nER的作用能力来反映其雌激素效应的方法是不全面的；染料木黄酮既与ERβ有强烈的结合能力，还与GPR30有较强的亲和力，表明其可能根据细胞环境选择受体，也可能结合多种受体调控多种胞内信号途径发挥其雌激素活性。综上说明环境中多种EEs共同存在将直接增加它们引发的雌激素信号通路的复杂性。表1典型环境雌激素引发的雌激素信号通路及检测方法Table1TheestrogensignalingpathwaysmediatedbytypicalEnvironmentalEstrogensanddetectionmethods环境雌激素EnvironmentalEs