表皮生长因子在胚胎围植入期的生理功能
作者：李军锋 张家骅
单位：西南农业大学动物科技学院动物生殖生物学实验室，重庆 400716
关键词：表皮生长因子；胚胎发育；胚泡植入
生理科学进展000420 摘要 表皮生长因子在哺乳动物妊娠早期的胚胎发育及胚泡植入中具有重要的生物学功能。表皮生长因子通过旁分泌或/和自分泌途径，作为胚胎营养因子促进早期胚胎的发育,并且可能通过激活胚泡和调节子宫接受性从而启动胚泡植入。
学科分类号 Q492.6; S814.4
表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)是一种含53个氨基酸的单链多肽类生长因子，最初因其能刺激表皮的生长和角化而得名,体内许多细胞包括子宫内膜细胞均可分泌EGF。业已证明，EGF在人和动物各种组织器官生长发育过程中是一种重要的调节因子，通过自分泌、旁分泌及内分泌途径刺激细胞的分裂、增殖与分化，促进离子交换及细胞外基质合成等。近几年研究发现，EGF在哺乳动物生殖过程中也具有重要的生物学功能，是胚胎围植入期的主要相关分子之一。
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本文试图就EGF及其受体的基因表达、受体信号转导、及其在胚胎发育和胚泡植入过程中的生理功能方面的近期进展作一综述，为探讨EGF的作用机制提供思路。
一、EGF的蛋白质结构及其基因表达
EGF是由53个氨基酸残基构成的单链多肽，不含丙氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸，分子量为6kD左右，等电点(PI)为4.6，含3个链内二硫键。二硫键对维持EGF的蛋白质空间构象很重要，而空间构象又与其活性密切相关，当链内二硫键被破坏后，EGF的活性就丧失。
应用免疫组织化学技术已证实，在生殖系统如子宫内膜、蜕膜、卵巢、胎盘、睾丸等组织存在EGF及其受体。Mira等(1994)研究表明，在人子宫分泌期，子宫平滑肌瘤中EGF mRNA量明显升高,而子宫肌层中EGF mRNA量无明显变化，且分泌期EGF量比增生期高。在小鼠，分子杂交表明，在受雌激素刺激后子宫上皮细胞中的顶部区域存在EGF mRNA，说明雌激素调节小鼠子宫上皮细胞EGF的合成。但EGF在人胚胎内的表达不同于其它动物。人植入前胚胎在囊胚期滋养层和内细胞团内都有EGF的表达，但随着胚胎发育，除了滋养层的极端和内细胞团外，在滋养层其它部位EGF mRNA量逐渐减少[1]。而在小鼠及猪、牛、羊等家畜的植入前胚胎至今均未发现有EGF mRNA存在，即胚胎自身不能合成EGF。研究还发现，在发情前一天黄体正在溶解时，黄体EGF mRNA达最高水平。
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二、EGF的受体信号转导机制
EGF受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)是位于细胞表面多功能的跨膜糖蛋白，为原癌基因c-ErbB1所编码。EGFR结构分三个区域：由619个氨基酸残基构成的伸向膜外与EGF识别并结合的氨基端区域，位于细胞膜中间含25个疏水氨基酸的跨膜区，以及含542个氨基酸残基的具有酪氨酸激酶活性的位于质膜内侧的羧基端区域。
当EGF与EGFR的氨基端区域结合后，可引起后者构象发生变化。EGFR羧基端区域末端的三个酪氨酸残基(Tyr)自身磷酸化位点发生磷酸化，结果导致受体酪氨酸激酶活化，使细胞内三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油增多，作为第二信使引起细胞内游离Ca2+增多，激活磷酸蛋白激酶C和磷酸蛋白激酶A，使细胞增殖和功能发生改变[2]。体外试验证明，诱导EGFR自身磷酸化的位置是在其羧基端1068、148、1173和氨基端一个位点的四个Tyr残基，在体内EGFR自身磷酸化位点主要发生在1173的Tyr残基，而受体其它三个Tyr残基磷酸化程度较体外为少。
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三、EGF在胚胎围植入期的生理功能
在猪、羊、小鼠、大鼠、兔等动物均已证实，不仅子宫中都存在EGFR，而且植入前的胚胎组织内存在EGFR。小鼠胚胎中，从4-细胞期开始就可测到EGFR mRNA和相应的EGFR，在囊胚中EGFR主存在于滋养层。猪、羊早期胚胎中，EGFR主要存在于滋养层和内细胞团中。这些结果说明，虽然许多动物胚胎自身不能合成EGF，但外源性的EGF能够以旁分泌或/和自分泌的形式作用于子宫和胚胎组织中的EGFR，从而调节早期胚胎发育，启动胚泡植入。
(一) 调节早期胚胎发育 EGF是植入前期母体环境中的胚胎营养因子，不论是在体外还是在体内都可刺激胚胎细胞增生，促进早期胚胎的生长发育、囊胚腔的形成和胚泡带的孵化。EGF在胚胎生长中的作用是刺激内细胞团和滋养外胚层的增殖。在早期胚胎中，EGFR以滋养层细胞和内细胞团含量最高，而且随着胚胎的生长，EGFR mRNA水平不断增加。由此说明，虽然胚胎自身不能合成EGF，但母源性的EGF能够以旁分泌的形式作用于胚胎中的EGFR，调节早期胚胎发育。研究表明：(1)EGF与EGFR结合后可激活滋养层细胞内的酪氨酸蛋白酶和蛋白激酶系统，增加蛋白质合成，从而加速细胞的分裂，使早期胚胎卵裂率提高，囊胚发育率也显著提高[3]。(2) EGF与EGFR的结合使EGFR活化，细胞内cAMP水平升高，进而活化Na+/K+ ATP酶。离子泵的活化导致滋养层两侧离子浓度梯度发生变化和渗透压改变, 使水分子易于进入囊胚腔，加快了囊胚腔内液体的积聚，促进囊胚腔的形成与扩展[4]。Threadgill等[5]采用基因突变技术使EGFR基因失活后发现，EGFR缺失会造成植入前小鼠胚胎内细胞团退化而死亡。
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此外，EGF还可间接地对胚胎发育产生影响。EGFR能与肌动蛋白特异性结合使肌动蛋白发生磷酸化，而在植入前胚胎发育过程中，肌动蛋白分布的改变可以引起细胞粘着性以及胚胎卵裂球的分化发生改变。
(二) 启动并促进胚泡植入 胚泡植入取决于“植入窗口”(implantation window)期胚胎滋养层可侵入性和子宫内膜的可接受性，并且要求二者同步(曹宇静等. 1997)。通过放射自显影研究发现，子宫上皮细胞、基质细胞和内膜细胞等均含有EGFR，EGF可以与EGFR结合影响子宫的生理功能。免疫组化定位分析显示EGF及其受体(EGFR)存在于各滋养层，其浓度顺序为：合体滋养层>中间滋养层>细胞滋养层。对大鼠胚胎移植试验发现，EGF能启动胚泡植入，而不需要被认为是启动胚泡植入必要成分的雌二醇[6]。Wiley等(1995)用适量的EGF可使切除卵巢后用孕酮处理发生植入延迟的大鼠胚胎植入。EGF在体外还可刺激小鼠胚泡带的孵化。对体外培养的人胚泡系进行研究表明，EGF启动胚泡植入的机制可能是通过EGF/TGFα低亲和性受体，激活磷酸蛋白激酶C和磷酸蛋白激酶A信号转导通路来调节细胞功能(Rong等. 1993)，使子宫或胚胎合成的前列腺素增加，进而启动胚泡植入。现已证明EGF不但可以使妊娠早期胚胎滋养层细胞浸润性明显加强[7],并且EGF能够使子宫内膜蜕膜化，使得胚泡的滋养层细胞粘着，并侵入下面的基质，促进胚泡植入[2]。Paria等[4]研究发现，子宫中EGFR活性在植入前胚胎开始发育时增多，此时胚胎正迅速地进行有丝分裂。这说明，胚泡的活性与植入都依赖子宫和胚泡中EGFR量及其功能状态的改变，而后者对恢复植入胚泡的发育起着关键作用。
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近来有人研究认为，表皮生长因子家族中只有HB-EGF对胚泡植入有直接作用。HB-EGF主要由子宫内膜上皮产生，与滋养层细胞表面的EGFR和硫酸乙酰肝素蛋白多糖结合后，参与胚胎与子宫内膜初次接触时相互作用的调节，因此HB-EGF被认为是胚泡植入所必需的生长因子之一。
四、展望
在动物的早期胚胎发育和胚泡植入过程中，一些细胞因子和生长因子如白血病抑制因子、白细胞介素1-β、转化生长因子和集落刺激因子等起重要作用，它们能够充当子宫内膜微环境的“局部调节者”(local mediators) 。这些因子在植入期间与许多相关因子共同组成一个在激素调节下的“植入级联”(implantation cascade)(Tabibzadeh和Babaknia, 1995)。EGF被认为是促进胚泡植入的重要标记分子之一。当前，异种胚胎移植已成为国际生殖生物学研究的前沿领域，促胚泡植入标记分子的研究为研究异种胚胎移植提供了创新性思路，有可能通过给予促植入标记分子的方法来提高异种胚胎移植成功率。因此，深入研究EGF及其受体在母胎界面的基因表达与调控，EGF对胚泡植入过程中酶解活动的影响，以及EGF与其它细胞因子/生长因子的相互关系，对于阐明胚泡植入的细胞分子调节机制及探索异种胚胎移植具有重要意义。
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参考文献
1，Chian CM, Winston RM, Handyside H. EGF、TGF-α and EGFR expression in human preimplantation embryos. Development, 1995, 121∶299～307.
2，Wiley LM, Adamson ED, Tsark EC, et al. Epidermal growth factor receptor function in early mammalian development. Bio Essays, 1995, 17∶839～846.
3，Wood SA, kaye PL. Effects of epidermal growth factor on preimplantation mouse embryos. J Reprod Fertil, 1989, 85∶575～582.
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4，Paria BC, Das SK， Gupta A, et al. Reversal of indomethach-induced inhibition of implantation in the mouse by epidermal growth factor. Biol Reprod, 1994, 51∶205～213.
5，Threadgill DW, Dluyosz AA, Hansen LA, et al. Targeted disruption of mouse EGF receptor: Effect of genetic backgroud on mutant phenotype. Science, 1995, 269∶230～234.
6，Zhang Z, Krause CM, Daris DL, et al. EGFR in porcine endometrium: binding characteristics and the regulation of PGE and F2α production. Biol Rebrod, 1992, 46∶932～937.
7，Maruo T, Matsuo H, Otani T,et al. Role of epidermal growth factor (EGF)and its receptor in the development of the human placenta.Reprod Fertil Dev,1995,7∶1465～1472., http://www.100md.com
单位：西南农业大学动物科技学院动物生殖生物学实验室，重庆 400716
关键词：表皮生长因子；胚胎发育；胚泡植入
生理科学进展000420 摘要 表皮生长因子在哺乳动物妊娠早期的胚胎发育及胚泡植入中具有重要的生物学功能。表皮生长因子通过旁分泌或/和自分泌途径，作为胚胎营养因子促进早期胚胎的发育,并且可能通过激活胚泡和调节子宫接受性从而启动胚泡植入。
学科分类号 Q492.6; S814.4
表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)是一种含53个氨基酸的单链多肽类生长因子，最初因其能刺激表皮的生长和角化而得名,体内许多细胞包括子宫内膜细胞均可分泌EGF。业已证明，EGF在人和动物各种组织器官生长发育过程中是一种重要的调节因子，通过自分泌、旁分泌及内分泌途径刺激细胞的分裂、增殖与分化，促进离子交换及细胞外基质合成等。近几年研究发现，EGF在哺乳动物生殖过程中也具有重要的生物学功能，是胚胎围植入期的主要相关分子之一。
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本文试图就EGF及其受体的基因表达、受体信号转导、及其在胚胎发育和胚泡植入过程中的生理功能方面的近期进展作一综述，为探讨EGF的作用机制提供思路。
一、EGF的蛋白质结构及其基因表达
EGF是由53个氨基酸残基构成的单链多肽，不含丙氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸，分子量为6kD左右，等电点(PI)为4.6，含3个链内二硫键。二硫键对维持EGF的蛋白质空间构象很重要，而空间构象又与其活性密切相关，当链内二硫键被破坏后，EGF的活性就丧失。
应用免疫组织化学技术已证实，在生殖系统如子宫内膜、蜕膜、卵巢、胎盘、睾丸等组织存在EGF及其受体。Mira等(1994)研究表明，在人子宫分泌期，子宫平滑肌瘤中EGF mRNA量明显升高,而子宫肌层中EGF mRNA量无明显变化，且分泌期EGF量比增生期高。在小鼠，分子杂交表明，在受雌激素刺激后子宫上皮细胞中的顶部区域存在EGF mRNA，说明雌激素调节小鼠子宫上皮细胞EGF的合成。但EGF在人胚胎内的表达不同于其它动物。人植入前胚胎在囊胚期滋养层和内细胞团内都有EGF的表达，但随着胚胎发育，除了滋养层的极端和内细胞团外，在滋养层其它部位EGF mRNA量逐渐减少[1]。而在小鼠及猪、牛、羊等家畜的植入前胚胎至今均未发现有EGF mRNA存在，即胚胎自身不能合成EGF。研究还发现，在发情前一天黄体正在溶解时，黄体EGF mRNA达最高水平。
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二、EGF的受体信号转导机制
EGF受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)是位于细胞表面多功能的跨膜糖蛋白，为原癌基因c-ErbB1所编码。EGFR结构分三个区域：由619个氨基酸残基构成的伸向膜外与EGF识别并结合的氨基端区域，位于细胞膜中间含25个疏水氨基酸的跨膜区，以及含542个氨基酸残基的具有酪氨酸激酶活性的位于质膜内侧的羧基端区域。
当EGF与EGFR的氨基端区域结合后，可引起后者构象发生变化。EGFR羧基端区域末端的三个酪氨酸残基(Tyr)自身磷酸化位点发生磷酸化，结果导致受体酪氨酸激酶活化，使细胞内三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油增多，作为第二信使引起细胞内游离Ca2+增多，激活磷酸蛋白激酶C和磷酸蛋白激酶A，使细胞增殖和功能发生改变[2]。体外试验证明，诱导EGFR自身磷酸化的位置是在其羧基端1068、148、1173和氨基端一个位点的四个Tyr残基，在体内EGFR自身磷酸化位点主要发生在1173的Tyr残基，而受体其它三个Tyr残基磷酸化程度较体外为少。
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三、EGF在胚胎围植入期的生理功能
在猪、羊、小鼠、大鼠、兔等动物均已证实，不仅子宫中都存在EGFR，而且植入前的胚胎组织内存在EGFR。小鼠胚胎中，从4-细胞期开始就可测到EGFR mRNA和相应的EGFR，在囊胚中EGFR主存在于滋养层。猪、羊早期胚胎中，EGFR主要存在于滋养层和内细胞团中。这些结果说明，虽然许多动物胚胎自身不能合成EGF，但外源性的EGF能够以旁分泌或/和自分泌的形式作用于子宫和胚胎组织中的EGFR，从而调节早期胚胎发育，启动胚泡植入。
(一) 调节早期胚胎发育 EGF是植入前期母体环境中的胚胎营养因子，不论是在体外还是在体内都可刺激胚胎细胞增生，促进早期胚胎的生长发育、囊胚腔的形成和胚泡带的孵化。EGF在胚胎生长中的作用是刺激内细胞团和滋养外胚层的增殖。在早期胚胎中，EGFR以滋养层细胞和内细胞团含量最高，而且随着胚胎的生长，EGFR mRNA水平不断增加。由此说明，虽然胚胎自身不能合成EGF，但母源性的EGF能够以旁分泌的形式作用于胚胎中的EGFR，调节早期胚胎发育。研究表明：(1)EGF与EGFR结合后可激活滋养层细胞内的酪氨酸蛋白酶和蛋白激酶系统，增加蛋白质合成，从而加速细胞的分裂，使早期胚胎卵裂率提高，囊胚发育率也显著提高[3]。(2) EGF与EGFR的结合使EGFR活化，细胞内cAMP水平升高，进而活化Na+/K+ ATP酶。离子泵的活化导致滋养层两侧离子浓度梯度发生变化和渗透压改变, 使水分子易于进入囊胚腔，加快了囊胚腔内液体的积聚，促进囊胚腔的形成与扩展[4]。Threadgill等[5]采用基因突变技术使EGFR基因失活后发现，EGFR缺失会造成植入前小鼠胚胎内细胞团退化而死亡。
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此外，EGF还可间接地对胚胎发育产生影响。EGFR能与肌动蛋白特异性结合使肌动蛋白发生磷酸化，而在植入前胚胎发育过程中，肌动蛋白分布的改变可以引起细胞粘着性以及胚胎卵裂球的分化发生改变。
(二) 启动并促进胚泡植入 胚泡植入取决于“植入窗口”(implantation window)期胚胎滋养层可侵入性和子宫内膜的可接受性，并且要求二者同步(曹宇静等. 1997)。通过放射自显影研究发现，子宫上皮细胞、基质细胞和内膜细胞等均含有EGFR，EGF可以与EGFR结合影响子宫的生理功能。免疫组化定位分析显示EGF及其受体(EGFR)存在于各滋养层，其浓度顺序为：合体滋养层>中间滋养层>细胞滋养层。对大鼠胚胎移植试验发现，EGF能启动胚泡植入，而不需要被认为是启动胚泡植入必要成分的雌二醇[6]。Wiley等(1995)用适量的EGF可使切除卵巢后用孕酮处理发生植入延迟的大鼠胚胎植入。EGF在体外还可刺激小鼠胚泡带的孵化。对体外培养的人胚泡系进行研究表明，EGF启动胚泡植入的机制可能是通过EGF/TGFα低亲和性受体，激活磷酸蛋白激酶C和磷酸蛋白激酶A信号转导通路来调节细胞功能(Rong等. 1993)，使子宫或胚胎合成的前列腺素增加，进而启动胚泡植入。现已证明EGF不但可以使妊娠早期胚胎滋养层细胞浸润性明显加强[7],并且EGF能够使子宫内膜蜕膜化，使得胚泡的滋养层细胞粘着，并侵入下面的基质，促进胚泡植入[2]。Paria等[4]研究发现，子宫中EGFR活性在植入前胚胎开始发育时增多，此时胚胎正迅速地进行有丝分裂。这说明，胚泡的活性与植入都依赖子宫和胚泡中EGFR量及其功能状态的改变，而后者对恢复植入胚泡的发育起着关键作用。
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近来有人研究认为，表皮生长因子家族中只有HB-EGF对胚泡植入有直接作用。HB-EGF主要由子宫内膜上皮产生，与滋养层细胞表面的EGFR和硫酸乙酰肝素蛋白多糖结合后，参与胚胎与子宫内膜初次接触时相互作用的调节，因此HB-EGF被认为是胚泡植入所必需的生长因子之一。
四、展望
在动物的早期胚胎发育和胚泡植入过程中，一些细胞因子和生长因子如白血病抑制因子、白细胞介素1-β、转化生长因子和集落刺激因子等起重要作用，它们能够充当子宫内膜微环境的“局部调节者”(local mediators) 。这些因子在植入期间与许多相关因子共同组成一个在激素调节下的“植入级联”(implantation cascade)(Tabibzadeh和Babaknia, 1995)。EGF被认为是促进胚泡植入的重要标记分子之一。当前，异种胚胎移植已成为国际生殖生物学研究的前沿领域，促胚泡植入标记分子的研究为研究异种胚胎移植提供了创新性思路，有可能通过给予促植入标记分子的方法来提高异种胚胎移植成功率。因此，深入研究EGF及其受体在母胎界面的基因表达与调控，EGF对胚泡植入过程中酶解活动的影响，以及EGF与其它细胞因子/生长因子的相互关系，对于阐明胚泡植入的细胞分子调节机制及探索异种胚胎移植具有重要意义。
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参考文献
1，Chian CM, Winston RM, Handyside H. EGF、TGF-α and EGFR expression in human preimplantation embryos. Development, 1995, 121∶299～307.
2，Wiley LM, Adamson ED, Tsark EC, et al. Epidermal growth factor receptor function in early mammalian development. Bio Essays, 1995, 17∶839～846.
3，Wood SA, kaye PL. Effects of epidermal growth factor on preimplantation mouse embryos. J Reprod Fertil, 1989, 85∶575～582.
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4，Paria BC, Das SK， Gupta A, et al. Reversal of indomethach-induced inhibition of implantation in the mouse by epidermal growth factor. Biol Reprod, 1994, 51∶205～213.
5，Threadgill DW, Dluyosz AA, Hansen LA, et al. Targeted disruption of mouse EGF receptor: Effect of genetic backgroud on mutant phenotype. Science, 1995, 269∶230～234.
6，Zhang Z, Krause CM, Daris DL, et al. EGFR in porcine endometrium: binding characteristics and the regulation of PGE and F2α production. Biol Rebrod, 1992, 46∶932～937.
7，Maruo T, Matsuo H, Otani T,et al. Role of epidermal growth factor (EGF)and its receptor in the development of the human placenta.Reprod Fertil Dev,1995,7∶1465～1472., http://www.100md.com