综述：大脑中的类固醇5α-还原酶：从神经类固醇生成到治疗意义

《Frontiers in Neuroendocrinology》：Steroid 5α-reductases in the brain: From neurosteroidogenesis to therapeutic implications

　　摘要：类固醇5α-还原酶（5αRs）能催化Δ4-3-酮类固醇在NADPH参与下的不可逆还原反应。这一过程调控着多种重要的类固醇信号通路，包括神经类固醇的生物合成、雄激素的活化以及糖皮质激素的代谢。通过调控这些过程，5αRs影响着GABA能和多巴胺能神经传导，以及机体对压力和奖赏的行为反应。虽然两种主要的同工酶5αR1和5αR2具有部分重叠的功能，但越来越多的证据表明它们在功能上存在差异。5αR1在多个脑区维持着持续的神经类固醇合成；而5αR2长期以来被认为是在男性性别分化过程中将睾酮转化为二氢睾酮的酶，如今则被证实是在男性急性应激时前额叶皮层中快速生成异孕酮的关键酶。这些研究进展为理解非那雄胺和度他雄胺等5αR抑制剂复杂的神经行为效应提供了理论框架。这类药物可能与抑郁、焦虑、自杀倾向、性功能障碍有关，且在部分人群中，停药后仍会出现持续的性功能、躯体症状及神经精神症状。与此同时，5αR抑制在那些存在过度或异常神经类固醇信号通路的疾病中可能具有治疗价值，比如抽动障碍、冲动控制障碍以及物质使用障碍。在本篇综述中，我们综合了药理学、遗传学和行为学方面的证据，探讨5αR1和5αR2在应激、性别差异及发育过程中对类固醇信号通路的独特贡献。最后，我们指出了5αRs生物学研究中仍存在的若干未解问题，解决这些问题对于开发更具机制精准性和临床应用价值的干预措施至关重要。

引言：类固醇5α-还原酶（5αRs）是一类能够催化睾酮、孕酮和糖皮质激素等类固醇中Δ4双键不可逆还原的酶。通过将这些激素转化为具有不同生物活性的5α-还原代谢物，该反应使类固醇信号转向与性别分化、神经内分泌调节及应激适应相关的生理过程。1931年，阿道夫·布滕安特从男性尿液中分离出雄甾酮，这是首次发现5α-还原类固醇（布滕安特，1931）。然而，直到1951年，施耐德和霍斯特曼在研究脱氧皮质酮代谢时，在大鼠肝脏中发现了5αR活性，才阐明了5α-还原类固醇形成的生化机制（施耐德和霍斯特曼，1951）。后续研究表明，这种活性依赖于NADPH，且能够还原多种类固醇底物，从而确定5α-还原是一种普遍存在的酶促反应，而非仅针对特定底物的反应（汤姆金斯，1957）。不过，直到20世纪60年代末，这一途径的生理意义才得以明确，当时人们发现类固醇5α-还原与睾酮向二氢睾酮的转化有关。这一认知的转变得益于相关证据表明，DHT在关键靶组织中能产生比睾酮更强的雄激素受体信号，并且会优先在前列腺细胞核中积累（安德森和廖，1968；布鲁霍夫斯基和威尔逊，1968a、1968b）。随后在雄激素响应组织中的研究，尤其是前列腺（布鲁霍夫斯基和威尔逊，1968b）和会阴皮肤（威尔逊和沃克，1969）的研究，进一步证实了5α-还原是局部增强雄激素信号的一种组织特异性机制。不久之后，这一机制在发育过程中的作用也被明确。在兔子和大鼠胚胎中，在性别分化开始之前，前列腺和外生殖器的原基中就已存在较高的5αR活性，而在沃尔夫管衍生物中则直到分化后期才能检测到该活性（威尔逊和拉斯尼茨基，1971）。这些发现表明，5α-还原不仅具有组织特异性，还受发育过程的调控。它们还引出一个重要预测：如果该途径出现遗传性缺陷，那么由沃尔夫管发育而来的、依赖睾酮的分化过程将与依赖DHT的外生殖器发育过程分离。这一预测很快得到了临床研究的验证——有一些46,XY基因型的个体出生时外生殖器特征不明，但在青春期出现了明显的男性化表现（因佩拉托-麦金利等人，1974；沃尔什等人，1974）。这类疾病最初被称为假阴道会阴阴囊尿道下裂，后来被重新归类为5αR2型缺陷，其特点是血液中的睾酮水平正常，但DHT水平显著降低，这说明是睾酮的5α-还原功能出现选择性障碍，而非雄激素整体生成不足。这些病例确立了雄激素生物学中的一个核心原则：DHT是促进外生殖器和前列腺男性化的必需物质，而睾酮则足以推动沃尔夫管的分化以及青春期男性化的部分过程（威尔逊等人，1993）。该综合征还呈现出一个具有临床意义的特征：患病男性通常前列腺发育严重不全，且几乎不会患良性前列腺增生症。后来，人们对5αR生物学的进一步研究发现，此前被认为由单一酶介导的活性实际上是由多种同工酶共同完成的。由于缺乏合适的基因探针，相关研究长期进展缓慢，直到1989年，通过在非洲爪蟾卵母细胞中进行表达克隆，这一限制才被突破（安德森等人，1989）。这种方法从大鼠肝脏中获得了编码5αR的cDNA，随后通过与前列腺cDNA文库的交叉杂交，成功克隆出了人类对应的同源基因（安德森和拉塞尔，1990）。令人惊讶的是，患有假阴道会阴阴囊尿道下裂的患者的该基因并无异常（詹金斯等人，1992），这意味着最初的克隆酶无法解释这种发育障碍，因此存在另一种功能上不冗余的同工酶。这一假设随后通过另一基因的发现得到了证实（安德森等人，1991）。这两个不同的基因被命名为SRD5A1和SRD5A2，分别对应两种主要的5αR同工酶5αR1和5αR2。后续研究进一步揭示了这两种同工酶在生化特性和功能上的差异，包括对抑制剂的敏感性、最适pH值、动力学性质、发育调控机制以及组织分布等方面的不同（詹金斯等人，1992；拉塞尔和威尔逊，1994；西尔弗等人，1994；蒂格彭等人，1993a、1993b）。这些发现也使得5αR抑制成为降低DHT依赖组织中局部雄激素水平的合理策略。20世纪80年代末，默克公司研发出了优先抑制5αR2的非那雄胺（戈姆利等人，1990；里特马斯特等人，1989；斯托纳，1990），以及双重抑制作用的度他雄胺（克拉克等人，2004；罗尔伯恩等人，2002），这两种药物随后被用于治疗良性前列腺增生症和雄激素性脱发。卢西亚诺·马蒂尼在神经内分泌类固醇代谢领域的研究进一步拓展了人们对5αR生物学的认识。他的研究表明，大脑和垂体并非仅仅是循环类固醇的作用靶点，本身也是类固醇局部转化的场所。在大鼠的下丘脑和垂体前叶中，睾酮会被代谢为DHT及相关5α-还原产物（马萨等人，1972），这为神经内分泌组织中的5α-还原作用提供了早期证据。这一概念后来被扩展到整个中枢神经系统，人们在多个脑区都发现了5αR活性，且该活性在白质和纯化的髓鞘中尤为丰富（切洛蒂等人，1987；梅尔坎吉等人，1988）。因此，中枢神经系统中的5α-还原可以被视为一套局部的类固醇生成系统，它能够影响神经类固醇的生成、神经传导以及机体的应激反应能力。在大脑中，5αR会将孕酮和脱氧皮质酮转化为5α-二氢孕酮和5α-二氢脱氧皮质酮，随后这些物质会经过3α-羟基化反应，生成具有神经活性的3α,5α-四氢孕酮（异孕酮）和3α,5α-四氢脱氧皮质酮。这一途径中的5α-还原步骤最早是通过在大鼠下丘脑中观察到的孕酮向5α-二氢孕酮的转化而被确定的（卡拉沃拉斯等人，1976）。后来，“神经类固醇”这一术语的提出，正式确立了大脑可以独立于外周内分泌器官合成类固醇代谢物的概念（鲍利厄，1998；科尔佩肖等人，1981）。由于异孕酮和3α,5α-四氢脱氧皮质酮是被证明具有强效正变构调节作用的GABA-A受体调节剂（马耶夫斯卡等人，1986），因此以5αR为驱动的神经类固醇生成过程就被视为抑制性神经传导的重要决定因素。另有研究发现，急性应激能够迅速升高大脑中的异孕酮和3α,5α-四氢脱氧皮质酮水平（巴尔巴恰等人，1996；珀迪等人，1991），而反复或慢性应激则可能扰乱这一反应机制（博尔托拉托等人，2011；董等人，2001；塞拉等人，2000），这些发现进一步表明5αR活性是调控应激反应的关键因素。在过去二十年中，越来越多的证据将5αR抑制剂与神经精神方面的不良反应联系起来，包括情绪和认知功能紊乱，而5αR依赖的神经类固醇生成受阻可能是其中的一种机制（欧威格，2012a；梅尔坎吉等人，2017；特雷什等人，2015）。相反，临床前和临床研究也表明5αRs可能具有治疗潜力，不过不同适应症的现有证据成熟度存在差异。抑制这些酶在物质使用障碍、冲动控制障碍、经前烦躁障碍以及多动症等领域显示出一定的疗效（布尔克等人，2024；马丁内斯等人，2016；帕巴等人，2011）。综合以上观察结果可以看出，5αRs不应被视为单纯的辅助类固醇代谢酶，而应是决定类固醇信号如何在不同组织和生理状态下被放大、引导或限制的调控节点。本篇综述汇总了目前关于中枢神经系统中5αR生物学功能的现有知识。首先，我们会介绍5αR家族的酶学特性和分子结构，重点阐述基因的组织方式、系统发育关系以及同工酶的趋同与分化现象（第2节）。接着，我们会探讨5αRs在各类主要类固醇生成通路中的代谢作用，包括神经类固醇和雄激素信号通路（第3节），以及它们对神经传导和应激反应的贡献（第4节）。随后，我们会回顾5αR抑制剂的药物学特性和毒理学特征，重点分析其神经精神方面的影响（第5节），并探讨其在各类精神疾病中的治疗潜力（第6节）。第7节将探讨5αR1和5αR2具有不同的、动态的且与性别相关的功能，其中5αR1负责维持男女都共有的持续基础水平的神经类固醇生成，而5αR2则在男性急性应激时参与阶段性异孕酮的生成，这一现象目前仅在男性身上观察到。最后，第8节将探讨基于同工酶差异的框架如何有助于阐明5αR抑制剂的行为效应，并帮助解决一些尚未解决的问题，比如不同性别在应对压力相关心理疾病时的易感性差异。

片段摘录：
酶学特性：如引言中所述，5αR[3-氧代-5α-类固醇4-脱氢酶（NADP+）；EC 1.3.1.22]能够催化Δ4-3-酮类固醇底物中Δ4双键在NADPH参与下的不可逆饱和反应，从而生成相应的5α-还原产物。该反应涉及对Δ4双键的立体特异性还原，即NADPH中的氢负离子转移到α面（平面下方）的C5位上（拉塞尔和威尔逊，1994）。整个反应可表示为：3-氧代-Δ4-类固醇 + 5αR。

依赖5αR的代谢通路：第2.1节中描述的5α-还原反应实际上是一系列不可逆的Δ4-3-酮类固醇转化反应，其生物学意义取决于底物类型、同工酶的分布以及细胞所处的环境。这类反应的底物范围很广：除了睾酮和孕酮之外，已知的底物还包括雄烯二酮、脱氧皮质酮、皮质醇和皮质酮（阿祖尼等人，2012；拉塞尔和威尔逊，1994）（见图2），此外还有醛固酮、17α-羟基孕酮、雄烯二酮等。

GABA能神经传导：第3.1节中定义的GABA能通路主要通过调节GABA-A受体发挥作用，是目前已知5αR活性影响大脑功能和行为的最为明确的途径。异孕酮和3α,5α-四氢脱氧皮质酮属于正变构调节剂，能在纳摩尔浓度下增强抑制性电流，在微摩尔浓度下直接作用于GABA-A受体；3α-二醇也能通过相同机制发挥作用，但效力较低。突触内的受体和突触外的受体受到的影响存在差异。

5αR抑制剂的药物学特征：如第1节所述，5αR抑制剂的临床药物学特征主要由非那雄胺和度他雄胺这两种已被批准用于治疗的4-氮杂类固醇化合物决定（见图9）。非那雄胺是一种从睾酮结构衍生而来的合成4-氮杂类固醇，因其具有抑制5αR的作用而被研发出来（乔治等人，1989；里特马斯特等人，1989）。1992年，美国食品药品监督管理局批准该药物以每天5毫克的剂量用于治疗良性前列腺增生症，此后……

靶向5αR依赖的神经类固醇信号在神经精神疾病中的作用：第4节中提出的机制框架为将5αR依赖的神经类固醇信号作为某些神经精神疾病的治疗靶点提供了合理的生物学依据，可通过抑制相关酶或调节异孕酮与GABA-A受体的相互作用来实现治疗目的。不过，除少数例外，目前支持其具有治疗作用的证据大多来自动物模型、病例报告、小型概念验证研究或探索性的药物流行病学分析，尚无大规模的临床研究证据……

5αR2在应激反应中的性别差异作用：前面的章节已经表明，这两种参与类固醇生成的5αR酶并非冗余的酶，而是分别调控神经类固醇信号、神经内分泌整合以及行为的两种功能各异的酶。本节将探讨一项近期非常重要的研究发现：5αR1负责维持男女都共有的持续神经类固醇生成基础水平，而5αR2则能在男性面临急性应激时促使阶段性异孕酮的生成，目前这种反应仅在男性身上被观察到（卡德杜等人，2025）。

未解问题与总结：第7节提出的框架构建了一种基于同工酶差异的脑部神经类固醇生成应激反应模型，即包含由5αR1维持的持续基础水平，以及由5αR2介导的、具有男性偏向的阶段性反应。这一区分或许能够解释两种同工酶在表达和调控上的差异、应激反应中异孕酮水平存在的性别差异、内化型和外化型心理疾病的性别偏向性分布，以及优先抑制5αR2的抑制剂所带来的不良副作用。由于目前相关证据仍……Marco Bortolato：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、资金筹集、概念构思。未引用的参考文献：Li等人，2022b；Livingstone等人，2000a。利益冲突声明：作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：M.B.是致力于研发神经类固醇疗法的SynaptONE公司的联合创始人兼科学总监，并持有该公司的股权。同时，M.B.还担任Relmada Therapeutics公司的有偿顾问，且是与神经类固醇疗法相关的专利及专利申请中的指定发明人。这些利益关系与……致谢：本研究部分得到了美国国立卫生研究院（NIH）的支持，包括国家精神卫生研究所（R01 MH104603和R56 MH130006）以及国家神经疾病与中风研究所（R21 NS125654）。资助方在稿件准备或决定投稿发表的过程中均未发挥作用。稿件内容完全由作者负责，不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。Giulia Braccagni|Caterina Branca|Marco Bortolato，美国佛罗里达州盖恩斯维尔市佛罗里达大学药学院细胞与系统药理学系。