1-1 人類濾泡刺激素之生理意義
1-1-1 製造與分泌
人類濾泡刺激素 (human follicle-stimulating hormone, hFSH) 為 一種刺激性腺組織的激素，分類上屬於促性腺激素 (gonadotropic hormone) 之一員。而在內分泌系統中，對於人類性徵與生殖生理扮 演著極其重要的地位。然而，提到 FSH 亦同時得介紹促性腺激素的 另一個成員：人類黃體生成素 (human luteinizing hormone, hLH) ，此 兩者除了同屬於醣蛋白激素家族 (glycoprotein hormone family) 的成 員外，生理上對於性腺的刺激亦有著相輔相成的密切關係 [1] 。
FSH 和 LH 皆由腦下垂體前葉的促性腺激素細胞製造和分泌。當 前 葉 組 織 的 促 性 腺 激 素 細 胞 上 之 促 性 腺 激 素 釋 放 素 受 體 (gonadotropin-releasing hormone receptor, GnRH receptor) 接 受 到 GnRH 訊息之後經由細胞內一連串的訊息傳遞路徑傳遞到細胞核 內，使得促性腺激素細胞最終轉譯出FSH 和 LH，再分泌至細胞外，
至於GnRH、FSH 和 LH 等激素之調控關係將在下一小節詳加討論。
1-1-2 回饋調控 (Feedback control)
人體內性腺相關激素的調控錯綜複雜，不但彼此間有著垂直的直 系關係，甚至接受到訊息後的性腺所分泌的蛋白質產物更會回饋影響 到下視丘和腦下腺前葉細胞的分泌，如此之關係交織成一個環環相扣 的性激素調控網。
圖1. 女性生理之性激素調控網
以女性生理為例，圖1 清楚地說明了整個性激素調控關係 [2] ， 首先下視丘細胞產生GnRH，GnRH 再由下視丘細胞分泌出去經由細 胞軸索釋放到位在第三腦室底層的中間高地，然後藉由連接中間高地 與腦下垂體的莖內血流運送到腦下垂體，正向刺激腦下垂體前葉的促 性腺激素細胞製造和分泌FSH 和 LH。
其兩者經由血液運送到性腺組織-卵巢或睪丸。在女性卵巢中，
FSH 和卵巢顆粒細胞 (Granulosa cells) 上的 FSH 受體結合，而 LH 則 和卵膜細胞 (Theca cells) 上的受體結合，藉由訊息傳遞分別製造出
雌性素 (estrogen) 、黃體素 (progesterone) 和抑制素 (inhibin)。當此 三者被分泌至血液中的濃度偏高時便會反向抑制下視丘和腦下腺前 葉細胞對於GnRH、FSH 和 LH 的製造，值得注意的是抑制素的負調 控 主 要 作 用 於 FSH 上 ， 此 種 調 控 關 係 即 為 負 回 饋 調 控 系 統 (negative-feedback regulatory system) [3-5] 。
1-1-3 對於女性的生理功能
FSH 在女性生理上有兩點重要功能：第一點是藉由 LH 作用於卵 膜細胞產生雄性素 (androgen) 後，FSH 作用在卵巢顆粒細胞上隨之 轉譯出芳香酶 (aromatase) ，此酵素能透過一連串的轉化反應使得雄 性素轉變成雌性素，此一連串的體內化學反應則稱為類固醇生成作用
（steroidogenesis） 。雌性素又稱為動情素，直接刺激女性生殖器官 的成熟和第二性徵的發育，圖2 說明了類固醇生成作用的詳細反應流 程 [6] 。
第二點即為促進生殖腺體產生卵子，FSH 刺激排卵前卵巢濾泡的 成熟和發育，另一方面 LH 則在引發排卵和濾泡轉化成黃體方面扮演 相當重要的角色 [7] 。大約每隔 28 天，FSH 及 LH 促使卵巢內新的 濾泡開始生長，直到週期的第 14 天開始排卵，濾泡早期生長階段會 分泌雌性素。排卵之後，留在卵巢內破裂濾泡的顆粒細胞在 LH 的刺 激下會轉變成黃體，這過程稱為黃體化 (luteinization) 。黃體可分泌 大量黃體素，其又稱為助孕素，主要功能為刺激子宮內膜的腺體分泌 子宮乳液 (uterine milk) 以作為卵子著床的準備，且同時促進乳房分 泌性組織的發育 [8]。
圖 2. 類固醇生成作用（steroidogenesis）主要反應路徑圖
1-1-4 對於男性的生理功能
在男性生理上，LH 與睪丸中 Leydig 細胞上的 LH 受體結合而合 成分泌出睪固酮 (Testosterone) ，其功能可促使男性生殖器官的生長 和第二性徵的發育。此外，睪固酮與接受到 FSH 刺激訊號的 Sertoli 細胞一起共同合作，促進精子生成 (spermatogenesis) 。Sertoli 細胞 作為支持作用，由曲細精管上皮基部一直延伸到曲細精管的管腔中。
精細胞會附著於 Sertoli 細胞上，此時 Sertoli 細胞提供精細胞營養物 質、激素和促使精細胞轉變所需要的酵素，並移除精細胞轉換為精蟲 時多餘的細胞質，以製造良好之精子 [9] 。
1-2 結構特性與訊息傳遞
1-2-1 醣蛋白激素家族
如同前面所提，FSH 屬於醣蛋白激素家族的一員，此家族共有四 個成員：濾泡刺激素 (FSH) 、黃體生成素 (luteinizing hormone, LH)、
甲狀腺刺激素 (thyroid-stimulating hormone, TSH）和絨毛膜促性腺激 素 (chorionic gonadotropin, CG) 等 [1] 。此四者同為 α/β 異質雙體 (α/β heterodimer) 之組成，其結構由 α- 和 β-次單元體經由非共價鍵 結合而成，α-次單元體部分皆相同 [10] ，位於人類第六對染色體：
6q12→q21 [11] ；而 FSH 的 β-次單元體位於人類第十一對染色體：
11p11.2→11pter [12] ，雖然醣蛋白激素家族的 α-次單元體部分皆相 同，但是β-次單元體卻完全不一樣，因此具有生物活性專一性指標。
在醣蛋白激素家族中，此兩個次單元體的多胜肽組成皆由一段訊 息胜肽 (signal peptide) 加上成熟胜肽 (mature peptide) 所構成。以 FSH 為例，其 α-次單元體由一段 24 個胺基酸的訊息胜肽加上 92 個 胺基酸的成熟胜肽所組成 [13] ，其中 Asn52 和 Asn78 為 N-連結之 醣基化位置 (N-linked glycosylation sites) ；FSH β-次單元體則是 18 個胺基酸的訊息胜肽加上 111 個胺基酸的成熟胜肽 [12, 14] ，其中 Asn7 和 Asn24 為 N-連結之醣基化位置，圖 3 為 FSH α- 和 β-次單元 體的多胜肽鏈一級結構圖，可明顯看出 FSH 的胺基酸組成和醣基化 位置，此外更可觀察到 FSH α-次單元體有五個分子內雙硫鍵，而 β-次單元體則由六個分子內雙硫鍵折疊而成 [15] 。
在哺乳動物腦下垂體前葉的促性腺激素細胞裡，α、β-次單元體 之mRNA 先轉譯出次單元體前趨物 (precursor) ，即是先前所提的訊 息胜肽加上成熟胜肽之組成。訊息胜肽為疏水特性，位於前趨物的 N 端，其與內質網的膜融合之後便把整段前趨物帶入內質網內，接著內 質網中的訊息胜肽酶 (signal peptidase) 便將訊息胜肽切除，成熟胜肽 在內質網開始進行一連串的醣化作用 (glycosylation) ，之後經由高基 氏體再修飾後，α、β-次單元體雙體化 (dimerization) 成為一個完整的 四級結構異質雙體FSH，而被分泌至胞外 [16] 。
圖3. hFSH α- 和 β-次單元體的多胜肽鏈序列
1-2-2 FSH 結構與受體鍵結關係
2001 年，Fox 團隊以 3.0 Å 解析度 (resolution) 解出了人類濾泡 刺激素 βThr26Ala 突變體的晶體結構，這也是最早探討 hFSH 3D 立 體圖的文獻 [17] 。由圖 4 可看出 FSH 中，α、β-次單元體兩者非共
價結合之關係，Fox 團隊以桿狀病毒 (baculovirus) 感染 Hi5 昆蟲細胞 的表現方式重組出濾泡刺激素 βThr26Ala 突變體，利用改變 βThr26 的位置以去除βAsn24 的醣基化，如此之設計不但不會降低 FSH 訊息 傳遞功能和受體結合力，更可增加結晶化過程 (crystallization) 的蛋 白質合適性。
圖4. hFSH 完整折疊結構的彩色與灰階示意圖 [17]
而在2005 年，Fan 和 Hendrickson 進一步以 2.9 Å 解析度解出了 hFSH 和其受體之胞外激素鍵結區域 (extracellular hormone-binding domain) 結合的晶體構造，其結合方式就像是雙手相互緊扣著彼此 (圖 5) 。此激素-受體複合物的干擾值相當高 (2,600 Å2) 且有著高電 荷密度，此模型可通用在其它三個醣蛋白激素家族上 (LH、TSH 和 CG) ，但是其鍵結專一性完全建立在共同的 α-次單元體和激素專一
α52 α78
β7
的 β-次單元體兩者本身之結合。當 FSH 與受體結合之後會經歷 FSH 結構上的改變，伸出突狀的環型構造進而牽連著受體的活化。Fan 和 Hendrickson 還觀察到 FSH-受體複合物會形成同質雙體 (homodimer) (圖 6) ，且在蛋白質溶液中佔了極高濃度的比例，這可能扮演著其穿 膜結構的訊息傳遞角色 [18] 。
FSH 受體包含兩個各約為 330 個胺基酸的區域：N’端胞外激素鍵 結區域 (N-terminal extracellular hormone-binding domain) 和膜相關 內區域 (membrane-associated endodomain) ，其中膜內區域包括了三 個外露的環狀結構 (exoloop) 和七個穿膜螺旋結構 (transmembrane helice) (圖七) [19] 。當 FSH 與胞外激素鍵結區域產生高親和力結合 之後進一步導致膜內區域的活化，其中最重要的是第三個外露環狀結 構區域能與FSH 互動產生一連串的活化作用 [20] 。
圖5. FSH-受體複合物晶體之緞帶示意圖。圖 5-a 和 5-b 為縱向 旋轉90°之視野。FSH α 鏈、FSH β 鏈和 FSHR 各分別以綠 色、天藍色和紅色顯示。
圖6. FSH-受體複合物形成同質雙體 (homodimer) 及其鍵結後活化之過程
圖7. FSH 受體一級結構圖
1-2-3 訊息傳遞
FSH 與其受體結合之後會產生一連串複雜的訊息傳遞路徑，圖 8 為FSH 整體訊息傳遞路徑圖 [21] 。首先 FSH 鍵結到 FSH 受體上，
造成伴隨著受體的 G 蛋白 (G-proteins) 活化 adenylate cyclase (AC) 因而增加胞內cAMP 的量。在 Sertoli 細胞內，多數的因子可被 cAMP 進一步活化，這其中包含了可磷酸化胞內的一些蛋白質之 PKA 蛋 白，cAMP 也調控了轉錄因子的表現與活化，例如 CREB 因子。FSH 也藉由cAMP 和 PKA 修飾了 Ca2+通道的表面而造成Ca2+進入Sertoli 細胞，也因為如此而導致細胞的去極化 (Depolarization) 。Ca2+濃度 的提高可活化calmodulin 和 CaM kinases，它們對於 CREB 的磷酸化 有潛在的影響 [22, 23] 。
在青春期時，經由cAMP 與 guanine nucleotide exchange factors (GEFs)的交互影響和 Ras-like G 蛋白的活性化，FSH 因而活化 MAP kinases 的一系列催化反應和 ERK。ERK 能夠活化包括 SRF、c-jun 和 CREB 等的轉錄因子 [24, 25] 。至於顆粒細胞中，FSH 也活化了 p38 MAP kinase [26] 。在顆粒細胞的研究當中因此鑑定出 Forkhead 轉錄 因 子 (Forkhead) 、SGK (glucocorticoid-induced kinase) 和 GSK-3 (glycogen synthase kinase-3)，它們皆作為 PI3-K 系列反應的下游目標 蛋白質。FSH 也間接誘導了 PLA2 和花生酸 (arachadonic acid) 的釋 放 [27] 。
圖 8. FSH 訊息傳遞路徑圖
1-2-4 醣基支鏈之組成
醣基支鏈之主要組成為寡醣單元體 (oligosaccharide) ，當轉譯後 的 α、β-次單元體多胜肽進入到內質網中，便開始一連串的醣基化作 用。醣蛋白激素的 N-連結寡醣支鏈 (N-linked oligosaccharide chain) 具有相同之核心單醣部分，包括了兩個 N-acetylgulcosamine 和三個 mannose 殘基 [28] (圖 9) 。各物種間的醣基支鏈有著相同的核心部 分，但因為後修飾過程中進到內質網和高基氏體中的單醣並不相同，
故尾端殘基常有所改變，形成數種異構物 (isoform) 。
圖 9. 部分羊、牛和人類腦下垂體 FSH 中被發現的 N-連結寡醣支鏈
1-2-5 醣基支鏈之重要性
到底醣基支鏈在整個醣蛋白激素裡扮演著何許功能？這一直是 科學家們深感興趣的地方。因此綜合相關文獻後對於醣基的重要性大 致上可就訊息傳遞活性 (signal-transducing activity) 和受體鍵結親和 力 (receptor-binding affinity) 兩大部分詳加討論。在絕大多數研究 FSH 醣基功能的文獻中，皆說明了 FSH α-次單元體 Asn52 的角色對
到底醣基支鏈在整個醣蛋白激素裡扮演著何許功能？這一直是 科學家們深感興趣的地方。因此綜合相關文獻後對於醣基的重要性大 致上可就訊息傳遞活性 (signal-transducing activity) 和受體鍵結親和 力 (receptor-binding affinity) 兩大部分詳加討論。在絕大多數研究 FSH 醣基功能的文獻中，皆說明了 FSH α-次單元體 Asn52 的角色對