WE14 l 2021 l 19-3 编译：陈康
要点 睾丸对以下过程至关重要： 男性性腺功能减退是一种临床综合征，由睾丸未能产生足够量的睾酮(雄激素缺乏)和精子引起，或由单独的精子发生障碍引起。 雄激素缺乏的后果因性发育阶段而异。 成人中，它引起性功能障碍、男性乳房发育症、不育以及对健康有不利影响的身体组成、肌肉质量和强度以及骨密度和强度的变化。男性性腺功能减退很常见，但诊断应仅针对有雄激素缺乏症状和体征且血清睾酮浓度持续偏低、且不存在暂时性抑制睾酮情况的。 在血清总睾酮浓度低伴有改变性激素结合球蛋白的情况下，准确评估血清游离睾酮是有价值的。
睾丸受经典的正反馈和负反馈机制控制(图6)。睾丸功能的主要阳性调节因子是LH和FSH，由垂体前叶合成并分泌。LH和(在较小程度上)FSH的分泌是脉冲性的，主要由下丘脑神经元间歇性释放GnRH驱动。在男性中，GnRH每90-120分钟刺激垂体前叶(促性腺激素)的促性腺激素生成细胞分泌LH和FSH。
下丘脑促性腺激素释放激素(GnRH)刺激垂体产生黄体生成素(LH)和卵泡刺激素(FSH)。LH刺激睾丸的(实线)Leydig细胞(间质细胞)产生睾酮(T)，睾酮被积极代谢为雌二醇(E2)和双氢睾酮(DHT)，分别与雄激素受体(AR)和雌激素受体(ER)相互作用，产生多种直接和间接的雄激素作用。FSH刺激睾丸的支持细胞（Sertoli细胞），支持细胞与LH刺激的睾酮一起增加精子发生。LH刺激的睾酮和E2对下丘脑的GnRH产生和垂体的LH和FSH产生产生负反馈抑制(虚线)，FSH刺激的抑制素B对垂体的FSH分泌产生负反馈抑制。 Endocrinology
and Metabolism. 4th ed. New York, NY: McGraw-Hill; 2001:635–705 LH作用于睾丸的Leydig细胞，刺激睾酮(雄性中主要的性类固醇激素)的产生。睾酮与FSH协同作用，局部作用于睾丸生精小管内的支持细胞，启动和维持精子发生。分泌到循环中的睾酮几乎对身体的每一个组织都起到介导和促进雄激素作用的效应，包括对垂体LH和FSH分泌的负反馈抑制(主要通过转化为雌二醇)和对下丘脑GnRH产生的抑制。FSH刺激支持细胞产生抑制素B，这是一种肽类激素，会对垂体前叶的FSH分泌造成负反馈抑制。了解下丘脑-垂体-睾丸轴对于了解睾丸疾病的原因、分类、鉴别诊断、临床后果和治疗至关重要。
大脑在睾丸和生殖功能的调节中起着至关重要的作用，通过主要位于内侧基底下丘脑弓状核的相对少量的神经元产生十肽/ decapeptide (促性腺激素释放激素/GnRH)。GnRH从正中隆起的轴突终末游离到下丘脑垂体门静脉系统的毛细血管中，通过毛细血管被带到垂体前叶，刺激LH和FSH的合成和释放。与所有下丘脑营养/刺激激素一样，门静脉血中的GnRH浓度较低。因此，外周血中的GnRH浓度非常低，无法用于临床检测(如诊断GnRH缺乏)。许多分离的GnRH神经元同步幕式释放GnRH进入垂体门静脉系统以提供垂体促性腺激素脉冲刺激的确切机制尚不清楚。有证据表明，脉冲产生是GnRH或内侧基底下丘脑内侧GnRH神经元上突触的其他神经元(如含有kisspeptin或兴奋性或抑制性神经递质的神经元)的内在周期性的直接结果。GnRH脉冲分泌的频率与LH、游离α-亚单位(与完整促性腺激素共同分泌)和FSH的间歇性释放在时间上相关。由于LH和游离α-亚单位在循环中的半衰期比FSH短，LH和α-亚单位的浓度呈现分离的脉冲，这在频繁采血时(例如，每10分钟一次，持续12-24小时)体现明显，而FSH脉冲则不明显。LH或游离α亚单位脉冲的频率反映GnRH脉冲频率，可作为脑中GnRH神经元同步活动(脉冲产生)的指标。LH或游离α亚单位脉冲的幅度反映了GnRH脉冲的幅度和促性腺激素细胞对GnRH刺激的反应性。正常男性通常在24小时内表现出12-16个不同幅度的LH脉冲(图7)。在GnRH缺乏症(先天性低促性腺激素性性腺功能减退症/CHH，也称为特发性低促性腺功能减退症/IHH)的男性中，存在LH脉冲缺失(最常见)或LH脉冲异常。图7 正常男性(A)和特发性促性腺激素分泌缺乏男性(B–D)黄体生成素(LH)内源性脉冲性分泌，每20分钟采血一次，持续24小时进行评估。 
在正常男性(A)中，LH离散脉冲(*)大约每2小时出现一次，反映下丘脑GnRH的脉冲释放，并刺激正常成人睾酮浓度(T)。大多数特发性低促性腺激素性性腺功能减退(B)的男性未表现出可检测到的LH脉冲，且具有青春期前睾酮浓度。其他患者主要表现为睡眠期LH脉冲幅度降低，在清醒时无明显LH脉冲(C)，或在整个睡眠期和清醒时LH脉冲幅度降低(D)，分别表现为青春期或青春期前睾酮浓度。 ER 1986;7:11–23 使用低剂量脉冲GnRH治疗GnRH缺乏男性可使LH和FSH分泌及睾丸功能正常化。相反，在这些男性中，持续低剂量GnRH给药不能刺激正常的促性腺激素分泌。给予强效GnRH受体激动剂，对垂体提供持续高剂量GnRH刺激，最初表现出刺激但随后下调并强烈抑制促性腺激素分泌和睾酮的产生。这种效应是使用强效GnRH激动剂对晚期前列腺癌患者进行药物去势(雄激素剥夺治疗)的基础。这些发现强调了脉冲GnRH控制男性生殖功能的极端重要性。GnRH神经元接受来自其他脑区(如kisspeptin神经元)的许多兴奋性和抑制性输入，以及来自睾丸的反馈信号和其他循环内分泌信号。因此，GnRH神经元系统在生殖和睾丸功能调节中发挥重要的整合作用。一大群复杂的神经调节因子介导GnRH分泌，直接作用于GnRH神经元自身或间接作用于其他神经元，进而调节GnRH神经元刺激或抑制GnRH分泌。这些中枢神经系统(CNS)神经调节系统与外周内分泌调节因子共同提供了GnRH分泌和睾丸功能可能因环境因素(如应激(如通过促肾上腺皮质激素释放激素、糖皮质激素))、营养损害(如通过瘦素)和药物(如阿片类药物)而改变的途径。在胚胎发生期间，GnRH和嗅觉神经元起源于嗅基板内的CNS外，并一起沿着嗅觉轴突通过筛骨的筛状板迁移到嗅球，在那里GnRH神经元分叉并继续迁移到内侧基底下丘脑【Front Neuroendocrinol. 2011;32(1):43–52】。嗅球发育和这些神经元迁移的异常，解释了由于GnRH缺乏引起的CHH与Kallmann综合征患者中发生的嗅觉丧失或损伤(分别为嗅觉缺失或嗅觉减退)之间的关联。在GnRH神经元迁移和胚胎发育中起重要作用的基因会发生功能丧失突变，如Kallmann综合征1 (ANOS1)、KAL2(现在称为成纤维细胞生长因子受体1/FGFR1)和前动力蛋白受体2(prokineticin受体2)及其配体prokineticin 2 (PROK2)的基因。同样，在GnRH神经元调节中起重要作用的基因可能会遭受功能丧失突变；例子包括：- kisspeptin
1受体(KISS1R/原称为GPR54)及其配体kisspeptin
1的基因(KISS1)，也称为metastin；
- 神经激肽B(速激肽3)受体(TACR3)及其配体(TAC3)；
- 促性腺激素释放激素受体(GNRHR)及其配体(GnRH)。
所有这些缺陷都会导致与青春期发育受损相关的孤立性GnRH缺乏，通常伴有嗅觉缺失或嗅觉减退或其他形态学缺陷【Eur J
Endocrinol. 2010;162(5):835–851】。
从下丘脑释放到垂体门静脉系统的GnRH与垂体前叶促性腺激素上G蛋白偶联的GnRH受体结合【Front Neuroendocri-nol.
2010;31(3):322–340】。在人类中，GnRH受体主要与Gq/11蛋白偶联，后者激活磷脂酶C-β产生1，2-二酰基甘油和肌醇1，4，5-三磷酸(IP3)。二酰基甘油激活蛋白激酶C (PKC)，IP3动员细胞内钙，与钙结合蛋白钙调素结合。PKC和钙调素依赖性激酶均磷酸化并激活多种转录因子，导致促性腺激素亚单位LHβ、FSHβ和共同α亚单位合成增加，完整LH和FSH及游离α亚单位释放到循环中。GnRH受体也可能与Gs蛋白偶联，后者激活蛋白激酶A (PKA)，导致促性腺激素的合成和释放。LH和FSH，以及另一种垂体前叶激素促甲状腺激素(TSH)和胎盘激素hCG，是糖蛋白激素家族的成员。糖蛋白激素为异二聚体，其中一个常见的α亚基与一个独特的β亚基非共价连接；这种结构赋予它们结合其同源受体的能力和它们的生物学特异性。在垂体促性腺激素中，共同的α-亚基以及LHβ-和FSHβ-亚基是不同基因合成的产物，并受到不同的调控。在亚基合成后，α-亚基与LHβ-或FSHβ-亚基非共价结合。翻译后，异源二聚体发生不同的糖基化，其中寡糖链(聚糖)共价连接到特定氨基酸，导致LH和FSH分子具有高程度微异质性(即，许多LH和FSH异构体的特征在于糖基化模式不同)。促性腺激素α亚单位的生成量高于LHβ和FSHβ亚单位；它也是糖基化的，游离α亚单位与LH和FSH共同分泌到循环中。许多无功能和分泌促性腺激素的垂体腺瘤向循环中分泌过量的游离α亚单位。促性腺激素和其他糖蛋白激素的糖基化程度会改变从循环中的清除率以及受体结合后的信号转导，从而影响其在体内的生物活性。促性腺激素在循环中的半衰期随着糖基化程度的增加而增加:hCG > FSH > LH >游离α亚单位。在人类中，LH的初始消失半衰期约为40分钟，次级消失半衰期约为120分钟；对于FSH，此两个期分别约为4小时和70小时【Clinl Endocrinol. 1988;29(2):189–194；JCEM 1970;30(3):325–329】。LH和FSH糖基化的变化导致循环促性腺激素亚型之间存在显著的微异质性，这些亚型的半衰期和生物活性不同，可能会因特定生理条件(如青春期、衰老和雄激素剥夺)而改变。临床上，使用识别促性腺激素分子上两个独立表位的单克隆抗体，通过快速、非放射性、高度灵敏的免疫测定法测定血清LH和FSH浓度。在评估性腺功能减退男性患者时，必须进行促性腺激素测定，以区分原发性睾丸疾病(原发性性腺功能减退，其中促性腺激素偏高)与继发性下丘脑或垂体疾病(继发性性腺功能减退，其中促性腺激素偏低或正常)。游离α亚单位的特异性免疫测定用于诊断和监测无功能和促性腺激素分泌型垂体腺瘤患者。
循环LH与Leydig细胞表面的LH和hCG(称为LHCGR)G蛋白偶联受体结合，导致受体聚集和构象变化，从而激活Gs蛋白。Gs蛋白反过来主要导致PKA的环磷酸腺苷(cAMP)依赖性激活【ER 2002;23(2):141–174.】。激活的PKA会增加调节类固醇生成和睾酮生物合成的蛋白的产生(图8)。由LH刺激的PKA调节的主要蛋白如下:- 类固醇生成急性调节蛋白(StAR)，一种调节胆固醇从线粒体外膜向线粒体内膜转移的转运蛋白——类固醇生成的限速步骤
- 线粒体内膜内的细胞色素P450同功酶11A1 (P450 11A1)，也称为胆固醇侧链裂解酶，催化由StAR蛋白递送的胆固醇转化为孕烯醇酮——甾体生成中的第一个也是限速酶促步骤
- P450 17A1，也称为内质网中的17α-羟化酶/17，20-裂解酶，对孕烯醇酮转化为17α-羟基孕烯醇酮(睾酮生物合成的第二个酶促步骤)进行催化【ER 1988;9(3):295–318】。
在人类中，胆固醇是通过3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A (HMG-CoA)还原酶在Leydig细胞内由乙酸合成的，或来源于循环中的低密度脂蛋白(LDL)胆固醇。
胆固醇可以在Leydig细胞内由乙酸酯从头合成，也可以由胆固醇酯或循环胆固醇的水解产生。胆固醇通过类固醇生成急性调节蛋白(StAR)转运到线粒体内膜。在那里，它被胆固醇侧链裂解酶P450 11A1
(CYP11A1)转化为孕烯醇酮。人睾丸中睾酮的生物合成主要通过内质网中的Δ5途径进行，其中孕烯醇酮通过17α-羟化酶/17，20裂合酶P450 17A1 (CYP17)转化为17-羟基孕烯醇酮，然后转化为脱氢表雄酮(DHEA)，再通过17β-羟基类固醇脱氢酶3型(17β-HSD3或HSD17B3)转化为雄烯二醇，随后通过3β-羟基类固醇脱氢酶II型(3β-HSDII)转化为睾酮。在Δ4途径中，孕烯醇酮依次转化为17-羟基孕酮、雄烯二酮和睾酮。 Williams Textbook of Endocrinology,
11th ed. Philadelphia, PA: Elsevier; 2008:645–698 临床上，LHCGR的罕见失活突变会导致Leydig细胞发育不良，导致男性生殖器发育受损和46，XY性发育障碍(46，XY DSD，以前称为男性假两性畸形；见公众号内其他内容)，这是由于胎儿发育期间睾丸激素分泌不足所致【Endocr Dev.
2013;24:25–32】。罕见的LHβ突变会导致正常男性青春期发育失败，伴有小阴茎，但在出生时生殖器发育正常，有证据表明，在胚胎发育期间，男性性分化不需要正常的内源性LH分泌，并且胎儿睾丸间质细胞对睾酮产生的hCG刺激是主要驱动力【NEJM 2004;351(25):2619–2625】。在家族性性早熟(睾丸毒症/testotoxicosis)男孩中发现了LHCGR激活突变【Endocrinol Rev. 2005;3(2):77–86】。用于治疗高胆固醇血症的HMG-CoA还原酶抑制剂(他汀类)对血清没有显著影响在人睾丸中，由LH刺激的胆固醇向线粒体内膜转运后，通过CYP11A1将胆固醇转化为孕烯醇酮，通过CYP17A1将孕烯醇酮转化为17α-羟基孕烯醇酮。睾酮生物合成随后通过内质网中一系列进一步的酶促步骤进行，起始通过Δ5类固醇生物合成途径(见图8)。P450 17A1的17，20-裂合酶(裂链酶/desmolase)活性催化17α-羟基孕烯醇酮进一步转化为DHEA。然后，DHEA被17β-羟基类固醇脱氢酶3 (17β-HSD3或HSD17B3)转化为Δ5-雄甾烷二醇。DHEA和Δ5-雄甾烷二醇分别被酶3β-羟基类固醇脱氢酶/Δ5-4异构酶2
(3β-HSD2或HSD3B2)转化为Δ4类固醇、Δ4-雄甾烷二酮和睾酮。早期的类固醇前体孕烯醇酮和17α-羟基孕烯醇酮也可能通过HSD3B2分别转化为孕酮和17α-孕酮，然后沿Δ4途径进入睾酮合成。然而，在人睾丸中，Δ5途径是睾酮生成的主要类固醇生物合成途径。睾酮可在睾丸中分别通过芳香化酶(P450 19A1)和类固醇5α-还原酶1型(SRD5A1，睾丸中发现的主要异构体)转化为活性代谢产物雌二醇和DHT。睾酮生物合成酶突变导致性分化异常和不同程度的46，XY DSD，这取决于雄激素缺乏的严重程度。睾酮是睾丸产生的主要雄激素。人类睾酮的平均分泌速率约为7000μg/d。睾丸还分泌大量但数量较少的17α-羟基孕酮、孕烯醇酮、Δ4-雄烯二酮和孕酮。睾丸分泌的雌二醇(约10μg/天)或DHT(约69μg/天)很少 (图9)【JCEM 1977;45(1):16–24】。
假设睾酮分泌速率为7000μg/24h，并使用以下公式，根据睾酮和其他类固醇在睾丸上的动静脉(AV)差异计算分泌速率:分泌速率=假定睾酮分泌速率/睾酮AV差异×相关类固醇的AV差异。睾酮(T)是睾丸分泌的主要类固醇；分泌的17-羟基-孕酮(17-OHP)、孕烯醇酮(Δ5P)、雄烯二酮(Δ4A)、孕酮(P)和双氢睾酮(DHT)的量也低得多。 JCEM
1977;45:16–24 对LH脉冲刺激的反应是，睾酮经外分泌进入精索静脉，然后进入全身循环。然而，睾酮脉冲不太离散，振幅相对较低，仅在80-120分钟的滞后时间后与LH脉冲一致，这表明Leydig细胞对LH刺激的反应相对迟缓【JCEM 1987;65(5):929–941】。除这种亚昼夜（ultradian）节律性变化外，青年男性中的睾酮浓度还表现出昼夜节律性变化，其特征为最大释放为140 ng/dL，峰值睾酮浓度出现在大约上午8点，最低点浓度出现在晚上8点。老年男性中睾酮浓度的昼夜节律性变化减弱，但仍存在，最大释放为60 ng/dL。清晨对hCG (LH样)刺激的睾酮反应大于晚上，这表明Leydig细胞反应性的昼夜变化可能导致睾酮浓度的昼夜变化。睾酮浓度的亚昼夜变化和昼夜变化均导致个体内睾酮检测值的可变性；这种情况与测定方法的可变性一起，强调了在对具有男性性腺功能减退临床表现的患者进行临床评估期间重复睾酮检测的重要性。INSL3是松弛肽素家族中的一种肽激素，由Leydig细胞产生并分泌到循环中。INSL3的血清浓度反映了Leydig细胞的数量和分化状态。在青春期，LH诱导睾丸间质细胞增殖、分化和INSL3的产生。血清INSL3浓度在青春期逐渐升高，在约18岁时达到成人浓度，并在35-40岁期间保持稳定，之后随着年龄的增长而稳步下降。无睾症和双侧睾丸切除术的男性(其中不存在Leydig细胞)以及由GnRH类似物或雄激素诱导的慢性促性腺激素抑制的男性，其INSL3浓度无法检测到或很低。在低促性腺激素性性腺功能减退症的男性中，检测不到INSL3浓度；在这些患者中，hCG (LH样)刺激可在72-96小时内增加血清睾酮浓度，但对INSL3浓度无刺激作用。然而，慢性hCG治疗(推测是由于长期LH样刺激诱导了Leydig细胞分化)使这些男性中睾酮和INSL3浓度均升高【JCEM 2005;90(6):3410–3418】。在单侧睾丸切除术的男性中，INSL3浓度介于双侧睾丸切除术的男性和正常男性之间，但睾酮浓度正常，支持了Leydig细胞数量对循环INSL3浓度的重要性。循环FSH与支持细胞表面G蛋白偶联的FSH受体结合，激活Gs蛋白，从而增加cAMP的产生【ER 1997;18(6):739–773】。cAMP随后激活PKA和其他信号转导蛋白(如磷脂酰肌醇3-激酶、磷脂酶A2、钙通道蛋白、丝裂原活化蛋白激酶/MAPK)。活化的PKA激活许多蛋白质，包括转录因子、cAMP反应元件-结合蛋白；这些蛋白又调节支持细胞蛋白的基因表达和生产，所述支持细胞蛋白在支持和调节生精小管内的精子发生中起重要作用。在啮齿动物中，支持细胞中FSH受体的表达随着精子发生阶段的不同而周期性变化，在XIII期至I期最高，在VII和VIII期最低。对支持细胞产物在人类精子发生中的确切作用了解甚少，认知来自主要从未成熟动物(主要是啮齿动物)中获得的支持细胞的研究。睾丸间质细胞局部产生的睾酮与支持细胞胞质中的细胞内ARs结合；配体结合的AR转运至细胞核，在细胞核中与雄激素应答元件结合，并与共调节蛋白相互作用，以调节基因表达和支持和调节精子发生的重要作用的支持细胞蛋白的产生。AR的表达也随精子发生阶段而周期性变化，在VII期最高，此时FSH受体表达最低【Endocrinology. 1994;135(3):1227–1234】。支持细胞的主要功能是【Horm Res.
2006;66(4):153–161】：(1)维持生精小管结构和分隔； (2)为发育中的生殖细胞和精子提供营养和生长因子； (3)转移、塑造和释放发育中的生殖细胞； (4)分泌生精小管液； (5)产生生殖激素。 血睾屏障由相邻支持细胞之间的基底紧密连接形成；这些用于将生精小管分隔成基底和腔室。区室化提供了一个环境，在这个环境中，发育中的生殖细胞受到保护，免受外部损伤和免疫系统。支持细胞产生许多连接复合体、结构和细胞外基质蛋白，如细胞粘附分子(如claudin 3，对支持细胞紧密连接的完整性特别重要)、钙粘蛋白、层粘连蛋白、I型和IV型胶原以及包括软骨素和肝素在内的蛋白聚糖。这些蛋白在维持生殖细胞发育的结构完整性和支持、形成血睾屏障、介导细胞间相互作用以及维持支持细胞极化分泌产物方面具有重要作用。血睾屏障虽然具有保护作用，但也能将发育中的生殖细胞与体循环中存在的营养物质、激素和生长因子隔离开来。支持细胞在产生精子发生正常进程和支持精子在生精小管腔内运输所需的重要营养物质、辅助因子和蛋白质方面发挥着重要作用。支持细胞产生丙酮酸并含有乳酸脱氢酶，乳酸脱氢酶催化丙酮酸转化为乳酸，乳酸是生殖细胞优选的能量底物。支持细胞产生的大多数蛋白是物质(如金属、维生素、鞘脂、雄激素、激素、生长因子)结合蛋白或转运蛋白，这些物质是生精小管内生殖细胞发育的辅因子和调节因子。- 鞘糖脂/glycosphingolipid结合蛋白；
- 硫酸化糖蛋白2，也称为簇蛋白/clusterin，一种具有其他生物活性的脂质结合蛋白；
- 卵泡抑素/follistatin，一种有效的激活素结合蛋白；
- 胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBPs):结合胰岛素样生长因子1型(IGF1)。
ABP是性激素结合球蛋白(SHBG)的睾丸同源物，是主要的循环ABP，由肝脏合成并由同一基因编码【Mol Cell Endocrinol.
2010;316(1):13–23】。基于对啮齿动物的研究，认为ABP在调节生精小管和附睾中的局部睾酮浓度方面发挥作用。然而，一项研究报告称，人SHBG蛋白在生殖细胞中表达，但在睾丸支持细胞中不表达，一种较小的SHBG亚型位于外顶体膜和精子质膜之间，并在获能过程中释放。这些发现表明SHBG/ABP在人和啮齿动物中的作用可能不同，并强调了从动物研究中推断结果的危险性。支持细胞还产生多种生长因子，如IGF1、碱性成纤维细胞生长因子、激活素A、转化生长因子-α (TGFα)和TGFβ、白细胞介素1α
(IL1α)和IL6、干细胞因子(c-KIT配体)、胶质细胞源性神经营养因子和多胺/ polyamines (腐胺/putrescine、精胺和亚精胺/spermidine)，它们都是干细胞更新、生殖细胞发育的旁分泌调节因子，Leydig细胞和管周肌样细胞发挥作用并作为自分泌调节因子。发育中生殖细胞的易位/Translocation、塑造和释放支持细胞主动将发育中的生殖细胞从基底部腔室移动通过腔室，并将精子从生精上皮释放到腔内(精子释放/spermiation)。在易位过程中，支持细胞通过吞噬和胞饮作用，去除退化的生殖细胞、晚期伸长的精子细胞(残留体)中残留的细胞质以及生精小管液和内容物。支持细胞产生蛋白酶和蛋白酶抑制剂(如睾蛋白/testibumin或硫酸化糖蛋白1、组织纤溶酶原激活剂、IV型胶原酶、半胱氨酸蛋白酶抑制剂，α2-巨球蛋白)，参与生殖细胞易位、退化生殖细胞的去除和精子形成。生精小管液在向生精上皮内发育中的生殖细胞递送营养物、在生精小管腔内运输调节因子和营养物以及将释放到生精小管腔内的精子运输到睾丸网、传出导管和附睾中起重要作用。支持细胞产生的激素对男性生殖分化和功能很重要。其中包括:- AMH，可导致苗勒管退化，阻止胚胎发生期间子宫和输卵管的形成；
- 抑制素B和激活素A，分别为肽类激素，参与FSH分泌的负反馈调节，并可能作为精子发生的旁分泌调节因子；
- 雌二醇，一种通过睾酮在未成熟的支持细胞中芳构化产生的强效雌激素。
在控制支持细胞功能和调节精子发生方面，FSH发挥直接作用，睾酮(由Leydig细胞响应LH分泌)发挥直接或间接(如通过刺激管周肌样细胞)作用。在经FSH处理的大鼠睾丸支持细胞、睾丸支持细胞特异性AR突变小鼠和经睾酮处理的GnRH突变小鼠中使用微阵列分析进行的基因表达分析研究，为深入了解直接受FSH和睾酮调节的特异性睾丸支持细胞基因提供了见解。然而，在人类中进行的研究睾丸支持细胞基因表达调节(特别是由FSH和睾酮调节)的类似研究尚未进行。如前所述，就睾丸功能而言，垂体分泌的促性腺激素、LH和FSH是主要的内分泌调节因子，Leydig细胞对LH刺激产生的睾酮是主要的旁分泌调节因子。然而，有证据表明(主要来自实验动物研究和使用动物分离睾丸细胞类型的体外研究)，睾丸中的睾丸间质、睾丸支持细胞和管周肌样细胞及巨噬细胞分泌其他旁分泌和自分泌因子，这些因子可能是睾酮和精子生成的重要调节剂。睾丸内旁分泌调节的最重要例子之一，是睾丸间质细胞局部产生的睾酮对支持细胞功能和精子发生的影响。有证据表明，睾酮对睾丸支持细胞功能和精子发生有直接影响，对管周肌样细胞ARs有间接影响。在GnRH和促性腺激素缺乏的hpg小鼠中，AR已在支持细胞中被特异性敲除，此类小鼠DHT治疗不能刺激精子发生，这表明刺激精子发生需要雄激素对支持细胞的直接作用【Endocrinology.
2010;151(5):2343–2348】。具有管周肌样细胞特异性AR基因敲除的动物表现出支持功能受损（即生精小管液和支持细胞雄激素依赖性基因表达减少）、无精子症和不育，而睾酮、LH和FSH浓度的改变不能解释这些现象【FASEB J. 2009;23(12):4218–4230】。这些发现表明，Leydig细胞产生的睾酮对支持细胞功能和精子发生调节的旁分泌效应，部分是由管周围肌样细胞和支持细胞之间雄激素驱动的相互作用介导的。尚不清楚这些基质-上皮细胞相互作用是否在人类中发生。目前关于睾酮以外的旁分泌和自分泌因子在调节人睾丸功能中的作用尚不明确。LH和FSH是人类精子发生的主要激素调节因子。FSH对精子发生的作用由对支持细胞的直接内分泌作用介导，而LH的作用由对睾丸间质细胞的作用介导，产生睾酮，睾酮又在睾丸内以旁分泌方式局部发挥作用，对支持细胞有直接作用，并可能通过支持细胞的管周肌样细胞调节产生间接作用。青春期开始精子发生所必需的促性腺激素需求，与成年人一旦开始精子生成就维持精子生成所需的促性腺激素需求不同【J Endocrinol.
2010;205(2):117–131】。通常，LH和FSH都需要在青春期启动精子发生。在青春期前促性腺激素缺乏的男性(如CHH)中，需要用LH (hCG)治疗来刺激睾丸内产生足够的睾酮，以支持精子发生和性腺附件(精囊和前列腺)的精液产生。然而，大多数此类患者还需要FSH治疗来启动和完成精子发生的第一波，并在射精中产生精子【NEJM 1985;313(11):651–655】。在一些促性腺激素不完全缺乏的男性中(通常有内源性FSH分泌的证据，例如睾丸体积较大)，仅LH治疗就足以启动和完成精子发生。在青春期前完全性促性腺激素缺乏的男性中，不含LH (hCG)的FSH治疗不能刺激精子生成，但在部分性促性腺激素缺乏的男性中可能就足够了。促性腺激素β亚基和受体的自然失活突变为LH和FSH在启动精子发生中的作用提供了一些见解。LHβ失活突变的男性通常缺乏青春期发育，精子发生停滞或无精子症并导致不育【NEJM2004;351(25):2619–2625】。然而，最近有报告称，LHβ突变导致部分活性LH分子(由少数成熟睾丸间质细胞中类固醇生成酶的表达和睾丸内睾酮浓度低证明)的男性精子发生完全且数量正常【NEJM 2009;361(19):1856–1863】。这一发现表明，在存在高血清FSH浓度的情况下，低浓度LH和睾丸内睾酮可启动完全的精子发生，就如此病例报告所呈现的。出现失活LH受体突变的男性存在不同程度的性分化受损或46，XY DSD，范围从不明确的生殖器到会阴阴囊尿道下裂（perineoscrotal hypospadias）和无精子症，但在这些男性中有许多人由于隐睾症的存在而混淆了精子生成缺陷【Endocr Dev. 2013;24:25–32】。最近，报告了一名LH受体出现部分失活突变的男性出现小阴茎、青春期延迟、血清睾酮浓度低和FSH浓度正常但双侧睾丸大小正常、睾丸下降和精子生成正常， 尽管精子浓度低(少精子症)。这一发现表明，在正常FSH浓度下，精子发生可能在LH活性和睾丸内睾酮极低的情况下启动。FSHβ失活突变的男性通常无精子症，睾酮低或低-正常，LH浓度高【NEJM 1998;338(24):1729–1732】。相反，据报告，有FSH受体失活突变的男性精子计数中-重度减少(但非无精子症)，睾酮正常，LH浓度正常-高【Endocr Dev. 2013;24:25–32】。有FSHβ与FSH受体突变的男性生精功能损害程度存在明显差异的原因不清楚。FSH受体突变男性中的残余受体功能可能导致持续的少量FSH信号传导，或者FSHβ突变男性具有更大的Leydig细胞功能障碍，其证据是导致精子发生更大损害者的LH和睾丸内睾酮血清浓度降低。总之，来自少数具有促性腺激素β亚单位和受体失活突变的男性报告的结果表明，在存在足够量的其他促性腺激素的情况下，精子发生第一波的启动可能只需要非常低浓度或活性的LH(睾丸内睾酮)或FSH。然而，在临床上，大多数青春期前促性腺激素缺乏的男性需要同时用LH和FSH治疗，以启动青春期的精子发生。由于FSH在睾丸发育过程中刺激支持细胞增殖和数量，因此在定量测定正常精子发生能力方面发挥着至关重要的作用。在青春期前促性腺激素缺乏的男性(如CHH)中，一旦开始使用LH
(hCG)和FSH治疗进行精子发生，单独使用LH治疗可以维持精子生成，无需继续给予FSH【NEJM 1985;313(11):651–655】。但是，在CHH患者中，联合使用FSH和睾酮(可维持正常的血清睾酮浓度，但LH和睾丸内睾酮浓度持续较低)不会刺激精子发生。在接受过促性腺激素治疗的CHH男性中，在与外源性睾酮替代治疗相关的促性腺激素缺乏一段时间后，可单独使用LH
(hCG)重新开始精子发生。此外，在成年后获得性促性腺激素缺乏和无精子症(如继发于垂体腺瘤)的男性中，单独使用LH (hCG)治疗可重新开始和维持精子发生【NEJM 1985;313(11):651–655】。在高剂量睾酮给药诱导的实验性促性腺激素缺乏症的正常男性中，尽管FSH浓度受到显著抑制，但仍可通过单独使用LH或hCG或通过单独使用FSH(尽管LH浓度受到严重抑制(推测睾丸内睾酮浓度较低))，重新启动和维持精子发生。然而，单独使用LH或FSH均不能刺激精子生成至实验性促性腺激素抑制前存在的基线浓度。在此促性腺激素缺乏模型中，LH (hCG)和FSH治疗均可使精子计数完全恢复至基线值。最后，为了支持FSH单独刺激精子产生的能力，在一名活化FSH受体突变的切除垂体的男性中，尽管血清促性腺激素浓度检测不到，但仍维持了精子发生。总之，这些发现表明FSH或LH的正常浓度足以维持质量上正常的精子生成，但两种促性腺激素对于人类男性的数量上正常的精子发生都是必需的。已在正常男性中研究促性腺激素对精子发生特定阶段的作用，通过给予高剂量孕激素和睾酮诱导实验性促性腺激素抑制。在这些促性腺激素缺乏的男性中，FSH或LH的选择性替代(睾丸内睾酮增加)支持了精子发生的所有阶段，包括精原细胞成熟、减数分裂、精子发生和精子形成，但每种药物在特定阶段都有主要作用【JCEM 2006;91(10):3962–3969】。FSH对精原细胞成熟(精原细胞Ap转化为精原细胞B)、早期减数分裂和粗线期精母细胞的维持(精原细胞转化为粗线期精母细胞)发挥了相对较大的作用。LH(刺激睾丸内睾酮)对减数分裂的完成(粗线期精母细胞向圆形精母细胞的转化)和精子形成(成熟精子的释放)有显著影响。LH和FSH(睾丸内睾酮)对精子发生(圆形精子细胞转化为细长精子细胞)的作用相似。在正常男性中，LH刺激睾丸内睾酮浓度约为血清睾酮浓度的100-200倍，且与循环LH浓度相关。在男性避孕试验中，给予外源性睾酮、孕激素和GnRH拮抗剂的各种组合以诱导促性腺激素缺乏症，可将睾丸内睾酮抑制98%，达到与血清中相当的浓度，并减少精子产生，产生严重的少精子症或无精子症。在实验性促性腺激素缺乏症的正常男性中短期给予hCG (LH样活性)导致睾丸内睾酮呈剂量依赖性增加【JCEM 2010;95(8):3806–3813】。在促性腺激素缺乏的男性中，睾酮替代治疗不能充分增加睾丸内睾酮以支持精子发生。事实上，睾酮治疗可抑制内源性促性腺激素浓度，并可能抑制精子生成。然而，不能假定这种情况发生在所有接受睾酮治疗的促性腺激素缺乏男性中，尤其是在睾酮替代不足的情况下。在一项涉及少数因下丘脑-垂体疾病导致获得性低促性腺激素性性腺功能减退的男性的研究中，半数在睾酮替代治疗时可检测到的精子计数从极低(100万/mL)到正常(1.2亿/mL)不等，主要是因为与亚治疗睾酮方案(每3-4周肌肉注射/IM 200-250mg)相关的促性腺激素抑制不完全【Pituitary. 2003;6(1):5–10】。睾丸内睾酮浓度为正常值的10%时，仍可维持精子发生，但支持精子产生所需的最低浓度尚不清楚。睾丸内睾酮在睾丸内分别通过P450 19A1(芳香化酶)和5α-还原酶(SRD5A1)转化为其活性代谢产物雌二醇和DHT。与睾酮一样，睾丸内雌二醇浓度约是血清雌二醇浓度的100倍；然而，睾丸内的DHT浓度仅约为循环中浓度的15倍【JCEM 2005;90(10):5647–5655】。睾丸内这些相对高浓度的雌二醇和DHT在维持精子发生中的作用尚不清楚。
如前所述，睾丸功能的前馈调节涉及下丘脑GnRH刺激垂体促性腺激素分泌，进而刺激睾丸分泌睾酮，增加精子生成(见图6)。下丘脑-垂体-睾丸轴调节的一个重要方面是睾丸产生的类固醇和肽激素对下丘脑GnRH和垂体促性腺激素分泌的负反馈抑制。睾酮由睾丸的Leydig细胞产生，雌二醇(其活性代谢产物)在下丘脑和垂体都起作用，抑制GnRH和促性腺激素的分泌。抑制素B由睾丸生精小管内的支持细胞产生，主要作用于垂体以抑制FSH分泌。在一系列设计优雅的前瞻性研究中，接受生理剂量脉冲GnRH(即GnRH钳)治疗的正常男性和GnRH缺陷CHH男性接受了由高剂量酮康唑诱导的药物去势和生理剂量睾酮或雌二醇治疗。检测了这些干预措施对LH和FSH产生的影响。这些研究有助于确定睾酮和雌二醇在调节促性腺激素分泌中的相对作用以及这些类固醇的负反馈部位【JCEM 2008;93(3):784–791】。睾酮和雌二醇(由睾酮芳构化产生)似乎都在下丘脑发挥负反馈作用，抑制脉冲性GnRH分泌。这些研究还表明，睾酮对垂体LH和FSH分泌的负反馈抑制需要睾酮芳构化为雌二醇。当抑制素B浓度正常且睾丸正常时，雌二醇对FSH的抑制是轻度的，这表明抑制素B是FSH分泌的主要生理负反馈调节因子【JCEM
2008;93(5):1809–1814】。当抑制素B浓度较低时，如在生精小管衰竭或无睾症的男性中，来自睾酮的雌二醇的负反馈效应在抑制FSH中发挥更大的作用。尽管睾酮向雌二醇的主动代谢在睾酮的负反馈作用中很重要，但睾酮通过1型和2型5α还原酶转化为DHT在类固醇反馈中并不发挥主要作用。SRD5A2突变的男性仅表现出促性腺激素的轻度升高和LH脉冲幅度的增加，而非频率【JCEM 1994;78(4):916–921】。良性前列腺增生(BPH/benign
prostatic hyperplasia)男性和接受非那雄胺(一种SRD5A2抑制剂)或度他雄胺(一种SRD5A1和SRD5A2抑制剂)治疗的正常男性未表现出血清LH和FSH浓度的增加【JCEM
2005;90(7):4232–4237】。这些发现表明DHT在促性腺激素的生理负反馈调节中的作用相对较小。然而，给予超生理量的DHT确实会抑制LH(降低30-60%)和FSH(降低15-30%)的浓度【Ann
Intern Med. 2010;153(10):621–632】。垂体促性腺激素含有雌激素受体α
(ERα)，但GnRH神经元似乎同时缺乏ERα和AR。睾酮和雌二醇的负反馈作用被认为是由其他向GnRH神经元传递类固醇反馈信号的神经元系统间接介导的。动物研究表明，产生kisspeptin(kisspeptin是KISS1基因的一种54-氨基酸肽产物)的神经元可能是类固醇负反馈的候选介质【Hum Reprod Update. 2014;20(4):485–500；ER
2009;30(6):713–743】。这些神经元与内侧基底下丘脑的GnRH神经元直接相互作用，其中大部分含有kisspeptin受体KISS1R，kisspeptin的释放刺激GnRH分泌。Kisspeptin神经元也可能与其他神经元(如γ-氨基丁酸神经元)相互作用，间接调节GnRH分泌。Kisspeptin神经元同时含有AR和ERα。在实验动物中，去势增加了kisspeptin的表达，与GnRH和促性腺激素分泌的增加相一致；使用睾酮、雌二醇或DHT的性类固醇治疗可逆转这些变化，而kisspeptin拮抗剂可阻断去势后LH分泌的增加。在人类中，KISS1或KISS1R的突变会引起低促性腺激素性性腺功能减退和青春期发育受损【Brain Res. 2010;1364:72–80】，并且在动物中有越来越多的证据表明kisspeptin可能在青春期的开始中起关键作用。抑制素是属于TGFβ超家族的异二聚体糖蛋白，该家族包括激活素/activins、抑制素/inhibins、TGFβ、骨形态发生蛋白（BMP）以及生长和分化因子如AMH和肌生长抑制素/肌抑素/myostatin。抑制素由通过二硫键连接到βA或βB亚基的α亚基组成，分别形成抑制素A或抑制素B。抑制素B (α-βB异二聚体)是人体内生理相关的抑制素种类。与TGFβ家族中充当多种细胞功能的局部旁分泌或自分泌调节因子的大多数蛋白不同，抑制素B充当循环激素。抑制素B由支持细胞对FSH刺激产生。它与由III型TGFβ受体(TGFβ或β聚糖)和IIB型激活素受体(ACVR2B)组成的共受体结合，被认为是垂体促性腺激素分泌FSH的主要内分泌负反馈抑制因子。在人类中，抑制素B的浓度在青春期时逐渐升高，与FSH浓度和FSH刺激的支持细胞增殖相关。青春期中期达到成人浓度。此时，支持细胞功能与精子发生的开始密切相关，随着抑制素B介导的负反馈调节被激活，抑制素B浓度与FSH浓度呈反比。例如，在唯支持细胞综合征的男孩中，作为支持细胞增殖的函数，抑制素B浓度在青春期前正常，但在青春期时变得无法检测到，反映了生殖细胞的缺失和支持细胞功能障碍。在成人中，抑制素B的浓度与生殖细胞损伤或丢失的程度以及支持细胞功能障碍呈负相关。这种关系表明，生殖细胞调节支持细胞的功能，但这种调节背后的确切细胞和分子机制尚不清楚。抑制素B浓度在研究中和部分从业人员中已被用作精子发生和支持细胞功能的生物标志物，但尚未用于常规临床实践。激活素包括由两个βA亚单位(激活素A)或两个βB亚单位(激活素B)组成的同二聚体，以及一个βA和一个βB亚单位(激活素AB)的异二聚体。激活素由促性腺激素产生，并与ACVR2B受体结合。主要作为自分泌调节因子，刺激FSHβ合成，使促性腺激素对GnRH刺激敏感，从而增加FSH分泌。抑制素B通过与ACVR2B受体结合，作为促性腺激素中激活素的选择性拮抗剂。卵泡抑素/Follistatins是由促性腺激素和垂体的卵泡刺激素细胞产生的糖蛋白，结合并拮抗激活素的作用。它们作为FSH分泌的自分泌和旁分泌调节因子。激活素和卵泡抑素也在支持细胞和生殖细胞中产生，可能作为睾丸功能的自分泌和旁分泌调节因子。足以导致精子生成抑制的促性腺激素生成负反馈抑制(通过药物剂量的雄激素或雄激素与孕激素的组合或通过GnRH拮抗剂)一直是男性激素避孕发展策略的基础【ER 2008;29(4):465–493.】。
与其他类固醇和甲状腺激素一样，睾丸间质细胞分泌到循环中的睾酮主要与血浆蛋白结合，主要是与SHBG蛋白和白蛋白结合。在循环中，总睾酮由占比为0.5%-3.0%未与血浆蛋白结合的游离睾酮、30%-44%与SHBG结合的睾酮和54%-68%与白蛋白结合的睾酮组成(图10) 。
大部分循环睾酮(T)与血清蛋白结合:约54%与白蛋白弱结合，44%与性激素结合蛋白紧密结合(SHBG)。只有约2%的循环T不含蛋白结合。游离和弱结合(白蛋白结合)T的组合称为生物可利用睾酮。 临床上，睾酮的生物作用，与其他类固醇激素的生物作用一样，被认为符合游离激素假说——即睾酮的生物活性仅由其游离(未结合)浓度或容易与循环中的血浆蛋白分离的浓度介导。睾酮与SHBG紧密结合，亲和力高(1.6×10^-9mol/L)，不易分离，可用于靶向组织进行生物作用。相反，睾酮与白蛋白结合较松散，结合亲和力(1.0×10^-4mol/L)比SHBG结合小几个数量级。因此，与白蛋白结合的睾酮是可解离的，可用于靶向组织以发挥作用。游离睾酮和白蛋白结合睾酮统称为生物可利用睾酮，因为这些组分可扩散至靶组织，与AR结合，并影响基因转录，从而在这些组织中产生雄激素作用。有病例报告，一例男子由于SHBG基因的错义突变阻断其分泌，导致SHBG检测不到且总睾酮浓度极低【JCEM 2014;99(9):E1798–E802】。他的游离睾酮和促性腺激素浓度及精液分析正常，有正常的性发育客观证据。尽管患者确实有男性性腺功能减退的轻微症状(性功能障碍、虚弱和疲劳)，但该患者的总体发现为游离激素假说提供了支持。此外，来自欧洲男性衰老研究(the
European Male Aging Study，一项纵向队列研究)的数据表明，在总睾酮浓度正常的男性中，低血清游离睾酮浓度与男性性腺功能减退的症状和客观发现有关【JCEM 2016;101(7):2647–2657】。此外，性腺功能减退的偶发症状发生在血清游离睾酮和总睾酮浓度低的男性中，但不发生在血清游离睾酮正常伴血清总睾酮浓度低的肥胖男性中【Clin Endo-crinol. 2018;89(4):459–469】。尽管游离睾酮假设仍然存在争议，但可用的有限数据通常支持这一假设【ER 2017;38(4):302–324.】。SHBG由肝脏的肝细胞合成，是一种由重亚单位和轻亚单位组成的同二聚体β-球蛋白，重亚单位和轻亚单位在肽序列上相同，由单个基因编码，但糖基化程度不同。SHBG基因也在睾丸中表达，在大多数哺乳动物中，支持细胞在FSH的控制下产生SHBG同源物，称为ABP。然而，在人睾丸中，SHBG似乎在生殖细胞而非支持细胞中表达，并产生定位于精子顶体的SHBG截短形式(非ABP)。SHBG每个单体有两个结合位点；这些位点以高亲和力结合DHT和睾酮，以较低亲和力结合雌二醇。既往研究假设SHBG单体对睾酮和其他配体的结合亲和力相同。最近的研究表明，睾酮与SHBG二聚体中一种单体的结合会影响睾酮与第二种单体的结合亲和力，并且这种结合只能通过复杂的动态、多阶段变构模型来表征【Mol Cell Endocrinol. 2015;399:190–200】。SHBG糖基化不参与类固醇结合，但可能延长循环中蛋白质的血浆半衰期。肝脏产生的SHBG在雌激素和甲状腺素的影响下增加，在雄激素和胰岛素的影响下减少。与游离激素假说相反，有证据表明与SHBG结合的睾酮可能影响某些靶组织中雄激素的作用。在一些组织中，例如人前列腺，SHBG可能结合到细胞表面受体；睾酮随后与SHBG-受体复合物结合，激活cAMP并影响靶器官功能。SHBG糖基化对于类固醇-SHBG复合物与质膜的相互作用可能是重要的。巨蛋白/Megalin是LDL受体超家族蛋白中的一员，作为内吞蛋白促进类固醇进入细胞(最显著的是25-羟基维生素D进入肾近端小管细胞)。巨蛋白/Megalin存在于肾脏、附睾、前列腺、卵巢和子宫中。在表达巨蛋白但无其他内吞受体的细胞中进行的体外研究发现，与SHBG结合的睾酮、DHT和雌二醇被内吞至细胞中并激活AR介导的转录；而这些效应被巨蛋白拮抗剂阻断【Cell.
2005;122(5):751–762】。此外，巨蛋白敲除小鼠表现出睾丸下降受损，这是一个雄激素介导的过程。这些发现表明，巨蛋白可能在介导细胞摄取雄激素进入某些组织中具有重要作用。然而，与SHBG蛋白或巨蛋白等内分泌蛋白结合的睾酮在人体生理学中的重要性仍有待确定。在下丘脑-垂体-睾丸轴完整的正常男性中，SHBG浓度和与SHBG结合的睾酮的改变不会影响稳态时雄激素的生理和作用。SHBG变化对游离睾酮浓度的任何急性影响都会改变促性腺激素的负反馈调节，导致游离睾酮浓度正常化。例如，SHBG浓度的急性升高可能会暂时降低游离睾酮浓度，但随之而来的睾酮负反馈降低会增加垂体LH分泌，从而增加睾丸产生睾酮，以恢复正常的游离睾酮浓度。而在负反馈调节受损或正在接受睾酮替代治疗的生殖障碍男性中，SHBG浓度的改变可能会改变游离睾酮浓度。在各种常见的临床情况下，SHBG浓度可能会降低或增加【JCEM 2018;103(5):1715–1744】。在临床上，SBHG的改变对于诊断男性性腺功能减退极为重要(见后面的讨论)。由于血清总睾酮检测值受SHBG浓度变化的影响，因此需要准确检测游离或生物可利用睾酮，以评估Leydig细胞功能的充分性，确定患者是否为性腺功能减退，并监测循环SHBG浓度变化患者的睾酮替代情况。睾酮作用于靶组织的一个重要方面是其通过P450 19A1主动代谢为雌二醇(17β-雌二醇)，并通过SRD5A1和SRD5A2主动代谢为DHT这些是最有效的内源性雌激素和雄激素(图11)。睾酮的许多生物学作用由这些活性代谢产物介导，通过依赖于ERα和ERβ(雌二醇)或AR (DHT)的机制发挥作用。这些活性代谢产物在局部形成并充当旁分泌或自分泌调节因子，同时也被分泌并充当靶组织功能的内分泌调节因子。
睾酮可通过芳香化酶或P450
19A1 (CYP19)转化为强效雌激素17β-雌二醇，或通过酶5α-还原酶转化为更强效的雄激素双氢睾酮(DHT)。睾酮对雄激素敏感区外生殖器分化、前列腺生长、皮肤和毛囊的影响需要将睾酮5α还原为DHT。睾酮需要芳构化为雌二醇的作用是防止骨吸收、增加骨矿物质密度、骨骺融合和促性腺激素分泌。睾酮和DHT，而不是雌二醇，增加和维持肌肉质量和力量；睾酮、DHT和雌二醇在正常男性性功能中起作用；睾酮和DHT对高密度脂蛋白胆固醇浓度的影响与雌二醇相反。 Williams
Textbook of Endocrinology, 11th ed. Philadelphia, PA: Elsevier; 2008:645–698 芳香化酶(P450
19A1)催化睾酮转化为雌二醇，以及催化较弱的雄激素Δ4-雄烯二酮转化为较弱的雌激素雌酮。在男性中，这些转化主要发生在脂肪组织中，但也发生在其他组织中，包括脑、骨、乳腺、肝、血管和睾丸(支持细胞和睾丸间质细胞)。每天产生约40-50
μg雌二醇，主要是通过睾丸外将睾酮芳构化为雌二醇，将Δ4-雄烯二酮芳构化为雌酮(然后通过17β-HSD酶的各种异构体将其转化为雌二醇)。大约15%至25%的循环雌二醇由睾丸产生，主要由Leydig细胞产生。睾酮芳构化为雌二醇介导了睾酮对青春期骨骺闭合、抑制骨吸收和维持骨矿物质密度(BMD)、调节脂肪质量累积、负反馈抑制下丘脑GnRH分泌和垂体促性腺激素分泌、性功能，
以及可能的高密度脂蛋白(HDL)胆固醇浓度的调节和认知功能和情绪的某些方面。有研究，由GnRH激动剂诱导的实验性性腺功能减退的健康年轻-中年男性在与或不与芳香化酶抑制剂联合给药的情况下用安慰剂或各种剂量的睾酮进行治疗，以分别研究实验性雄激素和雌激素缺乏的相对影响【NEJM 2013;369(11):1011–1022；J Clin Invest.
2016;126(3):1114–1125】。瘦体重、肌肉大小和力量的下降是由雄激素缺乏诱导的；雌激素缺乏引起脂肪堆积和骨丢失；雄激素和雌激素缺乏均诱导性功能下降。此外，雌二醇缺乏似乎是急性重度性腺功能减退男性患者血管舒缩症状(热潮红)的主要原因【JCEM
2016;101(9):3479–3486】。在男性中，循环雌二醇主要受雄激素底物、睾酮和Δ4-雄烯二酮的量以及脂肪组织和其他外周组织中芳香化酶活性的调节。Leydig细胞中的芳香化酶活性主要受LH控制。在接受hCG治疗的促性腺激素缺乏男性中，刺激芳香化酶活性可能导致血清雌二醇浓度高于睾酮浓度，并可能导致治疗期间出现良性乳腺压痛和增大(男性乳房发育症)。与女性一样，ER阳性乳腺癌男性患者可使用芳香化酶抑制剂治疗，以减少雌激素合成。报告芳香化酶基因(CYP19A1)失活突变的少数男性患者表现出身材高大、青春期后持续线性生长、类无睾症体比例、骨龄延迟、骨质减少或骨质疏松症和进行性膝外翻，以及糖和脂代谢的各种受损，包括胰岛素抵抗、甘油三酯升高和低HDL胆固醇浓度、肝酶和脂肪肝异常、不同程度低精子计数和不育、血清睾酮和促性腺激素浓度正常至升高伴雌二醇浓度低至不可测。此外，雌二醇治疗导致骨骺闭合、BMD增加和骨龄增加。ERα罕见失活突变的男性具有相似的表型，但与芳香化酶缺乏的男性相比，他们的血清雌二醇、睾酮和促性腺激素浓度较高，符合雌激素抵抗。这些发现支持雌二醇在的潜在重要作用：睾酮被SRD5A1和SRD5A2转化为DHT(一种比睾酮强效2.5至3.0倍的雄激素)。这两种5α-还原酶同功酶的活性最佳pH值及其表达模式不同【J Clin Invest.
1993;92(2):903–910】。SRD5A2在前列腺、附睾、精囊、生殖器皮肤和肝脏中的表达最高，在其他组织(如某些脑区、非生殖器皮肤、睾丸和肾脏)中的浓度较低。SRD5A1在非生殖器皮肤(毛囊)、肝脏和某些脑区的表达最高，在前列腺、附睾、精囊、生殖器皮肤、睾丸、肾上腺和肾脏的表达浓度较低。每天产生约200-300μg DHT，主要来自外周组织(主要是皮肤和肝脏)中睾酮的5α还原。前列腺和睾丸对血液中DHT浓度的影响相对较小。SRD5A2失活突变的男性出生时严重的46，XY DSD，伴有不明确的生殖器(阴蒂样阴茎、阴囊对裂/bifid
scrotum、假性阴道尿道下裂和不发育的前列腺)，但wolffian管分化正常(精囊、附睾和输精管正常)，且无苗勒管结构，支持DHT在外生殖器分化和前列腺发育中的重要作用【J Steroid Biochem Mol Biol. 2016;163:206–211】。SRD5A2缺陷的个体通常作为女孩抚养。随着青春期的开始和睾酮向成年男性浓度的增加，阴茎生长，阴囊发育，性欲和勃起受到刺激，性别角色可能从女性变为男性。隐睾很常见，但不是不变的，与少精子症或无精子症有关。睾丸可能在青春期下降。睾丸下降的个体中可能出现正常的精子计数，已有报告称SRD5A2缺乏的男性中有生育力。然而，在成人中，前列腺仍未发育完全且无法触及，面部和体毛减少，皮脂腺未生成，男性型脱发未发生，支持了正常的SRD5A2活性和DHT对毛发生长、皮脂功能和前列腺发育的重要性。血清DHT浓度较低，睾酮浓度正常至轻度升高，促性腺激素浓度正常至中度升高。在前列腺内，睾酮向DHT的转化产生的DHT浓度约是血清中DHT浓度的10倍，用于增强前列腺内的雄激素活性。前列腺内雄激素浓度可能导致前列腺疾病，如BPH或前列腺癌【Bail-lieres Clin Endocrinol Metab.
1994;8(2):405–431】。SRD5A2抑制剂(非那雄胺)或SRD5A1/SRD5A2抑制剂(度他雄胺)用于治疗下尿路症状(LUTS)、改善尿流、预防与BPH相关的并发症，以及治疗男性型脱发和雄激素性脱发【Steroids.
2010;75(2):109–153】。非那雄胺或度他雄胺治疗可分别降低活检发现的前列腺癌的患病率或发病率，但可能与更多的Gleason高级别癌症相关【NEJM 2010;362(13):1192–1202；NEJM 2003;349(3):215–224】。雄激素对前列腺影响的一个重要方面是前列腺内雄激素浓度未反映在血清浓度中，这强调了雄激素的局部旁分泌和自分泌作用在前列腺和可能其他雄激素靶组织的生理学和病理学中的重要性。循环睾酮和5α-DHT的主要分解代谢位点是肝脏。睾酮和5α-DHT在肝脏中被摄取，睾酮被酶5β-还原酶转化为无活性代谢产物5β-DHT。5α-和5β-DHT随后均被3α-HSD酶3α还原，分别形成3α，5α-雄甾烷二醇(也称为3α-二醇)和3α，5β-雄甾烷二醇；随后由酶17β-HSD 2型进行17β-氧化，形成雄酮/androsterone和5β-雄酮（本胆烷醇酮/etiocholanolone），3α-雄甾烷二醇发生葡萄苷酸化，并在较小程度上发生硫酸化，形成更多的亲水性缀合物，释放到循环中并通过尿液和胆汁排泄。睾酮的代谢失活主要涉及其向代谢产物的转化，如雄烯二酮(约50%)、雄(甾)酮/ androsterone (20%)和5β-雄酮（本胆烷醇酮/etiocholanolone） (20%)的葡萄糖醛酸/糖苷酸/G(以及硫酸盐)形式，向3α-二醇葡糖苷酸(3α-二醇Gs)的转化较少。因为3α-二醇（3α-diol）主要来自皮肤，所以3α-二醇G的血液和尿液检测值已被用作外周雄激素作用的标志物。在5α-还原酶缺乏的男性中，3α-二醇G的浓度降低【Trends Endocrinol Metab. 2003;14(10):473–479】。体毛和痤疮的数量与3α-二醇G的浓度相关。表睾酮(Epitestosterone ，17α-羟基-4-雄甾烯-3-酮)是睾酮(17β-羟基-4-雄甾烯-3-酮)的一种无生物学活性的17α-羟基差向异构体，由睾丸对LH的反应产生【JCEM 2010;95(4):1533–1543】。表睾酮的产生率约为睾酮的3%，但其清除率为睾酮的33%，表睾酮与睾酮之间没有相互转化。与睾酮一样，表睾酮在肝脏中结合，主要与葡萄苷酸和硫酸盐结合，并通过尿液排泄。由于表睾酮结合物会在尿液中迅速清除，因此睾酮和表睾酮的排泄率相似，尿睾酮与表睾酮的比例(T/E比)约为1:1。采用灵敏的气相色谱/质谱方法检测尿液中的T/E比值和其他代谢产物，用于检测竞技运动员使用的促雄激素合成代谢类固醇兴奋剂，特别是睾酮【JCEM 2010;95(4):1533–1543】。使用外源睾酮会抑制LH以及相对于使用睾酮的表睾酮的产生和清除，从而导致尿液中T/E比升高。世界和美国反兴奋剂机构已将可疑睾酮兴奋剂的阈值T/E比设定为大于4:1。睾酮主要通过尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶2B17 (UGT2B17)进行葡萄醛酸化，而表睾酮主要通过另一种UGT亚型UGT2B7进行葡萄醛酸化。尽管睾酮可能被其他UGT亚型(如UGT2B15)葡萄醛酸化，但缺失UGT2B17的个体(在亚洲人群中常见)睾酮葡萄醛酸化和清除率降低，导致睾酮给药时T/E比降低【JCEM 2007;92(12):4878–4882】。认识到存在T/E自然较低的人群导致T/E比界限从之前的涉嫌服用兴奋剂的阈值(> 6:1)降低至现在的阈值(> 4:1)。此外，有些个体的T/E比天生较高，这可能是因为其他遗传多态性或环境因素(如过度饮酒)可能会暂时增加T/E比，特别是在女性中。在没有环境扰动的情况下，单个个体的T/E比随着时间的推移非常稳定，尿T/E比的纵向检测结果被用于检测非法使用雄激素的情况(被称为运动员生物护照/ biologic passport)。有运动员使用表睾酮与睾酮联合给药(以维持正常T/E比)的方法来避免检测到表睾酮。如果怀疑尿T/E比与服用兴奋剂有关，则通过气相色谱燃烧同位素比质谱（gas chromatography combustion isotope ratio mass spectrometry）确认外源性雄激素的使用，这可以检测睾酮或其代谢产物的碳-13与碳-12 (13C/12C)同位素比的微小差异。因为合成雄激素是从植物来源(山药或大豆)合成的，所以它们的13C/12C比低于内源性产生的睾酮和反映动物来源或动物和植物产品饮食摄入的其他类固醇的13C/12C比。然而，13C/12C同位素比值质谱无法检测以下两种使用兴奋剂的情况，即通过给予hCG或LH样活性来刺激内源性睾酮产生，或给予来源于13C/12C比值与内源性睾酮相似的动物来源的雄激素。
在雄激素靶组织中，循环中的睾酮和DHT通过质膜扩散并与细胞内AR结合。雄激素与AR的结合会诱导AR的构象变化，从而导致与AR结合的热休克蛋白解离，允许易位到细胞核中，诱导磷酸化和同二聚化，并与DNA相互作用，特别是在位于靶基因调控位点的雄激素应答元件上。AR二聚体主动招募组织特异性共调节因子(共激活因子和共升压因子)，以形成控制雄激素调节基因转录和随后雄激素调节蛋白合成所需的转录装置。AR基因位于X染色体(Xq11-12)的长臂上。AR由功能结构域有序组成【Maturitas. 2009;63(2):142–148】(图12):- N-末端结构域，包括介导大部分AR转录活性和共调节子相互作用的两个反式激活结构域(AF1和AF5)和修饰AR反式激活的不同数目的两个三核苷酸重复片段(CAG和GGN，分别编码聚谷氨酰胺和聚谷氨酰胺结构域)；
- 包含两个锌指基序的DNA结合结构域，第一个介导DNA识别和结合，第二个稳定DNA相互作用并介导AR的二聚化；
- 介导雄激素与AR高亲和力结合的配体结合结构域，并且还包含另一个反式激活结构域(AF2)。
人雄激素受体(AR)、孕酮受体(PR)、糖皮质激素受体(GR)、盐皮质激素受体(MR)、雌激素受体α (ERα)、雌激素受体β (ERβ)； AR是一种919个氨基酸的蛋白质，由三个功能域组成:配体结合域(LBD)、DNA结合域(DBD)和N-末端反式激活域(NTD)。类固醇激素受体中，DBD的同源性最高(> 51%对AR)，NTD的同源性最低(< 15%对AR)。 Maturitas. 2009;63:142–148 AR是包括其他类固醇激素受体的核受体超家族的成员。它在DNA结合结构域中具有约80%的序列同源性，在配体结合结构域中具有50%的序列同源性，其最密切相关的类固醇受体是孕酮受体、糖皮质激素受体和盐皮质激素受体【Maturitas. 2009;63(2):142–148】。这种相似性可以解释以下现象，例如，一些孕激素(如醋酸甲羟孕酮)具有AR激动剂活性，其他则(如醋酸环丙孕酮)具有AR拮抗剂活性，而盐皮质激素拮抗剂螺内酯具有AR拮抗剂活性。与睾酮的结合相比，DHT以更高的亲和力、更高的稳定性和更慢的解离速率与AR结合，使DHT(人类最强效的内源性雄激素)具有更强的雄激素活性。AR的失活突变可能导致受体功能的定性或定量异常，从而导致雄激素作用的不同程度受损【Best
Pract Res Clin Endocrinol Metab. 2015;29(4):569–580】。AR突变表现出表型变异性，突变表型范围从具有正常女性外生殖器和乳房发育（完全雄激素不敏感，以前称为睾丸女性化）的46，XY表型女性， 到46,XY伴具有不完全尿道下裂、轻度男性化或不育而其他方面正常男性(发生于完全雄激素不敏感或有耐药性的个体)。在正常人群中，AR基因第一个外显子中三核苷酸CAG重复序列的数目从11-35不等。一般而言，在体外和体内，在转基因小鼠和人类中，CAG重复序列的数量似乎与AR的功能和作用呈负相关。Kennedy病(或称X连锁脊髓和延髓肌萎缩症)是一种罕见的成人发病的运动神经元神经退行性疾病，可导致进行性肌无力；它与CAG重复序列数目明显增加(从40-62不等)有关，与正常人群不重叠【Eur J Neurol.
2009;16(5):556–561.】。这种疾病中的神经变性被认为是由AR和相关辅因子的细胞内聚集毒性引起的，雄激素与突变AR结合并易位到细胞核中使这种毒性恶化。大多数Kennedy病男性还表现出部分雄激素抵抗的临床表现，包括男性乳房发育症、性欲降低、勃起功能障碍、面部毛发减少、睾丸萎缩以及与高睾酮和高或正常促性腺激素浓度相关的少精子症或无精子症【JCEM 2002;87(8):3893–3901】。后一类雄激素不敏感生化指标的严重程度与CAG重复长度直接相关。尽管没有得到一致的发现，但一些研究报告了CAG重复数与正常男性雄激素作用表现之间的关联【Front Horm Res. 2009;37:52–61】。在这些研究中，正常范围内少量的CAG重复数与较高的雄激素性相关(如前列腺癌发病较早、男性型秃发、低HDL胆固醇)，而正常范围内大量的重复数与较低的雄激素性相关(如男性乳房发育症、精子发生受损、骨密度降低、抑郁症状)。CAG重复数似乎也与Klinefelter综合征所致雄激素缺乏男性患者的临床表现及其对睾酮治疗的反应有关；具有较高CAG重复数的Klinefelter综合征男性需要相对较高剂量的睾酮以实现完全雄激素效应。体外和实验动物研究表明，雄激素的某些作用可能在数秒至数分钟内发生，其速度太快，不可能由雄激素通过AR作用于基因转录和随后的蛋白质合成的经典基因组效应引起，经典效应通常需要数小时才能产生效应【Trends Endocrinol Metab. 2007;18(10):371–378】。雄激素的快速非基因组(也称为非经典)效应可能由细胞表面相互作用和受体以及常规信号转导机制的激活介导，包括增加细胞内钙和MAPK途径的PKA和PKC激活。雄激素与细胞内AR的结合也可能激活不需要基因转录即可发出信号的共调节因子，如作为AR共激活因子的酪氨酸激酶(如MAPK、ERK和Akt)。已在睾丸(支持细胞)、脑、肌肉、心血管组织、前列腺和免疫细胞中描述了雄激素的非基因组作用。在人类中，睾酮对冠状动脉疾病患者心肌缺血的快速血管舒张作用归因于雄激素(或雌激素代谢产物)对血管细胞的直接非基因组效应。
睾酮的浓度及其作用在性发育的不同阶段有所不同(图13)。在胎儿时期，睾酮从妊娠7周开始由胎儿睾丸分泌。睾酮分泌最初主要受母体hCG控制，随后由胎儿垂体分泌LH控制。在此期间，睾酮浓度增加至几乎成年男性浓度，睾酮及其向DHT的转化对于正常的男性内生殖器和外生殖器分化(例如，原发性征/第一性征的发育)至关重要。睾酮浓度在妊娠中期的大部分时间内保持升高，在妊娠晚期下降。
在胎儿期，睾酮浓度几乎增加至成年男性浓度，在妊娠早期达到峰值，在妊娠中期保持升高，之后下降。在新生儿期，睾酮在3-6个月大时几乎升高至青春期浓度，然后下降至青春期前浓度。在青春期，睾酮浓度和精子产量在数年内增加至成年男性浓度。随着年龄的增长，从40岁开始，血清睾酮浓度和精子产量会出现可变、逐渐和进行性下降。 Metabolic Control and Disease, 8th ed.
Philadelphia, PA: WB Saunders; 1980:1535–1578 出生后不久，在新生儿期，LH分泌增加，刺激睾酮浓度第二次升高，在3-6个月大时几乎达到青少年浓度；随后降至低青春期前浓度。新生儿睾酮浓度激增可能在正常阴茎大小的发育和睾丸下降的完成中起作用。此时新生儿睾酮和FSH浓度的升高也会刺激睾丸支持细胞增殖和精原细胞发育，这可能在决定生精能力方面发挥作用。在青春期，响应下丘脑GnRH分泌的激活及其对垂体促性腺激素分泌的刺激，睾酮浓度增加至成年男性浓度(或更高)。睾酮及其活性代谢产物雌二醇和DHT的进行性增加负责第二性征(男性化或男性化)和其他变化的发生和进展。睾酮诱导的青春期变化可分为与身体、大脑和性功能相关的变化。- 雄激素依赖性毛发生长和发育的男性毛发分布——面部(小胡子和胡须)、外耳道、胸部、腋窝、耻骨和下腹部(男性锁眼盖)、肛周、大腿内侧、腿部和臂部毛发生长，以及额部头皮毛发上移（男性形式脱发）
- 刺激IGF1的产生，同时刺激生长激素(GH)的产生
- 刺激红细胞生成导致血细胞比容增加，主要是通过骨髓直接诱导红细胞分化和刺激红细胞生成素分泌
在成年生活中，正常成年男性睾酮浓度有助于维持青春期诱发的许多变化。这包括:- 维持身体功能变化，如雄激素依赖性毛发正常数量和男性毛发分布、皮脂产生、BMD、肌肉质量和力量、男性范围内的血细胞比容(高于女性范围)和男性范围内的HDL胆固醇(低于女性范围)；
- 大脑功能变化，例如性欲、动机、主动性、社会攻击性、能量和活力、情绪，以及可能的认知功能的某些方面(例如视觉空间能力)；
青春期由睾酮诱导的一些雄性化变化是永久性的。一旦身体发生某些变化，睾酮就不再是维持阴茎大小、阴囊发育、线性生长、喉部大小、声带厚度或语音音高所必需的。随着年龄的增长，血清睾酮浓度会逐渐进行性下降，与肌肉质量和力量、BMD、性欲、能量和活力、情绪、认知功能的各个方面、精子生成和生育力以及勃起等方面的下降有关【ER 2005;26(6):833–876】。然而，与年龄相关的睾酮浓度下降对这些与年龄相关的功能变化的贡献尚不清楚。
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