高國龍
摘要:卵巢因子對卵母細胞發育的影響已成為發育生物學研究的主要內容,卵巢產生的大量生長因子通過自分泌/旁分泌方式對生發泡破裂(Germinal Vesicle Breakdown,GVBD)、第一極體釋放、胚胎發生及早期胚胎發育發揮調控作用。對卵巢因子調控作用的深入研究有助于進一步了解卵母細胞成熟及早期胚胎發育過程中的細胞通訊系統網,尋找治療不孕不育的新途徑和新方法,為體外成熟、體外受精及胚胎干細胞分化制定更加優化的培養環境。概述了目前卵巢因子在小鼠卵母細胞發育調控中的研究進展。
關鍵詞:小鼠;卵巢因子;卵母細胞;胚胎;發育
中圖分類號:S811文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2012)06-1085-04
The Effects of Ovarian Factor on the Development of Mouse Oocytes
GAO Guo-long
(College of Life Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China)
Abstract: The study on the effects of ovarian factors on the development of oocytes had become the main content of developmental biology, ovarian production of growth factors further act as paracrine and/or autocrine factors during GVBD, extrusion of the first polar body, early embryogenesis and early embryonic development. Studies on ovarian factors contribute to further understanding of intercellular communication networks in the development of oocytes and early embryos, and these networks could lead to new approaches in the treatment of infertility, and facilitate future formulation for the optimal culture conditions for in vitro maturation, in vitro fertilization and embryonic stem cell derivation. Progress of ovarian factors in mouse oocytes development was summarized.
Key words: mouse; ovarian factor; oocytes; embryos; development
隨著人類不孕不育及動物胚胎工程領域體外受精和體細胞克隆技術研究的逐漸深入,卵母細胞發育機制已經成為發育生物學研究的重要內容之一[1,2],人們通過對細胞間通訊系統的研究來提高卵母細胞的發育潛能[3-6]。
大量的研究證實,內分泌激素可以刺激卵巢產生大量的生長因子,促使卵母細胞成熟及發育,顆粒細胞和卵母細胞也可以產生類似卵巢因子的生長因子促使卵母細胞進一步發育[4,5],現在卵巢因子對卵母細胞發育的影響已成為發育生物學研究的主要內容。本文就目前小鼠卵母細胞發育過程中發現的卵巢因子的種類、對卵母細胞發育的影響作用、調控方式及所用到的研究方法等綜述如下。
1卵巢因子的發現及其作用
在哺乳動物中,發育卵泡中的初級卵母細胞被阻滯在第一次減數分裂前期的雙線期,卵母細胞處于該階段長達數月甚至數年。隨著排卵前內分泌激素分泌水平的逐漸提高,卵母細胞繼續減數分裂,進而表現出生發泡破裂(Germinal vesicle breakdown,GVBD)、染色質濃縮及第一極體釋放等有助于受精和早期胚胎發育的特征。GVBD和第一極體釋放是卵母細胞核成熟的標志,除此之外,卵母細胞也需要細胞質組分的變化來實現胞質成熟,才有利于隨后的胚胎發生,并為植入前胚胎的發育做好準備[7,8]。
雖然排卵前的促黃體素(Luteinizing hormone, LH)對卵母細胞成熟起最重要和最直接的作用,但由于生殖細胞缺乏LH受體,LH和人絨毛膜促性腺激素(Human chorionic gonadotropin,HCG)等并沒有直接作用于卵母細胞。LH/HCG對卵母細胞的調節功能可能是通過對LH敏感的體細胞的旁分泌因子來調控,或者是將卵丘細胞或顆粒細胞產生的細胞信號通過細胞間的緊密連接向卵母細胞傳遞來完成[9]。后來的研究證實,內分泌激素LH刺激卵巢產生大量卵巢因子,以促進GVBD的發生,而顆粒細胞和卵丘細胞也可以產生相似的生長因子[4,5],這些因子有利于卵母細胞受精及植入前胚胎的繼續發育。同時,早期胚胎發育過程也包括機體通過自分泌/旁分泌途徑產生的大量生長因子和細胞因子的參與[3,10]。
通過對特定基因及其表達蛋白的檢測分析,人們不但在卵巢、顆粒細胞、卵丘細胞和卵母細胞中檢測到卵巢因子的表達,而且在妊娠動物的輸卵管和子宮組織中也檢測到卵巢因子及其受體蛋白的表達。卵巢因子不但促使GVBD和第一極體釋放,進而完成卵母細胞核成熟,還有可能通過自分泌/旁分泌對胚胎發生及早期胚胎發育產生調控作用。進一步研究卵巢因子在卵母細胞發育中的調控作用有助于了解卵母細胞成熟及早期胚胎發育過程中的細胞通訊系統網,尋找治療不孕不育的新途徑和新方法,為體外成熟、體外受精及早期胚胎發育制定更加優化的培養環境。
2主要卵巢因子
2.1BDNF
BDNF(Brain-derived neurotrophic factor)最初是從豬腦純化的小分子堿性蛋白質,是一種腦源性神經營養因子,其對神經細胞的生長發育及保護修復有著重要作用,是神經營養因子家族(NTFs)的一個成員。BDNF分子質量為13 ku,由兩個成熟亞基以非共價結合方式形成同源活性二聚體,成熟亞基含有119個氨基酸殘基。同源活性二聚體作為配體,結合受體后,誘導細胞膜上的酪氨酸蛋白激酶受體B(TrkB)形成二聚體和磷酸化,進一步激活細胞內信號,發揮其生物學效應[11,12]。與神經生長因子不同,BDNF主要在中樞神經系統,維持神經脊和外胚層基板的感覺神經元,這些神經元對神經生長因子無反應。
近年來的研究發現,BDNF與哺乳動物的繁殖機能有著密切的聯系,人們發現BDNF及其高親合力受體TrkB在卵巢組織中表達,而且其表達水平和卵母細胞發育潛能關聯性很高。家雞排卵前卵巢卵泡膜細胞表達BDNF,家雞排卵前顆粒細胞和小鼠的卵母細胞膜上分別有TrkB表達,TrkB基因敲除的大鼠卵泡發育不良[13-15]。在對哺乳動物小鼠和人的研究中,人們發現排卵前LH分泌量的上升刺激卵泡顆粒細胞產生大量BDNF,BDNF促使卵母細胞第一極體釋放并進一步誘導胞質成熟[16,17]。關于BDNF在卵巢中的表達及其對卵巢功能的影響研究,無論從基礎研究還是臨床研究的角度都具有重大利用價值。
2.2GDNF
GDNF(Glial cell line-derived neurotrophic factor)是膠質細胞源性神經營養因子,是幾種不同類型的神經元中第一個被確定的存活因子[18,19]。GDNF成熟肽均有134個氨基酸殘基,活性形式為二硫鍵連接的同源二聚體糖蛋白,能促進神經元尤其是多巴胺能神經元的生長分化,是治療神經退化性疾病如帕金森癥的潛在有效藥物。GDNF家族神經營養因子信號傳導是通過復合受體途徑實現的,復合受體由兩部分組成,第一部分是糖基化的磷脂酰肌醇(GPI)錨定到細胞表面的蛋白分子,稱為GDNF家族受體(GDNF family receptor-alpha1,GFRA),另一部分是由原癌基因c-ret編碼的蛋白產物(Ret proto-oncogene,Ret),它是一種受體酪氨酸激酶[20]。
雖然GDNF及其受體主要在神經系統中大量表達,但人們也在幾種邊緣組織中發現GDNF及其受體,其中就包括卵巢和睪丸組織[21]。在睪丸組織中,GDNF參與精原細胞增殖及分化的調控[22]。通過DNA芯片分析,GDNF在卵巢、卵丘細胞和顆粒細胞中均有表達,并且其表達水平在排卵前明顯上升[16]。在對小鼠的研究中發現,GDNF作為主要生長因子促進精原干細胞的增殖[23]。GDNF及其受體GFRA和Ret在卵母細胞、卵管和子宮中均有大量表達,GDNF促使小鼠卵母細胞第一極體的釋放,并通過抑制胚胎細胞的凋亡促使2細胞胚胎向囊胚階段發育[6]。
2.3INSL3
INSL3(Insulin-like factor 3)是胰島素樣因子3,是松弛素-胰島素激素家族的成員之一,由睪丸間質細胞在整個生命周期內穩定分泌產生的一種激素,被認為可能是比睪丸激素水平更敏感的,能顯示間質細胞功能狀況的指標。INSL3基因或其受體基因LGR8/GREAT若發生突變,則可能會導致男性患隱睪病[24]。除睪丸組織外,其他類型的組織中也有LGR8/GREAT基因的表達,在發育成熟的間質細胞中檢測到INSL3,說明LGR8/GREAT-INSL3激素系統在成年個體內可能還擔負其他生理功能。在之后的研究中,人們發現INSL3在出生前后的睪丸間質細胞和出生后的卵巢中特異地表達[25],排卵前的卵母細胞中卵巢因子INSL3表達水平上升,卵巢因子INSL3在卵母細胞成熟中發揮了重要作用,其可以激活卵母細胞外圍體細胞中INSL3的受體,引起卵母細胞cAMP水平下降,對GVBD的發生具有明顯的促進作用[4,5]。
2.4Endothelin-1
Endothelin最早是從培養的豬主動脈內皮細胞中分離純化出的活性多肽,由21個氨基酸組成,分子質量為2 400 u,N端是2個二硫鍵將1-15、3-11位置的半胱氨酸連接起來,C端是一些疏水性氨基酸的殘基。Endothelin屬于結構同源肽家族,包括Endothelin-1、Endothelin-2和Endothelin-3,其差別在于個別氨基酸的殘基。多項研究證實,Endothelin不僅存在于血管內皮,維持基礎血管張力與心血管系統的穩定,也廣泛存在于包括生殖內分泌系統在內的各種組織和細胞中,其在生殖過程中參與生殖活動調控的作用被多次研究報道[26-30]。在對大鼠的研究中,Endothelin-1能夠有效降低氧化亞氮對早期胚胎的損傷[31]。通過對排卵前卵巢基因芯片的全基因組分析,人們發現Endothelin-1在小鼠卵巢組織的表達水平很高,Endothelin-1可以促進排卵前卵母細胞GVBD的發生[27]。Endothelin有2個G蛋白偶聯受體EDNRA 和 EDNRB。EDNRA 對Endothelin-1有很高的特異性,但EDNRB對Endothelin-1、Endothelin-2 和Endothelin-3均具有一致的親和力[32,33]。可以結合Endothelin-1、Anti-endothelin-1及Endothelin-1特異性受體EDNRA,對Endothelin-1在卵母細胞發育中的調控作用進行深入研究。
3主要研究方法
通過卵巢因子、卵巢因子特異性受體及卵巢因子抗體,結合基因芯片、實時熒光定量PCR、ELISA、免疫組化、卵母細胞體外成熟、體外受精、早期胚胎體外培養、囊胚內細胞團細胞數量及細胞凋亡評估等,可以對卵巢因子在GVBD、第一極體釋放、胚胎發生及早期胚胎發育中的自分泌/旁分泌調控作用進行深入研究。
3.1卵巢因子在細胞及組織中表達分析
運用基因芯片分析鑒定卵巢因子及其特異性受體在卵巢的表達,通過實時熒光定量PCR對卵巢因子及其特異性受體在卵巢轉錄物進行分析,進一步驗證基因芯片的結果,ELISA檢測卵巢因子及其特異性受體蛋白在卵巢、輸卵管和子宮組織中的表達。分離卵巢表面卵泡中的卵丘細胞、顆粒細胞和卵母細胞,以實時熒光定量PCR技術檢測卵巢因子及其特異性受體在3種細胞的轉錄物,運用免疫組織化學方法定位卵巢因子及其特異性受體蛋白在3種細胞中的表達。
3.2卵母細胞核成熟評價
卵巢獲取卵丘卵母細胞復合體(COCs),通過添加卵巢因子及其抗體,對COCs和裸卵進行體外培養,研究卵巢因子對卵母細胞GVBD及第一極體釋放的影響,驗證卵巢因子是否充當旁分泌因子調控卵母細胞的核成熟。
3.3卵母細胞胞質成熟評價
獲取COCs,細胞在添加和不添加特定卵巢因子的環境中培養,體外成熟培養,然后進行體外受精及早期胚胎體外培養,評估卵母細胞受精及受精卵發育至2細胞、桑葚胚、囊胚的能力。
3.4細胞增殖和囊胚細胞凋亡的評價
培養液中添加卵巢因子,體外培養早期胚胎,收集擴展囊胚,使用TUNEL法處理細胞,評估卵巢因子對細胞增殖和細胞凋亡的影響,通過卵巢因子抗體進一步驗證卵巢因子的作用。
4存在問題
雖然目前人們研究發現了許多卵巢因子,并對卵巢因子在卵母細胞發育中的調控作用開展了大量研究,也取得了一些研究成果,但這些研究大多集中在卵母細胞核成熟階段(GVBD和第一極體釋放),對卵巢因子在卵母細胞發育后期的研究較少,從胚胎發生及早期胚胎發育角度研究卵巢因子的自分泌/旁分泌調控作用及其機制的報道不多[6,16]。同時,大多研究只是涉及單一卵巢因子對卵母細胞發育的影響,對不同卵巢因子在卵母細胞發育調控過程中是互相協同、階段性分工還是互相拮抗認識不清,對包括BDNF、GDNF、INSL3和Endothelin-1在內的卵巢因子,在卵母細胞發育調控過程中的相互作用還有待進一步研究。
參考文獻:
[1] KIM K, FUJIMOTO V Y, PARSONS P J,et al. Recent cadmium exposure among male partners may affect oocyte fertilization during in vitro fertilization(IVF)[J]. J Assist Reprod Genet,2010,27(8):463-468.
[2]ESTEVES T C, BALBACH S T, PFEIFFER M J, et al. Somatic cell nuclear reprogramming of mouse oocytes endures beyond reproductive decline[J]. Aging Cell,2011,10(1):80-95.
[3] DEY S K,LIM H,DAS S K,et al. Molecular cues to implantation[J]. Endocr Rev, 2004,25(3):341-373.
[4] PARK J Y,SU Y Q,ARIGA M, et al. EGF-like growth factors as mediators of LH action in the ovulatory follicle[J]. Science,2004,303(5658):682–684.
[5] KAWAMURA K, KUMAGAI J, SUDO S,et al. Paracrine regulation of mammalian oocyte maturation and male germ cell survival[J]. ProcNatl Acad Sci USA,2004,101(19):7323-7328.
[6] KAWAMURA K, YE Y, KAWAMURA N, et a1. Completion of meiosis I of preovulatory oocytes and facilitation of preimplantation embryo development by glial cell line-derived neurotrophic factor[J]. Dev Biol,2008,315(1):189-202.
[7] EPPIG J J. Coordination of nuclear and cytoplasmic oocyte maturation in eutherian mammals[J]. Reprod Fertil Dev,1996,8(4):485-489.
[8] FULKA J R, FIRST N L, MOOR R M. Nuclear and cytoplasmic determinants involved in the regulation of mammalian oocyte maturation[J]. Mol Hum Reprod,1998,4(1):41-49.
[9] GILULA N B, EPSTEIN M L, BEERS W H. Cell-to-cell communication and ovulation. A study of the cumulus-oocyte complex[J]. J Cell Biol,1978,78(1):58-75.
[10] HARDY K, SPANOS S. Growth factor expression and function in the human and mouse preimplantation embryo[J]. J Endocrinol,2002,172(2):221-236.
[11] HASHIMOTO Y,ABIRU Y, NISHIO C,et al. Synergistic effects of brain-derived neurotrophic factor and ciliary neurotmphic factor on cultured basal forebrain cholinergicneurons from postnatal 2-week-old rats[J]. Brain Res Dev Brain Res,1999,115(1):25-32.
[12] MULLER D, DJEBBARA–HANNAS Z, JOURDAIN P, et a1. Brain-derived neurotrophic factor restores long-term potentiation in polysiulic acid-neural cell adhesion molecule-deficient hippocampus[J]. Prec Natl Acad Sci USA,2000,97(8):4315-4320.
[13] JENSENT, JOHNSON A L. Expression and function of brain-derived neurotrophin factor and its receptor, TrkB, in ovarian follicles from the domestic hen (Gallus gallus domesticus) [J]. J Exp Biol,2001,204:2087-2095.
[14] SEIFER D B, FENG B, SHELDEN R M, et al. Brain-derived neurotrophic factor: a novel human ovarian follicular protein [J]. J Clin Endocrinol Metab, 2002,87(2):655-659.
[15] OJEDA S R, ROMERO C, TAPIA V, et al. Neurotrophic and cell-cell dependent control of early follicular development [J]. Mol Cell Endocrinol, 2000, 163(1-2):67-71.
[16] KAWAMURA K, KAWAMURA N, MULDERS S M, et al. Ovarian brain-derived neurotrophic factor (BDNF) promotes the development of oocytes into preimplantation embryos[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102(26):9206-9211.
[17] ZHAO P, QIAO J, HUANG S, et al. Gonadotrophin-induced paracrine regulation of human oocyte maturation by BDNF and GDNF secreted by granulosa cells[J]. Hum Reprod, 2011,26(3):695-702.
[18] AIRAKSINEN M S, SAARMA M. The GDNF family: signalling, biological functions and therapeutic value[J]. Nat Rev,Neurosci,2002,3(5):383-394.
[19] LIN L F, DOHERTY D H, LILE J D, et al. GDNF: a glial cell line-derived neurotrophic factor for midbrain dopaminergic neurons[J]. Science,1993,260(5111):1130-1132.
[20] SAARMA M, SARIOLA H. Other neurotrophic factors: glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF)[J]. Microsc Res Tech,1990,45(4-5):292-302.
[21] TRUPP M, RYDEN M, Jornvall H, et a1. Peripheral expression and biological activities of GDNF, a new neurotrophic factor for avian and mammalian peripheral neurons[J]. J Cell Biol,1995,130(1):137-148.
[22] MENG X, LINDAHl M, HYVONEN M E, et al. Regulation of cell fate decision of undifferentiated spermatogonia by GDNF[J]. Science, 2000, 287(5457):1489-1493.
[23] BRINSTER R L. Male germline stem cells: from mice to men[J]. Science,2007,316(5823):404-405.
[24] IVELL R,BALVERS M,DOMAGALSKI R, et al. Relaxin-like factor:a highly specific and constitutive new marker for leydig cells in the human testis[J]. Mol Hum Reprod,1997,3(6):459-466.
[25] ZIMMERMANN S,SCHOTTLER P, ENGEL W, et al. Mouse Leydig insulin-like (Ley I-L) gene: structure and expression during testis and ovary development[J]. Mol Reprod Dev, 1997,47(1):30-38.
[26] BOITI C, GUELFI G, BRECCHIA G, et al. Role of the endothelin-1 system in the luteolytic process of pseudopregnant rabbits[J]. Endocrinology,2005,146(3):1293-1300.
[27] KAWAMURA K, YE Y, CHENG G L, et al. Paracrine regulation of the resumption of oocyte meiosis by endothelin-1[J]. Dev Biol, 2009,327(1):62-70.
[28] MEIDAN R, LEVY N. Endothelin-1 receptors and biosynthesis in the corpus luteum: molecular and physiological implications[J]. Domest Anim Endocrinol,2002,23(1-2):287-298.
[29] NOLL G, WENZEL R R, LUSCHER T F. Endothelin and endothelin antagonists: potential role in cardiovascular and renal disease[J]. Mol Cell Biochem,1996,157(1-2):259-267.
[30] OTANI H, YAMOTO M, FUJINAGA H, et al. Presence and localization of endothelin receptor in the rat ovary and its regulation by pituitary gonadotropins[J]. Eur J Endocrinol, 1996, 135(4):449-454.
[31] SINNER D, JAWERBAUM A, PUSTOVRH C, et al. Levels of endothelin-1 in embryos from control and neonatal streptozotocin-induced diabetic rats, and their relationship with nitric oxide generation[J]. Reprod Fertil Dev,2002, 14(1-2):23-28.
[32] ARAI H, HORI S, ARAMORI I, et al. Cloning and expression of a cDNA encoding an endothelin receptor[J]. Nature,1990,348(6303):730-732.
[33] SAKURAI T, YANAGISAWA M, TAKUWA Y,et al. Cloning of a cDNA encoding a non-isopeptide-selective subtype of the endothelin receptor[J]. Nature,1990,348(6303):732-735.