PI3K/Akt 信號通路對卵泡發育和卵母細胞成熟作用的研究進展

李嬌嬌，焦亞飛，石德順

（廣西大學動物科學技術學院，亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西南寧 530005）

哺乳動物生殖發育是繁衍后代的重要生理過程，其中卵泡發育和卵母細胞成熟是哺乳動物生殖的重要方面。卵泡是維持雌性哺乳動物卵巢功能的基本單元[1]，卵泡發育是一個連續的生長過程，起于胎兒時期。伴隨著卵泡發育，卵母細胞逐漸成熟，卵母細胞成熟可分為核成熟和質成熟；核成熟對于卵母細胞的受精和受精后胚胎的發育都非常重要，此過程主要包括同源染色體的配對及分離、生發泡的破裂和第一極體的排出；而細胞質成熟主要包括卵丘卵母細胞復合體（Cumulus Oocyte Complex，COCs）縫隙連接的改變和消失、細胞器形態及其位置的改變和蛋白質含量的積累[2]。卵母細胞成熟的質量對早期胚胎發育至關重要，然而由于體外培養獲得的卵母細胞與體內自然發育的卵母細胞相比質量較差[3]，最終會導致多精受精或雌性動物妊娠失敗，因此通過體外培養較高發育能力的卵母細胞來生產胚胎，需要深入了解卵母細胞的成熟機制。

PI3K/Akt 信號通路被認為是最重要的細胞內通路之一，它在癌癥、細胞增殖、胚胎干細胞和胚胎發生等生命過程中起著重要作用。近年來，越來越多的報道證實了PI3K/Akt 和一些下游效應分子組成的信號通路在卵泡形成、生長、排卵和黃體化過程中發生變化[4-5]，提示PI3K/Akt 信號通路對卵巢卵泡發育有重要作用。也有研究發現，PI3K/Akt 信號通路可以調節卵母細胞減數分裂事件，影響卵母細胞成熟能力，表明PI3K/Akt 信號通路參與調控卵母細胞的成熟[6]。本文綜述了PI3K/Akt 信號通路在卵泡發育和卵母細胞成熟方面的研究進展，為家畜繁殖機制研究提供理論參考。

1 PI3K/Akt 信號通路

1.1 PI3K/Akt 信號通路的組成 PI3K/Akt 信號通路由PI3K、中間效應因子、Akt 構成（圖1）。PI3K 是由PIK3CA/B/D/G和PIK3R1/2基因編碼的催化亞基和調控亞基組成，隨著受體酪氨酸激酶（RTKs）的激活，PI3K 將磷脂酰肌醇（4，5）-二磷酸（PIP2）磷酸化為磷脂酰肌醇（3，4，5）-三磷酸（PIP3）。PIP3 積累可以促進Akt 及其下游蛋白激活，如proline-riche Akt底物40（PRAS40）、結節性硬化癥復合物2（TSC2）和Forkhead Box O3A 轉錄因子（FOXO3A）等。Akt存 在PKBα、PKBβ、PKBγ3 個亞型，也叫Akt1、Akt2、Akt3，通常在Thr308 和Ser473 位點發生磷酸化，但也可以在其他位點發生磷酸化。

1.2 PI3K/Akt 信號通路的抑制劑和激活劑

1.2.1 PI3K 通路的抑制劑和激活劑 目前，許多針對PI3K 信號蛋白的單一抑制劑或激活劑藥物已經開發并應用于臨床前期研究，并取得了良好的治療效果，具體見表1。

表1 PI3K 通路的抑制劑和激活劑

1.2.2 Akt 通路的抑制劑和激活劑 Akt 是PI3K 信號傳導途徑中一個重要的下游靶點。PI3K 被激活后，其產物PIP2 及PIP3 與Akt 的PH 區結合，不僅導致Akt 從胞質轉位到胞膜，還可促其構象生變，得以在絲氨酸473（Serine 473，Ser473）和蘇氨酸308（Threonine 308，Thr308）2 個重要位點磷酸化激活，而且二者的磷酸化是Akt 激活的必要條件。目前針對Akt 信號蛋白，新型、有效的抑制劑和激活劑已進入臨床研究（表2）。

表2 Akt 通路的抑制劑和激活劑

1.3 PI3K/Akt 通路的轉導信號 Akt 磷酸化之后，繼續磷酸化下游的mTOR、GSK3、rs-1 等蛋白質，這些蛋白質具有調控細胞的生存生長、細胞代謝以及腫瘤細胞的發生和移位等重要作用。雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是Akt 下游信號傳導的重要傳遞者，在細胞增殖、凋亡和卵泡發育方面發揮重要作用。在減數分裂過程中，mRNA 翻譯在蛋白質合成中發揮重要作用。在體細胞中，mTOR 通過PI3K/Akt 途徑介導mRNA 的翻譯已經被證實[21]。mTOR 復合物1（mTORC1）的激活刺激S6 核糖體蛋白和真核起始因子4E，增加VEGF、FGF-2和Cyclin D1的翻譯[22]。在小鼠上，PI3K-Akt-mTOR 信號級聯反應調節卵母細胞減數分裂的起始，進而影響母體mRNA 的翻譯和早期胚胎的發育能力[23]。

此外，PI3K/Akt 信號通路與雌激素受體（Estrogen Receptor，ER）活性密切相關，兩者相互調控[24]。在缺乏雌激素的情況下，ER 與PI3K 調控亞基p85 的結合啟動了PI3K/Akt 通路；p-Akt 被認為可以磷酸化ER的絲氨酸167 位點（ser167），這提示存在ER-PI3K/Akt2-ER 通 路[24]。Bratton 等[25]研究了ER/PI3K/Akt對MCF-7 乳腺癌細胞存活的調控作用，發現ER 通過激活Akt 導致Bcl-2基因啟動子轉錄增強，最終導致Bcl-2 蛋白水平升高，揭示ER-PI3K-Akt 是一個完整的信號通路。

2 PI3K/Akt 信號通路對卵泡發育和卵母細胞成熟的影響

越來越多的研究表明PI3K/Akt 信號通路與卵巢功能相關，包括原始卵泡的募集、顆粒細胞（Granulosa Cells，GC）的增殖、黃體的形成及卵母細胞的成熟[26-27]。

2.1 PI3K/Akt 信號通路調控卵泡發育 卵泡閉鎖是動物卵泡發育過程中的一個選擇性過程，而顆粒細胞凋亡在這一過程中起著關鍵作用。Zhang 等[28]研究發現，赭曲毒素A（Ochratoxin A，OTA）通過PI3K/Akt 信號通路對顆粒細胞增殖和凋亡具有一定作用，OTA 主要是激活整合素家族成員Itgb1 和F2r，進而激活Pik3r1和Pik3r5，這2 個基因參與調控第二信使PIP3，導致PIP3發生磷酸化，激活PI3K/Akt 信號通路。在小鼠卵巢中，PTEN在小鼠卵母細胞中缺失導致泛卵泡的激活和卵母細胞的過早耗竭，而顆粒細胞特異性破壞并不影響卵泡的啟動生長，而是促進了GCs 增殖和促進排卵[29]。同時在卵巢卵泡發育過程中，PI3K 通路下游效應分子PTEN、TSC、FOXO3、P27表達增加使原始卵泡發育受阻，而PI3K、PDK1、Akt以及mTOR表達增加對原始卵泡的發育具有促進作用，這些效應分子在卵泡發育過程中起到重要作用，任何效應分子效應減弱都會導致卵巢早衰[30]。原始卵泡的募集受到顆粒細胞增殖、Notch 和PI3K/Akt 通路相互作用調控的影響[31]。卵泡的損失、維持和生長受到包括PI3K/Akt 信號在內的復雜分子的嚴格控制，PI3K 的刺激可促進Akt 磷酸化，促進卵泡存活和生長。

2.2 PI3K/Akt 信號通路調控卵母細胞成熟 在卵泡發生過程中，卵原細胞進行減數分裂，形成成熟的卵母細胞。在卵母細胞成熟方面，Tomek 等[32]分析了牛卵母細胞成熟（從前期I 向中期II 轉變）過程中Akt 的磷酸化模式和活性，發現Akt 在Thr 308 和Ser 473 位點發生磷酸化，在第1 次減數分裂中期（Metaphase I，MI）達到峰值，而在生發泡期（Germinal Vesicle，GV）和第2 次減數分裂中期（Metaphase II，MII），只觀察到兩側較低磷酸化水平，表明Akt 參與了牛卵母細胞減數分裂過程中MI/MII 的轉變。Feng 等[33]向卵母細胞注入mRNA Akt1-WT 和mRNA myr-Akt1，然后再將編碼野生型CDC25B（CDC25B-WT）和Akt-非磷酸化Ser351 的mRNA 注 入CDC25B 突變體（CDC25BS351A)，結果發現CDC25B-S351A 對Akt 的抑制作用較強，表明Akt 通過誘導CDC25 磷酸酶家族成員CDC25B 的Akt 依賴性磷酸化，引起成熟促進因子（Mitosis-Promoting Factor，MPF）的激活，并促進小鼠受精卵的發育。

Liu 等[34]探討了鈣調蛋白依賴性激酶II（calmodulindependent protein kinase II，CaMK II）對Akt1 的 潛在影響，發現抑制CaMKII 會增加二倍體的阻滯；利用小分子化合物KN-93、SH-6、LY294002 和PIP3 處理卵母細胞后，結果發現KN-93 下調了pCaMKII，降低了pAkt1（Ser473）的水平；SH-6 下調了pAkt1（Ser473），并重新排列了pCaMKII（Thr286）的分布；此外，外源性PIP3 顯著上調了GVBD 率，并增加了pCaMKII（Thr286）和pAkt1（Ser473）的水平；相反，LY294002 下調PIP3，降低GVBD 率，也降低了pCaMKII（Thr286）和pAkt1（Ser473）水平。

Song 等[6]在豬卵母細胞減數分裂過程中加入表皮生長因子（EGF）或抑制劑（wortmannin 和U0126）來調節激酶活性，研究了Akt 和ERK 信號通路的關系以及激酶調節對COCs 中細胞核和細胞質成熟的影響，首次發現抑制ERK 活性可負調控Akt 信號通路來提高豬卵母細胞成熟率。這些發現可能有助于在轉基因豬生產方面提高豬COCs 的發育能力和利用率，并提高對激酶參與相關的減數分裂事件的認識。Kalous 等[35]探討了Akt 在體外成熟的豬卵母細胞減數分裂過程中的調控作用，添加Akt 特異性抑制劑SH-6，不抑制GVBD，減數分裂的恢復速度明顯加快，Ser473 磷酸化水平未受影響；然而，Thr308 的磷酸化水平降低，Akt 活性在GVBD 時降低，并且在MI 期早期就阻止了減數分裂進程；SH-6 處理的卵母細胞經過GVBD 處理后，細胞周期蛋白依賴性激酶1（CDK1）和MAP 激酶活性下降，說明Akt 活性參與了CDK1 和MAP 激酶的調控；結果表明，Akt 活性對豬卵母細胞GVBD 的誘導并不重要，但在減數分裂MI/MII 期起重要作用。

3 展 望

卵母細胞作為雌性生殖細胞直接影響哺乳動物的繁殖能力，近年來卵母細胞成熟和卵泡發育已成為研究的熱點，然而卵母細胞成熟和卵泡發育的機制還不完善。PI3K/Akt 信號通路是動物體內生殖細胞發育的重要信號通路，對于其在動物繁殖方面的研究越來越多，尤其是卵泡發育和卵母細胞成熟，而且在不同物種間也進行了初步研究。未來還需要深入探究PI3K/Akt 信號通路不同效應因子在卵泡發育和卵母細胞成熟方面的調控機制。通過這些研究將為完善家畜繁殖機制、提高家畜繁殖力奠定理論依據。