卵巢細胞線粒體動力學變化與多囊卵巢綜合征

李威，樊銳鋒，徐邱鴻，陳靜，吳效科，匡洪影，王英驥，李妍

多囊卵巢綜合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是最常見的女性內分泌疾病之一，按照鹿特丹診斷標準，女性人群中PCOS 患病率約為5%～10%[1]。有研究表明，PCOS 患者卵巢顆粒細胞內活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平及細胞內線粒體去極化水平較正常細胞升高，細胞內線粒體DNA（mitochondrial deoxyribonucleic acid，mtDNA）拷貝數顯著降低[2]，提示PCOS 患者卵巢細胞的線粒體功能可能存在異常。

線粒體功能的變化不僅會對卵巢細胞的生存能力產生影響，還會進一步影響卵巢細胞的生殖內分泌功能，并可能是造成PCOS 患者代謝及生殖功能異常的重要潛在因素。在正常細胞內，線粒體依附于細胞骨架，通過相互融合形成穩定的網狀結構，以分裂/融合的動態平衡調節機制清除功能異常的線粒體，維持細胞內線粒體的相對穩定。線粒體分裂/融合的動力學平衡對維持正常線粒體功能至關重要，而在PCOS 患者顆粒細胞中發現了調節線粒體分裂關鍵蛋白[如動力相關蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）]磷酸化及線粒體融合關鍵調節蛋白[如線粒體融合蛋白（mitofusin，Mfns）]、視神經萎縮因子1（optic atrophy 1，OPA1）表達水平異常、mtDNA 突變率增高、線粒體聚集狀態異常[3]等細胞學變化，表明PCOS 患者細胞內線粒體分裂/融合的動態平衡可能已經發生了改變。這種改變可能造成卵巢細胞對功能異常線粒體的清除能力降低，很可能是導致線粒體基因組異常突變在細胞內積累的關鍵因素。

1 線粒體動力學平衡及其對卵巢功能的影響

線粒體是細胞內與能量代謝關系密切的細胞器，是細胞進行氧化呼吸并產生能量物質的場所，也是細胞內ROS 的主要來源。由于mtDNA 與氧化呼吸鏈物理位置上的接近以及mtDNA 缺乏組蛋白的保護，導致呼吸鏈產生的ROS 不可避免地對mtDNA及線粒體的膜結構造成損傷。通常情況下，這些受損線粒體在細胞內是通過線粒體分裂/融合的動力學機制及線粒體自噬機制進行清除。細胞內線粒體分裂/融合過程在細胞核編碼因子的調控下，2 個互相靠近的線粒體的外膜及內膜分別發生融合。線粒體的融合不僅使不同的線粒體共享線粒體內容物及共同使用mtDNA，還對維持線粒體結構和功能的穩定起重要作用。線粒體分裂也受細胞核調控，是線粒體清除受損脂膜及突變mtDNA 的重要機制。當線粒體膜結構發生損傷或基因組發生異常突變時，分裂機制就會啟動。此時發生損傷的線粒體先解除融合，從線粒體網架結構中脫離出來，這個解除融合的線粒體在線粒體分裂相關因子的調控下分裂為2 個獨立的線粒體。在此過程中，受損的脂膜及發生突變的mtDNA 集中于其中一個分裂后的線粒體中，隨后這個線粒體經由線粒體自噬機制清除，剩下的功能正常的線粒體則重新與線粒體網絡融合[3]。線粒體的分裂過程并不會使線粒體的數目增加，所以線粒體的分裂機制是清除受損及功能異常線粒體的重要途徑，而非線粒體的增殖機制。

卵巢組織中線粒體動力學平衡的相對穩定，對維持卵巢器官的功能十分重要。研究表明，參與線粒體分裂的關鍵因子Drp1 在果蠅卵巢細胞的早期分化過程中起重要的調節作用，而線粒體動力學平衡的異常則會顯著提高果蠅卵巢細胞凋亡比例，對卵巢器官的生殖功能產生不良影響[4]。而在哺乳動物中，調控線粒體融合相關因子的缺失會導致卵泡停滯在次級卵泡階段無法繼續發育，從而造成卵巢儲備功能下降[5]。線粒體動力學平衡的變化不僅會影響卵泡發育，同時也會對卵細胞的發育過程產生影響。由于哺乳動物卵細胞內線粒體的數目會隨著卵細胞的發育階段不同而發生相應變化，故線粒體動力學平衡的穩定對保證卵細胞的正常發育可能起到更加重要的作用[6]。研究表明，肥胖女性生育能力降低可能與卵細胞及著床前胚胎細胞中線粒體動力學平衡的異常有關[7]。而與線粒體分裂相關的關鍵因子Drp1 則在維持線粒體功能的穩定及保護小鼠卵子的發育能力方面發揮重要的調節作用[8]。上述研究結果表明，卵巢細胞線粒體動力學平衡的相對穩定對維持卵巢功能有著重要的作用。

2 線粒體功能異常對PCOS 患者卵巢功能的影響

線粒體動力學變化的直接影響是使細胞線粒體膜結構受損及突變DNA 在細胞內積聚，進而導致線粒體功能異常。對卵巢細胞而言，線粒體功能的變化與細胞的胰島素敏感性及卵細胞發育能力的降低之間都存在著密切的聯系。

胰島素抵抗是PCOS 患者的典型并發癥之一，線粒體功能的變化對細胞的胰島素敏感性起到重要的調節作用。相關機制的研究也表明，使用地塞米松引發線粒體功能異常后，脂肪細胞的胰島素敏感性發生了顯著變化[9]；而應用輔酶Q 增強線粒體功能后無論是胰島素抵抗的模型細胞還是模型動物的胰島素抵抗程度都有不同程度的緩解[10]。這些研究都表明，線粒體功能的變化與細胞的胰島素敏感性關系密切。

線粒體功能的變化不僅使得細胞氧化磷酸化及脂肪酸氧化過程受阻，更重要的是導致細胞內的ROS 水平異常升高。過高的細胞內ROS 水平可能會進一步加劇線粒體DNA 的異常突變，而這種線粒體DNA 編碼的異常會進一步異化線粒體的功能，導致更多的ROS 產生。研究表明，PCOS 患者卵巢顆粒細胞內線粒體來源的ROS 水平及卵巢顆粒細胞線粒體去極化水平均遠高于正常人群[11]，同時在PCOS 患者的骨骼肌細胞中，還發現多個由mtDNA 編碼的關鍵蛋白表達水平降低[12]，這說明PCOS 患者細胞內的線粒體功能可能已經發生了改變。還有多項研究表明，卵泡膜細胞及卵巢顆粒細胞的胰島素抵抗會直接對細胞的甾體激素合成能力產生影響[13-14]，而線粒體又是細胞內甾體激素合成的重要場所，據此推測，卵巢細胞的線粒體功能異常可能是造成PCOS 患者卵巢甾體激素分泌異常的重要原因。

排卵功能異常也是PCOS 患者的主要臨床表現之一，約有75%的PCOS 患者臨床表現為月經稀發及無排卵。PCOS 患者排卵功能異常可能與細胞線粒體功能異常引起的卵泡發育異常及卵細胞發育潛力異常有關。有研究表明，PCOS 患者卵丘細胞中的ROS 水平[11]及PCOS 患者卵巢顆粒細胞線粒體去極化水平[15]均高于正常人群，與之相伴的是線粒體生物合成能力的降低及較低的mtDNA 拷貝數[2]。這說明PCOS 患者卵泡內顆粒細胞線粒體功能可能發生了變化，而卵巢顆粒細胞線粒體功能的異化將直接導致顆粒細胞增殖功能及維持卵子發育的能力降低，最終造成卵泡閉鎖及無排卵。在對PCOS 模型動物卵細胞線粒體結構及功能的研究中發現，PCOS 模型動物卵細胞第一極體排出率、胚胎發育能力及囊胚發育率均顯著降低，卵子細胞中線粒體聚集形態明顯異常、線粒體膜電位及mtDNA 拷貝數均較正常對照大鼠顯著降低[16]。這些研究結果提示，在PCOS患者卵巢組織中，線粒體功能異常可能不僅局限于卵巢組織的體細胞中，功能異常的線粒體也可能通過卵子的形成過程分布于卵子細胞中，從而對卵子的發育潛能產生直接的負面影響[15]，而PCOS 患者排卵稀發的臨床表現可能是患者卵泡組成細胞及卵細胞功能異常所導致的最終結果。

3 線粒體動力學平衡異常可能是導致PCOS 患者卵巢細胞功能異常的關鍵因素

PCOS 患者細胞內功能異常線粒體的集聚預示著細胞內清除異常線粒體的分裂/融合動力學平衡機制及線粒體自噬機制可能發生了異常。有研究表明，PCOS 患者卵巢組織中與線粒體自噬相關的ATG9、ATG12、NIX、PARKIN 等因子均呈高表達狀態[3]，據此推測，細胞內功能異常的線粒體應該被細胞內增強的線粒體自噬機制清除，而不是在細胞內集聚。由于線粒體分裂/融合的動力學平衡是細胞清除異常線粒體的前提，推測PCOS 患者卵巢細胞線粒體動力學平衡可能發生了變化。

有研究表明，PCOS 患者血小板中Drp1 蛋白Ser637 位點的磷酸化水平顯著降低[17]，提示PCOS 患者線粒體動力學平衡可能發生了變化。當調控線粒體分裂的因子由于磷酸化水平降低而功能弱化后，線粒體通過分裂機制清除功能異常結構及突變mtDNA 的功能就會相應降低，使線粒體去極化水平升高及線粒體來源的ROS 生成量提高。過高的ROS水平不僅會引起細胞內自噬因子表達水平的上升，還將進一步誘發mtDNA 的突變，并引發mtDNA 的碎片化崩解，從而造成了PCOS 卵巢細胞mtDNA 拷貝數的降低。此時，由于細胞內Drp1 磷酸化水平降低使線粒體分裂能力減弱，融合能力增強。有研究表明，細胞線粒體通過加強相互融合能夠在一定程度上抵抗線粒體自噬，這種現象在處于饑餓、高血糖、高胰島素等不良環境中的細胞中都有所發現[18]。而過度融合的線粒體可能通過干擾PINK1 蛋白在線粒體內的定位抑制線粒體自噬的發生。在膜電位正常的線粒體中，PINK1 蛋白能夠穿入線粒體內膜并在線粒體基質中被降解，從而無法與PARKIN 蛋白結合來誘發線粒體自噬[19]；在發生去極化的功能異常線粒體中，由于膜電位的變化PINK1 蛋白無法進入線粒體內膜從而分布于線粒體外膜，與PARKIN蛋白結合引發線粒體自噬。而在處于過度融合狀態的線粒體中，由于融合狀態下各線粒體mtDNA 及內容物的共享機制，可能使PINK1 蛋白從去極化水平較低的線粒體中更容易進入線粒體基質，導致蛋白降解比例升高，抑制了線粒體自噬的發生。此時卵巢細胞由于分裂機能的弱化導致線粒體功能異常，處于一種“低能”的狀態，導致細胞的增殖能力不可避免地受到抑制，從而進一步影響卵泡發育。由此推測，卵巢細胞內線粒體功能異常就可能使PCOS 患者的卵巢呈現出卵泡發育受阻與卵泡閉鎖功能降低共存的狀態。而在PCOS 患者卵巢顆粒細胞及PCOS模型動物卵細胞中發現的線粒體集聚狀態的異常，也在一定程度上佐證了PCOS 患者卵巢細胞線粒體動力學平衡可能發生了變化[20-21]。

4 PCOS 患者卵巢細胞線粒體動力學平衡變化的可能原因

在生物體內，線粒體動力學平衡受到多種因素及信號通路的調節，其中包括磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B，PI3K/AKT）通路。研究表明，PI3K/AKT 信號通路的激活能夠提高線粒體的活性，參與卵巢癌細胞[22]及軟骨細胞[23]中線粒體分裂/融合動態平衡的調控。研究表明，PCOS 患者卵巢組織中存在著PI3K 通路功能的異常[24]。因此推測卵巢細胞中PI3K 信號通路活性的變化可能與PCOS 卵巢細胞線粒體動力學平衡的變化有關。

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）是PI3K 通路下游受AKT 磷酸化調控的細胞因子，是一種以哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）分子為核心形成的蛋白復合體。多項研究表明，mTORC1 對細胞線粒體動力學平衡的穩定具有重要的調節作用。mTORC1 能夠促進線粒體分裂調控因子Drp1 的磷酸化導致線粒體分裂，加速細胞內功能異常的線粒體及突變的mtDNA 的清除[25]。而在細胞內mTOR 因子的表達水平則受到PI3K/AKT 信號通路的調節，在PI3K 信號通路受到抑制的情況下mTOR 因子的表達水平也會隨之下降[26]。

在PCOS 患者卵巢細胞中，PI3K/AKT 因子的活性顯著降低，這不僅使卵巢細胞胰島素敏感性下降，也導致PCOS 患者卵巢組織中mTORC1 的蛋白表達水平降低[27]，從而可能對線粒體的動力學平衡產生影響。研究表明，使用硫酸脫氫表雄酮（dehydroepiandrosterone sulfate，DHEA-S）[28]及來曲唑[29]誘導的PCOS 模型大鼠卵巢組織中均發現mTORC1 蛋白及磷酸化蛋白表達水平下降。使用雷帕霉素（Rapamycin）抑制圍生期小鼠卵巢mTORC1的表達水平后，出生后小鼠卵巢的卵泡募集能力顯著降低，同時竇卵泡比例顯著降低而始基卵泡比例顯著增加[30]，這一現象也與線粒體動力學平衡紊亂后卵巢內細胞分化異常、卵泡發育受阻的研究結果相似[4-5]，提示mTORC1 表達水平降低所引起的卵巢功能異常很可能與其對線粒體動力學平衡的影響有關。雖然對PCOS 患者及模型動物中胰島素信號通路對卵巢細胞線粒體動力學影響的直接研究尚少見報道，但基于PI3K/AKT 信號通路對mTORC1 因子的調節作用以及mTORC1 對線粒體動力學平衡的調節作用，可以推測PCOS 患者卵巢功能的異常很可能與卵巢胰島素信號異常引起的線粒體動力學平衡的變化有關。而線粒體動力學平衡的異常則可能導致卵巢細胞異常線粒體清除功能的弱化，進而引起細胞內線粒體來源的ROS 水平升高、細胞自噬機制激活等細胞功能改變。

5 基于調節線粒體功能緩解PCOS 臨床表征的應用現狀

雖然PCOS 患者卵巢細胞線粒體動力學平衡的變化可能在PCOS 的疾病成因中起到重要作用，但目前還沒有開發出針對細胞線粒體動力學方面可用于臨床治療的相關療法及藥物。目前針對PCOS 患者線粒體功能的變化，臨床治療主要以調節患者體內ROS 水平及緩解胰島素抵抗程度為主。基于此，各種抗氧化藥物逐漸成為治療PCOS 臨床表現的新的研究方向。有研究表明，同時口服維生素D 及omega-3 脂肪酸能夠顯著降低PCOS 患者血清ROS水平，并降低PCOS 患者血清總睪酮水平[31]。而維生素D3還能夠顯著提高PCOS 患者卵巢顆粒細胞線粒體生物合成能力及mtDNA 的拷貝數，提示其可能通過改善卵泡發育調節PCOS 患者的生育能力[32]。除了維生素D，輔酶Q10 口服8～10 周也能夠顯著改善肥胖小鼠卵細胞中線粒體的異常分布，并降低模型動物的胰島素抵抗水平[33]。關于胰島素增敏劑對PCOS療效的研究重點多集中于藥物對患者胰島素抵抗水平、代謝綜合征的緩解程度等方面。直接評估胰島素增敏劑對卵巢細胞線粒體功能調節的研究尚鮮有報道，但基于胰島素信號通路能夠調節細胞線粒體功能這一事實，以及噻唑烷二酮類藥物能夠調節線粒體動力學平衡治療神經退行性疾病的研究結果[34]，推測胰島素增敏劑也很可能通過影響卵巢細胞及生殖細胞的線粒體活性對PCOS 患者的生殖功能起到調節作用。目前，越來越多的學者將研究的重點轉移到胰島素增敏劑對代謝綜合征患者線粒體功能的影響，并認為線粒體功能的變化是藥物改善患者代謝異常的潛在機制。有研究表明，吡格列酮能夠提高PCOS 患者骨骼肌細胞中線粒體的生物合成及氧化磷酸化相關因子的表達水平[35]。而基于胰島素增敏劑能夠在一定程度上改善PCOS 患者生殖功能異常的臨床表現這一研究共識，推測胰島素增敏劑也可能對PCOS 患者生殖細胞的線粒體功能產生影響，進而通過改善細胞異常的線粒體活性起到治療作用。

6 結語與展望

PCOS 不僅影響患病女性的生殖健康，還會誘發代謝綜合征等并發癥，從而對患者的生存質量產生不良影響。雖然目前相關的研究結果已經提示，PCOS患者卵巢細胞線粒體動力學平衡的異常與PCOS 患者生殖功能異常之間存在密切的聯系，并可能是PCOS患者胰島素抵抗與生殖功能異常的關鍵節點，但對線粒體動力學異常發生的機制及針對這一機制開發的臨床治療方案還有待進一步深入研究。有關卵巢細胞線粒體動力學與PCOS 發癥機制的研究，對進一步深入PCOS 發病機制的認識及研發治療PCOS相關并發癥的治療方案具有重要意義。