線粒體功能障礙在多囊卵巢綜合征及其并發(fā)癥中的研究進(jìn)展

姬銳，楊菁

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心 湖北省輔助生殖與胚胎發(fā)育醫(yī)學(xué)臨床研究中心，武漢 430060)

多囊卵巢綜合征(PCOS)是一種常見且病因復(fù)雜的生殖內(nèi)分泌與代謝性疾病，在我國(guó)漢族育齡期婦女中的患病率為5.6%，是女性不孕的主要原因之一[1-2]。PCOS的臨床表現(xiàn)呈異質(zhì)性，主要特征為高雄激素血癥、月經(jīng)異常及排卵障礙，可伴有胰島素抵抗(IR)、血脂異常等并發(fā)癥，而且其2型糖尿病(T2DM)、心血管疾病(CVD)等遠(yuǎn)期并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)顯著升高，嚴(yán)重影響患者的身心健康[3-4]。雖然PCOS的病因尚不明確，但已有研究證實(shí)，線粒體作為細(xì)胞能量代謝中心，其結(jié)構(gòu)和功能異常與PCOS的病理生理改變及并發(fā)癥的發(fā)生密切相關(guān)[5]。本文就線粒體功能障礙在PCOS及其并發(fā)癥中的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，以期為探索PCOS的發(fā)病機(jī)制和治療靶點(diǎn)提供依據(jù)。

一、線粒體的生物學(xué)特性

線粒體是真核生物細(xì)胞中高度動(dòng)態(tài)變化的細(xì)胞器，在多種蛋白的精確調(diào)控下持續(xù)進(jìn)行分裂和融合[6]。線粒體擁有獨(dú)立的基因組——線粒體DNA(mtDNA)，呈雙鏈環(huán)狀，輕鏈(L鏈)富含胞嘧啶，重鏈(H鏈)富含鳥嘌呤。人類mtDNA有16 569對(duì)堿基對(duì)，包含37個(gè)基因，28個(gè)基因在H鏈上，9個(gè)基因在L鏈上，其中13個(gè)基因編碼線粒體呼吸鏈復(fù)合物的亞基，22個(gè)基因編碼線粒體-轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(mt-tRNA)、2個(gè)基因編碼核糖體RNA(16Sr RNA和12Sr RNA)，mtDNA的復(fù)制不受細(xì)胞周期的限制[7-8]。

線粒體是細(xì)胞氧化磷酸化的主要場(chǎng)所。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體(FADH2)在電子傳遞鏈(ETC)上的呼吸鏈復(fù)合體的共同作用下，將氧還原并釋放能量，使腺嘌呤二核苷酸氧化磷酸化，生成腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)。此外，線粒體在鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞新陳代謝、血紅素和類固醇合成以及細(xì)胞凋亡過程中也發(fā)揮重要的作用[9]。

二、線粒體功能障礙

線粒體是細(xì)胞的產(chǎn)能工廠，提供細(xì)胞生命活動(dòng)所需的能量。然而膜結(jié)構(gòu)破壞、呼吸鏈復(fù)合體受損、酶活性降低、mtDNA突變等因素均可影響線粒體的功能，從而導(dǎo)致能量代謝障礙。線粒體功能障礙會(huì)導(dǎo)致呼吸鏈產(chǎn)能減少，膜通透性發(fā)生改變，含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)、Bax等凋亡相關(guān)因子釋放，細(xì)胞氧化應(yīng)激水平異常升高，最終導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡[10]。

線粒體功能障礙的可能機(jī)制主要包括mtDNA突變、線粒體生物合成減少以及氧化應(yīng)激水平異常升高。mtDNA位于線粒體基質(zhì)及內(nèi)膜上，為裸露的環(huán)狀雙鏈結(jié)構(gòu)，缺乏組蛋白的保護(hù)，且線粒體內(nèi)膜上的ETC持續(xù)產(chǎn)生活性氧(ROS)，長(zhǎng)期暴露于高氧化環(huán)境中，使其比核DNA更易發(fā)生突變，從而導(dǎo)致線粒體功能紊亂[11]。線粒體生物合成是細(xì)胞滿足自身能量需求，維持線粒體質(zhì)量與功能穩(wěn)態(tài)的重要途徑。過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(PGC-1α)是線粒體生物合成的主要調(diào)節(jié)劑，PGC-1α及其相關(guān)信號(hào)通路的下調(diào)會(huì)導(dǎo)致線粒體生物合成減少，使線粒體合成ATP能力受損[12]。線粒體在產(chǎn)能的同時(shí)還生成ROS，ROS在抗氧化酶的作用下轉(zhuǎn)化為水；但當(dāng)ROS產(chǎn)生過量，超出細(xì)胞自凈能力的時(shí)候則會(huì)導(dǎo)致線粒體膜通透性改變，激活凋亡相關(guān)因子并最終導(dǎo)致線粒體自噬以及細(xì)胞的凋亡。ROS介導(dǎo)的氧化損傷可能導(dǎo)致mtDNA的堿基發(fā)生替換、錯(cuò)義突變和缺失，進(jìn)一步導(dǎo)致線粒體功能障礙[13]。已有研究表明，線粒體功能障礙與癌癥、衰老和眾多代謝性疾病的發(fā)生有關(guān)[14]。

三、線粒體功能障礙與PCOS及其并發(fā)癥

線粒體結(jié)構(gòu)與功能的異常與氧化應(yīng)激密切相關(guān)，可以導(dǎo)致許多氧化應(yīng)激相關(guān)疾病[15]。氧化應(yīng)激是PCOS的潛在病因之一，PCOS患者血清中的8-羥基-2′-脫氧鳥苷(8-OHdG)和丙二醛(MDA)水平顯著高于健康人群，氧化應(yīng)激作為關(guān)鍵因素參與PCOS的病理生理改變[16-17]。mtDNA拷貝數(shù)是判斷線粒體功能的參考指標(biāo)，mtDNA拷貝數(shù)降低會(huì)引起線粒體功能障礙。有研究表明，mtDNA拷貝數(shù)在PCOS患者中顯著降低，而線粒體功能障礙會(huì)導(dǎo)致ROS生成增多，氧化與抗氧化反應(yīng)失衡，進(jìn)而引起PCOS的一系列病理生理變化[18-19]。此外，線粒體功能障礙與PCOS患者高雄激素血癥、IR、糖脂代謝異常以及T2DM等遠(yuǎn)期并發(fā)癥的發(fā)生與發(fā)展也密切相關(guān)，所以其在PCOS及其并發(fā)癥中的作用已受到人們廣泛關(guān)注[20]。

1.線粒體功能障礙與高雄激素血癥：高雄激素血癥是PCOS患者最典型的臨床表現(xiàn)，通過引起IR、高胰島素血癥、LH與FSH比例失衡、顆粒細(xì)胞功能受損、卵泡發(fā)育異常、血脂異常等病理生理改變促進(jìn)PCOS的發(fā)展[21]。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究者對(duì)妊娠大鼠注射二氫睪酮(DHT)模擬PCOS表型后取出其子宮組織，發(fā)現(xiàn)mtDNA拷貝數(shù)和負(fù)責(zé)線粒體融合、裂變及生物合成的基因表達(dá)發(fā)生改變，ROS的產(chǎn)生以及核因子E2相關(guān)因子2(NRF2)信號(hào)通路相關(guān)的抗氧化反應(yīng)受到抑制，這表明，線粒體功能障礙及ROS異常可能導(dǎo)致高雄激素血癥及IR模型大鼠的子宮功能出現(xiàn)缺陷[22]。Mishra等[23]發(fā)現(xiàn)，DHT誘導(dǎo)的PCOS大鼠血清雄激素水平升高，胰島素分泌增多，并存在ADP/ATP升高、mtDNA拷貝數(shù)下降、ROS產(chǎn)生增加，線粒體生物減少等線粒體功能障礙。以上動(dòng)物模型研究表明，線粒體功能障礙可能與PCOS高雄激素血癥中生殖系統(tǒng)及內(nèi)分泌的異常改變有關(guān)。

2.線粒體功能障礙與IR：IR是胰島素促進(jìn)器官及組織細(xì)胞攝取及利用葡萄糖的效率降低，機(jī)體代償性分泌過多胰島素以維持血糖穩(wěn)定的一種病理狀態(tài)。IR是PCOS的主要內(nèi)分泌特征，大多數(shù)PCOS患者存在IR[24]。IR所致血漿中高胰島素及高糖水平可引發(fā)代謝綜合征及T2DM。一項(xiàng)研究對(duì)80位存在IR的PCOS患者進(jìn)行基因篩查，發(fā)現(xiàn)了9個(gè)mt-tRNA突變，患者8-OHdG、MDA和ROS水平顯著高于正常對(duì)照組，mtDNA拷貝數(shù)、線粒體膜電位和ATP水平顯著降低[25]。以上研究結(jié)果表明，mt-tRNA突變引起的線粒體功能障礙可能與PCOS患者發(fā)生IR有關(guān)。對(duì)脫氫表雄酮(DHEA)誘導(dǎo)的PCOS小鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PCOS小鼠出現(xiàn)全身和骨骼肌IR，骨骼肌中NAD+/NADH比例下降，ATP產(chǎn)生顯著減少，表明PCOS小鼠骨骼肌線粒體受損；該研究提示線粒體功能損傷參與了DHEA誘導(dǎo)的PCOS小鼠骨骼肌IR的發(fā)病過程[26]。Konopka等[27]發(fā)現(xiàn)，肥胖的PCOS-IR女性存在線粒體功能紊亂，線粒體中過氧化氫(H2O2)產(chǎn)生增加，線粒體耦合效率受損；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以部分逆轉(zhuǎn)線粒體的功能紊亂，減少線粒體H2O2的產(chǎn)生，增加過氧化氫酶的抗氧化活性，使PCOS患者的胰島素敏感性得到改善。此研究表明，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中線粒體氧化還原效率的適應(yīng)性改變可能是改善PCOS女性胰島素敏感性的關(guān)鍵因素。目前PCOS患者發(fā)生IR的病因尚不明確，線粒體功能障礙在PCOS患者IR產(chǎn)生及發(fā)展中的作用仍需深入探究。

3.線粒體功能障礙與生殖功能：PCOS的典型臨床特征是排卵障礙。研究發(fā)現(xiàn)，PCOS患者卵泡液的MDA水平與胚胎質(zhì)量具有相關(guān)性[28]。在體外胚胎培養(yǎng)過程中使用針對(duì)線粒體的抗氧化劑米托醌可降低胚胎的氧化應(yīng)激水平，抑制卵母細(xì)胞線粒體解耦聯(lián)，降低胚泡凋亡水平，改善胚泡質(zhì)量，從而提高胚胎移植后妊娠成功率[29]。多藥耐藥轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MDR)存在于卵母細(xì)胞線粒體膜中，可以保護(hù)雌性配子免受氧化應(yīng)激損傷[30]。研究發(fā)現(xiàn)，雌性mdr1a突變型小鼠未成熟卵母細(xì)胞中的ROS長(zhǎng)期處于高水平狀態(tài)，三羧酸循環(huán)(TCA)代謝產(chǎn)物積累增多，線粒體膜電位下降，致使卵母細(xì)胞受損；這揭示了氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙與不孕癥的潛在關(guān)系[31]。線粒體需要通過融合與裂變維持其結(jié)構(gòu)的高度動(dòng)態(tài)變化。線粒體融合蛋白1(MFN1)和MFN2介導(dǎo)線粒體融合以及與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的相互作用[32]。卵母細(xì)胞中MFN1蛋白的缺失可以導(dǎo)致線粒體功能障礙和動(dòng)力學(xué)改變，造成神經(jīng)酰胺積累、細(xì)胞凋亡增加、卵母細(xì)胞-顆粒細(xì)胞通訊受損、鈣粘蛋白和連接蛋白下調(diào)，使卵泡發(fā)育停滯在次級(jí)卵泡階段，最終導(dǎo)致女性不孕[33]。卵母細(xì)胞中Mfn2基因的靶向缺失也會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙，影響卵泡發(fā)育以及卵母細(xì)胞的成熟，最終損害女性的生育能力；缺乏MFN2蛋白的卵母細(xì)胞端?？s短，細(xì)胞凋亡水平升高，繼而引起卵母細(xì)胞質(zhì)量下降和卵泡損傷，并最終導(dǎo)致生殖功能的衰退[34]。一項(xiàng)對(duì)多囊卵巢樣母豬卵母細(xì)胞mtDNA進(jìn)行的體外研究發(fā)現(xiàn)，其卵母細(xì)胞線粒體膜電位降低，線粒體超微結(jié)構(gòu)變形，編碼12S rRNA、16S rRNA和ND4的mtDNA高度甲基化，從而導(dǎo)致mtDNA拷貝數(shù)降低，mtDNA編碼基因的表達(dá)減少；該研究表明，mtDNA 的超甲基化可能導(dǎo)致PCOS的卵母細(xì)胞線粒體功能障礙和卵母細(xì)胞質(zhì)量下降[35]。以上研究均提示線粒體功能障礙在卵母細(xì)胞、卵泡發(fā)育異常及生殖功能衰退的過程中發(fā)揮重要作用。

4.線粒體功能障礙與代謝綜合征(METS)：METS是肥胖、高血壓、脂質(zhì)及糖代謝紊亂等病理狀態(tài)的綜合表現(xiàn)，是糖尿病及心腦血管疾病的危險(xiǎn)因素[36]。PCOS最常見的代謝異常是肥胖。研究發(fā)現(xiàn)，肥胖女性骨骼肌線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)耦合效率顯著低于正常女性，H2O2水平高于正常女性，說明肥胖女性存在線粒體功能受損、氧化應(yīng)激水平升高的病理改變[27]。在對(duì)某PCOS家系三代成員臨床及生化特征的研究中發(fā)現(xiàn)，該家系7位母系成員中有3位二代成員存在代謝綜合征的表現(xiàn)，包括肥胖、高甘油三酯(TG)、糖化血紅蛋白A1c(HbA1c)水平升高以及高血壓，1位三代成員被診斷為PCOS。對(duì)該家系線粒體基因組的分析發(fā)現(xiàn)患病成員mt-tRNA存在基因位點(diǎn)突變，分別為mtDNAC3275T、mtDNAT4363C和mtDNAA8343G，線粒體膜電位下降，mtDNA拷貝數(shù)減少，ATP產(chǎn)生減少，證明該家系線粒體基因突變引起的線粒體功能異常與METS和PCOS的發(fā)生相關(guān)[37]。動(dòng)物研究表明，DHT誘導(dǎo)的PCOS樣大鼠中出現(xiàn)非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)，其機(jī)制可能與肝臟線粒體功能障礙和肝細(xì)胞凋亡、自噬失衡有關(guān)[38]。以上研究初步探究了線粒體功能障礙對(duì)PCOS患者M(jìn)ETS發(fā)生的作用。

綜上所述，線粒體基因突變、mtDNA拷貝數(shù)降低、線粒體OXPHOS耦合效率降低及膜電位異常等多種因素導(dǎo)致的線粒體功能障礙均可引起氧化應(yīng)激水平升高，并最終導(dǎo)致PCOS患者激素紊亂、卵泡發(fā)育異常等病理生理改變以及IR、METS等相應(yīng)并發(fā)癥的產(chǎn)生。對(duì)線粒體功能障礙在PCOS發(fā)病機(jī)制中的作用仍需進(jìn)一步探究，以期為PCOS及其并發(fā)癥的治療提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。