線粒體自噬調(diào)節(jié)雌性動物生殖功能的研究進(jìn)展

房曉歡，李俊杰,2*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，保定 071000； 2.河北省牛羊胚胎技術(shù)創(chuàng)新中心，保定 071000)

線粒體是細(xì)胞進(jìn)行氧化代謝和能量轉(zhuǎn)化的重要場所，其正常形態(tài)及數(shù)量地維持對于細(xì)胞乃至整個機(jī)體生理活動至關(guān)重要。線粒體數(shù)量和質(zhì)量受精密的線粒體網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，通過不斷融合和分裂，達(dá)到線粒體動力學(xué)平衡[1]。當(dāng)細(xì)胞受到氧化應(yīng)激或其他外界刺激時極易對線粒體造成損傷，導(dǎo)致其功能障礙[2]。受損的線粒體會破壞線粒體穩(wěn)態(tài)，影響細(xì)胞的生命進(jìn)程，此時線粒體穩(wěn)態(tài)的平衡需要通過線粒體自噬實現(xiàn)[3]。線粒體自噬是一個依賴于溶酶體進(jìn)行的生理過程，可選擇性地清除受損或者功能障礙的線粒體，維持線粒體動態(tài)平衡[4-5]。當(dāng)細(xì)胞處于不利環(huán)境下，線粒體自噬還可以清除部分正常線粒體，減輕細(xì)胞運(yùn)行負(fù)擔(dān)[6]。卵母細(xì)胞的線粒體自噬水平直接影響其質(zhì)量，抑制線粒體自噬會導(dǎo)致線粒體異常積累和受精失敗[7]；而激活線粒體自噬則會延緩小鼠卵母細(xì)胞老化，提高卵母細(xì)胞發(fā)育能力[8]。本文從線粒體自噬對雌性動物生殖功能的影響及機(jī)制加以綜述，以期為提高雌性動物繁殖效率提供依據(jù)。

1 線粒體自噬的生理功能

1.1 線粒體自噬對線粒體的質(zhì)量調(diào)控

線粒體自噬在線粒體質(zhì)量控制中發(fā)揮著核心作用，研究表明，線粒體在不對稱分裂過程中可產(chǎn)生兩個具有不同膜電位的子代線粒體，其中，膜電位高的子代線粒體可以繼續(xù)執(zhí)行線粒體功能并進(jìn)行下一次分裂；而膜電位低的子代線粒體，為保護(hù)其余正常線粒體以及細(xì)胞免受活性氧(ROS)的損傷，則會通過線粒體自噬被清除[9-10]。線粒體自噬的目的是隔離并消除功能失調(diào)且具有潛在危害的線粒體[11]，反之，線粒體自噬異常會導(dǎo)致受損線粒體積累，引起細(xì)胞凋亡[12]?，F(xiàn)有研究表明，線粒體自噬觸發(fā)因素包括線粒體去極化[13]、ROS產(chǎn)生[14]及蛋白質(zhì)錯誤折疊[15]。常見的線粒體自噬效應(yīng)因子是PTEN誘導(dǎo)的假定激酶1(PINK1)，健康線粒體PINK1蛋白含量極低，但受損或去極化的線粒體因缺乏降解PINK1的能力，而將其作為底物，引發(fā)線粒體自噬[16-17]。線粒體自噬不僅可清除功能障礙的線粒體，還可促進(jìn)線粒體生物合成，有助于線粒體質(zhì)量控制，線粒體自噬和線粒體生物合成相互聯(lián)系，維持線粒體穩(wěn)態(tài)[18]。可見，線粒體自噬對線粒體的質(zhì)量控制具有重要作用。

1.2 線粒體自噬對細(xì)胞分化和發(fā)育的調(diào)控

在細(xì)胞分化和發(fā)育過程中，線粒體自噬可清除多余線粒體，調(diào)整線粒體數(shù)量以適應(yīng)細(xì)胞或組織需求。研究發(fā)現(xiàn)，紅細(xì)胞分化過程中，血紅蛋白介導(dǎo)的氧氣運(yùn)輸會受到氧化應(yīng)激的不利影響產(chǎn)生ROS，導(dǎo)致細(xì)胞損傷，而線粒體受體NIX介導(dǎo)的線粒體自噬可通過清除線粒體，抵抗氧化應(yīng)激，促進(jìn)紅細(xì)胞成熟[19-20]。線粒體自噬障礙的小鼠，由于紅細(xì)胞中線粒體未被清除而導(dǎo)致貧血[21]。另外，線粒體自噬還與父系線粒體清除有關(guān)，絕大多數(shù)哺乳動物線粒體DNA(mtDNA)為母系遺傳，受精后的胚胎內(nèi)線粒體基本都源于卵母細(xì)胞[22]，這是因為受精后父系線粒體及mtDNA會被選擇性降解[23]。Rojansky等[24]研究表明，小鼠卵母細(xì)胞受精后迅速誘導(dǎo)線粒體自噬，降解并清除了胚胎內(nèi)父系線粒體。

1.3 線粒體自噬對體細(xì)胞重編程的調(diào)控

線粒體自噬在體細(xì)胞重編程過程中發(fā)揮著重要作用，研究表明，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)的體細(xì)胞重編程伴隨著線粒體數(shù)量、結(jié)構(gòu)及功能的變化[25]。通常體細(xì)胞分化需要激活線粒體生物合成以增加線粒體含量，供能途徑從糖酵解轉(zhuǎn)化為氧化磷酸化；反之，體細(xì)胞重編程需要減少線粒體數(shù)量，供能途徑從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒鈁26-27]。研究發(fā)現(xiàn)，PINK1缺失的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(MEFs)重編程誘導(dǎo)的iPSC不能有效清除線粒體，導(dǎo)致此iPSC不穩(wěn)定，有自發(fā)分化的傾向，降低了iPSC重編程效率[28]。此外，NIX介導(dǎo)的線粒體自噬也與MEFs重編程有關(guān)，敲降NIX會降低重編程期間線粒體清除效率[29]?？梢?，線粒體自噬在調(diào)控體細(xì)胞重編程方面具有重要功能。

2 線粒體自噬對雌性動物主要生殖器官及其功能的影響

基于線粒體自噬的生理功能，線粒體自噬在細(xì)胞分化[30]、心血管疾病[31]、神經(jīng)退行性疾病[32]、癌癥[33]等眾多生理過程和疾病中已有深入研究。近年來，為提高雌性動物生殖功能，關(guān)于線粒體自噬對雌性動物生殖器官、卵母細(xì)胞及胚胎發(fā)育的影響越來越受到關(guān)注。

2.1 線粒體自噬對雌性動物生殖器官與組織的影響

2.1.1 線粒體自噬對卵巢的影響 卵巢是雌性動物的重要生殖器官，與卵母細(xì)胞質(zhì)量及母體妊娠直接相關(guān)。線粒體自噬與卵巢功能有密切聯(lián)系，可通過清除功能障礙的線粒體，調(diào)節(jié)卵泡發(fā)育，維持卵巢機(jī)能。研究顯示，促卵泡素(FSH)作為調(diào)節(jié)小鼠卵泡發(fā)育的主要激素，可通過激活線粒體自噬清除受損線粒體，減少卵泡閉鎖并促進(jìn)卵泡的生長發(fā)育[34]。多囊卵巢綜合征(PCOS)是女性常見的因內(nèi)分泌紊亂引起的疾病，可引起高血壓等并發(fā)癥，研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬是PCOS和高血壓間重要的共享通路[35]。如果因線粒體自噬障礙而損傷線粒體功能，則會導(dǎo)致患PCOS女性卵母細(xì)胞結(jié)構(gòu)改變[36]。另有研究發(fā)現(xiàn)，將丁酸鈉應(yīng)用于重組中國倉鼠卵巢細(xì)胞(rCHO)培養(yǎng)，可導(dǎo)致線粒體膜電位降低和自噬蛋白增加，并通過線粒體自噬降解受損線粒體[37]?？梢姡€粒體自噬對于卵巢相關(guān)疾病及卵泡發(fā)育有重要作用。

2.1.2 線粒體自噬對子宮與胎盤組織的影響 哺乳動物子宮和胎盤是維持胎兒生長發(fā)育的重要器官，線粒體自噬與二者的功能亦密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬可參與子宮內(nèi)膜異位癥的發(fā)生，線粒體自噬異?？梢鹧趸瘧?yīng)激，啟動caspase-9誘導(dǎo)的線粒體凋亡，促進(jìn)人子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞凋亡并限制其遷移[38]。另有研究發(fā)現(xiàn)，高雄激素血癥和胰島素拮抗誘發(fā)的妊娠子宮缺陷與mtDNA拷貝數(shù)、線粒體融合和分裂以及線粒體自噬相關(guān)基因的表達(dá)有關(guān)，通過基因間的互補(bǔ)和適應(yīng)性調(diào)節(jié)，緩解妊娠子宮線粒體功能障礙，以維持胎兒的正常發(fā)育[39]。此外，線粒體自噬與胎盤功能也有緊密聯(lián)系，人子癇前期的胎盤中神經(jīng)酰胺/BOK誘導(dǎo)線粒體分裂增加，產(chǎn)生大量線粒體片段，而線粒體自噬蛋白PINK1和Parkin表達(dá)升高表明，線粒體自噬可作為一種細(xì)胞防御機(jī)制降解子癇前期胎盤內(nèi)多余的線粒體[40]。同樣，二氧化鈦納米粒子處理后的人滋養(yǎng)層細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高，線粒體受損，影響胎盤功能，而PINK1和Parkin蛋白表達(dá)增加表明，線粒體自噬激活，有助于清除受損線粒體[41]。因此，線粒體自噬可通過清除受損線粒體，提高相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)來維持子宮及胎盤組織的正常功能。

2.2 線粒體自噬對卵母細(xì)胞與胚胎發(fā)育的影響

2.2.1 線粒體自噬對卵母細(xì)胞的影響 卵母細(xì)胞可通過線粒體自噬吞噬多余或受損的線粒體以維持其功能。哺乳動物早期胚胎線粒體幾乎全部來自于卵母細(xì)胞，并且，僅在胚胎發(fā)育后期mtDNA拷貝數(shù)才會增加，從受精卵到囊胚期均不會發(fā)生mtDNA復(fù)制[42]。因此，卵母細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)量和質(zhì)量對于胚胎發(fā)育至關(guān)重要。環(huán)孢素A(CsA)作為線粒體自噬抑制劑，可以改變線粒體通透性，抑制自噬體增殖[43]，在小鼠卵母細(xì)胞培養(yǎng)過程中加入CsA后，線粒體膜電位、mtDNA拷貝數(shù)及ATP產(chǎn)生均顯著降低，同時，減少自噬體的生成，影響卵母細(xì)胞線粒體自噬功能并且對胚胎發(fā)育產(chǎn)生不利影響[44]。Kim等[7]使用線粒體自噬抑制劑Mdivi-1處理小鼠卵母細(xì)胞，盡管對卵母細(xì)胞核成熟無顯著影響，但會導(dǎo)致線粒體過量積累與受精失敗，表明Mdivi-1處理抑制了卵母細(xì)胞的胞質(zhì)成熟。另外，在豬卵母細(xì)胞老化過程中，線粒體自噬相關(guān)蛋白PINK1和Parkin會顯著減少，而加入輔酶Q10后，可通過增加線粒體自噬蛋白提高ATP水平和線粒體更新能力[45]。但有學(xué)者對于卵母細(xì)胞線粒體自噬能力持不同的觀點(diǎn)，Boudoures等[46]研究發(fā)現(xiàn)，使用羰基氰化物間氯苯腙(CCCP)觸發(fā)線粒體自噬后，未檢測到線粒體與自噬體的共定位，mtDNA拷貝數(shù)保持不變，小鼠卵母細(xì)胞內(nèi)依然存在大量線粒體，表明，非功能線粒體未移入自噬體中被清除。

2.2.2 線粒體自噬對顆粒細(xì)胞的影響 顆粒細(xì)胞定位于卵母細(xì)胞的周圍，可通過縫隙連接在卵母細(xì)胞的成熟和排卵過程中發(fā)揮重要作用，并且還會影響卵泡的發(fā)育甚至卵巢的正常機(jī)能。Li等[47]研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充脫氫表雄酮(DHEA)可通過線粒體自噬清除功能障礙的線粒體，減少線粒體過度分裂，維持線粒體動力學(xué)平衡，提升人顆粒細(xì)胞質(zhì)量。此外，不同條件誘導(dǎo)的線粒體自噬對顆粒細(xì)胞的影響有差異，研究表明，在缺氧條件下，F(xiàn)SH介導(dǎo)的線粒體自噬可通過自噬體的積累清除功能障礙的線粒體，保護(hù)豬顆粒細(xì)胞免受缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[48]。而在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，F(xiàn)SH可以通過抑制過量ROS誘導(dǎo)的線粒體自噬，促進(jìn)小鼠顆粒細(xì)胞的存活[49]。可見，線粒體自噬是一個動態(tài)的過程，過度的線粒體自噬可能導(dǎo)致顆粒細(xì)胞活力降低，另外，顆粒細(xì)胞過度的線粒體自噬和線粒體損傷可能與PCOS有關(guān)，Yi等[50]在PCOS患者的顆粒細(xì)胞中檢測到過度的線粒體自噬，以及線粒體膜電位和mtDNA拷貝數(shù)降低，而通過添加褪黑素抑制線粒體自噬蛋白表達(dá)后，明顯改善了PCOS顆粒細(xì)胞的線粒體損傷。

2.2.3 線粒體自噬對胚胎發(fā)育的影響 哺乳動物mtDNA的遺傳方式嚴(yán)格遵循母系遺傳，但是精子在受精過程中也會攜帶少量的mtDNA進(jìn)入卵母細(xì)胞，表明早期胚胎中可能存在父系線粒體消除的機(jī)制[51]，而這種父系線粒體的消除即通過線粒體自噬完成。小鼠植入前胚胎中父系線粒體通過線粒體自噬被降解，這可能與父系線粒體膜電位的去極化有關(guān)[24]。有學(xué)者認(rèn)為，受精卵內(nèi)精子線粒體自噬由泛素介導(dǎo)[52]。Yi等[53]研究蛋白質(zhì)去泛素化對受精和胚胎發(fā)育中精子功能的影響時發(fā)現(xiàn)，受精后精子攜帶的線粒體依賴泛素蛋白酶體系被線粒體自噬過程降解。此外，線粒體自噬與胚胎發(fā)育密切相關(guān)，線粒體自噬蛋白PINK1敲降會阻止線粒體分裂，誘導(dǎo)線粒體伸長并導(dǎo)致其功能障礙，損害囊胚的形成和質(zhì)量[54]。另有研究證實，暴露于高脂高糖培養(yǎng)基的小鼠卵母細(xì)胞體外受精后，由于缺乏線粒體自噬，會導(dǎo)致功能障礙的線粒體從卵母細(xì)胞傳遞到胚胎，其囊胚線粒體膜電位及參與ATP生成的代謝產(chǎn)物降低，胚胎發(fā)育率降低[46]。

3 線粒體自噬調(diào)節(jié)雌性動物生殖的機(jī)制

線粒體動力學(xué)是線粒體融合和分裂的動態(tài)變化過程，正常的線粒體可通過相互融合和分裂對線粒體進(jìn)行更新并維持功能，但受到損傷的線粒體因其膜電位發(fā)生去極化，不能繼續(xù)融合，往往通過線粒體自噬被降解[55]。

3.1 PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬

PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其N端含有線粒體靶向序列，可通過外膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶和內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶復(fù)合體進(jìn)入線粒體內(nèi)膜，并被線粒體蛋白酶PARL切割為一個52 ku的蛋白片段[56-57]。在健康線粒體中，52 ku的PINK1片段被釋放到細(xì)胞質(zhì)并被E3連接酶快速泛素化后降解[58]，因此，健康線粒體中PINK1水平較低。但當(dāng)線粒體受損時，PINK1的轉(zhuǎn)運(yùn)和加工被阻斷，導(dǎo)致有活性的PINK1在線粒體外膜積累[59]，并激活Parkin的E3泛素連接酶活性，之后，線粒體外膜上的泛素鏈裝配并促進(jìn)線粒體自噬受體的募集，進(jìn)而被自噬體捕獲而降解[60]。這是線粒體自噬的經(jīng)典通路，同樣，線粒體自噬對雌性動物生殖功能的影響也可通過PINK1/Parkin通路進(jìn)行調(diào)控。

在卵泡發(fā)育過程中，顆粒細(xì)胞因缺乏血液供應(yīng)而處于缺氧狀態(tài)，這極易導(dǎo)致其凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SH可顯著降低缺氧條件下線粒體自噬途徑引起的豬顆粒細(xì)胞凋亡，這是由于FSH介導(dǎo)的缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)水平上調(diào)，促進(jìn)了PINK1和Parkin的表達(dá)，并通過減少細(xì)胞色素c的釋放，誘導(dǎo)了受損線粒體的清除[48]。同樣，在小鼠中，F(xiàn)SH通過上調(diào)顆粒細(xì)胞HIF-1α表達(dá)，促進(jìn)線粒體自噬PINK1/Parkin途徑的激活以及自噬蛋白Beclin1和Bnip3積累，對于降解受損線粒體、促進(jìn)顆粒細(xì)胞增殖及卵泡發(fā)育具有重要作用[34]。此外，PINK1/Parkin對于延緩卵母細(xì)胞老化具有重要意義，對抗氧化劑輔酶Q10延緩卵母細(xì)胞衰老的研究表明，輔酶Q10可上調(diào)豬卵母細(xì)胞PINK1和Parkin蛋白表達(dá)，增加活性線粒體數(shù)量，提高ATP水平，從而促進(jìn)線粒體更新，延緩卵母細(xì)胞衰老[45]。但細(xì)胞內(nèi)PINK1/Parkin蛋白的增加也可能會引起線粒體自噬的過度。氧化應(yīng)激條件下自噬會加速小鼠顆粒細(xì)胞的死亡，F(xiàn)SH處理可抑制細(xì)胞內(nèi)PINK1蛋白表達(dá)，從而抑制Parkin的線粒體轉(zhuǎn)位，通過抑制線粒體自噬保護(hù)顆粒細(xì)胞免受氧化損傷[49]。此外，PCOS的發(fā)病機(jī)制也與過度的PINK1/Parkin激活有關(guān)，PCOS顆粒細(xì)胞中線粒體自噬蛋白PINK1和Parkin及自噬蛋白Beclin-1、LC3B-II表達(dá)增加，自噬底物P62及SIRT1水平降低，而添加褪黑素可通過提高SIRT1蛋白水平，抑制過度的PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，保護(hù)PCOS顆粒細(xì)胞免受線粒體損傷[50]。

3.2 FOXO3a介導(dǎo)的線粒體自噬

FOXO3a是叉頭轉(zhuǎn)錄因子家族的成員，可對腫瘤細(xì)胞增殖[61]、細(xì)胞凋亡[62]、氧化應(yīng)激[63]等多種生理過程起調(diào)控作用，與人類壽命密切相關(guān)。隨著線粒體自噬研究的深入，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO3a還可參與線粒體自噬調(diào)節(jié)，F(xiàn)OXO3a是一種線粒體蛋白，其可與SIRT3在線粒體中相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)線粒體自噬[64]?，F(xiàn)已證明，F(xiàn)OXO3a介導(dǎo)的線粒體自噬在改善動脈粥樣硬化[65]、心肌病[66]、肝臟損傷[67]等多種疾病方面有重要作用。最近的研究顯示，F(xiàn)OXO3a也參與調(diào)節(jié)衰老卵母細(xì)胞的線粒體自噬[44]，F(xiàn)OXO3a是白藜蘆醇的下游信號因子，使用白藜蘆醇處理小鼠卵母細(xì)胞后，F(xiàn)OXO3a表達(dá)上調(diào)，與自噬信號通路呈正相關(guān)，再經(jīng)線粒體自噬抑制劑CsA處理后，F(xiàn)OXO3a的表達(dá)受到抑制，表明，F(xiàn)OXO3a是參與白藜蘆醇介導(dǎo)的老化卵母細(xì)胞線粒體自噬過程的關(guān)鍵因子[44]，這為FOXO3a參與白藜蘆醇介導(dǎo)的衰老卵母細(xì)胞線粒體自噬調(diào)節(jié)提供了依據(jù)。

4 存在問題與展望

線粒體自噬是一個處于不斷動態(tài)變化中的生理過程，線粒體自噬的缺乏以及過度激活均會破壞線粒體穩(wěn)態(tài)，影響細(xì)胞乃至整個機(jī)體的功能。線粒體自噬不足可能導(dǎo)致細(xì)胞或胚胎內(nèi)功能障礙的線粒體無法清除[34, 54]，而過度激活則可能導(dǎo)致線粒體損傷，引發(fā)細(xì)胞凋亡[49]，因此，如何精確控制線粒體自噬程度尚需進(jìn)一步研究。目前，對于雌性動物生殖中線粒體自噬的調(diào)控機(jī)制多集中于PINK1/Parkin通路，是否和心衰[68]、癌癥[69]、炎癥[70]、紅細(xì)胞成熟[21]等疾病或過程一樣可由FUNDC1和NIX/BNIP3等蛋白通路介導(dǎo)發(fā)揮作用，還有待深入研究。此外，目前關(guān)于線粒體自噬對雌性動物生殖功能的影響研究多集中于人[38]和小鼠[44]，對于家畜來說，線粒體自噬可促進(jìn)豬卵母細(xì)胞線粒體更新，延緩其衰老[45]，也有研究證明，線粒體自噬與牛支持細(xì)胞[71]及膀胱尿路上皮細(xì)胞[72]有緊密關(guān)系，但對于牛、羊雌性生殖器官及生殖細(xì)胞的研究未見報道。

線粒體自噬作為可清除受損線粒體，維持線粒體穩(wěn)態(tài)的重要生理過程，對于調(diào)控卵巢機(jī)能、卵母細(xì)胞發(fā)育、顆粒細(xì)胞活力等方面均有重要作用。隨著研究的深入，線粒體自噬可為改善多囊卵巢綜合征和提高卵母細(xì)胞成熟等方面提供新的著眼點(diǎn)。通過激活線粒體自噬，清除卵母細(xì)胞內(nèi)功能障礙的線粒體，有助于抵抗氧化應(yīng)激，維持卵母細(xì)胞減數(shù)分裂進(jìn)程，并且有望為提高卵母細(xì)胞成熟效率及改善體外胚胎生產(chǎn)技術(shù)提供新思路。但就目前來說，為充分發(fā)揮線粒體自噬在雌性動物生殖方面的潛力，還需對線粒體自噬程度的把控和作用機(jī)制進(jìn)行深入探索，同時，線粒體自噬對于家畜生殖的影響也有待深入研究。