基于氧感知通路探討早發(fā)性卵巢功能不全發(fā)生機制的研究進(jìn)展

朱軼軒 董曉英

1.首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，北京 100069；2.首都醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院，北京 100069

早發(fā)性卵巢功能不全（premature ovarian insufficiency，POI）的發(fā)病機制復(fù)雜，是醫(yī)學(xué)界持續(xù)探索的重點領(lǐng)域之一。近年來，隨著有關(guān)領(lǐng)域研究的開展，學(xué)者對POI 有了更加全面、客觀的認(rèn)識。William G.Kaelin,Peter J.Ratcliffe 和Gregg L.Semenza 教授因其在理解細(xì)胞感知和適應(yīng)氧氣變化機制中的貢獻(xiàn)而被授予2019 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，他們從分子水平上探索了人體細(xì)胞感受氧濃度的基本原理，與之相關(guān)的信號通路被統(tǒng)稱為氧感知通路。氧感知通路中的元件對POI 的發(fā)生有著重要影響。本文旨在通過探討POI 與氧感知通路的聯(lián)系，為POI 發(fā)生機制的研究及治療提供新思路。

1 POI 及其發(fā)生機制簡述

POI 是指女性在40 歲之前由于卵巢功能減退引發(fā)的一系列異常表現(xiàn)的臨床綜合征[1]。其通常特征為低雌激素水平導(dǎo)致的月經(jīng)異常（閉經(jīng)或月經(jīng)稀發(fā)）[2]，并伴有高水平的卵泡刺激素（＞25 U/L）（follicle-stimulating hormone，F(xiàn)SH）、促黃體生成素（luteinizing hormone，LH）和低水平的雌二醇（estradiol，E2）[3]。POI 發(fā)病機制的復(fù)雜性以及它帶來的生育率下降等問題使其治療成為當(dāng)代醫(yī)學(xué)的一大挑戰(zhàn)[4]。

顆粒細(xì)胞凋亡是POI 的重要發(fā)病原因。卵泡是卵巢的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，在卵泡發(fā)育成熟過程中，顆粒細(xì)胞的增殖、分化對卵母細(xì)胞的發(fā)育成熟有著重要的作用。顆粒細(xì)胞與卵母細(xì)胞之間存在著大量縫隙連接，并通過縫隙連接輸送營養(yǎng)物質(zhì)和信號分子進(jìn)入卵母細(xì)胞，以促進(jìn)卵母細(xì)胞胞核與胞質(zhì)成熟。顆粒細(xì)胞的凋亡可抑制卵母細(xì)胞及卵泡的發(fā)育，促進(jìn)卵泡閉鎖引發(fā)POI[5]。

2 氧感知通路與POI

2.1 氧感知通路概述

氧感知通路的核心是細(xì)胞如何在低氧環(huán)境下通過調(diào)節(jié)一系列信號通路以避免缺氧損傷，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定[6]。

Wang 等[7]首先從慢性缺氧細(xì)胞中分離得到一種在常氧下降解而在缺氧條件下穩(wěn)定的DNA 結(jié)合蛋白，并將之命名為低氧誘導(dǎo)因子1（hypoxia-inducible factor 1,HIF-1）。隨后HIF-1 被發(fā)現(xiàn)由HIF-1α 和HIF-1β 兩個亞單位組成[8]。Ivan 等[9]發(fā)現(xiàn)常氧狀態(tài)下HIF-1α 在脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase,PHD）作用下發(fā)生羥基化。羥基化的HIF-1α 立即與腫瘤抑制基因結(jié)合，并通過泛素-蛋白酶途徑降解，阻斷缺氧相關(guān)基因的表達(dá)。而在缺氧條件下，PHD 羥基化抑制HIF 的降解。HIF-1α 在細(xì)胞質(zhì)中積累，轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中與HIF-1β 聚合形成異源二聚體，再與下游的缺氧反應(yīng)元件（hypoxia response element，HRE）結(jié)合，促進(jìn)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，并使促紅細(xì)胞生成素和血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)增加，見圖1。

圖1 氧感知通路示意圖

哺乳動物的卵巢是一種代謝活躍的器官，會產(chǎn)生大量的活性氧。由于卵泡較大，卵泡卵母細(xì)胞更容易缺氧[10]。因此，氧感知通路在卵泡的生理過程中起著重要的調(diào)控作用。其中，HIF-1α 作為氧感知通路的核心元件，與調(diào)節(jié)卵巢功能相關(guān)的信號通路息息相關(guān)，對POI的發(fā)生也有一定的影響。

2.2 HIF-1α 誘導(dǎo)顆粒細(xì)胞凋亡引發(fā)的POI

細(xì)胞凋亡，又稱Ⅰ型細(xì)胞程序化死亡，是由活化半胱天冬酶（Caspase）所執(zhí)行的細(xì)胞行為[11]。細(xì)胞凋亡有利于維持細(xì)胞數(shù)量的動態(tài)平衡，然而，凋亡過度或不足會引起許多疾病[12]。

HIF-1α 可通過BNIP3 介導(dǎo)的一系列信號通路引發(fā)顆粒細(xì)胞的凋亡。

BNIP3 是一種屬于Bcl-2 家族的促凋亡蛋白[13]。低氧狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)過表達(dá)的HIF-1α 可以上調(diào)BNIP3的表達(dá)[14]。BNIP3 具有低氧應(yīng)答能力，且受HIF-1 的直接調(diào)控，其啟動子區(qū)含有一個缺氧反應(yīng)元件，在低氧條件下可與HIF-1 緊密結(jié)合。在卵巢中，卵泡顆粒細(xì)胞和卵泡液的激增會使得卵泡腔內(nèi)血管分布密度減小，相應(yīng)地，單位顆粒細(xì)胞的血供和氧水平降低，可能導(dǎo)致顆粒細(xì)胞缺氧[15]。低氧環(huán)境下，胞漿內(nèi)HIF-1α積聚增多，引起卵泡顆粒細(xì)胞內(nèi)HIF-1α 過表達(dá)，HIF-1α 與BNIP3 啟動子區(qū)的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，上調(diào)BNIP3 的表達(dá)。Bcl-2 家族成員可與BNIP3 的C 末端結(jié)構(gòu)域相互作用形成異二聚體，從而抑制Bcl-2 的抗凋亡作用[16]。因此，卵巢內(nèi)的低氧環(huán)境可能引發(fā)BNIP3 介導(dǎo)的顆粒細(xì)胞凋亡。顆粒細(xì)胞的凋亡是促進(jìn)卵泡閉鎖的關(guān)鍵性因素[17]。因此，BNIP3 介導(dǎo)的大量顆粒細(xì)胞凋亡可能導(dǎo)致卵泡閉鎖，從而誘發(fā)POI。

2.3 HIF-1α 誘導(dǎo)顆粒細(xì)胞自噬引發(fā)的POI

自噬，又稱為Ⅱ型細(xì)胞程序化死亡，是一種高度自我調(diào)節(jié)的過程，可以通過溶酶體活性消除受損、有害或多余的亞細(xì)胞蛋白質(zhì)和細(xì)胞器[18]。正常水平的自噬可以減輕各種類型細(xì)胞應(yīng)激帶來的損害，利于細(xì)胞生存[19]。然而，當(dāng)細(xì)胞自噬過分激活時可能引起疾病[20]。

顆粒細(xì)胞自噬的機制可能與PI3K/Akt/mTOR 通路以及氧感知通路有關(guān)。其中，mTOR 是該通路的重要下游調(diào)節(jié)元件，其很多區(qū)域可以參與蛋白質(zhì)之間的交互作用，是生長因子、營養(yǎng)狀況、能量狀態(tài)的中樞傳感器[21]。

FSH 可以激活PI3K，引起cAMP 途徑介導(dǎo)的mTOR活化，并通過PI3K/Akt/mTOR 通路增加顆粒細(xì)胞中下游HIF-1α 活性[22]。mTOR 存在mTORC1 和mTORC2兩種不同形式的復(fù)合物。自噬主要受mTORC1 調(diào)控?；罨膍TORC1 可以使延伸起始因子4E 結(jié)合蛋白1（4E-birding protein 1，4E-BP1）和核糖體蛋白S6 激酶1 磷酸化，并分別與真核翻譯起始因子-4E（eukaryotic initiation factor 4E，eIF-4E）和eIF-3 結(jié)合，在結(jié)合狀態(tài)下抑制翻譯起始復(fù)合物的形成。當(dāng)mTOR 磷酸化4E-BP1 后，4E-BP1 被激活，并與eIF-4E 分離，解除對依賴于eIF-4E 的翻譯過程的抑制作用[23]。mTOR 能磷酸化p70S6K，從而刺激p70S6K 核糖體蛋白和其他翻譯機制的組成部分，包括eIF4B 和eEF2K[24]，還可能通過5’末端寡聚嘧啶核苷酸序列來增加mRNA的翻譯速率從而促進(jìn)HIF-1α 表達(dá)[25]。在卵巢中，促性腺激素會促進(jìn)過度的顆粒細(xì)胞增殖，引起缺氧和HIF-1α 的積累[26]。

上述通路導(dǎo)致的HIF-1α 過表達(dá)會強化細(xì)胞自噬。HIF-1α 的積累被證明可以誘導(dǎo)BNIP3 表達(dá)上調(diào)，除了促進(jìn)細(xì)胞凋亡，BNIP3 還能調(diào)控自噬相關(guān)基因的表達(dá)，包括Beclin1 和Atg5[27]。研究發(fā)現(xiàn),Bcl-2 家族抗凋亡蛋白Bcl 2、Bcl-XL 等可通過與Beclin 1 相互作用負(fù)性調(diào)控自噬，BNIP3 的BH3 結(jié)構(gòu)域會取代Bcl-2-或Bcl-XL-Beclin1 復(fù)合物中的Beclin1，引起B(yǎng)cl-2/Beclin1 或Bcl-XL/Beclin1 復(fù)合物的解離，導(dǎo)致能夠觸發(fā)自噬的Beclin1 釋放[28]。自噬體的積累會降低顆粒細(xì)胞內(nèi)Bcl-2 的表達(dá)水平[29]，進(jìn)一步加劇BNIP3 對抗凋亡蛋白功能的抑制作用。

2.4 細(xì)胞自噬與凋亡交聯(lián)共同影響POI

細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡是兩個相互分離又相互聯(lián)系的過程，其交聯(lián)機制見圖2。BNIP3 是缺氧誘導(dǎo)的關(guān)鍵分子，并參與自噬轉(zhuǎn)換，使細(xì)胞得以存活并避免凋亡[29]。正常水平的自噬對顆粒細(xì)胞增殖和卵泡發(fā)育起到保護(hù)作用。然而，過度的細(xì)胞自噬可以通過改變細(xì)胞中Bax 與Bcl-2 表達(dá)的比例引起細(xì)胞凋亡，過表達(dá)的Bax 可以加速細(xì)胞凋亡性死亡，也能抑制Bcl-2的死亡抑制因子活性[28]。實驗顯示，自噬體的積累可以在Bax 表達(dá)水平幾乎沒有變化的情況下，減少顆粒細(xì)胞Bcl-2 的表達(dá)，使得Bax 相對過表達(dá)而促進(jìn)顆粒細(xì)胞死亡和凋亡[30]。

圖2 缺氧誘導(dǎo)因子-1 細(xì)胞對細(xì)胞凋亡和自噬的調(diào)控示意圖

在卵巢中，活化的PI3K/Akt/mTOR 通路可以增強HIF-1α 轉(zhuǎn)錄活性，引起HIF-1α 過表達(dá)。過表達(dá)的HIF-1α 可以通過上調(diào)BNIP3 水平，一方面直接促進(jìn)顆粒細(xì)胞凋亡，另一方面經(jīng)上述信號通路強化細(xì)胞自噬。細(xì)胞自噬過程中自噬體的積累又能通過改變Bax與Bcl-2 表達(dá)的比例加速顆粒細(xì)胞的凋亡與死亡。無論是顆粒細(xì)胞的過度自噬、直接凋亡還是自噬引發(fā)的凋亡和死亡均會抑制卵母細(xì)胞及卵泡的發(fā)育，促進(jìn)卵泡閉鎖，引發(fā)POI。

3 討論

氧感知通路是人體最重要的信號通路之一，越來越多的醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)氧感知通路與許多難以治療的疾病有著密切聯(lián)系。在卵巢內(nèi)，HIF-1α 可以通過誘導(dǎo)促凋亡蛋白、調(diào)節(jié)信號通路等途徑促進(jìn)顆粒細(xì)胞自噬和凋亡引發(fā)POI。迄今為止，基于氧感知通路探討POI發(fā)病機制的研究仍缺少相關(guān)動物模型和臨床試驗的支持。目前也少有以氧感知通路為靶點的POI 治療方案。在未來的研究中，除了完善相關(guān)實驗外，還可以試著從氧感知通路與顆粒細(xì)胞相關(guān)通路的交聯(lián)信號入手，通過更多方面的實驗探索針對氧感知通路異常引發(fā)的POI 治療方案，填補POI 治療領(lǐng)域的相關(guān)空白。