氨基酸代謝在卵巢早衰中的作用與機(jī)制研究

戚儀雯，郭路，李斌

復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院婦科，上海200011

卵泡發(fā)育及其調(diào)控機(jī)制是生殖內(nèi)分泌學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。卵泡發(fā)育需要在卵巢內(nèi)、外部因素的嚴(yán)密調(diào)控下進(jìn)行。氨基酸作為體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸的前體，可通過卵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，通過參與蛋白合成、能量產(chǎn)生和細(xì)胞內(nèi)緩沖等過程調(diào)節(jié)卵泡的發(fā)育[1]，在卵泡發(fā)育的不同階段可觀察到卵母細(xì)胞、顆粒細(xì)胞及卵丘細(xì)胞中多種氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝過程。然而氨基酸代謝水平的異常可導(dǎo)致卵泡發(fā)育異常，誘發(fā)卵巢早衰等卵巢功能衰退相關(guān)疾病，但其具體調(diào)控機(jī)制尚不明確。本文主要對(duì)氨基酸代謝對(duì)卵巢功能影響及其可能的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)參與卵泡發(fā)育過程

卵泡除了受到環(huán)境的影響和調(diào)節(jié)，其發(fā)育離不開卵母細(xì)胞及周圍的顆粒細(xì)胞、卵丘細(xì)胞間相互作用。氨基酸的攝入與代謝與卵泡發(fā)育密切相關(guān)，研究表明必需氨基酸限飼的大鼠動(dòng)情周期發(fā)生紊亂，且多數(shù)具有排卵功能障礙，蛋白質(zhì)限制飼喂會(huì)擾亂大鼠的氨基酸代謝動(dòng)力學(xué)并改變大鼠卵泡中線粒體的結(jié)構(gòu)和功能[2]。

Colonna 等[3]首次在小鼠卵泡形成的過程中觀察到氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，GV 期的卵母細(xì)胞主要通過L 型和ASC 型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體。隨后，Pelland 等[4]實(shí)驗(yàn)測量了小鼠卵泡中9 種氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)特性和11 種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的活動(dòng)，表明b0，+、L 和ASC 型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在整個(gè)卵母細(xì)胞的生長發(fā)育和成熟過程中都處于活躍狀態(tài)；XAG-，B0，+，A 和CAT/+氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)不參與卵母細(xì)胞生長或減數(shù)分裂的過程，與之相反，GLY，和Xc-氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的過程中被激活。

在顆粒細(xì)胞及卵丘細(xì)胞中同樣也觀察到氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，并可通過細(xì)胞縫隙連接在卵泡發(fā)育的不同階段促進(jìn)卵母細(xì)胞氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)，但顆粒細(xì)胞與卵丘細(xì)胞中的優(yōu)勢氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)并不盡相同，人溶質(zhì)載體家族38 成員3（solute carrier family 38,member 3，SLC38A3，一種編碼鈉耦合中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)錄物）在卵丘細(xì)胞中大量表達(dá)，而顆粒細(xì)胞中則較多表達(dá)甘氨酸、丙氨酸、?；撬岷唾嚢彼岬霓D(zhuǎn)運(yùn)體，這些轉(zhuǎn)運(yùn)體將上述氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)至卵母細(xì)胞，參與調(diào)節(jié)卵泡的發(fā)育[5]。

卵泡中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的存在表明卵泡可充分利用內(nèi)外環(huán)境中的氨基酸。業(yè)已證實(shí)谷氨酰胺可作為能量基質(zhì)支持卵泡發(fā)育。谷氨酰胺可再啟動(dòng)小鼠及馬的卵丘-卵母細(xì)胞復(fù)合體中卵母細(xì)胞減數(shù)分裂，在培養(yǎng)基中加入谷氨酰胺還可促進(jìn)牛、狗、兔和恒河猴等多種動(dòng)物卵泡的成熟[6]。甘氨酸則可參與卵母細(xì)胞容積的調(diào)節(jié)，卵泡中甘氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)體GLYT1 在卵母細(xì)胞GV 期處于靜息狀態(tài)，直至排卵期被激活，隨后GLYT1 通過轉(zhuǎn)運(yùn)甘氨酸調(diào)控卵母細(xì)胞的細(xì)胞容積[7]。另外，谷氨酰胺和甘氨酸還可通過三羧酸循環(huán)形成的ATP 為卵泡提供能量，維系卵泡的發(fā)育。研究表明在竇前卵泡轉(zhuǎn)變?yōu)楦]卵泡的過程中，可觀測到卵泡中亮氨酸攝入的升高；卵母細(xì)胞減數(shù)分裂成熟的過程中可觀察到絲氨酸的攝入量也在逐步提高，但亮氨酸及絲氨酸在卵泡發(fā)育中的具體作用機(jī)制尚不明確[8]。目前仍需要更多的研究來進(jìn)一步鑒別不同氨基酸在卵泡發(fā)育中發(fā)揮的具體作用及機(jī)制。

2 氨基酸代謝異?？赡軐?dǎo)致卵巢功能衰退

研究表明，氨基酸代謝紊亂會(huì)導(dǎo)致卵母細(xì)胞無法受精。氣相色譜-質(zhì)譜法分析反復(fù)種植失?。╮epeated implantation failure，RIF）患者與對(duì)照組（即IVF 第1 周期妊娠者）的卵泡液，結(jié)果表明RIF 組卵泡液中纈氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、絲氨酸和丙氨酸等11 種氨基酸含量顯著升高[9]。在卵巢過度刺激綜合征（ovarian hyperstimulation syndrome，OHSS）患者的卵泡液中可觀察到酪氨酸含量較對(duì)照組顯著降低[10]。卵泡液中支鏈氨基酸（branched chain amino acid,BCAA）比例升高可能會(huì)誘導(dǎo)卵巢局部產(chǎn)生胰島素抵抗，Zhang 等[11]研究發(fā)現(xiàn)多囊卵巢綜合征（polycystic ovarian syndrome，PCOS）患者中亮氨酸、纈氨酸和谷氨酸水平升高，且與胰島素抵抗水平呈正相關(guān)性。代謝譜分析提示PCOS 組卵泡液中丙氨酸、甘氨酸、瓜氨酸及脯氨酸含量較少，精氨酸濃度明顯升高，且精氨酸的濃度與獲卵數(shù)、獲胚數(shù)皆呈負(fù)相關(guān)性[12]。綜上所述，1 種或多種的氨基酸代謝異?？赡軙?huì)影響卵母細(xì)胞發(fā)育，導(dǎo)致卵巢功能衰退。

3 氨基酸代謝異常導(dǎo)致卵巢功能衰退的可能機(jī)制研究

卵巢發(fā)育離不開氨基酸代謝的調(diào)控，氨基酸代謝紊亂會(huì)誘發(fā)卵巢早衰等卵巢功能衰退疾病的發(fā)生，但目前關(guān)于氨基酸代謝對(duì)卵巢功能影響具體作用機(jī)制的詳細(xì)研究較少。

3.1 氨基酸代謝通過氧化應(yīng)激水平導(dǎo)致卵巢功能衰退 氧化還原是生物體維持生命活動(dòng)的基本反應(yīng)，線粒體氧化物質(zhì)產(chǎn)生ATP 的過程有一系列具有氫和電子傳遞功能的酶復(fù)合體，并按照一定的順序組成的氧化還原體系稱為電子傳遞鏈，并在這個(gè)過程中使O2還原成超氧自由基和一系列活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）。研究表明，機(jī)體氧化應(yīng)激水平較高會(huì)影響卵子的發(fā)育成熟，卵母細(xì)胞線粒體可通過顆粒細(xì)胞調(diào)控相應(yīng)的卵母細(xì)胞生理功能，當(dāng)機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，線粒體膜通透性增加，過多Ca2+流入線粒體內(nèi)降低跨膜電位，同時(shí)ROS 含量激增，2 者共同作用誘導(dǎo)顆粒細(xì)胞凋亡[13]。與此同時(shí)，氧化應(yīng)激水平的改變已經(jīng)在早發(fā)性卵巢功能不全（primary ovarian insufficiency,POI）患者及POI 模型中得到了證實(shí)，POI 患者血清ROS 水平較正常人顯著升高，并且血清FSH 水平與血清ROS、總氧化應(yīng)激量、氧化應(yīng)激指數(shù)呈正相關(guān)改變，總抗氧化應(yīng)激量呈負(fù)相關(guān)改變[14]。由此可見，氧化應(yīng)激水平升高會(huì)導(dǎo)致卵巢功能衰退并誘導(dǎo)卵巢早衰的發(fā)生。

氨基酸代謝與體內(nèi)氧化應(yīng)激水平密切相關(guān)，目前已有較多研究證實(shí)BCAAs 可調(diào)控體內(nèi)氧化應(yīng)激水平。D'Antona等[15]在2010年建立BCAAs 攝入過剩小鼠模型，發(fā)現(xiàn)BCAAs攝入的過剩可增加小鼠線粒體的合成并降低ROS的產(chǎn)生，改善體內(nèi)氧化應(yīng)激水平，延長小鼠生命周期。

氨基酸代謝可通過調(diào)控氧化應(yīng)激水平調(diào)控卵巢功能。谷胱甘肽（glutathione，GSH）是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的小分子三肽，由于其具有游離的巰基，GSH 可參與體內(nèi)氧化還原過程，清除體內(nèi)大量的ROS。正常卵泡液中谷氨酰胺占卵泡液中氨基酸總量的比例較高。谷氨酰胺可作為底物形成GSH 參與抗氧化作用，保護(hù)卵子受氧化應(yīng)激的損傷。同時(shí)，在卵母細(xì)胞成熟過程中也觀察到甘氨酸及胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)活躍，表明其亦參與GSH 的合成[16]。Ocal 等[17]對(duì)50 例ART 輔助生殖技術(shù)助孕患者的卵泡液進(jìn)行代謝組學(xué)分析，研究表明妊娠組卵泡液中同型半胱氨酸水平顯著下降，并推測由于同型半胱氨酸其分子中的巰基具有高度的反應(yīng)性，消耗體內(nèi)大量的氧自由基，降低了卵巢氧化應(yīng)激水平，繼而改善患者的生殖力。

3.2 氨基酸代謝通過mTOR 信號(hào)通路導(dǎo)致卵巢功能衰退 哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號(hào)通路具有促進(jìn)物質(zhì)代謝作用、參與細(xì)胞凋亡、自噬等過程，參與多種疾病的信號(hào)通路調(diào)控。mTOR 信號(hào)通路與始基卵泡激活之間的關(guān)系已有較多成熟的研究結(jié)果。始基卵泡是女性基本的生殖單位，也是卵細(xì)胞儲(chǔ)備的唯一形式，始基卵泡的激活與卵巢功能及卵巢衰老密切相關(guān)。Ernst 等[18]的實(shí)驗(yàn)說明始基卵泡向初級(jí)卵泡轉(zhuǎn)化的過程中，可檢測到mTOR信號(hào)在卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)。若去除mTOR 的抑制基因TSC1 和TSC2，會(huì)導(dǎo)致mTOR 信號(hào)通路持續(xù)激活，此時(shí)始基卵泡亦會(huì)持續(xù)激活、募集，并加速卵泡池消耗殆盡，最終誘發(fā)卵巢早衰等卵巢功能衰退疾病的發(fā)生。雷帕霉素作為mTOR 的抑制劑，具有改善始基卵泡過度激活的保護(hù)作用。研究[19]表明體內(nèi)應(yīng)用雷帕霉素的小鼠，始基卵泡激活量減少，同時(shí)蛋白組學(xué)實(shí)驗(yàn)可觀察到mTOR 及其下游靶蛋白S6 磷酸化受到抑制。由此可見mTOR 及其下游信號(hào)通路共同參與調(diào)控始基卵泡的激活。

研究[20-22]表明，氨基酸可通過刺激TSC1-TSC2 復(fù)合物調(diào)控Rheb（Ras homologue enriched in brain）及Rag GTPases（guanosine triphosphatases），從而調(diào)節(jié)并激活mTORC1 及其下游通路。氨基酸代謝可在體內(nèi)多種器官中參與mTOR信號(hào)通路的激活：亮氨酸可通過mTOR 通路提高機(jī)體肌肉中蛋白質(zhì)的合成，精氨酸可在龐貝氏病模型中調(diào)節(jié)mTOR信號(hào)通路，調(diào)節(jié)支鏈氨基酸中亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸的比例亦會(huì)影響mTOR 信號(hào)通路的表達(dá)[23-25]。氨基酸可介導(dǎo)mTOR 信號(hào)通路調(diào)控卵泡的激活，亮氨酸、谷氨酰胺和精氨酸可通過參與mTOR 信號(hào)通路提高始基卵泡的激活水平，小鼠卵泡體外培養(yǎng)基中加入亮氨酸，RT-PCR 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Gdf9 及Bmp15 基因表達(dá)水平升高，這2 種基因?qū)υ缙诼雅菁?xì)胞的增殖、分化起到重要作用；培養(yǎng)基中加入谷氨酰胺的小鼠卵泡則可觀測到PI3K 基因上調(diào)，PI3K 是mTOR 信號(hào)通路的上游分子，證實(shí)谷氨酰胺參與mTOR 信號(hào)的調(diào)節(jié)與激活[26]。

4 調(diào)節(jié)氨基酸攝入可能改善卵巢功能

前文已述，氨基酸代謝紊亂可導(dǎo)致卵巢功能衰退。研究表明，通過調(diào)節(jié)氨基酸攝入量可影響女性的卵泡發(fā)育、排卵及月經(jīng)周期。氨基酸的攝入缺乏會(huì)導(dǎo)致卵泡發(fā)育減緩，卵泡無法發(fā)育成熟，始基卵泡無法轉(zhuǎn)化為初級(jí)卵泡，同時(shí)造成女性月經(jīng)周期的紊亂。Narita 等[27]報(bào)道大鼠飼喂缺乏必需氨基酸的飼糧會(huì)導(dǎo)致大鼠卵巢重量降低，動(dòng)情周期紊亂且排卵停止，同時(shí)，血液和卵巢中必需氨基酸含量均顯著降低。其中纈氨酸缺乏組動(dòng)情周期影響最為顯著，蛋氨酸缺乏組和色氨酸缺乏組受到的影響最少。反之，攝入過量的蛋白質(zhì)可能會(huì)促進(jìn)卵泡的發(fā)育。Zhou 等[28]實(shí)驗(yàn)證明高蛋白飲食的大鼠較正常飲食組和低蛋白飲食組有更多大于4 mm 的卵泡，且達(dá)到減數(shù)分裂Ⅱ期的卵母細(xì)胞遠(yuǎn)多于低蛋白飲食組。Geppert 等[29]報(bào)道母牛分別喂養(yǎng)國際研究委員會(huì)（NRC）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)代謝性蛋白質(zhì)飼料（metabolizableprotein，MP）量的125%和150%飼料，MP150 組的優(yōu)勢卵泡，黃體的大小均大于MP125 組，竇狀卵泡數(shù)量亦多于MP125組，證實(shí)了過量氨基酸的攝入可能會(huì)促進(jìn)卵泡發(fā)育和改善卵巢功能。但是，目前對(duì)特定氨基酸對(duì)卵巢功能的改善作用尚不清楚，還有很大研究空間，仍需要更多的研究來進(jìn)一步分析如何調(diào)節(jié)氨基酸的攝入與種類達(dá)到預(yù)防及延緩卵巢衰老的目的。

5 小結(jié)

女性卵泡發(fā)育需要氨基酸代謝的參與，大量研究證明，氨基酸參與正常卵泡發(fā)育的過程，通過氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)、合成及代謝調(diào)控卵泡的激活、成熟及維系卵泡的正常功能，而氨基酸代謝紊亂可導(dǎo)致卵巢功能衰退。氨基酸代謝主要通過改變卵巢氧化應(yīng)激水平、激活mTOR 信號(hào)通路等方式參與調(diào)控卵巢功能，誘發(fā)卵巢早衰等卵巢功能衰退疾病，與此同時(shí)，通過調(diào)節(jié)氨基酸攝入量可能改善卵巢功能，延緩卵巢衰老。然而其具體調(diào)控機(jī)制仍不明確，因此，對(duì)氨基酸代謝影響卵巢功能及其機(jī)制的進(jìn)一步的深入研究有助于增進(jìn)對(duì)卵泡的發(fā)育機(jī)制的全面理解，為提高女性的卵泡發(fā)育、卵巢功能及生殖健康提供新的臨床思路。