線粒體功能障礙與多囊卵巢綜合征相關(guān)性的研究進展

王立娜，陳慧平，田文艷，顏琪，張慧英△

多囊卵巢綜合征（PCOS）是常見的生殖和內(nèi)分泌代謝綜合征，主要臨床特征為卵泡發(fā)育異常、高雄激素血癥、脂質(zhì)代謝異常、胰島素抵抗（IR）、糖代謝異常和慢性炎癥等。線粒體作為參與細胞能量代謝等多種生命活動的重要結(jié)構(gòu)，其功能障礙與PCOS以上疾病特征密切相關(guān)［1］。本文綜述了近年來線粒體功能障礙與PCOS發(fā)生發(fā)展及相關(guān)并發(fā)癥的研究進展。

1 線粒體結(jié)構(gòu)與功能

線粒體是雙層膜結(jié)構(gòu)動態(tài)細胞器，由外膜、間隙、內(nèi)膜和線粒體基質(zhì)組成，線粒體動力學（包括融合和分裂）可維持線粒體結(jié)構(gòu)完整性，是其發(fā)揮生物學功能的前提。線粒體為半自主性細胞器，具有獨立的DNA及遺傳表達系統(tǒng)，線粒體基因（mtDNA）和核基因共同編碼線粒體功能蛋白。線粒體主要功能是通過氧化磷酸化（OXPHOS）產(chǎn)生腺苷三磷酸（ATP），提供細胞生命活動所需的能量；除參與機體能量代謝之外，線粒體還可參與體內(nèi)氧化應激（OS）、鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、細胞增殖凋亡、自噬等多種細胞活動［2］。因此，線粒體正常結(jié)構(gòu)與功能對機體多項生命活動至關(guān)重要，線粒體功能障礙可能為PCOS的發(fā)病機制之一。

2 線粒體功能障礙與PCOS

2.1 線粒體基因組異常與PCOS線粒體基因組異?？赡芘cPCOS發(fā)生相關(guān)，包括mtDNA基因突變或缺失、mtDNA拷貝數(shù)變化等。mtDNA分為編碼區(qū)和非編碼區(qū)，mtDNA編碼區(qū)可編碼22個轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）、2種核糖體核糖核酸（rRNA）和13個ATP生成所必需的多肽鏈；mtDNA控制區(qū)（D-loop區(qū)）為其非編碼區(qū)，此區(qū)域突變會影響mtDNA的復制和轉(zhuǎn)錄，導致線粒體呼吸鏈功能障礙，致使mtDNA拷貝數(shù)減少、ATP水平降低、代謝副產(chǎn)物產(chǎn)生過多。研究發(fā)現(xiàn)，PCOS患者線粒體轉(zhuǎn)移RNA（mt-tRNA）高度保守區(qū)存在谷氨酰胺tRNA（Gln-tRNA）、半胱氨酸t(yī)RNA（Cys-tRNA）、天冬氨酸t(yī)RNA（Asp-tRNA）、賴氨酸t(yī)RNA（Lys-tRNA）、精氨酸t(yī)RNA（Arg-tRNA）和谷氨酸t(yī)RNA（Glu-tRNA）等多種變異，mt-tRNA突變與糖尿病和高膽固醇血癥等相關(guān)，可能與絲氨酸/蘇氨酸激酶（AKT）介導的胰島素信號轉(zhuǎn)導通路障礙、線粒體生物合成酶類表達減少、體內(nèi)脂肪酸水平改變等相關(guān)［3］。最佳的mtDNA拷貝數(shù)和足夠的ATP是卵母細胞發(fā)育成熟的前提，mtDNA拷貝數(shù)變化與PCOS患者卵泡發(fā)育異常以及代謝紊亂等相關(guān)，mtDNA拷貝數(shù)降低的卵母細胞的發(fā)育潛能顯著降低，致使卵泡發(fā)育異常、囊胚形成減少；PCOS患者血液中mtDNA拷貝數(shù)與腰圍、胰島素抵抗指數(shù)（HOMA-IR）、三酰甘油水平呈負相關(guān)［4］。PCOS患者的骨骼肌線粒體中核基因編碼的OXPHOS相關(guān)基因，如泛醌氧化還原酶復合體組裝因子3（NDUFA3）、琥珀酸脫氫酶基因D（SDHD）、細胞色素C氧化酶Ⅶ亞基（COX7C）等表達減少，NDUFA3的表達與mtDNA拷貝數(shù)、卵泡發(fā)育和IR密切相關(guān)；SDHD單核苷酸多態(tài)性則與肥胖風險密切相關(guān)［5］。線粒體基因組異常影響PCOS及其糖脂代謝并發(fā)癥的具體機制仍需進一步探索。

2.2 線粒體能量代謝障礙與PCOS線粒體為機體能量代謝的中心，顆粒細胞、卵母細胞分別以糖酵解、OXPHOS為主要能量來源。線粒體功能障礙可導致多種生物合成中間體和ATP產(chǎn)生減少，致使PCOS患者獲卵數(shù)、成熟卵母細胞比例、胚胎質(zhì)量、著床率均下降，甚至出現(xiàn)不良妊娠結(jié)局等［1］。PCOS小鼠卵巢中胰島素信號通路相關(guān)的mRNA和蛋白質(zhì)表達水平升高，但葡萄糖攝取量正常，轉(zhuǎn)運蛋白表達水平顯著升高，提示PCOS小鼠存在利用葡萄糖能力下降且存在IR；同時，單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白（MCT）和乳酸脫氫酶（LDH）、磷酸果糖激酶（PFK）、丙酮酸激酶（PKM）等限速酶基因的表達下調(diào)，也可使能量代謝水平下降［6］。研究發(fā)現(xiàn)，與健康女性相比，PCOS患者卵泡生長所需的乳酸和丙酮酸增多，且丙酮酸消耗量增加與卵母細胞核型異常相關(guān)［7］。IR可使線粒體耦合效率受損，氧化型/還原型輔酶Ⅰ（NAD+/NADH）比例下降，乳酸及ATP產(chǎn)生減少；高水平的睪酮也可抑制小鼠卵巢顆粒細胞乳酸生成，導致腺苷二磷酸（ADP）/ATP比例升高、線粒體生物合成減少等［8］。以上研究均表明，PCOS患者卵泡發(fā)育一方面所需乳酸和丙酮酸等能源物質(zhì)增多，另一方面IR及高雄激素血癥又可抑制以上能量物質(zhì)的生成，卵泡發(fā)育所需代謝物質(zhì)供不應求，致使卵泡發(fā)育障礙。

2.3 線粒體氧化應激與PCOS活性氧（ROS）為線粒體能量代謝的副產(chǎn)物，適量的ROS可作為調(diào)控細胞分化和炎癥等途徑的信號分子，ROS過多則可引發(fā)OS，導致線粒體功能障礙，參與PCOS的發(fā)生發(fā)展。ROS相關(guān)代謝物的濃度可用來評估組織的氧化還原狀態(tài)和線粒體功能，常用標志物有丙二醛（MDA)、總 抗 氧化能 力（TAC）、總抗氧 化 狀態(tài)（TAOS）、羰基等。研究發(fā)現(xiàn)，PCOS患者OS發(fā)生在線粒體復合體Ⅰ，OS可導致mtDNA突變、氧化還原途徑中斷和分子損傷、ATP合成受阻并破壞線粒體正常結(jié)構(gòu)形態(tài)等，與IR、脂質(zhì)代謝異常和卵泡發(fā)育障礙等PCOS多種臨床特征相關(guān)［9］。PCOS患者卵泡液MDA水平、TAOS及氧化應激指數(shù)升高，TAC和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）水平升高，提示OS可能通過Caspase系統(tǒng)導致顆粒細胞凋亡增多、卵泡微環(huán)境破壞、卵母細胞發(fā)育成熟障礙，致使PCOS卵泡閉鎖、排卵障礙和不孕等［10］。OS可增強促炎基因表達，誘發(fā)體內(nèi)慢性炎癥，進而通過干擾胰島素信號傳導通路，如胰島素受體底物1-磷脂肌醇3激酶-蛋白激酶B（IRS1-PI3K-PKB/AKT）途徑參與IR的形成［11］。OS可促進前脂肪細胞增殖和分化，誘發(fā)下丘腦神經(jīng)元飽腹感調(diào)節(jié)機制受損進而導致肥胖，OS標志物與體質(zhì)量指數(shù)（BMI）和腰臀比等肥胖指數(shù)之間存在正相關(guān)，提示OS可能與PCOS患者發(fā)生代謝綜合征的風險增加相關(guān)［12］。OS還可通過增強類固醇激素轉(zhuǎn)化酶的活性促進雄激素的產(chǎn)生，提示OS可能參與了PCOS高雄激素血癥的形成［12］。

2.4 線粒體鈣穩(wěn)態(tài)失衡與PCOS Ca2+可作為第二信使參與細胞信號傳導，同時參與蛋白質(zhì)、磷脂等物質(zhì)相關(guān)分解酶的激活，是調(diào)控細胞生命活動的重要元素之一。線粒體協(xié)同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞外基質(zhì)等共同調(diào)節(jié)Ca2+的攝取和釋放以維持細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)。mtDNA突變、OS等均可導致線粒體鈣穩(wěn)態(tài)失衡。鈣穩(wěn)態(tài)失衡可導致線粒體膜去極化，引起線粒體呼吸鏈氧化磷酸化解偶聯(lián)，ATP產(chǎn)生減少；同時ROS產(chǎn)生增多，使膜脂質(zhì)過氧化，進而增加線粒體內(nèi)膜通透性，Ca2+內(nèi)流增加，與OS形成正反饋，共同導致線粒體功能障礙。鈣穩(wěn)態(tài)失衡與PCOS的多種疾病特征有關(guān)。鈣穩(wěn)態(tài)失衡刺激G蛋白偶聯(lián)的鈣感受器，通過肌醇/Ca2+途徑級聯(lián)激活炎癥反應，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體產(chǎn)生，導致高水平的白細胞介素（IL）和腫瘤壞死因子（TNF）等炎性因子釋放；此外，鈣依賴性磷脂酶-A2（PLA2）也可通過激活環(huán)氧化酶-2（COX-2）誘導花生四烯酸釋放，促進炎癥反應［13］。以上均提示鈣穩(wěn)態(tài)失衡與PCOS的慢性炎癥狀態(tài)相關(guān)。編碼線粒體融合蛋白（Mfn）的基因Mfn1和Mfn2缺乏，可通過B淋巴細胞瘤-2（Bcl-2）/Bcl-2相關(guān)X蛋白（Bax）、Ca2+途徑破壞線粒體的正常形態(tài)結(jié)構(gòu)，致使卵母細胞發(fā)育異常［14］。在胰腺β細胞中，PI3K/AKT信號通路激活可刺激葡萄糖轉(zhuǎn)運和糖原合成，鈣穩(wěn)態(tài)失衡可導致上述信號通路持續(xù)級聯(lián)激活，使胰島素受體底物過度磷酸化和AKT活性減弱，導致IR等代謝異常［15］。

2.5 線粒體生物合成減少與PCOS研究發(fā)現(xiàn)PCOS大鼠模型中與線粒體生物合成相關(guān)的關(guān)鍵基因，如線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM）、過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PGC-1α）等表達水平顯著降低，提示線粒體生物合成減少所致的線粒體功能障礙可能與PCOS發(fā)生密切相關(guān)［16］。PGC-1α可上調(diào)編碼線粒體蛋白的基因表達水平，增加線粒體的生物合成。一氧化氮（NO）和腺苷單磷酸活化蛋白激酶（AMPK）可刺激PGC-1α表達，促進線粒體生物合成，而mtDNA拷貝數(shù)和PGC-1α基因表達水平降低可造成線粒體生物合成和ATP生成減少，導致線粒體功能障礙。PGC-1α通過與核呼吸因子1/2（NRF1/2）、雌激素相關(guān)受體α（ERRα）等特定的核轉(zhuǎn)錄因子相互作用，影響線粒體呼吸鏈功能、氧化還原平衡、細胞凋亡水平、性激素合成以及糖脂代謝等，參與PCOS的發(fā)生［17］。研究發(fā)現(xiàn)，PCOS患者的卵丘細胞線粒體生物發(fā)生水平、mtDNA含量明顯低于對照組，而PGC-1α基因啟動子甲基化率較高，基因甲基化可下調(diào)基因轉(zhuǎn)錄水平，使線粒體生物合成能力下降，導致PCOS卵泡發(fā)育異常，而甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑可逆轉(zhuǎn)超甲基化所致的線粒體功能障礙［18］。PCOS動物實驗存在上述類似表型，并且存在線粒體結(jié)構(gòu)改變、卵母細胞囊胚率降低［19］。以上研究均提示線粒體生物合成減少與PCOS密切相關(guān)。

2.6 線粒體調(diào)控的細胞凋亡失衡與PCOS PCOS患者卵巢顆粒細胞凋亡率升高，并與線粒體介導的細胞凋亡途徑相關(guān)［20］。線粒體調(diào)控的細胞凋亡失衡可能與PCOS排卵障礙、高雄激素血癥、IR及慢性炎癥等多種疾病特征有關(guān)。Caspase和Bcl-2/Bax是細胞凋亡的主要調(diào)節(jié)因子，Caspase是調(diào)控細胞凋亡的特異性蛋白酶，線粒體在其激活中起關(guān)鍵作用；Bcl-2為抗凋亡基因，可與線粒體膜上的Bax等基因結(jié)合來抑制線粒體內(nèi)細胞色素C（Cytc）等促凋亡因子的釋放，進而調(diào)控下游基因，抑制細胞凋亡。PCOS卵巢顆粒細胞Bax表達升高，Bcl-2表達下降，細胞凋亡指數(shù)增加［21］。卵巢顆粒細胞凋亡比例達到10%以上時，可導致卵泡閉鎖，并被卵泡膜細胞及成纖維細胞代替從而影響卵巢功能，導致PCOS患者排卵障礙、生育力下降，甚至不孕，且顆粒細胞凋亡率與妊娠率呈負相關(guān)；同時，卵巢顆粒細胞大量凋亡時，影響睪酮轉(zhuǎn)化為雌激素，導致雄激素水平升高，進而導致卵母細胞成熟、卵泡發(fā)育停滯［22］。此外，機體ROS積聚、慢性炎癥反應、顆粒細胞和卵母細胞自噬異常激活均可導致細胞凋亡失衡，誘發(fā)PCOS。

2.7 線粒體動力學改變與PCOS線粒體動力學是指線粒體調(diào)控自身分裂和融合，維持線粒體穩(wěn)態(tài)的過程，參與調(diào)控細胞增殖、分化、凋亡與自噬等生命活動。Mfn1/2、視神經(jīng)萎縮蛋白1（OPA1）介導線粒體融合，動力相關(guān)蛋白1（Drp1）則介導線粒體分裂。線粒體融合與其發(fā)揮能量代謝等正常功能有關(guān)，線粒體過度分裂則通過破壞線粒體結(jié)構(gòu)、促進ROS產(chǎn)生導致線粒體功能障礙［23］。線粒體動力學失衡與PCOS多種疾病特征相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠卵母細胞線粒體融合與分裂失衡可使線粒體結(jié)構(gòu)異常，導致線粒體膜電位下降、ATP生成不足、卵母細胞紡錘體組裝障礙、細胞染色體排列異常和非整倍體增加，影響卵母細胞以及顆粒細胞的增殖，致使卵泡發(fā)育受阻與卵泡閉鎖［24］。線粒體動力學失衡可增加ROS的產(chǎn)生，ROS可誘導Drp1活化后與其受體相互作用，導致線粒體膜電位下降、分裂增多及OS等。線粒體動力學參與調(diào)節(jié)多種組織器官的胰島素敏感性，參與PCOS患者IR、肥胖等代謝異常的發(fā)生發(fā)展。小鼠脂肪細胞選擇性敲除Mfn2或OPA1可導致線粒體結(jié)構(gòu)異常，使細胞內(nèi)三酰甘油累積，引發(fā)IR及肥胖，在高脂飲食小鼠中Mfn1/2表達下降，Drp1表達上升［25］。綜上，線粒體動力學與IR、OS、糖脂代謝異常、肥胖等密切相關(guān)，且可相互調(diào)控，參與PCOS的發(fā)生和發(fā)展。

2.8 線粒體自噬異常與PCOS線粒體自噬是指細胞通過自噬選擇性包裹和降解細胞內(nèi)受損的線粒體，維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的過程。自噬不僅受多種自噬相關(guān)基因（ATG）Beclin1（又稱ATG6）的調(diào)控，同時受微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（LC3）及LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ核心調(diào)節(jié)因子的調(diào)控。線粒體自噬異常與卵泡發(fā)育、糖脂代謝異常等密切相關(guān)。研究證實PCOS動物模型及患者的卵巢組織均存在自噬基因和相關(guān)通路的異常激活；PCOS患者中異常激活的自噬基因包括叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O亞族1（FOXO1）、細胞外蛋白調(diào)節(jié)激酶1/9（MAPK1/9）、胰島素樣生長因子1（IGF1）、抑癌基因P53（TP53）、表皮生長因子受體（EGFR）等，以上基因可通過雷帕霉素靶蛋白（MTOR）、受體酪氨酸激酶（ERBB）等相關(guān)信號通路導致自噬異常激活［26］。在合并IR的PCOS患者中，自噬基因ATG7異常激活、LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例升高、細胞自噬增加、顆粒細胞損傷破壞及凋亡增多，誘發(fā)卵泡發(fā)育異常［27］。自噬可通過調(diào)節(jié)炎癥反應參與PCOS的發(fā)生發(fā)展，炎癥相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子核因子κB（NF-κB）在合并IR的PCOS患者中顯著升高，其可上調(diào)自噬相關(guān)蛋白Beclin1和p62轉(zhuǎn)錄水平［28］。Toll樣受體（TLR）信號通路在合并肥胖的PCOS患者中異常激活，Beclin1與銜接蛋白相互作用后減少了與Bcl-2的結(jié)合，激活TLR通路誘導細胞自噬［29］。腫瘤壞死因子α（TNF-α）和干擾素-γ（IFN-γ）等炎性細胞因子水平升高可增加線粒體自噬，加速炎癥反應進程，提高卵泡膜細胞類固醇生成酶活性，導致雄激素水平增加［26］。線粒體自噬異常與PCOS密切相關(guān)，其具體致病機制仍需進一步研究。

3 線粒體功能修復在PCOS治療中的應用

目前治療PCOS的常見方式有生活方式干預、藥物治療等，線粒體移植為近年來新的治療方向，以上治療基于線粒體功能修復的機制可能包括：（1）修復受損的mtDNA，減少由mtDNA損傷導致的氧化應激、炎癥反應和細胞凋亡。（2）增加能量代謝中間代謝物生成，增加ATP合成。（3）上調(diào)細胞因子和趨化因子，促進細胞增殖并減少細胞凋亡，增加線粒體生物生成。適當限制高熱量飲食、運動等生活方式干預可通過激活AMPK-PGC1α通路促進線粒體生物合成、減少ROS生成和氧化損傷來修復線粒體功能［30］。研究發(fā)現(xiàn)，部分新型藥物通過多靶點促進卵泡生長發(fā)育，改善PCOS患者的卵巢內(nèi)環(huán)境：線粒體營養(yǎng)劑，如L-肉堿、α-硫辛酸、輔酶Q10、白藜蘆醇等可提高細胞抗氧化負荷，降低有害物質(zhì)對線粒體的損害，維持正常線粒體功能；肌醇則可通過白細胞介素-6/轉(zhuǎn)錄激活因子-3/微小RNA-155/過氧化物酶體增殖物激活受體γ（IL-6/STAT-3/miR-155/PPAR-γ）通路改善IR、調(diào)節(jié)細胞自噬水平來改善線粒體功能［31］。線粒體分裂抑制劑，如Mdivi1、P110、Dynasore等可靶向保護線粒體結(jié)構(gòu)完整性，維持線粒體動力學穩(wěn)定［30］。

線粒體移植包括異體移植與自體移植兩種，因前者存在倫理爭議和異質(zhì)性風險，自體線粒體移植更易被接受，是PCOS治療的新方向。自體移植的線粒體來自未成熟的卵母細胞、顆粒細胞、卵巢干細胞和脂肪干細胞等。動物研究發(fā)現(xiàn)，分離純化的線粒體可快速、直接進入哺乳動物細胞中并正常發(fā)揮自身功能，線粒體移植可提高線粒體功能、改善胚胎發(fā)育質(zhì)量，得到可存活的動物后代［32］。Oktay等［33］以10例反復移植失敗患者為研究對象，通過卵泡漿內(nèi)單精子注射（ICSI）將分類篩選后的自體線粒體與精子一同注射到卵細胞中，與同一患者先前移植周期結(jié)果相比，此次受精率更高（78.3%和47.9%，P=0.036）、胚胎質(zhì)量更好（3.1%和2.3%，P=0.082）。但另有研究發(fā)現(xiàn)，在57例既往體外受精-胚胎移植（IVF-ET）失敗且有充分證據(jù)證明胚胎質(zhì)量差的不良妊娠患者實施線粒體移植后，每個移植胚胎的累積活產(chǎn)率無明顯差異（41.2%和41.7%，P=0.970）［34］。上述結(jié)論不一致可能由樣本量、研究方法以及患者生殖助孕周期方案差異等多方面因素導致，未來仍需進一步研究線粒體移植是否為改善PCOS的卵母細胞及胚胎質(zhì)量的可行方法。

4 展望

基于線粒體功能修復的治療方法在PCOS動物模型和臨床研究已有初步探索，確證其安全性和有效性后，未來有望成為PCOS治療的潛在方法和手段；但也還需要進一步研究線粒體功能障礙與PCOS的發(fā)病機制及與PCOS臨床表型之間的聯(lián)系、篩選評估疾病預后的生物標記物，以期為以線粒體為靶點的精準治療提供科學依據(jù)和新思路。