李荔 周嘉禾 李末娟 鐘明琳 張小偉 許秋儀 梁蓮云
1廣東省婦幼保健院婦女兒童健康研究所(廣州 511442);2廣州醫(yī)科大學(xué)(廣州 510182);3華南理工大學(xué)附屬第六醫(yī)院(佛山市南海區(qū)人民醫(yī)院)婦產(chǎn)科(廣東佛山 528200);4東莞市婦幼保健院婦產(chǎn)科(廣東東莞 523125)
多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome,PCOS)是育齡女性最常見(jiàn)的生殖內(nèi)分泌疾病,也是無(wú)排卵性不孕的最常見(jiàn)原因。PCOS 患病率約5% ~15%,我國(guó)是全球PCOS 患病率增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一,2017年中國(guó)PCOS 發(fā)病率比2007年增長(zhǎng)3.68%[1]。PCOS 不僅影響生育,導(dǎo)致不孕、流產(chǎn)及妊娠期高血壓、糖尿病,早產(chǎn)等不良妊娠結(jié)局,還常伴隨高脂血癥、腹型肥胖、糖代謝異常、心血管疾病等多種代謝相關(guān)疾?。?-3]。2015年一項(xiàng)回顧性隊(duì)列研究納入2 566 例PCOS 住院女性及25 660 例年齡匹配的非PCOS 女性,發(fā)現(xiàn)PCOS 患者不孕及不良妊娠結(jié)局發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)顯著高于非PCOS 人群[4]。2017年一項(xiàng)meta 分析納入PCOS 孕婦13 378 例,非PCOS 孕婦49 395 例,發(fā)現(xiàn)PCOS 患者常伴有妊娠糖尿病及高血壓、剖宮產(chǎn)、早產(chǎn)及巨大兒等各種妊娠并發(fā)癥[5]。此外,多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),較非PCOS人群,PCOS 患者罹患糖尿病、高血壓、非酒精性脂肪肝、心血管疾病等代謝疾病發(fā)生率顯著升高[6-7]。
PCOS 是影響婦女生殖健康及生活質(zhì)量的常見(jiàn)疾病,由于其發(fā)病機(jī)制尚未明確,病因復(fù)雜,與遺傳及后天環(huán)境均有關(guān)系,是生殖內(nèi)分泌領(lǐng)域最為復(fù)雜的研究熱點(diǎn)之一;同時(shí)由于疾病的高度異質(zhì)性,缺乏預(yù)后標(biāo)志物,早期診斷困難,導(dǎo)致20%患者延遲診斷或誤診,患者不孕不育、反復(fù)流產(chǎn),遠(yuǎn)期并發(fā)癥升高。近年來(lái)表觀遺傳學(xué)、代謝組學(xué)、腸道微生物等生物技術(shù)的進(jìn)展,為PCOS 患者的診療帶來(lái)了新的曙光。本文就PCOS 的遺傳學(xué)機(jī)制、代謝組學(xué)、腸道菌群的研究進(jìn)展進(jìn)行前沿述評(píng),從新的視角再認(rèn)識(shí)PCOS 致病機(jī)制,以期深入理解疾病發(fā)病機(jī)制,為臨床治療提供新方向。
PCOS 是一種復(fù)雜的多基因功能障礙,遺傳和表觀遺傳調(diào)控在PCOS 表型形成中發(fā)揮重要的作用。遺傳因素被認(rèn)為是PCOS 發(fā)病的主要原因,中國(guó)及歐洲人群的多個(gè)全基因組關(guān)聯(lián)分析證實(shí)PCOS遺傳位點(diǎn)涉及雄激素合成、促性腺激素、卵巢局部功能、代謝等[8-10]。PCOS的發(fā)病常具有家族聚集性,且認(rèn)為與常染色體有關(guān),在一級(jí)親屬中發(fā)病率更高。多項(xiàng)家族性和雙胞胎研究證實(shí)了遺傳因素在PCOS 的發(fā)病中有著舉足輕重的作用,其遺傳率高達(dá)70%[11-12]。PCOS 患者的女兒罹患該病幾率升高5 倍[12],但胎兒期宮內(nèi)高雄激素、高抗苗勒管激素(AMH)環(huán)境也是導(dǎo)致子代罹患PCOS 的重要原因,這已經(jīng)在人類(lèi)及大鼠模型上被證實(shí)[13-16]。
環(huán)境改變可能是PCOS 的誘因之一,但是先前的研究極少關(guān)注PCOS 的表觀遺傳學(xué)變化。直至2018年,表觀遺傳與PCOS 的發(fā)生發(fā)展的研究才逐漸開(kāi)始受到關(guān)注[17-19]。2021年2月,法國(guó)里爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院的MIMOUNI 團(tuán)隊(duì)在《Cell Metabolism》發(fā)表的一項(xiàng)創(chuàng)新性研究[20],證明PCOS 神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝功能障礙在PAMH 小鼠(概括了PCOS 高雄激素、高AMH、排卵障礙、不孕、代謝異常等生理特征的模型小鼠)中傳播至少三代。該項(xiàng)研究闡明了PCOS 可能的表觀遺傳學(xué)機(jī)制:環(huán)境因素(宮內(nèi)高雄激素、高AMH)通過(guò)誘導(dǎo)表觀遺傳變化(如DNA 甲基化)發(fā)揮其作用,這些修飾會(huì)導(dǎo)致PCOS 子代疾病易感性增加,造成子代神經(jīng)內(nèi)分泌及代謝障礙。同時(shí),研究人員用甲基供體S-腺苷甲硫氨酸處理PCOS 小鼠模型后,發(fā)現(xiàn)DNA 甲基化程度升高可以緩解PCOS 小鼠的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝缺陷。表明用甲基化藥物治療PAMH F3 雌性后代可以挽救PCOS 的神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝改變,從而提出了PCOS 表觀遺傳治療的新方向(圖1)。
圖1 PCOS 表觀遺傳學(xué)機(jī)制及其治療新方向Fig.1 New directions in mechanism and treatment of epigenetics in PCOS
該團(tuán)隊(duì)研究人員首先建立宮內(nèi)高AMH 小鼠模型(PAMH),并驗(yàn)證了PCOS的強(qiáng)遺傳性。與對(duì)照組相比,PAMH 小鼠后代表現(xiàn)出更多的PCOS 癥狀,交配后產(chǎn)仔的數(shù)量也減少;出生后6 個(gè)月,PAMH動(dòng)物模型的代謝發(fā)生了改變,包括體質(zhì)量和脂肪量更高,PAMH F1 后代的葡萄糖耐量和胰島素敏感性較低等,呈現(xiàn)出跨代遺傳的現(xiàn)象。隨后,研究人員對(duì)第三代PCOS 樣小鼠及對(duì)照組小鼠的卵巢組織進(jìn)行甲基化DNA 免疫共沉淀測(cè)序(MeDIP-seq),分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):DNA 低甲基化可以調(diào)節(jié)與PCOS關(guān)鍵基因的表達(dá)。研究者進(jìn)一步證實(shí)了甲基供體S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的治療潛力,SAM 是一種重要的天然存在的生物分子,廣泛存在于所有活細(xì)胞中,并作為所有轉(zhuǎn)甲基化反應(yīng)的主要甲基供體,用于促進(jìn)低甲基化組織的甲基化。研究人員用SAM 處理PCOS 小鼠模型后,發(fā)現(xiàn)DNA 甲基化程度升高可以緩解PCOS 小鼠的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝缺陷。最后,研究人員通過(guò)臨床樣本分析,發(fā)現(xiàn)PCOS 患者的血液樣本中同樣存在差異甲基化,從PAMH 小鼠全基因組甲基化譜篩選出的六個(gè)基因中,可以鑒定出五個(gè)甲基化基因,分別為:ROBO-1、CDKN1A、HDC、IGFBPL1 和IRS4,均定位于這些基因的啟動(dòng)子區(qū)域。該研究發(fā)現(xiàn)了DNA 甲基化水平降低是PCOS 重要的表觀跨代異常特征,首次提出SAM 可逆轉(zhuǎn)PCOS 的神經(jīng)內(nèi)分泌及代謝障礙,為PCOS 的治療提供了新的基于表觀遺傳的PCOS 治療策略。2021年,ABBOTT等[21]同期在《Cell Metabolism》撰文,評(píng)價(jià)“該項(xiàng)研究是基于PCOS 表觀遺傳領(lǐng)域方面的全新的、具有深刻洞察力的研究”,為PCOS 的治療指出了新的方向。
同時(shí),該研究仍然存在局限性,例如:尚未進(jìn)行PCOS 動(dòng)物模型的低甲基化組織的全基因組DNA 甲基化分析、RNA 測(cè)序、轉(zhuǎn)錄后組蛋白修飾的研究;尚未證實(shí)SAM 是否能逆轉(zhuǎn)PAMH 小鼠模型的生殖障礙;尚未進(jìn)行哺乳類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)(如獼猴)等等。未來(lái)可在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行全基因組DNA 甲基化分析、組蛋白乙酰化等研究,并與PCOS 患者的臨床表型關(guān)聯(lián)分析,同時(shí),還需要進(jìn)一步分析對(duì)PCOS 促進(jìn)甲基化的治療對(duì)患者的遠(yuǎn)期繼發(fā)副反應(yīng)。
近年來(lái),大量研究表明,非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNAs)參與了PCOS 的發(fā)生發(fā)展。非PCOS 人 群中 比 較,PCOS 患 者ncRNA 的表達(dá)在血清、顆粒細(xì)胞、濾泡液等組織中均存在顯著差異,有可能成為診斷性生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。其中,miRNA、LncRNA、siRNA 是三種常見(jiàn)的ncRNA。研究表明,在顆粒細(xì)胞、卵泡液中,PCOS 組的miR-93、miR-21 表達(dá)顯著性增高[22],差異表達(dá)的miRNAs 參與多種信號(hào)通路,包括氨基酸代謝、激素調(diào)節(jié)、細(xì)胞分化等[23]。作為ncRNA 家族的重要一員,lncRNA 在細(xì)胞增殖、分化、凋亡和腫瘤發(fā)生中發(fā)揮重要作用。研究顯示,PCOS 患者外周血白細(xì)胞中l(wèi)ncRNA H19 的表達(dá)水平明顯增高。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中顯示,PCOS 大鼠模型子宮組織的lncRNA CD36-005 明顯上調(diào),表明lncRNA 的表達(dá)水平可能是PCOS 發(fā)生的一個(gè)重要誘因[24-25]。而關(guān)于siRNA的研究,更多的關(guān)注點(diǎn)在于它和miRNA 結(jié)合來(lái)發(fā)揮基因沉默的功能,已有研究證實(shí)了siRNA 介導(dǎo)的基因沉默和PCOS 存在密切的關(guān)系,可導(dǎo)致卵泡生長(zhǎng)減速,進(jìn)而造成不孕[26]。
PCOS 不僅影響生殖、導(dǎo)致不孕,還與機(jī)體代謝密切聯(lián)系,嚴(yán)重影響患者的生命質(zhì)量、生育及遠(yuǎn)期健康。2007-2011年間北京大學(xué)第三醫(yī)院牽頭的“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃,通過(guò)對(duì)來(lái)自中國(guó)10 個(gè)省市的15 924 例19~45 歲的育齡婦女,進(jìn)行大規(guī)模的分層隨機(jī)抽樣調(diào)查,明確我國(guó)育齡女性PCOS 患者有更高的代謝綜合征的發(fā)病情況[27]。PCOS 女性不僅存在嚴(yán)重的內(nèi)分泌激素紊亂,還合并多種代謝功能異常,包括胰島素抵抗、高胰島素血癥、過(guò)度肥胖等,導(dǎo)致患者最終發(fā)展為2 型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高脂血癥、高血壓、心腦血管疾病等,并成為患者的主要死因[28-29]。由于機(jī)體代謝物的變化是對(duì)疾病、環(huán)境以及遺傳變異等壓力因素影響的最終應(yīng)答,利用代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)行PCOS 病因?qū)W研究,是對(duì)于PCOS 這類(lèi)遺傳和環(huán)境因素共同發(fā)揮作用的重要研究方法,質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展如:液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(liquid chromatographytandem mass spectrometric,LC-MS),氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(gas chromatography-tandem mass spectrometric,GC-MS),也為代謝產(chǎn)物的分析提供了有利的工具。這些前沿技術(shù)手段可發(fā)現(xiàn)新的、無(wú)創(chuàng)的代謝診斷標(biāo)記物,并從代謝角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)PCOS 的發(fā)病機(jī)制。
PCOS 包括許多代謝途徑的異常,包括類(lèi)固醇激素、氨基酸、碳水化合物、脂質(zhì)、嘌呤和檸檬酸循環(huán)的代謝紊亂[30]。其中,PCOS 患者循環(huán)氧化應(yīng)激(OS)的循環(huán)生物標(biāo)志物升高是獨(dú)立于超重的另一異常要素,氧化應(yīng)激被認(rèn)為是PCOS 發(fā)病的因素之一,且與其臨床癥狀的發(fā)生及進(jìn)展有密切關(guān)系。循環(huán)中異常增高的OS 產(chǎn)物還會(huì)導(dǎo)致該類(lèi)患者發(fā)生心腦血管疾病、肝病、腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)上升,甚至影響子代的健康[31]。氧化應(yīng)激通過(guò)釋放TNF-α 等炎癥因子,促進(jìn)胰島素抵抗的產(chǎn)生,同時(shí),氧化應(yīng)激和高胰島素血癥又增加了TNF-α 和白細(xì)胞介素合成,下調(diào)翻譯后修飾和PI3k/AKT 通路,導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙,從而誘發(fā)PCOS 遠(yuǎn)期心血管疾?。?2]。2021年首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院研究發(fā)現(xiàn),在DHEA 誘導(dǎo)的PCOS 大鼠模型血清中過(guò)氧化物增加,抗氧化能力下降,特別是卵巢組織中超氧化物歧化酶(SOD)蛋白表達(dá)量下降。由此,研究從氧化應(yīng)激角度出發(fā),發(fā)現(xiàn)Tempol 可能通過(guò)抑制小腸組織的氧化應(yīng)激,恢復(fù)腸道微生態(tài)平衡,調(diào)節(jié)腸道菌群和宿主代謝物間相互作用,從而發(fā)揮PCOS 治療作用[33]。同時(shí),通過(guò)對(duì)PCOS 患者不同組織樣本如血清、尿液、卵泡液的代謝組學(xué)技術(shù)也檢測(cè)出許多與氧化應(yīng)激相關(guān)的差異指標(biāo)。卵泡液是卵母細(xì)胞賴(lài)以生存的微環(huán)境,其代謝物組成氨基酸、脂肪酸、有機(jī)酸等間接反映卵母細(xì)胞代謝水平,對(duì)卵母細(xì)胞的成熟發(fā)揮著重要作用[34]。在一項(xiàng)對(duì)PCOS患者卵泡液的研究發(fā)現(xiàn):7β-羥基膽固醇是一種脂質(zhì)代謝物,與PCOS 診斷高度相關(guān),可能是PCOS 的潛在生物標(biāo)志物,可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激并干擾脂肪酸的代謝,通過(guò)激發(fā)卵泡液中7β-羥基膽固醇氧化應(yīng)激干擾PCOS 中卵母細(xì)胞的生長(zhǎng)[35]。有研究對(duì)PCOS 患者的血清進(jìn)行代謝組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)PCOS患者的甘油磷脂代謝、脂肪酸降解/生物合成、醚脂質(zhì)代謝等脂質(zhì)代謝紊亂,并鑒定出多種代謝產(chǎn)物,如3-(4-羥基苯基)丙酸,以及多種二肽代謝物異亮氨酸-丙氨酸、異亮氨酸-纈氨酸、甘氨酸-纈氨酸為PCOS 診斷的潛在生物標(biāo)志物[36]。2021年的一項(xiàng)研究采用一種非侵入性方法,對(duì)PCOS 患者的尿液進(jìn)行代謝組學(xué)技術(shù)分析,研究顯示3-苯基丙酸和丙酮酸可作為檢測(cè)PCOS 伴高胰島素血癥的代謝產(chǎn)物[37]。然而相反的是,丙酮酸既是糖酵解的終末產(chǎn)物,又是三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)的起始底物,還具備清除細(xì)胞內(nèi)活化氧自由基(reactive oxygen species,ROS)H2O2和OH-的作用[38]。
此外,多項(xiàng)研究顯示PCOS 患者卵巢組織的、內(nèi)臟脂肪和外周血T 淋巴細(xì)胞中氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白升高[39-40]。氧化應(yīng)激可能是誘導(dǎo)PCOS 的重要因素之一,利用抗氧化劑降低氧化應(yīng)激、維持機(jī)體氧化還原穩(wěn)態(tài)可能是PCOS 治療的新手段。PCOS不同組織樣本的代謝組學(xué)研究提供了豐富的PCOS代謝產(chǎn)物譜,但目前研究仍存在局限性,例如不同人群、不同年齡、月經(jīng)周期不同階段,PCOS 患者代謝產(chǎn)物存在差異,需要進(jìn)行大樣本、多中心研究,深入挖潛代謝產(chǎn)物與PCOS 病理生理機(jī)制。
許多PCOS 患者可能都會(huì)面臨肥胖的問(wèn)題,這與PCOS 患者腸道微生態(tài)失衡有關(guān)。腸道微生物被稱(chēng)為獨(dú)立的“微生物器官”,它依靠腸道生活,幫助宿主完成多種生理生化功能,與宿主形成相互依賴(lài)且相互制約的微生態(tài)系統(tǒng),被稱(chēng)為人體的“第二基因組”。腸道菌群的紊亂通過(guò)影響炎癥水平以及調(diào)控能量代謝水平影響疾病的發(fā)生發(fā)展,并可以分泌、產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物作用于遠(yuǎn)端器官。2019年喬杰等[41]通過(guò)宏基因組學(xué)的方法,發(fā)現(xiàn)PCOS 患者腸道菌群特點(diǎn)為普通擬桿菌豐度顯著升高。腸道代謝產(chǎn)物膽汁酸甘氨脫氧膽酸(GDCA)與?;侨パ跄懰幔═UDCA)的水平降低,并與普通擬桿菌的豐度呈負(fù)相關(guān)。將PCOS 患者的腸道菌群移植給模型小鼠或喂養(yǎng)普通擬桿菌后,小鼠呈現(xiàn)出PCOS 的表型,同時(shí)出現(xiàn)腸道代謝產(chǎn)物GDCA與TUDCA 水平降低,且伴有腸道免疫因子IL-22的水平下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn):補(bǔ)充IL-22 或者膽汁酸可改善PCOS 樣表型,其機(jī)制在于膽汁酸—IL-22 軸可促進(jìn)白色脂肪組織棕色化、抑制卵巢局部的炎癥反應(yīng)及提高能量代謝進(jìn)而改善PCOS 樣表型。2021年YANG 等[42]發(fā)現(xiàn)PCOS 患者及來(lái)曲唑誘導(dǎo)的PCOS 小鼠模型中擬桿菌顯著富集,通過(guò)抗生素清除菌群可以改善PCOS 表型及胰島素抵抗,并增加回腸法尼酯X 受體(FXR)水平和血清成纖維生長(zhǎng)因子15(FGF15)的水平。PCOS 糞便移植小鼠在10 周時(shí)出現(xiàn)胰島素抵抗,但未出現(xiàn)類(lèi)似PCOS 的表型。同時(shí),用鵝去氧膽酸(FXR 的激活劑)治療PCOS 小鼠可改善其葡萄糖代謝。該研究認(rèn)為:擬桿菌屬是PCOS 的關(guān)鍵微生物標(biāo)志物,PCOS 的生物失調(diào)與胰島素抵抗有關(guān),而FXR 的激活可能對(duì)PCOS 產(chǎn)生有益的影響。
PCOS 相關(guān)臨床表現(xiàn)與腸道菌群也存在相關(guān)性。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腸道菌群可以影響血液中睪酮含量,通過(guò)移植“有益”菌群后,類(lèi)似PCOS 表型得到改善[41-43]。非酒精性脂肪肝、代謝綜合征在PCOS 患者中發(fā)病率較高。近年來(lái)腸道菌群被認(rèn)為是誘發(fā)代謝性疾病的重要因素。研究發(fā)現(xiàn):肥胖型PCOS 女孩的腸道菌群多樣性減少,血清睪酮水平升高,這表明腸道菌群的變化可能是多囊卵巢綜合征的早期表現(xiàn)[44]。研究者認(rèn)為目前尚不清楚血清睪酮水平與腸道菌群之間是何種關(guān)系。近年研究表明肥胖與腸道菌群密切相關(guān)。基于此,或可以通過(guò)改變腸道菌群來(lái)預(yù)防和控制肥胖,改善代謝,提高患者生育能力[43]。WU 等[45]中發(fā)現(xiàn)腸缺氧誘導(dǎo)因子2α(HIF-2α)的異?;罨?,在食源性肥胖和相關(guān)脂肪肝病的發(fā)生發(fā)展中有重要作用,通過(guò)進(jìn)一步研究,將腸HIF-2α 基因敲除后,腸道內(nèi)的乳酸水平降低,腸道細(xì)菌失去平衡,進(jìn)而通過(guò)改變膽汁酸譜來(lái)促進(jìn)白色脂肪組織生熱,改善宿主代謝。該研究揭示了宿主腸HIF-2α 與腸道菌群互作調(diào)節(jié)肥胖的新機(jī)制。在糖尿病和肥胖小鼠飲食模型中,乳雙歧桿菌B420 菌株被證明有助于改善胰島素抵抗,同時(shí)可降低脂肪含量[46-47]。已有臨床研究發(fā)現(xiàn)使用乳酸雙歧桿菌可改善PCOS 患者性激素水平[48]。未來(lái)益生菌或許會(huì)成為干預(yù)PCOS 肥胖的重要手段。
傳統(tǒng)的相關(guān)性研究中多從宏觀的角度研究腸道菌群與疾病的關(guān)系。近年的一些關(guān)于腸道菌群的研究中,通過(guò)鑒定出差異菌株,在特定菌株的層面進(jìn)行精細(xì)化研究,這一類(lèi)研究方法值得關(guān)注[41-42,49]。
多囊卵巢綜合征是與遺傳、神經(jīng)內(nèi)分泌、代謝、環(huán)境、生活習(xí)慣等因素均有關(guān)系的疾病,是一種慢性疾病,發(fā)病機(jī)制仍不明確。隨著下一代測(cè)序技術(shù)及表觀遺傳修飾、代謝組學(xué)相關(guān)研究的不斷發(fā)展,對(duì)PCOS 的病理機(jī)制的理解越來(lái)越深入,表觀遺傳學(xué)、代謝組學(xué)、腸道微生態(tài)與PCOS 的相關(guān)性也逐漸被揭示,這些為PCOS 的研究提供了新的思路及治療策略?;诒碛^遺傳修飾的小分子調(diào)節(jié)劑、基于代謝組學(xué)的抗氧化劑、基于腸道菌群的菌株移植都將作為PCOS 藥物研發(fā)的新靶標(biāo),不斷開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于臨床實(shí)踐,這也是PCOS 未來(lái)值得去關(guān)注與探索的方向。