基于線粒體功能障礙的多囊卵巢綜合征研究進展

楊喬瑞 潘紫萌 孫暢 孫淼 匡洪影

多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)是當今女性無排卵性不孕最常見的原因之一，全世界的發(fā)病率約為5%～20%[1]。隨著研究的深入，人們逐漸認識到PCOS不僅會造成女性不孕，更會增加罹患心血管疾病、代謝綜合征、子宮內(nèi)膜癌、妊娠期糖尿病和先兆子癇等疾病的風險[2]。但是，目前為主，學術界關于PCOS確切的發(fā)病機制仍然沒有統(tǒng)一認識。不過，可以確定的是，PCOS并不是一種由單一機制所引起的代謝紊亂性疾病，而是與遺傳、生活方式、環(huán)境、社會以及心理因素都密切相關的內(nèi)分泌疾病[2-3]。

近年來，國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙和線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突變與PCOS存在著緊密聯(lián)系。線粒體作為參與細胞能量代謝、鈣穩(wěn)態(tài)、脂肪酸氧化和凋亡等生命活動的重要細胞器，一直是多種代謝性疾病的研究熱點[4]。線粒體功能異?？梢鸷粑湽δ芪蓙y，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)生成減少和活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生增加，氧化還原途徑失衡以及mtDNA編碼異常，并參與到PCOS的發(fā)生與發(fā)展中[5-6]。同時有研究指出[7-11]，二甲雙胍、褪黑素、米托蒽醌甲磺酸鹽(mitoquinol mesylate,MitoQ10)和維生素D3等多種治療方式能通過促進線粒體生物發(fā)生過程，緩解PCOS臨床癥狀，這更加彰顯了線粒體損傷在PCOS病程中的重要地位。本文則對近些年關于線粒體功能障礙與PCOS發(fā)生機制和相關治療的研究進行綜述，為臨床治療PCOS提供新思路。

一、 PCOS與線粒體形態(tài)損傷

線粒體作為細胞內(nèi)重要的細胞器，其特殊的雙層膜結構與嵴結構在能量代謝過程中具有關鍵意義。近年來，有學者在電鏡下發(fā)現(xiàn)PCOS模型小鼠卵母細胞線粒體可見明顯的嵴腫脹與空泡改變[12]。同時，這種線粒體損傷并不局限于卵母細胞，研究人員在骨骼肌細胞中也觀察到了類似的表現(xiàn)[13]。在PCOS患者體內(nèi)，這種線粒體損傷也十分常見。有學者發(fā)現(xiàn)，PCOS患者顆粒細胞內(nèi)線粒體從正常的豆狀逐漸轉變成球狀，并伴有不同程度的空泡變性、嵴消失和膜破裂，線粒體分裂與融合動態(tài)失衡[14-15]。此外，Risal等[16]也在PCOS小鼠后代的卵母細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了較正常小鼠更為明顯的線粒體腫脹。這預示著線粒體損傷在PCOS發(fā)生發(fā)展中所占據(jù)的位置遠比想象中重要，線粒體損傷不僅可能加重PCOS臨床癥狀，更可能通過減數(shù)分裂遺傳給子代，成為PCOS家族聚集性的重要原因。

二、PCOS與線粒體基因突變

人類mtDNA遵循嚴格的母系遺傳，其突變率遠高于核DNA[17]。在一項對PCOS患者線粒體基因組全序列突變篩查的研究中發(fā)現(xiàn)，mtDNA V區(qū)9-bp缺失變異在PCOS患者和健康人群之間存在著顯著差異，可能與PCOS異質性有關[18]。這一發(fā)現(xiàn)與Zhuo等[19]觀察結果相類似，同時他們還發(fā)現(xiàn)PCOS患者mtDNA的D環(huán)非編碼區(qū)存在16個堿基改變，12S 核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)存在7個基因變異，16S rRNA存在3個基因變異，6個轉運RNA形態(tài)結構發(fā)生改變，其他變異主要集中在參與氧化磷酸化的復合體上。這些突變可能通過影響mtDNA轉錄翻譯過程和線粒體呼吸鏈功能參與了PCOS的發(fā)生發(fā)展。

線粒體轉運RNA(mitochondrial transfer RNA，mt-tRNA)發(fā)生突變亦可導致線粒體蛋白質合成障礙，影響氧化磷酸化過程，在PCOS發(fā)生中也具有重要意義。Ding等[20]發(fā)現(xiàn)線粒體tRNALeu(UUR)C3 275T,tRNAGlnT4 363C和tRNALysA8 343G錯義突變會導致線粒體tRNA二級結構發(fā)生改變，mtDNA拷貝數(shù)減少，線粒體膜電位降低，ROS產(chǎn)生增加和ATP合成減少，而線粒體膜電位損傷又會進一步促使突變細胞內(nèi)ROS產(chǎn)生增多，形成惡性循環(huán)，從而導致PCOS各種臨床表型。該研究組還從一個胰島素抵抗(insulin resistance，IR)家系中發(fā)現(xiàn)tRNALeu(UUR)A3 302G的錯義突變會致使線粒體呼吸鏈復合體I嚴重缺乏，同時降低復合體IV活性，減少mtDNA拷貝發(fā)生，并與胰島素水平和IR指數(shù)呈負相關，提示線粒體tRNALeu(UUR)A3 302G突變與PCOS女性IR發(fā)生緊密相關[21]。此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)tRNALeu(UUR)C3 275A、mt-tRNAGlnT4 363C、mt-tRNAGlnT4 395C、mt-tRNASer(UCN)C7 492T、mt-tRNAAspA7 543G、mt-tRNALysA8 343G、mt-tRNAArgT10 454C以及mt-tRNAGluA14 693G這8個mt-tRNA突變可能與PCOS-IR發(fā)生也有著密切關系[22]。目前研究表明，PCOS患者線粒體內(nèi)80%的突變局限在進化保守的堿基區(qū)，主要參與mt-tRNAs二級結構的發(fā)育，而tRNA二級結構的損壞會致使胰島β細胞線粒體蛋白質合成和呼吸功能障礙，參與PCOS-IR的發(fā)生[23]。

除了mt-tRNA基因改變，NADH脫氫酶亞單位5(NADH dehydrogenase subunit 5，ND5)基因突變也與PCOS-IR有著十分密切的聯(lián)系。有研究在PCOS患者mtDNA中發(fā)現(xiàn)[24]，ND5 T12 338C和tRNASer(UCN)C7 492T發(fā)生突變，可能導致ND5 信使RNA(messenger RNA，mRNA)表達水平降低和tRNASer(UCN)三級結構發(fā)生改變，最終對PCOS-IR的發(fā)生起促進作用?？偠灾?，mtDNA翻譯或轉錄的任一環(huán)節(jié)突變失衡都有可能引起氧化應激和ATP氧化磷酸化通路的解偶聯(lián)，胰島β細胞功能被破壞，胰島素分泌減少，不足以抑制肝葡萄糖產(chǎn)生或刺激外周組織攝取葡萄糖，是PCOS-IR的重要發(fā)病機制之一。

線粒體D環(huán)區(qū)是線粒體基因組中唯一的非編碼區(qū)，是mtDNA復制和轉錄的主要調控位點。研究發(fā)現(xiàn)印度南部PCOS人群D環(huán)區(qū)攜帶D310與A189G變異者，mtDNA拷貝數(shù)顯著減少，可導致mtDNA編碼基因表達減少、線粒體功能障礙、ROS生成增加以及PCOS進展[25]。Shukla等[26]則在30名PCOS患者中發(fā)現(xiàn)了6個全新的D環(huán)區(qū)變異點，分別為342G、16 308G、16 389C、205C、568G和569G，并指出聚合酶γ功能異常是PCOS患者mtDNA變異的主要來源，僅有少數(shù)mtDNA變異是由于氧化損傷所引起。此外，D環(huán)區(qū)16184C堿基缺失也可能與PCOS發(fā)病和月經(jīng)周期紊亂有關[27]。

因此，無論是mtDNA自身突變，還是rRNA，tRNA或mRNA變異，最終都可導致線粒體蛋白質合成和功能障礙，氧化還原途徑異常，電子傳遞和ATP形成的偶聯(lián)機制被打破，ATP與ROS含量發(fā)生改變，細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，從而出現(xiàn)IR等一系列臨床癥狀。

三、PCOS與線粒體mtDNA甲基化

Jia等[28]從豬的多囊樣卵巢中發(fā)現(xiàn)，卵母細胞線粒體內(nèi)編碼12S rRNA、16S rRNA和NADH脫氫酶亞單位4的mtDNA序列以及D環(huán)區(qū)顯著超甲基化，線粒體膜電位降低，mtDNA拷貝數(shù)和編碼基因表達量均顯著降低，說明超甲基化可能是導致卵母細胞線粒體功能障礙和質量下降，卵細胞發(fā)育異常的重要原因之一。他們還發(fā)現(xiàn)，同型半胱氨酸能夠通過激活單碳代謝途徑引起上述類似改變，而DNA甲基轉移酶抑制劑5′AZA可挽救同型半胱氨酸所誘導的mtDNA高甲基化，解除線粒體功能障礙，恢復卵母細胞的正常發(fā)育[29]，這可能是促進PCOS患者卵泡發(fā)育和改善生殖功能的潛在研究方向。

四、PCOS與線粒體蛋白水平改變

線粒體內(nèi)膜上UCP2蛋白水平的升高可促使雄激素合成增多，從而介導PCOS高雄激素血癥的發(fā)生[30-31]。過高的雄激素水平又能致使胰島β細胞線粒體生物發(fā)生過程異常，線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1a，PGC1α)和核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1，NRF1)表達下調，且mtDNA編碼的NADH脫氫酶亞單位1、NADH脫氫酶亞單位3、線粒體呼吸鏈復合體II、線粒體呼吸鏈復合體IV、ATP合成酶亞單位β(ATP synthase β-subunit，ATPsyn-β)也呈表達下調狀態(tài)[32]，ADP/ATP比值升高，mtDNA拷貝數(shù)減少，ROS產(chǎn)生增加[33]，線粒體氧化還原平衡被打破，表明雄激素水平升高通過破壞胰島β細胞線粒體穩(wěn)態(tài)影響胰島素分泌。 Sánchez-González等[34]進一步證實了大鼠ATPsyn-β與胰島素分泌缺乏之間的反向關聯(lián)關系，提示ATPsyn-β可能是PCOS遠期并發(fā)2型糖尿病等疾病的重要因素。

在高雄激素血癥和IR的共同作用下，PCOS不孕率遠高于健康人群[35]。Emidio等[36]在PCOS模型小鼠卵巢組織中觀察到去乙酰化酶1/3(sirtuin1/3，SIRT1/3)和超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase，SOD2)表達上調，PGC1α和TFAM表達下調，說明PCOS改變了卵巢線粒體內(nèi)的氧化還原環(huán)境，SIRT3/SOD2驅動的抗氧化反應被顯著激活，但線粒體數(shù)量的減少反映了該抗氧化機制仍不能阻止線粒體功能的衰竭，卵巢線粒體功能受到損害，可能是卵泡發(fā)育異常和不孕的危險因素。PCOS除了對卵巢造成損害，對胎盤線粒體正常功能也有一定的影響。Zhang等[37-38]發(fā)現(xiàn)PCOS樣大鼠體內(nèi)的高雄激素和IR環(huán)境通過減少mtDNA拷貝數(shù)和動力相關蛋白1(dynamin related protein 1，Drp1)、PGC1α、NRF1等基因表達致使子宮線粒體功能受損和氧化-抗氧化應激反應失衡，同時胎盤線粒體-ROS-SOD1/NRF2軸功能失調，最終引起早產(chǎn)、流產(chǎn)等不良生殖結局。

五、PCOS與線粒體氧化應激損傷

氧化應激是指ROS產(chǎn)生與抗氧化機制之間的失衡[39]，而ROS主要來源于線粒體，是氧化代謝反應的副產(chǎn)物[40]。Khashchenko等[41]發(fā)現(xiàn)正常體重PCOS患者通過激活抗氧化防御機制、減少脂質過氧化和全身炎癥反應來減弱機體的氧化應激損傷，而肥胖合并代謝紊亂的PCOS患者呈現(xiàn)出典型的線粒體氧化/抗氧化失衡和炎癥反應活化，加劇了PCOS胰島素抵抗、動脈粥樣硬化等并發(fā)癥的發(fā)生。其中，炎癥反應的活化不僅能直接降低卵母細胞質量，還能影響線粒體正常呼吸功能，導致ROS積累和mtDNA代償性增加，氧化應激被過度激活，臨床表現(xiàn)為PCOS 患者卵子及胚胎質量下降，較低妊娠率和高流產(chǎn)率等[42]。此外，氧化應激損傷還參與了PCOS卵細胞發(fā)育異常、排卵障礙、脂質代謝紊亂等病理過程[43-44]。

六、PCOS相關線粒體損傷的藥物治療

二甲雙胍在臨床上用于PCOS多毛、痤瘡和IR的治療，但其具體作用機制至今未明[8]。Randriamboavonjy等[7]在伴有IR的PCOS患者血小板中觀察到二甲雙胍通過AMPKα1依賴機制增強血小板Ser637上Drp1的磷酸化，抑制線粒體過度分裂。通過恢復線粒體正常體積和基礎呼吸速率，降低血小板的高反應性，進而發(fā)揮二甲雙胍對PCOS并發(fā)心血管疾病的防治作用。此外，二甲雙胍還能增加白細胞線粒體耗氧量、膜電位、線粒體質量和谷胱甘肽水平，降低ROS和H2O2水平，對線粒體產(chǎn)生有益影響，這可能是二甲雙胍改善PCOS患者外周IR的分子機制[8]。Atef等[45]提出將硒作為治療PCOS的一種新策略，其作用與二甲雙胍相當，硒能恢復線粒體動態(tài)蛋白的平衡，減輕氧化應激和線粒體功能障礙，調節(jié)線粒體動力學，較二甲雙胍更顯著改善PCOS相關內(nèi)分泌代謝表型和組織病理學改變。

褪黑素與MitoQ10均為線粒體靶向抗氧化劑。研究表明，褪黑素能夠顯著提高PCOS患者顆粒細胞中SIRT1蛋白的表達水平，抑制PINK1/Parkin介導的線粒體過度自噬，提高線粒體膜電位和mtDNA含量，從而改善線粒體的功能障礙和PCOS表型[9]。MitoQ10則是通過提高大鼠血清中SOD和谷胱甘肽等指標，增強抗氧化能力，改善受損的線粒體功能和PCOS的IR，逆轉PCOS內(nèi)分泌紊亂和生殖障礙狀態(tài)[10]。

維生素D3目前多被用于緩解PCOS臨床癥狀，Safaei等[11]發(fā)現(xiàn)維生素D3可能通過刺激DHEA誘導的PCOS小鼠顆粒細胞MAPK(ERK1/2)通路來促進線粒體生物發(fā)生，上調PGC1α和NRF1表達，降低ROS水平，恢復線粒體功能，降低顆粒細胞凋亡率，在維持卵泡發(fā)育和排卵中發(fā)揮重要作用。這預示著未來線粒體靶向治療可能成為治療PCOS的研究熱點，能同時有效改善PCOS生殖、代謝和內(nèi)分泌異常，減緩并發(fā)癥發(fā)生。

線粒體是人體最重要的細胞器之一，越來越多的研究表明，線粒體與許多疾病有著密切聯(lián)系。線粒體功能障礙和基因突變不僅參與了PCOS高雄激素血癥、高胰島素血癥、IR、排卵障礙或無排卵等病理過程，在PCOS的遠期并發(fā)癥中也起到了一定的作用。因此，如何有效地恢復線粒體形態(tài)和呼吸鏈功能，減少ROS產(chǎn)生和線粒體自噬發(fā)生，恢復氧化還原平衡，促進線粒體蛋白的正常表達，抑制氧化應激和mtDNA突變的發(fā)生，對PCOS防治有著重要的指導意義。