子宮內(nèi)膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體在胚胎著床中作用的研究進展

張立雪，李長興

1.西北民族大學 醫(yī)學部，甘肅 蘭州 730000；2.青海大學 醫(yī)學院，青海 西寧 810001

胚胎著床是消耗能量的過程。葡萄糖是細胞主要供能物質(zhì)。著床過程中子宮內(nèi)膜上皮細胞葡萄糖的攝取與利用直接關(guān)系到細胞內(nèi)的能量供應。葡萄糖轉(zhuǎn)運體是介導葡萄糖跨細胞膜轉(zhuǎn)運的重要載體,分為易化擴散葡萄糖轉(zhuǎn)運體(glucose transporters, GLUTs)和鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運體(sodium-glucose cotransporters, SGLTs)兩類。近年來,不孕不育及早期流產(chǎn)已成為世界性問題。研究葡萄糖轉(zhuǎn)運體在胚胎著床中的作用具有重要意義。因此, 本文綜述了葡萄糖轉(zhuǎn)運體在胚胎著床中的作用,旨在為女性不孕及早期流產(chǎn)的診斷治療提供新的思路。

1 葡萄糖轉(zhuǎn)運體的分類

葡萄糖轉(zhuǎn)運體,是介導葡萄糖跨細胞膜轉(zhuǎn)運的重要載體。分為3大類,一類為易化擴散葡萄糖轉(zhuǎn)運體(glucose transporters, GLUTs),順濃度梯度轉(zhuǎn)運葡萄糖,不需要消耗能量;GLUTs家族有13個成員,由SLC2基因編碼,根據(jù)序列同源性可分為3大類:Ⅰ類包括GLUT1-GLUT4,已明確具有葡萄糖轉(zhuǎn)運能力的轉(zhuǎn)運體;Ⅱ類包括GLUT5,7,9和11,主要轉(zhuǎn)運果糖;Ⅲ類包括GLUT6,8,10和12和轉(zhuǎn)運底物是肌醇的轉(zhuǎn)運體HMIT。另一類是鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運體(sodium-glucose linked transporters, SGLTs),依賴于Na+電化學梯度,需要消耗能量。SGLTs家族有12個成員,由SLC5基因編碼,通過鈉鉀泵建立的鈉離子濃度梯度與鈉耦聯(lián)轉(zhuǎn)運葡萄糖。只有SGLT1和SGLT2被證實具有葡萄糖轉(zhuǎn)運功能。SGLT3a 基本不具有單糖轉(zhuǎn)運能力,但在一些細胞可作為感受器分子發(fā)揮作用。最后一類是近年來新發(fā)現(xiàn)的一類葡萄糖轉(zhuǎn)運體SWEETs (sugars will eventually be exported transporters),由SLC50基因編碼,主要負責植物中糖的外流和細胞內(nèi)運輸,在哺乳動物中的表達尚待研究[1]。

2 子宮內(nèi)膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體在胚胎著床中的作用

2.1 子宮內(nèi)膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體在子宮內(nèi)膜接受態(tài)建立中的作用

子宮內(nèi)膜接受性是指子宮具有接受并且容納具有植入能力的囊胚,成功建立妊娠的能力。白血病抑制因子、整合素αvβ3、黏蛋白1、乳鐵蛋白表達改變以及子宮內(nèi)膜腔上皮形態(tài)如微絨毛的消失、胞飲突的形成、細胞極性的改變可作為判斷子宮內(nèi)膜接受態(tài)建立成功與否的標志。黏附分子表達及轉(zhuǎn)位、細胞極性的改變、胞飲突的形成等上皮細胞結(jié)構(gòu)和功能的改變,都是耗能的過程[2]。與眾多細胞一樣,葡萄糖是子宮內(nèi)膜上皮細胞的主要能源物質(zhì)。足夠的葡萄糖攝取和利用對子宮內(nèi)膜的適當分化及建立子宮內(nèi)膜接受態(tài)是必要的,對胚胎著床也至關(guān)重要。

在胚胎著床過程中子宮內(nèi)膜上皮細胞內(nèi)的糖代謝要維持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)以保證上皮細胞自身的能量供應,從而保證胚胎著床的順利進行。破壞這種穩(wěn)定狀態(tài),胚胎著床將不能順利進行。孕激素通過GLUT1調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜葡萄糖攝取和利用,促進子宮內(nèi)膜接受態(tài)的成功建立,保障胚胎著床的順利進行。使用100 nmol/L孕激素處理處于接受態(tài)的子宮內(nèi)膜上皮細胞株RL95-2,其2-NBDG攝取增加,細胞內(nèi)葡萄糖代謝中間物葡萄糖-6-磷酸含量升高,糖酵解產(chǎn)物丙酮酸、乳酸和ATP含量升高。使用siGLUT1干擾RL95-2中GLUT1的表達,2-NBDG攝取減少,葡萄糖的代謝產(chǎn)物葡萄糖-6-磷酸表達減少,具有植入能力的囊胚細胞株JAR黏附到RL95-2的黏附率降低[3]。孕激素誘導miR-152表達降低小鼠子宮內(nèi)膜上皮GLUT3的表達,子宮內(nèi)膜接受態(tài)建立失敗,最終影響胚胎著床[4]。下調(diào)小鼠子宮內(nèi)膜上皮細胞SGLT1的表達或抑制其功能,使子宮內(nèi)膜上皮細胞葡萄糖的攝取減少,小鼠子宮內(nèi)膜接受態(tài)建立失敗[5]。下調(diào)小鼠子宮內(nèi)膜上皮GLUT4的表達或者抑制其功能,子宮內(nèi)膜上皮細胞葡萄糖攝取減少,小鼠子宮內(nèi)膜接受態(tài)建立失敗[6]。

子宮內(nèi)膜糖代謝有自身特點,對胰島素敏感性不高,子宮組織缺乏果糖1-6,二磷酸酶,不發(fā)生糖異生,過多的葡萄糖以糖原的形式儲存,待細胞能量需求增加時,糖原在糖原磷酸酶催化下裂解為葡萄糖,經(jīng)氧化分解供給細胞能量[7]。子宮內(nèi)膜在著床窗口期糖原含量降低直接影響胚胎的發(fā)育、著床及妊娠的維持。與小鼠孕1～5 d子宮內(nèi)膜GLUT1表達相一致的是,孕1～5 d子宮內(nèi)膜糖原累積增加,在孕4 d著床窗口期的表達最多,孕5 d開始下降,但仍高于孕1 d[3]。小鼠子宮特異性敲除Slc5a1,其子宮組織糖原累積減少,導致胚胎著床失敗[8]。2型糖尿病小鼠著床窗口期子宮內(nèi)膜糖原合酶含量降低,糖原累積減少,著床窗口期能量供應不足,子宮內(nèi)膜接受態(tài)的建立受到影響,最終胚胎著床失敗,使用胰島素可以改善2型糖尿病小鼠胚胎著床失敗的結(jié)局[7]。1型糖尿病小鼠子宮內(nèi)膜著床窗口期糖原含量不足,能量感受器分子AMPK異常激活,使小鼠胚胎著床失敗。使用AMPK抑制劑可以改善1型妊娠糖尿病小鼠子宮內(nèi)膜糖穩(wěn)態(tài)狀況和胚胎著床失敗的結(jié)局[9]。與正常孕齡期女性相比,不孕女性子宮內(nèi)膜糖原含量在分泌后期下降了60%。對分泌期女性子宮內(nèi)膜進行糖原染色發(fā)現(xiàn),與對照組相比,不孕女性子宮內(nèi)膜糖原染色信號較弱,糖原儲備明顯降低[10]。綜上所述,子宮內(nèi)膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體在子宮內(nèi)膜葡萄糖的攝取和利用中發(fā)揮重要作用,可為女性因糖尿病導致不孕的治療提供新的治療思路。

2.2 葡萄糖轉(zhuǎn)運體在早期胚胎發(fā)育中的作用

當胚胎從桑椹胚期進入囊胚期,葡萄糖通過多種代謝途徑調(diào)控胚胎的發(fā)育。葡萄糖代謝利用的第一步是將葡萄糖攝取進入細胞,參與轉(zhuǎn)運葡萄糖攝取進入胚胎的轉(zhuǎn)運體主要是GLUT1-4和GLUT8[11]。母體高血糖使早期胚胎中的葡萄糖轉(zhuǎn)運體表達減少或者轉(zhuǎn)運體不能向質(zhì)膜的移位,最終使早期胚胎內(nèi)的葡萄糖含量減少,影響早期胚胎發(fā)育[12]。在糖尿病小鼠中,早期胚胎從1細胞期到囊胚期發(fā)育均受到影響,使用槲皮素可以改善糖尿病小鼠早期胚胎發(fā)育情況[13]。

著床前囊胚期胚胎是胰島素敏感組織[14]。哺乳動物著床前胚胎表達的胰島素和胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1, IGF1)受體在胚胎發(fā)育過程中至關(guān)重要。胰島素受體可以激活PI3K/Akt信號通路。PI3K/Akt通路通過影響葡萄糖攝取和代謝在細胞生存中發(fā)揮作用。在某些類型細胞中,PI3K/Akt途徑通過調(diào)控細胞表面葡萄糖轉(zhuǎn)運體的表達來控制葡萄糖進入細胞,并通過調(diào)節(jié)參與糖酵解途徑酶的活性來調(diào)節(jié)糖酵解。Akt通過誘導GLUT1和GLUT4向質(zhì)膜的移位而影響葡萄糖攝取和糖酵解。PI3K/Akt信號通路也參與小鼠著床前胚胎的葡萄糖攝取和代謝過程。抑制囊胚中的PI3K/Akt信號通路會使細胞表面GLUT1表達降低,葡萄糖攝取減少,囊胚凋亡增加[15]。GLUT8的表達和向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)位是胚胎存活的關(guān)鍵[16]。囊胚在暴露于高濃度的IGF-1(200 nmol/L)時,著床前囊胚的反應是下調(diào)IGF-1受體,類似于其他細胞對慢性胰島素刺激的反應,囊胚產(chǎn)生胰島素抵抗,使胰島素刺激的葡萄糖攝取減少,胚胎內(nèi)葡萄糖水平下降,引發(fā)細胞凋亡[17]。使用AMPK激動劑AICAR可以改善上述變化。多囊卵巢綜合征(PCOS)和2型糖尿病患者引起的母體生理改變直接損害胚胎的胰島素信號通路,從而阻礙胚胎在發(fā)育的關(guān)鍵階段轉(zhuǎn)運葡萄糖的能力,從而導致妊娠失敗[18]。二甲雙胍作為AMPK的激動劑可以降低PCOS患者早期流產(chǎn)率的一種可能機制是對早期胚胎發(fā)育的改善[19]。

葡萄糖通過糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸和乳酸,最終產(chǎn)生ATP供能,維持早期胚胎發(fā)育所需的能量供應。但最新的研究表明,糖酵解途徑對于早期胚胎發(fā)育不是必須的。體外培養(yǎng)的小鼠胚胎從1細胞期開始,在含有丙酮酸的培養(yǎng)基中添加YZ-9,一種磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)抑制劑,持續(xù)抑制糖酵解,從而抑制丙酮酸的產(chǎn)生,對囊胚期的進展沒有不良影響,但在培養(yǎng)基中去除丙酮酸,即使有葡萄糖存在的情況下,胚胎仍滯留在桑椹胚期,不能順利進展到囊胚期胚胎。所以此時為胚胎發(fā)育提供能源物質(zhì)的是培養(yǎng)基中外源性的丙酮酸通過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生ATP,而不是葡萄糖通過糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸[20]。

葡萄糖通過磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway, PPP)合成葡萄糖依賴的核苷酸聯(lián)合鞘脂(S1P),激活mTOR調(diào)控Tfap2c的翻譯;Tfap2c在8細胞桑葚胚中廣泛表達,是調(diào)控Cdx2的重要轉(zhuǎn)錄因子。YAP1和TFAP2C也是調(diào)控Cdx2表達的轉(zhuǎn)錄因子,激活的YAP1表達于囊胚滋養(yǎng)外胚層的細胞核。己糖胺生物合成途徑(hexosamine-biosynthesis pathway, HBP)可以調(diào)控YAP1的核定位。YAP1、TEAD4(YAP1的結(jié)合伴侶)、TFAP2C相互作用形成控制囊胚滋養(yǎng)外胚層特異性基因Cdx2轉(zhuǎn)錄的復合體。在缺乏葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的胚胎,或HBP或PPP途徑受到特異性抑制的胚胎中,滋養(yǎng)外胚層特異性和成熟轉(zhuǎn)錄因子Cdx2不表達,最終影響囊胚的成熟[20]。

過多的葡萄糖會暫時以糖原的形式儲存,當能量需求增加時再重新合成葡萄糖釋放能量。植入前的胚胎可以儲存糖原[21]。收集體外培養(yǎng)的小鼠不同發(fā)育階段的胚胎,進行PAS染色,發(fā)現(xiàn)受精卵糖原含量較低,卵裂期糖原含量增加,囊胚期糖原含量下降[22]。這種糖原儲存的變化可能使胚胎在卵裂發(fā)育過程中遠離高濃度葡萄糖的傷害,并在囊胚期能量需求增加時作為一種能量來源。

2.3 葡萄糖轉(zhuǎn)運體在宮腔液葡萄糖含量維持中的作用

葡萄糖是宮腔液的主要成分之一,宮腔液中的葡萄糖含量在孕1～4 d逐漸升高,孕4 d達到最高,但仍低于血糖水平[4]。若宮腔液的這種相對低糖環(huán)境遭到破壞,會影響早期胚胎發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)降低子宮內(nèi)膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體的表達或者抑制其功能,可使孕4 d小鼠宮腔液中葡萄糖含量升高,孕4 d進入宮腔內(nèi)的胚胎大部分處于8細胞期或者桑椹胚期,不能正常卵裂為具有植入能力的囊胚[4-6]。綜上所述,子宮內(nèi)膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體在子宮內(nèi)膜接受態(tài)的建立,早期胚胎發(fā)育及宮腔液葡萄糖含量的維持中均發(fā)揮重要的作用。這將為早期不孕及流產(chǎn)的治療提供新的治療策略。

3 問題與展望

胚胎著床過程中,與著床相關(guān)的許多功能活動都是耗能的過程。葡萄糖是子宮內(nèi)膜上皮細胞主要的供能物質(zhì),同時也是宮腔液的主要營養(yǎng)成分之一。子宮內(nèi)膜上皮細胞的葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運對維持早期胚胎發(fā)育所需的宮腔液葡萄糖含量及細胞自身所需耗能的功能活動都發(fā)揮重要作用。因此研究葡萄糖轉(zhuǎn)運體在胚胎著床中的作用具有重要意義。不僅有助于進一步揭示胚胎著床的機制,也為因著床失敗導致的女性不孕及早期流產(chǎn)的診斷治療提供新的思路。