PI3K/Akt 信号通路对卵泡发育和卵母细胞成熟作用的研究进展

李娇娇，焦亚飞，石德顺

（广西大学动物科学技术学院，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广西南宁 530005）

哺乳动物生殖发育是繁衍后代的重要生理过程，其中卵泡发育和卵母细胞成熟是哺乳动物生殖的重要方面。卵泡是维持雌性哺乳动物卵巢功能的基本单元[1]，卵泡发育是一个连续的生长过程，起于胎儿时期。伴随着卵泡发育，卵母细胞逐渐成熟，卵母细胞成熟可分为核成熟和质成熟；核成熟对于卵母细胞的受精和受精后胚胎的发育都非常重要，此过程主要包括同源染色体的配对及分离、生发泡的破裂和第一极体的排出；而细胞质成熟主要包括卵丘卵母细胞复合体（Cumulus Oocyte Complex，COCs）缝隙连接的改变和消失、细胞器形态及其位置的改变和蛋白质含量的积累[2]。卵母细胞成熟的质量对早期胚胎发育至关重要，然而由于体外培养获得的卵母细胞与体内自然发育的卵母细胞相比质量较差[3]，最终会导致多精受精或雌性动物妊娠失败，因此通过体外培养较高发育能力的卵母细胞来生产胚胎，需要深入了解卵母细胞的成熟机制。

PI3K/Akt 信号通路被认为是最重要的细胞内通路之一，它在癌症、细胞增殖、胚胎干细胞和胚胎发生等生命过程中起着重要作用。近年来，越来越多的报道证实了PI3K/Akt 和一些下游效应分子组成的信号通路在卵泡形成、生长、排卵和黄体化过程中发生变化[4-5]，提示PI3K/Akt 信号通路对卵巢卵泡发育有重要作用。也有研究发现，PI3K/Akt 信号通路可以调节卵母细胞减数分裂事件，影响卵母细胞成熟能力，表明PI3K/Akt 信号通路参与调控卵母细胞的成熟[6]。本文综述了PI3K/Akt 信号通路在卵泡发育和卵母细胞成熟方面的研究进展，为家畜繁殖机制研究提供理论参考。

1 PI3K/Akt 信号通路

1.1 PI3K/Akt 信号通路的组成 PI3K/Akt 信号通路由PI3K、中间效应因子、Akt 构成（图1）。PI3K 是由PIK3CA/B/D/G和PIK3R1/2基因编码的催化亚基和调控亚基组成，随着受体酪氨酸激酶（RTKs）的激活，PI3K 将磷脂酰肌醇（4，5）-二磷酸（PIP2）磷酸化为磷脂酰肌醇（3，4，5）-三磷酸（PIP3）。PIP3 积累可以促进Akt 及其下游蛋白激活，如proline-riche Akt底物40（PRAS40）、结节性硬化症复合物2（TSC2）和Forkhead Box O3A 转录因子（FOXO3A）等。Akt存 在PKBα、PKBβ、PKBγ3 个亚型，也叫Akt1、Akt2、Akt3，通常在Thr308 和Ser473 位点发生磷酸化，但也可以在其他位点发生磷酸化。

1.2 PI3K/Akt 信号通路的抑制剂和激活剂

1.2.1 PI3K 通路的抑制剂和激活剂 目前，许多针对PI3K 信号蛋白的单一抑制剂或激活剂药物已经开发并应用于临床前期研究，并取得了良好的治疗效果，具体见表1。

表1 PI3K 通路的抑制剂和激活剂

1.2.2 Akt 通路的抑制剂和激活剂 Akt 是PI3K 信号传导途径中一个重要的下游靶点。PI3K 被激活后，其产物PIP2 及PIP3 与Akt 的PH 区结合，不仅导致Akt 从胞质转位到胞膜，还可促其构象生变，得以在丝氨酸473（Serine 473，Ser473）和苏氨酸308（Threonine 308，Thr308）2 个重要位点磷酸化激活，而且二者的磷酸化是Akt 激活的必要条件。目前针对Akt 信号蛋白，新型、有效的抑制剂和激活剂已进入临床研究（表2）。

表2 Akt 通路的抑制剂和激活剂

1.3 PI3K/Akt 通路的转导信号 Akt 磷酸化之后，继续磷酸化下游的mTOR、GSK3、rs-1 等蛋白质，这些蛋白质具有调控细胞的生存生长、细胞代谢以及肿瘤细胞的发生和移位等重要作用。雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是Akt 下游信号传导的重要传递者，在细胞增殖、凋亡和卵泡发育方面发挥重要作用。在减数分裂过程中，mRNA 翻译在蛋白质合成中发挥重要作用。在体细胞中，mTOR 通过PI3K/Akt 途径介导mRNA 的翻译已经被证实[21]。mTOR 复合物1（mTORC1）的激活刺激S6 核糖体蛋白和真核起始因子4E，增加VEGF、FGF-2和Cyclin D1的翻译[22]。在小鼠上，PI3K-Akt-mTOR 信号级联反应调节卵母细胞减数分裂的起始，进而影响母体mRNA 的翻译和早期胚胎的发育能力[23]。

此外，PI3K/Akt 信号通路与雌激素受体（Estrogen Receptor，ER）活性密切相关，两者相互调控[24]。在缺乏雌激素的情况下，ER 与PI3K 调控亚基p85 的结合启动了PI3K/Akt 通路；p-Akt 被认为可以磷酸化ER的丝氨酸167 位点（ser167），这提示存在ER-PI3K/Akt2-ER 通 路[24]。Bratton 等[25]研究了ER/PI3K/Akt对MCF-7 乳腺癌细胞存活的调控作用，发现ER 通过激活Akt 导致Bcl-2基因启动子转录增强，最终导致Bcl-2 蛋白水平升高，揭示ER-PI3K-Akt 是一个完整的信号通路。

2 PI3K/Akt 信号通路对卵泡发育和卵母细胞成熟的影响

越来越多的研究表明PI3K/Akt 信号通路与卵巢功能相关，包括原始卵泡的募集、颗粒细胞（Granulosa Cells，GC）的增殖、黄体的形成及卵母细胞的成熟[26-27]。

2.1 PI3K/Akt 信号通路调控卵泡发育 卵泡闭锁是动物卵泡发育过程中的一个选择性过程，而颗粒细胞凋亡在这一过程中起着关键作用。Zhang 等[28]研究发现，赭曲毒素A（Ochratoxin A，OTA）通过PI3K/Akt 信号通路对颗粒细胞增殖和凋亡具有一定作用，OTA 主要是激活整合素家族成员Itgb1 和F2r，进而激活Pik3r1和Pik3r5，这2 个基因参与调控第二信使PIP3，导致PIP3发生磷酸化，激活PI3K/Akt 信号通路。在小鼠卵巢中，PTEN在小鼠卵母细胞中缺失导致泛卵泡的激活和卵母细胞的过早耗竭，而颗粒细胞特异性破坏并不影响卵泡的启动生长，而是促进了GCs 增殖和促进排卵[29]。同时在卵巢卵泡发育过程中，PI3K 通路下游效应分子PTEN、TSC、FOXO3、P27表达增加使原始卵泡发育受阻，而PI3K、PDK1、Akt以及mTOR表达增加对原始卵泡的发育具有促进作用，这些效应分子在卵泡发育过程中起到重要作用，任何效应分子效应减弱都会导致卵巢早衰[30]。原始卵泡的募集受到颗粒细胞增殖、Notch 和PI3K/Akt 通路相互作用调控的影响[31]。卵泡的损失、维持和生长受到包括PI3K/Akt 信号在内的复杂分子的严格控制，PI3K 的刺激可促进Akt 磷酸化，促进卵泡存活和生长。

2.2 PI3K/Akt 信号通路调控卵母细胞成熟 在卵泡发生过程中，卵原细胞进行减数分裂，形成成熟的卵母细胞。在卵母细胞成熟方面，Tomek 等[32]分析了牛卵母细胞成熟（从前期I 向中期II 转变）过程中Akt 的磷酸化模式和活性，发现Akt 在Thr 308 和Ser 473 位点发生磷酸化，在第1 次减数分裂中期（Metaphase I，MI）达到峰值，而在生发泡期（Germinal Vesicle，GV）和第2 次减数分裂中期（Metaphase II，MII），只观察到两侧较低磷酸化水平，表明Akt 参与了牛卵母细胞减数分裂过程中MI/MII 的转变。Feng 等[33]向卵母细胞注入mRNA Akt1-WT 和mRNA myr-Akt1，然后再将编码野生型CDC25B（CDC25B-WT）和Akt-非磷酸化Ser351 的mRNA 注 入CDC25B 突变体（CDC25BS351A)，结果发现CDC25B-S351A 对Akt 的抑制作用较强，表明Akt 通过诱导CDC25 磷酸酶家族成员CDC25B 的Akt 依赖性磷酸化，引起成熟促进因子（Mitosis-Promoting Factor，MPF）的激活，并促进小鼠受精卵的发育。

Liu 等[34]探讨了钙调蛋白依赖性激酶II（calmodulindependent protein kinase II，CaMK II）对Akt1 的 潜在影响，发现抑制CaMKII 会增加二倍体的阻滞；利用小分子化合物KN-93、SH-6、LY294002 和PIP3 处理卵母细胞后，结果发现KN-93 下调了pCaMKII，降低了pAkt1（Ser473）的水平；SH-6 下调了pAkt1（Ser473），并重新排列了pCaMKII（Thr286）的分布；此外，外源性PIP3 显著上调了GVBD 率，并增加了pCaMKII（Thr286）和pAkt1（Ser473）的水平；相反，LY294002 下调PIP3，降低GVBD 率，也降低了pCaMKII（Thr286）和pAkt1（Ser473）水平。

Song 等[6]在猪卵母细胞减数分裂过程中加入表皮生长因子（EGF）或抑制剂（wortmannin 和U0126）来调节激酶活性，研究了Akt 和ERK 信号通路的关系以及激酶调节对COCs 中细胞核和细胞质成熟的影响，首次发现抑制ERK 活性可负调控Akt 信号通路来提高猪卵母细胞成熟率。这些发现可能有助于在转基因猪生产方面提高猪COCs 的发育能力和利用率，并提高对激酶参与相关的减数分裂事件的认识。Kalous 等[35]探讨了Akt 在体外成熟的猪卵母细胞减数分裂过程中的调控作用，添加Akt 特异性抑制剂SH-6，不抑制GVBD，减数分裂的恢复速度明显加快，Ser473 磷酸化水平未受影响；然而，Thr308 的磷酸化水平降低，Akt 活性在GVBD 时降低，并且在MI 期早期就阻止了减数分裂进程；SH-6 处理的卵母细胞经过GVBD 处理后，细胞周期蛋白依赖性激酶1（CDK1）和MAP 激酶活性下降，说明Akt 活性参与了CDK1 和MAP 激酶的调控；结果表明，Akt 活性对猪卵母细胞GVBD 的诱导并不重要，但在减数分裂MI/MII 期起重要作用。

3 展 望

卵母细胞作为雌性生殖细胞直接影响哺乳动物的繁殖能力，近年来卵母细胞成熟和卵泡发育已成为研究的热点，然而卵母细胞成熟和卵泡发育的机制还不完善。PI3K/Akt 信号通路是动物体内生殖细胞发育的重要信号通路，对于其在动物繁殖方面的研究越来越多，尤其是卵泡发育和卵母细胞成熟，而且在不同物种间也进行了初步研究。未来还需要深入探究PI3K/Akt 信号通路不同效应因子在卵泡发育和卵母细胞成熟方面的调控机制。通过这些研究将为完善家畜繁殖机制、提高家畜繁殖力奠定理论依据。