卵巢细胞线粒体动力学变化与多囊卵巢综合征

李威，樊锐锋，徐邱鸿，陈静，吴效科，匡洪影，王英骥，李妍

多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是最常见的女性内分泌疾病之一，按照鹿特丹诊断标准，女性人群中PCOS 患病率约为5%～10%[1]。有研究表明，PCOS 患者卵巢颗粒细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平及细胞内线粒体去极化水平较正常细胞升高，细胞内线粒体DNA（mitochondrial deoxyribonucleic acid，mtDNA）拷贝数显著降低[2]，提示PCOS 患者卵巢细胞的线粒体功能可能存在异常。

线粒体功能的变化不仅会对卵巢细胞的生存能力产生影响，还会进一步影响卵巢细胞的生殖内分泌功能，并可能是造成PCOS 患者代谢及生殖功能异常的重要潜在因素。在正常细胞内，线粒体依附于细胞骨架，通过相互融合形成稳定的网状结构，以分裂/融合的动态平衡调节机制清除功能异常的线粒体，维持细胞内线粒体的相对稳定。线粒体分裂/融合的动力学平衡对维持正常线粒体功能至关重要，而在PCOS 患者颗粒细胞中发现了调节线粒体分裂关键蛋白[如动力相关蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）]磷酸化及线粒体融合关键调节蛋白[如线粒体融合蛋白（mitofusin，Mfns）]、视神经萎缩因子1（optic atrophy 1，OPA1）表达水平异常、mtDNA 突变率增高、线粒体聚集状态异常[3]等细胞学变化，表明PCOS 患者细胞内线粒体分裂/融合的动态平衡可能已经发生了改变。这种改变可能造成卵巢细胞对功能异常线粒体的清除能力降低，很可能是导致线粒体基因组异常突变在细胞内积累的关键因素。

1 线粒体动力学平衡及其对卵巢功能的影响

线粒体是细胞内与能量代谢关系密切的细胞器，是细胞进行氧化呼吸并产生能量物质的场所，也是细胞内ROS 的主要来源。由于mtDNA 与氧化呼吸链物理位置上的接近以及mtDNA 缺乏组蛋白的保护，导致呼吸链产生的ROS 不可避免地对mtDNA及线粒体的膜结构造成损伤。通常情况下，这些受损线粒体在细胞内是通过线粒体分裂/融合的动力学机制及线粒体自噬机制进行清除。细胞内线粒体分裂/融合过程在细胞核编码因子的调控下，2 个互相靠近的线粒体的外膜及内膜分别发生融合。线粒体的融合不仅使不同的线粒体共享线粒体内容物及共同使用mtDNA，还对维持线粒体结构和功能的稳定起重要作用。线粒体分裂也受细胞核调控，是线粒体清除受损脂膜及突变mtDNA 的重要机制。当线粒体膜结构发生损伤或基因组发生异常突变时，分裂机制就会启动。此时发生损伤的线粒体先解除融合，从线粒体网架结构中脱离出来，这个解除融合的线粒体在线粒体分裂相关因子的调控下分裂为2 个独立的线粒体。在此过程中，受损的脂膜及发生突变的mtDNA 集中于其中一个分裂后的线粒体中，随后这个线粒体经由线粒体自噬机制清除，剩下的功能正常的线粒体则重新与线粒体网络融合[3]。线粒体的分裂过程并不会使线粒体的数目增加，所以线粒体的分裂机制是清除受损及功能异常线粒体的重要途径，而非线粒体的增殖机制。

卵巢组织中线粒体动力学平衡的相对稳定，对维持卵巢器官的功能十分重要。研究表明，参与线粒体分裂的关键因子Drp1 在果蝇卵巢细胞的早期分化过程中起重要的调节作用，而线粒体动力学平衡的异常则会显著提高果蝇卵巢细胞凋亡比例，对卵巢器官的生殖功能产生不良影响[4]。而在哺乳动物中，调控线粒体融合相关因子的缺失会导致卵泡停滞在次级卵泡阶段无法继续发育，从而造成卵巢储备功能下降[5]。线粒体动力学平衡的变化不仅会影响卵泡发育，同时也会对卵细胞的发育过程产生影响。由于哺乳动物卵细胞内线粒体的数目会随着卵细胞的发育阶段不同而发生相应变化，故线粒体动力学平衡的稳定对保证卵细胞的正常发育可能起到更加重要的作用[6]。研究表明，肥胖女性生育能力降低可能与卵细胞及着床前胚胎细胞中线粒体动力学平衡的异常有关[7]。而与线粒体分裂相关的关键因子Drp1 则在维持线粒体功能的稳定及保护小鼠卵子的发育能力方面发挥重要的调节作用[8]。上述研究结果表明，卵巢细胞线粒体动力学平衡的相对稳定对维持卵巢功能有着重要的作用。

2 线粒体功能异常对PCOS 患者卵巢功能的影响

线粒体动力学变化的直接影响是使细胞线粒体膜结构受损及突变DNA 在细胞内积聚，进而导致线粒体功能异常。对卵巢细胞而言，线粒体功能的变化与细胞的胰岛素敏感性及卵细胞发育能力的降低之间都存在着密切的联系。

胰岛素抵抗是PCOS 患者的典型并发症之一，线粒体功能的变化对细胞的胰岛素敏感性起到重要的调节作用。相关机制的研究也表明，使用地塞米松引发线粒体功能异常后，脂肪细胞的胰岛素敏感性发生了显著变化[9]；而应用辅酶Q 增强线粒体功能后无论是胰岛素抵抗的模型细胞还是模型动物的胰岛素抵抗程度都有不同程度的缓解[10]。这些研究都表明，线粒体功能的变化与细胞的胰岛素敏感性关系密切。

线粒体功能的变化不仅使得细胞氧化磷酸化及脂肪酸氧化过程受阻，更重要的是导致细胞内的ROS 水平异常升高。过高的细胞内ROS 水平可能会进一步加剧线粒体DNA 的异常突变，而这种线粒体DNA 编码的异常会进一步异化线粒体的功能，导致更多的ROS 产生。研究表明，PCOS 患者卵巢颗粒细胞内线粒体来源的ROS 水平及卵巢颗粒细胞线粒体去极化水平均远高于正常人群[11]，同时在PCOS 患者的骨骼肌细胞中，还发现多个由mtDNA 编码的关键蛋白表达水平降低[12]，这说明PCOS 患者细胞内的线粒体功能可能已经发生了改变。还有多项研究表明，卵泡膜细胞及卵巢颗粒细胞的胰岛素抵抗会直接对细胞的甾体激素合成能力产生影响[13-14]，而线粒体又是细胞内甾体激素合成的重要场所，据此推测，卵巢细胞的线粒体功能异常可能是造成PCOS 患者卵巢甾体激素分泌异常的重要原因。

排卵功能异常也是PCOS 患者的主要临床表现之一，约有75%的PCOS 患者临床表现为月经稀发及无排卵。PCOS 患者排卵功能异常可能与细胞线粒体功能异常引起的卵泡发育异常及卵细胞发育潜力异常有关。有研究表明，PCOS 患者卵丘细胞中的ROS 水平[11]及PCOS 患者卵巢颗粒细胞线粒体去极化水平[15]均高于正常人群，与之相伴的是线粒体生物合成能力的降低及较低的mtDNA 拷贝数[2]。这说明PCOS 患者卵泡内颗粒细胞线粒体功能可能发生了变化，而卵巢颗粒细胞线粒体功能的异化将直接导致颗粒细胞增殖功能及维持卵子发育的能力降低，最终造成卵泡闭锁及无排卵。在对PCOS 模型动物卵细胞线粒体结构及功能的研究中发现，PCOS 模型动物卵细胞第一极体排出率、胚胎发育能力及囊胚发育率均显著降低，卵子细胞中线粒体聚集形态明显异常、线粒体膜电位及mtDNA 拷贝数均较正常对照大鼠显著降低[16]。这些研究结果提示，在PCOS患者卵巢组织中，线粒体功能异常可能不仅局限于卵巢组织的体细胞中，功能异常的线粒体也可能通过卵子的形成过程分布于卵子细胞中，从而对卵子的发育潜能产生直接的负面影响[15]，而PCOS 患者排卵稀发的临床表现可能是患者卵泡组成细胞及卵细胞功能异常所导致的最终结果。

3 线粒体动力学平衡异常可能是导致PCOS 患者卵巢细胞功能异常的关键因素

PCOS 患者细胞内功能异常线粒体的集聚预示着细胞内清除异常线粒体的分裂/融合动力学平衡机制及线粒体自噬机制可能发生了异常。有研究表明，PCOS 患者卵巢组织中与线粒体自噬相关的ATG9、ATG12、NIX、PARKIN 等因子均呈高表达状态[3]，据此推测，细胞内功能异常的线粒体应该被细胞内增强的线粒体自噬机制清除，而不是在细胞内集聚。由于线粒体分裂/融合的动力学平衡是细胞清除异常线粒体的前提，推测PCOS 患者卵巢细胞线粒体动力学平衡可能发生了变化。

有研究表明，PCOS 患者血小板中Drp1 蛋白Ser637 位点的磷酸化水平显著降低[17]，提示PCOS 患者线粒体动力学平衡可能发生了变化。当调控线粒体分裂的因子由于磷酸化水平降低而功能弱化后，线粒体通过分裂机制清除功能异常结构及突变mtDNA 的功能就会相应降低，使线粒体去极化水平升高及线粒体来源的ROS 生成量提高。过高的ROS水平不仅会引起细胞内自噬因子表达水平的上升，还将进一步诱发mtDNA 的突变，并引发mtDNA 的碎片化崩解，从而造成了PCOS 卵巢细胞mtDNA 拷贝数的降低。此时，由于细胞内Drp1 磷酸化水平降低使线粒体分裂能力减弱，融合能力增强。有研究表明，细胞线粒体通过加强相互融合能够在一定程度上抵抗线粒体自噬，这种现象在处于饥饿、高血糖、高胰岛素等不良环境中的细胞中都有所发现[18]。而过度融合的线粒体可能通过干扰PINK1 蛋白在线粒体内的定位抑制线粒体自噬的发生。在膜电位正常的线粒体中，PINK1 蛋白能够穿入线粒体内膜并在线粒体基质中被降解，从而无法与PARKIN 蛋白结合来诱发线粒体自噬[19]；在发生去极化的功能异常线粒体中，由于膜电位的变化PINK1 蛋白无法进入线粒体内膜从而分布于线粒体外膜，与PARKIN蛋白结合引发线粒体自噬。而在处于过度融合状态的线粒体中，由于融合状态下各线粒体mtDNA 及内容物的共享机制，可能使PINK1 蛋白从去极化水平较低的线粒体中更容易进入线粒体基质，导致蛋白降解比例升高，抑制了线粒体自噬的发生。此时卵巢细胞由于分裂机能的弱化导致线粒体功能异常，处于一种“低能”的状态，导致细胞的增殖能力不可避免地受到抑制，从而进一步影响卵泡发育。由此推测，卵巢细胞内线粒体功能异常就可能使PCOS 患者的卵巢呈现出卵泡发育受阻与卵泡闭锁功能降低共存的状态。而在PCOS 患者卵巢颗粒细胞及PCOS模型动物卵细胞中发现的线粒体集聚状态的异常，也在一定程度上佐证了PCOS 患者卵巢细胞线粒体动力学平衡可能发生了变化[20-21]。

4 PCOS 患者卵巢细胞线粒体动力学平衡变化的可能原因

在生物体内，线粒体动力学平衡受到多种因素及信号通路的调节，其中包括磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B，PI3K/AKT）通路。研究表明，PI3K/AKT 信号通路的激活能够提高线粒体的活性，参与卵巢癌细胞[22]及软骨细胞[23]中线粒体分裂/融合动态平衡的调控。研究表明，PCOS 患者卵巢组织中存在着PI3K 通路功能的异常[24]。因此推测卵巢细胞中PI3K 信号通路活性的变化可能与PCOS 卵巢细胞线粒体动力学平衡的变化有关。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）是PI3K 通路下游受AKT 磷酸化调控的细胞因子，是一种以哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）分子为核心形成的蛋白复合体。多项研究表明，mTORC1 对细胞线粒体动力学平衡的稳定具有重要的调节作用。mTORC1 能够促进线粒体分裂调控因子Drp1 的磷酸化导致线粒体分裂，加速细胞内功能异常的线粒体及突变的mtDNA 的清除[25]。而在细胞内mTOR 因子的表达水平则受到PI3K/AKT 信号通路的调节，在PI3K 信号通路受到抑制的情况下mTOR 因子的表达水平也会随之下降[26]。

在PCOS 患者卵巢细胞中，PI3K/AKT 因子的活性显著降低，这不仅使卵巢细胞胰岛素敏感性下降，也导致PCOS 患者卵巢组织中mTORC1 的蛋白表达水平降低[27]，从而可能对线粒体的动力学平衡产生影响。研究表明，使用硫酸脱氢表雄酮（dehydroepiandrosterone sulfate，DHEA-S）[28]及来曲唑[29]诱导的PCOS 模型大鼠卵巢组织中均发现mTORC1 蛋白及磷酸化蛋白表达水平下降。使用雷帕霉素（Rapamycin）抑制围生期小鼠卵巢mTORC1的表达水平后，出生后小鼠卵巢的卵泡募集能力显著降低，同时窦卵泡比例显著降低而始基卵泡比例显著增加[30]，这一现象也与线粒体动力学平衡紊乱后卵巢内细胞分化异常、卵泡发育受阻的研究结果相似[4-5]，提示mTORC1 表达水平降低所引起的卵巢功能异常很可能与其对线粒体动力学平衡的影响有关。虽然对PCOS 患者及模型动物中胰岛素信号通路对卵巢细胞线粒体动力学影响的直接研究尚少见报道，但基于PI3K/AKT 信号通路对mTORC1 因子的调节作用以及mTORC1 对线粒体动力学平衡的调节作用，可以推测PCOS 患者卵巢功能的异常很可能与卵巢胰岛素信号异常引起的线粒体动力学平衡的变化有关。而线粒体动力学平衡的异常则可能导致卵巢细胞异常线粒体清除功能的弱化，进而引起细胞内线粒体来源的ROS 水平升高、细胞自噬机制激活等细胞功能改变。

5 基于调节线粒体功能缓解PCOS 临床表征的应用现状

虽然PCOS 患者卵巢细胞线粒体动力学平衡的变化可能在PCOS 的疾病成因中起到重要作用，但目前还没有开发出针对细胞线粒体动力学方面可用于临床治疗的相关疗法及药物。目前针对PCOS 患者线粒体功能的变化，临床治疗主要以调节患者体内ROS 水平及缓解胰岛素抵抗程度为主。基于此，各种抗氧化药物逐渐成为治疗PCOS 临床表现的新的研究方向。有研究表明，同时口服维生素D 及omega-3 脂肪酸能够显著降低PCOS 患者血清ROS水平，并降低PCOS 患者血清总睾酮水平[31]。而维生素D3还能够显著提高PCOS 患者卵巢颗粒细胞线粒体生物合成能力及mtDNA 的拷贝数，提示其可能通过改善卵泡发育调节PCOS 患者的生育能力[32]。除了维生素D，辅酶Q10 口服8～10 周也能够显著改善肥胖小鼠卵细胞中线粒体的异常分布，并降低模型动物的胰岛素抵抗水平[33]。关于胰岛素增敏剂对PCOS疗效的研究重点多集中于药物对患者胰岛素抵抗水平、代谢综合征的缓解程度等方面。直接评估胰岛素增敏剂对卵巢细胞线粒体功能调节的研究尚鲜有报道，但基于胰岛素信号通路能够调节细胞线粒体功能这一事实，以及噻唑烷二酮类药物能够调节线粒体动力学平衡治疗神经退行性疾病的研究结果[34]，推测胰岛素增敏剂也很可能通过影响卵巢细胞及生殖细胞的线粒体活性对PCOS 患者的生殖功能起到调节作用。目前，越来越多的学者将研究的重点转移到胰岛素增敏剂对代谢综合征患者线粒体功能的影响，并认为线粒体功能的变化是药物改善患者代谢异常的潜在机制。有研究表明，吡格列酮能够提高PCOS 患者骨骼肌细胞中线粒体的生物合成及氧化磷酸化相关因子的表达水平[35]。而基于胰岛素增敏剂能够在一定程度上改善PCOS 患者生殖功能异常的临床表现这一研究共识，推测胰岛素增敏剂也可能对PCOS 患者生殖细胞的线粒体功能产生影响，进而通过改善细胞异常的线粒体活性起到治疗作用。

6 结语与展望

PCOS 不仅影响患病女性的生殖健康，还会诱发代谢综合征等并发症，从而对患者的生存质量产生不良影响。虽然目前相关的研究结果已经提示，PCOS患者卵巢细胞线粒体动力学平衡的异常与PCOS 患者生殖功能异常之间存在密切的联系，并可能是PCOS患者胰岛素抵抗与生殖功能异常的关键节点，但对线粒体动力学异常发生的机制及针对这一机制开发的临床治疗方案还有待进一步深入研究。有关卵巢细胞线粒体动力学与PCOS 发症机制的研究，对进一步深入PCOS 发病机制的认识及研发治疗PCOS相关并发症的治疗方案具有重要意义。