卵母細胞的葡萄糖代謝研究進展

蔣欣，徐陽

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卵母細胞的葡萄糖代謝研究進展

蔣欣，徐陽△

卵母細胞發(fā)育潛能受到其生長微環(huán)境的影響，因此對卵母細胞生長微環(huán)境的研究是生殖醫(yī)學關注的熱點。卵丘細胞、卵泡液等與卵母細胞緊密相聯(lián)，組成卵母細胞生長微環(huán)境，為卵母細胞能量代謝提供所需物質，同時也分泌激素類物質、細胞活化因子等調節(jié)卵母細胞的生長發(fā)育。因此卵母細胞生長的微環(huán)境，與卵母細胞的質量有關。目前，關于卵母細胞生長微環(huán)境的研究很多，但不能忽略與其聯(lián)系緊密的卵母細胞本身，由于科學技術及道德倫理的限制，對卵母細胞本身的代謝研究較少。更好地了解卵母細胞自身的代謝過程，才能明白生長微環(huán)境與卵母細胞的聯(lián)系，及微環(huán)境如何影響調控卵母細胞的生長發(fā)育。綜述卵母細胞的葡萄糖代謝，分別從葡萄糖的轉運、代謝途徑、代謝相關酶、葡萄糖與卵母細胞質量的關系4個方面闡述。

卵母細胞；葡萄糖代謝障礙；生殖醫(yī)學；葡萄糖；代謝網絡和途徑

【Abstract】The developmental competence of oocyte is influenced by its growthmicroenvironment，which is one of the research hotspots in human reproductionmedicine.Cumulus cells，follicular fluid and others，are closely related with oocyte development and maturation bymaking up themicroenvironment of oocyte，providingmetabolic substances required for oocyte，and by secreting some hormonal substances and cell activation factors.Therefore，thismicroenvironment is very important for the growth and development of oocyte，which is related with the quality of oocyte.There are a lotof researches on themicroenvironment of oocyte.However，due to limitations of scientific technology and ethics，we know little about the metabolism of oocytes own，which is related with its microenvironment closely.A better understanding of oocytes own metabolic processes，we can understand how the growth microenvironment of the oocyte contact with oocyte，and how it affects the regulation of growth and development of oocytes.In this review，we try to introduce the glucose metabolism in oocyte，including four aspects:glucose transport，metabolic pathways，metabolic enzymes and the relationship between glucose and quality of oocyte.

【Keywords】Oocytes；Glucosemetabolism disorders；Reproductivemedicine；Glucose；Metabolic networksand pathways

（JIntReprod Health/Fam Plan，2016，35：295-298）

近幾年來，卵母細胞的生長微環(huán)境是生殖醫(yī)學研究的熱點問題。卵母細胞的發(fā)育成熟及排卵過程受到其生長微環(huán)境的調節(jié)，這包括激素水平、細胞因子、代謝物質等多個方面。在臨床中，獲得高質量的卵母細胞對今后胚胎質量和臨床妊娠結局有直接影響。目前，對卵母細胞質量的評估大部分還是從顯微鏡下的形態(tài)學評估，缺乏系統(tǒng)全面性，而對卵母細胞代謝的研究或許能為卵母細胞的質量評估提供一種新的方式［1］。卵母細胞的葡萄糖代謝是近幾年的研究熱點之一，本文主要對卵母細胞的葡萄糖代謝相關研究進行綜述。

1　葡萄糖在卵母細胞中的轉運

目前大部分研究報道多是關于卵丘-卵母細胞復合體中葡萄糖代謝對卵母細胞生長發(fā)育的影響，很少關注卵母細胞本身葡萄糖代謝的相關問題。盡管很多研究均認為卵母細胞主要能量來源是其周圍顆粒細胞及卵泡液中代謝產生的丙酮酸［2］，葡萄糖本身并不參與卵母細胞能量代謝。但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn)卵母細胞中葡萄糖代謝途徑也是存在的，這在人類、小鼠及羊的卵母細胞都已被證實［3-5］。之后更多深入的研究揭示卵母細胞存在葡萄糖轉運體（glucose transporter）、己糖激酶（HK）［6］、葡萄糖-6-磷酸酶（G6PDH）［7］以及戊糖磷酸化代謝（PPP）途徑［8］等，加深了研究者對卵母細胞葡萄糖代謝的認識。

卵泡的膜細胞層有一圈毛細血管網包圍著，卵泡內是不存在血管的，每一個卵泡都有一個相對獨立的內環(huán)境［9］，葡萄糖并不是通過血管直接運送到卵母細胞，后來的研究者稱之為血卵屏障。同時研究者也發(fā)現(xiàn)卵泡液與血漿中的物質在種類及濃度方面均不同［10］，說明血卵屏障存在選擇性轉運功能。血卵屏障由外向內主要是由血管內皮層、血管內皮基底膜、卵泡膜細胞層、卵泡基膜和顆粒細胞層構成［9］。關于葡萄糖透過血卵屏障進入卵泡液的具體機制尚不清楚。

作者單位：100034北京大學第一醫(yī)院

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審校者

進入卵泡液中的葡萄糖需要通過葡萄糖轉運體才能進入到細胞當中。在人類細胞上葡萄糖轉運體主要分為兩類：一類是鈉依賴的葡萄糖轉運體（sodium-coupled glucose transporters，SGLT），以主動方式通過鈉離子濃度梯度轉運葡萄糖；另一類為易化擴散的葡萄糖轉運體（facilitative glucose transporters，GLUT），以易化擴散的方式順濃度梯度轉運葡萄糖，其轉運過程不消耗能量［11］。

目前發(fā)現(xiàn)，SGLT共有12個家族成員［12］，GLUT有14個家族成員［13］，這些轉運體分布在全身各個組織，表達類型及密度也因組織特異性而有所差異，其受人體血糖水平、機體內環(huán)境血和氧的供應、激素水平以及一些小分子活性物質等調控。卵母細胞主要通過GLUT家族將葡萄糖轉運至細胞內。有研究表示，小鼠卵母細胞發(fā)育的不同階段表達的GLUT有差異，GLUT-1在未受精卵母細胞和早期胚胎發(fā)育階段都有表達，而GLUT-2和GLUT-3在囊胚期才有表達，GLUT-4則未被檢測到［14］。Zheng等［15］研究表明GLUT-3，4，5，6，8，12在猴的卵母細胞中存在表達。而Dan-Goor等［16］則研究發(fā)現(xiàn)GLUT-1在人類的卵母細胞和植入前胚胎都會表達，卵母細胞受精后GLUT-1會增加對葡萄糖的轉運。由于倫理道德及法律等諸多方面的限制，很少有關于人類卵母細胞如何轉運葡萄糖的研究，還有很多問題需要探索。

而近來，有研究使用熒光標記將細胞無法代謝利用的葡萄糖衍生物注入動物體內，揭示了小鼠卵母細胞轉運葡萄糖的途徑。卵丘細胞先將葡萄糖攝取到細胞內，再通過自身與卵母細胞的縫隙連接將葡萄糖轉運到卵母細胞，證明了卵母細胞與卵丘細胞存在細胞間的物質轉運機制，這也間接證明了卵母細胞自身也存在葡萄糖的代謝［17］。

從目前的研究結果可知，卵母細胞可以通過葡萄糖轉運體及與卵丘細胞之間的縫隙連接攝取葡萄糖，而關于轉運的具體機制仍需要不斷研究和發(fā)現(xiàn)。卵母細胞上葡萄糖的轉運可能主要是通過卵母細胞與卵丘細胞之間的縫隙連接完成，今后也許會有更多關于縫隙連接的研究，間接展示卵母細胞對葡萄糖的代謝過程，同時也可能為卵母細胞的質量評估提供新的思路以及生物標記物。

2　卵母細胞中葡萄糖的代謝途徑

丙酮酸最重要的來源之一就是葡萄糖的分解，過去許多研究都認為卵母細胞通過糖類代謝供能的主要途徑是丙酮酸的氧化分解供能，這些丙酮酸大部分來自卵泡液及卵母細胞周圍的顆粒細胞向卵母細胞的運輸。但Jansen等［18］研究則認為，葡萄糖無氧糖酵解是原始生殖細胞主要的糖代謝方式，這樣減少供氧代謝方式是為了避免過度的氧化應激給細胞帶來的損傷。隨著卵母細胞的生長發(fā)育，其對物質的需求也會有所變化，其對丙酮酸及氧的需求會隨著生長發(fā)育而不斷增加，而對葡萄糖的利用率則會逐漸降低，到發(fā)展為成熟的卵母細胞則主要是丙酮酸為其分解供能，葡萄糖的供能地位逐漸失去［19］。葡萄糖可進入卵母細胞中的線粒體進行氧化分解代謝，為卵母細胞供能。Kumar等［20］研究發(fā)現(xiàn)，在卵母細胞成熟和受精后的早期胚胎階段，葡萄糖的代謝方式主要是糖酵解，之后則轉向為氧化磷酸化途徑。

有研究認為，卵母細胞中葡萄糖的利用主要是通過PPP途徑，這在卵母細胞生長發(fā)育過程中比糖酵解途徑以及三羧酸循環(huán)途徑更有效地供能［21-22］。一項對小鼠使用PPP途徑激動劑（如吩嗪乙基硫酸鹽及吡咯啉合成酶）的研究發(fā)現(xiàn)，使用激動劑導致小鼠原始卵泡閉鎖，而已處于生長發(fā)育中的卵母細胞則對葡萄糖代謝需求增加［23］。

以上研究表明，葡萄糖不僅可以作為卵母細胞的供能物質，同時在某種意義上也可以通過自身的代謝調控卵母細胞的生長及發(fā)育潛能。

綜上，關于卵母細胞中葡萄糖的代謝途徑至今還沒有結論，許多機制還需進一步研究。或許在卵母細胞生長發(fā)育的不同階段，卵母細胞會選擇不同的葡萄糖代謝方式，以滿足自身的發(fā)育及成熟需求。

3卵母細胞中葡萄糖代謝相關酶

卵母細胞中葡萄糖代謝可能有幾種途徑，因此檢測出很多種與葡萄糖代謝相關的酶。目前在動物和人類卵母細胞中發(fā)現(xiàn)的代謝酶有HK、丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）、磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）、丙酮酸脫氫酶（PDH）和G6PDH等。三羧酸循環(huán)的一些酶也被一些研究者通過生物化學等方法發(fā)現(xiàn)［24］。這些葡萄糖代謝相關酶的具體功能，仍有許多是未知的，需要科學研究去發(fā)現(xiàn)，但這些酶的存在提示了卵母細胞中糖類代謝途徑的多樣性。

G6PDH是磷酸戊糖途徑中的關鍵酶，是整個PPP途徑第一步的催化酶，其主要作用是使氧化型輔酶Ⅱ變成還原型輔酶Ⅱ（NADPH），使卵母細胞內NADPH維持在一定水平。由于G6PDH活化時能使亮甲酚藍（BCB）從藍色（BCB+）轉變成無色（BCB-），因此在許多實驗中BCB用來檢測G6PDH的活性。有研究者發(fā)現(xiàn)，在綿羊動物實驗中，BCB+和BCB-的卵母細胞的直徑大小有明顯差異，且BCB+的卵母細胞具有更高的成熟率，在早期胚胎的實驗中則發(fā)現(xiàn)BCB+組具有更好的卵裂能力，發(fā)展為囊胚率也更高，因此G6PDH的活性是卵母細胞生長發(fā)育潛能及質量評估的一個很好的標志物［25］。但是這樣的研究，尚未在人卵母細胞中展開。因此關于卵母細胞葡萄糖代謝相關酶的研究，不僅能展示卵母細胞是如何利用葡萄糖進行代謝供能，也能在臨床上對卵母細胞發(fā)育潛能及質量的評估提供另一種思路。

此外有研究認為，暴露于BCB環(huán)境下的卵母細胞及胚胎具有較高的凋亡，BCB本身可能具有胚胎毒性［26］。Berger等［27］在非洲爪蟾卵母細胞中注入糖代謝途徑的中間物質甘油醛-3-磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸鹽和G6PDH，發(fā)現(xiàn)這會妨礙卵母細胞的成熟，另一方面這些代謝物還會導致氧化應激系統(tǒng)的激活，造成卵母細胞凋亡。因此用BCB證明G6PDH的活性以評估卵母細胞發(fā)育潛能及質量仍值得商榷。

綜上所述，與葡萄糖代謝相關的酶有很多種類，這些酶一方面為卵母細胞的葡萄糖代謝進行催化作用，另一方面這些酶或其中某一種酶的活性或許是影響卵母細胞發(fā)育潛能及質量的關鍵。隨著研究的深入，其中某一種酶有可能成為評估卵母細胞質量的生物標記物。

4葡萄糖與卵母細胞質量

女性肥胖與糖尿病等影響葡萄糖代謝利用的疾病不僅會對其生育能力產生不良影響，還會導致許多與妊娠相關的并發(fā)癥，如流產和胎兒先天性畸形等。卵母細胞的生長發(fā)育及其潛能與葡萄糖代謝有關。Bertoldo等［28］研究豬卵泡液中葡萄糖、谷氨酸鹽、孕酮、雄烯二酮等代謝分子與卵泡直徑的關系，發(fā)現(xiàn)大卵泡比小卵泡卵泡液中的葡萄糖含量高（P＜0.05）。Kumar等［20］將水牛的卵母細胞在不同的葡萄糖濃度中（0，1.5，5.6，10mmol/L）進行體外培養(yǎng)成熟和受精發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)環(huán)境中的葡萄糖濃度只有在一個合適的范圍內（5.6mmol/L）才會增加卵母細胞的成熟率和胚胎形成率，過高和過低都不利于卵母細胞的生長發(fā)育。因此卵母細胞的體外培養(yǎng)環(huán)境中葡萄糖的濃度也會影響到輔助生殖的結局。

在嚙齒類動物模型中，雌性動物血糖水平高及肥胖對細胞階段的受精卵向囊胚發(fā)育過程產生不利影響［29］。近來有研究者將來源于糖尿病小鼠模型的受精卵移植到正常小鼠身上，發(fā)現(xiàn)子代的先天性畸形及生長發(fā)育遲滯的發(fā)生率依然很高［30］。在1型糖尿病小鼠模型上發(fā)現(xiàn)，糖尿病會改變卵母細胞線粒體結構及其空間分布，進一步影響卵母細胞中糖類分子代謝，對卵母細胞發(fā)育潛能產生不利影響［31］。

關于葡萄糖與卵母細胞質量的研究，如今還缺乏定論，但適宜的葡萄糖濃度會提高卵母細胞的質量，而合理的代謝途徑將減少對卵母細胞的損害。

5　結語

預測卵母細胞生長發(fā)育潛能及其質量的相關性研究有很多，但是由于倫理道德和法律的限制，大部分研究關注的重點都是卵母細胞周圍的顆粒細胞及卵泡液等環(huán)境與卵母細胞之間的關系，很少有關注于卵母細胞本身代謝的研究。動物模型實驗的進一步發(fā)展，或許能為如何研究這兩者的關聯(lián)提供一種補缺的方法。卵母細胞存在葡萄糖的代謝，葡萄糖作為三大營養(yǎng)物質之一，與卵母細胞的質量息息相關，參與了卵母細胞生長發(fā)育的調控，但關于葡萄糖分子代謝與卵母細胞之間關聯(lián)的研究目前依然很少。但隨著科技的進步，相信會有更多的發(fā)現(xiàn)對這些問題有更好的認識，也會幫助人類輔助生殖技術的進一步發(fā)展。

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［本文編輯王琳］

Research Progress of G lucose M etabolism of Oocytes

JIANG Xin，XU Yang.Peking University First Hospital，Beijing 100034，China

（2015-11-11）