卵母細胞代謝及其調節

徐文丹，崔毓桂，茅彩萍*

(1.蘇州大學醫學院附屬第一醫院生殖醫學中心，蘇州 215006；2.南京醫科大學第一附屬醫院生殖醫學科，南京 210029)

·綜述·

卵母細胞代謝及其調節

徐文丹1，崔毓桂2*，茅彩萍1*

(1.蘇州大學醫學院附屬第一醫院生殖醫學中心，蘇州 215006；2.南京醫科大學第一附屬醫院生殖醫學科，南京 210029)

卵母細胞發育與成熟過程依賴大量ATP，因此物質代謝旺盛。卵母細胞以葡萄糖和/或其中間產物丙酮酸為底物，在線粒體內氧化磷酸化，產生大量ATP，是卵母細胞最主要的供能形式。但是，卵母細胞糖代謝模式有種屬特異性差異。同時，卵母細胞也存在脂肪酸和氨基酸的代謝。除提供能量外，這些代謝產物在細胞信號傳導、滲透壓調節等方面也有重要作用。卵母細胞代謝的精確調控受多方面因素的影響如卵母細胞胞內、胞間、胞外的調控等。研究卵母細胞代謝及其機制，對探尋改善卵母細胞質量、提高卵母細胞體外成熟效能具有重要的意義。

卵母細胞； 卵丘細胞； 線粒體； 能量代謝； 卵母細胞成熟

The development and maturation of oocyte are dependent on ATP which comes from the highly active energy metabolism.It is the main energy procedure that oocytes produce ATP by the mitochondria oxidative phosphorylation with the glucose and/or its intermediate product，acetylformic acid，as substrate.Meanwhile，fatty and amino acids are also metabolic substrates in oocyte.Interestingly，there are species differences in the glycometabolism model.Besides energy，those metabolites and intermediate products play some roles in signal transduction，osmoregulation and so on.The oocyte metabolism is precisely controlled by the intracellular，intercellular and extracellular pathways.It is important to study oocyte metabolism and maturation mechanism in order to improve oocyte quality and efficiency of in vitro maturation(IVM).

Keywords： Oocyte； Cumulus cells； Mitochondria； Energy metabolism； Oocyte maturation

(JReprodMed2017，26(10)：1047-1051)

卵母細胞發育成熟，是生殖醫學臨床獲得優質胚胎的關鍵。卵母細胞代謝過程的調控在其發育成熟過程中起重要作用，成熟期間線粒體增多、活性加強[1-3]。卵母細胞發育期間每個細胞事件都依賴能量支持，線粒體是其能量工廠。葡萄糖和/或糖代謝中間產物、脂肪酸和氨基酸，都可能是卵母細胞的代謝底物，尤其是葡萄糖產物-乙酰輔酶A(CoA)，可轉入線粒體進行氧化呼吸，合成大量ATP。除供能外，這些代謝中間物還可調節細胞內信號轉導及滲透壓等，確保卵母細胞核和細胞質的成熟。因而，某些卵母細胞的代謝物也有望成為評價卵母細胞質量的標記物。另外，卵母細胞代謝也可受到卵母細胞胞內、胞間和胞外機制的調控。現階段，卵母細胞體外成熟技術已應用于臨床輔助生殖，但IVM成熟率較低且胚胎發育潛能低[4]。研究卵母細胞代謝及其調節機制，對探尋改善卵母細胞質量、提高IVM效能具有現實的意義。

一、卵母細胞的糖代謝

線粒體是卵母細胞含量最多、作用最突出的一種細胞器，其在卵母細胞成熟和早期胚胎發育中發揮了重要的作用[5]。線粒體是細胞的能量工廠，葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等轉化為乙酰CoA，最終都會轉入線粒體的氧化呼吸鏈，合成ATP。除高產能外，線粒體在調節代謝、鈣離子動態平衡、脂肪酸氧化和凋亡過程中發揮了重要作用。卵母細胞成熟期間，線粒體數目劇增至10 000個，線粒體自身活性也會增加，以滿足卵母細胞成熟期間的能量的需求。一些疾病如糖尿病、肥胖等都會導致卵母細胞線粒體功能不全而致卵母細胞成熟障礙，而線粒體營養劑，如α硫辛酸、輔酶Q10和白藜蘆醇，則促進卵母細胞體外成熟率[6]。由此可見，確保正常線粒體功能對于卵母細胞成熟和發育潛能的獲得至關重要。

在卵母細胞成熟的過程中，大部分葡萄糖首先經過糖酵解為丙酮酸，后者成為卵母細胞能量產生的底物[7]。如鼠卵母細胞與卵丘細胞相比，糖酵解酶表達低，因而卵丘細胞將糖酵解的產物丙酮酸通過單羧酸轉運系統轉運至卵母細胞的線粒體中用于產能[8]。有趣的是，狗和豬卵母細胞可以使用葡萄糖作為主要能量底物，而不是丙酮酸，提示卵母細胞糖代謝模式的種屬性差異。

除氧化磷酸化途徑外，卵母細胞中的葡萄糖還可經磷酸戊糖(PPP)、己糖胺生物合成(HBP)和多元醇途徑進行代謝。PPP途徑可為卵母細胞的核成熟提供核糖以合成DNA和RNA，也可生成NADPH降低卵母細胞的活性氧(ROS)含量；HBP途徑主要是用于細胞外基質(ECM)的合成，調控卵丘細胞的擴張，也與o-相連的糖基化有關。o-相連的糖基化與蛋白磷酸化類似，可調節蛋白的活性，用于調節細胞的信號傳導。o-相連的糖基化可能調控HBP途徑的蛋白以調節卵丘細胞的擴張[9]。

在豬的成熟卵母細胞中葡萄糖、丙酮酸和氧含量要比未成熟的多2倍。在羚羊和豬的卵母細胞體外培養系統，減少葡萄糖含量可抑制減數分裂、細胞質成熟和胚胎發育，而IVM培養基加入充足的葡萄糖則加強牛和豬的IVM和卵母細胞的發育潛能。可見葡萄糖的代謝對于卵母細胞的成熟是至關重要的；但是，高濃度葡萄糖則抑制卵母細胞減數分裂，其機制不清[9]。

二、卵母細胞的脂質代謝

脂肪酸β氧化(FAO)是卵母細胞成熟的另一個重要的能量來源[10]。一個脂肪酸氧化可產生106個ATP而葡萄糖大約為30個ATP，因而它是卵母細胞成熟和植入前胚胎發育能量產生的有效來源。脂肪酶裂解脂滴中的甘油三酯為甘油骨架和不同鏈長及不同飽和度的脂肪酸。脂肪酸主要通過細胞表面的脂肪酸蛋白轉運體，包括脂肪酸轉位酶、組織特異性脂肪酸轉運蛋白和質膜結合脂肪酸結合蛋白，進入細胞，而后通過肉毒堿棕櫚酰轉移酶I(CPT1)跨越線粒體的外膜，再經肉毒堿進入線粒體內膜，隨后脂肪酸進入FAO，釋放乙酰CoA，進入TCA產生ATP。脂肪酸結合肉毒堿后轉運到線粒體這一步是FAO的限速步驟，受CPT1催化[11]。補充外源脂肪酸如棕櫚酸、肉毒堿可提高cpt1的表達，加強脂肪酸的β氧化，降低葡萄糖的消耗，提高IVM的成熟率而使用CPT1抑制劑依托莫斯可抑制脂肪酸跨過線粒體膜，降低FAO，增加葡萄糖的消耗，阻礙IVM的成熟[12]。更高濃度的依托莫斯才能抑制小鼠的卵母細胞的核成熟，說明FAO在小鼠卵母細胞的重要性要低于其他物種[10]。然而，數項研究表明小鼠的核成熟其實也是需要脂肪酸的β氧化[13]。

除了為細胞提供能量外，脂肪酸及其前體或代謝物也是非代謝過程所需的，特別是細胞內信號轉導。二酰甘油(DAG)是(4、5)-二磷脂酰肌醇的脂質水解產物，是細胞內的第二信使，PKC是其主要靶點[14]。值得注意的是，DAG與PKC結合引發PKC激活，調節卵母細胞成熟過程已經涉及到的多個關鍵過程，如減數分裂的恢復、紡錘體重組和激活[15]。脂肪酸也結合核受體和轉錄因子如過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)和固醇調節元件結合蛋白(SREBP)。PPAR和SREBP在小鼠和牛的卵母細胞中都有檢測到，可能與胚胎發育和女性生育有關[16]。

三、卵母細胞中的氨基酸代謝

氨基酸(AA)通過一系列特異系統轉運到細胞內，在細胞內發揮了重要作用，包括蛋白合成、能量產生和細胞內緩沖。其中，AA可轉換成α-酮酸進入TCA產生ATP。卵母細胞中大量AA轉運系統的存在說明卵母細胞是利用外環境的AA。研究表明，谷氨酰胺是支持卵母細胞發育的有效能量底物，使用谷氨酰胺作為唯一能量來源雖然不能完成到MⅡ期，但足以激發小鼠卵母細胞的減數分裂恢復，且培養基中添加谷氨酰胺可促進牛、倉鼠、狗、兔子、猴子卵母細胞的成熟[17]。谷氨酰胺、天冬氨酸和纈氨酸也可抑制豬卵母細胞的多精授精[18]。

Tartia等[19]在研究了小鼠卵母細胞體積的調節時，發現甘氨酸(GLY)轉運體(GLY1)在不成熟的卵母細胞中是靜止的，而且其內生的GLY也幾乎沒有。然而，在排卵促發的幾個小時內，GLY1調節的GLY轉運被啟動。同時，卵母細胞可利用GLY調節卵母細胞的體積。這些發現表明卵母細胞存在GLY依賴的細胞體積調節機制，從而改變胞內滲透壓[20]。

有趣的是，在卵母細胞成熟期間還存在另一種產能的方式，即cAMP經磷酸二酯酶降解可觸發減數分裂并產生一磷酸腺苷，牛卵母細胞的腺苷酸激酶和肌酸激酶可將一磷酸激酶轉化為ATP，此為腺苷補救通路。當抑制腺苷酸激酶和肌酸激酶時可減少卵母細胞的ATP含量，抑制卵母細胞的成熟[21]。

四、卵母細胞代謝的調節

1.卵胞外調控：卵巢是血循環中的糖皮質激素的靶器官，通過結合其受體發揮作用，有2種糖皮質激素的代謝酶調節其活性：3β-羥基類固醇脫氫酶1(HSD11B1)將非活性的皮質酮轉化為有活性的皮質醇而3β-羥基類固醇脫氫酶1(HSD11B2)將皮質醇轉化為皮質酮。排卵前LH峰可促進人、大鼠等動物的卵母細胞和顆粒細胞上HSD11B1的表達，下調HSD11B2的表達，說明卵泡液中皮質醇含量增多，但其作用不清。有報道，高糖皮質醇激素抑制卵母細胞成熟[22]；但研究也發現，卵泡液中的糖皮質激素含量與卵母細胞內的脂質含量相反，與卵母細胞的成熟正相關，卵丘細胞表達11βHSD1、脂質代謝酶增多，提示皮質醇可能促進脂肪酸的氧化，從而促進卵母細胞成熟[23]。

2.胞間調控：由雌性生殖細胞和外周顆粒細胞組成的卵丘細胞-卵母細胞復合體(COCs)，是具有完整功能并有動力學特性的基本單位。有報道，當小鼠卵丘細胞包被或是無卵丘細胞的卵母細胞都在含C14的L丙氨酸的培養基培養時，在卵丘細胞包被的卵母細胞中放射量更高[24]。研究表明，在顆粒細胞存在的情況下，甘氨酸、丙氨酸、牛磺酸和賴氨酸的卵母細胞轉運增強，揭示了卵母細胞和卵泡細胞的代謝合作關系，這對卵母細胞成熟潛能的獲得、卵丘細胞(CC)擴張、早期胚胎的發育至關重要[25]。IVM期間的CC，可有效調節卵母細胞胞質內重要因子的合成和濃度，如谷胱甘肽(GSH)和Ca2+[26]。

3.胞內調控：卵母細胞代謝的胞內調控是更為復雜、系統的，其較新的研究進展值得我們關注。沉默信息調節者(Sirt)是去乙酰化酶家族成員，是線粒體中的保守蛋白，可直接調節線粒體蛋白的乙酰化，從而調節能量的生成，以對營養狀態和能量平衡做出反應。而且，它還可調節一些蛋白的乙酰化，這些蛋白涉及到脂肪酸氧化、氨基酸代謝和線粒體的氧化呼吸。研究發現干涉Sirt3，人卵母細胞線粒體生物合成下降、卵母細胞多倍體增多、發育成囊胚的能力下降；高表達Sirt3，又可逆轉這些變化。在小鼠模型擴大樣本量進行研究，也發現了相似的這種結果[27]。可見，Sirt3可上調卵母細胞線粒體的生物合成，促進細胞的代謝而促進卵母細胞的成熟。Sirt1也有類似的作用[28]。白藜蘆醇是Sirt1的激活劑，研究發現其可促進線粒體的生物合成、增加ATP含量和促進卵母細胞的成熟，這也間接證明了上述Sirt1的作用[29]。5’AMP激活的蛋白激酶(AMPK)是絲氨酸/蘇氨酸的異源三聚體激酶，其作用有種屬特異性，在小鼠AMPK促進能量代謝，促進GVBD、紡錘體的形成和第一極體的排出，從而促進卵母細胞的減數分裂[30]；AMPK還促進Sirt蛋白的激活而發揮作用[31]。

五、展望

卵母細胞成熟除了形態學特征外，代謝標志物也可能作為評估卵母細胞質量和預測其授精能力的指標[32]。卵母細胞成熟可用BCB試驗評估，這試驗已經用于雌性飲食控制后豬卵母細胞和卵泡液中脂肪酸的含量檢測，主要是測量葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PDH)-PPP的第一步驟的催化酶在卵母細胞發生的卵母細胞中合成活動。G6PDH是生長的卵母細胞合成的而在成熟卵母細胞中其失活。G6PDH可將染料轉化為無色，在成熟的卵母細胞中其成藍色[33]。然而，BCB還未在人卵母細胞中用來評估G6PDH的活性。脂質特異的熒光染料NILE紅，可沾染牛、豬、鼠的卵母細胞，且根據脂質含量，會射出不同的熒光量。特別的是，卵母細胞脂肪區里灰色的平均值是評估單個卵母細胞脂質含量的合適工具。這種方法用于卵母細胞獲得數有限的人類或瀕危物種的卵母細胞質量評估，可能有價值[34]。其他酶的功能檢測，如-9和-5去飽和酶都有望用于評估卵母細胞質量[35]。

圖1 卵母細胞代謝及其調節

卵母細胞發育成熟受到多種因素的調控，其代謝過程的調控是不可忽視的部分，尤其是葡萄糖代謝及其代謝中間產物關系到卵母細胞成熟(圖1)。卵母細胞代謝物檢測、調控因子檢測，有望成為評價卵母細胞質量的標記。研究卵母細胞代謝及其機制，對探尋改善卵母細胞質量新方法、提高卵母細胞體外成熟效能具有現實的意義。

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[編輯：侯麗]

Researchprogressofoocytemetabolismanditsregulation

XUWen-dan1，CUIYu-gui2*，MAOCai-ping1*

1.CenterofReproductiveMedicine，theFirstAffiliatedHospitalofSoochowUniversity，Suzhou215006 2.CenterofClinicalofReproductiveMedicine，theFirstAffiliatedHospitalofNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029

10.3969/j.issn.1004-3845.2017.10.018

2017-03-09；

2017-04-11

2017江蘇省科教強衛工程項目(生殖醫學創新平臺，醫學重點人才項目)；江蘇省社會發展項目(BE20150642)；國家自然基金(81370719，81671535)；高校優勢學科II期建設過程(JX10231802)；衛生廳婦幼保健重點專科(FXK201221)

徐文丹，女，山東棗莊人，博士，圍產醫學與胎兒學專業.(*

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