線粒體功能受損與多囊卵巢綜合征發生胰島素抵抗相關性的研究進展

王 婧 馬舒婷 張躍輝

1.河北省廊坊市人民醫院婦科，河北廊坊 065000；2.黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院婦科一科，黑龍江哈爾濱 150000

多囊卵巢綜合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）對生殖、代謝等生理機能的影響可貫穿女性一生，有學者提出其病理生理在胎兒時期就已開始發生改變，多于青春期開始發病[1]，對育齡期女性的影響最大，故探尋本病的發病機制對臨床診療具有重要意義。PCOS 的臨床表現隨著女性所處生理時期的不同而不同[2]，臨床多以月經稀發為主，嚴重者可致閉經，少數表現為月經過多；高雄激素的臨床表現，如肥胖、痤瘡、多毛等；育齡期可引發不孕癥；受孕后易發生流產，甚至導致復發性流產、早產等不良妊娠結局；長期增厚的子宮內膜還增加了癌變的風險，故本病對女性的健康和生活產生著持續的影響。然而PCOS 的病因多樣，病因間的作用關系復雜，胰島素抵抗（insulin resistance，IR）和高雄激素血癥被視為其特征性內分泌變化[3]。研究發現，PCOS-IR 患者占PCOS 患者的50%～70%[4-5]，PCOS 合并肥胖者約占PCOS 患者的42%，而PCOS合并肥胖者中兼具IR 患者的占比過半，同時非肥胖患者中也有約22%的患者存在IR[6]。無論脂肪代謝障礙還是脂肪缺乏，即肥胖或消瘦，在機體缺少功能正常的脂肪細胞時，都會導致肝臟或肌肉中積累過量的三酰甘油，誘發機體產生IR[7-8]。故IR 的發病率之高決定其在PCOS 發病中占據了重要地位。

1 IR 對PCOS 的影響

IR 是肥胖PCOS 患者的獨立誘因[9]，也是誘發心血管疾病、血脂代謝異常、代償性高胰島素血癥、2 型糖尿病（T2DM）等遠期并發癥的高危因素[10]。并且IR對PCOS 患者低排卵率、低妊娠率、妊娠并發癥的產生及不良妊娠結局均有直接影響[11]。此外，IR 患者胰島素水平可代償性升高，過多的胰島素刺激垂體、卵巢及卵泡膜細胞，分泌更多雄激素[12]；腎上腺在過量的胰島素強刺激下，增強腎上腺皮質激素的敏感性，雄激素分泌增多[13]；并且，肝臟在胰島素的影響下，性激素結合蛋白合成減少，反應性增加血清中游離雄激素的含量[12]，故IR 可通過多種途徑進一步加劇高雄激素。IR 對PCOS 的發生發展全程均有重要的影響，故探究IR 在PCOS 疾病中的作用機制是了解PCOS 病因不可或缺的環節。

2 PCOS-IR 與線粒體

線粒體在細胞代謝功能中起重要作用，并影響著IR 的發生，近年來有研究發現線粒體功能障礙可能是PCOS-IR 發病機制中的一個重要因素[14]。

2.1 線粒體DNA（mtDNA）拷貝數

mtDNA 損傷會降低細胞代謝活性，故可作為引發線粒體功能障礙的原因之一。通過測量mtDNA 拷貝數評估線粒體細胞的相對數量，評估線粒體功能水平。Saeed 等[15]研究發現，無論是否患有糖尿病，PCOS組mtDNA 拷貝數都相對較少。Zhang 等[16]研究發現，PCOS 患者的mtDNA 拷貝數較正常女性低，并且其拷貝數與IR、腰圍和三酰甘油水平呈負相關，即PCOS患者IR 程度越重，則mtDNA 拷貝數越低，線粒體功能損傷程度越重。

然而，功能受損的線粒體亦可通過提高mtDNA 拷貝數，代償性提升受損線粒體功能。Shokolenko 等[17]從PCOS 患者和非PCOS 患者的體細胞中建立誘導性多能干細胞（iPSC）模型，結果顯示PCOS 患者iPSC 中mtDNA 含量明顯高于非PCOS 患者。PCOS 患者iPSC中線粒體轉錄因子A、γ 共激活因子-1α、核呼吸因子-1 等過氧化物酶體增殖物激活受體表達均呈高水平[17]。而以上三種因子，是參與調節線粒體mtDNA 復制和轉錄的重要受體[18]，這與PCOS 患者iPSC 中mtDNA拷貝數的上調結果相符。另外，PCOS 患者iPSC 線粒體中葡萄糖轉運蛋白1 和葡萄糖轉運蛋白3 的表達呈下調改變[17]。葡萄糖轉運蛋白體的作用是協助完成葡萄糖轉運，葡萄糖轉運蛋白體的表達水平影響著線粒體對糖的攝取，進一步影響糖代謝。故PCOS-IR 的產生，可能與葡萄糖轉運蛋白體低表達導致線粒體功能障礙有關。

mtDNA 拷貝數的上調和下調，可能是疾病在不同階段所展現出的不同變化[16]。代償期表現為mtDNA 拷貝數增加；當線粒體不能維持正常功能，進入失代償期，則表現為mtDNA 拷貝數減少。兩種截然相反的實驗結果，可能是由于樣本處于不同疾病時期造成的。

2.2 線粒體轉運RNA（mt-tRNA）基因突變

與PCOS-IR 相關的tRNA 基因突變，影響了線粒體相應蛋白的合成，使線粒體功能受損。Ding 等發現[19]，攜帶突變mt-tRNA 的PCOS-IR 實驗組，線粒體拷貝數明顯低于對照組，說明線粒體基因突變使線粒體相對數量顯著減少，進而影響了線粒體功能。此研究團隊認為mt-tRNA Leu（UUR）A3302G 和C3275A、mttRNA Gln T4363C 和T4395C、mt-tRNA Ser（UCN）C7492T、mt-tRNA Asp A7543G、mt-tRNA Lys A8343G、mt-tRNA Arg T10454C、mt-tRNA Glu A14693G 和tRNA Cys G5821A 等十種基因突變，可能與PCOS-IR相關[19-20]。這些突變改變了mt-tRNA 的二級結構和相應基因的功能，進而影響了線粒體功能。

對患有IR 的中國家族單獨研究結果顯示[21]，該家族第一代和第二代成員表現出具有IR 的T2DM，而第三代成員表現出了PCOS。PCOS 是一種具有遺傳傾向的疾病[22]，提示IR 的遺傳傾向也對PCOS 有著一定影響：即使沒有PCOS 家族史，IR 和T2DM 家族史也可能是導致PCOS 的危險因素。實驗對此家族成員的線粒體基因進行了分析，發現mt-tRNA Leu（UUR）A3302G 突變，是該家庭與IR 相關的致病性突變，進一步突出了此種突變對我國PCOS 疾病的研究意義。A3302G 突變對線粒體拷貝數和tRNA 的穩態均有不良影響，張飛祥等認為[23]，此突變可作為危險因素，評估PCOS-IR 的患病概率，為未來分子診斷的發展提供幫助。

2.3 線粒體活性氧（ROS）

ROS 是線粒體呼吸鏈中的副產物，線粒體功能受損，氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）產生過量的ROS 會異常誘導激活蘇氨酸和絲氨酸激酶的信號通路，并增加胰島素受體及其底物蛋白的磷酸化。胰島素行使正常功能，離不開線粒體呼吸鏈的支持，故線粒體功能障礙、細胞內ROS 增加，會使胰島素效力降低，增加PCOS-IR 發生的可能性。PCOSIR 患者的線粒體ROS 和髓過氧化物酶（MPO）的水平升高，其程度甚至較單純的PCOS 患者更重[24]。MPO可在炎癥部位催化氧化反應，參與氧化應激（OS），產生過量的ROS[25]。并且，PCOS-IR 患者體內過量的葡萄糖，也會刺激煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶作用產生ROS[26]，而不同種氧化酶之間仍存在相互作用，也影響著ROS 的生成。因此，線粒體功能障礙生成過量的ROS，影響了胰島素效力，同時高水平的葡萄糖又加劇了ROS 的產生，而進一步損傷線粒體。

2.4 線粒體OS

當細胞抗氧化能力降低，氧化相對過剩；或細胞中超量的ROS 無法被抗氧化系統代謝，氧化絕對過剩，皆可使細胞氧化和抗氧化平衡被打破，此時大量無法被代謝的ROS 會誘導OS，引起細胞和線粒體損傷[27]。當胰島β 細胞內某些信號通路，被過量的ROS 激活引發OS，可導致胰島β 細胞損傷凋亡，使胰島素分泌減少。

線粒體活性異常；OXPHOS 增強；當ROS 水平超過一定閾值，導致主要參加OXPHOS 的線粒體氧磷復合物Ⅰ、Ⅲ受損；以上途徑可進一步刺激ROS 產生，引起OS[28]。胰島素受體在OS 的作用下，其與胰島素受體底物-1 的結合力變差，使IR/IRS-1/PI3-K 信號通路傳導障礙，而加重IR；并且，胰島素也是OXPHOS的主要調節劑，在PCOS-IR 的情況下，機體內大量無法正常代謝的糖脂類物質自身氧化，產生大量的自由基也會引發OS。

線粒體內膜、脂質發生OS 產生的丙二醛（MDA）可作為評估OS 程度的標志物。有研究表明[29]，高水平MDA 可損傷線粒體酶；降低氧磷復合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ的活性；抑制線粒體琥珀酸呼吸鏈和NADH 氧化呼吸鏈；使自由基釋放量增加，而加劇線粒體功能的損傷。

3 線粒體功能修復

當線粒體功能受損時，線粒體質量控制系統啟動，以維持線粒體及細胞穩態。線粒體首先通過分子層面進行調控：抗氧化劑、DNA 修復、蛋白質折疊和降解來試圖維持線粒體及細胞功能。維生素C、E，谷胱甘肽，谷胱甘肽過氧化物酶，過氧化氫酶，超氧化物歧化酶以及微量元素鋅、硒等抗氧化物質通過恢復細胞的抗氧化水平，提高抗氧化負荷，清除代謝過程的中間產物，如ROS，可降低有害物質對線粒體結構造成的損害，間接保護線粒體功能[30]。故臨床抗氧化劑的應用研究，可為PCOS-IR 提供一個新的治療思路。線粒體DNA 聚合酶γ，可切除錯配的堿基。線粒體基質中的分子伴侶蛋白，可將錯誤折疊的蛋白質重新折疊，恢復其正常結構和功能。若功能異常的蛋白過量累積，將激活降解機制，清除失效的蛋白。當線粒體不能通過內在調節維持穩態時，線粒體將通過合成、融合、裂變，來維持細胞的正常代謝[31]。由此，線粒體通過細胞內在修復系統，在分子和細胞水平上恢復受損的功能。

然而若線粒體無法通過“妥協”維持基本功能，細胞將引發線粒體自噬。自噬體特異性包裹受損的線粒體，并與溶酶體融合完成降解[32]。此過程還可同時清除過多的有害代謝產物，如ROS。mtDNA 無蛋白外殼保護，可直接接觸ROS，誘導mtDNA 突變，增加線粒體功能損害的概率[33]；同時ROS 與OS 為正反饋關系，故線粒體自噬，一方面直接從根源減少異常線粒體的數量；另一方面，清除ROS 等代謝副產物，也減輕了相對健康的線粒體受OS 和ROS 的不利影響；此外，線粒體自噬后降解的產物，又將以原料的形式參與正常機體代謝[33]。線粒體自噬有效降低了線粒體功能障礙對IR 的影響，故對減輕IR 具有一定作用。因此，有望通過藥物引發適度的線粒體自噬，改善線粒體外環境，對PCOS-IR 予以干預治療。

4 小結

綜上，由以上途徑導致線粒體功能受損，加重了PCOS-IR 的程度；而機體PCOS-IR 狀態又會通過多種機制，加重線粒體功能損傷。線粒體功能對PCOSIR 有著不可否認的意義，二者相互作用，一方出現問題則會牽連另一方，形成惡性循環。故想打開閉環，就需通過改善其中一方或雙方，將惡性循環變為良性帶動，才有可能上升為新的動態平衡。探索PCOS-IR 中線粒體作用機制，和線粒體自身恢復機制，研制針對性的藥物，將為PCOS-IR 線粒體功能異常的預防和治療提供一個更有效的途徑。