基于氧感知通路探討早發性卵巢功能不全發生機制的研究進展

朱軼軒 董曉英

1.首都醫科大學口腔醫學院，北京 100069；2.首都醫科大學中醫藥學院，北京 100069

早發性卵巢功能不全（premature ovarian insufficiency，POI）的發病機制復雜，是醫學界持續探索的重點領域之一。近年來，隨著有關領域研究的開展，學者對POI 有了更加全面、客觀的認識。William G.Kaelin,Peter J.Ratcliffe 和Gregg L.Semenza 教授因其在理解細胞感知和適應氧氣變化機制中的貢獻而被授予2019 年諾貝爾生理學或醫學獎，他們從分子水平上探索了人體細胞感受氧濃度的基本原理，與之相關的信號通路被統稱為氧感知通路。氧感知通路中的元件對POI 的發生有著重要影響。本文旨在通過探討POI 與氧感知通路的聯系，為POI 發生機制的研究及治療提供新思路。

1 POI 及其發生機制簡述

POI 是指女性在40 歲之前由于卵巢功能減退引發的一系列異常表現的臨床綜合征[1]。其通常特征為低雌激素水平導致的月經異常（閉經或月經稀發）[2]，并伴有高水平的卵泡刺激素（＞25 U/L）（follicle-stimulating hormone，FSH）、促黃體生成素（luteinizing hormone，LH）和低水平的雌二醇（estradiol，E2）[3]。POI 發病機制的復雜性以及它帶來的生育率下降等問題使其治療成為當代醫學的一大挑戰[4]。

顆粒細胞凋亡是POI 的重要發病原因。卵泡是卵巢的基本結構和功能單位，在卵泡發育成熟過程中，顆粒細胞的增殖、分化對卵母細胞的發育成熟有著重要的作用。顆粒細胞與卵母細胞之間存在著大量縫隙連接，并通過縫隙連接輸送營養物質和信號分子進入卵母細胞，以促進卵母細胞胞核與胞質成熟。顆粒細胞的凋亡可抑制卵母細胞及卵泡的發育，促進卵泡閉鎖引發POI[5]。

2 氧感知通路與POI

2.1 氧感知通路概述

氧感知通路的核心是細胞如何在低氧環境下通過調節一系列信號通路以避免缺氧損傷，維持細胞內環境穩定[6]。

Wang 等[7]首先從慢性缺氧細胞中分離得到一種在常氧下降解而在缺氧條件下穩定的DNA 結合蛋白，并將之命名為低氧誘導因子1（hypoxia-inducible factor 1,HIF-1）。隨后HIF-1 被發現由HIF-1α 和HIF-1β 兩個亞單位組成[8]。Ivan 等[9]發現常氧狀態下HIF-1α 在脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase,PHD）作用下發生羥基化。羥基化的HIF-1α 立即與腫瘤抑制基因結合，并通過泛素-蛋白酶途徑降解，阻斷缺氧相關基因的表達。而在缺氧條件下，PHD 羥基化抑制HIF 的降解。HIF-1α 在細胞質中積累，轉移到細胞核中與HIF-1β 聚合形成異源二聚體，再與下游的缺氧反應元件（hypoxia response element，HRE）結合，促進相關基因的轉錄，并使促紅細胞生成素和血管內皮生長因子的表達增加，見圖1。

圖1 氧感知通路示意圖

哺乳動物的卵巢是一種代謝活躍的器官，會產生大量的活性氧。由于卵泡較大，卵泡卵母細胞更容易缺氧[10]。因此，氧感知通路在卵泡的生理過程中起著重要的調控作用。其中，HIF-1α 作為氧感知通路的核心元件，與調節卵巢功能相關的信號通路息息相關，對POI的發生也有一定的影響。

2.2 HIF-1α 誘導顆粒細胞凋亡引發的POI

細胞凋亡，又稱Ⅰ型細胞程序化死亡，是由活化半胱天冬酶（Caspase）所執行的細胞行為[11]。細胞凋亡有利于維持細胞數量的動態平衡，然而，凋亡過度或不足會引起許多疾病[12]。

HIF-1α 可通過BNIP3 介導的一系列信號通路引發顆粒細胞的凋亡。

BNIP3 是一種屬于Bcl-2 家族的促凋亡蛋白[13]。低氧狀態下細胞內過表達的HIF-1α 可以上調BNIP3的表達[14]。BNIP3 具有低氧應答能力，且受HIF-1 的直接調控，其啟動子區含有一個缺氧反應元件，在低氧條件下可與HIF-1 緊密結合。在卵巢中，卵泡顆粒細胞和卵泡液的激增會使得卵泡腔內血管分布密度減小，相應地，單位顆粒細胞的血供和氧水平降低，可能導致顆粒細胞缺氧[15]。低氧環境下，胞漿內HIF-1α積聚增多，引起卵泡顆粒細胞內HIF-1α 過表達，HIF-1α 與BNIP3 啟動子區的缺氧反應元件結合，上調BNIP3 的表達。Bcl-2 家族成員可與BNIP3 的C 末端結構域相互作用形成異二聚體，從而抑制Bcl-2 的抗凋亡作用[16]。因此，卵巢內的低氧環境可能引發BNIP3 介導的顆粒細胞凋亡。顆粒細胞的凋亡是促進卵泡閉鎖的關鍵性因素[17]。因此，BNIP3 介導的大量顆粒細胞凋亡可能導致卵泡閉鎖，從而誘發POI。

2.3 HIF-1α 誘導顆粒細胞自噬引發的POI

自噬，又稱為Ⅱ型細胞程序化死亡，是一種高度自我調節的過程，可以通過溶酶體活性消除受損、有害或多余的亞細胞蛋白質和細胞器[18]。正常水平的自噬可以減輕各種類型細胞應激帶來的損害，利于細胞生存[19]。然而，當細胞自噬過分激活時可能引起疾病[20]。

顆粒細胞自噬的機制可能與PI3K/Akt/mTOR 通路以及氧感知通路有關。其中，mTOR 是該通路的重要下游調節元件，其很多區域可以參與蛋白質之間的交互作用，是生長因子、營養狀況、能量狀態的中樞傳感器[21]。

FSH 可以激活PI3K，引起cAMP 途徑介導的mTOR活化，并通過PI3K/Akt/mTOR 通路增加顆粒細胞中下游HIF-1α 活性[22]。mTOR 存在mTORC1 和mTORC2兩種不同形式的復合物。自噬主要受mTORC1 調控。活化的mTORC1 可以使延伸起始因子4E 結合蛋白1（4E-birding protein 1，4E-BP1）和核糖體蛋白S6 激酶1 磷酸化，并分別與真核翻譯起始因子-4E（eukaryotic initiation factor 4E，eIF-4E）和eIF-3 結合，在結合狀態下抑制翻譯起始復合物的形成。當mTOR 磷酸化4E-BP1 后，4E-BP1 被激活，并與eIF-4E 分離，解除對依賴于eIF-4E 的翻譯過程的抑制作用[23]。mTOR 能磷酸化p70S6K，從而刺激p70S6K 核糖體蛋白和其他翻譯機制的組成部分，包括eIF4B 和eEF2K[24]，還可能通過5’末端寡聚嘧啶核苷酸序列來增加mRNA的翻譯速率從而促進HIF-1α 表達[25]。在卵巢中，促性腺激素會促進過度的顆粒細胞增殖，引起缺氧和HIF-1α 的積累[26]。

上述通路導致的HIF-1α 過表達會強化細胞自噬。HIF-1α 的積累被證明可以誘導BNIP3 表達上調，除了促進細胞凋亡，BNIP3 還能調控自噬相關基因的表達，包括Beclin1 和Atg5[27]。研究發現,Bcl-2 家族抗凋亡蛋白Bcl 2、Bcl-XL 等可通過與Beclin 1 相互作用負性調控自噬，BNIP3 的BH3 結構域會取代Bcl-2-或Bcl-XL-Beclin1 復合物中的Beclin1，引起Bcl-2/Beclin1 或Bcl-XL/Beclin1 復合物的解離，導致能夠觸發自噬的Beclin1 釋放[28]。自噬體的積累會降低顆粒細胞內Bcl-2 的表達水平[29]，進一步加劇BNIP3 對抗凋亡蛋白功能的抑制作用。

2.4 細胞自噬與凋亡交聯共同影響POI

細胞自噬和細胞凋亡是兩個相互分離又相互聯系的過程，其交聯機制見圖2。BNIP3 是缺氧誘導的關鍵分子，并參與自噬轉換，使細胞得以存活并避免凋亡[29]。正常水平的自噬對顆粒細胞增殖和卵泡發育起到保護作用。然而，過度的細胞自噬可以通過改變細胞中Bax 與Bcl-2 表達的比例引起細胞凋亡，過表達的Bax 可以加速細胞凋亡性死亡，也能抑制Bcl-2的死亡抑制因子活性[28]。實驗顯示，自噬體的積累可以在Bax 表達水平幾乎沒有變化的情況下，減少顆粒細胞Bcl-2 的表達，使得Bax 相對過表達而促進顆粒細胞死亡和凋亡[30]。

圖2 缺氧誘導因子-1 細胞對細胞凋亡和自噬的調控示意圖

在卵巢中，活化的PI3K/Akt/mTOR 通路可以增強HIF-1α 轉錄活性，引起HIF-1α 過表達。過表達的HIF-1α 可以通過上調BNIP3 水平，一方面直接促進顆粒細胞凋亡，另一方面經上述信號通路強化細胞自噬。細胞自噬過程中自噬體的積累又能通過改變Bax與Bcl-2 表達的比例加速顆粒細胞的凋亡與死亡。無論是顆粒細胞的過度自噬、直接凋亡還是自噬引發的凋亡和死亡均會抑制卵母細胞及卵泡的發育，促進卵泡閉鎖，引發POI。

3 討論

氧感知通路是人體最重要的信號通路之一，越來越多的醫學研究發現氧感知通路與許多難以治療的疾病有著密切聯系。在卵巢內，HIF-1α 可以通過誘導促凋亡蛋白、調節信號通路等途徑促進顆粒細胞自噬和凋亡引發POI。迄今為止，基于氧感知通路探討POI發病機制的研究仍缺少相關動物模型和臨床試驗的支持。目前也少有以氧感知通路為靶點的POI 治療方案。在未來的研究中，除了完善相關實驗外，還可以試著從氧感知通路與顆粒細胞相關通路的交聯信號入手，通過更多方面的實驗探索針對氧感知通路異常引發的POI 治療方案，填補POI 治療領域的相關空白。