線粒體功能障礙與多囊卵巢綜合征相關性的研究進展

王立娜，陳慧平，田文艷，顏琪，張慧英△

多囊卵巢綜合征（PCOS）是常見的生殖和內分泌代謝綜合征，主要臨床特征為卵泡發育異常、高雄激素血癥、脂質代謝異常、胰島素抵抗（IR）、糖代謝異常和慢性炎癥等。線粒體作為參與細胞能量代謝等多種生命活動的重要結構，其功能障礙與PCOS以上疾病特征密切相關［1］。本文綜述了近年來線粒體功能障礙與PCOS發生發展及相關并發癥的研究進展。

1 線粒體結構與功能

線粒體是雙層膜結構動態細胞器，由外膜、間隙、內膜和線粒體基質組成，線粒體動力學（包括融合和分裂）可維持線粒體結構完整性，是其發揮生物學功能的前提。線粒體為半自主性細胞器，具有獨立的DNA及遺傳表達系統，線粒體基因（mtDNA）和核基因共同編碼線粒體功能蛋白。線粒體主要功能是通過氧化磷酸化（OXPHOS）產生腺苷三磷酸（ATP），提供細胞生命活動所需的能量；除參與機體能量代謝之外，線粒體還可參與體內氧化應激（OS）、鈣穩態調節、細胞增殖凋亡、自噬等多種細胞活動［2］。因此，線粒體正常結構與功能對機體多項生命活動至關重要，線粒體功能障礙可能為PCOS的發病機制之一。

2 線粒體功能障礙與PCOS

2.1 線粒體基因組異常與PCOS線粒體基因組異常可能與PCOS發生相關，包括mtDNA基因突變或缺失、mtDNA拷貝數變化等。mtDNA分為編碼區和非編碼區，mtDNA編碼區可編碼22個轉移核糖核酸（tRNA）、2種核糖體核糖核酸（rRNA）和13個ATP生成所必需的多肽鏈；mtDNA控制區（D-loop區）為其非編碼區，此區域突變會影響mtDNA的復制和轉錄，導致線粒體呼吸鏈功能障礙，致使mtDNA拷貝數減少、ATP水平降低、代謝副產物產生過多。研究發現，PCOS患者線粒體轉移RNA（mt-tRNA）高度保守區存在谷氨酰胺tRNA（Gln-tRNA）、半胱氨酸tRNA（Cys-tRNA）、天冬氨酸tRNA（Asp-tRNA）、賴氨酸tRNA（Lys-tRNA）、精氨酸tRNA（Arg-tRNA）和谷氨酸tRNA（Glu-tRNA）等多種變異，mt-tRNA突變與糖尿病和高膽固醇血癥等相關，可能與絲氨酸/蘇氨酸激酶（AKT）介導的胰島素信號轉導通路障礙、線粒體生物合成酶類表達減少、體內脂肪酸水平改變等相關［3］。最佳的mtDNA拷貝數和足夠的ATP是卵母細胞發育成熟的前提，mtDNA拷貝數變化與PCOS患者卵泡發育異常以及代謝紊亂等相關，mtDNA拷貝數降低的卵母細胞的發育潛能顯著降低，致使卵泡發育異常、囊胚形成減少；PCOS患者血液中mtDNA拷貝數與腰圍、胰島素抵抗指數（HOMA-IR）、三酰甘油水平呈負相關［4］。PCOS患者的骨骼肌線粒體中核基因編碼的OXPHOS相關基因，如泛醌氧化還原酶復合體組裝因子3（NDUFA3）、琥珀酸脫氫酶基因D（SDHD）、細胞色素C氧化酶Ⅶ亞基（COX7C）等表達減少，NDUFA3的表達與mtDNA拷貝數、卵泡發育和IR密切相關；SDHD單核苷酸多態性則與肥胖風險密切相關［5］。線粒體基因組異常影響PCOS及其糖脂代謝并發癥的具體機制仍需進一步探索。

2.2 線粒體能量代謝障礙與PCOS線粒體為機體能量代謝的中心，顆粒細胞、卵母細胞分別以糖酵解、OXPHOS為主要能量來源。線粒體功能障礙可導致多種生物合成中間體和ATP產生減少，致使PCOS患者獲卵數、成熟卵母細胞比例、胚胎質量、著床率均下降，甚至出現不良妊娠結局等［1］。PCOS小鼠卵巢中胰島素信號通路相關的mRNA和蛋白質表達水平升高，但葡萄糖攝取量正常，轉運蛋白表達水平顯著升高，提示PCOS小鼠存在利用葡萄糖能力下降且存在IR；同時，單羧酸轉運蛋白（MCT）和乳酸脫氫酶（LDH）、磷酸果糖激酶（PFK）、丙酮酸激酶（PKM）等限速酶基因的表達下調，也可使能量代謝水平下降［6］。研究發現，與健康女性相比，PCOS患者卵泡生長所需的乳酸和丙酮酸增多，且丙酮酸消耗量增加與卵母細胞核型異常相關［7］。IR可使線粒體耦合效率受損，氧化型/還原型輔酶Ⅰ（NAD+/NADH）比例下降，乳酸及ATP產生減少；高水平的睪酮也可抑制小鼠卵巢顆粒細胞乳酸生成，導致腺苷二磷酸（ADP）/ATP比例升高、線粒體生物合成減少等［8］。以上研究均表明，PCOS患者卵泡發育一方面所需乳酸和丙酮酸等能源物質增多，另一方面IR及高雄激素血癥又可抑制以上能量物質的生成，卵泡發育所需代謝物質供不應求，致使卵泡發育障礙。

2.3 線粒體氧化應激與PCOS活性氧（ROS）為線粒體能量代謝的副產物，適量的ROS可作為調控細胞分化和炎癥等途徑的信號分子，ROS過多則可引發OS，導致線粒體功能障礙，參與PCOS的發生發展。ROS相關代謝物的濃度可用來評估組織的氧化還原狀態和線粒體功能，常用標志物有丙二醛（MDA)、總 抗 氧化能 力（TAC）、總抗氧 化 狀態（TAOS）、羰基等。研究發現，PCOS患者OS發生在線粒體復合體Ⅰ，OS可導致mtDNA突變、氧化還原途徑中斷和分子損傷、ATP合成受阻并破壞線粒體正常結構形態等，與IR、脂質代謝異常和卵泡發育障礙等PCOS多種臨床特征相關［9］。PCOS患者卵泡液MDA水平、TAOS及氧化應激指數升高，TAC和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）水平升高，提示OS可能通過Caspase系統導致顆粒細胞凋亡增多、卵泡微環境破壞、卵母細胞發育成熟障礙，致使PCOS卵泡閉鎖、排卵障礙和不孕等［10］。OS可增強促炎基因表達，誘發體內慢性炎癥，進而通過干擾胰島素信號傳導通路，如胰島素受體底物1-磷脂肌醇3激酶-蛋白激酶B（IRS1-PI3K-PKB/AKT）途徑參與IR的形成［11］。OS可促進前脂肪細胞增殖和分化，誘發下丘腦神經元飽腹感調節機制受損進而導致肥胖，OS標志物與體質量指數（BMI）和腰臀比等肥胖指數之間存在正相關，提示OS可能與PCOS患者發生代謝綜合征的風險增加相關［12］。OS還可通過增強類固醇激素轉化酶的活性促進雄激素的產生，提示OS可能參與了PCOS高雄激素血癥的形成［12］。

2.4 線粒體鈣穩態失衡與PCOS Ca2+可作為第二信使參與細胞信號傳導，同時參與蛋白質、磷脂等物質相關分解酶的激活，是調控細胞生命活動的重要元素之一。線粒體協同內質網、細胞外基質等共同調節Ca2+的攝取和釋放以維持細胞內鈣穩態。mtDNA突變、OS等均可導致線粒體鈣穩態失衡。鈣穩態失衡可導致線粒體膜去極化，引起線粒體呼吸鏈氧化磷酸化解偶聯，ATP產生減少；同時ROS產生增多，使膜脂質過氧化，進而增加線粒體內膜通透性，Ca2+內流增加，與OS形成正反饋，共同導致線粒體功能障礙。鈣穩態失衡與PCOS的多種疾病特征有關。鈣穩態失衡刺激G蛋白偶聯的鈣感受器，通過肌醇/Ca2+途徑級聯激活炎癥反應，核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體產生，導致高水平的白細胞介素（IL）和腫瘤壞死因子（TNF）等炎性因子釋放；此外，鈣依賴性磷脂酶-A2（PLA2）也可通過激活環氧化酶-2（COX-2）誘導花生四烯酸釋放，促進炎癥反應［13］。以上均提示鈣穩態失衡與PCOS的慢性炎癥狀態相關。編碼線粒體融合蛋白（Mfn）的基因Mfn1和Mfn2缺乏，可通過B淋巴細胞瘤-2（Bcl-2）/Bcl-2相關X蛋白（Bax）、Ca2+途徑破壞線粒體的正常形態結構，致使卵母細胞發育異常［14］。在胰腺β細胞中，PI3K/AKT信號通路激活可刺激葡萄糖轉運和糖原合成，鈣穩態失衡可導致上述信號通路持續級聯激活，使胰島素受體底物過度磷酸化和AKT活性減弱，導致IR等代謝異常［15］。

2.5 線粒體生物合成減少與PCOS研究發現PCOS大鼠模型中與線粒體生物合成相關的關鍵基因，如線粒體轉錄因子A（TFAM）、過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PGC-1α）等表達水平顯著降低，提示線粒體生物合成減少所致的線粒體功能障礙可能與PCOS發生密切相關［16］。PGC-1α可上調編碼線粒體蛋白的基因表達水平，增加線粒體的生物合成。一氧化氮（NO）和腺苷單磷酸活化蛋白激酶（AMPK）可刺激PGC-1α表達，促進線粒體生物合成，而mtDNA拷貝數和PGC-1α基因表達水平降低可造成線粒體生物合成和ATP生成減少，導致線粒體功能障礙。PGC-1α通過與核呼吸因子1/2（NRF1/2）、雌激素相關受體α（ERRα）等特定的核轉錄因子相互作用，影響線粒體呼吸鏈功能、氧化還原平衡、細胞凋亡水平、性激素合成以及糖脂代謝等，參與PCOS的發生［17］。研究發現，PCOS患者的卵丘細胞線粒體生物發生水平、mtDNA含量明顯低于對照組，而PGC-1α基因啟動子甲基化率較高，基因甲基化可下調基因轉錄水平，使線粒體生物合成能力下降，導致PCOS卵泡發育異常，而甲基轉移酶抑制劑可逆轉超甲基化所致的線粒體功能障礙［18］。PCOS動物實驗存在上述類似表型，并且存在線粒體結構改變、卵母細胞囊胚率降低［19］。以上研究均提示線粒體生物合成減少與PCOS密切相關。

2.6 線粒體調控的細胞凋亡失衡與PCOS PCOS患者卵巢顆粒細胞凋亡率升高，并與線粒體介導的細胞凋亡途徑相關［20］。線粒體調控的細胞凋亡失衡可能與PCOS排卵障礙、高雄激素血癥、IR及慢性炎癥等多種疾病特征有關。Caspase和Bcl-2/Bax是細胞凋亡的主要調節因子，Caspase是調控細胞凋亡的特異性蛋白酶，線粒體在其激活中起關鍵作用；Bcl-2為抗凋亡基因，可與線粒體膜上的Bax等基因結合來抑制線粒體內細胞色素C（Cytc）等促凋亡因子的釋放，進而調控下游基因，抑制細胞凋亡。PCOS卵巢顆粒細胞Bax表達升高，Bcl-2表達下降，細胞凋亡指數增加［21］。卵巢顆粒細胞凋亡比例達到10%以上時，可導致卵泡閉鎖，并被卵泡膜細胞及成纖維細胞代替從而影響卵巢功能，導致PCOS患者排卵障礙、生育力下降，甚至不孕，且顆粒細胞凋亡率與妊娠率呈負相關；同時，卵巢顆粒細胞大量凋亡時，影響睪酮轉化為雌激素，導致雄激素水平升高，進而導致卵母細胞成熟、卵泡發育停滯［22］。此外，機體ROS積聚、慢性炎癥反應、顆粒細胞和卵母細胞自噬異常激活均可導致細胞凋亡失衡，誘發PCOS。

2.7 線粒體動力學改變與PCOS線粒體動力學是指線粒體調控自身分裂和融合，維持線粒體穩態的過程，參與調控細胞增殖、分化、凋亡與自噬等生命活動。Mfn1/2、視神經萎縮蛋白1（OPA1）介導線粒體融合，動力相關蛋白1（Drp1）則介導線粒體分裂。線粒體融合與其發揮能量代謝等正常功能有關，線粒體過度分裂則通過破壞線粒體結構、促進ROS產生導致線粒體功能障礙［23］。線粒體動力學失衡與PCOS多種疾病特征相關。研究發現，小鼠卵母細胞線粒體融合與分裂失衡可使線粒體結構異常，導致線粒體膜電位下降、ATP生成不足、卵母細胞紡錘體組裝障礙、細胞染色體排列異常和非整倍體增加，影響卵母細胞以及顆粒細胞的增殖，致使卵泡發育受阻與卵泡閉鎖［24］。線粒體動力學失衡可增加ROS的產生，ROS可誘導Drp1活化后與其受體相互作用，導致線粒體膜電位下降、分裂增多及OS等。線粒體動力學參與調節多種組織器官的胰島素敏感性，參與PCOS患者IR、肥胖等代謝異常的發生發展。小鼠脂肪細胞選擇性敲除Mfn2或OPA1可導致線粒體結構異常，使細胞內三酰甘油累積，引發IR及肥胖，在高脂飲食小鼠中Mfn1/2表達下降，Drp1表達上升［25］。綜上，線粒體動力學與IR、OS、糖脂代謝異常、肥胖等密切相關，且可相互調控，參與PCOS的發生和發展。

2.8 線粒體自噬異常與PCOS線粒體自噬是指細胞通過自噬選擇性包裹和降解細胞內受損的線粒體，維持線粒體內穩態的過程。自噬不僅受多種自噬相關基因（ATG）Beclin1（又稱ATG6）的調控，同時受微管相關蛋白1輕鏈3（LC3）及LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ核心調節因子的調控。線粒體自噬異常與卵泡發育、糖脂代謝異常等密切相關。研究證實PCOS動物模型及患者的卵巢組織均存在自噬基因和相關通路的異常激活；PCOS患者中異常激活的自噬基因包括叉頭框轉錄因子O亞族1（FOXO1）、細胞外蛋白調節激酶1/9（MAPK1/9）、胰島素樣生長因子1（IGF1）、抑癌基因P53（TP53）、表皮生長因子受體（EGFR）等，以上基因可通過雷帕霉素靶蛋白（MTOR）、受體酪氨酸激酶（ERBB）等相關信號通路導致自噬異常激活［26］。在合并IR的PCOS患者中，自噬基因ATG7異常激活、LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例升高、細胞自噬增加、顆粒細胞損傷破壞及凋亡增多，誘發卵泡發育異常［27］。自噬可通過調節炎癥反應參與PCOS的發生發展，炎癥相關轉錄因子核因子κB（NF-κB）在合并IR的PCOS患者中顯著升高，其可上調自噬相關蛋白Beclin1和p62轉錄水平［28］。Toll樣受體（TLR）信號通路在合并肥胖的PCOS患者中異常激活，Beclin1與銜接蛋白相互作用后減少了與Bcl-2的結合，激活TLR通路誘導細胞自噬［29］。腫瘤壞死因子α（TNF-α）和干擾素-γ（IFN-γ）等炎性細胞因子水平升高可增加線粒體自噬，加速炎癥反應進程，提高卵泡膜細胞類固醇生成酶活性，導致雄激素水平增加［26］。線粒體自噬異常與PCOS密切相關，其具體致病機制仍需進一步研究。

3 線粒體功能修復在PCOS治療中的應用

目前治療PCOS的常見方式有生活方式干預、藥物治療等，線粒體移植為近年來新的治療方向，以上治療基于線粒體功能修復的機制可能包括：（1）修復受損的mtDNA，減少由mtDNA損傷導致的氧化應激、炎癥反應和細胞凋亡。（2）增加能量代謝中間代謝物生成，增加ATP合成。（3）上調細胞因子和趨化因子，促進細胞增殖并減少細胞凋亡，增加線粒體生物生成。適當限制高熱量飲食、運動等生活方式干預可通過激活AMPK-PGC1α通路促進線粒體生物合成、減少ROS生成和氧化損傷來修復線粒體功能［30］。研究發現，部分新型藥物通過多靶點促進卵泡生長發育，改善PCOS患者的卵巢內環境：線粒體營養劑，如L-肉堿、α-硫辛酸、輔酶Q10、白藜蘆醇等可提高細胞抗氧化負荷，降低有害物質對線粒體的損害，維持正常線粒體功能；肌醇則可通過白細胞介素-6/轉錄激活因子-3/微小RNA-155/過氧化物酶體增殖物激活受體γ（IL-6/STAT-3/miR-155/PPAR-γ）通路改善IR、調節細胞自噬水平來改善線粒體功能［31］。線粒體分裂抑制劑，如Mdivi1、P110、Dynasore等可靶向保護線粒體結構完整性，維持線粒體動力學穩定［30］。

線粒體移植包括異體移植與自體移植兩種，因前者存在倫理爭議和異質性風險，自體線粒體移植更易被接受，是PCOS治療的新方向。自體移植的線粒體來自未成熟的卵母細胞、顆粒細胞、卵巢干細胞和脂肪干細胞等。動物研究發現，分離純化的線粒體可快速、直接進入哺乳動物細胞中并正常發揮自身功能，線粒體移植可提高線粒體功能、改善胚胎發育質量，得到可存活的動物后代［32］。Oktay等［33］以10例反復移植失敗患者為研究對象，通過卵泡漿內單精子注射（ICSI）將分類篩選后的自體線粒體與精子一同注射到卵細胞中，與同一患者先前移植周期結果相比，此次受精率更高（78.3%和47.9%，P=0.036）、胚胎質量更好（3.1%和2.3%，P=0.082）。但另有研究發現，在57例既往體外受精-胚胎移植（IVF-ET）失敗且有充分證據證明胚胎質量差的不良妊娠患者實施線粒體移植后，每個移植胚胎的累積活產率無明顯差異（41.2%和41.7%，P=0.970）［34］。上述結論不一致可能由樣本量、研究方法以及患者生殖助孕周期方案差異等多方面因素導致，未來仍需進一步研究線粒體移植是否為改善PCOS的卵母細胞及胚胎質量的可行方法。

4 展望

基于線粒體功能修復的治療方法在PCOS動物模型和臨床研究已有初步探索，確證其安全性和有效性后，未來有望成為PCOS治療的潛在方法和手段；但也還需要進一步研究線粒體功能障礙與PCOS的發病機制及與PCOS臨床表型之間的聯系、篩選評估疾病預后的生物標記物，以期為以線粒體為靶點的精準治療提供科學依據和新思路。