基于線粒體功能障礙的多囊卵巢綜合征研究進展

楊喬瑞 潘紫萌 孫暢 孫淼 匡洪影

多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)是當今女性無排卵性不孕最常見的原因之一，全世界的發病率約為5%～20%[1]。隨著研究的深入，人們逐漸認識到PCOS不僅會造成女性不孕，更會增加罹患心血管疾病、代謝綜合征、子宮內膜癌、妊娠期糖尿病和先兆子癇等疾病的風險[2]。但是，目前為主，學術界關于PCOS確切的發病機制仍然沒有統一認識。不過，可以確定的是，PCOS并不是一種由單一機制所引起的代謝紊亂性疾病，而是與遺傳、生活方式、環境、社會以及心理因素都密切相關的內分泌疾病[2-3]。

近年來，國內外學者研究發現線粒體功能障礙和線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突變與PCOS存在著緊密聯系。線粒體作為參與細胞能量代謝、鈣穩態、脂肪酸氧化和凋亡等生命活動的重要細胞器，一直是多種代謝性疾病的研究熱點[4]。線粒體功能異常可引起呼吸鏈功能紊亂，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)生成減少和活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生增加，氧化還原途徑失衡以及mtDNA編碼異常，并參與到PCOS的發生與發展中[5-6]。同時有研究指出[7-11]，二甲雙胍、褪黑素、米托蒽醌甲磺酸鹽(mitoquinol mesylate,MitoQ10)和維生素D3等多種治療方式能通過促進線粒體生物發生過程，緩解PCOS臨床癥狀，這更加彰顯了線粒體損傷在PCOS病程中的重要地位。本文則對近些年關于線粒體功能障礙與PCOS發生機制和相關治療的研究進行綜述，為臨床治療PCOS提供新思路。

一、 PCOS與線粒體形態損傷

線粒體作為細胞內重要的細胞器，其特殊的雙層膜結構與嵴結構在能量代謝過程中具有關鍵意義。近年來，有學者在電鏡下發現PCOS模型小鼠卵母細胞線粒體可見明顯的嵴腫脹與空泡改變[12]。同時，這種線粒體損傷并不局限于卵母細胞，研究人員在骨骼肌細胞中也觀察到了類似的表現[13]。在PCOS患者體內，這種線粒體損傷也十分常見。有學者發現，PCOS患者顆粒細胞內線粒體從正常的豆狀逐漸轉變成球狀，并伴有不同程度的空泡變性、嵴消失和膜破裂，線粒體分裂與融合動態失衡[14-15]。此外，Risal等[16]也在PCOS小鼠后代的卵母細胞內發現了較正常小鼠更為明顯的線粒體腫脹。這預示著線粒體損傷在PCOS發生發展中所占據的位置遠比想象中重要，線粒體損傷不僅可能加重PCOS臨床癥狀，更可能通過減數分裂遺傳給子代，成為PCOS家族聚集性的重要原因。

二、PCOS與線粒體基因突變

人類mtDNA遵循嚴格的母系遺傳，其突變率遠高于核DNA[17]。在一項對PCOS患者線粒體基因組全序列突變篩查的研究中發現，mtDNA V區9-bp缺失變異在PCOS患者和健康人群之間存在著顯著差異，可能與PCOS異質性有關[18]。這一發現與Zhuo等[19]觀察結果相類似，同時他們還發現PCOS患者mtDNA的D環非編碼區存在16個堿基改變，12S 核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)存在7個基因變異，16S rRNA存在3個基因變異，6個轉運RNA形態結構發生改變，其他變異主要集中在參與氧化磷酸化的復合體上。這些突變可能通過影響mtDNA轉錄翻譯過程和線粒體呼吸鏈功能參與了PCOS的發生發展。

線粒體轉運RNA(mitochondrial transfer RNA，mt-tRNA)發生突變亦可導致線粒體蛋白質合成障礙，影響氧化磷酸化過程，在PCOS發生中也具有重要意義。Ding等[20]發現線粒體tRNALeu(UUR)C3 275T,tRNAGlnT4 363C和tRNALysA8 343G錯義突變會導致線粒體tRNA二級結構發生改變，mtDNA拷貝數減少，線粒體膜電位降低，ROS產生增加和ATP合成減少，而線粒體膜電位損傷又會進一步促使突變細胞內ROS產生增多，形成惡性循環，從而導致PCOS各種臨床表型。該研究組還從一個胰島素抵抗(insulin resistance，IR)家系中發現tRNALeu(UUR)A3 302G的錯義突變會致使線粒體呼吸鏈復合體I嚴重缺乏，同時降低復合體IV活性，減少mtDNA拷貝發生，并與胰島素水平和IR指數呈負相關，提示線粒體tRNALeu(UUR)A3 302G突變與PCOS女性IR發生緊密相關[21]。此外，研究者們還發現tRNALeu(UUR)C3 275A、mt-tRNAGlnT4 363C、mt-tRNAGlnT4 395C、mt-tRNASer(UCN)C7 492T、mt-tRNAAspA7 543G、mt-tRNALysA8 343G、mt-tRNAArgT10 454C以及mt-tRNAGluA14 693G這8個mt-tRNA突變可能與PCOS-IR發生也有著密切關系[22]。目前研究表明，PCOS患者線粒體內80%的突變局限在進化保守的堿基區，主要參與mt-tRNAs二級結構的發育，而tRNA二級結構的損壞會致使胰島β細胞線粒體蛋白質合成和呼吸功能障礙，參與PCOS-IR的發生[23]。

除了mt-tRNA基因改變，NADH脫氫酶亞單位5(NADH dehydrogenase subunit 5，ND5)基因突變也與PCOS-IR有著十分密切的聯系。有研究在PCOS患者mtDNA中發現[24]，ND5 T12 338C和tRNASer(UCN)C7 492T發生突變，可能導致ND5 信使RNA(messenger RNA，mRNA)表達水平降低和tRNASer(UCN)三級結構發生改變，最終對PCOS-IR的發生起促進作用。總而言之，mtDNA翻譯或轉錄的任一環節突變失衡都有可能引起氧化應激和ATP氧化磷酸化通路的解偶聯，胰島β細胞功能被破壞，胰島素分泌減少，不足以抑制肝葡萄糖產生或刺激外周組織攝取葡萄糖，是PCOS-IR的重要發病機制之一。

線粒體D環區是線粒體基因組中唯一的非編碼區，是mtDNA復制和轉錄的主要調控位點。研究發現印度南部PCOS人群D環區攜帶D310與A189G變異者，mtDNA拷貝數顯著減少，可導致mtDNA編碼基因表達減少、線粒體功能障礙、ROS生成增加以及PCOS進展[25]。Shukla等[26]則在30名PCOS患者中發現了6個全新的D環區變異點，分別為342G、16 308G、16 389C、205C、568G和569G，并指出聚合酶γ功能異常是PCOS患者mtDNA變異的主要來源，僅有少數mtDNA變異是由于氧化損傷所引起。此外，D環區16184C堿基缺失也可能與PCOS發病和月經周期紊亂有關[27]。

因此，無論是mtDNA自身突變，還是rRNA，tRNA或mRNA變異，最終都可導致線粒體蛋白質合成和功能障礙，氧化還原途徑異常，電子傳遞和ATP形成的偶聯機制被打破，ATP與ROS含量發生改變，細胞內穩態失衡，從而出現IR等一系列臨床癥狀。

三、PCOS與線粒體mtDNA甲基化

Jia等[28]從豬的多囊樣卵巢中發現，卵母細胞線粒體內編碼12S rRNA、16S rRNA和NADH脫氫酶亞單位4的mtDNA序列以及D環區顯著超甲基化，線粒體膜電位降低，mtDNA拷貝數和編碼基因表達量均顯著降低，說明超甲基化可能是導致卵母細胞線粒體功能障礙和質量下降，卵細胞發育異常的重要原因之一。他們還發現，同型半胱氨酸能夠通過激活單碳代謝途徑引起上述類似改變，而DNA甲基轉移酶抑制劑5′AZA可挽救同型半胱氨酸所誘導的mtDNA高甲基化，解除線粒體功能障礙，恢復卵母細胞的正常發育[29]，這可能是促進PCOS患者卵泡發育和改善生殖功能的潛在研究方向。

四、PCOS與線粒體蛋白水平改變

線粒體內膜上UCP2蛋白水平的升高可促使雄激素合成增多，從而介導PCOS高雄激素血癥的發生[30-31]。過高的雄激素水平又能致使胰島β細胞線粒體生物發生過程異常，線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1a，PGC1α)和核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1，NRF1)表達下調，且mtDNA編碼的NADH脫氫酶亞單位1、NADH脫氫酶亞單位3、線粒體呼吸鏈復合體II、線粒體呼吸鏈復合體IV、ATP合成酶亞單位β(ATP synthase β-subunit，ATPsyn-β)也呈表達下調狀態[32]，ADP/ATP比值升高，mtDNA拷貝數減少，ROS產生增加[33]，線粒體氧化還原平衡被打破，表明雄激素水平升高通過破壞胰島β細胞線粒體穩態影響胰島素分泌。 Sánchez-González等[34]進一步證實了大鼠ATPsyn-β與胰島素分泌缺乏之間的反向關聯關系，提示ATPsyn-β可能是PCOS遠期并發2型糖尿病等疾病的重要因素。

在高雄激素血癥和IR的共同作用下，PCOS不孕率遠高于健康人群[35]。Emidio等[36]在PCOS模型小鼠卵巢組織中觀察到去乙酰化酶1/3(sirtuin1/3，SIRT1/3)和超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase，SOD2)表達上調，PGC1α和TFAM表達下調，說明PCOS改變了卵巢線粒體內的氧化還原環境，SIRT3/SOD2驅動的抗氧化反應被顯著激活，但線粒體數量的減少反映了該抗氧化機制仍不能阻止線粒體功能的衰竭，卵巢線粒體功能受到損害，可能是卵泡發育異常和不孕的危險因素。PCOS除了對卵巢造成損害，對胎盤線粒體正常功能也有一定的影響。Zhang等[37-38]發現PCOS樣大鼠體內的高雄激素和IR環境通過減少mtDNA拷貝數和動力相關蛋白1(dynamin related protein 1，Drp1)、PGC1α、NRF1等基因表達致使子宮線粒體功能受損和氧化-抗氧化應激反應失衡，同時胎盤線粒體-ROS-SOD1/NRF2軸功能失調，最終引起早產、流產等不良生殖結局。

五、PCOS與線粒體氧化應激損傷

氧化應激是指ROS產生與抗氧化機制之間的失衡[39]，而ROS主要來源于線粒體，是氧化代謝反應的副產物[40]。Khashchenko等[41]發現正常體重PCOS患者通過激活抗氧化防御機制、減少脂質過氧化和全身炎癥反應來減弱機體的氧化應激損傷，而肥胖合并代謝紊亂的PCOS患者呈現出典型的線粒體氧化/抗氧化失衡和炎癥反應活化，加劇了PCOS胰島素抵抗、動脈粥樣硬化等并發癥的發生。其中，炎癥反應的活化不僅能直接降低卵母細胞質量，還能影響線粒體正常呼吸功能，導致ROS積累和mtDNA代償性增加，氧化應激被過度激活，臨床表現為PCOS 患者卵子及胚胎質量下降，較低妊娠率和高流產率等[42]。此外，氧化應激損傷還參與了PCOS卵細胞發育異常、排卵障礙、脂質代謝紊亂等病理過程[43-44]。

六、PCOS相關線粒體損傷的藥物治療

二甲雙胍在臨床上用于PCOS多毛、痤瘡和IR的治療，但其具體作用機制至今未明[8]。Randriamboavonjy等[7]在伴有IR的PCOS患者血小板中觀察到二甲雙胍通過AMPKα1依賴機制增強血小板Ser637上Drp1的磷酸化，抑制線粒體過度分裂。通過恢復線粒體正常體積和基礎呼吸速率，降低血小板的高反應性，進而發揮二甲雙胍對PCOS并發心血管疾病的防治作用。此外，二甲雙胍還能增加白細胞線粒體耗氧量、膜電位、線粒體質量和谷胱甘肽水平，降低ROS和H2O2水平，對線粒體產生有益影響，這可能是二甲雙胍改善PCOS患者外周IR的分子機制[8]。Atef等[45]提出將硒作為治療PCOS的一種新策略，其作用與二甲雙胍相當，硒能恢復線粒體動態蛋白的平衡，減輕氧化應激和線粒體功能障礙，調節線粒體動力學，較二甲雙胍更顯著改善PCOS相關內分泌代謝表型和組織病理學改變。

褪黑素與MitoQ10均為線粒體靶向抗氧化劑。研究表明，褪黑素能夠顯著提高PCOS患者顆粒細胞中SIRT1蛋白的表達水平，抑制PINK1/Parkin介導的線粒體過度自噬，提高線粒體膜電位和mtDNA含量，從而改善線粒體的功能障礙和PCOS表型[9]。MitoQ10則是通過提高大鼠血清中SOD和谷胱甘肽等指標，增強抗氧化能力，改善受損的線粒體功能和PCOS的IR，逆轉PCOS內分泌紊亂和生殖障礙狀態[10]。

維生素D3目前多被用于緩解PCOS臨床癥狀，Safaei等[11]發現維生素D3可能通過刺激DHEA誘導的PCOS小鼠顆粒細胞MAPK(ERK1/2)通路來促進線粒體生物發生，上調PGC1α和NRF1表達，降低ROS水平，恢復線粒體功能，降低顆粒細胞凋亡率，在維持卵泡發育和排卵中發揮重要作用。這預示著未來線粒體靶向治療可能成為治療PCOS的研究熱點，能同時有效改善PCOS生殖、代謝和內分泌異常，減緩并發癥發生。

線粒體是人體最重要的細胞器之一，越來越多的研究表明，線粒體與許多疾病有著密切聯系。線粒體功能障礙和基因突變不僅參與了PCOS高雄激素血癥、高胰島素血癥、IR、排卵障礙或無排卵等病理過程，在PCOS的遠期并發癥中也起到了一定的作用。因此，如何有效地恢復線粒體形態和呼吸鏈功能，減少ROS產生和線粒體自噬發生，恢復氧化還原平衡，促進線粒體蛋白的正常表達，抑制氧化應激和mtDNA突變的發生，對PCOS防治有著重要的指導意義。