线粒体功能受损与多囊卵巢综合征发生胰岛素抵抗相关性的研究进展

王 婧 马舒婷 张跃辉

1.河北省廊坊市人民医院妇科，河北廊坊 065000；2.黑龙江中医药大学附属第一医院妇科一科，黑龙江哈尔滨 150000

多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）对生殖、代谢等生理机能的影响可贯穿女性一生，有学者提出其病理生理在胎儿时期就已开始发生改变，多于青春期开始发病[1]，对育龄期女性的影响最大，故探寻本病的发病机制对临床诊疗具有重要意义。PCOS 的临床表现随着女性所处生理时期的不同而不同[2]，临床多以月经稀发为主，严重者可致闭经，少数表现为月经过多；高雄激素的临床表现，如肥胖、痤疮、多毛等；育龄期可引发不孕症；受孕后易发生流产，甚至导致复发性流产、早产等不良妊娠结局；长期增厚的子宫内膜还增加了癌变的风险，故本病对女性的健康和生活产生着持续的影响。然而PCOS 的病因多样，病因间的作用关系复杂，胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）和高雄激素血症被视为其特征性内分泌变化[3]。研究发现，PCOS-IR 患者占PCOS 患者的50%～70%[4-5]，PCOS 合并肥胖者约占PCOS 患者的42%，而PCOS合并肥胖者中兼具IR 患者的占比过半，同时非肥胖患者中也有约22%的患者存在IR[6]。无论脂肪代谢障碍还是脂肪缺乏，即肥胖或消瘦，在机体缺少功能正常的脂肪细胞时，都会导致肝脏或肌肉中积累过量的三酰甘油，诱发机体产生IR[7-8]。故IR 的发病率之高决定其在PCOS 发病中占据了重要地位。

1 IR 对PCOS 的影响

IR 是肥胖PCOS 患者的独立诱因[9]，也是诱发心血管疾病、血脂代谢异常、代偿性高胰岛素血症、2 型糖尿病（T2DM）等远期并发症的高危因素[10]。并且IR对PCOS 患者低排卵率、低妊娠率、妊娠并发症的产生及不良妊娠结局均有直接影响[11]。此外，IR 患者胰岛素水平可代偿性升高，过多的胰岛素刺激垂体、卵巢及卵泡膜细胞，分泌更多雄激素[12]；肾上腺在过量的胰岛素强刺激下，增强肾上腺皮质激素的敏感性，雄激素分泌增多[13]；并且，肝脏在胰岛素的影响下，性激素结合蛋白合成减少，反应性增加血清中游离雄激素的含量[12]，故IR 可通过多种途径进一步加剧高雄激素。IR 对PCOS 的发生发展全程均有重要的影响，故探究IR 在PCOS 疾病中的作用机制是了解PCOS 病因不可或缺的环节。

2 PCOS-IR 与线粒体

线粒体在细胞代谢功能中起重要作用，并影响着IR 的发生，近年来有研究发现线粒体功能障碍可能是PCOS-IR 发病机制中的一个重要因素[14]。

2.1 线粒体DNA（mtDNA）拷贝数

mtDNA 损伤会降低细胞代谢活性，故可作为引发线粒体功能障碍的原因之一。通过测量mtDNA 拷贝数评估线粒体细胞的相对数量，评估线粒体功能水平。Saeed 等[15]研究发现，无论是否患有糖尿病，PCOS组mtDNA 拷贝数都相对较少。Zhang 等[16]研究发现，PCOS 患者的mtDNA 拷贝数较正常女性低，并且其拷贝数与IR、腰围和三酰甘油水平呈负相关，即PCOS患者IR 程度越重，则mtDNA 拷贝数越低，线粒体功能损伤程度越重。

然而，功能受损的线粒体亦可通过提高mtDNA 拷贝数，代偿性提升受损线粒体功能。Shokolenko 等[17]从PCOS 患者和非PCOS 患者的体细胞中建立诱导性多能干细胞（iPSC）模型，结果显示PCOS 患者iPSC 中mtDNA 含量明显高于非PCOS 患者。PCOS 患者iPSC中线粒体转录因子A、γ 共激活因子-1α、核呼吸因子-1 等过氧化物酶体增殖物激活受体表达均呈高水平[17]。而以上三种因子，是参与调节线粒体mtDNA 复制和转录的重要受体[18]，这与PCOS 患者iPSC 中mtDNA拷贝数的上调结果相符。另外，PCOS 患者iPSC 线粒体中葡萄糖转运蛋白1 和葡萄糖转运蛋白3 的表达呈下调改变[17]。葡萄糖转运蛋白体的作用是协助完成葡萄糖转运，葡萄糖转运蛋白体的表达水平影响着线粒体对糖的摄取，进一步影响糖代谢。故PCOS-IR 的产生，可能与葡萄糖转运蛋白体低表达导致线粒体功能障碍有关。

mtDNA 拷贝数的上调和下调，可能是疾病在不同阶段所展现出的不同变化[16]。代偿期表现为mtDNA 拷贝数增加；当线粒体不能维持正常功能，进入失代偿期，则表现为mtDNA 拷贝数减少。两种截然相反的实验结果，可能是由于样本处于不同疾病时期造成的。

2.2 线粒体转运RNA（mt-tRNA）基因突变

与PCOS-IR 相关的tRNA 基因突变，影响了线粒体相应蛋白的合成，使线粒体功能受损。Ding 等发现[19]，携带突变mt-tRNA 的PCOS-IR 实验组，线粒体拷贝数明显低于对照组，说明线粒体基因突变使线粒体相对数量显著减少，进而影响了线粒体功能。此研究团队认为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 等十种基因突变，可能与PCOS-IR相关[19-20]。这些突变改变了mt-tRNA 的二级结构和相应基因的功能，进而影响了线粒体功能。

对患有IR 的中国家族单独研究结果显示[21]，该家族第一代和第二代成员表现出具有IR 的T2DM，而第三代成员表现出了PCOS。PCOS 是一种具有遗传倾向的疾病[22]，提示IR 的遗传倾向也对PCOS 有着一定影响：即使没有PCOS 家族史，IR 和T2DM 家族史也可能是导致PCOS 的危险因素。实验对此家族成员的线粒体基因进行了分析，发现mt-tRNA Leu（UUR）A3302G 突变，是该家庭与IR 相关的致病性突变，进一步突出了此种突变对我国PCOS 疾病的研究意义。A3302G 突变对线粒体拷贝数和tRNA 的稳态均有不良影响，张飞祥等认为[23]，此突变可作为危险因素，评估PCOS-IR 的患病概率，为未来分子诊断的发展提供帮助。

2.3 线粒体活性氧（ROS）

ROS 是线粒体呼吸链中的副产物，线粒体功能受损，氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）产生过量的ROS 会异常诱导激活苏氨酸和丝氨酸激酶的信号通路，并增加胰岛素受体及其底物蛋白的磷酸化。胰岛素行使正常功能，离不开线粒体呼吸链的支持，故线粒体功能障碍、细胞内ROS 增加，会使胰岛素效力降低，增加PCOS-IR 发生的可能性。PCOSIR 患者的线粒体ROS 和髓过氧化物酶（MPO）的水平升高，其程度甚至较单纯的PCOS 患者更重[24]。MPO可在炎症部位催化氧化反应，参与氧化应激（OS），产生过量的ROS[25]。并且，PCOS-IR 患者体内过量的葡萄糖，也会刺激烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶作用产生ROS[26]，而不同种氧化酶之间仍存在相互作用，也影响着ROS 的生成。因此，线粒体功能障碍生成过量的ROS，影响了胰岛素效力，同时高水平的葡萄糖又加剧了ROS 的产生，而进一步损伤线粒体。

2.4 线粒体OS

当细胞抗氧化能力降低，氧化相对过剩；或细胞中超量的ROS 无法被抗氧化系统代谢，氧化绝对过剩，皆可使细胞氧化和抗氧化平衡被打破，此时大量无法被代谢的ROS 会诱导OS，引起细胞和线粒体损伤[27]。当胰岛β 细胞内某些信号通路，被过量的ROS 激活引发OS，可导致胰岛β 细胞损伤凋亡，使胰岛素分泌减少。

线粒体活性异常；OXPHOS 增强；当ROS 水平超过一定阈值，导致主要参加OXPHOS 的线粒体氧磷复合物Ⅰ、Ⅲ受损；以上途径可进一步刺激ROS 产生，引起OS[28]。胰岛素受体在OS 的作用下，其与胰岛素受体底物-1 的结合力变差，使IR/IRS-1/PI3-K 信号通路传导障碍，而加重IR；并且，胰岛素也是OXPHOS的主要调节剂，在PCOS-IR 的情况下，机体内大量无法正常代谢的糖脂类物质自身氧化，产生大量的自由基也会引发OS。

线粒体内膜、脂质发生OS 产生的丙二醛（MDA）可作为评估OS 程度的标志物。有研究表明[29]，高水平MDA 可损伤线粒体酶；降低氧磷复合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ的活性；抑制线粒体琥珀酸呼吸链和NADH 氧化呼吸链；使自由基释放量增加，而加剧线粒体功能的损伤。

3 线粒体功能修复

当线粒体功能受损时，线粒体质量控制系统启动，以维持线粒体及细胞稳态。线粒体首先通过分子层面进行调控：抗氧化剂、DNA 修复、蛋白质折叠和降解来试图维持线粒体及细胞功能。维生素C、E，谷胱甘肽，谷胱甘肽过氧化物酶，过氧化氢酶，超氧化物歧化酶以及微量元素锌、硒等抗氧化物质通过恢复细胞的抗氧化水平，提高抗氧化负荷，清除代谢过程的中间产物，如ROS，可降低有害物质对线粒体结构造成的损害，间接保护线粒体功能[30]。故临床抗氧化剂的应用研究，可为PCOS-IR 提供一个新的治疗思路。线粒体DNA 聚合酶γ，可切除错配的碱基。线粒体基质中的分子伴侣蛋白，可将错误折叠的蛋白质重新折叠，恢复其正常结构和功能。若功能异常的蛋白过量累积，将激活降解机制，清除失效的蛋白。当线粒体不能通过内在调节维持稳态时，线粒体将通过合成、融合、裂变，来维持细胞的正常代谢[31]。由此，线粒体通过细胞内在修复系统，在分子和细胞水平上恢复受损的功能。

然而若线粒体无法通过“妥协”维持基本功能，细胞将引发线粒体自噬。自噬体特异性包裹受损的线粒体，并与溶酶体融合完成降解[32]。此过程还可同时清除过多的有害代谢产物，如ROS。mtDNA 无蛋白外壳保护，可直接接触ROS，诱导mtDNA 突变，增加线粒体功能损害的概率[33]；同时ROS 与OS 为正反馈关系，故线粒体自噬，一方面直接从根源减少异常线粒体的数量；另一方面，清除ROS 等代谢副产物，也减轻了相对健康的线粒体受OS 和ROS 的不利影响；此外，线粒体自噬后降解的产物，又将以原料的形式参与正常机体代谢[33]。线粒体自噬有效降低了线粒体功能障碍对IR 的影响，故对减轻IR 具有一定作用。因此，有望通过药物引发适度的线粒体自噬，改善线粒体外环境，对PCOS-IR 予以干预治疗。

4 小结

综上，由以上途径导致线粒体功能受损，加重了PCOS-IR 的程度；而机体PCOS-IR 状态又会通过多种机制，加重线粒体功能损伤。线粒体功能对PCOSIR 有着不可否认的意义，二者相互作用，一方出现问题则会牵连另一方，形成恶性循环。故想打开闭环，就需通过改善其中一方或双方，将恶性循环变为良性带动，才有可能上升为新的动态平衡。探索PCOS-IR 中线粒体作用机制，和线粒体自身恢复机制，研制针对性的药物，将为PCOS-IR 线粒体功能异常的预防和治疗提供一个更有效的途径。