线粒体功能障碍与多囊卵巢综合征相关性的研究进展

王立娜，陈慧平，田文艳，颜琪，张慧英△

多囊卵巢综合征（PCOS）是常见的生殖和内分泌代谢综合征，主要临床特征为卵泡发育异常、高雄激素血症、脂质代谢异常、胰岛素抵抗（IR）、糖代谢异常和慢性炎症等。线粒体作为参与细胞能量代谢等多种生命活动的重要结构，其功能障碍与PCOS以上疾病特征密切相关［1］。本文综述了近年来线粒体功能障碍与PCOS发生发展及相关并发症的研究进展。

1 线粒体结构与功能

线粒体是双层膜结构动态细胞器，由外膜、间隙、内膜和线粒体基质组成，线粒体动力学（包括融合和分裂）可维持线粒体结构完整性，是其发挥生物学功能的前提。线粒体为半自主性细胞器，具有独立的DNA及遗传表达系统，线粒体基因（mtDNA）和核基因共同编码线粒体功能蛋白。线粒体主要功能是通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生腺苷三磷酸（ATP），提供细胞生命活动所需的能量；除参与机体能量代谢之外，线粒体还可参与体内氧化应激（OS）、钙稳态调节、细胞增殖凋亡、自噬等多种细胞活动［2］。因此，线粒体正常结构与功能对机体多项生命活动至关重要，线粒体功能障碍可能为PCOS的发病机制之一。

2 线粒体功能障碍与PCOS

2.1 线粒体基因组异常与PCOS线粒体基因组异常可能与PCOS发生相关，包括mtDNA基因突变或缺失、mtDNA拷贝数变化等。mtDNA分为编码区和非编码区，mtDNA编码区可编码22个转移核糖核酸（tRNA）、2种核糖体核糖核酸（rRNA）和13个ATP生成所必需的多肽链；mtDNA控制区（D-loop区）为其非编码区，此区域突变会影响mtDNA的复制和转录，导致线粒体呼吸链功能障碍，致使mtDNA拷贝数减少、ATP水平降低、代谢副产物产生过多。研究发现，PCOS患者线粒体转移RNA（mt-tRNA）高度保守区存在谷氨酰胺tRNA（Gln-tRNA）、半胱氨酸tRNA（Cys-tRNA）、天冬氨酸tRNA（Asp-tRNA）、赖氨酸tRNA（Lys-tRNA）、精氨酸tRNA（Arg-tRNA）和谷氨酸tRNA（Glu-tRNA）等多种变异，mt-tRNA突变与糖尿病和高胆固醇血症等相关，可能与丝氨酸/苏氨酸激酶（AKT）介导的胰岛素信号转导通路障碍、线粒体生物合成酶类表达减少、体内脂肪酸水平改变等相关［3］。最佳的mtDNA拷贝数和足够的ATP是卵母细胞发育成熟的前提，mtDNA拷贝数变化与PCOS患者卵泡发育异常以及代谢紊乱等相关，mtDNA拷贝数降低的卵母细胞的发育潜能显著降低，致使卵泡发育异常、囊胚形成减少；PCOS患者血液中mtDNA拷贝数与腰围、胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）、三酰甘油水平呈负相关［4］。PCOS患者的骨骼肌线粒体中核基因编码的OXPHOS相关基因，如泛醌氧化还原酶复合体组装因子3（NDUFA3）、琥珀酸脱氢酶基因D（SDHD）、细胞色素C氧化酶Ⅶ亚基（COX7C）等表达减少，NDUFA3的表达与mtDNA拷贝数、卵泡发育和IR密切相关；SDHD单核苷酸多态性则与肥胖风险密切相关［5］。线粒体基因组异常影响PCOS及其糖脂代谢并发症的具体机制仍需进一步探索。

2.2 线粒体能量代谢障碍与PCOS线粒体为机体能量代谢的中心，颗粒细胞、卵母细胞分别以糖酵解、OXPHOS为主要能量来源。线粒体功能障碍可导致多种生物合成中间体和ATP产生减少，致使PCOS患者获卵数、成熟卵母细胞比例、胚胎质量、着床率均下降，甚至出现不良妊娠结局等［1］。PCOS小鼠卵巢中胰岛素信号通路相关的mRNA和蛋白质表达水平升高，但葡萄糖摄取量正常，转运蛋白表达水平显著升高，提示PCOS小鼠存在利用葡萄糖能力下降且存在IR；同时，单羧酸转运蛋白（MCT）和乳酸脱氢酶（LDH）、磷酸果糖激酶（PFK）、丙酮酸激酶（PKM）等限速酶基因的表达下调，也可使能量代谢水平下降［6］。研究发现，与健康女性相比，PCOS患者卵泡生长所需的乳酸和丙酮酸增多，且丙酮酸消耗量增加与卵母细胞核型异常相关［7］。IR可使线粒体耦合效率受损，氧化型/还原型辅酶Ⅰ（NAD+/NADH）比例下降，乳酸及ATP产生减少；高水平的睾酮也可抑制小鼠卵巢颗粒细胞乳酸生成，导致腺苷二磷酸（ADP）/ATP比例升高、线粒体生物合成减少等［8］。以上研究均表明，PCOS患者卵泡发育一方面所需乳酸和丙酮酸等能源物质增多，另一方面IR及高雄激素血症又可抑制以上能量物质的生成，卵泡发育所需代谢物质供不应求，致使卵泡发育障碍。

2.3 线粒体氧化应激与PCOS活性氧（ROS）为线粒体能量代谢的副产物，适量的ROS可作为调控细胞分化和炎症等途径的信号分子，ROS过多则可引发OS，导致线粒体功能障碍，参与PCOS的发生发展。ROS相关代谢物的浓度可用来评估组织的氧化还原状态和线粒体功能，常用标志物有丙二醛（MDA)、总 抗 氧化能 力（TAC）、总抗氧 化 状态（TAOS）、羰基等。研究发现，PCOS患者OS发生在线粒体复合体Ⅰ，OS可导致mtDNA突变、氧化还原途径中断和分子损伤、ATP合成受阻并破坏线粒体正常结构形态等，与IR、脂质代谢异常和卵泡发育障碍等PCOS多种临床特征相关［9］。PCOS患者卵泡液MDA水平、TAOS及氧化应激指数升高，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可能通过Caspase系统导致颗粒细胞凋亡增多、卵泡微环境破坏、卵母细胞发育成熟障碍，致使PCOS卵泡闭锁、排卵障碍和不孕等［10］。OS可增强促炎基因表达，诱发体内慢性炎症，进而通过干扰胰岛素信号传导通路，如胰岛素受体底物1-磷脂肌醇3激酶-蛋白激酶B（IRS1-PI3K-PKB/AKT）途径参与IR的形成［11］。OS可促进前脂肪细胞增殖和分化，诱发下丘脑神经元饱腹感调节机制受损进而导致肥胖，OS标志物与体质量指数（BMI）和腰臀比等肥胖指数之间存在正相关，提示OS可能与PCOS患者发生代谢综合征的风险增加相关［12］。OS还可通过增强类固醇激素转化酶的活性促进雄激素的产生，提示OS可能参与了PCOS高雄激素血症的形成［12］。

2.4 线粒体钙稳态失衡与PCOS Ca2+可作为第二信使参与细胞信号传导，同时参与蛋白质、磷脂等物质相关分解酶的激活，是调控细胞生命活动的重要元素之一。线粒体协同内质网、细胞外基质等共同调节Ca2+的摄取和释放以维持细胞内钙稳态。mtDNA突变、OS等均可导致线粒体钙稳态失衡。钙稳态失衡可导致线粒体膜去极化，引起线粒体呼吸链氧化磷酸化解偶联，ATP产生减少；同时ROS产生增多，使膜脂质过氧化，进而增加线粒体内膜通透性，Ca2+内流增加，与OS形成正反馈，共同导致线粒体功能障碍。钙稳态失衡与PCOS的多种疾病特征有关。钙稳态失衡刺激G蛋白偶联的钙感受器，通过肌醇/Ca2+途径级联激活炎症反应，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）炎症小体产生，导致高水平的白细胞介素（IL）和肿瘤坏死因子（TNF）等炎性因子释放；此外，钙依赖性磷脂酶-A2（PLA2）也可通过激活环氧化酶-2（COX-2）诱导花生四烯酸释放，促进炎症反应［13］。以上均提示钙稳态失衡与PCOS的慢性炎症状态相关。编码线粒体融合蛋白（Mfn）的基因Mfn1和Mfn2缺乏，可通过B淋巴细胞瘤-2（Bcl-2）/Bcl-2相关X蛋白（Bax）、Ca2+途径破坏线粒体的正常形态结构，致使卵母细胞发育异常［14］。在胰腺β细胞中，PI3K/AKT信号通路激活可刺激葡萄糖转运和糖原合成，钙稳态失衡可导致上述信号通路持续级联激活，使胰岛素受体底物过度磷酸化和AKT活性减弱，导致IR等代谢异常［15］。

2.5 线粒体生物合成减少与PCOS研究发现PCOS大鼠模型中与线粒体生物合成相关的关键基因，如线粒体转录因子A（TFAM）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）等表达水平显著降低，提示线粒体生物合成减少所致的线粒体功能障碍可能与PCOS发生密切相关［16］。PGC-1α可上调编码线粒体蛋白的基因表达水平，增加线粒体的生物合成。一氧化氮（NO）和腺苷单磷酸活化蛋白激酶（AMPK）可刺激PGC-1α表达，促进线粒体生物合成，而mtDNA拷贝数和PGC-1α基因表达水平降低可造成线粒体生物合成和ATP生成减少，导致线粒体功能障碍。PGC-1α通过与核呼吸因子1/2（NRF1/2）、雌激素相关受体α（ERRα）等特定的核转录因子相互作用，影响线粒体呼吸链功能、氧化还原平衡、细胞凋亡水平、性激素合成以及糖脂代谢等，参与PCOS的发生［17］。研究发现，PCOS患者的卵丘细胞线粒体生物发生水平、mtDNA含量明显低于对照组，而PGC-1α基因启动子甲基化率较高，基因甲基化可下调基因转录水平，使线粒体生物合成能力下降，导致PCOS卵泡发育异常，而甲基转移酶抑制剂可逆转超甲基化所致的线粒体功能障碍［18］。PCOS动物实验存在上述类似表型，并且存在线粒体结构改变、卵母细胞囊胚率降低［19］。以上研究均提示线粒体生物合成减少与PCOS密切相关。

2.6 线粒体调控的细胞凋亡失衡与PCOS PCOS患者卵巢颗粒细胞凋亡率升高，并与线粒体介导的细胞凋亡途径相关［20］。线粒体调控的细胞凋亡失衡可能与PCOS排卵障碍、高雄激素血症、IR及慢性炎症等多种疾病特征有关。Caspase和Bcl-2/Bax是细胞凋亡的主要调节因子，Caspase是调控细胞凋亡的特异性蛋白酶，线粒体在其激活中起关键作用；Bcl-2为抗凋亡基因，可与线粒体膜上的Bax等基因结合来抑制线粒体内细胞色素C（Cytc）等促凋亡因子的释放，进而调控下游基因，抑制细胞凋亡。PCOS卵巢颗粒细胞Bax表达升高，Bcl-2表达下降，细胞凋亡指数增加［21］。卵巢颗粒细胞凋亡比例达到10%以上时，可导致卵泡闭锁，并被卵泡膜细胞及成纤维细胞代替从而影响卵巢功能，导致PCOS患者排卵障碍、生育力下降，甚至不孕，且颗粒细胞凋亡率与妊娠率呈负相关；同时，卵巢颗粒细胞大量凋亡时，影响睾酮转化为雌激素，导致雄激素水平升高，进而导致卵母细胞成熟、卵泡发育停滞［22］。此外，机体ROS积聚、慢性炎症反应、颗粒细胞和卵母细胞自噬异常激活均可导致细胞凋亡失衡，诱发PCOS。

2.7 线粒体动力学改变与PCOS线粒体动力学是指线粒体调控自身分裂和融合，维持线粒体稳态的过程，参与调控细胞增殖、分化、凋亡与自噬等生命活动。Mfn1/2、视神经萎缩蛋白1（OPA1）介导线粒体融合，动力相关蛋白1（Drp1）则介导线粒体分裂。线粒体融合与其发挥能量代谢等正常功能有关，线粒体过度分裂则通过破坏线粒体结构、促进ROS产生导致线粒体功能障碍［23］。线粒体动力学失衡与PCOS多种疾病特征相关。研究发现，小鼠卵母细胞线粒体融合与分裂失衡可使线粒体结构异常，导致线粒体膜电位下降、ATP生成不足、卵母细胞纺锤体组装障碍、细胞染色体排列异常和非整倍体增加，影响卵母细胞以及颗粒细胞的增殖，致使卵泡发育受阻与卵泡闭锁［24］。线粒体动力学失衡可增加ROS的产生，ROS可诱导Drp1活化后与其受体相互作用，导致线粒体膜电位下降、分裂增多及OS等。线粒体动力学参与调节多种组织器官的胰岛素敏感性，参与PCOS患者IR、肥胖等代谢异常的发生发展。小鼠脂肪细胞选择性敲除Mfn2或OPA1可导致线粒体结构异常，使细胞内三酰甘油累积，引发IR及肥胖，在高脂饮食小鼠中Mfn1/2表达下降，Drp1表达上升［25］。综上，线粒体动力学与IR、OS、糖脂代谢异常、肥胖等密切相关，且可相互调控，参与PCOS的发生和发展。

2.8 线粒体自噬异常与PCOS线粒体自噬是指细胞通过自噬选择性包裹和降解细胞内受损的线粒体，维持线粒体内稳态的过程。自噬不仅受多种自噬相关基因（ATG）Beclin1（又称ATG6）的调控，同时受微管相关蛋白1轻链3（LC3）及LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ核心调节因子的调控。线粒体自噬异常与卵泡发育、糖脂代谢异常等密切相关。研究证实PCOS动物模型及患者的卵巢组织均存在自噬基因和相关通路的异常激活；PCOS患者中异常激活的自噬基因包括叉头框转录因子O亚族1（FOXO1）、细胞外蛋白调节激酶1/9（MAPK1/9）、胰岛素样生长因子1（IGF1）、抑癌基因P53（TP53）、表皮生长因子受体（EGFR）等，以上基因可通过雷帕霉素靶蛋白（MTOR）、受体酪氨酸激酶（ERBB）等相关信号通路导致自噬异常激活［26］。在合并IR的PCOS患者中，自噬基因ATG7异常激活、LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例升高、细胞自噬增加、颗粒细胞损伤破坏及凋亡增多，诱发卵泡发育异常［27］。自噬可通过调节炎症反应参与PCOS的发生发展，炎症相关转录因子核因子κB（NF-κB）在合并IR的PCOS患者中显著升高，其可上调自噬相关蛋白Beclin1和p62转录水平［28］。Toll样受体（TLR）信号通路在合并肥胖的PCOS患者中异常激活，Beclin1与衔接蛋白相互作用后减少了与Bcl-2的结合，激活TLR通路诱导细胞自噬［29］。肿瘤坏死因子α（TNF-α）和干扰素-γ（IFN-γ）等炎性细胞因子水平升高可增加线粒体自噬，加速炎症反应进程，提高卵泡膜细胞类固醇生成酶活性，导致雄激素水平增加［26］。线粒体自噬异常与PCOS密切相关，其具体致病机制仍需进一步研究。

3 线粒体功能修复在PCOS治疗中的应用

目前治疗PCOS的常见方式有生活方式干预、药物治疗等，线粒体移植为近年来新的治疗方向，以上治疗基于线粒体功能修复的机制可能包括：（1）修复受损的mtDNA，减少由mtDNA损伤导致的氧化应激、炎症反应和细胞凋亡。（2）增加能量代谢中间代谢物生成，增加ATP合成。（3）上调细胞因子和趋化因子，促进细胞增殖并减少细胞凋亡，增加线粒体生物生成。适当限制高热量饮食、运动等生活方式干预可通过激活AMPK-PGC1α通路促进线粒体生物合成、减少ROS生成和氧化损伤来修复线粒体功能［30］。研究发现，部分新型药物通过多靶点促进卵泡生长发育，改善PCOS患者的卵巢内环境：线粒体营养剂，如L-肉碱、α-硫辛酸、辅酶Q10、白藜芦醇等可提高细胞抗氧化负荷，降低有害物质对线粒体的损害，维持正常线粒体功能；肌醇则可通过白细胞介素-6/转录激活因子-3/微小RNA-155/过氧化物酶体增殖物激活受体γ（IL-6/STAT-3/miR-155/PPAR-γ）通路改善IR、调节细胞自噬水平来改善线粒体功能［31］。线粒体分裂抑制剂，如Mdivi1、P110、Dynasore等可靶向保护线粒体结构完整性，维持线粒体动力学稳定［30］。

线粒体移植包括异体移植与自体移植两种，因前者存在伦理争议和异质性风险，自体线粒体移植更易被接受，是PCOS治疗的新方向。自体移植的线粒体来自未成熟的卵母细胞、颗粒细胞、卵巢干细胞和脂肪干细胞等。动物研究发现，分离纯化的线粒体可快速、直接进入哺乳动物细胞中并正常发挥自身功能，线粒体移植可提高线粒体功能、改善胚胎发育质量，得到可存活的动物后代［32］。Oktay等［33］以10例反复移植失败患者为研究对象，通过卵泡浆内单精子注射（ICSI）将分类筛选后的自体线粒体与精子一同注射到卵细胞中，与同一患者先前移植周期结果相比，此次受精率更高（78.3%和47.9%，P=0.036）、胚胎质量更好（3.1%和2.3%，P=0.082）。但另有研究发现，在57例既往体外受精-胚胎移植（IVF-ET）失败且有充分证据证明胚胎质量差的不良妊娠患者实施线粒体移植后，每个移植胚胎的累积活产率无明显差异（41.2%和41.7%，P=0.970）［34］。上述结论不一致可能由样本量、研究方法以及患者生殖助孕周期方案差异等多方面因素导致，未来仍需进一步研究线粒体移植是否为改善PCOS的卵母细胞及胚胎质量的可行方法。

4 展望

基于线粒体功能修复的治疗方法在PCOS动物模型和临床研究已有初步探索，确证其安全性和有效性后，未来有望成为PCOS治疗的潜在方法和手段；但也还需要进一步研究线粒体功能障碍与PCOS的发病机制及与PCOS临床表型之间的联系、筛选评估疾病预后的生物标记物，以期为以线粒体为靶点的精准治疗提供科学依据和新思路。