子宫内膜葡萄糖转运体在胚胎着床中作用的研究进展

张立雪，李长兴

1.西北民族大学 医学部，甘肃 兰州 730000；2.青海大学 医学院，青海 西宁 810001

胚胎着床是消耗能量的过程。葡萄糖是细胞主要供能物质。着床过程中子宫内膜上皮细胞葡萄糖的摄取与利用直接关系到细胞内的能量供应。葡萄糖转运体是介导葡萄糖跨细胞膜转运的重要载体,分为易化扩散葡萄糖转运体(glucose transporters, GLUTs)和钠-葡萄糖协同转运体(sodium-glucose cotransporters, SGLTs)两类。近年来,不孕不育及早期流产已成为世界性问题。研究葡萄糖转运体在胚胎着床中的作用具有重要意义。因此, 本文综述了葡萄糖转运体在胚胎着床中的作用,旨在为女性不孕及早期流产的诊断治疗提供新的思路。

1 葡萄糖转运体的分类

葡萄糖转运体,是介导葡萄糖跨细胞膜转运的重要载体。分为3大类,一类为易化扩散葡萄糖转运体(glucose transporters, GLUTs),顺浓度梯度转运葡萄糖,不需要消耗能量;GLUTs家族有13个成员,由SLC2基因编码,根据序列同源性可分为3大类:Ⅰ类包括GLUT1-GLUT4,已明确具有葡萄糖转运能力的转运体;Ⅱ类包括GLUT5,7,9和11,主要转运果糖;Ⅲ类包括GLUT6,8,10和12和转运底物是肌醇的转运体HMIT。另一类是钠-葡萄糖协同转运体(sodium-glucose linked transporters, SGLTs),依赖于Na+电化学梯度,需要消耗能量。SGLTs家族有12个成员,由SLC5基因编码,通过钠钾泵建立的钠离子浓度梯度与钠耦联转运葡萄糖。只有SGLT1和SGLT2被证实具有葡萄糖转运功能。SGLT3a 基本不具有单糖转运能力,但在一些细胞可作为感受器分子发挥作用。最后一类是近年来新发现的一类葡萄糖转运体SWEETs (sugars will eventually be exported transporters),由SLC50基因编码,主要负责植物中糖的外流和细胞内运输,在哺乳动物中的表达尚待研究[1]。

2 子宫内膜葡萄糖转运体在胚胎着床中的作用

2.1 子宫内膜葡萄糖转运体在子宫内膜接受态建立中的作用

子宫内膜接受性是指子宫具有接受并且容纳具有植入能力的囊胚,成功建立妊娠的能力。白血病抑制因子、整合素αvβ3、黏蛋白1、乳铁蛋白表达改变以及子宫内膜腔上皮形态如微绒毛的消失、胞饮突的形成、细胞极性的改变可作为判断子宫内膜接受态建立成功与否的标志。黏附分子表达及转位、细胞极性的改变、胞饮突的形成等上皮细胞结构和功能的改变,都是耗能的过程[2]。与众多细胞一样,葡萄糖是子宫内膜上皮细胞的主要能源物质。足够的葡萄糖摄取和利用对子宫内膜的适当分化及建立子宫内膜接受态是必要的,对胚胎着床也至关重要。

在胚胎着床过程中子宫内膜上皮细胞内的糖代谢要维持在一个稳定的状态以保证上皮细胞自身的能量供应,从而保证胚胎着床的顺利进行。破坏这种稳定状态,胚胎着床将不能顺利进行。孕激素通过GLUT1调节子宫内膜葡萄糖摄取和利用,促进子宫内膜接受态的成功建立,保障胚胎着床的顺利进行。使用100 nmol/L孕激素处理处于接受态的子宫内膜上皮细胞株RL95-2,其2-NBDG摄取增加,细胞内葡萄糖代谢中间物葡萄糖-6-磷酸含量升高,糖酵解产物丙酮酸、乳酸和ATP含量升高。使用siGLUT1干扰RL95-2中GLUT1的表达,2-NBDG摄取减少,葡萄糖的代谢产物葡萄糖-6-磷酸表达减少,具有植入能力的囊胚细胞株JAR黏附到RL95-2的黏附率降低[3]。孕激素诱导miR-152表达降低小鼠子宫内膜上皮GLUT3的表达,子宫内膜接受态建立失败,最终影响胚胎着床[4]。下调小鼠子宫内膜上皮细胞SGLT1的表达或抑制其功能,使子宫内膜上皮细胞葡萄糖的摄取减少,小鼠子宫内膜接受态建立失败[5]。下调小鼠子宫内膜上皮GLUT4的表达或者抑制其功能,子宫内膜上皮细胞葡萄糖摄取减少,小鼠子宫内膜接受态建立失败[6]。

子宫内膜糖代谢有自身特点,对胰岛素敏感性不高,子宫组织缺乏果糖1-6,二磷酸酶,不发生糖异生,过多的葡萄糖以糖原的形式储存,待细胞能量需求增加时,糖原在糖原磷酸酶催化下裂解为葡萄糖,经氧化分解供给细胞能量[7]。子宫内膜在着床窗口期糖原含量降低直接影响胚胎的发育、着床及妊娠的维持。与小鼠孕1～5 d子宫内膜GLUT1表达相一致的是,孕1～5 d子宫内膜糖原累积增加,在孕4 d着床窗口期的表达最多,孕5 d开始下降,但仍高于孕1 d[3]。小鼠子宫特异性敲除Slc5a1,其子宫组织糖原累积减少,导致胚胎着床失败[8]。2型糖尿病小鼠着床窗口期子宫内膜糖原合酶含量降低,糖原累积减少,着床窗口期能量供应不足,子宫内膜接受态的建立受到影响,最终胚胎着床失败,使用胰岛素可以改善2型糖尿病小鼠胚胎着床失败的结局[7]。1型糖尿病小鼠子宫内膜着床窗口期糖原含量不足,能量感受器分子AMPK异常激活,使小鼠胚胎着床失败。使用AMPK抑制剂可以改善1型妊娠糖尿病小鼠子宫内膜糖稳态状况和胚胎着床失败的结局[9]。与正常孕龄期女性相比,不孕女性子宫内膜糖原含量在分泌后期下降了60%。对分泌期女性子宫内膜进行糖原染色发现,与对照组相比,不孕女性子宫内膜糖原染色信号较弱,糖原储备明显降低[10]。综上所述,子宫内膜葡萄糖转运体在子宫内膜葡萄糖的摄取和利用中发挥重要作用,可为女性因糖尿病导致不孕的治疗提供新的治疗思路。

2.2 葡萄糖转运体在早期胚胎发育中的作用

当胚胎从桑椹胚期进入囊胚期,葡萄糖通过多种代谢途径调控胚胎的发育。葡萄糖代谢利用的第一步是将葡萄糖摄取进入细胞,参与转运葡萄糖摄取进入胚胎的转运体主要是GLUT1-4和GLUT8[11]。母体高血糖使早期胚胎中的葡萄糖转运体表达减少或者转运体不能向质膜的移位,最终使早期胚胎内的葡萄糖含量减少,影响早期胚胎发育[12]。在糖尿病小鼠中,早期胚胎从1细胞期到囊胚期发育均受到影响,使用槲皮素可以改善糖尿病小鼠早期胚胎发育情况[13]。

着床前囊胚期胚胎是胰岛素敏感组织[14]。哺乳动物着床前胚胎表达的胰岛素和胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1, IGF1)受体在胚胎发育过程中至关重要。胰岛素受体可以激活PI3K/Akt信号通路。PI3K/Akt通路通过影响葡萄糖摄取和代谢在细胞生存中发挥作用。在某些类型细胞中,PI3K/Akt途径通过调控细胞表面葡萄糖转运体的表达来控制葡萄糖进入细胞,并通过调节参与糖酵解途径酶的活性来调节糖酵解。Akt通过诱导GLUT1和GLUT4向质膜的移位而影响葡萄糖摄取和糖酵解。PI3K/Akt信号通路也参与小鼠着床前胚胎的葡萄糖摄取和代谢过程。抑制囊胚中的PI3K/Akt信号通路会使细胞表面GLUT1表达降低,葡萄糖摄取减少,囊胚凋亡增加[15]。GLUT8的表达和向质膜的转位是胚胎存活的关键[16]。囊胚在暴露于高浓度的IGF-1(200 nmol/L)时,着床前囊胚的反应是下调IGF-1受体,类似于其他细胞对慢性胰岛素刺激的反应,囊胚产生胰岛素抵抗,使胰岛素刺激的葡萄糖摄取减少,胚胎内葡萄糖水平下降,引发细胞凋亡[17]。使用AMPK激动剂AICAR可以改善上述变化。多囊卵巢综合征(PCOS)和2型糖尿病患者引起的母体生理改变直接损害胚胎的胰岛素信号通路,从而阻碍胚胎在发育的关键阶段转运葡萄糖的能力,从而导致妊娠失败[18]。二甲双胍作为AMPK的激动剂可以降低PCOS患者早期流产率的一种可能机制是对早期胚胎发育的改善[19]。

葡萄糖通过糖酵解途径产生丙酮酸和乳酸,最终产生ATP供能,维持早期胚胎发育所需的能量供应。但最新的研究表明,糖酵解途径对于早期胚胎发育不是必须的。体外培养的小鼠胚胎从1细胞期开始,在含有丙酮酸的培养基中添加YZ-9,一种磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)抑制剂,持续抑制糖酵解,从而抑制丙酮酸的产生,对囊胚期的进展没有不良影响,但在培养基中去除丙酮酸,即使有葡萄糖存在的情况下,胚胎仍滞留在桑椹胚期,不能顺利进展到囊胚期胚胎。所以此时为胚胎发育提供能源物质的是培养基中外源性的丙酮酸通过三羧酸循环产生ATP,而不是葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸[20]。

葡萄糖通过磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway, PPP)合成葡萄糖依赖的核苷酸联合鞘脂(S1P),激活mTOR调控Tfap2c的翻译;Tfap2c在8细胞桑葚胚中广泛表达,是调控Cdx2的重要转录因子。YAP1和TFAP2C也是调控Cdx2表达的转录因子,激活的YAP1表达于囊胚滋养外胚层的细胞核。己糖胺生物合成途径(hexosamine-biosynthesis pathway, HBP)可以调控YAP1的核定位。YAP1、TEAD4(YAP1的结合伴侣)、TFAP2C相互作用形成控制囊胚滋养外胚层特异性基因Cdx2转录的复合体。在缺乏葡萄糖的培养基中培养的胚胎,或HBP或PPP途径受到特异性抑制的胚胎中,滋养外胚层特异性和成熟转录因子Cdx2不表达,最终影响囊胚的成熟[20]。

过多的葡萄糖会暂时以糖原的形式储存,当能量需求增加时再重新合成葡萄糖释放能量。植入前的胚胎可以储存糖原[21]。收集体外培养的小鼠不同发育阶段的胚胎,进行PAS染色,发现受精卵糖原含量较低,卵裂期糖原含量增加,囊胚期糖原含量下降[22]。这种糖原储存的变化可能使胚胎在卵裂发育过程中远离高浓度葡萄糖的伤害,并在囊胚期能量需求增加时作为一种能量来源。

2.3 葡萄糖转运体在宫腔液葡萄糖含量维持中的作用

葡萄糖是宫腔液的主要成分之一,宫腔液中的葡萄糖含量在孕1～4 d逐渐升高,孕4 d达到最高,但仍低于血糖水平[4]。若宫腔液的这种相对低糖环境遭到破坏,会影响早期胚胎发育。研究发现降低子宫内膜葡萄糖转运体的表达或者抑制其功能,可使孕4 d小鼠宫腔液中葡萄糖含量升高,孕4 d进入宫腔内的胚胎大部分处于8细胞期或者桑椹胚期,不能正常卵裂为具有植入能力的囊胚[4-6]。综上所述,子宫内膜葡萄糖转运体在子宫内膜接受态的建立,早期胚胎发育及宫腔液葡萄糖含量的维持中均发挥重要的作用。这将为早期不孕及流产的治疗提供新的治疗策略。

3 问题与展望

胚胎着床过程中,与着床相关的许多功能活动都是耗能的过程。葡萄糖是子宫内膜上皮细胞主要的供能物质,同时也是宫腔液的主要营养成分之一。子宫内膜上皮细胞的葡萄糖跨膜转运对维持早期胚胎发育所需的宫腔液葡萄糖含量及细胞自身所需耗能的功能活动都发挥重要作用。因此研究葡萄糖转运体在胚胎着床中的作用具有重要意义。不仅有助于进一步揭示胚胎着床的机制,也为因着床失败导致的女性不孕及早期流产的诊断治疗提供新的思路。