卵母细胞的葡萄糖代谢研究进展

蒋欣，徐阳



卵母细胞的葡萄糖代谢研究进展

蒋欣，徐阳△

卵母细胞发育潜能受到其生长微环境的影响，因此对卵母细胞生长微环境的研究是生殖医学关注的热点。卵丘细胞、卵泡液等与卵母细胞紧密相联，组成卵母细胞生长微环境，为卵母细胞能量代谢提供所需物质，同时也分泌激素类物质、细胞活化因子等调节卵母细胞的生长发育。因此卵母细胞生长的微环境，与卵母细胞的质量有关。目前，关于卵母细胞生长微环境的研究很多，但不能忽略与其联系紧密的卵母细胞本身，由于科学技术及道德伦理的限制，对卵母细胞本身的代谢研究较少。更好地了解卵母细胞自身的代谢过程，才能明白生长微环境与卵母细胞的联系，及微环境如何影响调控卵母细胞的生长发育。综述卵母细胞的葡萄糖代谢，分别从葡萄糖的转运、代谢途径、代谢相关酶、葡萄糖与卵母细胞质量的关系4个方面阐述。

卵母细胞；葡萄糖代谢障碍；生殖医学；葡萄糖；代谢网络和途径

【Abstract】The developmental competence of oocyte is influenced by its growthmicroenvironment，which is one of the research hotspots in human reproductionmedicine.Cumulus cells，follicular fluid and others，are closely related with oocyte development and maturation bymaking up themicroenvironment of oocyte，providingmetabolic substances required for oocyte，and by secreting some hormonal substances and cell activation factors.Therefore，thismicroenvironment is very important for the growth and development of oocyte，which is related with the quality of oocyte.There are a lotof researches on themicroenvironment of oocyte.However，due to limitations of scientific technology and ethics，we know little about the metabolism of oocytes own，which is related with its microenvironment closely.A better understanding of oocytes own metabolic processes，we can understand how the growth microenvironment of the oocyte contact with oocyte，and how it affects the regulation of growth and development of oocytes.In this review，we try to introduce the glucose metabolism in oocyte，including four aspects:glucose transport，metabolic pathways，metabolic enzymes and the relationship between glucose and quality of oocyte.

【Keywords】Oocytes；Glucosemetabolism disorders；Reproductivemedicine；Glucose；Metabolic networksand pathways

（JIntReprod Health/Fam Plan，2016，35：295-298）

近几年来，卵母细胞的生长微环境是生殖医学研究的热点问题。卵母细胞的发育成熟及排卵过程受到其生长微环境的调节，这包括激素水平、细胞因子、代谢物质等多个方面。在临床中，获得高质量的卵母细胞对今后胚胎质量和临床妊娠结局有直接影响。目前，对卵母细胞质量的评估大部分还是从显微镜下的形态学评估，缺乏系统全面性，而对卵母细胞代谢的研究或许能为卵母细胞的质量评估提供一种新的方式［1］。卵母细胞的葡萄糖代谢是近几年的研究热点之一，本文主要对卵母细胞的葡萄糖代谢相关研究进行综述。

1　葡萄糖在卵母细胞中的转运

目前大部分研究报道多是关于卵丘-卵母细胞复合体中葡萄糖代谢对卵母细胞生长发育的影响，很少关注卵母细胞本身葡萄糖代谢的相关问题。尽管很多研究均认为卵母细胞主要能量来源是其周围颗粒细胞及卵泡液中代谢产生的丙酮酸［2］，葡萄糖本身并不参与卵母细胞能量代谢。但是越来越多的研究发现卵母细胞中葡萄糖代谢途径也是存在的，这在人类、小鼠及羊的卵母细胞都已被证实［3-5］。之后更多深入的研究揭示卵母细胞存在葡萄糖转运体（glucose transporter）、己糖激酶（HK）［6］、葡萄糖-6-磷酸酶（G6PDH）［7］以及戊糖磷酸化代谢（PPP）途径［8］等，加深了研究者对卵母细胞葡萄糖代谢的认识。

卵泡的膜细胞层有一圈毛细血管网包围着，卵泡内是不存在血管的，每一个卵泡都有一个相对独立的内环境［9］，葡萄糖并不是通过血管直接运送到卵母细胞，后来的研究者称之为血卵屏障。同时研究者也发现卵泡液与血浆中的物质在种类及浓度方面均不同［10］，说明血卵屏障存在选择性转运功能。血卵屏障由外向内主要是由血管内皮层、血管内皮基底膜、卵泡膜细胞层、卵泡基膜和颗粒细胞层构成［9］。关于葡萄糖透过血卵屏障进入卵泡液的具体机制尚不清楚。

作者单位：100034北京大学第一医院

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审校者

进入卵泡液中的葡萄糖需要通过葡萄糖转运体才能进入到细胞当中。在人类细胞上葡萄糖转运体主要分为两类：一类是钠依赖的葡萄糖转运体（sodium-coupled glucose transporters，SGLT），以主动方式通过钠离子浓度梯度转运葡萄糖；另一类为易化扩散的葡萄糖转运体（facilitative glucose transporters，GLUT），以易化扩散的方式顺浓度梯度转运葡萄糖，其转运过程不消耗能量［11］。

目前发现，SGLT共有12个家族成员［12］，GLUT有14个家族成员［13］，这些转运体分布在全身各个组织，表达类型及密度也因组织特异性而有所差异，其受人体血糖水平、机体内环境血和氧的供应、激素水平以及一些小分子活性物质等调控。卵母细胞主要通过GLUT家族将葡萄糖转运至细胞内。有研究表示，小鼠卵母细胞发育的不同阶段表达的GLUT有差异，GLUT-1在未受精卵母细胞和早期胚胎发育阶段都有表达，而GLUT-2和GLUT-3在囊胚期才有表达，GLUT-4则未被检测到［14］。Zheng等［15］研究表明GLUT-3，4，5，6，8，12在猴的卵母细胞中存在表达。而Dan-Goor等［16］则研究发现GLUT-1在人类的卵母细胞和植入前胚胎都会表达，卵母细胞受精后GLUT-1会增加对葡萄糖的转运。由于伦理道德及法律等诸多方面的限制，很少有关于人类卵母细胞如何转运葡萄糖的研究，还有很多问题需要探索。

而近来，有研究使用荧光标记将细胞无法代谢利用的葡萄糖衍生物注入动物体内，揭示了小鼠卵母细胞转运葡萄糖的途径。卵丘细胞先将葡萄糖摄取到细胞内，再通过自身与卵母细胞的缝隙连接将葡萄糖转运到卵母细胞，证明了卵母细胞与卵丘细胞存在细胞间的物质转运机制，这也间接证明了卵母细胞自身也存在葡萄糖的代谢［17］。

从目前的研究结果可知，卵母细胞可以通过葡萄糖转运体及与卵丘细胞之间的缝隙连接摄取葡萄糖，而关于转运的具体机制仍需要不断研究和发现。卵母细胞上葡萄糖的转运可能主要是通过卵母细胞与卵丘细胞之间的缝隙连接完成，今后也许会有更多关于缝隙连接的研究，间接展示卵母细胞对葡萄糖的代谢过程，同时也可能为卵母细胞的质量评估提供新的思路以及生物标记物。

2　卵母细胞中葡萄糖的代谢途径

丙酮酸最重要的来源之一就是葡萄糖的分解，过去许多研究都认为卵母细胞通过糖类代谢供能的主要途径是丙酮酸的氧化分解供能，这些丙酮酸大部分来自卵泡液及卵母细胞周围的颗粒细胞向卵母细胞的运输。但Jansen等［18］研究则认为，葡萄糖无氧糖酵解是原始生殖细胞主要的糖代谢方式，这样减少供氧代谢方式是为了避免过度的氧化应激给细胞带来的损伤。随着卵母细胞的生长发育，其对物质的需求也会有所变化，其对丙酮酸及氧的需求会随着生长发育而不断增加，而对葡萄糖的利用率则会逐渐降低，到发展为成熟的卵母细胞则主要是丙酮酸为其分解供能，葡萄糖的供能地位逐渐失去［19］。葡萄糖可进入卵母细胞中的线粒体进行氧化分解代谢，为卵母细胞供能。Kumar等［20］研究发现，在卵母细胞成熟和受精后的早期胚胎阶段，葡萄糖的代谢方式主要是糖酵解，之后则转向为氧化磷酸化途径。

有研究认为，卵母细胞中葡萄糖的利用主要是通过PPP途径，这在卵母细胞生长发育过程中比糖酵解途径以及三羧酸循环途径更有效地供能［21-22］。一项对小鼠使用PPP途径激动剂（如吩嗪乙基硫酸盐及吡咯啉合成酶）的研究发现，使用激动剂导致小鼠原始卵泡闭锁，而已处于生长发育中的卵母细胞则对葡萄糖代谢需求增加［23］。

以上研究表明，葡萄糖不仅可以作为卵母细胞的供能物质，同时在某种意义上也可以通过自身的代谢调控卵母细胞的生长及发育潜能。

综上，关于卵母细胞中葡萄糖的代谢途径至今还没有结论，许多机制还需进一步研究。或许在卵母细胞生长发育的不同阶段，卵母细胞会选择不同的葡萄糖代谢方式，以满足自身的发育及成熟需求。

3卵母细胞中葡萄糖代谢相关酶

卵母细胞中葡萄糖代谢可能有几种途径，因此检测出很多种与葡萄糖代谢相关的酶。目前在动物和人类卵母细胞中发现的代谢酶有HK、丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）、磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）、丙酮酸脱氢酶（PDH）和G6PDH等。三羧酸循环的一些酶也被一些研究者通过生物化学等方法发现［24］。这些葡萄糖代谢相关酶的具体功能，仍有许多是未知的，需要科学研究去发现，但这些酶的存在提示了卵母细胞中糖类代谢途径的多样性。

G6PDH是磷酸戊糖途径中的关键酶，是整个PPP途径第一步的催化酶，其主要作用是使氧化型辅酶Ⅱ变成还原型辅酶Ⅱ（NADPH），使卵母细胞内NADPH维持在一定水平。由于G6PDH活化时能使亮甲酚蓝（BCB）从蓝色（BCB+）转变成无色（BCB-），因此在许多实验中BCB用来检测G6PDH的活性。有研究者发现，在绵羊动物实验中，BCB+和BCB-的卵母细胞的直径大小有明显差异，且BCB+的卵母细胞具有更高的成熟率，在早期胚胎的实验中则发现BCB+组具有更好的卵裂能力，发展为囊胚率也更高，因此G6PDH的活性是卵母细胞生长发育潜能及质量评估的一个很好的标志物［25］。但是这样的研究，尚未在人卵母细胞中展开。因此关于卵母细胞葡萄糖代谢相关酶的研究，不仅能展示卵母细胞是如何利用葡萄糖进行代谢供能，也能在临床上对卵母细胞发育潜能及质量的评估提供另一种思路。

此外有研究认为，暴露于BCB环境下的卵母细胞及胚胎具有较高的凋亡，BCB本身可能具有胚胎毒性［26］。Berger等［27］在非洲爪蟾卵母细胞中注入糖代谢途径的中间物质甘油醛-3-磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸盐和G6PDH，发现这会妨碍卵母细胞的成熟，另一方面这些代谢物还会导致氧化应激系统的激活，造成卵母细胞凋亡。因此用BCB证明G6PDH的活性以评估卵母细胞发育潜能及质量仍值得商榷。

综上所述，与葡萄糖代谢相关的酶有很多种类，这些酶一方面为卵母细胞的葡萄糖代谢进行催化作用，另一方面这些酶或其中某一种酶的活性或许是影响卵母细胞发育潜能及质量的关键。随着研究的深入，其中某一种酶有可能成为评估卵母细胞质量的生物标记物。

4葡萄糖与卵母细胞质量

女性肥胖与糖尿病等影响葡萄糖代谢利用的疾病不仅会对其生育能力产生不良影响，还会导致许多与妊娠相关的并发症，如流产和胎儿先天性畸形等。卵母细胞的生长发育及其潜能与葡萄糖代谢有关。Bertoldo等［28］研究猪卵泡液中葡萄糖、谷氨酸盐、孕酮、雄烯二酮等代谢分子与卵泡直径的关系，发现大卵泡比小卵泡卵泡液中的葡萄糖含量高（P＜0.05）。Kumar等［20］将水牛的卵母细胞在不同的葡萄糖浓度中（0，1.5，5.6，10mmol/L）进行体外培养成熟和受精发现，体外培养环境中的葡萄糖浓度只有在一个合适的范围内（5.6mmol/L）才会增加卵母细胞的成熟率和胚胎形成率，过高和过低都不利于卵母细胞的生长发育。因此卵母细胞的体外培养环境中葡萄糖的浓度也会影响到辅助生殖的结局。

在啮齿类动物模型中，雌性动物血糖水平高及肥胖对细胞阶段的受精卵向囊胚发育过程产生不利影响［29］。近来有研究者将来源于糖尿病小鼠模型的受精卵移植到正常小鼠身上，发现子代的先天性畸形及生长发育迟滞的发生率依然很高［30］。在1型糖尿病小鼠模型上发现，糖尿病会改变卵母细胞线粒体结构及其空间分布，进一步影响卵母细胞中糖类分子代谢，对卵母细胞发育潜能产生不利影响［31］。

关于葡萄糖与卵母细胞质量的研究，如今还缺乏定论，但适宜的葡萄糖浓度会提高卵母细胞的质量，而合理的代谢途径将减少对卵母细胞的损害。

5　结语

预测卵母细胞生长发育潜能及其质量的相关性研究有很多，但是由于伦理道德和法律的限制，大部分研究关注的重点都是卵母细胞周围的颗粒细胞及卵泡液等环境与卵母细胞之间的关系，很少有关注于卵母细胞本身代谢的研究。动物模型实验的进一步发展，或许能为如何研究这两者的关联提供一种补缺的方法。卵母细胞存在葡萄糖的代谢，葡萄糖作为三大营养物质之一，与卵母细胞的质量息息相关，参与了卵母细胞生长发育的调控，但关于葡萄糖分子代谢与卵母细胞之间关联的研究目前依然很少。但随着科技的进步，相信会有更多的发现对这些问题有更好的认识，也会帮助人类辅助生殖技术的进一步发展。

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［本文编辑王琳］

Research Progress of G lucose M etabolism of Oocytes

JIANG Xin，XU Yang.Peking University First Hospital，Beijing 100034，China

（2015-11-11）