卵母细胞代谢及其调节

徐文丹，崔毓桂，茅彩萍*

(1.苏州大学医学院附属第一医院生殖医学中心，苏州 215006；2.南京医科大学第一附属医院生殖医学科，南京 210029)

·综述·

卵母细胞代谢及其调节

徐文丹1，崔毓桂2*，茅彩萍1*

(1.苏州大学医学院附属第一医院生殖医学中心，苏州 215006；2.南京医科大学第一附属医院生殖医学科，南京 210029)

卵母细胞发育与成熟过程依赖大量ATP，因此物质代谢旺盛。卵母细胞以葡萄糖和/或其中间产物丙酮酸为底物，在线粒体内氧化磷酸化，产生大量ATP，是卵母细胞最主要的供能形式。但是，卵母细胞糖代谢模式有种属特异性差异。同时，卵母细胞也存在脂肪酸和氨基酸的代谢。除提供能量外，这些代谢产物在细胞信号传导、渗透压调节等方面也有重要作用。卵母细胞代谢的精确调控受多方面因素的影响如卵母细胞胞内、胞间、胞外的调控等。研究卵母细胞代谢及其机制，对探寻改善卵母细胞质量、提高卵母细胞体外成熟效能具有重要的意义。

卵母细胞； 卵丘细胞； 线粒体； 能量代谢； 卵母细胞成熟

The development and maturation of oocyte are dependent on ATP which comes from the highly active energy metabolism.It is the main energy procedure that oocytes produce ATP by the mitochondria oxidative phosphorylation with the glucose and/or its intermediate product，acetylformic acid，as substrate.Meanwhile，fatty and amino acids are also metabolic substrates in oocyte.Interestingly，there are species differences in the glycometabolism model.Besides energy，those metabolites and intermediate products play some roles in signal transduction，osmoregulation and so on.The oocyte metabolism is precisely controlled by the intracellular，intercellular and extracellular pathways.It is important to study oocyte metabolism and maturation mechanism in order to improve oocyte quality and efficiency of in vitro maturation(IVM).

Keywords： Oocyte； Cumulus cells； Mitochondria； Energy metabolism； Oocyte maturation

(JReprodMed2017，26(10)：1047-1051)

卵母细胞发育成熟，是生殖医学临床获得优质胚胎的关键。卵母细胞代谢过程的调控在其发育成熟过程中起重要作用，成熟期间线粒体增多、活性加强[1-3]。卵母细胞发育期间每个细胞事件都依赖能量支持，线粒体是其能量工厂。葡萄糖和/或糖代谢中间产物、脂肪酸和氨基酸，都可能是卵母细胞的代谢底物，尤其是葡萄糖产物-乙酰辅酶A(CoA)，可转入线粒体进行氧化呼吸，合成大量ATP。除供能外，这些代谢中间物还可调节细胞内信号转导及渗透压等，确保卵母细胞核和细胞质的成熟。因而，某些卵母细胞的代谢物也有望成为评价卵母细胞质量的标记物。另外，卵母细胞代谢也可受到卵母细胞胞内、胞间和胞外机制的调控。现阶段，卵母细胞体外成熟技术已应用于临床辅助生殖，但IVM成熟率较低且胚胎发育潜能低[4]。研究卵母细胞代谢及其调节机制，对探寻改善卵母细胞质量、提高IVM效能具有现实的意义。

一、卵母细胞的糖代谢

线粒体是卵母细胞含量最多、作用最突出的一种细胞器，其在卵母细胞成熟和早期胚胎发育中发挥了重要的作用[5]。线粒体是细胞的能量工厂，葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等转化为乙酰CoA，最终都会转入线粒体的氧化呼吸链，合成ATP。除高产能外，线粒体在调节代谢、钙离子动态平衡、脂肪酸氧化和凋亡过程中发挥了重要作用。卵母细胞成熟期间，线粒体数目剧增至10 000个，线粒体自身活性也会增加，以满足卵母细胞成熟期间的能量的需求。一些疾病如糖尿病、肥胖等都会导致卵母细胞线粒体功能不全而致卵母细胞成熟障碍，而线粒体营养剂，如α硫辛酸、辅酶Q10和白藜芦醇，则促进卵母细胞体外成熟率[6]。由此可见，确保正常线粒体功能对于卵母细胞成熟和发育潜能的获得至关重要。

在卵母细胞成熟的过程中，大部分葡萄糖首先经过糖酵解为丙酮酸，后者成为卵母细胞能量产生的底物[7]。如鼠卵母细胞与卵丘细胞相比，糖酵解酶表达低，因而卵丘细胞将糖酵解的产物丙酮酸通过单羧酸转运系统转运至卵母细胞的线粒体中用于产能[8]。有趣的是，狗和猪卵母细胞可以使用葡萄糖作为主要能量底物，而不是丙酮酸，提示卵母细胞糖代谢模式的种属性差异。

除氧化磷酸化途径外，卵母细胞中的葡萄糖还可经磷酸戊糖(PPP)、己糖胺生物合成(HBP)和多元醇途径进行代谢。PPP途径可为卵母细胞的核成熟提供核糖以合成DNA和RNA，也可生成NADPH降低卵母细胞的活性氧(ROS)含量；HBP途径主要是用于细胞外基质(ECM)的合成，调控卵丘细胞的扩张，也与o-相连的糖基化有关。o-相连的糖基化与蛋白磷酸化类似，可调节蛋白的活性，用于调节细胞的信号传导。o-相连的糖基化可能调控HBP途径的蛋白以调节卵丘细胞的扩张[9]。

在猪的成熟卵母细胞中葡萄糖、丙酮酸和氧含量要比未成熟的多2倍。在羚羊和猪的卵母细胞体外培养系统，减少葡萄糖含量可抑制减数分裂、细胞质成熟和胚胎发育，而IVM培养基加入充足的葡萄糖则加强牛和猪的IVM和卵母细胞的发育潜能。可见葡萄糖的代谢对于卵母细胞的成熟是至关重要的；但是，高浓度葡萄糖则抑制卵母细胞减数分裂，其机制不清[9]。

二、卵母细胞的脂质代谢

脂肪酸β氧化(FAO)是卵母细胞成熟的另一个重要的能量来源[10]。一个脂肪酸氧化可产生106个ATP而葡萄糖大约为30个ATP，因而它是卵母细胞成熟和植入前胚胎发育能量产生的有效来源。脂肪酶裂解脂滴中的甘油三酯为甘油骨架和不同链长及不同饱和度的脂肪酸。脂肪酸主要通过细胞表面的脂肪酸蛋白转运体，包括脂肪酸转位酶、组织特异性脂肪酸转运蛋白和质膜结合脂肪酸结合蛋白，进入细胞，而后通过肉毒碱棕榈酰转移酶I(CPT1)跨越线粒体的外膜，再经肉毒碱进入线粒体内膜，随后脂肪酸进入FAO，释放乙酰CoA，进入TCA产生ATP。脂肪酸结合肉毒碱后转运到线粒体这一步是FAO的限速步骤，受CPT1催化[11]。补充外源脂肪酸如棕榈酸、肉毒碱可提高cpt1的表达，加强脂肪酸的β氧化，降低葡萄糖的消耗，提高IVM的成熟率而使用CPT1抑制剂依托莫斯可抑制脂肪酸跨过线粒体膜，降低FAO，增加葡萄糖的消耗，阻碍IVM的成熟[12]。更高浓度的依托莫斯才能抑制小鼠的卵母细胞的核成熟，说明FAO在小鼠卵母细胞的重要性要低于其他物种[10]。然而，数项研究表明小鼠的核成熟其实也是需要脂肪酸的β氧化[13]。

除了为细胞提供能量外，脂肪酸及其前体或代谢物也是非代谢过程所需的，特别是细胞内信号转导。二酰甘油(DAG)是(4、5)-二磷脂酰肌醇的脂质水解产物，是细胞内的第二信使，PKC是其主要靶点[14]。值得注意的是，DAG与PKC结合引发PKC激活，调节卵母细胞成熟过程已经涉及到的多个关键过程，如减数分裂的恢复、纺锤体重组和激活[15]。脂肪酸也结合核受体和转录因子如过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)和固醇调节元件结合蛋白(SREBP)。PPAR和SREBP在小鼠和牛的卵母细胞中都有检测到，可能与胚胎发育和女性生育有关[16]。

三、卵母细胞中的氨基酸代谢

氨基酸(AA)通过一系列特异系统转运到细胞内，在细胞内发挥了重要作用，包括蛋白合成、能量产生和细胞内缓冲。其中，AA可转换成α-酮酸进入TCA产生ATP。卵母细胞中大量AA转运系统的存在说明卵母细胞是利用外环境的AA。研究表明，谷氨酰胺是支持卵母细胞发育的有效能量底物，使用谷氨酰胺作为唯一能量来源虽然不能完成到MⅡ期，但足以激发小鼠卵母细胞的减数分裂恢复，且培养基中添加谷氨酰胺可促进牛、仓鼠、狗、兔子、猴子卵母细胞的成熟[17]。谷氨酰胺、天冬氨酸和缬氨酸也可抑制猪卵母细胞的多精授精[18]。

Tartia等[19]在研究了小鼠卵母细胞体积的调节时，发现甘氨酸(GLY)转运体(GLY1)在不成熟的卵母细胞中是静止的，而且其内生的GLY也几乎没有。然而，在排卵促发的几个小时内，GLY1调节的GLY转运被启动。同时，卵母细胞可利用GLY调节卵母细胞的体积。这些发现表明卵母细胞存在GLY依赖的细胞体积调节机制，从而改变胞内渗透压[20]。

有趣的是，在卵母细胞成熟期间还存在另一种产能的方式，即cAMP经磷酸二酯酶降解可触发减数分裂并产生一磷酸腺苷，牛卵母细胞的腺苷酸激酶和肌酸激酶可将一磷酸激酶转化为ATP，此为腺苷补救通路。当抑制腺苷酸激酶和肌酸激酶时可减少卵母细胞的ATP含量，抑制卵母细胞的成熟[21]。

四、卵母细胞代谢的调节

1.卵胞外调控：卵巢是血循环中的糖皮质激素的靶器官，通过结合其受体发挥作用，有2种糖皮质激素的代谢酶调节其活性：3β-羟基类固醇脱氢酶1(HSD11B1)将非活性的皮质酮转化为有活性的皮质醇而3β-羟基类固醇脱氢酶1(HSD11B2)将皮质醇转化为皮质酮。排卵前LH峰可促进人、大鼠等动物的卵母细胞和颗粒细胞上HSD11B1的表达，下调HSD11B2的表达，说明卵泡液中皮质醇含量增多，但其作用不清。有报道，高糖皮质醇激素抑制卵母细胞成熟[22]；但研究也发现，卵泡液中的糖皮质激素含量与卵母细胞内的脂质含量相反，与卵母细胞的成熟正相关，卵丘细胞表达11βHSD1、脂质代谢酶增多，提示皮质醇可能促进脂肪酸的氧化，从而促进卵母细胞成熟[23]。

2.胞间调控：由雌性生殖细胞和外周颗粒细胞组成的卵丘细胞-卵母细胞复合体(COCs)，是具有完整功能并有动力学特性的基本单位。有报道，当小鼠卵丘细胞包被或是无卵丘细胞的卵母细胞都在含C14的L丙氨酸的培养基培养时，在卵丘细胞包被的卵母细胞中放射量更高[24]。研究表明，在颗粒细胞存在的情况下，甘氨酸、丙氨酸、牛磺酸和赖氨酸的卵母细胞转运增强，揭示了卵母细胞和卵泡细胞的代谢合作关系，这对卵母细胞成熟潜能的获得、卵丘细胞(CC)扩张、早期胚胎的发育至关重要[25]。IVM期间的CC，可有效调节卵母细胞胞质内重要因子的合成和浓度，如谷胱甘肽(GSH)和Ca2+[26]。

3.胞内调控：卵母细胞代谢的胞内调控是更为复杂、系统的，其较新的研究进展值得我们关注。沉默信息调节者(Sirt)是去乙酰化酶家族成员，是线粒体中的保守蛋白，可直接调节线粒体蛋白的乙酰化，从而调节能量的生成，以对营养状态和能量平衡做出反应。而且，它还可调节一些蛋白的乙酰化，这些蛋白涉及到脂肪酸氧化、氨基酸代谢和线粒体的氧化呼吸。研究发现干涉Sirt3，人卵母细胞线粒体生物合成下降、卵母细胞多倍体增多、发育成囊胚的能力下降；高表达Sirt3，又可逆转这些变化。在小鼠模型扩大样本量进行研究，也发现了相似的这种结果[27]。可见，Sirt3可上调卵母细胞线粒体的生物合成，促进细胞的代谢而促进卵母细胞的成熟。Sirt1也有类似的作用[28]。白藜芦醇是Sirt1的激活剂，研究发现其可促进线粒体的生物合成、增加ATP含量和促进卵母细胞的成熟，这也间接证明了上述Sirt1的作用[29]。5’AMP激活的蛋白激酶(AMPK)是丝氨酸/苏氨酸的异源三聚体激酶，其作用有种属特异性，在小鼠AMPK促进能量代谢，促进GVBD、纺锤体的形成和第一极体的排出，从而促进卵母细胞的减数分裂[30]；AMPK还促进Sirt蛋白的激活而发挥作用[31]。

五、展望

卵母细胞成熟除了形态学特征外，代谢标志物也可能作为评估卵母细胞质量和预测其授精能力的指标[32]。卵母细胞成熟可用BCB试验评估，这试验已经用于雌性饮食控制后猪卵母细胞和卵泡液中脂肪酸的含量检测，主要是测量葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)-PPP的第一步骤的催化酶在卵母细胞发生的卵母细胞中合成活动。G6PDH是生长的卵母细胞合成的而在成熟卵母细胞中其失活。G6PDH可将染料转化为无色，在成熟的卵母细胞中其成蓝色[33]。然而，BCB还未在人卵母细胞中用来评估G6PDH的活性。脂质特异的荧光染料NILE红，可沾染牛、猪、鼠的卵母细胞，且根据脂质含量，会射出不同的荧光量。特别的是，卵母细胞脂肪区里灰色的平均值是评估单个卵母细胞脂质含量的合适工具。这种方法用于卵母细胞获得数有限的人类或濒危物种的卵母细胞质量评估，可能有价值[34]。其他酶的功能检测，如-9和-5去饱和酶都有望用于评估卵母细胞质量[35]。

图1 卵母细胞代谢及其调节

卵母细胞发育成熟受到多种因素的调控，其代谢过程的调控是不可忽视的部分，尤其是葡萄糖代谢及其代谢中间产物关系到卵母细胞成熟(图1)。卵母细胞代谢物检测、调控因子检测，有望成为评价卵母细胞质量的标记。研究卵母细胞代谢及其机制，对探寻改善卵母细胞质量新方法、提高卵母细胞体外成熟效能具有现实的意义。

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[编辑：侯丽]

Researchprogressofoocytemetabolismanditsregulation

XUWen-dan1，CUIYu-gui2*，MAOCai-ping1*

1.CenterofReproductiveMedicine，theFirstAffiliatedHospitalofSoochowUniversity，Suzhou215006 2.CenterofClinicalofReproductiveMedicine，theFirstAffiliatedHospitalofNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029

10.3969/j.issn.1004-3845.2017.10.018

2017-03-09；

2017-04-11

2017江苏省科教强卫工程项目(生殖医学创新平台，医学重点人才项目)；江苏省社会发展项目(BE20150642)；国家自然基金(81370719，81671535)；高校优势学科II期建设过程(JX10231802)；卫生厅妇幼保健重点专科(FXK201221)

徐文丹，女，山东枣庄人，博士，围产医学与胎儿学专业.(*

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