氨基酸代谢在卵巢早衰中的作用与机制研究

戚仪雯，郭路，李斌

复旦大学附属妇产科医院妇科，上海200011

卵泡发育及其调控机制是生殖内分泌学领域的研究热点。卵泡发育需要在卵巢内、外部因素的严密调控下进行。氨基酸作为体内蛋白质和核酸的前体，可通过卵母细胞的转运系统进入细胞内，通过参与蛋白合成、能量产生和细胞内缓冲等过程调节卵泡的发育[1]，在卵泡发育的不同阶段可观察到卵母细胞、颗粒细胞及卵丘细胞中多种氨基酸的转运与代谢过程。然而氨基酸代谢水平的异常可导致卵泡发育异常，诱发卵巢早衰等卵巢功能衰退相关疾病，但其具体调控机制尚不明确。本文主要对氨基酸代谢对卵巢功能影响及其可能的作用机制进行综述。

1 氨基酸转运系统参与卵泡发育过程

卵泡除了受到环境的影响和调节，其发育离不开卵母细胞及周围的颗粒细胞、卵丘细胞间相互作用。氨基酸的摄入与代谢与卵泡发育密切相关，研究表明必需氨基酸限饲的大鼠动情周期发生紊乱，且多数具有排卵功能障碍，蛋白质限制饲喂会扰乱大鼠的氨基酸代谢动力学并改变大鼠卵泡中线粒体的结构和功能[2]。

Colonna 等[3]首次在小鼠卵泡形成的过程中观察到氨基酸转运系统，GV 期的卵母细胞主要通过L 型和ASC 型氨基酸转运体。随后，Pelland 等[4]实验测量了小鼠卵泡中9 种氨基酸的转运特性和11 种氨基酸转运系统的活动，表明b0，+、L 和ASC 型氨基酸转运系统在整个卵母细胞的生长发育和成熟过程中都处于活跃状态；XAG-，B0，+，A 和CAT/+氨基酸转运系统不参与卵母细胞生长或减数分裂的过程，与之相反，GLY，和Xc-氨基酸转运系统在卵母细胞减数分裂的过程中被激活。

在颗粒细胞及卵丘细胞中同样也观察到氨基酸转运体的表达，并可通过细胞缝隙连接在卵泡发育的不同阶段促进卵母细胞氨基酸转运，但颗粒细胞与卵丘细胞中的优势氨基酸转运体的表达并不尽相同，人溶质载体家族38 成员3（solute carrier family 38,member 3，SLC38A3，一种编码钠耦合中性氨基酸转运蛋白的转录物）在卵丘细胞中大量表达，而颗粒细胞中则较多表达甘氨酸、丙氨酸、牛磺酸和赖氨酸的转运体，这些转运体将上述氨基酸转运至卵母细胞，参与调节卵泡的发育[5]。

卵泡中氨基酸转运系统的存在表明卵泡可充分利用内外环境中的氨基酸。业已证实谷氨酰胺可作为能量基质支持卵泡发育。谷氨酰胺可再启动小鼠及马的卵丘-卵母细胞复合体中卵母细胞减数分裂，在培养基中加入谷氨酰胺还可促进牛、狗、兔和恒河猴等多种动物卵泡的成熟[6]。甘氨酸则可参与卵母细胞容积的调节，卵泡中甘氨酸的转运体GLYT1 在卵母细胞GV 期处于静息状态，直至排卵期被激活，随后GLYT1 通过转运甘氨酸调控卵母细胞的细胞容积[7]。另外，谷氨酰胺和甘氨酸还可通过三羧酸循环形成的ATP 为卵泡提供能量，维系卵泡的发育。研究表明在窦前卵泡转变为窦卵泡的过程中，可观测到卵泡中亮氨酸摄入的升高；卵母细胞减数分裂成熟的过程中可观察到丝氨酸的摄入量也在逐步提高，但亮氨酸及丝氨酸在卵泡发育中的具体作用机制尚不明确[8]。目前仍需要更多的研究来进一步鉴别不同氨基酸在卵泡发育中发挥的具体作用及机制。

2 氨基酸代谢异常可能导致卵巢功能衰退

研究表明，氨基酸代谢紊乱会导致卵母细胞无法受精。气相色谱-质谱法分析反复种植失败（repeated implantation failure，RIF）患者与对照组（即IVF 第1 周期妊娠者）的卵泡液，结果表明RIF 组卵泡液中缬氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、丝氨酸和丙氨酸等11 种氨基酸含量显著升高[9]。在卵巢过度刺激综合征（ovarian hyperstimulation syndrome，OHSS）患者的卵泡液中可观察到酪氨酸含量较对照组显著降低[10]。卵泡液中支链氨基酸（branched chain amino acid,BCAA）比例升高可能会诱导卵巢局部产生胰岛素抵抗，Zhang 等[11]研究发现多囊卵巢综合征（polycystic ovarian syndrome，PCOS）患者中亮氨酸、缬氨酸和谷氨酸水平升高，且与胰岛素抵抗水平呈正相关性。代谢谱分析提示PCOS 组卵泡液中丙氨酸、甘氨酸、瓜氨酸及脯氨酸含量较少，精氨酸浓度明显升高，且精氨酸的浓度与获卵数、获胚数皆呈负相关性[12]。综上所述，1 种或多种的氨基酸代谢异常可能会影响卵母细胞发育，导致卵巢功能衰退。

3 氨基酸代谢异常导致卵巢功能衰退的可能机制研究

卵巢发育离不开氨基酸代谢的调控，氨基酸代谢紊乱会诱发卵巢早衰等卵巢功能衰退疾病的发生，但目前关于氨基酸代谢对卵巢功能影响具体作用机制的详细研究较少。

3.1 氨基酸代谢通过氧化应激水平导致卵巢功能衰退 氧化还原是生物体维持生命活动的基本反应，线粒体氧化物质产生ATP 的过程有一系列具有氢和电子传递功能的酶复合体，并按照一定的顺序组成的氧化还原体系称为电子传递链，并在这个过程中使O2还原成超氧自由基和一系列活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）。研究表明，机体氧化应激水平较高会影响卵子的发育成熟，卵母细胞线粒体可通过颗粒细胞调控相应的卵母细胞生理功能，当机体处于氧化应激状态时，线粒体膜通透性增加，过多Ca2+流入线粒体内降低跨膜电位，同时ROS 含量激增，2 者共同作用诱导颗粒细胞凋亡[13]。与此同时，氧化应激水平的改变已经在早发性卵巢功能不全（primary ovarian insufficiency,POI）患者及POI 模型中得到了证实，POI 患者血清ROS 水平较正常人显著升高，并且血清FSH 水平与血清ROS、总氧化应激量、氧化应激指数呈正相关改变，总抗氧化应激量呈负相关改变[14]。由此可见，氧化应激水平升高会导致卵巢功能衰退并诱导卵巢早衰的发生。

氨基酸代谢与体内氧化应激水平密切相关，目前已有较多研究证实BCAAs 可调控体内氧化应激水平。D'Antona等[15]在2010年建立BCAAs 摄入过剩小鼠模型，发现BCAAs摄入的过剩可增加小鼠线粒体的合成并降低ROS的产生，改善体内氧化应激水平，延长小鼠生命周期。

氨基酸代谢可通过调控氧化应激水平调控卵巢功能。谷胱甘肽（glutathione，GSH）是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的小分子三肽，由于其具有游离的巯基，GSH 可参与体内氧化还原过程，清除体内大量的ROS。正常卵泡液中谷氨酰胺占卵泡液中氨基酸总量的比例较高。谷氨酰胺可作为底物形成GSH 参与抗氧化作用，保护卵子受氧化应激的损伤。同时，在卵母细胞成熟过程中也观察到甘氨酸及胱氨酸转运活跃，表明其亦参与GSH 的合成[16]。Ocal 等[17]对50 例ART 辅助生殖技术助孕患者的卵泡液进行代谢组学分析，研究表明妊娠组卵泡液中同型半胱氨酸水平显著下降，并推测由于同型半胱氨酸其分子中的巯基具有高度的反应性，消耗体内大量的氧自由基，降低了卵巢氧化应激水平，继而改善患者的生殖力。

3.2 氨基酸代谢通过mTOR 信号通路导致卵巢功能衰退 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路具有促进物质代谢作用、参与细胞凋亡、自噬等过程，参与多种疾病的信号通路调控。mTOR 信号通路与始基卵泡激活之间的关系已有较多成熟的研究结果。始基卵泡是女性基本的生殖单位，也是卵细胞储备的唯一形式，始基卵泡的激活与卵巢功能及卵巢衰老密切相关。Ernst 等[18]的实验说明始基卵泡向初级卵泡转化的过程中，可检测到mTOR信号在卵母细胞和颗粒细胞中的表达上调。若去除mTOR 的抑制基因TSC1 和TSC2，会导致mTOR 信号通路持续激活，此时始基卵泡亦会持续激活、募集，并加速卵泡池消耗殆尽，最终诱发卵巢早衰等卵巢功能衰退疾病的发生。雷帕霉素作为mTOR 的抑制剂，具有改善始基卵泡过度激活的保护作用。研究[19]表明体内应用雷帕霉素的小鼠，始基卵泡激活量减少，同时蛋白组学实验可观察到mTOR 及其下游靶蛋白S6 磷酸化受到抑制。由此可见mTOR 及其下游信号通路共同参与调控始基卵泡的激活。

研究[20-22]表明，氨基酸可通过刺激TSC1-TSC2 复合物调控Rheb（Ras homologue enriched in brain）及Rag GTPases（guanosine triphosphatases），从而调节并激活mTORC1 及其下游通路。氨基酸代谢可在体内多种器官中参与mTOR信号通路的激活：亮氨酸可通过mTOR 通路提高机体肌肉中蛋白质的合成，精氨酸可在庞贝氏病模型中调节mTOR信号通路，调节支链氨基酸中亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸的比例亦会影响mTOR 信号通路的表达[23-25]。氨基酸可介导mTOR 信号通路调控卵泡的激活，亮氨酸、谷氨酰胺和精氨酸可通过参与mTOR 信号通路提高始基卵泡的激活水平，小鼠卵泡体外培养基中加入亮氨酸，RT-PCR 实验结果显示Gdf9 及Bmp15 基因表达水平升高，这2 种基因对早期卵泡细胞的增殖、分化起到重要作用；培养基中加入谷氨酰胺的小鼠卵泡则可观测到PI3K 基因上调，PI3K 是mTOR 信号通路的上游分子，证实谷氨酰胺参与mTOR 信号的调节与激活[26]。

4 调节氨基酸摄入可能改善卵巢功能

前文已述，氨基酸代谢紊乱可导致卵巢功能衰退。研究表明，通过调节氨基酸摄入量可影响女性的卵泡发育、排卵及月经周期。氨基酸的摄入缺乏会导致卵泡发育减缓，卵泡无法发育成熟，始基卵泡无法转化为初级卵泡，同时造成女性月经周期的紊乱。Narita 等[27]报道大鼠饲喂缺乏必需氨基酸的饲粮会导致大鼠卵巢重量降低，动情周期紊乱且排卵停止，同时，血液和卵巢中必需氨基酸含量均显著降低。其中缬氨酸缺乏组动情周期影响最为显著，蛋氨酸缺乏组和色氨酸缺乏组受到的影响最少。反之，摄入过量的蛋白质可能会促进卵泡的发育。Zhou 等[28]实验证明高蛋白饮食的大鼠较正常饮食组和低蛋白饮食组有更多大于4 mm 的卵泡，且达到减数分裂Ⅱ期的卵母细胞远多于低蛋白饮食组。Geppert 等[29]报道母牛分别喂养国际研究委员会（NRC）规定的标准代谢性蛋白质饲料（metabolizableprotein，MP）量的125%和150%饲料，MP150 组的优势卵泡，黄体的大小均大于MP125 组，窦状卵泡数量亦多于MP125组，证实了过量氨基酸的摄入可能会促进卵泡发育和改善卵巢功能。但是，目前对特定氨基酸对卵巢功能的改善作用尚不清楚，还有很大研究空间，仍需要更多的研究来进一步分析如何调节氨基酸的摄入与种类达到预防及延缓卵巢衰老的目的。

5 小结

女性卵泡发育需要氨基酸代谢的参与，大量研究证明，氨基酸参与正常卵泡发育的过程，通过氨基酸转运、合成及代谢调控卵泡的激活、成熟及维系卵泡的正常功能，而氨基酸代谢紊乱可导致卵巢功能衰退。氨基酸代谢主要通过改变卵巢氧化应激水平、激活mTOR 信号通路等方式参与调控卵巢功能，诱发卵巢早衰等卵巢功能衰退疾病，与此同时，通过调节氨基酸摄入量可能改善卵巢功能，延缓卵巢衰老。然而其具体调控机制仍不明确，因此，对氨基酸代谢影响卵巢功能及其机制的进一步的深入研究有助于增进对卵泡的发育机制的全面理解，为提高女性的卵泡发育、卵巢功能及生殖健康提供新的临床思路。