線粒體自噬調節雌性動物生殖功能的研究進展

房曉歡，李俊杰,2*

(1.河北農業大學動物科技學院，保定 071000； 2.河北省牛羊胚胎技術創新中心，保定 071000)

線粒體是細胞進行氧化代謝和能量轉化的重要場所，其正常形態及數量地維持對于細胞乃至整個機體生理活動至關重要。線粒體數量和質量受精密的線粒體網絡調控，通過不斷融合和分裂，達到線粒體動力學平衡[1]。當細胞受到氧化應激或其他外界刺激時極易對線粒體造成損傷，導致其功能障礙[2]。受損的線粒體會破壞線粒體穩態，影響細胞的生命進程，此時線粒體穩態的平衡需要通過線粒體自噬實現[3]。線粒體自噬是一個依賴于溶酶體進行的生理過程，可選擇性地清除受損或者功能障礙的線粒體，維持線粒體動態平衡[4-5]。當細胞處于不利環境下，線粒體自噬還可以清除部分正常線粒體，減輕細胞運行負擔[6]。卵母細胞的線粒體自噬水平直接影響其質量，抑制線粒體自噬會導致線粒體異常積累和受精失敗[7]；而激活線粒體自噬則會延緩小鼠卵母細胞老化，提高卵母細胞發育能力[8]。本文從線粒體自噬對雌性動物生殖功能的影響及機制加以綜述，以期為提高雌性動物繁殖效率提供依據。

1 線粒體自噬的生理功能

1.1 線粒體自噬對線粒體的質量調控

線粒體自噬在線粒體質量控制中發揮著核心作用，研究表明，線粒體在不對稱分裂過程中可產生兩個具有不同膜電位的子代線粒體，其中，膜電位高的子代線粒體可以繼續執行線粒體功能并進行下一次分裂；而膜電位低的子代線粒體，為保護其余正常線粒體以及細胞免受活性氧(ROS)的損傷，則會通過線粒體自噬被清除[9-10]。線粒體自噬的目的是隔離并消除功能失調且具有潛在危害的線粒體[11]，反之，線粒體自噬異常會導致受損線粒體積累，引起細胞凋亡[12]?，F有研究表明，線粒體自噬觸發因素包括線粒體去極化[13]、ROS產生[14]及蛋白質錯誤折疊[15]。常見的線粒體自噬效應因子是PTEN誘導的假定激酶1(PINK1)，健康線粒體PINK1蛋白含量極低，但受損或去極化的線粒體因缺乏降解PINK1的能力，而將其作為底物，引發線粒體自噬[16-17]。線粒體自噬不僅可清除功能障礙的線粒體，還可促進線粒體生物合成，有助于線粒體質量控制，線粒體自噬和線粒體生物合成相互聯系，維持線粒體穩態[18]?？梢?，線粒體自噬對線粒體的質量控制具有重要作用。

1.2 線粒體自噬對細胞分化和發育的調控

在細胞分化和發育過程中，線粒體自噬可清除多余線粒體，調整線粒體數量以適應細胞或組織需求。研究發現，紅細胞分化過程中，血紅蛋白介導的氧氣運輸會受到氧化應激的不利影響產生ROS，導致細胞損傷，而線粒體受體NIX介導的線粒體自噬可通過清除線粒體，抵抗氧化應激，促進紅細胞成熟[19-20]。線粒體自噬障礙的小鼠，由于紅細胞中線粒體未被清除而導致貧血[21]。另外，線粒體自噬還與父系線粒體清除有關，絕大多數哺乳動物線粒體DNA(mtDNA)為母系遺傳，受精后的胚胎內線粒體基本都源于卵母細胞[22]，這是因為受精后父系線粒體及mtDNA會被選擇性降解[23]。Rojansky等[24]研究表明，小鼠卵母細胞受精后迅速誘導線粒體自噬，降解并清除了胚胎內父系線粒體。

1.3 線粒體自噬對體細胞重編程的調控

線粒體自噬在體細胞重編程過程中發揮著重要作用，研究表明，誘導多能干細胞(iPSC)的體細胞重編程伴隨著線粒體數量、結構及功能的變化[25]。通常體細胞分化需要激活線粒體生物合成以增加線粒體含量，供能途徑從糖酵解轉化為氧化磷酸化；反之，體細胞重編程需要減少線粒體數量，供能途徑從氧化磷酸化轉變為糖酵解[26-27]。研究發現，PINK1缺失的小鼠胚胎成纖維細胞(MEFs)重編程誘導的iPSC不能有效清除線粒體，導致此iPSC不穩定，有自發分化的傾向，降低了iPSC重編程效率[28]。此外，NIX介導的線粒體自噬也與MEFs重編程有關，敲降NIX會降低重編程期間線粒體清除效率[29]?？梢?，線粒體自噬在調控體細胞重編程方面具有重要功能。

2 線粒體自噬對雌性動物主要生殖器官及其功能的影響

基于線粒體自噬的生理功能，線粒體自噬在細胞分化[30]、心血管疾病[31]、神經退行性疾病[32]、癌癥[33]等眾多生理過程和疾病中已有深入研究。近年來，為提高雌性動物生殖功能，關于線粒體自噬對雌性動物生殖器官、卵母細胞及胚胎發育的影響越來越受到關注。

2.1 線粒體自噬對雌性動物生殖器官與組織的影響

2.1.1 線粒體自噬對卵巢的影響 卵巢是雌性動物的重要生殖器官，與卵母細胞質量及母體妊娠直接相關。線粒體自噬與卵巢功能有密切聯系，可通過清除功能障礙的線粒體，調節卵泡發育，維持卵巢機能。研究顯示，促卵泡素(FSH)作為調節小鼠卵泡發育的主要激素，可通過激活線粒體自噬清除受損線粒體，減少卵泡閉鎖并促進卵泡的生長發育[34]。多囊卵巢綜合征(PCOS)是女性常見的因內分泌紊亂引起的疾病，可引起高血壓等并發癥，研究發現，線粒體自噬是PCOS和高血壓間重要的共享通路[35]。如果因線粒體自噬障礙而損傷線粒體功能，則會導致患PCOS女性卵母細胞結構改變[36]。另有研究發現，將丁酸鈉應用于重組中國倉鼠卵巢細胞(rCHO)培養，可導致線粒體膜電位降低和自噬蛋白增加，并通過線粒體自噬降解受損線粒體[37]?？梢?，線粒體自噬對于卵巢相關疾病及卵泡發育有重要作用。

2.1.2 線粒體自噬對子宮與胎盤組織的影響 哺乳動物子宮和胎盤是維持胎兒生長發育的重要器官，線粒體自噬與二者的功能亦密切相關。研究發現，線粒體自噬可參與子宮內膜異位癥的發生，線粒體自噬異?？梢鹧趸瘧?，啟動caspase-9誘導的線粒體凋亡，促進人子宮內膜基質細胞凋亡并限制其遷移[38]。另有研究發現，高雄激素血癥和胰島素拮抗誘發的妊娠子宮缺陷與mtDNA拷貝數、線粒體融合和分裂以及線粒體自噬相關基因的表達有關，通過基因間的互補和適應性調節，緩解妊娠子宮線粒體功能障礙，以維持胎兒的正常發育[39]。此外，線粒體自噬與胎盤功能也有緊密聯系，人子癇前期的胎盤中神經酰胺/BOK誘導線粒體分裂增加，產生大量線粒體片段，而線粒體自噬蛋白PINK1和Parkin表達升高表明，線粒體自噬可作為一種細胞防御機制降解子癇前期胎盤內多余的線粒體[40]。同樣，二氧化鈦納米粒子處理后的人滋養層細胞內ROS水平升高，線粒體受損，影響胎盤功能，而PINK1和Parkin蛋白表達增加表明，線粒體自噬激活，有助于清除受損線粒體[41]。因此，線粒體自噬可通過清除受損線粒體，提高相關基因和蛋白的表達來維持子宮及胎盤組織的正常功能。

2.2 線粒體自噬對卵母細胞與胚胎發育的影響

2.2.1 線粒體自噬對卵母細胞的影響 卵母細胞可通過線粒體自噬吞噬多余或受損的線粒體以維持其功能。哺乳動物早期胚胎線粒體幾乎全部來自于卵母細胞，并且，僅在胚胎發育后期mtDNA拷貝數才會增加，從受精卵到囊胚期均不會發生mtDNA復制[42]。因此，卵母細胞內線粒體數量和質量對于胚胎發育至關重要。環孢素A(CsA)作為線粒體自噬抑制劑，可以改變線粒體通透性，抑制自噬體增殖[43]，在小鼠卵母細胞培養過程中加入CsA后，線粒體膜電位、mtDNA拷貝數及ATP產生均顯著降低，同時，減少自噬體的生成，影響卵母細胞線粒體自噬功能并且對胚胎發育產生不利影響[44]。Kim等[7]使用線粒體自噬抑制劑Mdivi-1處理小鼠卵母細胞，盡管對卵母細胞核成熟無顯著影響，但會導致線粒體過量積累與受精失敗，表明Mdivi-1處理抑制了卵母細胞的胞質成熟。另外，在豬卵母細胞老化過程中，線粒體自噬相關蛋白PINK1和Parkin會顯著減少，而加入輔酶Q10后，可通過增加線粒體自噬蛋白提高ATP水平和線粒體更新能力[45]。但有學者對于卵母細胞線粒體自噬能力持不同的觀點，Boudoures等[46]研究發現，使用羰基氰化物間氯苯腙(CCCP)觸發線粒體自噬后，未檢測到線粒體與自噬體的共定位，mtDNA拷貝數保持不變，小鼠卵母細胞內依然存在大量線粒體，表明，非功能線粒體未移入自噬體中被清除。

2.2.2 線粒體自噬對顆粒細胞的影響 顆粒細胞定位于卵母細胞的周圍，可通過縫隙連接在卵母細胞的成熟和排卵過程中發揮重要作用，并且還會影響卵泡的發育甚至卵巢的正常機能。Li等[47]研究發現，補充脫氫表雄酮(DHEA)可通過線粒體自噬清除功能障礙的線粒體，減少線粒體過度分裂，維持線粒體動力學平衡，提升人顆粒細胞質量。此外，不同條件誘導的線粒體自噬對顆粒細胞的影響有差異，研究表明，在缺氧條件下，FSH介導的線粒體自噬可通過自噬體的積累清除功能障礙的線粒體，保護豬顆粒細胞免受缺氧誘導的細胞凋亡[48]。而在氧化應激狀態下，FSH可以通過抑制過量ROS誘導的線粒體自噬，促進小鼠顆粒細胞的存活[49]?？梢?，線粒體自噬是一個動態的過程，過度的線粒體自噬可能導致顆粒細胞活力降低，另外，顆粒細胞過度的線粒體自噬和線粒體損傷可能與PCOS有關，Yi等[50]在PCOS患者的顆粒細胞中檢測到過度的線粒體自噬，以及線粒體膜電位和mtDNA拷貝數降低，而通過添加褪黑素抑制線粒體自噬蛋白表達后，明顯改善了PCOS顆粒細胞的線粒體損傷。

2.2.3 線粒體自噬對胚胎發育的影響 哺乳動物mtDNA的遺傳方式嚴格遵循母系遺傳，但是精子在受精過程中也會攜帶少量的mtDNA進入卵母細胞，表明早期胚胎中可能存在父系線粒體消除的機制[51]，而這種父系線粒體的消除即通過線粒體自噬完成。小鼠植入前胚胎中父系線粒體通過線粒體自噬被降解，這可能與父系線粒體膜電位的去極化有關[24]。有學者認為，受精卵內精子線粒體自噬由泛素介導[52]。Yi等[53]研究蛋白質去泛素化對受精和胚胎發育中精子功能的影響時發現，受精后精子攜帶的線粒體依賴泛素蛋白酶體系被線粒體自噬過程降解。此外，線粒體自噬與胚胎發育密切相關，線粒體自噬蛋白PINK1敲降會阻止線粒體分裂，誘導線粒體伸長并導致其功能障礙，損害囊胚的形成和質量[54]。另有研究證實，暴露于高脂高糖培養基的小鼠卵母細胞體外受精后，由于缺乏線粒體自噬，會導致功能障礙的線粒體從卵母細胞傳遞到胚胎，其囊胚線粒體膜電位及參與ATP生成的代謝產物降低，胚胎發育率降低[46]。

3 線粒體自噬調節雌性動物生殖的機制

線粒體動力學是線粒體融合和分裂的動態變化過程，正常的線粒體可通過相互融合和分裂對線粒體進行更新并維持功能，但受到損傷的線粒體因其膜電位發生去極化，不能繼續融合，往往通過線粒體自噬被降解[55]。

3.1 PINK1介導的線粒體自噬

PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其N端含有線粒體靶向序列，可通過外膜轉運酶和內膜轉運酶復合體進入線粒體內膜，并被線粒體蛋白酶PARL切割為一個52 ku的蛋白片段[56-57]。在健康線粒體中，52 ku的PINK1片段被釋放到細胞質并被E3連接酶快速泛素化后降解[58]，因此，健康線粒體中PINK1水平較低。但當線粒體受損時，PINK1的轉運和加工被阻斷，導致有活性的PINK1在線粒體外膜積累[59]，并激活Parkin的E3泛素連接酶活性，之后，線粒體外膜上的泛素鏈裝配并促進線粒體自噬受體的募集，進而被自噬體捕獲而降解[60]。這是線粒體自噬的經典通路，同樣，線粒體自噬對雌性動物生殖功能的影響也可通過PINK1/Parkin通路進行調控。

在卵泡發育過程中，顆粒細胞因缺乏血液供應而處于缺氧狀態，這極易導致其凋亡。研究發現，FSH可顯著降低缺氧條件下線粒體自噬途徑引起的豬顆粒細胞凋亡，這是由于FSH介導的缺氧誘導因子(HIF-1α)水平上調，促進了PINK1和Parkin的表達，并通過減少細胞色素c的釋放，誘導了受損線粒體的清除[48]。同樣，在小鼠中，FSH通過上調顆粒細胞HIF-1α表達，促進線粒體自噬PINK1/Parkin途徑的激活以及自噬蛋白Beclin1和Bnip3積累，對于降解受損線粒體、促進顆粒細胞增殖及卵泡發育具有重要作用[34]。此外，PINK1/Parkin對于延緩卵母細胞老化具有重要意義，對抗氧化劑輔酶Q10延緩卵母細胞衰老的研究表明，輔酶Q10可上調豬卵母細胞PINK1和Parkin蛋白表達，增加活性線粒體數量，提高ATP水平，從而促進線粒體更新，延緩卵母細胞衰老[45]。但細胞內PINK1/Parkin蛋白的增加也可能會引起線粒體自噬的過度。氧化應激條件下自噬會加速小鼠顆粒細胞的死亡，FSH處理可抑制細胞內PINK1蛋白表達，從而抑制Parkin的線粒體轉位，通過抑制線粒體自噬保護顆粒細胞免受氧化損傷[49]。此外，PCOS的發病機制也與過度的PINK1/Parkin激活有關，PCOS顆粒細胞中線粒體自噬蛋白PINK1和Parkin及自噬蛋白Beclin-1、LC3B-II表達增加，自噬底物P62及SIRT1水平降低，而添加褪黑素可通過提高SIRT1蛋白水平，抑制過度的PINK1/Parkin介導的線粒體自噬，保護PCOS顆粒細胞免受線粒體損傷[50]。

3.2 FOXO3a介導的線粒體自噬

FOXO3a是叉頭轉錄因子家族的成員，可對腫瘤細胞增殖[61]、細胞凋亡[62]、氧化應激[63]等多種生理過程起調控作用，與人類壽命密切相關。隨著線粒體自噬研究的深入，越來越多的研究發現，FOXO3a還可參與線粒體自噬調節，FOXO3a是一種線粒體蛋白，其可與SIRT3在線粒體中相互作用，進一步促進線粒體自噬[64]?，F已證明，FOXO3a介導的線粒體自噬在改善動脈粥樣硬化[65]、心肌病[66]、肝臟損傷[67]等多種疾病方面有重要作用。最近的研究顯示，FOXO3a也參與調節衰老卵母細胞的線粒體自噬[44]，FOXO3a是白藜蘆醇的下游信號因子，使用白藜蘆醇處理小鼠卵母細胞后，FOXO3a表達上調，與自噬信號通路呈正相關，再經線粒體自噬抑制劑CsA處理后，FOXO3a的表達受到抑制，表明，FOXO3a是參與白藜蘆醇介導的老化卵母細胞線粒體自噬過程的關鍵因子[44]，這為FOXO3a參與白藜蘆醇介導的衰老卵母細胞線粒體自噬調節提供了依據。

4 存在問題與展望

線粒體自噬是一個處于不斷動態變化中的生理過程，線粒體自噬的缺乏以及過度激活均會破壞線粒體穩態，影響細胞乃至整個機體的功能。線粒體自噬不足可能導致細胞或胚胎內功能障礙的線粒體無法清除[34, 54]，而過度激活則可能導致線粒體損傷，引發細胞凋亡[49]，因此，如何精確控制線粒體自噬程度尚需進一步研究。目前，對于雌性動物生殖中線粒體自噬的調控機制多集中于PINK1/Parkin通路，是否和心衰[68]、癌癥[69]、炎癥[70]、紅細胞成熟[21]等疾病或過程一樣可由FUNDC1和NIX/BNIP3等蛋白通路介導發揮作用，還有待深入研究。此外，目前關于線粒體自噬對雌性動物生殖功能的影響研究多集中于人[38]和小鼠[44]，對于家畜來說，線粒體自噬可促進豬卵母細胞線粒體更新，延緩其衰老[45]，也有研究證明，線粒體自噬與牛支持細胞[71]及膀胱尿路上皮細胞[72]有緊密關系，但對于牛、羊雌性生殖器官及生殖細胞的研究未見報道。

線粒體自噬作為可清除受損線粒體，維持線粒體穩態的重要生理過程，對于調控卵巢機能、卵母細胞發育、顆粒細胞活力等方面均有重要作用。隨著研究的深入，線粒體自噬可為改善多囊卵巢綜合征和提高卵母細胞成熟等方面提供新的著眼點。通過激活線粒體自噬，清除卵母細胞內功能障礙的線粒體，有助于抵抗氧化應激，維持卵母細胞減數分裂進程，并且有望為提高卵母細胞成熟效率及改善體外胚胎生產技術提供新思路。但就目前來說，為充分發揮線粒體自噬在雌性動物生殖方面的潛力，還需對線粒體自噬程度的把控和作用機制進行深入探索，同時，線粒體自噬對于家畜生殖的影響也有待深入研究。