线粒体功能障碍对多囊卵巢综合征代谢的研究进展

王奕翔，武露明，王一青，张学红*

多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)是女性常见的生殖内分泌疾病，其患病率在8%～13%，是育龄妇女不孕的主要原因[1]。PCOS是一种高度异质性的疾病，其特征是排卵功能障碍、高雄激素血症和多囊卵巢形态。临床特征主要包括月经失调、继发性闭经、血清激素异常、多毛、痤疮、肥胖和不孕[2]。多数PCOS妇女出现以胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)和代偿性高胰岛素血症为特征的代谢功能障碍，且罹患其他合并症的风险更高，例如肥胖症、代谢综合征、2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)、心脑血管疾病、以及癌症等[2-3]。尽管其发病机理尚未明确，但通常PCOS与IR、高雄激素血症、慢性炎症、氧化应激(oxidative stress，OS)等相关。OS反映了活性氧/氮物质(reactive oxygen/nitrogen species，ROS/RNS)的产生和清除之间的不平衡，导致氧化还原途径的破坏和分子损伤，是多种人类疾病主要的病理生理机制[4-5]。OS被认为是PCOS发病机制的潜在因素。OS升高参与排卵障碍的机制，也与IR、高雄激素血症和肥胖等相关[4，6]。

1 线粒体

线粒体是产生能量的细胞器，对于大多数体细胞至关重要[7]。线粒体参与真核细胞代谢，是真核细胞细胞质中有氧呼吸的主要部位。它以线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的形式拥有自己的基因组。mtDNA是具有16 569个碱基对的分子，编码22个tRNA，2个rRNA和13个多肽，对于生成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)十分重要[8]。线粒体在哺乳动物细胞中通过氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)提供大部分能量[8]。除产生能量外，线粒体也是产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要场所。ROS可以调节许多细胞功能，包括自噬和抗菌作用，并在各种途径中充当信号分子。线粒体还参与钙稳态、信号转导、底物氧化，并参与调节细胞周期，细胞增殖的信号转导，并在细胞能量代谢和凋亡中起重要作用[5，7-8]。

2 多囊卵巢综合征的能量与代谢

2.1 胰岛素抵抗

胰岛素是一种合成代谢激素，已知在许多组织的代谢途径和蛋白质合成的调节中起主要作用。IR是指胰岛素作用对靶组织中葡萄糖、蛋白质和脂质代谢的相对损害，在一定浓度的胰岛素作用下，细胞无法对胰岛素的正常作用做出应答，导致葡萄糖的转移和利用功能异常的一种生理状态[4-5]。PCOS患者的IR是由胰岛素信号转导受体缺陷引起的，其中丝氨酸磷酸化升高，蛋白激酶活性降低[9]。IR被认为是PCOS发生的核心机制。IR会导致代偿性高胰岛素血症，通过自身受体或胰岛素生长因子(insulin growth factor，IGF-1)受体，增加促黄体生成激素(luteinizing hormone，LH)刺激产生雄激素。与对照组相比，PCOS妇女的肥胖、代谢综合征和糖尿病的患病率增加，而这些代谢异常主要与IR有关[9]。IR也会增加雄激素水平，增加代谢紊乱、心血管疾病和肿瘤的风险[5]。

2.2 血脂异常与肥胖

POCS妇女血脂异常、肥胖和向心性肥胖的患病率较高[9]。血脂异常是PCOS中最常见的代谢异常，约70%的PCOS妇女处于临界或高血脂水平[10],常见脂质模式包括高密度脂蛋白(high-density lipoprotein，HDL)和高密度脂蛋白胆固醇(HDL cholesterol，HDL-C)降低，总胆固醇(total cholesterol，TC)、低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C)、甘油三酯(triglyceride，TG)、非高密度脂蛋白胆固醇(non-HDL-C)和脂蛋白(apolipoprotein B，Apo B)升高[3，10-11]。PCOS妇女具有更高的LDL-C和non-HDL-C，而与体质量指数(body mass index，BMI)不相关[3]。IR和雄激素过多都会影响脂肪细胞的功能[9]。已知脂质相关基因的变化与PCOS的IR、高雄激素血症、OS和不孕症有关[11]。约有80%的PCOS妇女超重或肥胖，其中60%～70%是IR[3]。肥胖会导致来自脂肪细胞的游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)增加，进一步降低葡萄糖的利用率并加剧IR。IR促进前脂肪细胞向脂肪细胞分化，尤其是腹部脂肪细胞，促进PCOS女性内脏型肥胖的发展[9]。而雄激素可能会抑制非肥胖健康女性的前脂肪细胞分化。血脂异常还与PCOS妇女的腹型肥胖有关，PCOS妇女的腰臀比更高。而脂肪细胞也影响血脂水平并分泌一系列炎性脂肪因子，提示脂肪因子与PCOS中的炎症有关[3，12]。

2.3 脂肪因子和炎症

高雄激素血症和(或)体重增加引起的肥厚脂肪组织释放几种脂肪因子和炎症介质，导致IR或高胰岛素血症，从而促进卵巢额外分泌雄激素[9]。脂肪组织能释放50多种细胞因子、急相蛋白和其他炎症介质，这些介质具有自分泌，旁分泌或全身功能，并影响葡萄糖代谢，能量平衡以及促炎或抗炎活动。在PCOS中，C反应蛋白(C-reactive protein，CRP)、白介素(interleukin，IL)-1β、IL-6、IL-7、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor alpha，TNF-α)、单核细胞趋化蛋白(monocyte chemotactic protein 1，MCP-1)等炎性指标水平轻微或显著增加，反映出轻度的慢性炎症[9]。这些产物与PCOS的代谢和卵巢功能障碍的发展有关，例如IR、T2DM、心血管高危因素、雄激素过多和无排卵[9]。有证据表明PCOS与促炎状态有关或PCOS中炎症细胞对细胞因子和趋化因子的敏感性升高，而肥胖(尤其是腹型肥胖)是最严重的诱因，肥胖症的促炎状态促进IR[9]。并且炎症可能与雄激素过多直接相关[9]。

2.4 激素水平

多数PCOS妇女的促卵泡激素(follicle-stimulating hormone，FSH)正常或降低，睾酮、LH和LH/FSH显著升高[13]。5%～25%的女性受多毛症影响，通常是由PCOS引起，约70%的PCOS妇女体内雄激素生成过多[3，12]。高雄激素血症是卵巢雄激素分泌增加的结果，卵巢是PCOS高雄激素血症的主要来源，但仍有20%～30%的肾上腺雄激素过多，提示肾上腺皮质功能亢进。IR和腹型肥胖刺激PCOS妇女卵巢和肾上腺产生雄激素，而雄激素升高进一步增加腹型肥胖和炎症[2，12]。由于卵巢的雄激素分泌增加，高雄激素血症可能会因IR状态而恶化[9]。

2.5 其他合并症

PCOS妇女罹患其他合并症的风险更高，例如肥胖症、代谢综合征、T2DM、妊娠糖尿病和其他妊娠相关的并发症、心脑血管疾病、非酒精性脂肪肝疾病、静脉血栓栓塞以及癌症等[2-3]。PCOS妇女中T2DM的风险比健康对照者高5～10倍[11]。PCOS血脂异常升高会增加PCOS妇女罹患心脑血管疾病的风险。PCOS可能合并一些恶性病变，例如子宫内膜癌、乳腺癌和卵巢癌等。多项研究表明，PCOS可能增加子宫内膜癌发生的风险，激素水平异常、IR、高胰岛素血症甚至肥胖被认为是PCOS患者子宫内膜癌发病的潜在诱因[4]。

3 线粒体功能障碍与多囊卵巢综合征

PCOS患者的OS水平较正常人明显升高，而OS水平也与肥胖、IR、高雄激素血症和慢性炎症显著相关[4]。线粒体是一种动态细胞器，它负责产生大部分可诱导OS的ROS，并且与IR相关[14]。因此，线粒体可能是PCOS发病机理的主要参与者。线粒体功能障碍有多种定义，包括线粒体标志物的mtDNA拷贝数减少、线粒体转运RNA(mitochondrial transfer RNA，mt-tRNA)变异、蛋白水平变化、OXPHOS复合物活性缺陷、线粒体大小和形状的改变或线粒体产生ROS机制受损[14]。线粒体功能障碍还与PCOS相关的T2DM、动脉粥样硬化、代谢综合征和癌症等的发病机制有关。此外，线粒体对环境变化敏感，负责满足各种重要器官的能量需求，可能增强了线粒体在PCOS及其相关合并症发病机理中的关键作用。

3.1 多囊卵巢综合征和线粒体基因组异常

PCOS出现家族聚集现象表明遗传因素在其病因中发挥重要作用。线粒体受双重基因控制，这些基因变异可能导致呼吸链功能障碍，进而导致ATP产生减少和ROS生成过多[5-6]。mtDNA变体常见于PCOS妇女中，包括线粒体D环，rRNA，tRNA和OXPHOS复合基因中的变体[3]。在患有PCOS的女性的体细胞和卵母细胞中，ROS升高和OS增加，常与mtDNA拷贝数减少，以及编码OXPHOS基因和tRNA的mtDNA区域突变有关[15]。mtDNA的转录水平主要取决于mtDNA拷贝数，mtDNA的数量保持稳定且保持在适当水平对于维持线粒体功能和细胞生长至关重要[5]。PCOS患者的mtDNA拷贝数与IR、腹围和TG水平呈负相关，与性激素结合球蛋白(sex hormone binding protein，SHBG)水平正相关。mtDNA拷贝数变化可能与PCOS的发生发展有关，拷贝数的改变程度与PCOS的严重程度相关。另外，mtDNA改变增加ROS产生，而外周血白细胞mtDNA含量降低与T2DM有关。而SHBG降低不仅增加了雄激素的生物活性，而且与IR和代谢综合征相关[5]。编码mt-tRNA的基因中点突变越来越被认为是疾病的重要原因，这些突变可能导致转录和翻译缺陷，从而导致线粒体呼吸链功能障碍，与PCOS相关[6]。mt-tRNA变异影响线粒体RNA的结构和功能，可能与多种疾病的发展有关。mt-tRNA变异发生在高度保守的核苷酸上，这对于tRNA的稳定性和生化功能至关重要，并可能导致线粒体功能异常[14]。mt-tRNA变异患者的mtDNA拷贝数、ATP水平降低，与未变异的PCOS相比，产生更多的ROS[3，5]。线粒体生物发生和线粒体电子传递链(electron transport chain，ETC)相关基因在PCOS患者中异常表达。在IR的PCOS女性的骨骼肌中，参与线粒体OXPHOS基因的表达降低[6]。

3.2 线粒体功能障碍与胰岛素抵抗、激素水平和代谢综合征

胰岛素是OXPHOS的主要调节剂，其分泌可直接影响线粒体功能。ROS升高导致胰岛素作用降低，可诱导丝氨酸/苏氨酸激酶信号通路异常激活，例如c-Jun N末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)，核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38-mitogen-activated protein kinase，MAPK)，并增加胰岛素受体和胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)蛋白的磷酸化[5]。因此，线粒体功能障碍可能是IR和PCOS相关并发症的主要原因。PCOS中的IR可能与葡萄糖转运体(promoting glucose transporter，GLUT)的表达降低和相关的线粒体功能障碍有关[5]。研究显示PCOS患者源性诱导的多能干细胞中GLUT1和GLUT3水平降低。GLUT对细胞内葡萄糖转运至关重要。葡萄糖限制与GLUT1的缺乏相关，进而导致线粒体功能下降，如线粒体膜电位减少和线粒体依赖的凋亡激活[5]。目前线粒体功能障碍与IR的关系尚不明确，并且线粒体功能异常是IR的主要缺陷还是继发性疾病仍需进一步研究[14]。IR促进OS、高血糖症和较高水平的FFA进一步导致ROS的产生[4]。IR会引起代偿性高胰岛素血症，过量的胰岛素则会增加IGF-1。在许多研究中，OS已经发现与雄激素水平正相关。OS在体外增强产生卵巢类固醇酶的活性并刺激雄激素产生，而抗氧化剂化学物质(如他汀类药物)抑制了它们的活性[5]。高雄激素血症和线粒体功能异常相互作用。高水平的雄激素通过诱导OS升高和胰腺β细胞衰竭而在雌性小鼠中引起IR，并且可能解释了PCOS中IR有较高的发生率[5]。

3.3 线粒体功能障碍与肥胖

肥胖是PCOS的常见表现，与线粒体功能障碍和OS升高密切相关，可能加速肥胖PCOS的疾病进程，并加重代谢性疾病，例如IR、高雄激素血症和卵泡发育异常。与正常人相比，肥胖PCOS有更高的OS水平，且OS与肥胖指数(BMI和腹围等)存在显著相关性。此外，反映脂质过氧化和蛋白质过氧化程度的标志物水平显著增加，抗氧化能力的标志物水平显著下降[5]。脂肪和FFA在卵巢、卵母细胞和周围卵丘细胞的积累增加，会干扰卵母细胞代谢、阻碍线粒体功能，并通过增加对线粒体的损害而损害卵母细胞的质量[5]。患有PCOS的肥胖女性经常受孕困难，有更高的流产风险。高水平FFA也会下调过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisomal proliferators activate receptors，PPAR)γ蛋白及其mRNA，并导致线粒体功能障碍。PPARγ由巨噬细胞，内皮细胞和血管平滑肌细胞表达。PPARγ的表达下降会改变参与脂质代谢、血管炎症和增殖的关键蛋白的基因表达，从而导致动脉粥样硬化[3]。减肥是肥胖PCOS患者的首选治疗，减重后PCOS症状的明显改善可能源于ROS减少和抗氧化剂水平升高[7]。

3.4 线粒体功能障碍与炎症

炎症和OS是导致PCOS的重要原因。高水平的ROS启动细胞内信号传导级联反应可增强促炎基因的表达，ROS可以激活NF-κB、活化蛋白(activated protein，AP)-1和缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)-1的相关信号通路来诱导炎症因子的释放并产生炎症反应[4-5]。另外，当类风湿性滑膜细胞暴露于两种主要的类风湿性关节炎细胞因子，IL-1β和TNF-α时，可通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系统产生ROS[4]。OS和炎症标志物与PCOS患者的雄激素水平呈正相关，炎症也与IR有关。肥胖过程中小鼠脂肪来源的TNF-α水平升高，当TNF-α被抑制时，胰岛素敏感性提高[4]。与OS一样，炎症主要通过干扰胰岛素后受体信号传导途径胰岛素受体底物1-磷脂肌醇3激酶-蛋白激酶B(insulin receptor substrate 1-phosphatidyl inositol 3 kinase-protein kinase B，IRS1-PI3K-PKB/Akt)途径来诱导IR[16]。

3.5 线粒体功能障碍与合并症

IR是引发代谢综合征的诱因之一。代谢综合征是一组相关的危险因素，包括血脂异常、高血压和血糖水平升高，增加了T2DM、心血管疾病等代谢疾病的风险。患有代谢综合征的PCOS女性与患有代谢综合征的对照女性相比，ROS和OS增加[3]。线粒体RNA修饰酶对线粒体的转录组或转录后RNA修饰也起着重要作用，这些修饰中的缺陷可能是导致T2DM、肥胖和癌症的驱动因素[3]。PCOS妇女的代谢变化、ROS生成增多、内质网应激和白细胞-内皮相互作用与血管并发症有关。有研究发现，在没有OS的情况下，线粒体功能障碍也直接促进动脉粥样硬化[3]。IR常与内皮细胞特异性选择性损伤PI3K依赖的胰岛素信号通路有关而导致内皮功能障碍，并被认为在心血管疾病中发挥重要作用[3]。OS诱导的DNA损伤和甲基化通过激活原癌基因和沉默抗癌基因，在肿瘤发病和转化的早期阶段起着关键作用。从机制上讲，PCOS患者异常的OS可能也会导致遗传不稳定并增加患癌症的风险。线粒体功能障碍导致的过高ROS产生可能是PCOS妇女出现子宫内膜癌的原因之一[3]。胰岛素和IGF在体外可以加速子宫内膜癌细胞的生长，高胰岛素血症的促有丝分裂作用可能是通过MAPK途径介导，从而增加了血管内皮生长因子的表达。此外，肥胖不仅会导致子宫内膜癌，还会导致结肠癌、乳腺癌、肾癌、卵巢癌、食道癌、胃癌、胰腺癌、胆囊和肝脏癌症的发病率增加和(或)死亡[3-4]。但由OS介导的其他潜在途径是否可以在PCOS相关癌症的发病机理中发挥作用尚待确定[4]。

4 总结

PCOS的代谢异常和线粒体功能障碍可能为女性生殖健康带来挑战。由于PCOS复杂的异质性，尚未完全阐明其发病机理，通常通过临床表现和预期疗效来选择治疗PCOS的方法。目前，主要的治疗手段是通过改善生活方式、调整月经周期、抑制雄激素过多分泌、减轻代谢紊乱、促进生育策略、预防和管理远期并发症来改善PCOS[17]。越来越多的报道表明，线粒体功能障碍可能是PCOS发病机制中的促成因素，线粒体功能障碍和PCOS合并症的相互作用进一步证实了线粒体在PCOS发生发展的关键作用。为了缓解PCOS的疾病进展，一方面我们可以通过抑制OS改善PCOS；另一方面可以了解线粒体在PCOS发病机理中的作用，进而开发针对PCOS线粒体功能障碍的疗法。mtDNA可能为解决PCOS疾病的遗传研究提供了一个可行的替代靶点，并试图解释不同人群之间存在的PCOS的临床表型和进展差异。在未来的动物实验中，我们敲除与线粒体相关的异常基因，以验证线粒体功能障碍对PCOS模型的影响，进一步研究了解线粒体功能障碍对PCOS的致病机制，并通过靶向线粒体的作用机制来恢复线粒体的功能，为治疗PCOS提供新策略。