在孕期准备过程中,许多孕妇会服用辅酶Q10和左旋肉碱,以提高卵母细胞的质量,但并不注意胰岛素抵抗和线粒体功能障碍。很多时候我不知道为什么我想吃东西。我只知道医生点了什么。

那么,作为一名医生,我可以非常认真地告诉你,有时候医生可能知道营养对卵母细胞非常重要,但他们可能不知道,很多时候,我们的营养代谢,特别是线粒体代谢存在问题,特别是当体内有坏的微生物和重金属时,会导致营养代谢效率低。这会阻碍我们的能量代谢,导致细胞不成熟。

今天,我想与大家分享这篇文献,重点是什么是卵母细胞的营养代谢和能量代谢。我希望我们不仅可以吃辅酶Q10和左旋肉碱来提高卵母细胞的质量。

温馨提示:本文涉及的研究资料很多,而且篇幅很长,可以直接拉到最后看总结。

摘要

肥胖、糖尿病和相关代谢紊乱是世界范围内的主要健康问题。随着代谢紊乱的流行,相关的医学共病,包括对生殖的有害影响,也在增加。新的证据表明,母体营养对生殖结局的影响可能至少部分是由卵母细胞代谢介导的。能量代谢的平衡和时间是卵母细胞最佳发育的关键。迄今为止,我们对卵母细胞代谢的认识大多来自于外源营养物质对卵母细胞成熟的影响。

相反,代谢酶、细胞内介质和转运系统对卵母细胞发育的内在调节作用较小。具体来说,卵母细胞内酸性转运体水平的降低、糖/脂含量的增加和活性氧种类的增加与减数分裂缺陷、细胞器功能障碍和表观遗传改变有关。因此,卵母细胞代谢紊乱可能导致代谢紊乱妇女生殖能力下降。其内在机制有待进一步研究。

讨论了几种代谢分析方法。卵母细胞代谢组学分析将揭示调控卵母细胞发育的代谢网络,有助于鉴定卵母细胞质量指标,预防生殖疾病和后代不良结局的发生。

卵母细胞发育

哺乳动物卵母细胞发育是一个由大量卵巢内外因素调节的复杂过程。卵母细胞起源于原始生殖细胞。PGC迁移到生殖嵴,在那里它通过有丝分裂增殖,并从卵母细胞转化为初级卵母细胞[1–C3]。出生前后,卵母细胞在第一次减数分裂前期被阻断在卵泡中。青春期后,卵母细胞受到刺激,在内源性LH激增后再次开始减数分裂,如GVBD所示。随着微管形成双极纺锤体,所有染色体排列在纺锤体的赤道处,卵母细胞进入中期I(MI),然后挤压出第一极体。卵母细胞成熟在MII结束时完成,等待受精[4,5]。卵母细胞的生长和成熟对营养、化学和内分泌环境的变化特别敏感[6]。

卵母细胞的完全发育需要同时进行核质成熟[7,8]。结果表明,这一过程需要能量的产生和活性合成,卵胞质中的线粒体、内质网和高尔基复合体等细胞器变得更加丰富,并随着卵母细胞的生长而发生动态变化[9,10]。多种代谢产物和代谢相关酶在卵母细胞成熟过程中的各种细胞事件中发挥着重要作用[11-14]。生长中的哺乳动物卵泡由单个卵母细胞、周围一层或多层体细胞(颗粒细胞)和卵泡膜细胞外缘组成。卵母细胞通过缝隙连接与颗粒细胞结合。这些高度专业化的膜连接介导小代谢物、无机离子和第二信使从一个细胞转移到另一个细胞[15]。卵泡中卵母细胞和颗粒细胞之间的代谢合作一直备受关注[16-18]。颗粒细胞为卵母细胞的培养提供各种能量基质,卵母细胞通过分泌旁分泌因子来控制颗粒细胞的代谢[19,20]。

肥胖、糖尿病和相关代谢紊乱是世界范围内的主要健康问题。随着代谢紊乱的流行,相关的医学共病,包括那些影响生殖的疾病,也增加了[21]。尤其是肥胖或糖尿病控制不良的妇女,其不孕、流产、产科并发症、新生儿发病率和死亡率以及后代出生缺陷的风险都会增加。新的动物研究和临床资料表明,卵母细胞的代谢活性可能是介导这些生殖缺陷的关键指标。

本文综述了近年来卵母细胞生长和成熟代谢的研究进展,以及母细胞营养、卵母细胞代谢与生殖结局的关系。此外,还简要介绍了卵母细胞的代谢分析。这些方面的进展有助于了解卵母细胞发育的机制,从而指导进一步确定卵母细胞质量的预测因子,以及不孕症和产科及新生儿预后不良的治疗。

文献检索法:本文从人和动物两个方面进行综述。截至2014年8月,PubMed英文版的相关研究文章以不同的组合使用了以下搜索词:“卵母细胞”、“卵母细胞质量”、“代谢”、“代谢紊乱”、“母体营养”、“肥胖”、“糖尿病”、“多囊卵巢综合征”、“代谢组学”、“卵泡液”、“卵丘细胞”、“胚胎”胎儿,生殖结局、妊娠和表观遗传学。对摘要进行评估,以确定合适的研究。

 

卵母细胞能量代谢

卵母细胞不能与卵泡完全分离,尤其是颗粒细胞,颗粒细胞为卵母细胞的生存、营养和调节创造了必要的生态位[24]。卵母细胞缺乏执行某些关键代谢过程的能力,因此它们依靠颗粒细胞的合作来提供代谢产物以促进其发育[19,25]。虽然卵母细胞起主导作用,但沟通是双向的,卵泡细胞是相互依赖的。

正如Henry Leese所指出的[27],卵母细胞发育的代谢控制可以考虑在两个层面上:(1)通过酶的数量/活性、细胞内介质和质膜运输系统进行内部控制[28–C30]和(2)通过从卵泡生态位提供营养物来提供外部控制培养环境,雌性生殖道或体外[31-34]。大多数的研究和实践都集中在卵母细胞成熟过程中外源营养物质的调节上。相比之下,很少有人注意到内部通路控制卵母细胞发育的潜在作用。哺乳动物卵母细胞中检测到一些与代谢有关的内源性酶,见表1。图1总结了卵母细胞发育的代谢控制,特别是减数分裂、表观遗传学和细胞器。

卵子的营养和能量代谢:备孕吃辅酶Q10和左旋肉

图1。卵母细胞发育过程中的减数分裂、表观遗传学和细胞器代谢

Sutton McDowall等人系统地综述了卵丘卵母细胞复合体(COCs)对葡萄糖的利用。[35,36]。因此,对卵母细胞的代谢方式、转运系统和关键酶进行了详细的讨论。

1、卵母细胞葡萄糖代谢

原始生殖细胞(PGCs)和卵母细胞的能量代谢仍存在争议。最初显示PGCS优先在葡萄糖上氧化丙酮酸[ 37 ]。然而,杰森和德波尔的作品[38]显示出疲倦氧化糖酵解是PGCS预防氧化损伤的主要代谢方式。在整个生长期,小鼠卵母细胞丙酮酸和耗氧量逐渐增加[39]。成熟卵母细胞利用葡萄糖的能力有限[40–C43]。葡萄糖首先需要从滤泡细胞转化为丙酮酸,以确保减数分裂和成熟成功[18,44–C46]。丙酮酸通过质子连接的一元羧酸载体家族(MCT)[47]转运,小鼠卵母细胞富含MCT[48]的slc16a成员(图1)。然而,关于哪些MCT(s)和它们如何介导卵母细胞摄取丙酮酸的重要问题仍然没有答案。强调丙酮酸在卵母细胞成熟中的重要性。小鼠卵母细胞中pdh-e1-1(丙酮酸脱氢酶e1-1)的特异性缺失导致严重的减数分裂缺陷[12](图1;表1)。有趣的是,狗和猪的卵母细胞似乎以比其他物种更高的速率利用葡萄糖作为初级能量底物[32,49],这意味着卵母细胞中葡萄糖代谢模式存在特殊的差异。

2、卵母细胞葡萄糖转运

尽管丙酮酸是首选底物,但在卵母细胞中已检测到葡萄糖代谢和葡萄糖载体介导的摄取机制[41,42,50–C54]。葡萄糖通过sglt或gluts进入细胞。glut家族的14个成员已经被确认,包括GLUT1-C12、h-偶联肌醇转运体和glut14[29,55]。在小鼠[56,57]、奶牛[58]、绵羊[59]、人[60]和恒河猴卵母细胞[61]中,gluts的表达已被报道。小鼠卵母细胞含有GLUT1、GLUT3和GLUT8,但尚未检测到GLUT4(主要的胰岛素敏感转运体)[36、62](图1)。目前,对卵母细胞葡萄糖转运机制的研究较少。

最近,我们利用一种非代谢性的荧光葡萄糖衍生物,揭示了葡萄糖向小鼠卵母细胞的细胞间转运途径,即葡萄糖在卵丘细胞中被吸收,然后通过缝隙连接转移到卵母细胞[63](图1)。

3、卵母细胞葡萄糖代谢相关酶

为了找出哪些代谢途径在卵母细胞中起作用,有必要测量相关酶的水平和/或活性。分别在小鼠和人卵母细胞中检测己糖激酶(HK)、果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)。尽管所有这些都是可以检测到的,但人类的平均水平是老鼠水平的3-9倍[64],这表明它们可能起到物种特异性的作用。其他与葡萄糖代谢和三羧酸循环(TCA)相关的酶也通过生化或细胞化学方法在不同种类的卵母细胞中进行了测定[65-67]。

由野生型细胞和纯合Gpi-fi/fi空细胞(Gpi编码糖酵解酶葡萄糖磷酸异构酶)组成的雌性小鼠嵌合体能够产生来自纯合Gpi-fi/fi空卵母细胞的后代[68],支持小鼠卵母细胞发育不需要完整的内源性糖酵解的结论。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)是一种胞浆酶,催化戊糖磷酸途径(PPP)的第一步,在卵母细胞内合成卵子发生(图1)。由于G6PDH能将亮丽的甲酚蓝(BCB)染色由蓝色转变为无色,故用BCB染色法测定卵母细胞中G6PDH的活性。G6PDH在小鼠、大鼠和奶牛的排卵前卵母细胞中具有很高的活性,并在卵母细胞成熟过程中经历动态变化[65–C67]。大量的研究表明,G6PDH活性低与受精率和囊胚形成率高有关[69–71],这表明G6PDH活性可能是卵母细胞质量的一个良好指标。然而,BCB染色还没有用于评价人卵母细胞G6PDH活性。

另外,最近发现猪卵母细胞在未成熟期BCB染色破坏了卵母细胞成熟过程中的线粒体功能,不适合应用标准的体外成熟方案[72,73]。因此,基于BCB染色的卵母细胞质量评价仍是一个有待解决的问题。

 

卵母细胞脂质代谢

1、卵母细胞的脂质贮存

哺乳动物卵母细胞中的细胞内脂质水平在不同物种(4ng/小鼠卵母细胞、63ng/牛卵母细胞和161ng/猪卵母细胞)之间差异很大[74–76]。甘油三酯是卵母细胞中最丰富的脂类,占所有脂类的50%以上[77-79],具有巨大的潜在能源储备。脂滴在卵母细胞生长过程中积累,在成熟过程中经历时空变化。例如,在猪卵母细胞和牛卵母细胞的体外成熟过程中,尽管在血清中培养,甘油三酯的存储量显著降低[76,77]。随着小鼠卵母细胞成熟,脂滴变得更大和更集中[80]。相反,在仓鼠和猪卵母细胞中观察到明显的外周分布模式[81-83]。据报道,perlipin-2和脂肪分化相关蛋白(ADRP)在小鼠和牛卵母细胞中围绕着脂滴[80,84],这可能控制脂滴的稳定性和脂解利用[85]。此外,还使用了体内细胞成像方法,Sturmey等。结果表明,猪卵母细胞和牛卵母细胞中脂滴与线粒体之间存在着密切的空间关系[83,86,87],表明线粒体在脂质代谢中的重要作用。

2、卵母细胞中脂肪酸的α-氧化作用

脂肪酶将甘油三酯分解成不同链长和饱和度的甘油主链和脂肪酸。脂肪酸的摄取主要通过细胞表面的脂肪酸蛋白转运体,包括脂肪酸转运体(fat)、组织特异性脂肪酸转运体(FATP)和质膜结合脂肪酸结合蛋白(FABPm)(图1)。脂肪酸进入细胞后,通过肉碱棕榈酰转移酶(CPT)进入线粒体外膜,然后通过肉碱进入线粒体内膜。在线粒体中,长链酰基辅酶A进入脂肪酸氧化途径并释放乙酰辅酶A,然后乙酰辅酶A进入TCA循环以产生ATP。CPT1被认为是脂肪酸氧化的限速步骤(图1)。与其它营养物质(碳水化合物和蛋白质)相比,脂肪酸通过α-氧化途径产生最多的ATP。

Dunning等人。综述了脂肪酸在不同动物模型卵母细胞发育中的作用。〔89〕和McKeGeand和Stumiy〔90〕,因此仅对γ-氧化进行了简要描述。棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸是猪、牛和人卵母细胞中最丰富的细胞内脂肪酸[78、79、84]。通过使用CTP1抑制剂,已经表明,在牛和猪卵母细胞成熟过程中抑制脂肪酸氧化导致胚胎存活率的随后下降[76, 91 ]。有趣的是,尽管其脂质储备低,但卵母细胞成熟过程中α-氧化的抑制阻断AMPK介导的减数分裂恢复[92 ]。此外,牛卵母细胞成熟过程中的脂肪酶活性和激素超排后小鼠卵母细胞中的CPT1表达被发现上调[93,94]。最近的研究表明,L-肉碱(CPT1辅因子)可以增强培养卵泡的氧化,并提高小鼠和牛卵母细胞核和细胞质的成熟度[95 ] C97。类似地,L-肉碱丰富的集体成熟(IVM)培养基增加谷胱甘肽(抗氧化剂)浓度并促进猪卵母细胞的发育[ 98 ]。脂肪酸氧化在细胞核成熟中的重要性也已在小鼠、牛和猪中得到证实(99)。这些结果表明,脂肪酸的代谢,特别是α-氧化途径的代谢,是维持哺乳动物卵母细胞发育能力所必需的。

3、脂肪酸在细胞信号转导中的作用

除了为细胞提供能量外,脂肪酸及其前体/代谢物也被报道为非代谢过程,特别是细胞信号转导所必需的[100101]。二酰甘油(DAG)是甘油脂质代谢的中间产物,也是历史上已知的第一个脂质第二信使[102–C104]。Dag是由磷脂酰肌醇(4,5)-二磷酸水解而成。蛋白激酶C(PKC)是主要因子。DAG与PKC中保守的C1结构域结合可导致PKC活化、细胞周期调控、细胞存活、恶性转化和凋亡[105]。值得注意的是,PKC同工酶参与卵母细胞发育的几个关键步骤,如减数分裂恢复、纺锤体组织和激活[106-C108](图1)。神经酰胺,一种由鞘磷脂水解的直接脂质产物,已被证明是爪蟾卵母细胞减数分裂周期发展的一种生物效应物[109110]。脂肪酸也与核受体和转录因子结合,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)〔111〕。在小鼠和牛卵母细胞中已检测到PPAR和亚克隆,这可能与胚胎发育和雌性育性有关(112, 113)。虽然脂类作为次级信使在哺乳动物卵母细胞发育和控制中的作用是有希望的,但它几乎是一个未被探索的研究领域

卵母细胞氨基酸代谢

氨基酸通过一系列特殊系统进入细胞,在细胞功能中发挥重要作用,包括蛋白质合成、能量产生、有机渗透压细胞和细胞内缓冲液[114–c116]。在过去的几十年中,人们对植入前胚胎中的氨基酸进行了广泛的研究。然而,哺乳动物卵母细胞中氨基酸的转运和利用却鲜为人知。

1、卵母细胞中氨基酸的转运系统

氨基酸转运系统的经典定义是基于底物特异性的范围和特定的钠共转运的存在〔117118〕。Colonna等人。首先,对整个卵子发生过程中分离的小鼠卵母细胞系统进行了检测。尽管成熟的GV卵母细胞缺乏a-转运系统,但它们证明了L-和ASC系统的利用[119]。Van Winkle等人。后来发现,在未成熟卵母细胞中,甘氨酸主要通过甘氨酸系统运输,半胱氨酸/谷氨酸主要通过系统运输[120121]。同样,成熟卵母细胞中也检测到系统*、l、Gly和B0。最近,pelland等人。【117】测定了9种氨基酸在小鼠卵母细胞中的转运特性和11种经典氨基酸转运系统的活性。甘氨酸在卵母细胞生长过程中活性较低,在减数分裂和成熟过程中强烈上调。50、B0和ASC/ASC在卵母细胞生长和成熟的全过程中均具有持续活性。与此一致,卵母细胞显示出不同的氨基酸转运模式[117]。

有报道称,小鼠卵母细胞包埋组卵母细胞在含有[14C]L-丙氨酸的培养基中培养时,其辐射水平高于小鼠卵母细胞去角质组[125]。与小鼠卵母细胞相比,Slc38a3(编码对丙氨酸有高度底物偏好的钠偶联中性氨基酸转运蛋白的转录物)在卵母细胞中大量表达[126]。到目前为止,在颗粒细胞的存在下,甘氨酸、丙氨酸、牛磺酸和赖氨酸进入卵母细胞的转运速率已经被证实[117、120、125]。这些发现有力地表明,卵母细胞和卵泡细胞之间的代谢合作涉及氨基酸的摄取。令人惊讶的是,滤泡细胞并没有给予被阻断的卵母细胞额外的氨基酸转运能力,在某些情况下,它们似乎抑制了小鼠卵母细胞对亮氨酸的摄取[117]。

2、氨基酸在卵母细胞中的利用

卵母细胞中存在大量的转运系统,说明它们有能力利用外界环境中的氨基酸。谷氨酰胺被认为是支持卵母细胞发育的有效能量底物。例如,谷氨酰胺作为唯一的能量来源足以启动COC内小鼠卵母细胞的减数分裂恢复,尽管它不能通过MII阶段完成[127]。向培养基中添加谷氨酰胺可促进牛、仓鼠、狗、兔子和恒河猴卵母细胞的成熟[115128–c131]。谷氨酰胺、天冬氨酸和缬氨酸也可以防止猪卵母细胞的多精子受精[132]。

动物细胞通过主动调节细胞质浓度来控制渗透活性溶质的体积,从而改变细胞内渗透压[133]。Tartia等人。【134】详细研究了小鼠卵母细胞的体积调节。他们发现,GlyT1是一种甘氨酸转运体,在未成熟GV卵母细胞中是固定的,卵母细胞中也含有很少的内源性甘氨酸。然而,GlyT1介导的甘氨酸转运在排卵后数小时内被激活。同时,卵母细胞可以利用甘氨酸调节其体积。这些观察结果表明,在卵母细胞中存在甘氨酸依赖的细胞体积调节机制(图1)。

卵母细胞代谢、母体营养与生殖结局:结合点

越来越多的证据表明,过多的体脂会对女性的生育和怀孕产生不利影响。肥胖女性怀孕时间更长,即使她们周期有规律,而且有流产、子痫前期、妊娠糖尿病和后代先天缺陷的高风险[135-137]。同样,糖尿病控制不良的妇女往往会遭受一系列的生殖问题,如流产、新生儿发病率和死亡率以及先天畸形[138-140]。此外,尽管在整个怀孕期间控制了血糖,但这些妇女的妊娠并发症的发生率仍然高出3至5倍[141],表明母亲糖尿病可能对女性生殖产生永久和不可逆转的影响。同时,动物研究也表明,一系列宏观和微观营养素的缺乏或过量与生殖性能、生育能力、胎儿发育和后代长期健康的严重损害有关[142–144]。

1、母亲营养与生殖

在过去的30年里,大多数研究都集中在早期胚胎和后代的发育上,并研究了母体营养对人和动物模型生殖的影响。

在啮齿动物模型中,母亲高血糖和肥胖对从单细胞合子到囊胚的发育有不利影响[148–153]。最近,我们发现从糖尿病小鼠到非糖尿病小鼠的单细胞合子移植仍然显著增加了后代的先天畸形和生长迟缓[154]。在喂食高脂饮食(HFD)的小鼠中观察到类似的表型[153]。这些发现表明,在卵子发生和受精过程中暴露在紊乱的代谢条件下,足以使胎儿进行永久性的形态变化规划。

来自人类诊所的数据显示,肥胖妇女的着床率和怀孕率低于正常体重妇女[155156]。卵母细胞捐赠模型已被用来确定卵母细胞/胚胎质量或子宫容受性是导致妊娠率下降的主要原因。有几个系统的评论说明了这个问题,并产生了矛盾的结果[159-165]。然而,大多数回顾性研究表明,体重指数(BMI)不太可能对子宫内膜容受性产生负面影响,质量差的卵母细胞或由此产生的胚胎更可能是超重妇女生殖问题的原因[161162]。最近,一项对45000个ART周期的大规模分析得出结论,肥胖的增加与怀孕的可能性降低有关。这种效应只有在使用自体卵母细胞时才能观察到。如果我们使用来自瘦女人的供体卵母细胞,效果会降低[166],这支持了卵母细胞来源决定生殖结果的观点。

综上所述,有人认为母体代谢紊乱早在卵母细胞期就有不良影响,进而使其易受胎儿发育异常甚至后代代谢疾病的影响。母体营养、卵母细胞质量和生殖结局之间的直接因果关系尚未确定。然而,这种关系的证据继续得到巩固。本文从实验动物模型和不孕症临床两个方面总结了母体营养对卵母细胞发育影响的相关资料,并从卵母细胞代谢的角度进行了分析。

营养对卵母细胞代谢的影响-卵母细胞在离开初级静息池和卵泡生长期时,对卵泡环境的变化特别敏感,尤其是营养变化引起的压力[167]。卵泡环境是动物生理状态的反映。因此,母体营养的变化可能会对卵母细胞的代谢活性产生重大影响。如前所述,卵母细胞代谢异常将不可避免地影响卵母细胞的质量和胚胎的发育。

糖尿病是一种以血糖升高为特征的代谢性疾病。利用I型糖尿病小鼠模型,我们发现母体糖尿病显著导致卵母细胞线粒体的结构和空间变化[168]。据此,糖尿病小鼠排卵前后卵母细胞中的ATP和TCA循环代谢物(包括柠檬酸、苹果酸和天冬氨酸)水平下降[155、156、168、169]。在HFD小鼠和高胰岛素血症小鼠身上也观察到类似的现象[153170]。ATP含量的变化可能影响卵母细胞的质量、胚胎发育和着床过程[171172]。具体来说,在减数分裂过程中,微管组装和染色体移动需要ATP。小鼠卵母细胞线粒体损伤可降低ATP含量,破坏减数分裂纺锤体[174]。缺乏pdh-1的小鼠卵母细胞ATP水平不足,染色质和微管异常[12]。来自老化加速小鼠的卵母细胞显示梭形缺陷和与线粒体功能障碍相关的染色体紊乱[175]。最近,在pombe Schizosaccharomyces cerevisiae中,线粒体和纺锤体极之间的联系被发现有助于纺锤体的排列[176]。此外,低mtDNA和ATP含量也可能导致在人卵母细胞中没有用Polscope成像的双折射纺锤体[177]。因此,线粒体代谢紊乱可能与糖尿病、肥胖和胰岛素抵抗小鼠卵母细胞纺锤体缺陷和染色体错位有关。

ROS是线粒体氧化磷酸化的副产物〔178, 179〕。Igosheva等人。【180】肥胖小鼠卵母细胞NAD(P)h含量升高,fad荧光降低,表明ROS生成增加。韦克菲尔德等人。【181】饲喂富含长链n-3多不饱和脂肪酸(PUFA)的饲料可导致小鼠卵母细胞线粒体功能紊乱和ROS水平升高,从而降低受精能力和胚泡形成。这些数据表明,过量的母体营养可能不利地影响卵母细胞的线粒体状态,特别是能量产生和氧化应激,并最终破坏卵母细胞的代谢。

2、多囊卵巢综合征(PCOS)与代谢紊乱有关

多囊卵巢综合征和高雄激素血症妇女的典型特征是在体外受精(IVF)过程中获得的卵母细胞数量增加。然而,这些卵母细胞通常质量较差,导致受精/着床率低和流产率高[182]。用脱氢表雄酮(DHEA)喂养Chow小鼠,发现DHEA染毒小鼠卵母细胞中柠檬酸含量、G6PDH活性和脂质含量均显著低于对照组[183],说明TCA和PPP代谢异常。与动物模型的结果不一致,多囊卵巢综合征患者的卵母细胞与对照组相比,葡萄糖/丙酮酸消耗增加,细胞内NAD(P)H含量降低[184]。这种差异可以解释如下:(1)虽然各种动物模型已经被证明能够模拟肥胖或多囊卵巢综合征妇女的关键表型,但没有一种模型能够完全复制复杂的临床疾病[185–187];或者(2)由于对照组的数量有限,人类卵母细胞的数据有时是年轻健康女性的可变卵母细胞。

HFD小鼠排卵前COCs卵母细胞的脂质水平较高[188-190]。同样,体内高糖环境和体外高糖培养也能提高小鼠卵母细胞的游离葡萄糖水平[63]。糖尿病小鼠未成熟卵母细胞糖原含量也较高,但随着减数分裂的恢复,1,6-磷酸果糖(FBP)水平升高[169],说明高血糖环境导致卵母细胞成熟前糖原储存葡萄糖的积累。相反,糖尿病卵母细胞脂肪酸代谢的两种主要代表酶活性(羟酰辅酶a脱氢酶;hadh2)和氨基酸代谢(谷氨酸丙酮酸转氨酶;gpt2)均低于对照组。此外,糖尿病大鼠模型显示,排卵期和未成熟COCs中前列腺素(PGE2)的产生发生了变化[191192]。其中一些情况被认为是导致糖尿病动物卵母细胞减数分裂行为紊乱的原因。

反刍动物也是揭示围产期营养状况及其对繁殖性能影响的重要模式。在奶牛中,高淀粉饮食对卵母细胞发育有负面影响,增加亮氨酸摄入量可以避免这种情况[193]。牛卵母细胞发育成囊胚的能力也受到粗蛋白摄入过多的损害,这可能是由于卵泡环境中氨和尿素浓度增加的直接毒性效应〔194, 195〕。然而,营养对反刍动物卵母细胞代谢的影响尚不清楚。代谢紊乱与这些动物的卵泡/胚胎代谢之间的关系已经被广泛的综述[142196197]。

潜在机制:卵母细胞代谢与母体营养及生殖结局的关系

代谢条件对卵母细胞代谢和发育的影响见表2。图2显示了母亲营养影响卵母细胞代谢和生殖结果的拟议途径示意图。

1、代谢对卵母细胞线粒体和减数分裂的影响

线粒体是由外膜、内膜、膜空间和基质组成的双层膜细胞器。大量的酶参与不同的代谢途径存在于线粒体基质中,作为细胞能量生产的主要场所。线粒体也有自己的母体遗传基因组,线粒体DNA(mtDNA)。线粒体是卵母细胞中最丰富和最突出的细胞器。在卵母细胞成熟过程中,由于能量需求的不同,线粒体的超微结构和分布会发生周期性的变化[198]氧化磷酸化(OXPHOS)是线粒体的主要功能。大多数ROS是由线粒体呼吸链的电子泄漏产生的。尽管线粒体是活性氧产生的主要场所,但过量的活性氧会损害卵母细胞的线粒体功能[199]。卵母细胞的线粒体功能已经被广泛研究[10167179200]

卵泡液来自鞘内毛细血管的血液。随着卵泡发育的进行,液体在卵泡腔中积聚,沐浴卵母细胞,为卵母细胞发育提供环境[201]。来自动物模型和人类诊所的数据显示,代谢紊乱反映在排卵前卵泡的微环境中[182202203]。

发现糖尿病小鼠卵母细胞葡萄糖含量高于对照组小鼠[63]。由高血糖引起的线粒体功能障碍在各种细胞类型中都有报道[204205]。与此一致,在糖尿病小鼠卵母细胞中观察到线粒体特性的变化,特别是线粒体肿胀和活性氧生成增加[168](图1)。它与卵泡中游离脂肪酸水平升高有关,在HFD小鼠卵母细胞中检测到明显的脂质积聚[188]。当暴露于高脂肪环境时,细胞积累甘油三酯液滴和游离脂肪酸,对其他细胞器如线粒体和内质网(ER)造成显著损伤;这一过程称为脂毒性(206)。肥胖和胰岛素抵抗小鼠的卵母细胞线粒体功能障碍和内质网应激已在不同组中报道[153170180188189200]。一般来说,卵母细胞能量代谢对营养信号的紊乱,可能会降低卵母细胞减数分裂和受精的可能性,降低胚胎着床前发育的损伤。此外,这些异常的卵母细胞线粒体可能在胚胎发生和胎儿发育过程中被母系转移到胚胎中,导致代谢紊乱妇女的生殖问题(图2)。

卵子的营养和能量代谢:备孕吃辅酶Q10和左旋肉

图2。母体营养对卵母细胞代谢和生殖结局影响的示意图

除了卵泡环境对卵母细胞代谢的直接影响外,对颗粒细胞的有害影响还可能破坏与卵母细胞的营养和信号相互作用,间接导致卵母细胞功能障碍,导致妊娠结局不佳。卵母细胞缺乏利用葡萄糖作为能量底物的能力,需要卵丘细胞为自身发育提供糖酵解副产物。丙酮酸和ATP作为卵母细胞糖酵解的相关产物,可以转移到卵母细胞中[207]。

值得注意的是,在肥胖和糖尿病小鼠的颗粒细胞中,代谢异常增加了细胞凋亡,降低了线粒体功能[156188208–c210]。尤其是糖尿病小鼠卵丘细胞葡萄糖摄取明显减少,这与卵母细胞ATP水平降低密切相关。减数分裂恢复后,卵母细胞在转录中变得不活跃。在此阶段,ATP只需要维持卵母细胞的基本代谢和纺锤体形成[212]。与这个概念一致,小鼠模型显示,母亲糖尿病、肥胖和高胰岛素血症导致卵母细胞纺锤体和染色体的不同和异常脱位[153168170213]。同样,machinger等人。对女性严重肥胖(II级和III级肥胖)与卵母细胞特性之间的可能联系进行了直接评估。在重度肥胖患者中,他们显示了未受精卵母细胞中细胞骨架异常的高患病率[214]。纺锤体装配和染色体移动的任何错误都可能导致卵母细胞染色体不平衡,这是导致流产和先天性出生缺陷的主要遗传原因[14215216]。

因此,颗粒细胞能量底物的限制可能破坏卵母细胞的代谢平衡,产生非整倍体生殖细胞,导致代谢紊乱引起的生殖问题。

2、表观遗传学的代谢调控

如上所述,母体代谢紊乱会对卵母细胞质量产生不利影响,导致胎儿生长迟缓和发育缺陷,即使将其从应激环境中移除并转移到正常的子宫环境中。由于这些胎儿畸形在环境损伤后长期存在,对卵母细胞的营养作用可能通过表观遗传途径传递。印记是一种表观遗传机制,在这种机制中,基因由父母以特定的起源方式表达。表观遗传印记的染色体基础是CpG序列的甲基化。印记的建立发生在父母的生殖系中,印记的维持始于胚胎发育期[217]。研究了糖尿病小鼠卵母细胞发育过程中几个印记基因的甲基化。结果表明,母亲糖尿病改变了Peg3-DMR的甲基化模式,H19和SNRPN-DMR无明显变化[218]

此外,在糖尿病小鼠卵母细胞成熟过程中也观察到组蛋白H3和H4乙酰化模式的差异[219]。相比之下,肥胖女性及其后代卵母细胞印记基因的DNA甲基化没有改变。然而,代谢相关基因的DNA甲基化发生了变化。在肥胖小鼠卵母细胞中,瘦素启动子的DNA甲基化水平显著升高,PPAR启动子的甲基化水平降低(220)。有趣的是,罗格列酮可以使肥胖小鼠的卵母细胞发育能力正常化(221),这表明罗格列酮的靶点PPARγ可能是控制卵母细胞质量的代谢机制的关键调节器。未能建立或维持生殖细胞甲基化模式可能导致胎儿生长异常、胎盘衰竭和人类疾病[222]。

一个研究较少但新近出现的概念是将有关细胞代谢状态的信息整合到表观遗传调控中[223]。各种酶负责增加或消除表观遗传修饰已被确定。这些酶在表观遗传基因调控中发挥着重要作用,它们利用细胞代谢产生的底物或辅因子,在营养、代谢和表观遗传修饰之间提供潜在的联系[224]。胞浆乙酰辅酶A主要来源于柠檬酸盐,由哺乳动物细胞线粒体输出。放射性标记的葡萄糖示踪实验表明,组蛋白H4K16上约一半的乙酰基来自葡萄糖乙酰辅酶A[225](图1)。同样,乙酰辅酶A产生酶的废除导致了整体组蛋白乙酰化的减少[226]。S-腺苷蛋氨酸(SAM)是从必需氨基酸蛋氨酸中以ATP依赖的方式提取的。组蛋白和DNA甲基化都需要Sam作为高能甲基供体[227]。对于低ATP/Amp比率,AMPK可以转移到染色质和磷酸组蛋白H2B丝氨酸36[228]中(图1)。还有证据表明,葡萄糖和葡萄糖代谢的变化会留下持久的表观遗传标记[229]。

尤其是在缺乏营养的情况下,卵母细胞的代谢紊乱,如柠檬酸盐水平降低、ATP/Amp比值降低、糖/脂积累减少。本文概述的结果为理解营养如何影响卵母细胞代谢的表观遗传修饰,从而影响受表观遗传改变影响的胚胎/后代的发育提供了一个机制框架(图2)。未来的研究应该集中在确定特定的代谢物和代谢共基质如何与染色质相互作用来改变基因表达。

此外,越来越多的证据表明代谢性mTOR/PTEN/PI3K信号通路在小鼠卵泡生长和卵母细胞发育中起关键作用[230231]。遗传数据显示,在卵母细胞缺乏PTEN的小鼠中,所有原始卵泡在成年早期都会耗尽,导致卵巢早衰[232]。PI3K-Akt-mTOR途径参与卵母细胞mRNA翻译的体细胞调控,影响其发育能力[233]。值得注意的是,HFD诱导的肥胖通过激活mTOR信号促进卵泡发育和卵泡丢失率[234]。MTOR最近也被证明在多囊卵巢综合征小鼠的卵巢中起作用[235]。然而,目前尚不清楚这些卵母细胞代谢途径是否介导营养对妊娠结局的影响。本课题将是一个有价值的研究方向,值得进一步关注。此外,为了应对母体营养的变化,我们发现了一系列卵巢外和卵巢内因子的波动,如表皮生长因子(EGF)、胰岛素样生长因子(IGFs)和瘦素[182、236、237]。它们是否以及如何影响卵母细胞质量和生殖结果需要进一步澄清,这里不讨论,因为这超出了本综述的范围。

总之,越来越多的证据支持一个模型,即母体营养失衡会扰乱卵母细胞能量代谢。这种破坏通过减数分裂、线粒体或表观遗传修饰的代谢控制进一步导致生殖问题。结果,减数分裂缺陷导致非分离诱导胚胎非整倍体。线粒体功能失调的补体在胚胎发育过程中是母系传递的,表观遗传变化可能在胚胎发育过程中传播,导致后代发育异常。需要进一步澄清,以排除卵母细胞中其他可能的代谢相关途径,这些途径介导母体营养对生殖结果的影响。

代谢分析与卵母细胞质量

1、卵母细胞中代谢物的测定

哺乳动物卵母细胞的代谢分析始于20世纪80年代,主要利用放射性标记底物来确定卵母细胞的生长和成熟需要。该领域的一系列基础发现相继被发现,如葡萄糖和丙酮酸的利用、核糖核苷和次黄嘌呤的摄取和代谢以及卵母细胞发育过程中氨基酸的转运[40,52117238–242]。或者,我们开发了一种技术来测量单个卵母细胞或植入前胚胎中的代谢物和酶活性,这种技术不使用放射性,而是使用基于吡啶核苷酸荧光信号放大的酶循环反应[243]。NADH和NADPH在紫外光附近有相同的吸收带,在340nm处达到峰值。NAD和NADP在此波长处不被吸收。因此,可以在分光光度计中测量氧化或还原的变化。

根据这一原理,对每一种代谢物分别进行分析,设计成将以nad/NADH或NADP/NADPH结尾的反应连接起来,然后在循环反应中被酶放大,在荧光分析中测量放大步骤的副产物。我们之前的文献[64169244]描述了详细的分析条件。

2、卵母细胞质量指标的代谢组学研究

最近的研究试图超越单一物质来研究卵泡环境的所有生化成分,即代谢组学。代谢组学分析旨在确定和量化细胞内和细胞外代谢物的收集。从概念上讲,代谢组学中有两种基本的分析方法:靶向分析(仅限于对代谢产物分析的单一或选择性定义)和代谢产物光谱分析(使用单一分析技术研究靶向化合物及其代谢产物的选择性基团)[245]。代谢组学的应用受到广泛关注。然而,由于需要大量的物质,直接分析卵母细胞的代谢组学仍然是一个巨大的挑战。因此,开发一种用于纳米和股骨样本的代谢谱分析技术,甚至可以降低到单细胞水平[246–c248],将大大提高我们对卵母细胞代谢的认识,改善体外成熟系统。

卵母细胞质量作为生殖技术的关键因素,对受精、早期胚胎存活、妊娠维持和后代健康有着深远的影响。因此,寻找可靠、无创的指标来预测人和动物生殖卵母细胞的质量是生殖生物学家面临的重要问题。一般来说,由于其主观性和不精确性,用形态学特征作为卵母细胞质量的预测指标仍有争议。卵泡为COC的发育提供了非常重要的微环境。这使得卵泡细胞和卵泡液分泌的因子成为无创、可操作的卵母细胞质量预测因子的理想来源。一项涉及卵泡液、卵丘细胞或培养基的基因组、转录组、蛋白质组或代谢组分析的全球评估策略已应用于辅助生殖[249]。代谢组学允许对生物过程的理解得以完成,因为它可以提供细胞过程的生物终点的生物标记,这些终点是由疾病、药物暴露或营养变化引起的[250]。

目前,代谢产物谱线的评价是基于光谱/光谱和色谱技术,如核磁共振(NMR)、质谱(MS;通常与色谱法结合)和光学光谱。核磁共振和质谱都能从一个样品中获得各种化合物的信息,并已应用于培养基和卵泡液的分析[251–c255]。核磁共振首次记录了卵泡发育过程中卵泡液中脂蛋白浓度的变化[256]。大鼠颗粒细胞的核磁共振分析表明,FSH增加了磷酸戊糖途径的活性[257]。使用气相色谱-质谱(GC/MS)的代谢组学,bender等人。【258】奶牛卵泡液中饱和脂肪酸含量高于母牛卵泡液中二十二碳六烯酸含量。奶牛体内有害饱和脂肪酸含量的增加将对卵母细胞成熟和早期胚胎发育产生不利影响,这可能解释了小母牛和哺乳母牛生育能力的差异。

3、卵泡液的液相色谱分析

LC-MS/MS分析显示,与肥胖无关的多囊卵巢综合征患者芳香族氨基酸的含量增加,而支链氨基酸、谷氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和精氨酸的含量随着BMI的增加而增加[259]。卵泡液中特定氨基酸的破坏可能损害卵母细胞的质量,导致肥胖和多囊卵巢综合征妇女妊娠结局差。高效液相色谱还表明,非侵入性氨基酸谱可用于测定牛卵母细胞的发育能力[260]。近红外光谱和拉曼光谱是代谢分析中最常见的光谱类型。虽然通过这两种方法获得的代谢物分析与胚胎发育潜能的成功有关[254261262],但也有相反的结果报告[263264]。

一般来说,卵母细胞和周围卵丘细胞缺乏直接的代谢组学分析。这一领域的数据无疑将为卵母细胞发育的代谢调控提供必要的网络。

结论

本文综述了卵母细胞发育所必需的代谢途径。这一领域的研究主要集中在外源营养素方面,因此运输系统和代谢酶对卵母细胞生长发育的内在调控相对被忽视。代谢紊乱,如肥胖和糖尿病,对生育、怀孕和后代的健康都有显著的不利影响。在这篇综述中,我们强调内源性卵母细胞代谢与母体营养和生殖结局之间的关系,重点是减数分裂、线粒体和表观遗传修饰的代谢控制。

显然,需要进一步的研究来揭示营养在胚胎发生和后代发育过程中如何影响卵母细胞代谢的机制细节。通过对卵泡液、卵丘细胞和培养基的代谢组学分析,将全局评价策略应用于辅助生殖。代谢组学数据可用于预测卵母细胞质量和预防生殖缺陷,但其应用尚处于起步阶段。

原文:细胞分子生命科学。2015年1月;72(2):251–271。Doi:10.1007/s00018-014-1739-4

总之,卵母细胞发育的代谢控制与母体营养密切相关,影响生育和胎儿发育的结果。

要想提高怀孕成功率,一定要注意身体的微环境因素和营养代谢,泰国绝对健康再生医疗中心可以进行这种精确的检查和精细的调理,帮助你怀孕。