杨乔瑞 潘紫萌 孙畅 孙淼 匡洪影
多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)是当今女性无排卵性不孕最常见的原因之一，全世界的发病率约为5%～20%[1]。随着研究的深入，人们逐渐认识到PCOS不仅会造成女性不孕，更会增加罹患心血管疾病、代谢综合征、子宫内膜癌、妊娠期糖尿病和先兆子痫等疾病的风险[2]。但是，目前为主，学术界关于PCOS确切的发病机制仍然没有统一认识。不过，可以确定的是，PCOS并不是一种由单一机制所引起的代谢紊乱性疾病，而是与遗传、生活方式、环境、社会以及心理因素都密切相关的内分泌疾病[2-3]。
近年来，国内外学者研究发现线粒体功能障碍和线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突变与PCOS存在着紧密联系。线粒体作为参与细胞能量代谢、钙稳态、脂肪酸氧化和凋亡等生命活动的重要细胞器，一直是多种代谢性疾病的研究热点[4]。线粒体功能异常可引起呼吸链功能紊乱，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)生成减少和活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生增加，氧化还原途径失衡以及mtDNA编码异常，并参与到PCOS的发生与发展中[5-6]。同时有研究指出[7-11]，二甲双胍、褪黑素、米托蒽醌甲磺酸盐(mitoquinol mesylate,MitoQ10)和维生素D3等多种治疗方式能通过促进线粒体生物发生过程，缓解PCOS临床症状，这更加彰显了线粒体损伤在PCOS病程中的重要地位。本文则对近些年关于线粒体功能障碍与PCOS发生机制和相关治疗的研究进行综述，为临床治疗PCOS提供新思路。
一、 PCOS与线粒体形态损伤
线粒体作为细胞内重要的细胞器，其特殊的双层膜结构与嵴结构在能量代谢过程中具有关键意义。近年来，有学者在电镜下发现PCOS模型小鼠卵母细胞线粒体可见明显的嵴肿胀与空泡改变[12]。同时，这种线粒体损伤并不局限于卵母细胞，研究人员在骨骼肌细胞中也观察到了类似的表现[13]。在PCOS患者体内，这种线粒体损伤也十分常见。有学者发现，PCOS患者颗粒细胞内线粒体从正常的豆状逐渐转变成球状，并伴有不同程度的空泡变性、嵴消失和膜破裂，线粒体分裂与融合动态失衡[14-15]。此外，Risal等[16]也在PCOS小鼠后代的卵母细胞内发现了较正常小鼠更为明显的线粒体肿胀。这预示着线粒体损伤在PCOS发生发展中所占据的位置远比想象中重要，线粒体损伤不仅可能加重PCOS临床症状，更可能通过减数分裂遗传给子代，成为PCOS家族聚集性的重要原因。
二、PCOS与线粒体基因突变
人类mtDNA遵循严格的母系遗传，其突变率远高于核DNA[17]。在一项对PCOS患者线粒体基因组全序列突变筛查的研究中发现，mtDNA V区9-bp缺失变异在PCOS患者和健康人群之间存在着显著差异，可能与PCOS异质性有关[18]。这一发现与Zhuo等[19]观察结果相类似，同时他们还发现PCOS患者mtDNA的D环非编码区存在16个碱基改变，12S 核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)存在7个基因变异，16S rRNA存在3个基因变异，6个转运RNA形态结构发生改变，其他变异主要集中在参与氧化磷酸化的复合体上。这些突变可能通过影响mtDNA转录翻译过程和线粒体呼吸链功能参与了PCOS的发生发展。
线粒体转运RNA(mitochondrial transfer RNA，mt-tRNA)发生突变亦可导致线粒体蛋白质合成障碍，影响氧化磷酸化过程，在PCOS发生中也具有重要意义。Ding等[20]发现线粒体tRNALeu(UUR)C3 275T,tRNAGlnT4 363C和tRNALysA8 343G错义突变会导致线粒体tRNA二级结构发生改变，mtDNA拷贝数减少，线粒体膜电位降低，ROS产生增加和ATP合成减少，而线粒体膜电位损伤又会进一步促使突变细胞内ROS产生增多，形成恶性循环，从而导致PCOS各种临床表型。该研究组还从一个胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)家系中发现tRNALeu(UUR)A3 302G的错义突变会致使线粒体呼吸链复合体I严重缺乏，同时降低复合体IV活性，减少mtDNA拷贝发生，并与胰岛素水平和IR指数呈负相关，提示线粒体tRNALeu(UUR)A3 302G突变与PCOS女性IR发生紧密相关[21]。此外，研究者们还发现tRNALeu(UUR)C3 275A、mt-tRNAGlnT4 363C、mt-tRNAGlnT4 395C、mt-tRNASer(UCN)C7 492T、mt-tRNAAspA7 543G、mt-tRNALysA8 343G、mt-tRNAArgT10 454C以及mt-tRNAGluA14 693G这8个mt-tRNA突变可能与PCOS-IR发生也有着密切关系[22]。目前研究表明，PCOS患者线粒体内80%的突变局限在进化保守的碱基区，主要参与mt-tRNAs二级结构的发育，而tRNA二级结构的损坏会致使胰岛β细胞线粒体蛋白质合成和呼吸功能障碍，参与PCOS-IR的发生[23]。
除了mt-tRNA基因改变，NADH脱氢酶亚单位5(NADH dehydrogenase subunit 5，ND5)基因突变也与PCOS-IR有着十分密切的联系。有研究在PCOS患者mtDNA中发现[24]，ND5 T12 338C和tRNASer(UCN)C7 492T发生突变，可能导致ND5 信使RNA(messenger RNA，mRNA)表达水平降低和tRNASer(UCN)三级结构发生改变，最终对PCOS-IR的发生起促进作用。总而言之，mtDNA翻译或转录的任一环节突变失衡都有可能引起氧化应激和ATP氧化磷酸化通路的解偶联，胰岛β细胞功能被破坏，胰岛素分泌减少，不足以抑制肝葡萄糖产生或刺激外周组织摄取葡萄糖，是PCOS-IR的重要发病机制之一。
线粒体D环区是线粒体基因组中唯一的非编码区，是mtDNA复制和转录的主要调控位点。研究发现印度南部PCOS人群D环区携带D310与A189G变异者，mtDNA拷贝数显著减少，可导致mtDNA编码基因表达减少、线粒体功能障碍、ROS生成增加以及PCOS进展[25]。Shukla等[26]则在30名PCOS患者中发现了6个全新的D环区变异点，分别为342G、16 308G、16 389C、205C、568G和569G，并指出聚合酶γ功能异常是PCOS患者mtDNA变异的主要来源，仅有少数mtDNA变异是由于氧化损伤所引起。此外，D环区16184C碱基缺失也可能与PCOS发病和月经周期紊乱有关[27]。
因此，无论是mtDNA自身突变，还是rRNA，tRNA或mRNA变异，最终都可导致线粒体蛋白质合成和功能障碍，氧化还原途径异常，电子传递和ATP形成的偶联机制被打破，ATP与ROS含量发生改变，细胞内稳态失衡，从而出现IR等一系列临床症状。
三、PCOS与线粒体mtDNA甲基化
Jia等[28]从猪的多囊样卵巢中发现，卵母细胞线粒体内编码12S rRNA、16S rRNA和NADH脱氢酶亚单位4的mtDNA序列以及D环区显著超甲基化，线粒体膜电位降低，mtDNA拷贝数和编码基因表达量均显著降低，说明超甲基化可能是导致卵母细胞线粒体功能障碍和质量下降，卵细胞发育异常的重要原因之一。他们还发现，同型半胱氨酸能够通过激活单碳代谢途径引起上述类似改变，而DNA甲基转移酶抑制剂5′AZA可挽救同型半胱氨酸所诱导的mtDNA高甲基化，解除线粒体功能障碍，恢复卵母细胞的正常发育[29]，这可能是促进PCOS患者卵泡发育和改善生殖功能的潜在研究方向。
四、PCOS与线粒体蛋白水平改变
线粒体内膜上UCP2蛋白水平的升高可促使雄激素合成增多，从而介导PCOS高雄激素血症的发生[30-31]。过高的雄激素水平又能致使胰岛β细胞线粒体生物发生过程异常，线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1a，PGC1α)和核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1，NRF1)表达下调，且mtDNA编码的NADH脱氢酶亚单位1、NADH脱氢酶亚单位3、线粒体呼吸链复合体II、线粒体呼吸链复合体IV、ATP合成酶亚单位β(ATP synthase β-subunit，ATPsyn-β)也呈表达下调状态[32]，ADP/ATP比值升高，mtDNA拷贝数减少，ROS产生增加[33]，线粒体氧化还原平衡被打破，表明雄激素水平升高通过破坏胰岛β细胞线粒体稳态影响胰岛素分泌。
Sánchez-González等[34]进一步证实了大鼠ATPsyn-β与胰岛素分泌缺乏之间的反向关联关系，提示ATPsyn-β可能是PCOS远期并发2型糖尿病等疾病的重要因素。
在高雄激素血症和IR的共同作用下，PCOS不孕率远高于健康人群[35]。Emidio等[36]在PCOS模型小鼠卵巢组织中观察到去乙酰化酶1/3(sirtuin1/3，SIRT1/3)和超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase，SOD2)表达上调，PGC1α和TFAM表达下调，说明PCOS改变了卵巢线粒体内的氧化还原环境，SIRT3/SOD2驱动的抗氧化反应被显著激活，但线粒体数量的减少反映了该抗氧化机制仍不能阻止线粒体功能的衰竭，卵巢线粒体功能受到损害，可能是卵泡发育异常和不孕的危险因素。PCOS除了对卵巢造成损害，对胎盘线粒体正常功能也有一定的影响。Zhang等[37-38]发现PCOS样大鼠体内的高雄激素和IR环境通过减少mtDNA拷贝数和动力相关蛋白1(dynamin related protein 1，Drp1)、PGC1α、NRF1等基因表达致使子宫线粒体功能受损和氧化-抗氧化应激反应失衡，同时胎盘线粒体-ROS-SOD1/NRF2轴功能失调，最终引起早产、流产等不良生殖结局。
五、PCOS与线粒体氧化应激损伤
氧化应激是指ROS产生与抗氧化机制之间的失衡[39]，而ROS主要来源于线粒体，是氧化代谢反应的副产物[40]。Khashchenko等[41]发现正常体重PCOS患者通过激活抗氧化防御机制、减少脂质过氧化和全身炎症反应来减弱机体的氧化应激损伤，而肥胖合并代谢紊乱的PCOS患者呈现出典型的线粒体氧化/抗氧化失衡和炎症反应活化，加剧了PCOS胰岛素抵抗、动脉粥样硬化等并发症的发生。其中，炎症反应的活化不仅能直接降低卵母细胞质量，还能影响线粒体正常呼吸功能，导致ROS积累和mtDNA代偿性增加，氧化应激被过度激活，临床表现为PCOS 患者卵子及胚胎质量下降，较低妊娠率和高流产率等[42]。此外，氧化应激损伤还参与了PCOS卵细胞发育异常、排卵障碍、脂质代谢紊乱等病理过程[43-44]。
六、PCOS相关线粒体损伤的药物治疗
二甲双胍在临床上用于PCOS多毛、痤疮和IR的治疗，但其具体作用机制至今未明[8]。Randriamboavonjy等[7]在伴有IR的PCOS患者血小板中观察到二甲双胍通过AMPKα1依赖机制增强血小板Ser637上Drp1的磷酸化，抑制线粒体过度分裂。通过恢复线粒体正常体积和基础呼吸速率，降低血小板的高反应性，进而发挥二甲双胍对PCOS并发心血管疾病的防治作用。此外，二甲双胍还能增加白细胞线粒体耗氧量、膜电位、线粒体质量和谷胱甘肽水平，降低ROS和H2O2水平，对线粒体产生有益影响，这可能是二甲双胍改善PCOS患者外周IR的分子机制[8]。Atef等[45]提出将硒作为治疗PCOS的一种新策略，其作用与二甲双胍相当，硒能恢复线粒体动态蛋白的平衡，减轻氧化应激和线粒体功能障碍，调节线粒体动力学，较二甲双胍更显著改善PCOS相关内分泌代谢表型和组织病理学改变。
褪黑素与MitoQ10均为线粒体靶向抗氧化剂。研究表明，褪黑素能够显著提高PCOS患者颗粒细胞中SIRT1蛋白的表达水平，抑制PINK1/Parkin介导的线粒体过度自噬，提高线粒体膜电位和mtDNA含量，从而改善线粒体的功能障碍和PCOS表型[9]。MitoQ10则是通过提高大鼠血清中SOD和谷胱甘肽等指标，增强抗氧化能力，改善受损的线粒体功能和PCOS的IR，逆转PCOS内分泌紊乱和生殖障碍状态[10]。
维生素D3目前多被用于缓解PCOS临床症状，Safaei等[11]发现维生素D3可能通过刺激DHEA诱导的PCOS小鼠颗粒细胞MAPK(ERK1/2)通路来促进线粒体生物发生，上调PGC1α和NRF1表达，降低ROS水平，恢复线粒体功能，降低颗粒细胞凋亡率，在维持卵泡发育和排卵中发挥重要作用。这预示着未来线粒体靶向治疗可能成为治疗PCOS的研究热点，能同时有效改善PCOS生殖、代谢和内分泌异常，减缓并发症发生。
线粒体是人体最重要的细胞器之一，越来越多的研究表明，线粒体与许多疾病有着密切联系。线粒体功能障碍和基因突变不仅参与了PCOS高雄激素血症、高胰岛素血症、IR、排卵障碍或无排卵等病理过程，在PCOS的远期并发症中也起到了一定的作用。因此，如何有效地恢复线粒体形态和呼吸链功能，减少ROS产生和线粒体自噬发生，恢复氧化还原平衡，促进线粒体蛋白的正常表达，抑制氧化应激和mtDNA突变的发生，对PCOS防治有着重要的指导意义。
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