范冰峰,趙向遠(yuǎn),韓玉萍,李文,李曉霞,許保增
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所,特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130112)
卵母細(xì)胞成熟和排卵過程對于雌性動(dòng)物的生殖生理十分重要,顆粒細(xì)胞利用多種細(xì)胞之間的相互作用和信號(hào)調(diào)節(jié),將這2 個(gè)過程緊密聯(lián)系起來[1]。在雌性哺乳動(dòng)物中,卵母細(xì)胞被單層扁平的顆粒細(xì)胞包裹,卵母細(xì)胞停滯在第一次減數(shù)分裂前期的雙線期。隨著卵泡的不斷發(fā)育,顆粒細(xì)胞由扁平狀變?yōu)橹鶢?,由單層變?yōu)槎鄬?。在卵泡刺激素(follicle stimulating hormone,F(xiàn)SH)的作用下,卵泡腔形成,卵泡成熟。在黃體生成素(luteinizing hormone,LH)峰作用下,卵丘擴(kuò)展、卵母細(xì)胞減數(shù)分裂恢復(fù)、卵泡破裂,以實(shí)現(xiàn)排卵。顆粒細(xì)胞依據(jù)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)分為壁層顆粒細(xì)胞(mural granulose cell,MGC)和卵丘細(xì)胞(cumulus cell,CC)[2],壁層顆粒細(xì)胞參與細(xì)胞分化和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[3],卵丘細(xì)胞參與細(xì)胞增殖和代謝[4]。卵丘細(xì)胞 通過縫隙連接(gap junction,GJ)與卵母細(xì)胞形成卵丘-卵母細(xì)胞復(fù)合體(cumulus-oocyte complexes,COCs)[5],研究卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞之間的直接交流或旁分泌作用對排卵過程的影響,有助于人們理解生殖細(xì)胞發(fā)育的機(jī)理。本文綜述了顆粒細(xì)胞對卵母細(xì)胞成熟的影響、顆粒細(xì)胞與卵母細(xì)胞的互作對排卵過程的影響以及卵丘擴(kuò)展對卵母細(xì)胞成熟和排卵的影響,以期為哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞體外成熟體系的建立,以及排卵機(jī)理的研究提供新的思路。
卵母細(xì)胞中的葡萄糖不能通過糖酵解直接分解供能,卵丘細(xì)胞的胞質(zhì)突起穿過透明帶與卵母細(xì)胞直接接觸,而末端通過縫隙鏈接卵母細(xì)胞質(zhì)膜,為卵母細(xì)胞提供營養(yǎng)代謝物質(zhì)[6]。卵母細(xì)胞通過縫隙鏈接獲得氨基酸、核苷酸、谷胱甘肽和糖代謝產(chǎn)物[7]等物質(zhì),為卵母細(xì)胞提供能量[8]。Herrick 等[9]研究發(fā)現(xiàn),山羊COCs的糖酵解速率是氧化磷酸化速率的3 倍,在卵母細(xì)胞成熟過程中葡萄糖是COCs 的關(guān)鍵能量代謝物,糖酵解是關(guān)鍵的能量代謝途徑。由于卵母細(xì)胞磷酸果糖激酶和乳酸脫氫酶活性低,卵母細(xì)胞的糖酵解效率僅為COCs 的50%,葡萄糖主要由卵丘細(xì)胞糖酵解產(chǎn)生丙酮酸和乳酸,轉(zhuǎn)移至卵母細(xì)胞線粒體中,為其分解供能[4]。卵母細(xì)胞又通過上調(diào)卵丘細(xì)胞中糖酵解基因的表達(dá)來保證其丙酮酸的供應(yīng)[10]。通過對醛糖還原酶和山梨醇脫氫酶在卵巢顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞中的表達(dá)定位分析,表明葡萄糖在顆粒細(xì)胞中還原脫氫形成的山梨醇,會(huì)被卵母細(xì)胞間接合成果糖供能[11]。卵母細(xì)胞成熟主要由顆粒細(xì)胞提供能量物質(zhì)。
在生長卵泡中,顆粒細(xì)胞分泌類固醇和肽類激素來調(diào)節(jié)發(fā)情周期,卵母細(xì)胞積累母體所需的mRNA和蛋白質(zhì),為卵母細(xì)胞減數(shù)分裂、成熟和胚胎發(fā)育做準(zhǔn)備。腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)、環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)和環(huán)磷鳥嘌呤核苷(cyclic guanosinc monophosphate,cGMP)這些信號(hào)分子不僅可以為卵母細(xì)胞提供能量,同時(shí)對于恢復(fù)卵母細(xì)胞減數(shù)分裂阻滯十分重要。在卵母細(xì)胞周期性調(diào)節(jié)過程中,成熟促進(jìn)因子(maturation promoting factor,MPF)直接或間接地調(diào)節(jié) cAMP-PKA 信號(hào)通路。高水平的cAMP 通過激活卵丘細(xì)胞中腺苷酸環(huán)化酶,維持細(xì)胞周期蛋白的MPF 處于無活性狀態(tài),使其無法恢復(fù)減數(shù)分裂[12]。cGMP 是由跨膜鳥苷酸環(huán)化酶利鈉肽受體2(natriuretic Peptide Receptor 2,NPR 2)產(chǎn)生的,它存在于顆粒細(xì)胞中,但不存在于卵母細(xì)胞中,在維持減數(shù)分裂停滯起著重要作用。排卵前期,處于顆粒細(xì)胞的cGMP 通過縫隙鏈接擴(kuò)散到卵母細(xì)胞,使cGMP 的拮抗劑cAMP 磷酸二酯酶失活,從而導(dǎo)致高水平的 cAMP 無法降解,抑制減數(shù)分裂進(jìn)程[13]。即使是在成熟的最后幾小時(shí)去除卵丘細(xì)胞層,卵母細(xì)胞成熟并發(fā)育成正常胚胎的能力也會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害[14]。
卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的恢復(fù)需要顆粒細(xì)胞的誘導(dǎo),主要有3 個(gè)因素:①LH 峰誘導(dǎo)卵丘細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶3/1(MAPK 3/1)活化[15],同時(shí)降低壁層顆粒細(xì)胞中 C 型利鈉肽(C-type natriuretic peptide,NPCC)的濃度,導(dǎo)致成熟抑制因子 cAMP 水解,減數(shù)分裂恢復(fù);②縫隙連接對減數(shù)分裂的恢復(fù)作用,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)小鼠卵母細(xì)胞縫隙鏈接被破壞時(shí),阻滯減數(shù)分裂的信號(hào)則無法進(jìn)入卵母細(xì)胞,減數(shù)分裂恢復(fù)[16];③LH受體(LH receptor,LHR)是G 蛋白偶聯(lián)受體家族成員,在卵巢中介導(dǎo)LH 峰對細(xì)胞的作用。LHR 在卵母細(xì)胞和卵丘細(xì)胞中幾乎不表達(dá),而在顆粒細(xì)胞大量表達(dá),所以顆粒細(xì)胞在傳遞LH 排卵信號(hào)中起著橋梁作用[8]。收集COC并進(jìn)行體外培養(yǎng)時(shí),卵母細(xì)胞發(fā)展到具有受精和發(fā)育能力的MII 期,在對裸卵體外培養(yǎng)時(shí),卵母細(xì)胞成熟率和受精率均低于COC 的水平,這表明顆粒細(xì)胞對于促進(jìn)卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的恢復(fù)起重要作用[17]。
卵母細(xì)胞通過分泌骨形態(tài)發(fā)生蛋白15(bone morphogenetic protein 15,BMP 15)和生長分化因子 9(growth differentiation factor 9,GDF 9)調(diào)節(jié)卵丘細(xì)胞基因的表達(dá)。這些細(xì)胞因子通過抑制編碼LHR 的基因,使得排卵前卵丘細(xì)胞表達(dá)的 LHR 蛋白水平降低[18],來抑制促性腺激素誘導(dǎo)孕酮的合成,從而調(diào)控卵泡的發(fā)育和排卵。同時(shí),GDF 9 和BMP 15 激活了卵丘特異性代謝的關(guān)鍵基因表達(dá),如糖酵解酶[19]和膽固醇生物合成酶[20],它們是卵母細(xì)胞活力和功能的重要介質(zhì)。GDF 9 和BMP 15 通過TGF- 超家族受體發(fā)出信號(hào)激活細(xì)胞內(nèi) Smads 途徑[21]。Pangas 等[22]通過敲除 Smad 4 的小鼠研究發(fā)現(xiàn),顆粒細(xì)胞黃體化提前,孕酮水平上升,最終導(dǎo)致卵巢功能早衰。從COCs 中去除卵母細(xì)胞或用GDF 9/BMP 15 的拮抗劑處理會(huì)導(dǎo)致顆粒細(xì)胞異常誘導(dǎo)和卵丘特異性基因表達(dá)的丟失[23]。Qin 等[24]通過建立BMP 15 基因敲除模型豬,轉(zhuǎn)錄組分析顯示BMP 15 影響顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞發(fā)育,包括抑制細(xì)胞的增殖分化和卵泡刺激素受體表達(dá),導(dǎo)致雌二醇產(chǎn)生的減少,異常卵泡數(shù)量增加,有腔卵泡異常增大,導(dǎo)致排卵障礙和生殖激素紊亂。
Yu 等[25]建立了特異性敲除DNA 損傷結(jié)合蛋白1(damage specific DNA binding protein 1,DDB 1)和DDB 1-CUL 4 相關(guān)因子 1(DDB1-CUL 4 associated factor 1,DCAF 1)的小鼠動(dòng)物模型,發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞內(nèi)的DDB 1/DCAF 1 是卵丘擴(kuò)張和排卵相關(guān)基因表達(dá)所必需的。其潛在的機(jī)制是DDB 1/DCAF 1 缺失損害了編碼卵母細(xì)胞的旁分泌因子GDF 9、BMP 15 和成纖維細(xì)胞生長因子 8(fibroblast growth factor 8,F(xiàn)GF 8)基因的表達(dá),未能激活周圍卵丘細(xì)胞中的 TGF- 信號(hào),影響了COCs 對LH 峰排卵信號(hào)的反饋,進(jìn)而導(dǎo)致排卵率顯著下降。Andreu-Vieyra 等[26]研究發(fā)現(xiàn),若卵母細(xì)胞特異性缺失MⅡ組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶,導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄沉默,卵泡破裂受阻,排卵過程被阻斷,因此通過卵母細(xì)胞與顆粒細(xì)胞之間的信號(hào)交流情況,可以判斷成熟的卵母細(xì)胞能否順利排出。干細(xì)胞因子(stem cell factor,SCF)是一種表達(dá)于顆粒細(xì)胞、膜細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞因子,通過與卵母細(xì)胞上的酪氨酸激酶受體C-Kit結(jié)合,激活磷脂酰肌醇3 磷酸信號(hào)通路,促進(jìn)了卵母細(xì)胞因子的產(chǎn)生,調(diào)節(jié)卵泡發(fā)育并觸發(fā)排卵[27]。Salmassi等[28]通過研究卵泡成熟、排卵、著床和妊娠過程中血清SCF 水平在月經(jīng)周期中的變化,發(fā)現(xiàn)SCF可能是卵泡成熟的一個(gè)潛在的標(biāo)志物,血清中SCF 水平反映了卵泡成熟程度并有助于預(yù)測卵母細(xì)胞的成熟度。Tan等[29]研究發(fā)現(xiàn),顆粒細(xì)胞中的卵母細(xì)胞水平與卵母細(xì)胞的發(fā)育潛能呈正相關(guān),隨著SCF 的水平提高,卵泡的排卵能力有顯著提高。
Noch 信號(hào)是一條進(jìn)化保守的途徑,可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。Notch 信號(hào)通路在卵泡發(fā)育中起關(guān)鍵作用,c-Myc 是 Notch 信號(hào)的直接靶基因,Notch信號(hào)通過誘導(dǎo)c-Myc 的表達(dá)來調(diào)控顆粒細(xì)胞的增殖。Zhang 等[30]利用 Notch 通路抑制劑 L-685、458 和DAPT 處理體外培養(yǎng)的原始卵泡后,卵泡發(fā)育完全停滯,原因是c-Myc 的表達(dá)水平降低,抑制了顆粒細(xì)胞的增殖,導(dǎo)致卵母細(xì)胞變性、胞漿濃縮,最終引起卵泡發(fā)育不全。顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞之間的相互作用對于卵泡的正常發(fā)育、排卵非常重要。
Gershon 等[31]研究發(fā)現(xiàn),卵丘細(xì)胞與卵母細(xì)胞之間形成重要通訊結(jié)構(gòu)——縫隙鏈接參與了卵泡生長、卵子發(fā)育和黃體形成的過程。其中,連接蛋白37(connexin-37,Cx-37)和連接蛋白 43(Connexin-43,Cx-43)已被證實(shí)在調(diào)節(jié)卵泡生長和卵母細(xì)胞成熟中起著關(guān)鍵作用[32]。Cx-37 是連接卵母細(xì)胞和卵丘細(xì)胞之間的連接蛋白,被敲除Cx-37 的小鼠,其卵母細(xì)胞和卵丘之間細(xì)胞偶聯(lián)被破壞,細(xì)胞核成熟受阻,無法正常排卵[33]。Cx-43 是連接卵丘細(xì)胞和壁層顆粒細(xì)胞之間的連接蛋白,在大鼠卵巢中卵泡的發(fā)育和成熟過程中均受到Cx-43 的周期性調(diào)節(jié),排卵前 Cx-43 在卵丘細(xì)胞和壁層顆粒細(xì)胞中大量合成,排卵后Cx-43 的表達(dá)被迅速抑制[34]。值得注意的是,存在于卵巢中的TGF- 超家族的亞型成員 TGF- 1 與 Cx-43 之間,在周期性表達(dá)的時(shí)空上有著一致性。TGF- 1 通過在顆粒細(xì)胞中調(diào)節(jié)Cx-43 的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞間通訊,從而促進(jìn)排卵[35]。
LH 峰通過激活顆粒細(xì)胞下游信號(hào)通路,誘導(dǎo)卵母細(xì)胞生長后期細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核成熟、排卵以及排卵后黃體的形成[36]。LH 與成熟卵泡壁層顆粒細(xì)胞上的經(jīng)典G 蛋白偶聯(lián)受體LHR 結(jié)合,介導(dǎo)激活細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases 1/2,Erk 1/2)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)、蛋白激酶 A(protein kinase A,PKA)和蛋白激酶 C(protein kinase C,PKC)[37]等信號(hào)通路。這些不同的信號(hào)級聯(lián)是卵母細(xì)胞成熟和排卵過程中重要的信號(hào)通路。
LH 峰激活ERK 1/2 被認(rèn)為是調(diào)控卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的恢復(fù)、卵丘擴(kuò)展和排卵的關(guān)鍵通路[38]。Fan 等[39]發(fā)現(xiàn),被敲除Erk 1/2 的小鼠,其卵丘擴(kuò)展受阻,卵泡雖然可破裂排卵,但不能形成黃體,進(jìn)而導(dǎo)致雌鼠不育。HSIEH等[40]對排卵前后顆粒細(xì)胞中提取的RNA 進(jìn)行微陣列分析,觀察結(jié)果顯示,LH 誘導(dǎo)小鼠顆粒細(xì)胞類EGF 生長因子雙調(diào)蛋白(amphiregulin,AR)、上皮調(diào)節(jié)蛋白(epiregulin,EPI)和 細(xì)胞素(beta-cellulin,BTC),它們作用于壁層顆粒細(xì)胞和卵丘細(xì)胞胞外區(qū)EGF 受體(EGF receptor,EGFR),使其細(xì)胞內(nèi)特定酪氨酸殘基磷酸化,從而激活ErK 1/2 通路和PKC 的信號(hào)通路。研究表明,給小鼠注射 LH 類似物 hCG,可誘導(dǎo) AR、EPI 和BTC 表達(dá)量升高[41],從而誘導(dǎo)顆粒細(xì)胞分泌類EGF 生長因子,使卵丘細(xì)胞的 EGFR 活化,促使卵丘擴(kuò)張和卵母細(xì)胞的成熟[42]。EGF 信號(hào)通路激活啟動(dòng)卵丘擴(kuò)展,EGF 引起卵丘細(xì)胞孕酮水平的上升,這可能在受精過程中起到精子趨化因子的作用,這一系列翻譯后修飾對卵母細(xì)胞核成熟起關(guān)鍵作用[43]。
長期以來,孕酮一直被認(rèn)為是調(diào)節(jié)女性生育能力、維持妊娠的重要激素,孕酮對排卵也具有重要作用[44]。LH 峰激增可迅速誘導(dǎo)孕酮特異性受體(progesterone receptor,PR)的 mRNA 表達(dá),這種選擇性誘導(dǎo)發(fā)生在排卵前卵泡的壁層顆粒細(xì)胞中[45]。LH 峰通過 PKA/cAMP 介導(dǎo)的Erk 1/2 信號(hào)誘導(dǎo)PR,向超排大鼠注射含有hCG 的抗孕酮血清可抑制排卵[41]。在LH 峰刺激下,壁層顆粒細(xì)胞中會(huì)誘導(dǎo)ADAMTS-1 和Cathepsin L 兩種蛋白酶的表達(dá),并啟動(dòng)對卵泡破裂相關(guān)下游靶點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄。ADAMTS-1 蛋白酶結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了細(xì)胞降解和卵泡壁溶解[46],Cathepsin L 蛋白酶作用于細(xì)胞外基質(zhì),用以維持卵泡壁的完整性[47]。PR 的倆個(gè)異構(gòu)體PRA 和 PRB 是同一個(gè)轉(zhuǎn)錄本翻譯而來,在 LH 誘導(dǎo)下,PRA 是主要的翻譯產(chǎn)物,對PR基因敲除的雌性小鼠即使在外源激素下也不能排卵,并且完全不育[44]。因此,LH 誘導(dǎo)顆粒細(xì)胞和卵丘細(xì)胞中的孕酮依賴性通路,從而介導(dǎo)了排卵過程。
在LH 峰作用下,卵丘通過產(chǎn)生蛋白聚糖和糖蛋白,并在卵丘層周圍形成細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM),稱為卵丘擴(kuò)展。擴(kuò)展的卵丘與卵母細(xì)胞形成緊密的復(fù)合體,可保護(hù)卵母細(xì)胞免受機(jī)械壓力,避免卵泡或輸卵管中的蛋白水解酶的降解,通過促進(jìn)輸卵管壺腹部捕獲卵母細(xì)胞并引導(dǎo)卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)至受精部位[48]。卵丘擴(kuò)展是通過顆粒細(xì)胞分泌類 EGF 生長因子[41]和 COCS 旁分泌前列腺素(prostaglandin,PG)的信號(hào)激活的[49]。
透明質(zhì)酸(hyaluronic acid,HA)是卵丘擴(kuò)展的主要結(jié)構(gòu)骨架,透明質(zhì)酸合酶 2(hyaluronan synthase 2,Has 2)通過誘導(dǎo)透明質(zhì)酸結(jié)合蛋白Tnfaip 6、I I 和Ptx 3 等下游基因,促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成。Tnfaip 6 或I I 的缺失也會(huì)導(dǎo)致卵丘產(chǎn)生HA 不穩(wěn)定,使得卵丘在體內(nèi)或體外試驗(yàn)均無法正常擴(kuò)展[50]。I I 與HA 結(jié)合后導(dǎo)致排卵效率大幅度下降,排卵率和受精率下降近近50%[51]。Tnfaip 6 敲除小鼠和Ptx 3 敲除小鼠也表現(xiàn)出明顯的排卵障礙[52]。LH 峰后,前列腺素內(nèi)過氧化物合酶 2(prostaglandin endoperoxide synthase 2,Ptgs 2)在顆粒細(xì)胞中迅速誘導(dǎo),促進(jìn)排卵[53]。Ptgs 2 基因的敲除導(dǎo)致卵丘擴(kuò)展受阻,排卵異常小鼠不育[54]。顆粒細(xì)胞主要產(chǎn)生前列腺素 E2(prostaglandin E2,PGE 2),它是卵巢中的花生四烯酸酯代謝產(chǎn)物,PGE 2 通過作用于其特異性受體 EP 2 發(fā)揮作用。小鼠卵丘細(xì)胞表達(dá)的EP 2功能缺失時(shí),將會(huì)導(dǎo)致排卵和受精功能受損[55-56]。PG 的相關(guān)基因(如 Ptgs 2 和 Ptgs 4)、cAMP 信號(hào)相關(guān)基因(如Crem、Nmu 和Rgs 10)以及EGF 家族相關(guān)基因(如Areg、Ereg 和Btc)的基因表達(dá),都起著啟動(dòng)并放大LH 峰的作用。
卵丘擴(kuò)展在促進(jìn)排卵的同時(shí)也會(huì)協(xié)助卵母細(xì)胞成熟。卵丘產(chǎn)生的蛋白聚糖通過與EGF 受體信號(hào)相結(jié)合,誘導(dǎo)卵丘卵母細(xì)胞復(fù)合體的活化[57]。一系列研究表明,卵丘的擴(kuò)展依賴于Has 2、Ptx 3、Ptgs 2 和Tnfaip 6[58-60]轉(zhuǎn)錄水平的增加,與卵母細(xì)胞質(zhì)量呈正相關(guān)。在卵丘細(xì)胞中表達(dá)的透明質(zhì)酸受體CD 44 的mRNA 表達(dá)量與卵丘擴(kuò)展程度也呈現(xiàn)正相關(guān)[61]。透明質(zhì)酸及其受體CD 44 的調(diào)控系統(tǒng)通過激活一些信號(hào)分子,誘導(dǎo)Cx-43 的酪氨酸磷酸化,卵母細(xì)胞的生發(fā)泡破裂,觸發(fā)排卵[62]。透明質(zhì)酸及其受體CD 44 的調(diào)控系統(tǒng)通過影響卵母細(xì)胞與顆粒細(xì)胞之間的信號(hào)交流,調(diào)節(jié)卵母細(xì)胞減數(shù)分裂恢復(fù)和后續(xù)排卵的過程[63]。
顆粒細(xì)胞誘導(dǎo)卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的恢復(fù)并為其提供能量物質(zhì),卵母細(xì)胞又通過信號(hào)分子促進(jìn)顆粒細(xì)胞表達(dá),它們之間的雙向調(diào)節(jié)促進(jìn)卵泡成熟和排卵。近年來,隨著輔助生殖技術(shù)和克隆技術(shù)的研究不斷深入,越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到顆粒細(xì)胞是影響雌性動(dòng)物生殖能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。通過探索顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞的雙向調(diào)節(jié),將卵母細(xì)胞成熟和排卵的相關(guān)通路聯(lián)系起來,可為人們進(jìn)一步揭示生殖細(xì)胞發(fā)育機(jī)制建立卵母細(xì)胞體外成熟體系以及臨床不孕不育癥的預(yù)防和治療開辟新思路。