姬锐，杨菁

(武汉大学人民医院生殖医学中心 湖北省辅助生殖与胚胎发育医学临床研究中心，武汉 430060)

多囊卵巢综合征(PCOS)是一种常见且病因复杂的生殖内分泌与代谢性疾病，在我国汉族育龄期妇女中的患病率为5.6%，是女性不孕的主要原因之一[1-2]。PCOS的临床表现呈异质性，主要特征为高雄激素血症、月经异常及排卵障碍，可伴有胰岛素抵抗(IR)、血脂异常等并发症，而且其2型糖尿病(T2DM)、心血管疾病(CVD)等远期并发症的风险显著升高，严重影响患者的身心健康[3-4]。虽然PCOS的病因尚不明确，但已有研究证实，线粒体作为细胞能量代谢中心，其结构和功能异常与PCOS的病理生理改变及并发症的发生密切相关[5]。本文就线粒体功能障碍在PCOS及其并发症中的研究进展进行总结，以期为探索PCOS的发病机制和治疗靶点提供依据。

一、线粒体的生物学特性

线粒体是真核生物细胞中高度动态变化的细胞器，在多种蛋白的精确调控下持续进行分裂和融合[6]。线粒体拥有独立的基因组——线粒体DNA(mtDNA)，呈双链环状，轻链(L链)富含胞嘧啶，重链(H链)富含鸟嘌呤。人类mtDNA有16 569对碱基对，包含37个基因，28个基因在H链上，9个基因在L链上，其中13个基因编码线粒体呼吸链复合物的亚基，22个基因编码线粒体-转运RNA(mt-tRNA)、2个基因编码核糖体RNA(16Sr RNA和12Sr RNA)，mtDNA的复制不受细胞周期的限制[7-8]。

线粒体是细胞氧化磷酸化的主要场所。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸递氢体(FADH2)在电子传递链(ETC)上的呼吸链复合体的共同作用下，将氧还原并释放能量，使腺嘌呤二核苷酸氧化磷酸化，生成腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)。此外，线粒体在钙离子转运、细胞新陈代谢、血红素和类固醇合成以及细胞凋亡过程中也发挥重要的作用[9]。

二、线粒体功能障碍

线粒体是细胞的产能工厂，提供细胞生命活动所需的能量。然而膜结构破坏、呼吸链复合体受损、酶活性降低、mtDNA突变等因素均可影响线粒体的功能，从而导致能量代谢障碍。线粒体功能障碍会导致呼吸链产能减少，膜通透性发生改变，含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)、Bax等凋亡相关因子释放，细胞氧化应激水平异常升高，最终导致细胞的凋亡[10]。

线粒体功能障碍的可能机制主要包括mtDNA突变、线粒体生物合成减少以及氧化应激水平异常升高。mtDNA位于线粒体基质及内膜上，为裸露的环状双链结构，缺乏组蛋白的保护，且线粒体内膜上的ETC持续产生活性氧(ROS)，长期暴露于高氧化环境中，使其比核DNA更易发生突变，从而导致线粒体功能紊乱[11]。线粒体生物合成是细胞满足自身能量需求，维持线粒体质量与功能稳态的重要途径。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(PGC-1α)是线粒体生物合成的主要调节剂，PGC-1α及其相关信号通路的下调会导致线粒体生物合成减少，使线粒体合成ATP能力受损[12]。线粒体在产能的同时还生成ROS，ROS在抗氧化酶的作用下转化为水；但当ROS产生过量，超出细胞自净能力的时候则会导致线粒体膜通透性改变，激活凋亡相关因子并最终导致线粒体自噬以及细胞的凋亡。ROS介导的氧化损伤可能导致mtDNA的碱基发生替换、错义突变和缺失，进一步导致线粒体功能障碍[13]。已有研究表明，线粒体功能障碍与癌症、衰老和众多代谢性疾病的发生有关[14]。

三、线粒体功能障碍与PCOS及其并发症

线粒体结构与功能的异常与氧化应激密切相关，可以导致许多氧化应激相关疾病[15]。氧化应激是PCOS的潜在病因之一，PCOS患者血清中的8-羟基-2′-脱氧鸟苷(8-OHdG)和丙二醛(MDA)水平显著高于健康人群，氧化应激作为关键因素参与PCOS的病理生理改变[16-17]。mtDNA拷贝数是判断线粒体功能的参考指标，mtDNA拷贝数降低会引起线粒体功能障碍。有研究表明，mtDNA拷贝数在PCOS患者中显著降低，而线粒体功能障碍会导致ROS生成增多，氧化与抗氧化反应失衡，进而引起PCOS的一系列病理生理变化[18-19]。此外，线粒体功能障碍与PCOS患者高雄激素血症、IR、糖脂代谢异常以及T2DM等远期并发症的发生与发展也密切相关，所以其在PCOS及其并发症中的作用已受到人们广泛关注[20]。

1.线粒体功能障碍与高雄激素血症：高雄激素血症是PCOS患者最典型的临床表现，通过引起IR、高胰岛素血症、LH与FSH比例失衡、颗粒细胞功能受损、卵泡发育异常、血脂异常等病理生理改变促进PCOS的发展[21]。一项动物实验中，研究者对妊娠大鼠注射二氢睾酮(DHT)模拟PCOS表型后取出其子宫组织，发现mtDNA拷贝数和负责线粒体融合、裂变及生物合成的基因表达发生改变，ROS的产生以及核因子E2相关因子2(NRF2)信号通路相关的抗氧化反应受到抑制，这表明，线粒体功能障碍及ROS异常可能导致高雄激素血症及IR模型大鼠的子宫功能出现缺陷[22]。Mishra等[23]发现，DHT诱导的PCOS大鼠血清雄激素水平升高，胰岛素分泌增多，并存在ADP/ATP升高、mtDNA拷贝数下降、ROS产生增加，线粒体生物减少等线粒体功能障碍。以上动物模型研究表明，线粒体功能障碍可能与PCOS高雄激素血症中生殖系统及内分泌的异常改变有关。

2.线粒体功能障碍与IR：IR是胰岛素促进器官及组织细胞摄取及利用葡萄糖的效率降低，机体代偿性分泌过多胰岛素以维持血糖稳定的一种病理状态。IR是PCOS的主要内分泌特征，大多数PCOS患者存在IR[24]。IR所致血浆中高胰岛素及高糖水平可引发代谢综合征及T2DM。一项研究对80位存在IR的PCOS患者进行基因筛查，发现了9个mt-tRNA突变，患者8-OHdG、MDA和ROS水平显著高于正常对照组，mtDNA拷贝数、线粒体膜电位和ATP水平显著降低[25]。以上研究结果表明，mt-tRNA突变引起的线粒体功能障碍可能与PCOS患者发生IR有关。对脱氢表雄酮(DHEA)诱导的PCOS小鼠进行研究发现，PCOS小鼠出现全身和骨骼肌IR，骨骼肌中NAD+/NADH比例下降，ATP产生显著减少，表明PCOS小鼠骨骼肌线粒体受损；该研究提示线粒体功能损伤参与了DHEA诱导的PCOS小鼠骨骼肌IR的发病过程[26]。Konopka等[27]发现，肥胖的PCOS-IR女性存在线粒体功能紊乱，线粒体中过氧化氢(H2O2)产生增加，线粒体耦合效率受损；运动训练可以部分逆转线粒体的功能紊乱，减少线粒体H2O2的产生，增加过氧化氢酶的抗氧化活性，使PCOS患者的胰岛素敏感性得到改善。此研究表明，运动训练中线粒体氧化还原效率的适应性改变可能是改善PCOS女性胰岛素敏感性的关键因素。目前PCOS患者发生IR的病因尚不明确，线粒体功能障碍在PCOS患者IR产生及发展中的作用仍需深入探究。

3.线粒体功能障碍与生殖功能：PCOS的典型临床特征是排卵障碍。研究发现，PCOS患者卵泡液的MDA水平与胚胎质量具有相关性[28]。在体外胚胎培养过程中使用针对线粒体的抗氧化剂米托醌可降低胚胎的氧化应激水平，抑制卵母细胞线粒体解耦联，降低胚泡凋亡水平，改善胚泡质量，从而提高胚胎移植后妊娠成功率[29]。多药耐药转运蛋白(MDR)存在于卵母细胞线粒体膜中，可以保护雌性配子免受氧化应激损伤[30]。研究发现，雌性mdr1a突变型小鼠未成熟卵母细胞中的ROS长期处于高水平状态，三羧酸循环(TCA)代谢产物积累增多，线粒体膜电位下降，致使卵母细胞受损；这揭示了氧化应激、线粒体功能障碍与不孕症的潜在关系[31]。线粒体需要通过融合与裂变维持其结构的高度动态变化。线粒体融合蛋白1(MFN1)和MFN2介导线粒体融合以及与内质网的相互作用[32]。卵母细胞中MFN1蛋白的缺失可以导致线粒体功能障碍和动力学改变，造成神经酰胺积累、细胞凋亡增加、卵母细胞-颗粒细胞通讯受损、钙粘蛋白和连接蛋白下调，使卵泡发育停滞在次级卵泡阶段，最终导致女性不孕[33]。卵母细胞中Mfn2基因的靶向缺失也会导致线粒体功能障碍，影响卵泡发育以及卵母细胞的成熟，最终损害女性的生育能力；缺乏MFN2蛋白的卵母细胞端粒缩短，细胞凋亡水平升高，继而引起卵母细胞质量下降和卵泡损伤，并最终导致生殖功能的衰退[34]。一项对多囊卵巢样母猪卵母细胞mtDNA进行的体外研究发现，其卵母细胞线粒体膜电位降低，线粒体超微结构变形，编码12S rRNA、16S rRNA和ND4的mtDNA高度甲基化，从而导致mtDNA拷贝数降低，mtDNA编码基因的表达减少；该研究表明，mtDNA 的超甲基化可能导致PCOS的卵母细胞线粒体功能障碍和卵母细胞质量下降[35]。以上研究均提示线粒体功能障碍在卵母细胞、卵泡发育异常及生殖功能衰退的过程中发挥重要作用。

4.线粒体功能障碍与代谢综合征(METS)：METS是肥胖、高血压、脂质及糖代谢紊乱等病理状态的综合表现，是糖尿病及心脑血管疾病的危险因素[36]。PCOS最常见的代谢异常是肥胖。研究发现，肥胖女性骨骼肌线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)耦合效率显著低于正常女性，H2O2水平高于正常女性，说明肥胖女性存在线粒体功能受损、氧化应激水平升高的病理改变[27]。在对某PCOS家系三代成员临床及生化特征的研究中发现，该家系7位母系成员中有3位二代成员存在代谢综合征的表现，包括肥胖、高甘油三酯(TG)、糖化血红蛋白A1c(HbA1c)水平升高以及高血压，1位三代成员被诊断为PCOS。对该家系线粒体基因组的分析发现患病成员mt-tRNA存在基因位点突变，分别为mtDNAC3275T、mtDNAT4363C和mtDNAA8343G，线粒体膜电位下降，mtDNA拷贝数减少，ATP产生减少，证明该家系线粒体基因突变引起的线粒体功能异常与METS和PCOS的发生相关[37]。动物研究表明，DHT诱导的PCOS样大鼠中出现非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)，其机制可能与肝脏线粒体功能障碍和肝细胞凋亡、自噬失衡有关[38]。以上研究初步探究了线粒体功能障碍对PCOS患者METS发生的作用。

综上所述，线粒体基因突变、mtDNA拷贝数降低、线粒体OXPHOS耦合效率降低及膜电位异常等多种因素导致的线粒体功能障碍均可引起氧化应激水平升高，并最终导致PCOS患者激素紊乱、卵泡发育异常等病理生理改变以及IR、METS等相应并发症的产生。对线粒体功能障碍在PCOS发病机制中的作用仍需进一步探究，以期为PCOS及其并发症的治疗提供理论与实验依据。