卵母细胞如何平衡生存与长寿

撰文 | 咸姐

人的卵巢在出生前就获得了这一生所需的卵母细胞，这些卵母细胞可以在在卵巢中休眠长达50年之久【1】。尽管休眠期很长，卵母细胞在受精后仍能产生新的有机体，然而，卵母细胞的质量是大多数女性生育问题的主要原因。而随着年龄的增长，卵母细胞适应性下降是导致不孕的关键因素。卵母细胞的适应性之一体现在对线粒体活性和活性氧（ROS）之间微妙平衡的维持上。很明显，即使是在休眠，卵母细胞也要保持着代谢的活性以保证自己的健康存活，这就要求其必须保持线粒体活性以进行必要的生物分子的生物合成【2】。然而，凡事皆有两面性，作为线粒体氧化代谢的副产物，ROS无疑是最大的威胁。虽然ROS可以作为信号分子发挥作用，但高浓度ROS会促进DNA突变且具有细胞毒性。事实上，ROS水平与卵母细胞和胚胎的凋亡和发育能力降低有关【3】。那么，卵母细胞到底是如何保持细胞适应性，它们的质量又为什么会随着年龄的增长而下降呢？

2022年7月20日，来自西班牙巴塞罗那科学技术研究院的Elvan Böke团队在Nature上在线发表题为Oocytes maintain ROS-free mitochondrial metabolism by suppressing complex I的文章，发现卵母细胞可以通过消除线粒体复合体I来重构线粒体电子传递链，以此逃避ROS的侵害。由此首次报道了一种在动物中缺乏复合体I的生理细胞类型，也阐明了复合体I相关遗传性线粒体疾病患者不会出现不育的原因。毫无疑问，复合体I的抑制代表了一种进化上保守的策略，它有利于长寿，同时也能在长寿卵母细胞中维持生物活性。

人类早期的卵母细胞只能通过侵入性手术进入卵巢，因此，卵母细胞生物学的生化研究一直受到样品限制的严重阻碍。本文研究人员利用改进的人类卵母细胞分离方案克服了这一困难，使用更容易获得的非洲爪蟾I期卵母细胞并结合了比较进化方法，使得研究中能够使用多物种或非洲爪蟾单独分析来产生假设，然后在人类卵母细胞中对其进行测试。

首先，研究人员对活的用各种线粒体探针标记的早期人类和非洲爪蟾卵母细胞进行成像以量化ROS水平，结果发现非洲爪蟾和人类早期卵母细胞均未显示任何可检测到的ROS信号，而且这是由严格控制ROS的产生而非提高对ROS的清除能力来实现的（图1）。随后，利用能感知膜电位的染料，研究人员发现人类和非洲爪蟾早期卵母细胞的线粒体表现出比周围体细胞颗粒细胞（阳性对照）更低的膜电位（图2）。

图1 ROS水平

未检测到的ROS水平和低膜电位不得不让人想到早期卵母细胞线粒体电子传递链（ETC）的活性低或者是缺失。为了区分这两种可能性，研究人员测量了非洲爪蟾卵母细胞的呼吸速率，发现与生长中的卵母细胞相比，去除颗粒细胞的早期卵母细胞表现出较低的基础呼吸率，但具有类似的最大呼吸率，由此证明早期卵母细胞中的线粒体具有功能性ETC，但活性较低。进一步地评估氧化磷酸化（OXPHOS）机制的单个复合体对卵母细胞健康的重要性，研究人员将爪蟾卵母细胞暴露于每个OXPHOS复合体的特异性抑制剂中，发现只有复合体I抑制剂作用下早期卵母细胞依旧有78%的存活，而其他复合体抑制剂都会导致其死亡。早期卵母细胞对复合体I抑制的不敏感提示它们并不利用复合体I作为电子传递链的必要入口。

图2 膜电位

那么上述早期卵母细胞中这种不寻常的线粒体生理学背后的机制基础是什么呢？对来自早期和晚期爪蟾卵母细胞的线粒体以及作为体细胞对照的肌肉线粒体进行蛋白质组学测定分析发现，大多数ETC亚基在早期卵母细胞中的绝对丰度较低，而复合体I的耗竭最为明显。此外，早期卵母细胞线粒体中最丰富的蛋白质是线粒体蛋白酶和伴侣蛋白，已有研究证实这些蛋白在线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）激活后上调，而该反应通常是由线粒体中ETC亚基的不平衡引起的。与此同时，从患者卵巢皮质中分离出早期卵母细胞和卵巢体细胞并进行蛋白质组学分析也得出了类似的结果。

基于以上发现，研究人员利用比色法、分光光度法和代谢测定法直接分析了复合体I在早期卵母细胞中的组装状态和功能，结果显示复合体I在早期卵母细胞中并未完全组装，在早期卵母细胞中没有复合体I活性，并且复合体I的缺失阻碍了超复合体的形成，而这可能有助于早期卵母细胞中ETC活性的整体降低。那么在整个卵子发生过程中，复合体I的丰度和ROS水平之间有什么关系呢？实验结果显示，复合体I在成熟（第三阶段）和晚期卵母细胞中能组装并完全发挥功能，但在早期卵母细胞中缺失。而复合体I组装的时间与ROS水平的增加相关：一旦复合体I在卵母细胞中组装，ROS就开始积聚，由此研究人员推测卵母细胞的成熟涉及缓慢、逐渐的过渡到涉及功能性复合体I的代谢。

综上所述，本研究表明，卵母细胞的休眠涉及与失活的线粒体复合体I有关的存活，早期卵母细胞通过消除细胞中主要的ROS生成器之一——线粒体复合体I来规避ROS，揭示了非洲爪蟾和人类卵母细胞用于维持低ROS产生的线粒体代谢的新策略，也揭示了一个独特的生理学过程，即卵母细胞已经进化到可以平衡其生命开始的基本功能和对长寿的需求。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04979-5

制版人：十一

参考文献

1. Faddy, M. J., Gosden, R. G., Gougeon, A., Richardson, S. J. & Nelson, J. F. Accelerated disappearance of ovarian follicles in mid-life: implications for forecasting menopause.Hum. Reprod. 7, 1342–1346 (1992).

2. Spinelli, J. B. & Haigis, M. C. The multifaceted contributions of mitochondria to cellular metabolism.Nat. Cell Biol.20, 745–754 (2018).

3. Aitken, R. J. Impact of oxidative stress on male and female germ cells: implications for fertility.Reproduction159, R189–R201 (2020).

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