赵世民/袁易远/徐丛剑合作解密多囊卵巢综合症代谢物失调病因

丰衣足食是人类的永恒最求。然而，当这一天真正到来后，却带来了意想不到的烦恼。发达国家人口出生率低，除了社会保障完善后缺乏生育动力外，富营养带来的生殖障碍也是一个重要因素。多囊卵巢综合症（polycystic ovary syndrome，PCOS）影响全球约8-13%的育龄妇女，是女性不育的最大原因之一。肥胖【1】和糖尿病【2】病人多发PCOS，提示PCOS与代谢失调密切相关。然而其中的具体关系长期未能得到阐明。

2024年1月3日，复旦大学赵世民教授/袁易远副研究员/徐丛剑教授合作合作在Protein&Cell杂志发表题为Follicle Stimulating Hormone Controls Granulosa Cell Glutamine Synthesis to Regulate Ovulation的论文，发现卵泡液中参与卵泡发育与破裂调控的谷氨酰胺水平失调导致卵泡破裂障碍，进而导致PCOS。

卵泡发育起始于包围卵母细胞的颗粒细胞增殖，形成卵泡膜结构。卵泡发育后在卵母细胞和卵泡膜之间形成卵泡液（follicular fluid），其相对均质的液体环境便于卵母细胞和颗粒细胞之间的信息和物质交流。他们发现，PCOS病人卵泡液中谷氨酰胺水平显著高于正常对照；而用高谷氨酰胺饲料则可以诱导小鼠PCOS表型。其中的机制是：原始卵泡在促卵泡生成激素FSH的作用下，颗粒细胞开始增殖形成卵泡，同时向卵泡液中分泌谷氨酰胺以抑制ASK1-JNK凋亡通路介导的颗粒细胞凋亡，维持卵泡完整。在卵泡破裂时，随着FSH的下降，卵泡液中谷氨酰胺被体积巨大的成熟卵子所消耗，卵泡膜的颗粒细胞由于失去谷氨酰胺的保护开始凋亡，形成排卵。如果卵泡液的谷氨酰胺浓度过高，卵泡膜无法破裂，造成PCOS和排卵障碍。这一发现为PCOS的临床干预提供了新策略。

研究人员发现，小鼠卵泡破裂从面向卵泡液的内侧颗粒细胞开始（图1），而临近排卵期PCOS病人卵泡液中凋亡的颗粒细胞数明显低于正常人（图2），提示卵泡膜的内侧颗粒细胞凋亡是控制排卵的关键。

图1，发育未完成前（左），颗粒细胞凋亡（红）很少，临近排卵前（右），卵泡内侧面向卵泡液的颗粒细胞凋亡开始增加。

该团队前期发现，谷氨酰胺可以修饰ASK1并抑制ASK1-JNK凋亡通路【3】。谷氨酰胺在PCOS病人卵泡液中的异常升高和PCOS病人卵泡液中凋亡颗粒细胞数量的减少提示升高的谷氨酰胺抑制颗粒细胞凋亡，导致卵泡膜无法破裂而形成排卵障碍，也就是PCOS。研究人员随后在动物模型中验证了谷氨酰胺对排卵的抑制作用。给小鼠喂食高谷氨酰胺饲料一段时间后，小鼠卵巢呈现多囊样卵巢形态，且排卵前卵泡内颗粒细胞凋亡显著减少；同时高谷氨酰胺饲喂可诱导小鼠出现多种PCOS表型，如发情周期紊乱，高雄激素血症和生殖能力减弱等。有趣的是，恢复正常饲料喂食后，上述PCOS症状均得到了不同程度的缓解，该发现表明相对于已有的多种PCOS成因理论，谷氨酰胺代谢异常，进而抑制颗粒细胞凋亡导致的排卵障碍可能是更主要的致病因素。为了证实该猜想，研究人员选用促凋亡药物AT-101诱导小鼠颗粒细胞凋亡，发现AT-101促进卵泡颗粒细胞凋亡不仅可以缓解高谷氨酰胺饲喂导致的PCOS表型，而且可以有效恢复其他经典PCOS模型小鼠的发情周期和生殖能力。

本研究揭示了谷氨酰胺在卵泡液中具有双重功能的精妙机制（图2）。在需要完整卵泡膜的卵泡发育早中期，FSH上调卵泡内谷氨酰胺水平抑制颗粒细胞凋亡，并为卵母细胞提供谷氨酰胺这一重要营养物质。当卵泡发育成熟需要排卵时，FSH水平的降低抑制了颗粒细胞内谷氨酰胺的合成；同时，卵母细胞恢复减数分裂，大量消耗了卵泡液中的谷氨酰胺。二者的共同作用导致卵泡液内谷氨酰胺水平降低，导致与卵泡液接触的颗粒细胞失去凋亡保护，发生自内而外的颗粒细胞凋亡，最终促使卵泡破裂，帮助卵母细胞顺利排出卵泡。

图2，FSH调控谷氨酰胺合成促进卵泡成熟和排卵

本研究探明了一个PCOS的代谢失调病因。在糖尿病和肥胖人群中，糖和脂肪对氨基酸氧化的抑制可以导致高谷氨酰胺【4】，可能解释糖尿病和肥胖人群PCOS高发。同时，可以靶向谷氨酰胺代谢或ASK1-JNK凋亡通路来实现对PCOS的干预。这与临床使用二甲双胍这个ASK1-JNK凋亡通路激活剂改善PCOS的疗效相符。

复旦大学附属妇产科医院/代谢与整合生物学研究院赵世民教授、复旦大学附属妇产科医院袁易远副研究员和徐丛剑教授为论文共同通讯作者，复旦大学附属妇产科医院博士后/济南市儿童医院张开慧，复旦大学附属妇产科医院医师张菲菲为共同第一作者。

https://doi.org/10.1093/procel/pwad065

制版人：十一

参考文献

1 Legro, R. S. Obesity and PCOS: implications for diagnosis and treatment.Semin Reprod Med30, 496-506, doi:10.1055/s-0032-1328878 (2012).

2 Pelusi, B., Gambineri, A. & Pasquali, R. Type 2 diabetes and the polycystic ovary syndrome.Minerva Ginecol56, 41-51 (2004).

3 He, X. D. et al. Sensing and Transmitting Intracellular Amino Acid Signals through Reversible Lysine Aminoacylations.Cell Metab, doi:10.1016/j.cmet.2017.10.015 (2017).

4 Shao, D. et al. Glucose promotes cell growth by suppressing branched-chain amino acid degradation.Nature Communications9, doi:ARTN 293510.1038/s41467-018-05362-7 (2018).