馬鮮平,畢俊萱,龍安格,陳奕熹,滕果洲,易華山
(西南大學(xué)榮昌校區(qū)動物醫(yī)學(xué)系,重慶402460)
哺乳動物卵母細胞凋亡機制研究進展
馬鮮平,畢俊萱,龍安格,陳奕熹,滕果洲,易華山*
(西南大學(xué)榮昌校區(qū)動物醫(yī)學(xué)系,重慶402460)
摘 要:細胞凋亡是細胞程序性死亡過程,在生殖細胞的發(fā)生過程中具有重要作用。哺乳動物卵母細胞在生長發(fā)育過程中,除排卵受精的成熟卵母細胞外,其他卵母細胞在卵泡發(fā)育的不同階段凋亡。作者綜述了卵母細胞的發(fā)育與細胞凋亡、細胞凋亡的主要參與分子及凋亡途徑等研究進展,旨在為進一步研究哺乳動物卵母細胞的生長、發(fā)育和排卵機制提供幫助。
關(guān)鍵詞:線粒體;死亡受體;卵母細胞;細胞凋亡
哺乳動物卵巢主要是生成卵細胞(即卵子,ovum)和分泌性激素,從而實現(xiàn)卵泡的發(fā)育、排卵、受精及早期胚胎發(fā)育。細胞凋亡(apoptosis)是細胞程序性死亡過程,是生命發(fā)育過程中的基本現(xiàn)象,在生殖細胞(germ cells)的發(fā)生過程中具有重要作用[1]。在哺乳動物中,卵原細胞(oogonia)通過增殖和分化形成初級卵母細胞,一個初級卵母細胞經(jīng)過減數(shù)第一次分裂形成一個次級卵母細胞(MⅠ),次級卵母細胞減數(shù)第二次分裂形成一個成熟卵母細胞(即卵細胞);不到1%的卵原細胞(oogonia)進入減數(shù)分裂(meiosis)產(chǎn)生初級卵母細胞(primary oocyte),而成熟卵母細胞由極少數(shù)優(yōu)勢卵泡內(nèi)的卵母細胞發(fā)育而成,在卵巢卵泡發(fā)育過程中絕大部分卵泡閉鎖退化,到排卵時只有一個、幾個或十幾個(豬),超過99.9%的卵母細胞在卵子發(fā)生的不同階段發(fā)生凋亡[1-3]。作者就哺乳動物卵母細胞發(fā)育、主要凋亡分子及凋亡通路等方面的研究進展進行了綜述。
1.1原始生殖細胞與初級卵母細胞的發(fā)育
在哺乳動物胚胎發(fā)育時期,原始生殖細胞(primordial germ cells,PGCs)進行一系列有絲分裂而大量增殖分化為卵原細胞,通過有絲分裂而大量增殖后,進入卵原細胞的第一次減數(shù)分裂成為初級卵母細胞而形成原始卵泡[4]。初級卵母細胞在經(jīng)第一次減數(shù)分裂的分裂前期的各個階段后,直到出生前都阻滯在第一次減數(shù)分裂的雙線期階段(也叫前Ⅰ期阻滯)[1-3]。這些雙線期卵母細胞同外周顆粒細胞環(huán)繞與包裹下形成透明帶(zona pellucida)而保護卵子的發(fā)育。因哺乳動物物種和卵泡內(nèi)激素環(huán)境的不同,卵母細胞雙線期阻滯持續(xù)的時間也不相同,由幾個月到幾十年不等[3]。然而大多數(shù)初級卵母細胞就一直阻滯在這一時期還未等成熟就通過細胞凋亡機制退化;在哺乳動物個體達到性成熟后,在促性腺激素的作用下,進入成熟分裂周期而完成第一次減數(shù)分裂,并繼續(xù)發(fā)育至第二次減數(shù)分裂直至中期(meiosisⅡ,MⅡ)即成為一個成熟的卵母細胞而具有受精能力,如果不受精將在MⅡ維持?jǐn)?shù)小時后退化[3]。
1.2卵母細胞發(fā)育與微環(huán)境
卵母細胞是在卵泡內(nèi)成熟的,卵泡細胞主要包括膜細胞、顆粒細胞和卵丘細胞,這些卵泡細胞為阻滯期的卵母細胞提供營養(yǎng)、生長成熟的因子及信號分子等[2-3]。卵母細胞體外培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn),卵泡內(nèi)顆粒細胞凋亡和/或卵母細胞生長因子、營養(yǎng)分子及存活因子的剝奪都導(dǎo)致卵母細胞的凋亡[3]。在體外,顆粒細胞可有效地保護卵母細胞免予氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS)損傷;活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生或抗氧化系統(tǒng)的缺失都易導(dǎo)致卵母細胞的凋亡,也有研究表明顆粒細胞的凋亡也是評價卵母細胞質(zhì)量的重要影響因素[3-5]。
1.3卵母細胞的成熟與排卵
卵泡發(fā)育至排卵期,囊狀卵泡破裂,產(chǎn)生處于阻滯在MⅡ期的優(yōu)勢卵母細胞;一旦排卵,這些卵泡具有第一極體而等待受精;如果受精過程不能發(fā)生,在排卵后老化或隨后的MⅢ期自發(fā)激活進入卵母細胞的阻滯或細胞凋亡[3-4]。研究結(jié)果表明,好的卵母細胞在生殖過程中首先排卵;在人類隨著母體老化的發(fā)生,卵母細胞更易朝著有限生殖的結(jié)局發(fā)展[3]。因此,人類和哺乳動物卵子發(fā)生過程中生殖細胞的消除及卵巢存貯的生殖細胞衰竭過程中,細胞凋亡扮演一個非常重要的角色[3-5]。
2.1顆粒細胞與內(nèi)部微環(huán)境
顆粒細胞決定卵母細胞生存的內(nèi)部微環(huán)境,卵母細胞發(fā)育所需的各種信號分子、生存因子和生長因子的剝奪,都易激發(fā)卵母細胞的凋亡[3]。研究結(jié)果表明,過早的移除包裹于卵母細胞周圍的顆粒細胞,或顆粒細胞的凋亡都影響卵母細胞的減數(shù)分裂和發(fā)育而增加卵泡內(nèi)卵母細胞凋亡的敏感性;降低卵泡內(nèi)卵母細胞和顆粒細胞之間的信號傳導(dǎo)會干擾cAMP、cGMP和NO分子向卵泡卵母細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移的水平[5]。這些信號分子的降低可激發(fā)雙線期的卵母細胞產(chǎn)生ROS分子,這也進一步支持了雙線期卵母細胞比MⅡ期卵母細胞對H2O2誘導(dǎo)的細胞凋亡更加敏感的理論[5]。有研究結(jié)果表明增加可誘導(dǎo)NO合成酶的表達而產(chǎn)生的NO可誘導(dǎo)卵母細胞的凋亡[3,5]。
2.2Ca2+
Ca2+也是影響卵母細胞生理功能的一個重要因素。細胞內(nèi)高水平的Ca2+可誘導(dǎo)有絲分裂細胞周期的阻滯和細胞凋亡,異常高的Ca2+水平直接導(dǎo)致細胞的死亡[3,6]。小鼠、豬和牛卵母細胞體外培養(yǎng)試驗結(jié)果表明,Ca2+載體(CI)可增加細胞漿自由Ca2+水平,通過線粒體重建和線粒體膜的去極化而導(dǎo)致卵母細胞凋亡[3,7]。Tiwari等[3]研究結(jié)果表明,CI是通過增加細胞內(nèi)Ca2+水平誘導(dǎo)活性氧(ROS)的產(chǎn)生而導(dǎo)致小鼠卵母細胞的凋亡,cAMP和cGMP水平的降低也可增加Ca2+水平而誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生。
2.3活性氧
ROS持續(xù)產(chǎn)生可導(dǎo)致氧化應(yīng)激(OS)。OS降低了雙線期和MⅡ阻滯期卵母細胞內(nèi)的存活因子和誘導(dǎo)促成熟因子(maturation promoting factor,MPF)的不穩(wěn)定性,MPF穩(wěn)定性需要Cdk1的磷酸化和去磷酸化,Cyclin B1的分離和降解等一系列過程[3,8]。Tiwari等[3]研究表明應(yīng)用核抑制劑(roscovitine)抑制Cdk1的活性誘導(dǎo)減數(shù)分裂細胞周期阻滯和凋亡很可能是通過調(diào)節(jié)MPF異源二聚體水平而實現(xiàn)的;MPF的不穩(wěn)定性可從MⅡ阻滯期激發(fā)自發(fā)的通道,持續(xù)降低MPF的不穩(wěn)定水平可激發(fā)卵母細胞的凋亡[3,5]。近年研究結(jié)果表明,OS壓力是導(dǎo)致卵母細胞凋亡的主要因素之一[7,9]。
2.4細胞色素C
細胞色素C從細胞內(nèi)釋放,激活細胞內(nèi)相關(guān)凋亡Caspase的上調(diào)或下調(diào)而導(dǎo)致卵母細胞的凋亡[7]。Caspase是半胱氨酸天冬氨酸酶依賴的家族,活化的Caspase剪切細胞內(nèi)的多肽導(dǎo)致細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致細胞凋亡[9]。在卵母細胞內(nèi)活化的Caspase-3可特異性地降解底物的結(jié)構(gòu)和特定蛋白,導(dǎo)致DNA損傷而產(chǎn)生180~200bp DNA Ladder,產(chǎn)生卵母細胞凋亡特征[3,9]。
2.5ATP分子
排卵后的卵母細胞,在體內(nèi)和體外培養(yǎng)條件下,ATP水平的降低可導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生及抗凋亡因子Bcl-2表達的下調(diào)[5]。Bcl-2因子的降低導(dǎo)致促凋亡因子,如Bcl-2相關(guān)的X蛋白(Bcl-2-associated X protein,BAX)和Bcl-2殺傷蛋白(Bcl-2antagonist or killer,BAK)及BH3-only等的增加而導(dǎo)致卵母細胞凋亡,這些促進卵母細胞間接發(fā)生細胞凋亡的因子被稱為促凋亡因子[3,10]。這些促凋亡因子是哺乳動物卵巢中細胞凋亡所必需的介質(zhì)分子;而細胞凋亡的進行使卵母細胞不斷從卵巢生殖細胞貯存中消耗[3-5]。
哺乳動物卵母細胞的凋亡研究中,線粒體凋亡途徑(mitochondria pathway)以ROS的產(chǎn)生而介導(dǎo);死亡受體途徑(death receptor pathway)以FasL和TNF-α作用于相應(yīng)的受體而激發(fā)細胞表面的死亡受體,死亡受體的激活及Caspase的參與導(dǎo)致卵母細胞凋亡,而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑(endoplasmic reticulum pathway)研究相對較少[3,11]。
3.1線粒體凋亡內(nèi)源性通路
線粒體凋亡內(nèi)源性通路,又稱線粒體凋亡通路。在卵母細胞中,細胞色素C、凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor,AIF)、Bax、BH3-only蛋白等位于線粒體內(nèi)膜空間(intermembrane space,IMS)[3-4]。卵母細胞內(nèi)cAMP及cGMP水平的降低導(dǎo)致ROS水平升高;細胞內(nèi)自由Ca2+水平及CI可誘導(dǎo)卵母細胞產(chǎn)生H2O2,這種ROS水平的增加調(diào)控線粒體膜Bax/Bcl2蛋白的表達水平而影響線粒體膜電位變化[8,12]。在BH3-only蛋白,如一種截短的BID(tBID)可誘導(dǎo)Bax的過表達,Bax蛋白從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到線粒體,Bak蛋白通過寡聚化誘導(dǎo)線粒體內(nèi)膜的通透性發(fā)生改變,使線粒體IMS中細胞色素C蛋白釋放,這些從IMS釋放的細胞色素C同細胞內(nèi)凋亡蛋白酶激活因子1(Apaf1)結(jié)合而激活Caspase9活性,再進一步激發(fā)下游的凋亡級聯(lián)反應(yīng),隨著效應(yīng)Caspase3、Caspase7的激活而激發(fā)線粒體凋亡途徑[3-4,13]。
3.2死亡受體介導(dǎo)的外源性通路
在外源性凋亡途徑中,死亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)依賴于死亡配體(death ligands)與受體(death receptor)的結(jié)合及受體的死亡效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(death effector domain,DED)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的結(jié)合,細胞死亡信號蛋白(FasL和TNF-α)黏附到與其同源的細胞表面的受體分子(Fas和TNFR1)[3,14]。研究結(jié)果表明截短的Thr-161磷酸化Cdk1分子,同細胞周期蛋白B1使MPF不穩(wěn)定,促使FasL介導(dǎo)的卵母細胞的凋亡;FasL濃度的升高導(dǎo)致Fas受體的三聚化及FADD鏈接分子的招募,形成死亡效應(yīng)結(jié)構(gòu)域[3,13-15]。在FADD招募中,Caspase-8酶原寡聚化而激活線粒體細胞凋亡途徑[15]。研究結(jié)果表明,在凋亡刺激下,顆粒細胞sFasL釋放,經(jīng)NADPH氧化酶激活而產(chǎn)生氧化應(yīng)激激活Fas凋亡通路;激活的Fas再激發(fā)Ca2+釋放而激活鈣離子/鈣調(diào)素依賴的蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)和Caspase-3活性[16-17]。CaMKⅡ的激活又促進了Ca2+釋放而激活Caspase-3活性而導(dǎo)致卵母細胞的凋亡。因此,F(xiàn)asL/Fas信號調(diào)控通路是通過氧化應(yīng)激產(chǎn)生Ca2+釋放和Caspase3活性的激活[16-19]。卵母細胞在受到死亡信號刺激,如DNA損傷、化療試劑、UV照射、失去了賴以生存的生長因子、細胞周期阻滯毒素和ATP不足等刺激時,可通過死亡受體介導(dǎo)的Caspase-8激活tBid將凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至線粒體途徑[3,11,13]。這些促凋亡的BH3-only蛋白(BID)在卵巢內(nèi)也扮演著細胞凋亡的關(guān)鍵調(diào)控因子,是線粒體途徑和死亡受體途徑的紐帶[3-4,7]。
3.3內(nèi)質(zhì)網(wǎng)凋亡途徑
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)是卵母細胞內(nèi)重要的細胞器,參與蛋白合成、折疊和寡聚化、鈣的存儲、脂類代謝、類固醇代謝的合成等[11]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)也就是一些病理生理刺激,如氧化應(yīng)激、缺血缺氧、鈣穩(wěn)態(tài)紊亂、輻射及線粒體功能紊亂及病毒感染等,可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊與錯誤折疊蛋白的蓄積及Ca2+平衡紊亂而導(dǎo)致細胞凋亡[3,11]。研究已表明在卵母細胞的ERS包括CHOP基因的激活轉(zhuǎn)錄通路、JNK/JUN激活通路及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特有的半胱氨酸蛋白酶Caspase-12凋亡通路[12,20]。CHOP通路是通過誘導(dǎo)ATF2、ATF4及ATF6α而激發(fā)卵母細胞的凋亡[12]。JNK/JUN通過p38MAPK14和p53的激活而調(diào)節(jié)下游凋亡相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達而激活死亡受體途徑及線粒體凋亡途徑[20-21]。在正常細胞中,Caspase-12以無活性的酶原形式存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中,是介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激凋亡的關(guān)鍵分子[12,20]。如Calreticulin是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔主要的結(jié)合Ca2+的分子伴侶,調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Ca2+的動態(tài)平衡[20]。在ERS損傷刺激下,Ca2+動態(tài)平衡被破壞,Caspase-12酶原通過IRE1的磷酸化,激活TRAF2及ASK1活性而使Caspase-12酶原被激活[12,20-21]?;罨腃aspase-12與其他應(yīng)激分子激活Caspase-9酶原及Caspase-3酶原而引致細胞凋亡[12,20-21]。
大量的卵母細胞在卵子發(fā)生的不同階段通過細胞凋亡而調(diào)控卵母細胞的成熟與排卵,但對卵母細胞細胞凋亡進程中參與的凋亡分子及其在凋亡途徑中的作用機制有待進一步深入研究。特別是卵母細胞在雙線期、MⅠ期、MⅡ期及MⅢ阻滯期是如何被誘導(dǎo)、調(diào)控細胞凋亡的機制亟需深入研究。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為信號傳導(dǎo)的樞紐,ERS在細胞凋亡過程中也發(fā)揮著重要作用,因此亟待卵母細胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)介導(dǎo)的凋亡通路的深入研究,以完善卵母細胞內(nèi)細胞凋亡通路及其調(diào)控機制。
研究表明,赭曲霉毒素通過上調(diào)p53及p21的表達激活細胞凋亡而影響小鼠卵母細胞的成熟及胚胎的發(fā)育[22]。糖皮質(zhì)類激素通過激活Fas細胞凋亡通路而誘導(dǎo)卵巢細胞的凋亡,如類胰島素類生長因子,腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子及糖皮質(zhì)激素受體在顆粒細胞內(nèi)的表達,促進在血清和卵巢中糖皮質(zhì)激素水平的提高,出現(xiàn)卵丘細胞和顆粒細胞及卵母細胞的凋亡[23]。印楝質(zhì)農(nóng)藥是目前極有發(fā)展前途的植物源生物農(nóng)藥,以其優(yōu)秀的殺蟲特性逐漸受到重視,但印楝葉提取物可誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生及線粒體介導(dǎo)小鼠卵泡中顆粒細胞及卵泡細胞的凋亡[24]。
卵母細胞的凋亡是卵巢內(nèi)生殖細胞清除的主要因素之一,對哺乳動物雌性動物,包括人類的生育具有重要的影響。胚胎干細胞的發(fā)現(xiàn)開辟了一個新的研究卵子發(fā)生的方法,可通過卵巢干細胞來增加卵母細胞的數(shù)量而進行一系列的研究,但重點是阻止卵母細胞由于環(huán)境的變化、病理條件下或藥物治療而通過凋亡從卵巢中喪失及如何將卵巢內(nèi)卵母細胞早期的損失進行有效的保護,獲得大量高質(zhì)量的卵母細胞以提高哺乳動物包括人類的繁殖狀況[3,25]。
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(責(zé)任編輯 董曉云)
中圖分類號:Q952
文獻標(biāo)識碼:A
文章編號:1671-7236(2016)12-3263-05
doi:10.16431/j.cnki.1671-7236.2016.12.027
收稿日期:2016-04-15
基金項目:中央高?;緲I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(XDJK2013C139、XDJK2015C032)
作者簡介:馬鮮平(1981-),女,甘肅文縣人,碩士,講師,研究方向:家畜解剖學(xué)及組織胚胎學(xué),E-mail:xianpingma@126.com
通信作者:*易華山(1980-),男,甘肅臨夏人,博士,講師,研究方向:細胞遺傳與細胞工程,E-mail:dyxyihuashan@swu.edu.cn
Advance of Apoptotic Mechanism in Mammalian Oocyte
MA Xian-ping,BI Jun-xuan,LONG An-ge,CHEN Yi-xi,TENG Guo-zhou,YI Hua-shan*
(DepartmentofAnimalMedicine,RongchangCampusofSouthwestUniversity,Chongqing402460,China)
Abstract:Apoptosis is programmed cell death process,which plays an important role in the process of development of germ cells.In the process of growth and development of mammalian oocytes,in addition to the mature ovulation fertilization of the oocytes,the others are apoptotic at different stages of follicular oocytes.This paper summarizes the research progress of development of the main apoptosis mechanism and apoptosis pathway of mammalian oocytes,and lays a foundation for further studying growth,development and ovulation mechanism of oocytes.
Key words:mitochondria;death receptors;oocyte;apoptosis