方振宇，任 娟，全炳榮，金花子

（延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林延吉 133000）

細胞凋亡（Apoptosis）是指機體為了維持自身內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制細胞發(fā)生自主且有序的死亡過程[1]。與細胞壞死不同，細胞凋亡是機體為了更好地適應(yīng)新的生存環(huán)境所進行的死亡過程。細胞凋亡主要的形態(tài)變化為細胞濃縮，染色體DNA 被以核小體為單位切成梯狀片段，細胞縮小，形成細胞凋亡小體，凋亡小體再通過細胞膜表面以出芽的方式脫落，最終被附近的吞噬細胞所吞噬[2]。

卵巢作為雌性動物重要的生殖腺，其主要功能是生產(chǎn)卵細胞以及分泌雌激素。在雌性動物的生殖周期中，99%以上的卵泡都會發(fā)生卵泡閉鎖從而退化，而僅有不到1%的卵泡能夠發(fā)育至成熟[3]，絕大部分的卵泡會發(fā)生閉鎖，而卵泡閉鎖的實質(zhì)就是細胞凋亡[4-5]。本文綜述了細胞凋亡的過程與調(diào)控機制，并對影響嚙齒類動物卵泡顆粒細胞凋亡的因素進行分析，為揭示細胞凋亡機制的理論奠定基礎(chǔ)，進而有助于畜牧業(yè)動物快速擴繁。

1 細胞凋亡的過程與調(diào)控機制

1885 年Flemming[6]研究卵巢卵泡細胞時發(fā)現(xiàn)了一種與細胞壞死不同的細胞死亡現(xiàn)象，并在1887 年將這種細胞死亡現(xiàn)象稱為染色質(zhì)溶解死亡。1972 年澳大利亞生物學(xué)家Kerr 等[7]在電鏡下觀察到有別于細胞膨脹、崩潰等細胞壞死的典型性狀，而是以細胞核濃縮、細胞內(nèi)DNA 斷裂等現(xiàn)象為特征的細胞死亡，其推測這種細胞壞死的死亡機理肯定和普通的細胞壞死不同，有可能是機體自身基因控制的一種死亡，因此將這種死亡現(xiàn)象稱為“細胞凋亡”。

細胞凋亡過程可分為4 個階段：凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、激活凋亡基因、執(zhí)行凋亡、清除凋亡細胞。其機理是凋亡誘導(dǎo)因素與細胞受體經(jīng)生化作用后形成死亡信號并激活凋亡相關(guān)基因，半胱氨酸蛋白酶（Caspase）進行活化反應(yīng)并激活核內(nèi)部的核酸內(nèi)切酶及Caspase-3，降解細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)，致使細胞死亡，最后凋亡的細胞由吞噬細胞分解[8]。造成細胞凋亡的相關(guān)基因主要有Caspase家族、Bcl-2家族及腫瘤壞死因子受體超家族等，其中Bcl-2家族與生殖細胞凋亡最為密切。

迄今為止，被科學(xué)所證實的細胞凋亡信號通路共有4 種[9]：凋亡受體信號通路、線粒體通路、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號通路、Caspase 非依賴的細胞凋亡途徑。

1）凋亡受體信號通路。凋亡受體是一類跨膜蛋白，屬于腫瘤壞死因子超家族的一員，常見的受體有Fas、TNFRI、DR3，其對應(yīng)的配體為FasL、TNF、Apo-3。細胞外的凋亡配體與細胞膜上的凋亡受體特異性結(jié)合，并進入細胞內(nèi)部，Caspase-8、Caspase-10 等被細胞內(nèi)的天冬氨酸特異性刺激后產(chǎn)生一系列的生化反應(yīng)。死亡受體聚合之后，導(dǎo)致接頭蛋白的結(jié)合并激活Caspase 的級聯(lián)反應(yīng)。

2）線粒體通路。線粒體不僅是細胞能量的代謝中心，還是細胞內(nèi)源性凋亡信號誘導(dǎo)的細胞凋亡中心，所以也將線粒體通路稱為內(nèi)源性凋亡。線粒體在細胞功能強的區(qū)域廣泛分布。線粒體造成的細胞凋亡包括3 種機制：①電子傳遞、ATP 產(chǎn)生的破壞及氧化磷酸化；②激活并釋放Caspase 家族蛋白；③最為直接的方法是改變細胞氧化還原的能力。在凋亡因素刺激下線粒體跨膜電位消失，導(dǎo)致膜的通透性發(fā)生變化，細胞色素C（Cyt-c）釋放并與dATP、活化因子-1（Apaf-1）、pro-Caspase-9 結(jié)合形成凋亡小體，激活Caspase-9，最終造成細胞凋亡[10]。研究證明[11]雖然細胞的凋亡途徑有多種，但外源性（凋亡受體）途徑和內(nèi)源性（線粒體）途徑是主要的凋亡過程，且均由Caspase 家族介導(dǎo)。

3）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號通路。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路的發(fā)現(xiàn)要比前面兩者稍晚一些，它和細胞凋亡之間的關(guān)系主要在于：①對鈣離子的作用；②內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的應(yīng)激反應(yīng)；③內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Bcl-2基因家族參與細胞凋亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的主要場所，同時也是Ca2+的主要儲存庫。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+平衡破壞或者過度積累造成位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的Caspase-12 的表達，進而激活Caspase-9，自噬相關(guān)蛋白被切斷，最終導(dǎo)致細胞凋亡（圖1）。

圖1 細胞凋亡通路圖[13]

4）Caspase 非依賴的細胞凋亡途徑。通常情況下，凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）存在于線粒體內(nèi)膜，受到凋亡信號刺激時，AIF從線粒體轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)內(nèi)，然后進入細胞核中，引起核內(nèi)DNA 的聚集，并最終導(dǎo)致大量DNA片段的斷裂，造成細胞凋亡[12]。

2 影響嚙齒動物卵泡顆粒細胞凋亡的因素

卵泡顆粒細胞凋亡的主要原因是卵泡閉鎖。嚙齒動物卵泡顆粒細胞凋亡的機制十分復(fù)雜，造成的原因也很多，主要分為內(nèi)在因素和外在因素。

2.1 內(nèi)在因素 激素、細胞因子等內(nèi)在因素是影響卵泡顆粒細胞凋亡最主要的因素，通過促進或抑制凋亡因子對其進行調(diào)控。

2.1.1 激素 激素以對細胞特有的方式在其存在或消失的狀態(tài)下引起細胞凋亡，并通過對細胞發(fā)生免疫反應(yīng)的程度進行調(diào)節(jié)，以維持機體平衡[14]。大部分激素對顆粒細胞的凋亡發(fā)揮抑制作用。體內(nèi)研究表明，小鼠中促卵泡激素（FSH）表達可以在mRNA 水平上抑制3-硝基丙酸（3-NP）誘導(dǎo)的細胞凋亡和P53 上調(diào)的凋亡調(diào)控因子（PUMA）的表達；在體外實驗中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SH 可以在mRNA 水平上抑制過氧化氫（H2O2）誘導(dǎo)的細胞凋亡和PUMA的表達，證明FSH 能夠抑制顆粒細胞的凋亡[15]。這與牛生長激素在小鼠卵巢細胞當(dāng)中過表達的結(jié)果相似[16]，相比于正常小鼠其卵泡凋亡率顯著降低16%，而排卵前的健康卵泡也比正常小鼠顯著高3.1%，表明牛生長激素能夠減少卵泡的閉鎖率，進而增加排卵數(shù)。但并不是所有的激素對顆粒細胞凋亡具有抑制作用，Danilovich 等[17]對腦切除并經(jīng)過雌激素處理的大鼠進行GnRH 類似物（Leuprolide Acetate，LA）注射，之后通過原位末端轉(zhuǎn)移酶標記技術(shù)對表現(xiàn)出DNA 片段化的細胞核進行免疫細胞化學(xué)定位，結(jié)果表明在所研究的所有時間（注射LA 的1、2、4 或7 d），經(jīng)過LA 處理過的小鼠其卵泡顆粒細胞凋亡數(shù)量增加。總之，大部分激素通過抑制細胞凋亡而對卵泡顆粒細胞的生長起促進作用。

2.1.2 細胞因子 細胞因子作為細胞外的環(huán)境因素影響卵泡顆粒細胞的凋亡，也可分成抑制凋亡和促進凋亡兩類[18]。胰島素樣生長因子-I（IGF-I）作為抑制細胞凋亡的細胞因子對卵泡影響較深，Chun 等[19]收集大鼠排卵前卵泡，進行有無類IGF-I 體外對照培養(yǎng)，培養(yǎng)24 h 后發(fā)現(xiàn)對照組凋亡DNA 片段增加，而IGF-1 組能夠自發(fā)地抑制顆粒細胞的凋亡作用。而轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）在卵泡中發(fā)揮的作用與IGF-I 有所不同，體外實驗證明，TGF-α和TGF-β1只存在其中1 種因子時對顆粒細胞沒有影響，但它們同時存在的情況下，會協(xié)同導(dǎo)致大鼠顆粒細胞的凋亡[20]。此外，還有其他細胞因子對顆粒細胞凋亡起著促進作用，如溫鑫等[21]發(fā)現(xiàn)Zhangfei 因子在小鼠卵泡發(fā)育及閉鎖過程中均有表達而且參與調(diào)控卵泡的發(fā)育及閉鎖，證明Zhangfei 不僅能促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的應(yīng)激，還能夠抑制ERK1/2 的磷酸化，促進卵巢細胞的凋亡。Choi 等[22]研究表明Krüppel 樣因子4（Klf4）過表達會通過下調(diào)Bcl-2 基因的水平增加排卵前大鼠顆粒細胞的敏感性，從而使顆粒細胞凋亡的比例升高。

凋亡是一種通過細胞內(nèi)促凋亡基因和抗凋亡基因的共同調(diào)控，激活凋亡基因，最終誘導(dǎo)細胞凋亡的過程。例如Bcl-2家族基因，與細胞凋亡最密切相關(guān)的基因之一，在凋亡中起著重要作用。屈麗華[23]通過對大鼠不同發(fā)育時期卵細胞生長研究發(fā)現(xiàn)，Bcl-2/Bax基因?qū)ζ渎雅菁毎陌l(fā)育和凋亡有重要的調(diào)節(jié)作用，且卵泡閉鎖及卵泡中不同細胞的凋亡機制與調(diào)控方式隨卵巢不同發(fā)育時期、卵泡不同發(fā)育階段而異。而汝文文[24]也通過實驗證明了在大鼠卵巢顆粒細胞凋亡中Bcl-2/Bax基因的比例越大細胞就趨于存活，反之則更趨于凋亡。除Bcl-2基因家族外，Caspase 家族也在細胞凋亡中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。多囊卵巢綜合征（PCOS）的大鼠卵巢組織中Caspase-3 的mRNA 水平比正常大鼠高，是因在其發(fā)病過程中NF-κB 通過正向誘導(dǎo)Caspase-3 的表達，誘導(dǎo)顆粒細胞凋亡[25]。

2.2 外在因素 除內(nèi)在因素外，環(huán)境污染物、輻射等一些外在因素也影響嚙齒動物卵巢功能障礙，最終損害生殖系統(tǒng)[26]。

2.2.1 環(huán)境污染物 環(huán)境中許多有害物質(zhì)會通過不同的凋亡途徑誘導(dǎo)顆粒細胞的凋亡。盛菲等[27]使用不同濃度的多環(huán)芳烴（PAHs）對小鼠卵巢進行體外培養(yǎng)，結(jié)果顯示隨著濃度增加卵泡數(shù)量減少，隨后通過免疫組化法證明PAHs 可通過干預(yù)Caspase-3、Caspase-9 和Bcl-2/Bax基因表達來促進卵泡凋亡，進而影響卵泡功能。Loretta 等[28]對大鼠進行4-乙烯基環(huán)己烯二環(huán)氧化物（VCD）80 mg/kg·d 的腹腔注射，并在隨后的時間點評估動物的生殖性能時，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，VCD 組中的周期性被破壞，導(dǎo)致其誘導(dǎo)大鼠卵泡破壞與卵巢早衰。同樣，將小鼠卵巢暴露于全氟丁烷磺酸鹽（PFBS）（≥200 mg/kg·d）中，PFBS 通過降低甲狀腺激素水平致使卵泡顆粒細胞和卵丘細胞Akt-mTOR 信號下調(diào)，最終導(dǎo)致卵泡發(fā)育和卵巢激素生物合成障礙[29]。由此得出，環(huán)境中存在著一些有毒物質(zhì)影響卵泡顆粒細胞的正常生長。

2.2.2 植物提取物 植物中的一些物質(zhì)含有毒素，會直接影響包括卵巢在內(nèi)的生殖系統(tǒng)，引起卵泡顆粒細胞的凋亡。郭毅煒等[30]將斷乳至成熟期間的大鼠持續(xù)暴露于不同濃度赤霉素（GA3）時，結(jié)果顯示在低、中、高劑量GA3 組的有腔卵泡數(shù)量與對照組相比有所下降，而閉鎖卵泡數(shù)量上升。這與用棉酚培養(yǎng)大鼠卵巢的結(jié)果一致，實驗表明在卵泡發(fā)育的所有階段，用棉酚處理過的大鼠卵泡數(shù)量明顯少于正常卵巢卵泡數(shù)量，證明棉酚會促進卵泡閉鎖[31]。趙煜等[32]對注射5 mg/kg 玉米赤霉烯酮（ZEA）的大鼠卵巢顆粒細胞中Fas 及FasL 的動態(tài)變化表達進行檢測，結(jié)果顯示出總的上升趨勢，推測ZEA 可能通過上調(diào)Fas/FasL 來促進卵巢顆粒細胞凋亡。

2.2.3 有機化合物 除了有毒物質(zhì)，一些無毒性的有機化合物也會對卵泡顆粒細胞的正常生長造成損傷，引起卵泡閉鎖。郝麗[33]使用不同劑量的乙醇對大鼠進行灌胃時發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇灌胃劑量的提升，大鼠卵巢顆粒細胞凋亡程度逐漸加深，濃度6%～7%乙醇可能是細胞凋亡的分界點，一旦超過這個分界點就會引起凋亡卵泡和黃體的比例顯著升高。鄰苯二甲酸單酯（MEHP）的暴露影響大鼠卵巢顆粒細胞凋亡相關(guān)基因的表達水平，通過上調(diào)Caspase-3、Caspase-7 蛋白水平并降低Bcl-2 蛋白水平，從而降低大鼠卵巢顆粒細胞的存活率[34]。此外，雷公藤甲素一方面通過抑制AKT 等信號通路、上調(diào)凋亡相關(guān)因子Caspase-3促進大鼠卵巢顆粒細胞的凋亡，另一方面增加了大鼠卵巢顆粒細胞自噬小體以及自噬溶酶體數(shù)量，進而達到抑制卵泡發(fā)育的目的[35]。

由上述3 個外在因素可知，環(huán)境中存在的一些化學(xué)物質(zhì)通過各種凋亡通路或直接或間接的影響卵巢的生殖功能，最終誘導(dǎo)卵泡顆粒細胞的凋亡。

2.2.4 輻射 目前，環(huán)境中輻射對人類的影響日益增加，因此對于它的研究也受到廣泛關(guān)注。Lee 等[36]使用鈷-60源，總劑量為7.2 Gy（戈瑞），劑量率為12.0 cGy/min的γ射線平均致死劑量（LD 50）對青春期前小鼠進行全身照射，在照射前的第0 d 和照射后的第1、2 和3 天，收集卵巢并評估形態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，γ射線誘導(dǎo)小鼠卵巢卵泡的凋亡和變性。通過對不同狀態(tài)下手機輻射對雌性小鼠生殖功能和應(yīng)激反應(yīng)的影響時發(fā)現(xiàn)，暴露于輻射下的小鼠發(fā)育和成熟卵泡以及黃體的數(shù)量明顯減少，垂體促性腺激素、性腺類固醇的血清水平和類固醇生成因子-1（SF-1）、類固醇生成急性調(diào)節(jié)蛋白（StAR）以及孕酮的表達水平明顯降低，手機輻射會誘發(fā)應(yīng)激反應(yīng)，從而影響雌性小鼠的生殖能力[37]。尉春華等[38]將在s 波平均密度分別為20 mW/cm2的高功率微波輻照實驗組大鼠10 min，40 mW/cm2輻照5 min、10 min 后發(fā)現(xiàn)，其卵巢內(nèi)部C-myc 蛋白和Bcl-2 蛋白表達升高，而40 mW/cm2組升高更為明顯，推測出高功率微波輻射能夠促進Bcl-2 蛋白以及C-myc 蛋白的活化和表達，進而誘導(dǎo)卵泡細胞的凋亡。

2.2.5 排卵方式 除了環(huán)境因素之外，某些人為因素也可能對卵泡顆粒細胞的生長或凋亡造成影響。陳艷婷等[39]研究不同促排卵方案對小鼠顆粒細胞凋亡的影響時發(fā)現(xiàn)，GnRH-a 和GnRH-ant 排卵方案促進小鼠顆粒細胞的凋亡，而PMSG 排卵方案相比空白組的凋亡蛋白表達有所下降，說明PMSG 方案可以抑制小鼠顆粒細胞凋亡。因此，選擇合適的排卵方案能夠減少卵泡閉鎖數(shù)量，有助于顆粒細胞的正常生長。張芳[40]對大鼠卵巢卵泡進行重復(fù)超排卵，結(jié)果顯示卵泡閉鎖的速度增加，并且隨著超排卵的次數(shù)增加閉鎖速度越快。之后進一步研究發(fā)現(xiàn)重復(fù)超排卵通過降低卵巢凋亡抑制因子Bcl-2的表達使卵泡閉鎖，并且這種效果隨著超排卵次數(shù)的增加其降低的作用越發(fā)明顯[38]，但由于凋亡基因Bax的表達沒有明顯變化，因此尚不能證明重復(fù)超排卵導(dǎo)致的卵泡閉鎖是由Bcl-2/Bax所調(diào)節(jié)的。通過上述方式對卵泡顆粒細胞的生長和凋亡進行人為調(diào)控，是控制動物生產(chǎn)繁殖性能最直接的手段之一。

3 總結(jié)與展望

綜上可知，嚙齒動物卵泡顆粒細胞凋亡除了受到體內(nèi)各種調(diào)節(jié)因子的影響外，環(huán)境中的某些物質(zhì)也可能是造成凋亡的原因。但歸其本質(zhì)是某些刺激對凋亡基因進行激活和調(diào)控，使體內(nèi)促凋亡基因的表達量增加，進而通過各種凋亡通路致使顆粒細胞發(fā)生凋亡。

細胞凋亡是一個正常的生理過程，對維持內(nèi)環(huán)境平衡具有重要作用。深入研究卵泡顆粒細胞凋亡的機制，可以調(diào)控動物的發(fā)情周期，增加排卵卵泡的數(shù)目，從而達到提高受精率及繁殖率的目的,甚至還有助于進一步解析腫瘤以及癌癥的作用機制，為今后的治療打基礎(chǔ)。