在備孕的過程中，很多備孕女性會服用輔酶Q10和左旋肉鹼來改善卵母細胞質量，但是卻不重視胰島素抵抗、線粒體功能障礙。而且很多時候不知道為什麼要吃，只知道醫生是這麼囑咐的。
那麼，同樣作為醫生的我可以很嚴肅地告訴大家，有些時候醫生或許知道營養對卵母細胞很重要，但他可能並不知道，很多時候，我們的營養代謝出現了問題，尤其是線粒體代謝存在障礙，尤其是當體內有不良微生物、重金屬的超標時會導致營養代謝效率低下。這就會阻礙我們的能量代謝，導致細胞不成熟。
今天分享這篇文獻，重點是要闡述到底什麼是卵母細胞的營養代謝及能量代謝，希望告訴大家改善卵母細胞質量不能只吃輔酶Q10和左旋肉鹼。
溫馨提示：本文涉及研究資料較多，篇幅較長，可直接拉到最後看總結。
摘要
肥胖、糖尿病和相關代謝紊亂是世界範圍內的主要健康問題。隨著代謝紊亂的流行，相關的醫學共病，包括對生殖的有害影響，也在增加。新的證據表明，母親營養對生殖結果的影響可能是通過卵母細胞代謝介導的，至少部分是這樣。能量代謝的平衡和定時是卵母細胞最佳發育的關鍵。到目前為止，我們對卵母細胞代謝的理解大多來自於外源性營養物質對卵母細胞成熟的影響。
相比之下，代謝酶、細胞內介質和轉運系統對卵母細胞發育的內在調節作用較少。具體來說，卵母細胞中酸性轉運蛋白水平的降低、葡萄糖/脂質含量的增加和活性氧的增加與減數分裂缺陷、細胞器功能障礙和表觀遺傳改變有關。因此，卵母細胞的代謝紊亂可能導致代謝紊亂婦女的生殖能力下降。需要深入研究，進一步探索其內在機制。
本文還討論了幾種代謝分析方法。卵母細胞的代謝組學分析周圍的顆粒細胞和卵泡液將揭示調節卵母細胞發育的代謝網絡，可能導致鑑定卵母細胞質量標記物和預防生殖疾病和後代的不良結局。
卵母細胞的發育
哺乳動物卵母細胞的發育是一個由大量卵巢內外因素調控的複雜過程。卵母細胞起源於原始生殖細胞。PGC遷移到生殖嵴，在那裡通過有絲分裂增殖，並從卵原細胞轉化為初級卵母細胞[1–C3]。在出生前後，卵母細胞在第一次減數分裂前期的二倍體階段即生髮泡（GV）階段被阻滯在卵泡內。青春期後，卵母細胞受到刺激，在內源性LH激增後重新開始減數分裂，如GVBD（GVBD）所示。隨著微管組織成雙極紡錘體，所有染色體在紡錘體赤道處排列，卵母細胞進入中期I期（MI），然後擠壓出第一個極體。
卵母細胞成熟在中期II期（MII）停止時完成，等待受精[4，5]。卵母細胞的生長和成熟對營養、化學和內分泌環境的變化特別敏感[6]。卵母細胞的完全發育能力需要同步的核成熟和細胞質成熟[7，8]。表明在這一過程中需要能量產生和活性合成，卵胞質中的細胞器，如線粒體、內質網和高爾基複合體變得更加豐富，並隨著卵母細胞的生長而經歷動態變化[9，10]。多種代謝產物和代謝相關酶在卵母細胞成熟過程中的多種細胞事件中發揮著重要作用[11–14]。生長中的哺乳動物卵泡由單個卵母細胞、一層或多層周圍的體細胞（顆粒細胞）和卵泡膜細胞外緣組成。卵母細胞通過縫隙連接與顆粒細胞結合。這些高度專業化的膜連接介導小代謝物、無機離子和第二信使從一個細胞轉移到另一個細胞[15]。卵泡中卵母細胞和顆粒細胞之間的代謝合作一直受到重視[16–18]。顆粒細胞為卵母細胞的培養提供各種能量基質，而卵母細胞通過分泌旁分泌因子控制顆粒細胞的代謝活動[19，20]。
肥胖、糖尿病和相關代謝紊亂是世界範圍內的主要健康問題。隨著代謝紊亂的流行，相關的醫學共病，包括那些影響生殖的疾病，也增加了[21]。特別是，肥胖或糖尿病控制不良的婦女，其不孕、流產、產科併發症、新生兒發病率和死亡率以及後代出生缺陷的風險增加。新的動物研究和臨床數據表明，卵母細胞的代謝活性可能是介導這些生殖缺陷的關鍵靶點。
本文綜述了近年來有關卵母細胞生長和成熟代謝事件的研究進展，以及母體營養、卵母細胞代謝和生殖結局之間的關係。此外，還簡要介紹了卵母細胞的代謝分析。這些領域的進展可能有助於理解卵母細胞發育的機制，因此，可能會指導進一步確定卵母細胞質量的預測因子，以及治療不孕症和產科及新生兒預後差的方法。
文獻搜索方法：本文從人和動物兩個方面對其進行了綜述。截至2014年8月，在PubMed上以英文發表的相關研究文章以不同的組合使用了以下搜索詞：“卵母細胞”、“卵母細胞質量”、“代謝”、“代謝紊亂”、“母親營養”、“肥胖”、“糖尿病”、“多囊卵巢綜合徵”、“代謝組學”，“卵泡液”、“卵丘細胞”、“胚胎”、“生殖結局”、“妊娠”和“表觀遺傳學”。對摘要進行評估，以確定適合該綜述的研究。
卵母細胞的能量代謝
卵母細胞不能完全從卵泡（尤其是顆粒細胞）中分離出來，顆粒細胞為卵母細胞的生存、營養和調節創造了必要的生態位[24]。卵母細胞缺乏進行一些關鍵代謝過程的能力，因此依賴顆粒細胞的合作為其發育提供代謝物 [19，25]。儘管卵母細胞起主導作用，但溝通是雙向的，卵泡細胞是相互依賴的。
正如Henry Leese所指出的[27]，卵母細胞發育的代謝控制可以考慮在兩個水平上：（1）通過酶的數量/活性、細胞內介質和質膜運輸系統進行的內在控制[28–C30]和（2）通過提供來自卵泡生態位、雌性生殖道或體外的營養物質進行的外在控制文化環境[31–34]。絕大多數的研究和實踐都集中在調控卵母細胞成熟的外源營養素上。相比之下，控制卵母細胞發育的內在途徑的潛在作用卻很少受到關注。在哺乳動物卵母細胞中檢測到一些與代謝有關的內源性酶，總結見表1。圖1概述了卵母細胞發育的代謝控制，特別是減數分裂、表觀遺傳學和細胞器。
圖1。卵母細胞發育過程中減數分裂、表觀遺傳學和細胞器的代謝調控
卵母細胞葡萄糖代謝-Sutton McDowall等人系統地綜述了卵丘卵母細胞複合體（COCs）對葡萄糖的利用。[35，36]。因此，本文僅對卵母細胞的代謝模式、轉運系統和關鍵酶進行了詳細的討論。
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卵母細胞葡萄糖代謝模式
原始生殖細胞（PGCs）和卵原細胞的能量代謝仍然存在爭議。最初顯示小鼠PGCS在葡萄糖上優先氧化丙酮酸[ 37 ]。然而，詹森和德波爾的作品〔38〕提示厭氧糖酵解是PGCs防止氧化損傷的主要代謝模式。在整個生長期，小鼠卵母細胞丙酮酸和耗氧量逐漸增加[39]。成熟卵母細胞利用葡萄糖的能力有限[40–C43]，葡萄糖首先需要由濾泡細胞轉化為丙酮酸，以確保減數分裂成熟成功[18，44–C46]。丙酮酸通過質子連接的一元羧酸載體家族（MCT）[47]轉運，小鼠卵母細胞富含MCT[48]的SLC16A成員（圖1）。然而，關於哪些MCT（s）以及它們如何介導卵母細胞攝取丙酮酸的重要問題仍然沒有答案。強調丙酮酸在卵母細胞成熟過程中的重要性，小鼠卵母細胞特異性缺失PdhÁ1（丙酮酸脫氫酶E1Á）導致嚴重減數分裂缺陷[12]（圖1；表1）。有趣的是，狗和豬的卵母細胞似乎以比其他物種更高的速率利用葡萄糖作為初級能量底物[32，49]，這意味著卵母細胞中葡萄糖代謝模式的特殊差異。
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卵母細胞葡萄糖轉運
儘管丙酮酸是首選的底物，但在卵母細胞中已經檢測到葡萄糖代謝和葡萄糖載體介導的攝取機制[41，42，50–C54]。葡萄糖通過鈉偶聯葡萄糖轉運蛋白（SGLTs）或促進性葡萄糖轉運蛋白（GLUTs）主動進入細胞。GLUT家族的14個成員已經被確認，包括GLUT1–C12，H偶聯的肌醇轉運體和GLUT14[29，55]。GLUTs在小鼠[56，57]、奶牛[58]、綿羊[59]、人類[60]和恆河猴卵母細胞[61]中的表達已被報道。小鼠卵母細胞含有GLUT1、glut3和glut8，但尚未檢測到GLUT4（主要的胰島素敏感轉運體）[36，62]（圖1）。目前，對葡萄糖在卵母細胞中的轉運機制的研究還很少。
最近，利用一種不可代謝的熒光葡萄糖衍生物，我們揭示了葡萄糖轉運到小鼠卵母細胞的細胞間途徑，即葡萄糖在卵丘細胞中被攝取，然後通過縫隙連接轉移到卵母細胞中[63]（圖1）。
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卵母細胞葡萄糖代謝相關酶
為了發現卵母細胞中哪些代謝途徑起作用，有必要測量相關酶的水平和/或活性。分別在小鼠和人卵母細胞中檢測己糖激酶（HK）、果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）。儘管所有這些都是可檢測到的，但人類的水平平均比老鼠的水平高出3-9倍[64]，表明它們可能扮演物種特異性的角色。其他與葡萄糖代謝和三羧酸循環（TCA）有關的酶也用生化或細胞化學方法在不同種類的卵母細胞中進行了測定[65–67]。
由野生型細胞和純合Gpi-fi/fi空細胞（Gpi編碼糖酵解酶葡萄糖磷酸異構酶）組成的雌性小鼠嵌合體能夠產生來自純合Gpi-fi/fi空卵母細胞的後代[68]，支持小鼠卵母細胞的發育不需要完整的內源性糖酵解的結論。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PDH）是一種胞漿酶，催化戊糖磷酸途徑（PPP）的第一步，在卵母細胞內合成卵子發生（圖1）。由於G6PDH能將亮麗的甲酚藍（BCB）染色由藍色轉變為無色，故用BCB染色法測定卵母細胞中G6PDH的活性。G6PDH在小鼠、大鼠和奶牛的排卵前卵母細胞中具有很高的活性，並在卵母細胞成熟過程中經歷動態變化[65–C67]。大量的研究表明，G6PDH活性低與受精率和囊胚形成率高有關[69–71]，這表明G6PDH活性可能是卵母細胞質量的一個良好指標。然而，BCB染色還沒有用於評價人卵母細胞G6PDH活性。
此外，最近發現豬卵母細胞在未成熟期的BCB染色破壞了卵母細胞成熟過程中的線粒體功能，因此不適合在標準的體外成熟方案中應用[72，73]。因此，基於BCB染色的卵母細胞質量評價仍是一個有待解決的問題。
卵母細胞脂質代謝
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卵母細胞中的脂質儲存
哺乳動物卵母細胞中的細胞內脂質水平在不同物種間差異很大（4ng/小鼠卵母細胞、63ng/牛卵母細胞和161ng/豬卵母細胞）[74–76]。甘油三酯是卵母細胞中最豐富的脂類，佔所有脂類物質的50%以上[77–79]，具有巨大的潛在能量儲備。脂滴在卵母細胞生長過程中積累，在成熟過程中經歷時空變化。例如，在豬和牛卵母細胞體外成熟過程中，儘管在血清中培養，甘油三酯的儲存量急劇減少[76，77]。隨著小鼠卵母細胞的成熟，脂滴變得更大，位置也更集中[80]。相比之下，在倉鼠和豬卵母細胞中觀察到明顯的外周分佈模式[81–83]。據報道，perlipin-2和脂肪分化相關蛋白（ADRP）圍繞著小鼠和牛卵母細胞中的脂滴[80，84]，這可能控制脂滴的穩定和脂解利用[85]。此外，使用活體細胞成像方法，Sturmey等人。結果表明，豬和牛卵母細胞中脂滴和線粒體之間存在著密切的空間聯繫[83，86，87]，表明卵母細胞線粒體在脂質代謝中的重要性。
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卵母細胞中脂肪酸的α-氧化反應
脂肪酶將甘油三酯分解成甘油主鏈和不同鏈長和飽和度的脂肪酸。脂肪酸的攝取主要是通過細胞表面的脂肪酸蛋白轉運體，包括脂肪酸轉運酶（FAT）、組織特異性脂肪酸轉運蛋白（FATP）和質膜結合脂肪酸結合蛋白（fabpm）（圖1）。一旦進入細胞內，脂肪酸通過肉鹼棕櫚酰轉移酶（CPT）穿過線粒體外膜，然後通過肉鹼穿過線粒體內膜。在線粒體中，長鏈酰基輔酶A進入脂肪酸氧化途徑，釋放乙酰輔酶A。然後，乙酰輔酶A進入TCA循環產生ATP。CPT1被認為是脂肪酸氧化的限速步驟〔88〕（圖1）。與其它營養素類（碳水化合物和蛋白質）相比，脂肪酸通過α-氧化途徑產生最多的ATP
。Dunning等人對脂肪酸在不同動物模型卵母細胞發育中的作用進行了詳細的綜述。〔89〕和Mckeegan和Sturmiy〔90〕，因此僅對γ-氧化作了簡要說明。棕櫚酸、硬脂酸、油酸和亞油酸是豬、牛和人卵母細胞中最豐富的細胞內脂肪酸[78、79、84]。通過使用CTP1抑制劑，已經證明抑制牛和豬卵母細胞成熟過程中脂肪酸的氧化-氧化導致隨後胚胎的存活率下降[76, 91 ]。有趣的是，雖然具有低的脂質儲備，抑制卵母細胞成熟過程中的α-氧化阻斷AMPK介導的減數分裂恢復[92 ]。此外，牛卵母細胞成熟過程中的脂肪酶活性和激素超排後小鼠卵母細胞中的CPT1表達被發現上調[93，94]。最近的研究表明，L-肉鹼（CPT1的輔因子）對培養卵泡的補充增強了氧化作用，同時提高了小鼠和牛的卵母細胞核和細胞質成熟度〔95〕C97。類似地，L-肉鹼富集體外成熟（IVM）培養基提高谷胱甘肽（抗氧化劑）的濃度，並促進豬卵母細胞發育[98 ]。脂肪酸氧化在細胞核成熟中的重要性也在小鼠、牛和豬中得到證實（99）。這些結果共同表明，脂肪酸的代謝，特別是α-氧化途徑，是維持哺乳動物卵母細胞發育能力所必需的。
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細胞信號轉導中的脂肪酸
除了為細胞提供能量外，脂肪酸及其前體/代謝物也被報道為非代謝過程，特別是細胞信號轉導過程所必需的[100，101]。甘油二酯（DAG）是甘油脂質代謝的中間產物，是歷史上已知的第一個脂質第二信使[102–C104]。DAG是由磷脂酰肌醇（4，5）-二磷酸脂水解產生的，蛋白激酶C（PKC）是其主要作用因子。DAG與PKC中保守的C1結構域結合可導致PKC活化、調節細胞週期、細胞存活、惡性轉化和凋亡[105]。值得注意的是，PKC同工酶參與了卵母細胞發育過程中的多個關鍵步驟，如減數分裂恢復、紡錘體組織和激活[106–C108]（圖1）。神經酰胺，鞘磷脂水解的直接脂質產物，被證明是爪蟾卵母細胞減數分裂週期進展的生物效應物[109，110]。脂肪酸還結合核受體和轉錄因子，如過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）和固醇調節元件結合蛋白（SREBP）〔111〕。在小鼠和牛卵母細胞中已經檢測到PPAR和亞克隆，可能與胚胎髮育和雌性生育力有關（112, 113）。雖然脂質作為次級信使在哺乳動物卵母細胞發育控制中的作用很有希望，但目前幾乎是一個未被探索的研究領域
卵母細胞氨基酸代謝
氨基酸通過一系列特殊的系統進入細胞，在細胞功能中起著重要的作用，包括蛋白質合成、能量產生、有機滲透壓細胞和細胞內緩衝液[114–C116]。在過去的幾十年中，人們對植入前胚胎中的氨基酸進行了廣泛的研究。而哺乳動物卵母細胞生長髮育過程中氨基酸的轉運和利用卻鮮為人知。
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卵母細胞中氨基酸的轉運系統
氨基酸轉運系統的經典定義是由其底物特異性的範圍和是否存在專一性鈉共轉運[117，118]。Colonna等人。首先檢查了氨基酸轉運在整個卵子發生過程中分離的小鼠卵母細胞系統。雖然成熟的GV卵母細胞缺乏A-轉運系統，但它們證明了L-和asc系統的利用[119]。Van Winkle等人。後來發現，在未成熟卵母細胞中，甘氨酸主要通過系統甘氨酸轉運，半胱氨酸/穀氨酸主要通過系統轉運[120121]。同樣，在成熟卵母細胞中也相繼檢測到了系統∗、L、GLY和b0。最近，Pelland等人。【117】測定了小鼠卵母細胞中9種氨基酸的轉運特性，並測定了11種經典氨基酸轉運系統的活性。甘氨酸，在卵母細胞生長過程中活性較低，在減數分裂成熟過程中強烈上調。五十、 b0和asc/asc在整個卵母細胞生長和成熟過程中都具有持續的活性。與此一致的是，卵母細胞呈現出不同的氨基酸轉運模式[117]。
據報道，小鼠卵母細胞包埋或卵母細胞剝落的卵母細胞在含有[14C]L-丙氨酸的培養基中培養時，卵母細胞包埋組的卵母細胞放射性水平較高[125]。與小鼠卵母細胞相比，Slc38a3（編碼對丙氨酸有高度底物偏好的鈉偶聯中性氨基酸轉運體的轉錄本）在卵母細胞中大量表達[126]。迄今為止，在顆粒細胞存在的情況下，甘氨酸、丙氨酸、牛磺酸和賴氨酸進入卵母細胞的運輸速率已經得到了證實[117、120、125]。這些發現強烈暗示卵母細胞和濾泡細胞之間的代謝合作涉及氨基酸的攝取。令人驚訝的是，卵泡細胞並沒有賦予封閉卵母細胞額外的氨基酸轉運能力，在某些情況下，它們似乎抑制了小鼠卵母細胞對亮氨酸的攝取[117]。
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卵母細胞中氨基酸的利用
卵母細胞中存在大量的轉運系統，表明它們有能力利用外界環境中的氨基酸。谷氨醯胺被認為是支持卵母細胞發育的有效能量底物。例如，使用谷氨醯胺作為唯一的能量來源足以啟動COC內小鼠卵母細胞的減數分裂恢復，儘管不能通過MII階段進行[127]。在培養基中添加谷氨醯胺可促進牛、倉鼠、狗、兔和恆河猴卵母細胞的成熟[115128–C131]。谷氨醯胺、天冬氨酸和纈氨酸也能防止豬卵母細胞的多精子受精[132]。
動物細胞通過主動調節滲透活性溶質的細胞質濃度來控制其體積，從而改變細胞內滲透壓[133]。Tartia等人。[134]對小鼠卵母細胞的體積調節進行了細緻的研究。他們發現，GLYT1，一種甘氨酸轉運蛋白，在未成熟的GV卵母細胞中是靜止的，卵母細胞中也含有很少的內源性甘氨酸。然而，在排卵開始的幾個小時內，GLYT1介導的甘氨酸轉運在卵母細胞中被激活。同時，卵母細胞能夠利用甘氨酸調節其體積。這些觀察結果表明，甘氨酸依賴的細胞體積調節機制存在於卵母細胞（圖1）。
卵母細胞代謝、母體營養和生殖結局：連接點
越來越多的證據表明，過多的體脂會對女性生育和懷孕產生不利影響。肥胖婦女即使經常騎自行車也要花更長的時間才能懷孕，而且有很高的流產、子癇前期、妊娠糖尿病和後代先天缺陷的風險[135–137]。同樣，糖尿病控制不良的婦女往往會遭受一系列的生殖問題，如流產、新生兒發病率和死亡率以及先天畸形[138–140]。此外，儘管在整個懷孕期間血糖得到控制，這些婦女的妊娠併發症的發生率仍然高出3到5倍[141]，這表明母親糖尿病可能對女性生殖產生永久和不可逆轉的影響。同時，動物研究也表明，一系列宏微量營養素的缺乏或過量與生殖性能、生育能力、胎兒發育和長期後代健康的嚴重損害有關[142–144]。
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母親營養與生殖
在過去的30年裡，大多數研究都集中在早期胚胎和後代的發育上，研究母體營養對人類和動物模型生殖的影響。
在齧齒動物模型中，母親的高血糖和肥胖已經被證明會對從單細胞合子到囊胚的發育產生不利影響[148–153]。最近，我們發現從糖尿病小鼠到非糖尿病小鼠的單細胞合子移植仍然會顯著增加後代的先天畸形和生長遲緩[154]。在餵食高脂飲食（HFD）的小鼠中也觀察到類似的表型[153]。這些發現表明，在卵子發生和受精過程中暴露於紊亂的代謝條件下，足以對胎兒進行永久性的規劃，使其發生形態變化。
來自人類診所的數據顯示，肥胖婦女的著床率和懷孕率比正常體重婦女低[155156]。卵母細胞捐贈模型已被用來確定卵母細胞/胚胎質量或子宮容受性是導致妊娠率下降的主要原因。有幾個系統性的評論說明了這個問題，併產生了相互矛盾的結果[159–165]。儘管如此，大多數回顧性研究表明，體重指數（BMI）不太可能對子宮內膜容受性產生負面影響，質量差的卵母細胞或由此產生的胚胎更有可能是超重婦女出現生殖問題的原因[161162]。最近，一項對45000個輔助生殖技術（ART）週期的大規模分析得出結論，肥胖的增加與懷孕可能性的降低相關。只有在使用自體卵母細胞時才觀察到這種效果。如果使用來自瘦女人的供體卵母細胞，效果會減輕[166]，支持卵母細胞來源決定生殖結果的觀點。
總之，有人提出母體代謝紊亂早在卵母細胞期就有不利影響，這進一步使它們易患胚胎髮育異常甚至後代代謝疾病。母體營養、卵母細胞質量和生殖結局之間的直接因果關係尚未明確確定。然而，這種關係的證據繼續鞏固。在此，我們將從實驗動物模型和不孕症臨床兩個方面總結與母體營養對卵母細胞發育影響相關的數據，並從卵母細胞代謝的角度進行分析。
營養對卵母細胞代謝的影響-卵母細胞在離開原始休眠池和卵泡生長期時，對卵泡環境的變化特別敏感，尤其是營養物質變化引起的應激[167]。卵泡環境是動物生理狀態的反映。因此，母體營養的變化可能會對卵母細胞的代謝活性產生顯著影響。如上所述，卵母細胞代謝不當必然會影響卵母細胞的質量和胚胎的發育。
糖尿病是一種以血糖升高為特徵的代謝性疾病。利用I型糖尿病小鼠模型，我們發現母體糖尿病顯著導致卵母細胞線粒體的結構和空間改變[168]。與此一致，糖尿病小鼠排卵前和排卵期卵母細胞中的ATP和TCA循環代謝物（包括檸檬酸、蘋果酸和天冬氨酸）水平降低[155、156、168、169]。類似的現象也出現在HFD小鼠和高胰島素血癥小鼠身上[153170]。ATP含量的變化可能會影響卵母細胞的質量、胚胎髮育和著床過程[171172]。具體來說，微管的組裝和減數分裂期間的染色體移動需要ATP[173]。小鼠卵母細胞線粒體損傷可降低ATP含量，破壞減數分裂紡錘體[174]。PdhÁ1缺乏的小鼠卵母細胞顯示出ATP水平不足以及染色質和微管異常[12]。來自衰老加速小鼠的卵母細胞顯示紡錘體缺陷和與線粒體功能障礙相關的染色體排列紊亂[175]。最近，在pombe裂殖酵母中發現線粒體與紡錘體極的關聯有助於紡錘體的排列[176]。此外，低mtDNA和ATP含量也可能導致在人卵母細胞中沒有用PolScope成像的雙折射紡錘體[177]。因此，推測線粒體代謝紊亂可能與糖尿病、肥胖和胰島素抵抗小鼠卵母細胞中觀察到的紡錘體缺陷和染色體錯位有關。
活性氧（ROS）的形成是線粒體氧化磷酸化的副產品[ 178, 179 ]。Igosheva等人。[180]報道肥胖小鼠卵母細胞NAD（P）H含量增加，FAD自身熒光降低，表明ROS生成增加。韋克菲爾德等人。[181]發現，飼餵富含長鏈n-3多不飽和脂肪酸（PUFA）的飼料會導致小鼠卵母細胞線粒體功能障礙和ROS水平升高，從而降低受精能力和胚泡形成。這些數據表明，過量的產婦營養可能不利地影響卵母細胞的線粒體狀態，特別是能量產生和氧化應激，並最終破壞卵母細胞代謝。
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多囊卵巢綜合徵（PCOS）與代謝紊亂有關
多囊卵巢綜合徵和高雄激素血癥婦女的典型特徵是在體外受精（IVF）過程中獲得的卵母細胞數量增加。然而，這些卵母細胞通常是質量差，導致受精/著床率較低和流產率較高[182]。通過喂飼添加脫氫表雄酮（DHEA）的小鼠chow，我們用高雄激素模型顯示DHEA暴露小鼠卵母細胞中檸檬酸鹽水平、G6PDH活性和脂質含量顯著低於對照組[183]，表明TCA和PPP代謝異常。與動物模型的結果不一致，多囊卵巢綜合徵患者的卵母細胞顯示葡萄糖/丙酮酸消耗增加，與對照組相比細胞內NAD（P）H含量降低[184]。這種差異可以解釋為：（1）儘管各種動物模型已經被證明能模擬肥胖或多囊卵巢綜合徵婦女的關鍵表型，但沒有一種模型能完全複製複雜的臨床疾病[185–187]；或者（2）由於控制數量有限，人類卵母細胞的數據有時是可變的年輕健康女性卵母細胞。
HFD小鼠排卵前COCs卵母細胞內的脂質水平較高[188–190]。同樣，體內高血糖環境和體外高糖培養都會提高小鼠卵母細胞的遊離葡萄糖水平[63]。糖尿病小鼠未成熟卵母細胞的糖原含量也較高，而隨著減數分裂的恢復，果糖-1，6-磷酸（FBP）水平升高[169]，這表明高血糖環境導致在卵母細胞成熟前作為糖原儲存的葡萄糖積累。相比之下，糖尿病卵母細胞中脂肪酸代謝（羥酰輔酶a脫氫酶；Hadh2）和氨基酸代謝（穀氨酸丙酮酸轉氨酶；Gpt2）的兩種主要代表酶活性低於對照組。此外，糖尿病大鼠模型顯示，從卵巢分離的排卵和未成熟COCs中前列腺素（PGE2）的產生都發生了改變[191、192]。其中一些條件被認為是導致糖尿病動物卵母細胞減數分裂行為紊亂的原因。
反芻家畜也是揭示圍產期營養狀況及其對繁殖性能影響的重要模型。在乳牛中，高澱粉飲食對卵母細胞發育能力有負面影響，當增加亮氨酸攝入量時，這些都是可以避免的[193]。粗蛋白過度進食也損害了隨後的牛卵母細胞發育成囊胚的能力，可能是通過濾泡環境中氨和尿素濃度升高的直接毒性效應〔194, 195〕。然而，營養對反芻動物卵母細胞代謝的影響仍缺乏評價。代謝紊亂與這些動物的卵泡/胚胎代謝之間的關係已經被廣泛的綜述[142、196、197]。
潛在機制：卵母細胞代謝與母體營養和生殖結局的關係
代謝條件對卵母細胞代謝和發育的影響見表2。圖2顯示了母體營養對卵母細胞代謝和生殖結果影響的擬議途徑示意圖。
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代謝對卵母細胞線粒體和減數分裂的影響
線粒體是由外膜、內膜、膜間隙和基質組成的雙層膜細胞器。大量的酶參與不同的代謝途徑存在於線粒體基質中，作為細胞能量產生的主要場所。線粒體也有自己的母系遺傳基因組，線粒體DNA（mtDNA）。線粒體是卵母細胞中最豐富和最突出的細胞器，在卵母細胞成熟過程中，線粒體的超微結構和分佈會因能量需求的不同而發生階段性變化[198]
。氧化磷酸化（OXPHOS）的ATP合成是線粒體的主要功能。大多數ROS是在線粒體呼吸鏈電子洩漏時產生的。儘管線粒體是活性氧產生的主要場所，但過量的活性氧會損害卵母細胞的線粒體功能[199]。卵母細胞中的線粒體功能已經被廣泛的研究[10、167、179、200]卵泡液來源於鞘內毛細血管的血液。隨著卵泡發育的進行，液體積聚在卵泡腔中，沐浴卵母細胞並提供卵母細胞發育所需的環境[201]。來自動物模型和人類診所的數據表明，代謝紊亂反映在排卵前卵泡的微環境中[182、202、203]。
通過酶法測定單個卵母細胞內遊離葡萄糖，發現糖尿病小鼠卵母細胞內葡萄糖含量高於對照小鼠[63]。高血糖導致的線粒體功能障礙在各種細胞類型中都有報道[204205]。與此一致，在糖尿病小鼠卵母細胞中觀察到線粒體特性的改變，特別是線粒體腫脹和ROS生成增加[168]（圖1）。與卵泡遊離脂肪酸水平升高相關，在HFD小鼠卵母細胞中檢測到明顯的脂質積聚[188]。當暴露於高脂環境中時，細胞積累甘油三酯液滴和遊離脂肪酸，對其他細胞器如線粒體和內質網（ER）造成顯著損害；此過程稱為脂毒性[206]。肥胖和胰島素抵抗小鼠卵母細胞線粒體功能障礙和內質網應激已被不同的組報道[153，170，180，188，189，200]。總的來說，卵母細胞對營養信號的能量代謝紊亂可能導致減數分裂成熟和受精的可能性降低，以及植入前胚胎髮育受損。此外，這些異常的卵母細胞線粒體可能在胚胎發生和胎兒發育過程中被母系傳輸到胚胎，從而導致代謝紊亂的女性出現生殖問題（圖2）。
圖2。母體營養狀況對卵母細胞代謝及生殖結局影響的途徑示意圖
除了卵泡環境對卵母細胞代謝的直接作用外，對顆粒細胞的有害影響還可能破壞與卵母細胞的營養和信號相互作用，間接導致卵母細胞功能不全，從而導致妊娠結局不佳。卵母細胞缺乏利用葡萄糖作為能量底物的能力，需要卵丘細胞提供糖酵解副產物來進行自身發育。丙酮酸和ATP作為卵母細胞糖酵解的相關產物，可以轉移到卵母細胞中[207]。
值得注意的是，在肥胖和糖尿病小鼠的顆粒細胞中，異常代謝增加了細胞凋亡，線粒體功能減弱[156188208–C210]。尤其是，糖尿病小鼠卵丘細胞的葡萄糖攝取顯著減少，並顯示出與封閉卵母細胞中ATP水平降低密切相關[211]。減數分裂恢復後，卵母細胞在轉錄上變得不活躍。在在此階段，ATP只需要維持卵母細胞的基礎代謝和紡錘體形成[212]。與這一概念一致，小鼠模型揭示了母體糖尿病、肥胖和高胰島素血癥在卵母細胞中誘導了不同的、畸形的紡錘體和染色體錯位[153168170213]。同樣，Machtinger等人。直接評估了女性嚴重肥胖（II級和III級肥胖）與卵母細胞特徵之間的可能聯繫。在嚴重肥胖的患者中，他們已經顯示出在未能受精的卵母細胞中細胞骨架異常的高患病率[214]。紡錘體裝配和染色體移動中的任何錯誤都可能導致卵母細胞染色體不平衡，這是導致流產和先天性出生缺陷的主要遺傳原因[14，215，216]。
因此，顆粒細胞能量底物的限制有可能破壞卵母細胞的代謝平衡，產生非整倍體生殖細胞，並導致代謝紊亂引起的生殖問題。
2
表觀遺傳學的代謝調控
如上所述，母體代謝紊亂會對卵母細胞質量產生不利影響，導致胎兒生長遲緩和發育缺陷，即使將其從應激環境中移除並轉移到正常的子宮環境中。由於這些胎兒畸形發生在環境損傷後很長一段時間，對卵母細胞的營養影響可能通過表觀遺傳途徑傳播。印記是一種表觀遺傳機制，其中基因表達的父母的起源特定的方式。印記表觀遺傳的染色體基礎是CpG序列的甲基化。印記的建立發生在親代的生殖系中，親代印記的維持始於胚胎髮育時期[217]。本文研究了糖尿病小鼠卵母細胞發育過程中幾個印記基因的甲基化狀態。結果表明，母體糖尿病改變了Peg3差異甲基化區（DMR）的甲基化模式，且H19和Snrpn-DMRs無明顯變化[218]
此外，在糖尿病小鼠卵母細胞成熟過程中也觀察到組蛋白H3和H4乙酰化模式的差異[219]。與之形成鮮明對比的是，無論是肥胖母鼠還是其後代，卵母細胞印記基因的DNA甲基化都沒有改變。然而，代謝相關基因的DNA甲基化發生了改變。在肥胖小鼠卵母細胞中，瘦素啟動子的DNA甲基化水平顯著升高，PPAR啟動子的DNA甲基化水平降低（220）。有趣的是，羅格列酮能夠使肥胖小鼠的卵母細胞發育能力正常化（221），這表明它的靶點——PPARγ可能是控制卵母細胞質量的代謝機制的關鍵調節因子。未能建立或維持生殖細胞甲基化模式可能導致胎兒生長異常、胎盤衰竭和人類疾病[222]。
一個研究較少但新近出現的概念是將有關細胞代謝狀態的信息整合到表觀遺傳學的調控中[223]。各種酶負責增加或消除表觀遺傳修飾已被確定。這些在表觀遺傳基因調控中發揮重要作用的酶利用細胞代謝產生的底物或輔因子，從而在營養、代謝和表觀遺傳修飾之間提供潛在的聯繫[224]。大多數細胞溶質乙酰輔酶A來自哺乳動物細胞線粒體輸出的檸檬酸鹽。用放射性標記的葡萄糖追蹤實驗表明，組蛋白H4K16上約一半的乙酰基來自葡萄糖乙酰輔酶A[225]（圖1）。類似地，乙酰輔酶A生成酶的廢除導致整體組蛋白乙酰化降低[226]。S-腺苷蛋氨酸（SAM）以ATP依賴的方式從必需氨基酸蛋氨酸中提取。組蛋白和DNA甲基化都需要SAM作為高能甲基供體[227]。對於低的ATP/AMP比率，AMPK可以轉移到染色質和磷酸化組蛋白H2B絲氨酸36[228]（圖1）。還有證據表明，葡萄糖和葡萄糖代謝的變化會留下持久的表觀遺傳標記[229]。
特別值得注意的是，在缺乏營養的情況下，卵母細胞中的代謝紊亂，如檸檬酸鹽水平降低、ATP/AMP比值和糖/脂積累被發現。本文概述的研究結果為理解營養對卵母細胞代謝的影響如何影響表觀遺傳修飾，從而影響表觀遺傳改變所起作用的胚胎/後代發育提供了一個機制框架（圖2）。今後的研究重點應放在確定特定代謝產物和代謝共基質如何與染色質相互作用，從而表觀改變基因表達。
此外，越來越多的證據表明代謝性mTOR/PTEN/PI3K信號通路在小鼠卵泡生長和卵母細胞發育過程中起著關鍵作用[230，231]。遺傳數據顯示，卵母細胞中缺乏PTEN的小鼠在成年早期，所有原始卵泡都會耗盡，導致卵巢早衰[232]。PI3K-AKT-mTOR途徑參與卵母細胞mRNA翻譯的體細胞調控，影響其發育能力[233]。值得注意的是，HFD誘導的肥胖通過激活mTOR信號促進大鼠卵巢卵泡發育和卵泡丟失率[234]。mTOR最近也被證明在PCOS小鼠卵巢中發揮作用[235]。然而，卵母細胞中的這些代謝途徑是否介導了營養對妊娠結局的影響尚不清楚。本課題將是一個有價值的研究方向，值得進一步關注。此外，為了應對母體營養的變化，已經確定了一系列卵巢外和卵巢內因子的波動，如表皮生長因子（EGF）、胰島素樣生長因子（IGFs）和瘦素[182、236、237]。它們是否以及如果是如何影響卵母細胞質量和生殖結果，需要進一步澄清，此處不作討論，因為這超出了本綜述的範圍。
總之，越來越多的證據支持一個模型，即母體營養失衡會擾亂卵母細胞的能量代謝。這種破壞通過減數分裂、線粒體或表觀遺傳修飾的代謝控制進一步導致生殖問題。結果，減數分裂缺陷導致非分離誘導胚胎非整倍體。線粒體功能失調的補體在胚胎髮育過程中是母系傳遞的，表觀遺傳變化可能在胚胎髮育過程中傳播，導致後代發育異常。需要進一步澄清，以排除卵母細胞中其他可能的代謝相關途徑，這些途徑介導母體營養對生殖結果的影響。
代謝分析與卵母細胞質量
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卵母細胞中代謝物的測定
哺乳動物卵母細胞的代謝分析始於20世紀80年代，它主要使用放射性標記的底物來定義代謝產物卵母細胞的生長和成熟需要。這一領域的一系列基本發現相繼被發現，如葡萄糖和丙酮酸的利用、核糖核苷和次黃嘌呤的攝取和代謝以及卵母細胞發育過程中氨基酸的轉運[40，52，117，238–242]。或者，我們開發了一種技術來測量單個卵母細胞或植入前胚胎中的代謝物和酶活性，該技術使用的不是放射性而是基於吡啶核苷酸熒光信號放大的酶循環反應[243]。NADH和NADPH在紫外光附近有相同的吸收帶，在340nm處達到峰值。NAD和NADP在此波長不吸收。因此，在分光光度計中可以測量氧化或還原的變化。
根據這一原理，對每種代謝物分別進行分析，並設計成將以NAD/NADH或NADP/NADPH結尾的反應連接起來，然後在循環反應中被酶放大，在熒光分析中測量放大步驟的副產物。我們之前的文獻[64169244]已經描述了詳細的分析條件。
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卵母細胞質量標誌物的代謝組學研究
最近的研究試圖超越單一的物質來研究卵泡環境中的全部生化成分，這被稱為代謝組學。代謝組學分析旨在確定和量化整個細胞內和細胞外代謝物的收集。從概念上講，代謝組學中有兩種基本的分析方法：目標分析（僅限於單一或選擇性定義的代謝物分析）和代謝物譜分析（使用單一分析技術研究目標化合物及其代謝中間產物的選擇性基團）[245]。代謝組學的應用受到廣泛的關注。然而，由於需要大量的物質，直接對卵母細胞進行代謝組學分析仍然是一個巨大的挑戰。因此，開發一種將納米和股骨樣本的代謝譜分析技術，甚至降低到單細胞水平[246–C248]，將大大提高我們對卵母細胞代謝的認識，改善體外成熟系統。
卵母細胞質量作為生殖技術的關鍵因素，對受精、早期胚胎存活、妊娠維持乃至後代健康都有著深遠的影響。因此，目前生殖生物學家面臨的一個重要難題是尋找可靠的無創預測人和動物生殖卵母細胞質量的指標。總的來說，由於其主觀性和不精確性，用形態學特徵作為卵母細胞質量的預測指標仍然存在爭議。卵泡為COC的發育提供了非常重要的微環境。這使得卵泡細胞和卵泡液中分泌的因子成為無創和可操作的卵母細胞質量預測因子的理想來源。涉及卵泡液、卵丘細胞或培養基的基因組、轉錄組、蛋白質組或代謝組分析的全球評估策略已應用於輔助生殖[249]。代謝組學允許對生物過程的理解得以完成，因為它能夠提供由於疾病、藥物暴露或營養改變而發生的細胞過程的生物終點標記[250]。
目前，對代謝物剖面的評估是基於光譜/光譜和色譜技術，如核磁共振（NMR）光譜、質譜光譜分析法（MS；通常與色譜法結合）和光學光譜法。核磁共振和質譜都能用一個樣品產生多種化合物的信息，並已應用於培養基和卵泡液的分析[251–C255]。核磁共振首次用於記錄卵泡發育過程中卵泡液中脂蛋白濃度的變化[256]。大鼠顆粒細胞的核磁共振分析表明，卵泡刺激素（FSH）增加了磷酸戊糖途徑的活性[257]。使用基於氣相色譜-質譜（GC/MS）的代謝組學，Bender等人。[258]發現奶牛卵泡液中飽和脂肪酸含量較高，而小母牛卵泡液中二十二碳六烯酸含量較高。奶牛體內有害飽和脂肪酸含量的升高將對卵母細胞成熟和早期胚胎髮育產生負面影響，這可能解釋了小母牛和泌乳母牛生育能力的差異。
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卵泡液的液相色譜
串聯質譜（LC-MS/MS）分析顯示，與肥胖無關的多囊卵巢綜合徵患者的芳香族氨基酸含量增加，而支鏈氨基酸、穀氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和精氨酸的含量隨著體重指數的增加而升高[259]。卵泡液中特定氨基酸的破壞可能損害卵母細胞的質量，導致肥胖和多囊卵巢綜合徵婦女的妊娠結局較差。高效液相色譜分析也表明，非侵入性氨基酸圖譜可用於牛卵母細胞發育能力的測定[260]。代謝分析中最常用的光譜學類型是近紅外光譜（NIR）和拉曼光譜。儘管通過這兩種方法獲得的代謝物分析與胚胎的發育潛能成功相關[254，261，262]，但也有相反的結果被報道[263264]。
總的來說，缺乏對卵母細胞和周圍卵丘細胞的直接代謝組學分析。來自這一領域的數據無疑將為卵母細胞發育的代謝調控提供一個必要的網絡。
結論
本文綜述了卵母細胞發育所必需的代謝途徑。這一領域的研究重點主要集中在外源營養素上，因此運輸系統和代謝酶對卵母細胞生長髮育的內在調控相對被忽視。代謝紊亂，如肥胖和糖尿病，對生育、懷孕和後代的健康都有重大的不利影響。在本綜述中，我們強調了內源性卵母細胞代謝與母體營養和生殖結局之間的聯繫，重點是減數分裂、線粒體和表觀遺傳修飾的代謝控制。
顯然，需要進一步的研究來揭示在胚胎發生和後代發育過程中營養對卵母細胞代謝的影響是如何傳播的機制細節。通過卵泡液、卵丘細胞和培養基的代謝組學分析，全球評估策略已應用於輔助生殖。代謝組學數據可以作為預測卵母細胞質量從而預防生殖缺陷的指標，但其應用仍處於嬰兒期。
原文：Cell Mol Life Sci. 2015 January ; 72(2): 251–271. doi:10.1007/s00018-014-1739-4.
總而言之，卵母細胞發育的代謝控制與母體營養息息相關，會影響生育結局及其胎兒發育。
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