·综述·

多囊卵巢综合征不同表型的蛋白质组学研究进展

高煜琪 黄军霞 陈晓彤 韩英琦 孙振高

【摘要】 多囊卵巢综合征(PCOS)是育龄妇女最常见的内分泌紊乱性疾病,其临床表现多样,对妇女的身心健康产生巨大负面影响,不同表型PCOS 患者的临床表现存在显著异质性,患者主诉及需求各异以及代谢紊乱程度不同,本文介绍了PCOS不同表型在蛋白质组学上的进展,将为PCOS的预防和诊治带来新的契机。

【关键词】 多囊卵巢综合征(PCOS); 表型; 蛋白质组学

多囊卵巢综合征(polycystic ovarian syndrome,PCOS)是育龄妇女最常见的内分泌疾病[1],大样本的流行病学调查显示中国育龄期女性PCOS的发生率为5.6%[2],不仅对生殖内分泌功能有影响,远期还可增加代谢综合征、糖尿病、子宫内膜癌、心血管疾病、高血压等并发症,严重威胁女性的健康。迄今为止,国际上PCOS诊断标准尚不统一。根据最新PCOS诊治指南,仍建议采用 2003 年鹿特丹诊断标准:(1)长期无排卵(oligo anovulation,OA)(月经周期不规律,周期常大于35 d或者闭经); (2)高雄激素体征和/或生物化学指标的高雄激素表现(hyperandrogenism,HA); (3)盆腔超声显示卵巢体积增大(polycystic ovary,PCO);包膜回声增强,一侧卵巢2~9 mm的小卵泡12个以上并呈项链状排列于卵巢周边。具备以上3项中的任何2项并且除外其他引起高雄激素血症的疾病即可诊断为PCOS[3]。目前,临床上不同表型PCOS患者的临床表现存在显著异质性,患者主诉及需求各异以及代谢紊乱程度不同[4],明确不同表型PCOS的差异,有助于临床医师更好地管理及治疗不同表型的PCOS患者,实现个体化综合治疗。

蛋白质组(proteome)概念最早于1994年提出,蛋白质组学技术的诞生为生命科学的发展提供了更广阔的前景[5]。蛋白质组即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质,本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征,包括蛋白质的表达水平,翻译后的修饰,蛋白与蛋白相互作用等,由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生、细胞代谢等过程的整体而全面的认识,其也是转录组学和其他组学的补充。蛋白质组学有望回答重要的临床和生物学问题,通过比较不同表型PCOS的蛋白质组学分析,可以掌握PCOS不同表型之间的差异,更好地探讨PCOS患者的发病机制。

近年来,研究者对不同的PCOS临床样本进行了多种蛋白质组学分析,包括卵泡液、血清、卵巢组织、淋巴细胞和颗粒细胞等(见表1),了解PCOS不同表型之间的差异,在蛋白质组学中取得了较大进展。

表1 不同表型PCOS蛋白质组学研究资料

文献研究对象样本类型差异蛋白/关键通路Borro等[6]10名PCOS女性/10名健康女性外周血α-烯醇化酶、蛋白酶D、3-羟基异丁酸脱氢酶、蛋白二硫异构酶A3等Insenser等[7]5名高雄激素血症女性/5名无高雄激素血症女性骨骼肌丙酮酸激酶、糖原磷酸化酶、β-烯醇化酶、甘油-3-磷酸脱氢酶、肌酸激酶m型等Li等[8]10名PCOS女性/10名健康女性卵巢视黄醇结合蛋白1、膜相关孕酮受体组分1、钙调蛋白1、原肌球蛋白链、膜联蛋白A6等焦芸云 等[9]12名PCOS女性/12名健康女性颗粒细胞多种差异表达蛋白,亮氨酸等通路Ambekar等[10]26名POCS女性/26名健康女性卵泡液双向调节蛋白、硫酸肝素蛋白多糖2、肿瘤坏死因子、α诱导蛋白6等差异蛋白Pla等[11]10名PCOS女性/10名健康女性卵泡液与免疫系统、炎症和氧化应激相关的通路等Sim等[12]6名PCOS女性/4名健康女性卵泡液维生素D结合蛋白、血清白蛋白和补体因子、白蛋白等Li等[13]8名PCOS女性/8名健康女性卵泡液S100钙结合蛋白A9蛋白、核因子κ B信号通路Fazilat等[14]6名排卵型PCOS女性/6名健康女性血液鸟苷酸合成酶、锌指蛋白518A、外周物质1蛋白等Zhang等[15]29名肥胖PCOS女性/29名正常体重PCOS女性和29名健康女性卵泡液载脂蛋白A0u -II、补体C5、胎蛋白b和基质细胞衍生因子1等Abdulkhalikova等[16]12名38岁以下且BMI≥30 kg/m2的PCOS不孕女性子宫内膜豆荚素、胰岛素样生长因子结合蛋白7、肝细胞生长因子受体、角蛋白、II型细胞骨架蛋白7和胱抑素b蛋白等Butler等[17]137名PCOS女性/97名健康女性血浆补体C3、肝素辅助因子II等Manousopoulou等[18]20名正常体重的青春期PCOS女性/20名健康女性血清胰岛素样生长因子结合蛋白等蛋白;炎症免疫应答、代谢和胰岛素样生长因子受体信号通路;Yang等[19]21名胰岛素抵抗PCOS女性/12名无胰岛素抵抗的PCOS女性/9名健康女性子宫内膜肌动蛋白相关蛋白1A、肌酸激酶B等蛋白Zhao等[20]30名胰岛素抵抗PCOS女性/30名无胰岛素抵抗的PCOS女性/30名健康女性血清M/Z为6,629、2,046和6,835 d等蛋白Li等[21]84名胰岛素抵抗PCOS女性/134名无胰岛素抵抗的PCOS女性血清血清转铁蛋白、补体C3和载脂蛋白C3等蛋白

一、PCOS患者临床表型的蛋白质组学

PCOS患者的临床表型包括排卵障碍、高雄激素血症和卵巢多囊样改变。

1.高雄激素血症型PCOS的蛋白质组学相关性研究:高雄激素血症是PCOS的典型表型,目前高雄激素血症和PCOS的病理生理学机制尚未完全阐明[22]。一项利用高通量技术对高雄激素血症型的PCOS患者与健康女性的外周血T淋巴细胞的蛋白质组进行比较[6]的研究发现,PCOS患者的α-烯醇化酶、蛋白酶D、3-羟基异丁酸脱氢酶(3-hydroxyisobutyrate dehydrogenase,HIBADH)、蛋白二硫异构酶A3(protein disulfide-isomerase A3,PDIA3)、过氧化物酶1等表达下降,而血小板碱性蛋白和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等表达上调。HIBADH、PDIA3、SOD在胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)分子机制和脂肪细胞分化中的调节,可能提示雄激素在与高雄激素疾病相关的代谢疾病的诱导或恶化中起关键作用[23]。另一项对骨骼肌样本进行的非靶向蛋白质组学分析表明[7],在伴有严重肥胖的高雄激素血症女性患者中,参与肌肉代谢、糖酵解、糖原分解及能量代谢调控的关键酶表达水平显著下调,且这一现象为高雄激素血症女性特有,这可能与PCOS特有的骨骼肌IR有关。在对卵巢标本的研究中[8],PCOS组中孕激素受体膜成分(progesterone receptor membrane component 1,PGRMC1)的表达水平显著上调,PGRMC1作为一种黄体酮调节蛋白,其过表达可能通过促进卵巢类固醇生成,进而参与PCOS高雄激素血症的病理生理机制。在对颗粒细胞的研究中,亮氨酸拉链肿瘤抑制因子1(leucine zipper tumor suppressor 1,LZTS1)在PCOS患者中的表达水平明显降低[9],另一项将胚胎卵巢移植到雄性小鼠实验发现[24],雄性宿主的睾酮部分介导了胚胎卵巢移植物的部分雄性化,使LZTS1在移植后下降,因此,推测LZTS1的表达下调或许与PCOS高雄激素血症有关。上述研究在不同的样本中发现了PCOS与非PCOS的一些差异表达蛋白,与高雄激素血症和高胰岛素血症的病理机制密切相关,为更好地理解PCOS的失调途径提供了重要的见解。

2.排卵障碍型PCOS的蛋白质组学相关性研究:与正常卵巢相比,多囊卵巢(polycystic ovaries,PCO)的特点是小窦卵泡的数量增加。当窦卵泡直径达到约3~11mm时,卵泡发育受损并过早停止[25]。一项研究鉴定大量蛋白质后发现[10],在PCOS女性中,参与细胞外基质重塑、补体-凝血、纤溶、血管发育、脂质运输和代谢的多种蛋白失调,这些改变的协同作用可能是PCOS中卵泡停止生长的重要机制。一项对PCO窦卵泡的卵泡液进行的高通量蛋白质组学研究发现质膜相关蛋白、细胞外基质和外泌体蛋白表达失调[11],提示细胞间信号传导受损,含胶原蛋白的细胞外基质的改变可能会导致卵泡生长功能障碍;另一方面,免疫相关通路异常激活、氧化应激相关蛋白和氧化还原酶活性在PCO的卵泡液样本中显著下调,这些改变可能导致来自外周循环的炎症细胞因子通过卵巢循环系统进入卵泡,导致细胞增殖减少。分泌性卷曲相关蛋白1(secreted frizzled-related protein 1,SFRP1)的表达异常可能通过干扰类固醇生成进而影响卵母细胞的发育[26],抑制素亚基βC(inhibin subunit beta c,INHBC)在胚胎发育、器官形成和骨骼发育过程中,参与调节细胞信号传导通路,在PCO中的表达下降提示性腺激素分泌功能障碍及细胞生长和分化调控障碍。这些蛋白的异常为理解PCOS卵泡发育障碍和卵母细胞质量下降提供了新的分子视角。

另一项研究在卵泡液中鉴定出多个与卵泡发育相关的蛋白[12],其中,维生素D结合蛋白(vitamin d-binding protein,VDBP)作为多功能球蛋白,可以与维生素D及其代谢产物结合[27],并输送到目标组织,VDBP还可以转化为强效巨噬细胞活化因子,增强免疫活性细胞的趋化作用。研究发现[28],PCOS卵巢组织中淋巴细胞和巨噬细胞的数目明显增加,炎症信号通路异常激活。基于以上发现,推测VDBP的过度表达可能通过调控免疫微环境进而影响PCOS患者卵母细胞成熟和排卵。凝胶解联蛋白(gelsolin,GSN)广泛分布于多种细胞和细胞外液中,是一种重要的细胞骨架蛋白,参与细胞形态维持和运动,也是参与多种病理生理过程的细胞外的活性调节蛋白,可作为多种炎症相关疾病的潜在生物标志物。GSN的过表达可增强成纤维细胞的增值活化、肿瘤细胞的迁移侵袭能力,并且通过阻断线粒体细胞色素C的释放而抑制细胞凋亡,研究提示,PCOS卵泡液中GSN的上调可能与其卵母细胞未成熟而引起的炎症反应有关[29]。正常卵泡液中存在低水平的补体因子B(complement factor B,CFB),而PCOS卵泡液中的CFB过度表达,其异常激活补体级联反应通过募集炎性细胞引发炎症可能导致卵泡发育异常[30];一项对PCOS卵泡液外泌体的蛋白质组学研究中[13],S100钙结合蛋白A9(s100 calcium-binding protein A9,S100-A9)蛋白显著上调,其主要由活化粒细胞分泌,可激活炎症相关信号传导通路,并在多种细胞生物学过程中发挥关键调控作用,如细胞增殖和迁移等,并且激活颗粒细胞中的免疫球蛋白可结晶片段受体介导的核因子κB通路,增加炎症细胞因子的产生并干扰类固醇生成,从而在PCOS中诱导IR和高雄激素分泌,影响卵泡发育。白介素18(interleukin-18,IL-18)是一种多功能细胞因子,在卵巢生理功能中起着关键作用。在正常卵巢内,它参与卵泡发育、闭锁、排卵和类固醇生成,一项研究发现[31],IL-18与卵泡生长呈正相关,推测PCOS患者卵泡液中的低水平慢性炎症可能是导致PCOS无排卵的原因之一,并且认为超重会加重局部炎症反应。另一项对颗粒细胞蛋白质组学研究中,发现PCOS患者的丝氨酸蛋白酶抑制剂mRNA结合蛋白1(serpin mRNA-binding protein 1,SERBP1)表达明显增加[9],可能与PCOS的不规律排卵相关,SERBP1蛋白可以调控孕酮在颗粒细胞中的作用,其高表达或许可以减少颗粒细胞的凋亡,而与排卵规律的女性相比,PCOS的颗粒细胞凋亡率是显著降低的[32]。基于这些发现,相关蛋白可以作为诊断和治疗PCOS卵泡发育障碍的生物标志物,并为开发靶向治疗策略提供理论依据。

3.排卵型PCOS的蛋白质组学相关性研究:排卵型PCOS是PCOS临床表型中最温和的形式,占PCOS中的7%~18%[33],一项采用一维和二维凝胶蛋白质组学方法来分离复杂的血清蛋白质组的研究发现[14],排卵型PCOS中MAP/微管亲和力调节激酶4(microtubule affinity-regulating kinase 4,MARK4)的表达水平下调,提示MARK4可能参与调控排卵型PCOS特有的病理生理过程。MARK4具有多功能性,参与多种代谢过程。MARK4负向调节脂肪细胞中脂肪甘油三酯脂肪酶的表达,其下调可能导致脂解障碍[31]。MARK4正向调节过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma,PPARγ)的表达,影响脂肪形成和胰岛素敏感性[33]。PPARγ水平的降低和MARK4的下调会破坏葡萄糖代谢和脂肪酸的储存,因此,糖代谢紊乱和高脂血症的发生可能与PPARγ表达和活性的干扰有关,MARK4的降低损害炎性小体的活性,影响PCOS的炎症与免疫反应。增加了高脂血症、高雄激素血症和代谢综合征的相关风险,这些发现为理解排卵型PCOS分子机制提供了线索,也为针对该亚型的精准诊疗提供了新的视角。

二、PCOS患者代谢表型

代谢紊乱是PCOS患者另一常见的症候群,PCOS常见的代谢表型包括肥胖、胰岛素抵抗、高胰岛素血症、脂代谢紊乱等。

1.肥胖和脂代谢紊乱的PCOS相关蛋白质组学研究:PCOS患者的肥胖率约为64%[34],且肥胖也是PCOS发病机制的重要因素[35],一项研究通过对比肥胖PCOS患者、正常体重PCOS患者和非PCOS患者卵泡液的蛋白质谱[15],鉴定出1153个蛋白,认为PCOS卵泡液环境中存在炎症反应、免疫调节异常和代谢紊乱,而肥胖状态则放大这些病理改变[8]并且加重卵泡发育障碍。

一项通过干预生活方式使PCOS患者减重的研究发现[16],在减重后的子宫内膜组织中,豆荚素、胰岛素样生长因子结合蛋白7等蛋白表达水平上调,而b淋巴细胞抗原CD20蛋白表达水平下降,提示体重减轻可以从抗氧化、抗炎、调节细胞生长等方面改善PCOS病理状态。

在脂代谢紊乱方面,一项针对19种脂蛋白的蛋白质组学研究发现[17],PCOS患者的部分载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)亚型、补体C3(component 3,C3)和肝素辅助因子II(heparin cofactor II,HCII)的表达上调,而载脂蛋白M(apolipoprotein M,ApoM)的表达下调。补体C3升高和ApoM降低可能协同促进IR,而高水平的HCII可能减轻补体C3升高和ApoM降低的潜在不利影响。在另一项研究中[36],载脂蛋白A-I(apolipoprotein A-I,ApoA-I)在PCOS患者中表达显著下调,可能会影响胆固醇酯的摄取,扰乱正常的类固醇生成途径,还可能会阻碍睾酮向雌二醇的转化,导致部分患者睾酮水平升高,抑制黄体酮释放。另一项研究在排除肥胖、胰岛素抵抗和炎症等混杂因素后[37],认为PCOS血脂异常与α-1抗胰酶和补体C3存在相关性,并且体重增加会放大不利影响。

2.胰岛素抵抗和高胰岛素血症的PCOS相关蛋白质组学:PCOS患者根据胰岛素敏感性可分为两种显著不同的亚型:胰岛素抵抗型(polycystic ovary syndrome with insulin resistance,PCOS-IR)和非胰岛素抵抗型(polycystic ovary syndrome without insulin resistance,PCOS-NIR),二者的临床特征、风险预测以及治疗措施存在显著差异。50%~70%的PCOS患者会出现不同程度的IR[3],且疾病严重度与IR呈正相关关系[38],IR是导致高雄激素血症和慢性无排卵的主要原因,在PCOS的发生发展中起着重要作用,并且IR是PCOS患者发生2型糖尿病、高血压、高脂血症和心脏病的重要危险因素[39],对妇女的远期健康构成不可忽视的威胁。一项血清蛋白质组学的研究认为[18],正常体重的PCOS女性与健康女性的差别与炎性/免疫反应、代谢和胰岛素样生长因子受体信号通路有关,并认为正常体重的PCOS青春期女性也存在促炎状态和胰岛素生理失调。一项研究表明[19],与健康女性相比,PCOS女性子宫内膜细胞蛋白代谢过程、血小板脱颗粒、翻译后蛋白修饰、细胞外基质组织、翻译起始和细胞对氧化应激的反应相较于正常女性更为活跃,并且患有PCOS-IR女性血小板脱颗粒、中性粒细胞脱颗粒、病毒过程和极长链脂肪酸分解代谢过程较PCOS-NIR女性更为活跃。极长链脂肪酸的增加可能不仅不利于维持脂质稳态,还使体重指数增加,进一步影响线粒体功能障碍和IR的发展,并且极长链脂肪酸的积累,可能使PCOS-IR的子宫内膜在妊娠前发生坏死,使活产率下降;该研究还发现肌动蛋白相关蛋白1A(aRP1 actin-related protein 1A,ACTR1A)的表达水平可能与PCOS-IR子宫内膜炎症免疫反应呈正相关;肌酸激酶B(creatine kinase b-type,CKB)在增生性子宫内膜组织及子宫内膜癌、卵巢癌等多种类型的癌症中都有过表达,基于这些发现,推测ACTR1A和CKB可作为POCS-IR的候选生物标志物。

三项血清蛋白质组学研究发现[20-21,40],POCS-IR和PCOS-NIR的血清蛋白及多肽存在显著差异,其中一项研究还构建了一个PCOS-IR诊断模型[20],提出载脂蛋白C-I(apolipoprotein C-I,ApoC-I)与PCOS的发生密切相关,可以作为PCOS的生物标志物;另一项研究[21]进一步发现,载脂蛋白C3(apolipoprotein C-III,APOC3)在调节脂质代谢、抑制脂质脂蛋白脂肪酶等方面具有重要作用,其表达水平与IR稳态模型评估指数呈正相关,提示APOC3可能是PCOS-IR潜在的诊断标志物。在对卵巢标本的研究中发现[8],磷酸丝氨酸/苏氨酸结合蛋白14-3-ε在PCOS中表达上调,该蛋白不仅参与调控细胞周期、增殖分化、基因转录和凋亡等过程,其异常表达与胰岛素分泌功能障碍和β细胞数量减少密切相关,可能是介导PCOS患者高胰岛素血症的新靶点。综上研究鉴定出多个具有潜在诊断价值的生物标志物,为PCOS精准分型提供了理论依据和新的研究方向。

三、结论

PCOS是一种涉及多系统的内分泌代谢疾病,临床表现和疾病表型受到种族、地域、甚至社会文化因素的多重影响,目前该病确切的发病机制和疾病的病理生理学过程尚未完全阐明,诊断标准亦存在争议,临床治疗手段多局限于症状缓解而缺乏病因学干预。近年来,蛋白质组学技术的发展为解析PCOS的分子机制提供了新的研究视角,从不同的PCOS表型中发现其蛋白质组学呈现特征性的蛋白质表达谱改变,差异蛋白多涉及以下生物学过程:类固醇的合成与代谢、血管生成、氧化反应、细胞凋亡、炎症反应及凝血功能等;鉴定出多个PCOS相关的潜在生物标志物,基于蛋白质组学数据提出的若干假说已得到初步验证,这些新靶点的出现为PCOS的精准分型及靶向药物研发提供理论指导。然而现有研究仍存在一定局限性,差异蛋白的功能验证尚不充分,不同表型间的特异性分子标志物需进一步明确,从新靶点的发现到临床转化有待完善,且尚不能解释PCOS具体发病机制以及PCOS不同表型之间的差异。仍有待进一步深入的研究,以期促进新药物研发,为PCOS患者提供针对性、有效、安全的诊疗方案,最终实现从症状管理到病因治疗的转变。

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【中图分类号】 R17; R71

作者单位:250014 济南,山东中医药大学第一临床医学院(高煜琪,黄军霞,陈晓彤,韩英琦);山东中医药大学附属医院生殖与遗传中心(孙振高)

通信作者:孙振高 (sunzhengao77@162.com)

(收稿日期:2023-09-15)