在雌性哺乳动物生殖过程中,原始卵泡(primordial follicles, PFs)群通常建立于早期卵巢中,且作为整个生殖寿命中卵泡和卵母细胞发育的唯一来源[1]。早期原始卵泡的形成主要包括原始生殖细胞的迁移、生殖细胞减数分裂和生殖细胞巢破裂三个方面,任何一个过程的中断或紊乱都将显著影响原始卵泡池的大小,导致卵泡发育不全[2-3]。因此,明确相关分子和信号通路对早期原始卵泡形成及发育过程的影响,对于进一步理解卵泡发育及治疗相关卵巢疾病具有指导性意义。
1 哺乳动物原始卵泡形成的基本过程 1.1 原始生殖细胞的迁移原始生殖细胞(primordial germ cells, PGCs)是雄性和雌性动物生殖系统中的二倍体细胞,分别是睾丸和卵巢中前精原细胞和初级卵母细胞的前体[2]。原始生殖细胞最初发现于胚胎第5天(embryonic day 5, E5)的外胚层细胞群中,此时原始生殖细胞开始有丝分裂。胚胎发育至E7.25,在黄囊裂口和胚外中胚层组织后部发育的尿囊底部检测到约40个原始生殖细胞[4]。在小鼠中,当胚胎发育至E7.5,原始生殖细胞开始向内胚层上皮迁移,大约在E9.0,原始生殖细胞在内胚层上皮以一种随机的方式主动迁移,但其潜在的分子机制尚不明确。胚胎发育至E10.0,原始生殖细胞离开肠管,通过肠系膜背侧向双侧生殖嵴迁移,进而发育为雄性或雌性性腺的一部分[5]。参与原始生殖细胞迁移的配体蛋白主要由生殖嵴和后肠分泌,生殖嵴及周围的体细胞分泌配体基质细胞衍生因子1(stromal cell derived factor 1, SDF1),SDF1与原始生殖细胞上的趋化因子受体4(chemokine receptor 4, CXCR4)结合,使原始生殖细胞迁移至生殖嵴。目前,对于SDF1/CXCR4与原始生殖细胞之间的相互作用暂不清楚,但SDF1/CXCR4的缺失都将导致原始生殖细胞在生殖嵴内出现定植缺陷[6-7]。除相关因子参与原始生殖细胞迁移外,Cantú等[8]研究表明,Wnt信号通路也参与原始生殖细胞的增殖和迁移。当原始生殖细胞到达生殖嵴后与体细胞相互作用,迁移停止。此时,原始生殖细胞在未分化的生殖嵴上定植后,将经历一段快速的有丝分裂时期,随后停滞在有丝分裂期或进入第一次减数分裂。
1.2 生殖细胞减数分裂原始生殖细胞在进入生殖嵴之前,雄性(XY)和雌性(XX)胚胎的生殖细胞在E10~E11.5从胚胎外层位置迁移进入双向势性腺时,在形态上无法区分。大约从E12.5开始,雄性睾丸生殖细胞有丝分裂停滞在前精原细胞,直至出生后才开始减数分裂[9],而雌性卵巢生殖细胞则继续进行有丝分裂,至E13.5左右逐渐停止有丝分裂进入减数分裂,发育为卵母细胞[10]。对小鼠的研究表明,生殖细胞进入减数分裂后第一个可以检测到的信号是由视黄酸基因8刺激的Stra8基因,该基因编码的蛋白质是减数分裂前DNA复制和进入第一次减数分裂前期所需的蛋白质,并能激活减数分裂和双链断裂(double strand breaks, DSBs)修复所必需基因Spo11和Dmc1的表达,分别通过双链DNA断裂启动同源重组和修复双链断裂参与减数分裂进程,Stra8基因缺失将导致生殖细胞无法进行减数分裂前DNA复制、减数分裂染色体浓缩、染色体联会和重组[11]。在小鼠妊娠期糖尿病模型中,胚胎(E14.5)卵巢中减数分裂启动必需基因Stra8、Dmc1和联会复合体蛋白3(synaptonemal complex protein 3, Sycp3)的表达水平显著降低,减数分裂进程受到抑制,原始或初级卵泡数量减少[12]。环腺苷酸(cyclic AMP, cAMP)是一种典型的细胞内第二信使,参与许多生物学过程,包括卵子发生。抑制胚胎鼠(E16.5)卵巢中cAMP的合成,可延缓卵母细胞减数分裂进程,抑制联会复合体蛋白1(synaptonemal complex protein 1, Sycp1)的分解和降解,阻碍原始卵泡形成[13]。上述研究表明,减数分裂关键因子表达降低将延迟减数分裂进程,降低原始卵泡数量。除减数分裂过程中关键因子表达变化会影响减数分裂进程外,相关研究表明,Notch和细胞外信号调节激酶(extracellular-signal-regulated kinase, ERK)1/2信号通路也参与调控原始卵泡中卵母细胞减数分裂。向胚胎鼠(E12.5)卵巢培养体系中添加Notch信号通路抑制剂,导致减数分裂过程中关键基因(Stra8、Dmc1、Rec8和Dazl)表达抑制或减少,卵母细胞减数分裂进程明显延迟,在后期的培养过程中,卵母细胞生长速度缓慢,影响卵巢组织中原始卵泡形成[14]。用视黄酸(retinoic acid, RA)处理E12.5 XX生殖细胞,能激活ERK1/2通路,而ERK1/2信号通路抑制剂U0126处理雌性生殖细胞后,能显著降低由RA诱导的Stra8、Rec8、Spo11、Dmc1和Sycp3 mRNA表达,表明RA通过刺激ERK1/2信号通路参与生殖细胞减数分裂进程[15]。此外,向胚胎鼠(E12.5)卵巢培养基中添加激活素A,能促进减数分裂基因(Spo11和Rec8)及蛋白(Stra8、Sycp3和Dazl)的表达,表明激活素A在第一次减数分裂前期通过上调细胞中减数分裂关键因子的表达促进卵母细胞发育及原始卵泡形成[16]。用不同剂量的双酚A(bisphenol A, BPA)处理妊娠第12.5天的孕鼠,高剂量处理组中卵母细胞减数分裂进程延迟(P<0.01),且Stra8、Dmc1、Sycp3和Rec8 mRNA表达降低,影响原始卵泡形成[17]。早期卵子发生的一个关键过程是有丝分裂的卵母细胞进入减数分裂,卵母细胞的减数分裂是一个复杂的过程[18]。上述研究结果表明,生殖细胞减数分裂过程受到关键因子、信号通路及激素的调节,阐明其具体的作用机理,有助于了解减数分裂过程中相关分子事件,可为促进原始卵泡形成提供坚实的理论基础。
1.3 生殖细胞巢破裂在小鼠中,大多数生殖细胞在E16.5前进入减数分裂,并在卵巢中形成称为生殖细胞巢的特殊结构[19]。卵母细胞经过细线期、偶线期、粗线期和双线期并停滞在第一次减数分裂前期的核网期,生殖细胞巢在E17.5至出生后第4天(postnatal day 4, PND4)发生程序性破裂,在此期间大约2/3的卵母细胞丢失,仅有1/3的卵母细胞存活并被FoxL2阳性体细胞(也称为前颗粒细胞)包围并形成原始卵泡[20]。伴随着生殖细胞巢破裂和原始卵泡的形成,早期卵巢发育在出生后第2天(PND2)结束[21]。胚胎发育过程中生殖细胞巢破裂对于决定雌性动物生殖能力具有重要意义,据目前研究表明,相关信号通路和雌激素也参与调控生殖细胞巢破裂这一生理过程。
1.3.1 信号通路与生殖细胞巢破裂相关的信号因子在其破裂前就已经表达,当胚胎发育至E16.0,颗粒细胞表面蛋白Jagged-1配体激活神经源位点Notch同源蛋白2(Notch2)信号通路,并与Notch2受体结合持续至产后早期阶段[22]。Notch2信号通路的激活上调了转录因子Hes1和Hey2,二者均是生殖细胞巢破裂的必需因子。在胚胎鼠卵巢中,Jagged1、Notch2和Hes1分别是表达于原始生殖细胞、前体颗粒细胞及颗粒细胞中的配体、受体和靶基因。向培养的新生鼠(PND0)卵巢中添加Notch信号通路抑制剂(DAPT/L-685, 458)将阻碍生殖细胞巢破裂[23]。此外,Chen等[24]也发现了类似的现象,用Notch信号通路特异性抑制剂(DAPT/L-685, 458)处理新生鼠(PND0)卵巢,Notch信号通路相关基因(如:Jagged1、Jagged2、Notch1、Notch2和Hes1)mRNA表达水平下降,未被体细胞包裹的生殖细胞比例上升,生殖细胞巢破裂受到抑制。对于生殖细胞内条件性敲除Jagged1或颗粒细胞内条件性敲除Notch2,卵巢中出现含有多个卵母细胞的卵泡,生殖细胞巢破裂受阻,卵母细胞融合失败,体细胞凋亡增加[25]。生长抑制特异性基因2(growth arrest specific gene 2, GAS2)是一种高度保守的细胞骨架相关蛋白,在小鼠卵巢中,GAS2表达于E16.5胚胎鼠生殖细胞巢周围的基质细胞中,GAS2的缺失将紊乱正常生理情况下生殖细胞破裂的发生。进一步研究表明,GAS2在卵巢发育过程中与Notch信号通路具有相互作用,Notch信号活性的改变可能介导GAS2在生殖细胞巢破裂过程中的相关功能[26]。
除Notch信号通路在生殖细胞巢破裂过程中发挥作用外,研究报道卵母细胞的Janus激酶(janus kinase, JAK)信号在体外对生殖细胞巢破裂也至关重要。Huang等[27]研究表明,向E16.5胚胎鼠卵巢中添加Jak2/Jak3特异性抑制剂(AG490/WHI-P154),阻断JAK信号通路后生殖细胞巢内卵母细胞数量增加,生殖细胞巢破裂受阻。此外,特异性抑制Jak3能通过Notch2信号降低前颗粒细胞增殖,表明在小鼠卵巢中JAK信号通过调节卵母细胞丢失和前颗粒细胞增殖促进生殖细胞巢破裂。
c-Jun氨基酸末端激酶(c-jun amino-terminal kinase, JNK)信号通路既参与调节细胞增殖、迁移和凋亡,也在生殖细胞存活和卵泡发育过程中发挥重要作用。在培养的胚胎鼠或新生鼠卵巢中,采用JNK信号特异性抑制剂(SP600125)或敲除技术(Lenti-JNK-shRNAs)抑制JNK信号,导致E-cadherin在卵母细胞-卵母细胞接触位点的表达异常增加,表明JNK信号通路通过调节卵母细胞间的E-cadherin连接来参与围产期小鼠生殖细胞巢破裂[28]。
此外,链脲霉素(streptozotocin, STZ)治疗1型糖尿病(type 1 diabetes, T1D)妊娠期母鼠,导致新生子代(PND1)卵巢内卵母细胞特异性基因(Nobox、Figla、Lhx8和Kitl)mRNA表达增加,PI3K和p-Akt的表达水平显著升高,表明STZ通过上调妊娠期糖尿病母鼠PI3K/Akt信号通路相关分子的表达,促进新生小鼠生殖细胞巢破裂[29]。
综上,相关信号通路(Notch信号通路、JAK信号通路、JNK信号通路和PI3K/Akt信号通路)通过不同的作用方式参与生殖细胞巢破裂。深入探讨各信号通路的介导过程,以及信号通路间是否相互串扰,可为进一步阐明生殖细胞巢破裂的分子机制提供理论依据。
1.3.2 雌激素雌激素在哺乳动物卵母细胞发育过程中具有重要作用,近期研究表明,小鼠出生时卵巢分化过程中雌激素和孕酮(progesterone, P4)的降低是启动生殖细胞巢破裂和原始卵泡募集的主要信号。通过卵巢器官培养,发现雌二醇(estradiol, E2)、P4和三羟异黄酮对于生殖细胞巢破裂和原始卵泡聚集均有抑制作用[30]。将不同浓度的E2和促卵泡激素(follicle-stimulating hormone, FSH)添加到胚胎鼠(E17.5)卵巢中,高浓度E2能抑制生殖细胞巢破裂,减少单个卵母细胞数量,而添加FSH能够部分逆转高浓度情况下E2对生殖细胞巢破裂的抑制及卵母细胞丢失现象,表明FSH在体外原始卵泡形成过程中能促进生殖细胞巢破裂及卵母细胞存活[31]。一种具有雌激素样活性并广泛使用的增塑剂——邻苯二甲酸二异辛酯(diethylhexyl phthalate, DEHP)近期也被报道影响生殖细胞巢破裂。向新生小鼠(PND0-4)注射或在培养的胚胎(E16.5)卵巢中添加不同剂量的DEHP,均能抑制生殖细胞巢破裂。进一步试验结果发现,DEHP能降低新生鼠(PND1)卵巢中雌激素受体β(estrogen receptors β, ERβ)和孕酮受体(progesterone receptor, PR)基因及蛋白的表达水平,表明DEHP可能通过干扰新生小鼠激素稳态,进而影响体内生殖细胞巢破裂[32]。将3种合成的雌激素:乙烯雌酚(diethylstilbestrol, DES)、BPA和乙炔雌二醇(ethinyl estradiol, EE)注射入小鼠(PND1-4)卵巢中,均可延缓生殖细胞巢破裂,且不同浓度之间生殖细胞巢破裂表现出明显差异性[33]。综上,生殖细胞巢破裂过程涉及到多种雌激素的作用,激素分泌时间或浓度不恰当都会导致早期卵泡发育过程中生殖细胞巢破裂异常,这些研究有助于人们深入了解雌激素对生殖细胞巢破裂过程的调节机制,可为改善动物低卵泡储备量及治疗相关卵巢疾病提供基础。
2 参与哺乳动物原始卵泡形成与发育的信号通路 2.1 PI3K/Akt/mTOR信号通路与原始卵泡形成在细胞膜上,PI3K催化磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸(PIP2)的磷酸化,并将其转化为磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸(PIP3),PIP3作为第二信使,通过直接与磷脂酰肌醇激酶1(phosphatidylinositide-dependent kinase 1, PDK1)和蛋白激酶Akt相结合进行细胞内信号转导。同源性磷酸酶10(phosphatase and tensin homolog ten, PTEN)是PI3K的负调节因子,可将PIP3转化为PIP2。PDK1磷酸化可激活Akt,反向调控下游靶基因。Akt通过抑制异源三聚体复合物激活哺乳动物雷帕霉素(mTOR)信号靶点,刺激蛋白质合成和细胞生长[34-35]。研究表明,PI3K信号通路在调节原始卵泡活化、存活、闭锁和丢失过程中均发挥作用[36]。在体外培养小鼠(PND3)卵巢中下调导向蛋白6C(semaphorin 6C, Sema6c)的表达,PI3K-Akt-rpS6通路被激活,表明Sema6c通过与PI3K-Akt-rpS6通路相互作用,促进原始卵泡活化[37]。3-甲基胆蒽(3-methylcholanthrene, 3MC)是一种强效的卵泡毒物,可使原始卵泡衰竭导致卵巢早衰,为探索其潜在调节机制,Sobinoff等[38]用3MC处理培养的新生小鼠(PND4)卵巢,结果显示,3MC通过刺激PI3K/Akt/mTOR信号通路,诱导原始卵泡异常活化及发育中的卵泡闭锁。PTEN作为PI3K的负调节因子,对于维持原始卵泡库的激活具有关键作用,在成年动物卵巢中,PTEN缺失将导致整个原始卵泡池过早激活,诱发卵巢早衰(premature ovarian failure, POF)。研究发现,PTEN缺失将增加卵母细胞PI3K-Akt和哺乳动物雷帕霉素复合物1(mTORC1)信号通路靶点,而在PTEN缺失小鼠的原始卵泡激活前给予雷帕霉素,可有效阻止整体卵泡激活,保留卵巢储备量,为保存原始卵泡池和预防POF提供理论依据[39]。环磷酰胺(cyclophosphamide, CY)通过增加PI3K/Akt/mTOR通路中的关键蛋白Akt、mTOR和rpS6的磷酸化水平,以剂量依赖方式减少小鼠卵泡储备量,给予雷帕霉素治疗后能显著降低CY导致的原始卵泡损失,提示雷帕霉素可以通过PI3K/Akt/mTOR信号通路阻止由CY诱导的原始卵泡过度活化,从而维持卵泡库[40]。类似的研究也应用于由强效抗癌药物顺铂诱导的POF模型中,顺铂通过激活小鼠POF模型中PTEN/Akt/FOXO3a通路中关键因子PTEN、Akt、GSK3β和FOXO3a的磷酸化水平诱导原始卵泡过度活化,导致原始卵泡丢失,而褪黑素通过阻断PTEN/Akt/FOXO3a通路成分的磷酸化,减少因顺铂诱导的卵泡损失,维持雌性生育能力[41]。此外,部分报道表明,PI3K/Akt信号通路在人和绵羊卵巢中也发挥调控作用。向体外培养的人卵巢中添加PI3K激活剂(740Y-P),能增加下游Akt和rpS6的磷酸化水平,促进原始卵泡激活[42]。在绵羊卵巢培养中,胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)通过PI3K/Akt信号通路促进原始卵泡激活、刺激颗粒细胞增殖和减少DNA片段化以促进卵泡存活[43]。综上可知,PI3K/Akt/mTOR信号通路不仅参与原始卵泡活化,也在治疗动物POF模型中发挥作用,深入探究PI3K/Akt/mTOR通路具体的作用机理,可为维持原始卵泡库和预防POF提供指导意义。
2.2 Notch信号通路与原始卵泡形成Notch通路在许多动物发育过程中均起着重要作用。研究表明,Notch通路在胚胎和产后的卵巢中表达,并参与减数分裂进程、原始卵泡形成与生长和类固醇激素分泌,阻碍Notch通路将影响减数分裂纺锤体形成、卵泡组织形成、卵巢血管生成及颗粒细胞的增殖与存活,这些异常最终导致原始卵泡发育异常及雌性生殖能力下降[44]。一方面研究表明,用Notch通路特异性抑制剂(DAPT)处理胚胎鼠(E17.5)或新生鼠(PND0)卵巢,原始卵泡数量减少,卵巢中退化的卵母细胞数量显著增加,与此同时,Notch信号通路中的受体及靶基因(Notch1、Notch2、Hes1和Hey2)mRNA水平显著降低[45]。另一方面研究表明,向体外培养新生小鼠(PND2)卵巢中添加Notch信号特异性抑制剂(DAPT/L-685, 458),Notch信号通路中的配体及受体(Jagged1、Jagged2、Notch1和Notch2)mRNA水平显著下降,原始卵泡数略微升高,卵泡募集延迟,生长卵泡数减少,总卵泡数显著降低[46]。上述研究表明,阻断Notch信号通路不但可以通过降低其受体及靶基因的表达,调节卵母细胞的存活并参与原始卵泡形成,还可通过影响原始卵泡募集进一步影响卵泡发育。研究发现,外源性激素或酶处理胚胎鼠卵巢,也可以通过影响Notch信号的活性而阻滞原始卵泡形成。Guo等[47]用P4处理胚胎鼠(E15.5)卵巢或直接将其注射到妊娠第15.5天的孕鼠中,均能显著降低Jagged2、Notch1和Hey2基因和蛋白水平,显著减少原始卵泡数,表明妊娠中期P4水平的增加可能通过抑制Notch信号通路的活性,从而抑制原始卵泡形成。此外,蛋白a去整合蛋白和金属蛋白酶结构域10 (protein a disintegrin and metalloproteinase domain 10, ADAM10)是一种细胞表面脱落酶,参与调控细胞增殖、分化和死亡[48]。用ADAM10特异性抑制剂(GM6001)处理胚胎卵巢(E16.5),能显著降低Hes1和Hey2的表达水平,减少卵巢中FoxL2阳性细胞数量,表明抑制ADAM10的同时Notch信号通路活性也受到抑制,ADAM10-Notch信号在围产期小鼠原始卵泡卵巢体细胞中通过调控卵巢前颗粒细胞的发育,参与原始卵泡形成[49]。上述抑制或阻断Notch信号通路的研究证明,Notch信号通过影响卵母细胞存活、卵泡募集及前颗粒细胞增殖而参与调控原始卵泡形成,深入研究新的因子及信号通路与Notch通路下游分子之间的作用关系,有助于进一步阐明动物卵巢卵泡发育过程中的相关分子事件。
2.3 Kit信号通路与原始卵泡发育Kit配体(kit ligand, KL)是一种多效生长因子,由发育卵泡中的颗粒细胞产生,与膜细胞、未分化的基质细胞和卵母细胞中表达的同源酪氨酸激酶受体(c-Kit)结合后作用于靶细胞[50]。KL和c-Kit在卵巢中的表达模式提示,KL可能在卵巢卵泡发育的多个阶段发挥重要作用。相关研究表明,KL/c-Kit也参与调控胚胎鼠和新生鼠原始卵泡发育。在胚胎鼠和新生鼠(E16.5-PND3)卵巢中,KL同时表达于卵母细胞和体细胞中,用重组KL处理胚胎鼠(E17.5)卵巢,生殖细胞巢破裂增加,单个卵母细胞数量百分比上升,促进原始卵泡发育为初级或次级卵泡[51]。向体外培养小鼠(PND4)卵巢体系中添加重组KL,显著降低了未发育原始卵泡的百分比,增加初级卵泡比例,而添加KL抑制剂(ACK-2)则阻断原始卵泡发育的自发性启动,表明KL既能促进原始卵泡发育,又是启动原始卵泡发育的必需因子[52]。另有研究发现,重组KL能促进原始卵泡的活化,且增加小鼠原始卵泡和早期初级卵泡中卵母细胞直径[53]。用重组KL处理新生小鼠(PND5)卵巢,原始卵泡百分比明显降低,次级卵泡百分比升高[54]。由此可知,KL在胚胎鼠及新生鼠卵巢中主要通过促进生殖细胞巢破裂或增加原始卵泡百分比促进原始卵泡向初级或次级卵泡发育,但具体机制还有待进一步研究。向其他物种的培养卵巢中添加KL,也得到了相似结果。用不同浓度的KL(1、10、50、100和200 ng·mL-1)处理体外培养的绵羊卵巢,100 ng·mL-1处理组中卵泡直径显著增加,促使原始卵泡向初级卵泡发育[55]。氟他胺处理胚胎期猪卵巢,KL和c-Kit的mRNA表达水平显著降低,免疫组化结果表明,原始卵泡卵母细胞中c-Kit表达下降影响卵巢中原始卵泡向初级卵泡转变,导致卵泡发育迟缓[56]。上述动物模型研究表明,KL和c-Kit在原始卵泡发育过程中具有重要作用,包括生殖细胞巢破裂、卵母细胞生长、原始卵泡活化及发育,推测Kit信号可能在卵母细胞生长、卵泡活化及卵泡持续发育方面发挥直接作用,进一步阐述其作用机理,对于深入研究雌性动物卵巢发育具有重要意义。
2.4 其他与原始卵泡形成和发育相关的信号通路除上述经典信号通路被证明参与调控哺乳动物原始卵泡形成与发育过程外,另有研究报道,mTORC1-KL、BMP4/SMAD、Hippo、SLIT/ROBO和JNK信号通路在哺乳动物中也能促进原始卵泡激活,并启动原始卵泡生长:1)mTORC1-KL信号通路:丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号通路表达于多种哺乳动物组织中,被认为是调控细胞增殖和分化的关键因子[57],MAPK3/1通路的磷酸化由MAPK激酶介导并激活[58]。已有研究证明,MAPK信号通路参与大鼠卵巢原始卵泡的活化和生长[59]。在新生鼠(PND3)卵巢培养体系中抑制MAPK3/1信号,可显著抑制原始卵泡活化,降低颗粒细胞增殖及诱导卵母细胞凋亡,同时显著降低了mTORC1下游标志物Tsc2、S6K1和rpS6的磷酸化水平及KL的表达,表明MAPK3/1通过mTORC1-KL信号参与原始卵泡活化[60]。2)BMP4/SMAD信号通路:骨形态发生蛋白4(bone morphogenetic protein 4, BMP4)是转化生长因子β(transforming growth factor-β, TGF-β)超家族一员,BMP4以协同的方式结合其Ⅰ型和Ⅱ型受体,Ⅰ型受体磷酸化胞内受体激活SMAD蛋白形成复合物,通过结合DNA招募转录辅助因子来调控靶基因[61]。用重组BMP4处理小鼠(PND3)卵巢,发现BMP4/SMAD信号通路通过上调Sohlh2和c-Kit的表达,降低卵母细胞凋亡,启动原始卵泡生长[62]。3)Hippo信号通路:Hippo通路核心成分包括哺乳动物STE20-样蛋白激酶1(mammalian STE20-like protein kinase 1, MST1)、大肿瘤抑制因子2(large tumor suppressor 2, LATS2)和Yes-相关蛋白1(yes-associated protein 1, YAP1),三者均在小鼠卵巢不同发育阶段中表达,该研究也表明,原始卵泡的活化与pYAP1/YAP1比值显著下降具有相关性[63]。在小鼠原始卵泡形成过程中,YAP1基因敲除将抑制原始卵泡活化,过表达YAP1则得到相反的结果,表明Hippo通路参与原始卵泡形成过程,且通过YAP1调控原始卵泡活化[64]。4)SLIT/ROBO信号通路:SLIT/ROBO通路可抑制哺乳动物细胞迁移和诱导细胞凋亡,在成年人的卵巢中发挥重要作用[65]。在绵羊胎儿卵巢中,ROBO1定位于前颗粒细胞,ROBO2、ROBO4和SLIT2定位于发育中的原始卵泡卵母细胞,SLIT-ROBO信号可能存在自分泌和旁分泌的相互作用,在胎儿卵巢中通过影响原始卵泡形成或卵母细胞存活影响卵巢早期发育过程[66]。5)JNK信号通路:用不同浓度的JNK抑制剂(SP600125/Ⅷ)处理性成熟前的绵羊卵巢,能抑制原始卵泡激活,在高浓度情况下诱导卵泡发生凋亡,表明JNK通路参与原始卵泡活化,对于维持雌性生育能力具有重要影响[67]。不同信号通路通过单独或协调的方式作用于颗粒细胞或卵母细胞,影响原始卵泡发育进程,阐明相关信号通路在生理条件下是如何调节原始卵泡的形成与发育,有助于深入了解早期卵巢发育过程中的调控机理。
3 小结和展望原始卵泡的形成和发育涉及到多种机制的复杂调节,原始生殖细胞的迁移、生殖细胞减数分裂及生殖细胞巢破裂中关键因子和与原始卵泡形成和发育相关的信号通路(PI3K/Akt/mTOR通路、Notch通路及Kit通路等)可能通过不同途径发挥调控作用。
研究哺乳动物原始卵泡形成与发育过程中的调控机理有助于深入揭示雌性动物繁殖性能相关分子事件。但迄今为止,与原始卵泡形成及发育相关的研究仍存在许多空白,例如:1)试验模型多局限于小动物(鼠科)中,在大动物(如:猪、牛和马)的原始卵泡形成与发育过程中,上述关键因子及信号通路是否也参与其中并发挥调控作用?2)目前研究所提及到与原始卵泡形成和发育相关的信号通路大多数是作用于生殖细胞巢破裂至初级卵泡期间,原始卵泡发育早期的原始生殖细胞迁移和生殖细胞第一次减数分裂过程相关的信号通路知之甚少,那么是否还存在未被发现的信号通路参与原始生殖细胞迁移或第一次减数分裂?有待深入研究。3)参与原始卵泡形成及发育的各通路之间是否存在相关性?他们之间的联系机制又是怎样?相信随着科学研究的不断深入,哺乳动物原始卵泡形成及发育过程中所存在的盲区终将清晰,人们也可以从这些研究结果中发现更加有效的提高哺乳动物繁殖性能的新方向。
[1] | WANG C, ZHOU B, XIA G. Mechanisms controlling germline cyst breakdown and primordial follicle formation[J]. Cell Mol Life Sci, 2017, 74(14): 2547–2566. DOI: 10.1007/s00018-017-2480-6 |
[2] | WEAR H M, MCPIKE M J, WATANABE K H. From primordial germ cells to primordial follicles:a review and visual representation of early ovarian development in mice[J]. J Ovarian Res, 2016, 9(1): 36. DOI: 10.1186/s13048-016-0246-7 |
[3] | SARRAJ M A, DRUMMOND A E. Mammalian foetal ovarian development: consequences for health and disease[J]. Reproduction, 2012, 143(2): 151–163. DOI: 10.1530/REP-11-0247 |
[4] | DE SOUSA LOPES S M C, HAYASHI K, SURANI M A. Proximal visceral endoderm and extraembryonic ectoderm regulate the formation of primordial germ cell precursors[J]. BMC Dev Biol, 2007, 7: 140. DOI: 10.1186/1471-213X-7-140 |
[5] | KANAMORI M, OIKAWA K, TANEMURA K, et al. Mammalian germ cell migration during development, growth, and homeostasis[J]. Reprod Med Biol, 2019, 18(3): 247–255. DOI: 10.1002/rmb2.12283 |
[6] | ARA T, NAKAMURA Y, EGAWA T, et al. Impaired colonization of the gonads by primordial germ cells in mice lacking a chemokine, stromal cell-derived factor-1 (SDF-1)[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100(9): 5319–5323. DOI: 10.1073/pnas.0730719100 |
[7] | MOLYNEAUX K A, ZINSZNER H, KUNWAR P S, et al. The chemokine SDF1/CXCL12 and its receptor CXCR4 regulate mouse germ cell migration and survival[J]. Development, 2003, 130(18): 4279–4286. DOI: 10.1242/dev.00640 |
[8] | CANTÚ A V, ALTSHULER-KEYLIN S, LAIRD D J. Discrete somatic niches coordinate proliferation and migration of primordial germ cells via Wnt signaling[J]. J Cell Biol, 2016, 214(2): 215–229. DOI: 10.1083/jcb.201511061 |
[9] | MCLAREN A. Meiosis and differentiation of mouse germ cells[J]. Symp Soc Exp Biol, 1984, 38: 7–23. |
[10] | EDSON M A, NAGARAJA A K, MATZUK M M. The mammalian ovary from genesis to revelation[J]. Endocr Rev, 2009, 30(6): 624–712. DOI: 10.1210/er.2009-0012 |
[11] | BALTUS A E, MENKE D B, HU Y C, et al. In germ cells of mouse embryonic ovaries, the decision to enter meiosis precedes premeiotic DNA replication[J]. Nat Genet, 2006, 38(12): 1430–1434. DOI: 10.1038/ng1919 |
[12] | QIU X H, LI M L, LI N, et al. Maternal diabetes impairs the initiation of meiosis in murine female germ cells[J]. Mol Med Rep, 2017, 16(4): 5189–5194. DOI: 10.3892/mmr.2017.7245 |
[13] | WANG Y J, TENG Z, LI G, et al. Cyclic AMP in oocytes controls meiotic prophase I and primordial folliculogenesis in the perinatal mouse ovary[J]. Development, 2015, 142(2): 343–351. DOI: 10.1242/dev.112755 |
[14] | FENG Y M, LIANG G J, PAN B, et al. Notch pathway regulates female germ cell meiosis progression and early oogenesis events in fetal mouse[J]. Cell Cycle, 2014, 13(5): 782–791. DOI: 10.4161/cc.27708 |
[15] | KIM S M, YOKOYAMA T, NG D, et al. Retinoic acid-stimulated ERK1/2 pathway regulates meiotic initiation in cultured fetal germ cells[J]. PLoS One, 2019, 14(11): e0224628. DOI: 10.1371/journal.pone.0224628 |
[16] | LIANG G J, ZHANG X F, WANG J J, et al. Activin A accelerates the progression of fetal oocytes throughout meiosis and early oogenesis in the mouse[J]. Stem Cells Dev, 2015, 24(20): 2455–2465. DOI: 10.1089/scd.2015.0068 |
[17] | ZHANG H Q, ZHANG X F, ZHANG L J, et al. Fetal exposure to bisphenol A affects the primordial follicle formation by inhibiting the meiotic progression of oocytes[J]. Mol Biol Rep, 2012, 39(5): 5651–5657. DOI: 10.1007/s11033-011-1372-3 |
[18] | ELKOUBY Y M, MULLINS M C. Coordination of cellular differentiation, polarity, mitosis and meiosis-new findings from early vertebrate oogenesis[J]. Dev Biol, 2017, 430(2): 275–287. DOI: 10.1016/j.ydbio.2017.06.029 |
[19] | PEPLING M E, SPRADLING A C. Female mouse germ cells form synchronously dividing cysts[J]. Development, 1998, 125(17): 3323–3328. |
[20] | PEPLING M E, SPRADLING A C. Mouse ovarian germ cell cysts undergo programmed breakdown to form primordial follicles[J]. Dev Biol, 2001, 234(2): 339–351. DOI: 10.1006/dbio.2001.0269 |
[21] | TINGEN C, KIM A, WOODRUFF T K. The primordial pool of follicles and nest breakdown in mammalian ovaries[J]. Mol Hum Reprod, 2009, 15(12): 795–803. DOI: 10.1093/molehr/gap073 |
[22] | XU J X, GRIDLEY T. Notch2 is required in somatic cells for breakdown of ovarian germ-cell nests and formation of primordial follicles[J]. BMC Biol, 2013, 11: 13. DOI: 10.1186/1741-7007-11-13 |
[23] | TROMBLY D J, WOODRUFF T K, MAYO K E. Suppression of Notch signaling in the neonatal mouse ovary decreases primordial follicle formation[J]. Endocrinology, 2009, 150(2): 1014–1024. DOI: 10.1210/en.2008-0213 |
[24] | CHEN C L, FU X F, WANG L Q, et al. Primordial follicle assembly was regulated by notch signaling pathway in the mice[J]. Mol Biol Rep, 2014, 41(3): 1891–1899. DOI: 10.1007/s11033-014-3038-4 |
[25] | VANORNY D A, PRASASYA R D, CHALPE A J, et al. Notch signaling regulates ovarian follicle formation and coordinates follicular growth[J]. Mol Endocrinol, 2014, 28(4): 499–511. |
[26] | YORK J P, REN Y A, ZENG J, et al. Growth arrest specific 2 (GAS2) is a critical mediator of germ cell cyst breakdown and folliculogenesis in mice[J]. Sci Rep, 2016, 6: 34956. DOI: 10.1038/srep34956 |
[27] | HUANG K, WANG Y, ZHANG T, et al. JAK signaling regulates germline cyst breakdown and primordial follicle formation in mice[J]. Biol Open, 2018, 7(1): bio029470. |
[28] | NIU W B, WANG Y, WANG Z P, et al. JNK signaling regulates E-cadherin junctions in germline cysts and determines primordial follicle formation in mice[J]. Development, 2016, 143(10): 1778–1787. DOI: 10.1242/dev.132175 |
[29] | XU J J, HUANG J J, PAN Q J, et al. Gestational diabetes promotes germ cell cCyst breakdown and primordial follicle formation in newborn mice via the AKT signaling pathway[J]. PLoS One, 2019, 14(4): e0215007. DOI: 10.1371/journal.pone.0215007 |
[30] | CHEN Y, JEFFERSON W N, NEWBOLD R R, et al. Estradiol, progesterone, and genistein inhibit oocyte nest breakdown and primordial follicle assembly in the neonatal mouse ovary in vitro and in vivo[J]. Endocrinology, 2007, 148(8): 3580–3590. DOI: 10.1210/en.2007-0088 |
[31] | LEI L, JIN S Y, MAYO K E, et al. The interactions between the stimulatory effect of follicle-stimulating hormone and the inhibitory effect of estrogen on mouse primordial folliculogenesis[J]. Biol Reprod, 2010, 82(1): 13–22. |
[32] | MU X Y, LIAO X G, CHEN X M, et al. DEHP exposure impairs mouse oocyte cyst breakdown and primordial follicle assembly through estrogen receptor-dependent and independent mechanisms[J]. J Hazard Mater, 2015, 298: 232–240. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.05.052 |
[33] | KARAVAN J R, PEPLING M E. Effects of estrogenic compounds on neonatal oocyte development[J]. Reprod Toxicol, 2012, 34(1): 51–56. |
[34] | MAKKER A, GOEL M M, MAHDI A A. PI3K/PTEN/Akt and TSC/mTOR signaling pathways, ovarian dysfunction, and infertility:an update[J]. J Mol Endocrinol, 2014, 53(3): R103–R118. DOI: 10.1530/JME-14-0220 |
[35] | VADLAKONDA L, DASH A, PASUPULETI M, et al. The paradox of Akt-mTOR interactions[J]. Front Oncol, 2013, 3: 165. |
[36] | ZHENG W J, NAGARAJU G, LIU Z L, et al. Functional roles of the phosphatidylinositol 3-kinases (PI3Ks) signaling in the mammalian ovary[J]. Mol Cell Endocrinol, 2012, 356(1-2): 24–30. DOI: 10.1016/j.mce.2011.05.027 |
[37] | ZHOU S, YAN W, SHEN W, et al. Low expression of SEMA6C accelerates the primordial follicle activation in the neonatal mouse ovary[J]. J Cell Mol Med, 2018, 22(1): 486–496. DOI: 10.1111/jcmm.13337 |
[38] | SOBINOFF A P, NIXON B, ROMAN S D, et al. Staying alive:PI3K pathway promotes primordial follicle activation and survival in response to 3MC-induced ovotoxicity[J]. Toxicol Sci, 2012, 128(1): 258–271. DOI: 10.1093/toxsci/kfs137 |
[39] | ADHIKARI D, RISAL S, LIU K, et al. Pharmacological inhibition of mTORC1 prevents over-activation of the primordial follicle pool in response to elevated PI3K signaling[J]. PLoS One, 2013, 8(1): e53810. DOI: 10.1371/journal.pone.0053810 |
[40] | ZHOU L Y, XIE Y Q, LI S, et al. Rapamycin prevents cyclophosphamide-induced over-activation of primordial follicle pool through PI3K/Akt/mTOR signaling pathway in vivo[J]. J Ovarian Res, 2017, 10(1): 56. DOI: 10.1186/s13048-017-0350-3 |
[41] | JANG H, LEE O H, LEE Y, et al. Melatonin prevents cisplatin-induced primordial follicle loss via suppression of PTEN/AKT/FOXO3a pathway activation in the mouse ovary[J]. J Pineal Res, 2016, 60(3): 336–347. DOI: 10.1111/jpi.12316 |
[42] | GROSBOIS J, DEMEESTERE I. Dynamics of PI3K and Hippo signaling pathways during in vitro human follicle activation[J]. Hum Reprod, 2018, 33(9): 1705–1714. DOI: 10.1093/humrep/dey250 |
[43] | BEZERRA M É S, BARBERINO R S, MENEZES V G, et al. Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) promotes primordial follicle growth and reduces DNA fragmentation through the phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B (PI3K/AKT) signalling pathway[J]. Reprod Fertil Dev, 2018, 30(11): 1503–1513. DOI: 10.1071/RD17332 |
[44] | VANORNY D A, MAYO K E. The role of Notch signaling in the mammalian ovary[J]. Reproduction, 2017, 153(6): R187–R204. DOI: 10.1530/REP-16-0689 |
[45] | TERAUCHI K J, SHIGETA Y, IGUCHI T, et al. Role of Notch signaling in granulosa cell proliferation and polyovular follicle induction during folliculogenesis in mouse ovary[J]. Cell Tissue Res, 2016, 365(1): 197–208. DOI: 10.1007/s00441-016-2371-4 |
[46] | WANG L Q, LIU J C, CHEN C L, et al. Regulation of primordial follicle recruitment by cross-talk between the Notch and phosphatase and tensin homologue (PTEN)/AKT pathways[J]. Reprod Fertil Dev, 2016, 28(6): 700–712. DOI: 10.1071/RD14212 |
[47] | GUO M, ZHANG H, BIAN F H, et al. P4 down-regulates Jagged2 and Notch1 expression during primordial folliculogenesis[J]. Front Biosci (Elite Ed), 2012, 4: 2631–2644. |
[48] | REISS K, SAFTIG P. The "A Disintegrin and Metalloprotease" (ADAM) family of sheddases:physiological and cellular functions[J]. Semin Cell Dev Biol, 2009, 20(2): 126–137. |
[49] | FENG L Z, WANG Y J, CAI H, et al. ADAM10-Notch signaling governs the recruitment of ovarian pregranulosa cells and controls folliculogenesis in mice[J]. J Cell Sci, 2016, 129(11): 2202–2212. DOI: 10.1242/jcs.184267 |
[50] | MANOVA K, HUANG E J, ANGELES M, et al. The expression pattern of the c-kit ligand in gonads of mice supports a role for the c-kit receptor in oocyte growth and in proliferation of spermatogonia[J]. Dev Biol, 1993, 157(1): 85–99. DOI: 10.1006/dbio.1993.1114 |
[51] | JONES R L, PEPLING M E. KIT signaling regulates primordial follicle formation in the neonatal mouse ovary[J]. Dev Biol, 2013, 382(1): 186–197. DOI: 10.1016/j.ydbio.2013.06.030 |
[52] | PARROTT J A, SKINNER M K. Kit-ligand/stem cell factor induces primordial follicle development and initiates folliculogenesis[J]. Endocrinology, 1999, 140(9): 4262–4271. DOI: 10.1210/endo.140.9.6994 |
[53] | HUTT K J, MCLAUGHLIN E A, HOLLAND M K. KIT/KIT ligand in mammalian oogenesis and folliculogenesis:roles in rabbit and murine ovarian follicle activation and oocyte growth[J]. Biol Reprod, 2006, 75(3): 421–433. DOI: 10.1095/biolreprod.106.051516 |
[54] | GOUGEON A, DELANGLE A, AROUCHE N, et al. Kit ligand and the somatostatin receptor antagonist, BIM-23627, stimulate in vitro resting follicle growth in the neonatal mouse ovary[J]. Endocrinology, 2010, 151(3): 1299–1309. DOI: 10.1210/en.2009-0762 |
[55] | CAVALCANTE A Y P, GOUVEIA B B, BARBERINO R S, et al. Kit ligand promotes the transition from primordial to primary follicles after in vitro culture of ovine ovarian tissue[J]. Zygote, 2016, 24(4): 578–582. DOI: 10.1017/S0967199415000556 |
[56] | KNAPCZYK-STWORA K, GRZESIAK M, DUDA M, et al. Effect of flutamide on folliculogenesis in the fetal porcine ovary-regulation by Kit ligand/c-Kit and IGF1/IGF1R systems[J]. Anim Reprod Sci, 2013, 142(3-4): 160–167. DOI: 10.1016/j.anireprosci.2013.09.014 |
[57] | PEARSON G, ROBINSON F, GIBSON T B, et al. Mitogen-Activated Protein (MAP) kinase pathways:regulation and physiological functions[J]. Endocr Rev, 2001, 22(2): 153–183. |
[58] | DAVIS R J. Signal transduction by the JNK group of MAP kinases[J]. Cell, 2000, 103(2): 239–252. DOI: 10.1016/S0092-8674(00)00116-1 |
[59] | ZHENG L P, ZHANG D L, HUANG J, et al. Proto-oncogene c-erbB2 initiates rat primordial follicle growth via PKC and MAPK pathways[J]. Reprod Biol Endocrinol, 2010, 8: 66. DOI: 10.1186/1477-7827-8-66 |
[60] | ZHAO Y, ZHANG Y, LI J, et al. MAPK3/1 participates in the activation of primordial follicles through mTORC1-KITL signaling[J]. J Cell Physiol, 2018, 233(1): 226–237. DOI: 10.1002/jcp.25868 |
[61] | ROSS S, HILL C S. How the Smads regulate transcription[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2008, 40(3): 383–408. DOI: 10.1016/j.biocel.2007.09.006 |
[62] | DING X Y, ZHANG X L, MU Y L, et al. Effects of BMP4/SMAD signaling pathway on mouse primordial follicle growth and survival via up-regulation of Sohlh2 and c-kit[J]. Mol Reprod Dev, 2013, 80(1): 70–78. DOI: 10.1002/mrd.22138 |
[63] | XIANG C, LI J, HU L L, et al. Hippo signaling pathway reveals a spatio-temporal correlation with the size of primordial follicle pool in mice[J]. Cell Physiol Biochem, 2015, 35(3): 957–968. DOI: 10.1159/000369752 |
[64] | HU L L, SU T, LUO R C, et al. Hippo pathway functions as a downstream effector of AKT signaling to regulate the activation of primordial follicles in mice[J]. J Cell Physiol, 2019, 234(2): 1578–1587. DOI: 10.1002/jcp.27024 |
[65] | DICKINSON R E, MYERS M, DUNCAN W C. Novel regulated expression of the SLIT/ROBO pathway in the ovary:possible role during luteolysis in women[J]. Endocrinology, 2008, 149(10): 5024–5034. DOI: 10.1210/en.2008-0204 |
[66] | DICKINSON R E, HRYHORSKYJ L, TREMEWAN H, et al. Involvement of the SLIT/ROBO pathway in follicle development in the fetal ovary[J]. Reproduction, 2010, 139(2): 395–407. DOI: 10.1530/REP-09-0182 |
[67] | BERTOLDO M J, BERNARD J, DUFFARD N, et al. Inhibitors of c-Jun phosphorylation impede ovine primordial follicle activation[J]. Mol Hum Reprod, 2016, 22(5): 338–349. DOI: 10.1093/molehr/gaw012 |