甲羟戊酸代谢产物通过小GTP酶的异戊烯化提高老化卵母细胞的质量
卵母细胞质量下降是老年哺乳动物雌性生育能力下降的主要原因。目前尚无有效干预措施改善这一现象。近期，南京大学团队使用云克隆产品（CEA461Ge/CEA830Mu）在《Nature Aging》上发表的题为“Mevalonate metabolites boost aged oocyte quality through prenylation of small GTPases”的研究揭示了卵母细胞质量下降的机制，并提出了有效的解决途径。研究表明，老年小鼠卵母细胞皮质F-肌动蛋白减少，甲羟戊酸（MVA）途径代谢物MVA、法尼基焦磷酸（FPP）和香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）水平降低，而补充MVA可有效改善这一现状，为提高雌性生育能力提供了治疗途径。
皮质F-肌动蛋白影响卵母细胞收缩、细胞质组织和发育潜力，其异常组装会导致非整倍体和卵母细胞质量下降。为了探究卵巢衰老过程中皮质F-肌动蛋白的变化，研究者们对年轻和年老小鼠卵丘-卵母细胞复合体（COC）中处于减数分裂I期中期（MI）的卵母细胞皮质F-肌动蛋白的分布进行了检测。发现年老卵母细胞皮质F-肌动蛋白的分布明显少于年轻小鼠卵母细胞，且影响皮质F-肌动蛋白组装的Arp3蛋白在老年MI卵母细胞中的表达显著低于年轻卵母细胞。
研究者后续又收集了不同年龄雌性小鼠的卵母细胞，通过靶向代谢组学法对细胞中MVA途径代谢变化进行了研究。发现衰老卵母细胞代谢途径中MVA、FPP和GGPP含量显著降低。这些结果表明，在卵巢衰老过程中，卵母细胞中MVA途径代谢物的减少似乎与皮质F-肌动蛋白的异常组装有关。
图1. 衰老卵母细胞中皮质F-肌动蛋白分布减少及MVA途径代谢物降低
（图片源自《Nature Aging》）
接下来，他们研究了补充MVA对老化卵母细胞质量的影响。发现体外给年老COCs补充MVA可促进皮质F-肌动蛋白组装，恢复Arp3表达，降低减数分裂缺陷与非整倍体发生率，并能增强卵母细胞胚胎发育能力。体内给老年雌性小鼠注射MVA能有效提升卵泡数量，雌激素和AMH水平增加，卵母细胞中非整倍体的频率显著降低。且MVA对衰老卵母细胞的作用是通过周围的颗粒细胞（GC）来实现的。综上表明，补充MVA能有效提升大龄雌鼠的卵巢储备功能和卵母细胞质量。
图2. MVA在体内外促进皮质F-肌动蛋白组装和老化卵母细胞质量
（图片源自《Nature Aging》）
为了进一步探究MVA补充如何改善老化卵母细胞的质量，研究者对经MVA处理和未经MVA处理的COCs中的卵母细胞及其邻近的GCs进行了RNA测序分析。结果表明，在补充MVA后，GCs中参与MVA合成的FPP基因的表达量显著增加，MVA和FPP的代谢物水平也显著升高，老化COCs中卵母细胞的蛋白质异戊烯化水平也得到了恢复。因此，补充MVA可激活FPP合成途径，并提高老化COCs中的蛋白质异戊烯化水平。
图3. MVA激活了衰老颗粒细胞中的FPP代谢途径
（图片源自《Nature Aging》）
为明确MVA对卵母细胞皮质F-肌动蛋白组装及减数分裂的影响是否通过颗粒细胞中FPP介导，研究者们先将年老雌鼠COCs置于含FOH（可分解为FPP）的IVM培养基中，发现FOH能促进MI期卵母细胞皮质F-肌动蛋白组装，提高卵裂率，降低减数分裂缺陷发生率，效果与MVA类似。接着在含MVA的IVM培养基中加入蛋白异戊烯化抑制剂FTI-277，发现年老COCs的卵母细胞皮质F-肌动蛋白组装减少，皮质颗粒外排率降低，减数分裂缺陷发生率增加。综上，MVA可激活颗粒细胞中FPP合成，且FPP从颗粒细胞细胞向卵母细胞转移后，通过异戊烯化改善年老卵母细胞皮质F-肌动蛋白组装及质量。
图4. MVA通过来自GCs的FPP异戊烯化促进皮质F-肌动蛋白的组装
（图片源自《Nature Aging》）
为探究MVA影响卵母细胞皮质F-肌动蛋白组装的机制，研究者利用alk-FOH对KGN细胞（human granulosa-like tumor cell line，KGN）中的异戊烯化蛋白进行了大规模的谱图分析。又通过亲和富集、LC-MS/MS鉴定和蛋白质免疫印迹分析筛选出小GTP蛋白CDC42和RAC1可被异戊烯化且对天然FOH竞争敏感。
进一步研究发现，MVA可通过异戊烯化促进CDC42和RAC1在卵母细胞皮质定位（效果与FOH类似，FTI-277会阻断）。年老COCs的卵母细胞中二者无法皮质定位，但MVA可使其恢复，而过表达二者显性负突变体会抑制皮质F-肌动蛋白组装。机制上，CDC42通过N-WASP、RAC1通过WAVE2分别激活Arp2/3复合物，FOH/MVA能显著增强年老COCs卵母细胞中CDC42-N-WASP-Arp2/3与RAC1-WAVE2-Arp2/3复合物的形成，提升皮质Arp3表达。综上，FPP介导的CDC42和RAC1异戊烯化，助力二者在卵母细胞膜定位，进而促进皮质F-肌动蛋白组装。
图5. 异戊烯化增加了CDC42和RAC1在细胞皮层的定位及F-肌动蛋白的组装（图片源自《Nature Aging》）
随后，研究者们从已获批和处于临床前阶段的药物中筛选出了8-IPF（8-isopentenylflavone），并评估了其在提高MVK和FPP合成酶FDPS（Farnesyl Diphosphate Synthase，FDPS）表达以及蛋白质异戊烯化水平方面的效果。用8-IPF处理KGN细胞可显著提高异戊烯化水平。他们又通过灌胃方式在老年小鼠体内研究了8-IPF对卵巢衰老的治疗效果。结果显示，小鼠卵巢指数显著提高，各发育阶段卵泡数、E2及AMH水平、排卵卵母细胞数均增加；MI期卵母细胞皮质F-肌动蛋白染色更强，Arp3表达恢复，减数分裂缺陷与非整倍体发生率降低，细胞胚胎和囊胚数量增多。且与8周龄雄鼠自然交配后，处理组老年雌鼠的妊娠率和产仔数显著高于对照组。综上，8-IPF通过增加衰老卵母细胞中CDC42和RAC1的异戊烯化及皮质F-肌动蛋白组装，改善卵巢储备耗竭与卵母细胞减数分裂缺陷，进而提升老年雌鼠生育能力。
图6. 具有异戊烯基侧链的化合物8-IPF能促进老年卵母细胞皮质F-肌动蛋白的组装
（图片源自《Nature Aging》）
总的来说，该研究揭示了卵母细胞中CDC42和RAC1的异戊烯化减少会影响减数分裂期皮质F-肌动蛋白组装，进而导致老化COCs的卵母细胞出现减数分裂缺陷和非整倍体。而补充MVA和8-IPF可从根本上改善这一情况。这一研究为年龄相关卵母细胞皮质异常和非整倍体的机制研究提供了见解，并为从临床上改善生育状况或延长女性生育年龄提供了方向。
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