与衰老相关的粒线体 DNA 点突变会降低人类卵母细胞的质量，为辅助生殖中的胚胎活力提供潜在的生物标志物
随着哺乳动物年龄的增长，生育能力下降，我们的生育能力下降。 这种繁殖力的下降被认为与粒线体（细胞的发电站）中突变的积累有关。 这些古老的细胞结构有自己的遗传密码，几乎完全通过卵母细胞从母亲传给后代—卵巢中的未成熟卵细胞是人类生命的开端。 但是，衰老积累的卵母细胞中的粒线体 DNA 突变是否以及如何调节生育能力仍然未知。
中科院的Yang及其同事在学术期刊《衰老细胞》（Aging Cell）上发表了一篇学术论文，比较了年轻（31 岁以下）和老年（37 岁以上）女性患者的卵母细胞质量 。 他们的研究表明，老年女性的卵母细胞中有更多的粒线体 DNA 点突变，并且形成胚泡（胚胎移植到子宫的发育阶段）的形成率较低。 重要的是，这些粒线体 DNA 突变与通过减少卵巢原始和成熟卵泡（分泌激素的小卵巢囊）降低雌性小鼠的生育能力有关。
发生这种情况的原因是，粒线体 DNA 突变的积累通过损害卵母细胞在一种对细胞能量产生至关重要的分子─称为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 和一种高度相关的形式称为 NADH的水平的平衡而降低了生育能力。 重要的是，这种不平衡可以通过在饮用水中添加烟酰胺单核苷酸 （NMN） 来修复，以挽救卵母细胞的质量。 这项研究指出，NMN可作为卵母细胞衰老的候选治疗选择，以促进老年妇女或代谢紊乱患者的生育能力。
（Yang et al. 2020 | Aging Cell） 卵泡和精子中粒线体点突变对衰老过程中生育力的作用 。 卵母细胞在衰老过程中比精子积累更多的 mtDNA 点突变，从而通过降低其 NADH 与 NAD+ 的比率来加剧女性的生育能力下降，这可以通过 NMN 来挽救。
为什么生育能力会随着年龄的增长而下降？
衰老是男性生育能力和女性生育能力的关键因素之一。 事实上，女性的生育能力通常在24岁时达到顶峰，30岁后下降，50岁后则很难怀孕。 粒线体功能障碍被认为是在衰老和环境引起的不孕症中占有重要作用。 例如，据报道粒线体 DNA 缺失会在人类卵巢衰老中积累。
因此，粒线体功能状态和粒线体 DNA 含量和完整性的评估通常用于研究辅助生殖技术中卵母细胞的质量。 但衰老、粒线体 DNA 突变和不育之间的联系仍未完全清楚。
随着年龄相关的粒线体突变增加，人类受精率下降
Yang 及其同事首次使用下一代测序 （NGS） 量化了衰老对人类个体卵母细胞粒线体突变积累的影响。
他们检查了 31 岁以下和 37 岁以上女性在胞浆内单精子注射 （ICSI） 期间丢弃的未成熟卵母细胞粒线体 DNA 的不同突变类型。
点突变——一种仅影响基因序列中一个或极少数核苷酸的突变——被检测为老年女性患者中最丰富的突变。 该研究还表明，粒线体 DNA 点突变与卵母细胞质量呈负相关，为辅助生殖中的胚胎活力提供了潜在的生物标志物。
（Yang et al. 2020 | Aging Cell） 37 岁以上的老年女性患者在卵母细胞中的粒线体 DNA 点突变比 31 岁以下的年轻女性患者多。 该图显示了频率大于 0.002 的粒线体 DNA （mtDNA） 点突变的数量。
接下来，研究人员检查了接受体外受精（IVF）或ICSI的患者的受精步骤受年龄影响。 尽管受精率在年轻和年长参与者之间没有显著差异，但在 IVF 和 ICSI 周期中，年长组的囊胚形成率显著低于年轻组。
这项研究回答了基本问题——卵子发生的哪一步被与年龄相关的粒线体 DNA 突变破坏—并表明卵泡可能是女性不孕症的潜在治疗靶点。 “总的来说，我们的研究结果表明，老年女性患者的囊胚形成缺陷与卵母细胞粒线体 DNA 点突变的积累增加有关，”作者说。
(Yang et al. 2020 | Aging Cell) 年龄≥38岁的老年女性患者的囊胚形成率低于年龄≤30岁的年轻女性患者。 IVF（左; e）和ICSI（右; f）年轻女性患者和老年女性患者的受精率、2PN优质胚胎率和囊胚形成率。 在这两种情况下，与年轻女性相比，老年女性的囊胚形成率显著降低。
粒线体突变改变 NADH 与 NAD+ 的比率
接下来，研究人员想知道是什么将粒线体突变率与卵母细胞质量联系起来。 他们使用了一种经过基因改造的老鼠，与未改造的老鼠相比，这种老鼠的粒线体 DNA 缺失水平是 7 到 10 倍，而点突变水平是普通老鼠的 2500 倍。 该小鼠模型允许详细检查粒线体 DNA 突变在与年龄相关的生育力中的因果作用及其对性别的依赖性。
他们证明，粒线体 DNA 突变通过损害卵母细胞中 NADH 与 NAD+ 的比例来降低雌性小鼠的生育能力。 值得注意的是，来自老年小鼠的卵母细胞显示出类似的 NADH 与 NAD+ 的扰动比率。
NMN 恢复粒线体突变小鼠的生育能力
用 NMN介入后会提高积累粒线体 DNA 突变的转基因小鼠卵母细胞中 NADH 的含量。 随着 NADH 的上调，NAD+ 的量不变，表明这些转基因小鼠的卵母细胞中 NADH 与 NAD+ 的比率通过 NMN 处理增加。
然后，Yang 及其同事想测试 NMN 在卵母细胞中将 NADH 恢复到 NAD+ 水平是否对小鼠生育能力有影响。 为此，他们检查了获得粒线体 DNA 突变的转基因小鼠的产仔数，这些小鼠被给予补充有 NMN 的饮用水。 他们看到的是，饮用 NMN（900 mg/kg/天）水的小鼠的窝产仔数比未饮用的小鼠多。 这一结果表明，NMN 能够显著改善这些雌性小鼠的不孕症。
（Yang et al. 2020 | Aging Cell） mtDNA 突变的积累通过降低卵母细胞 NADH 与 NAD+ 的比率来降低女性的生育能力。 获得粒线体突变的转基因小鼠在有或没有 NMN 的情况下给予水。 然后检查它们的窝产仔数（顶部; b）和 NADH 与 NAD+ 的比率（底部; d）。 NMN 治疗增加了这些雌性小鼠的产仔数和 NADH 与 NAD+ 的比率。
NMN 可以用来帮助人类生殖医学吗？
这些发现表明，NMN 具有作为卵母细胞粒线体 DNA 突变的治疗选择的潜力。 “我们的研究通过系统地比较年轻和老年女性患者卵母细胞的质量和粒线体 DNA 突变，表明粒线体 DNA 点突变与卵母细胞质量成反比，这为辅助生殖中胚胎活力提供了另一个潜在的生物标志物，并证明 NMN 作为粒线体DNA突变引起的卵母细胞衰老的潜在候选药物，”研究人员说。
值得注意的是，这里使用的小鼠模型本身并不是衰老模型，而是粒线体突变模型。 在应用于人类受试者和辅助生殖之前，这些发现需要在更强大的衰老模型中进行复制。
参考文献
Yang L, Lin X, Tang H, Fan Y, Zeng S, Jia L, Li Y, Shi Y, He S, Wang H, Hu Z, Gong X, Liang X, Yang Y, Liu X. Mitochondrial DNA mutation exacerbates female reproductive aging via impairment of the NADH/NAD+ redox. Aging Cell. 2020 Sep; 19(9):e13206. doi: 10.1111/acel.13206.
文章来源
https://www.nmn.com/news/nmn-remedies-infertility-in-female-mice-with-mitochondrial-mutations
