α-酮戊二酸通过代谢与转录重编程增强牛卵母细胞成熟及胚胎发育的机制研究

《Theriogenology》：α-Ketoglutarate enhances bovine oocyte maturation and embryo development: insights from metabolomic and transcriptomic profiling

本研究系统阐述了α-酮戊二酸（α-KG）在牛卵母细胞体外成熟（IVM）过程中的剂量依赖性调控作用。通过代谢组学分析发现，100μM α-KG通过重塑能量代谢（抑制TCA循环和PPP通路，增强糖酵解和β-氧化），协调卵丘细胞（CCs）与卵母细胞的代谢协同，并调控环核苷酸（cAMP/cGMP）解除减数分裂阻滞，为提升胚胎存活率提供了新策略。

　　

^{α-酮戊二酸改善牛卵母细胞卵裂率和发育潜能}

为评估α-KG对卵母细胞成熟和胚胎发育的影响，将牛卵母细胞在添加不同浓度α-KG（20μM、100μM和500μM）的IVM培养基中培养。DMSO对照组与各浓度α-KG处理组之间的极体排出（PBE）率无显著差异（p>0.05；图1A）。此外，20μM和100μM α-KG组的卵裂率与DMSO对照组相当，而500μM组的卵裂率显著降低（p<0.05）。值得注意的是，100μM α-KG组的囊胚形成率显著高于对照组和500μM组（p<0.05；图1B）。同时，100μM α-KG组的内细胞团（ICM）细胞数量也显著增加（p<0.05；图1C），但8-16细胞期发育率与对照组无显著差异。

^讨论

本研究中，100μM α-KG的补充产生了最有利的结果，与DMSO对照组和500μM组相比，囊胚率和ICM均显著提高，而8-16细胞期发育率与对照组相似。通过整合代谢组学分析（非转录组学），我们能够阐明α-KG对牛卵母细胞及其周围卵丘细胞（CCs）的有益作用。值得注意的是，卵母细胞成熟过程中改变最显著的途径是能量代谢途径。具体而言，α-KG通过抑制柠檬酸循环（TCA循环）和磷酸戊糖途径（PPP）重塑了卵母细胞和卵丘细胞在成熟过程中的能量代谢，同时增强了卵母细胞中的糖酵解和β-氧化，以及与甲硫氨酸回收途径和叶酸循环相关的氨基酸代谢。相反，卵丘细胞在成熟过程中表现出低代谢状态，其特征是糖酵解、TCA循环、β-氧化和脂肪酸水平受到抑制，这表明卵丘细胞发生了代谢转换，以优先支持卵母细胞。这些发现强调了一种协同但又分化的代谢适应：卵母细胞放大了能量和生物合成途径，而卵丘细胞则采取了分解代谢保守策略。至关重要的是，α-KG对环核苷酸（cAMP/cGMP）的调节突显了其在解除减数分裂阻滞中的作用，将代谢转变与细胞周期调控联系起来。

^结论

总之，在卵母细胞成熟过程中补充α-KG可显著提高卵母细胞质量和胚胎发育。虽然转录组学分析未显示显著变化，但代谢组学分析表明代谢途径发生了实质性转变。具体而言，卵母细胞表现出能量代谢从碳水化合物利用向脂质氧化的转变，而卵母细胞和卵丘细胞都显示出对氨基酸代谢的显著依赖。这些代谢适应与改善的发育结果相关，表明α-KG在协调卵母细胞-卵丘细胞复合体（COCs）内的代谢协同中起着关键作用。