综述：BMAL1失调作为连接肥胖与IVF中卵母细胞及子宫内膜功能障碍的潜在机制

《International Journal of Molecular Sciences》：BMAL1 Dysregulation as a Contributing Mechanism Linking Obesity to Oocyte and Endometrial Dysfunction in IVF

　　

摘要 肥胖影响着全球近三分之一的育龄女性，并持续降低体外受精（IVF）的成功率，然而其分子机制在不同研究线索中仍较为分散。昼夜节律时钟基因，尤其是BMAL1，通过存在于脂肪组织、卵巢颗粒细胞和子宫内膜间质中的转录-翻译反馈环（transcription-translation feedback loop）协调代谢与生殖生理。肥胖驱动的代谢改变，包括PPAR-γ信号通路改变及谷氨酰胺-甲硫氨酸摄取减少，可降低外周组织中BMAL1的表达并使其节律性振荡趋于平坦。在颗粒细胞中，BMAL1节律性的丧失损害线粒体生物发生，并扰乱线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）介导的蛋白质稳态，导致活性氧（ROS）积累并损害卵母细胞能力。子宫内膜上皮和间质中时钟调控转录因子的平行紊乱被认为可改变蜕膜化程序并移位种植窗（window of implantation），若能在人组织中得到直接证实，这将产生独立于卵母细胞质量的容受性缺陷。临床数据与双重机制一致：接受供卵周期（其中卵母细胞质量已受控制）的肥胖女性显示出较低的种植率，但并非在所有队列中均如此——这一模式与子宫内膜独立于卵母细胞水平损伤的贡献相容，而非其确证。综合来自脂肪细胞生物学、卵巢生理学和子宫内膜容受性研究的证据（主要来自啮齿动物模型、培养细胞系统和观察性人类队列），本综述提出BMAL1失调作为连接肥胖与配子及子宫水平IVF不良结局的候选统一机制，同时承认在人类中直接因果证据仍然缺乏。时间治疗学策略（chronotherapeutic strategies），包括褪黑素补充及减重干预相对于卵巢刺激的时机选择，作为未来检验的假说而非当前临床推荐进行讨论。BMAL1失调在此被呈现为若干相互作用机制中的一个候选贡献因素，任何转化策略都需作为针对肥胖相关IVF失败的更广泛协调方法的一部分，而非独立干预。

1. 1.
   引言

肥胖在工业化国家影响近三分之一的育龄女性，其对生育的后果远超排卵功能障碍。体重指数（BMI）每增加五个单位，IVF后活产率下降约5-7%，流产风险同步升高。机制解释倾向于两种竞争性假说：由脂毒性（lipotoxicity）和线粒体损害驱动的原发性卵母细胞缺陷，或由甾体信号改变和慢性低度炎症驱动的原发性子宫内膜缺陷。供卵模型（donor-oocyte model）的研究结果相互矛盾，部分队列未显示受体BMI对种植的影响，而包括迄今发表的最大单中心系列在内的其他队列则显示明确且剂量依赖性的下降。外周分子时钟在脂肪组织、颗粒细胞和子宫内膜间质中自主运行，并受全身代谢信号调节。肥胖中该外周时钟网络的破坏在白色脂肪组织水平已被充分表征：肥胖脂肪细胞中PPAR-γ活性降低抑制谷氨酰胺/甲硫氨酸转运体SLC1A5，减少Bmal1启动子组蛋白乙酰化和甲基化所需的表观遗传底物，使其节律性表达趋于平坦。BMAL1是人黄体化颗粒细胞正常甾体生成基因表达所必需的，其缺失通过TIMP3表达失调损害滋养层侵袭。褪黑素作为同一时钟机制的下游输出和上游调节因子，在多项临床试验中改善卵母细胞和胚胎质量。大部分证据来自啮齿动物模型和培养细胞，尚无研究直接在肥胖女性卵巢组织中测量这一双机制模型。本综述将BMAL1失调视为可检验的假说而非人类生殖中已确立的机制。

1. 2.
   材料与方法

在PubMed/MEDLINE、Scopus、Web of Science和Cochrane Library中进行文献检索，时间范围为2000年1月至2026年7月。检索词分为三组，通过布尔运算符组合：昼夜节律生物学术语、代谢术语和生殖术语。纳入标准包括以英文发表于同行评审期刊的原创研究、叙述性综述、系统综述和荟萃分析，涵盖人类和小鼠研究。排除标准包括缺乏后续完整发表的会议摘要、未经同行评审的预印本、少于五名受试者的病例报告及无可用翻译的非英文文章。对检索到的所有文章参考文献列表进行手工检索以补充主要来源。鉴于主题的机制性和跨学科范围，未采用具有正式偏倚风险评分的系统综述方法学，而是进行叙述性综合。

1. 3.
   肥胖脂肪和外周组织中BMAL1的分子破坏

3.1 白色脂肪组织中的外周昼夜节律时钟

白色脂肪组织含有完全功能性的外周昼夜节律时钟，基于与视交叉上核相同的转录-翻译反馈环。BMAL1与CLOCK异二聚化驱动Per1、Per2、Cry1和Cry2的E-box依赖性转录，其蛋白产物积累并抑制BMAL1:CLOCK复合物。第二个互锁环通过Rev-erbα和ROR核受体家族运行，两者竞争结合Bmal1启动子内的RORE元件。肥胖在振幅而非周期水平破坏该节律，ob/ob小鼠、饮食诱导肥胖小鼠和肥胖人类受试者的比较一致显示白色脂肪组织中BMAL1表达显著降低，在正常节律峰值时最为明显。肥胖是否是该节律钝化的原因或结果仍是一个开放问题，最合理的解释是双向关系，形成自我延续的循环。

3.2 PPAR-γ/SLC1A5轴与Bmal1的表观遗传沉默

肥胖状态下白色脂肪组织中PPAR-γ活性可测量地降低。PPAR-γ直接转录控制SLC1A5，该转运体介导谷氨酰胺和甲硫氨酸的细胞摄取。谷氨酰胺通过三羧酸循环代谢为乙酰辅酶A，这是组蛋白乙酰转移酶所需的关键二碳供体；甲硫氨酸通过甲硫氨酸循环转化为S-腺苷甲硫氨酸（SAM），作为组蛋白甲基转移酶的通用甲基供体。肥胖脂肪组织中两种氨基酸摄取减少，导致Bmal1启动子处H3K27ac和H3K4me3标记可测量地降低。外源性谷氨酰胺或甲硫氨酸给药可恢复这些表观遗传标记及Bmal1转录，形成从PPAR-γ经SLC1A5、氨基酸可用性和组蛋白修饰到Bmal1转录的因果闭环。

3.3 炎症在同一转录节点的汇聚

肥胖脂肪组织以巨噬细胞浸润为特征，浸润巨噬细胞分泌TNF-α，通过激酶介导的磷酸化抑制PPAR-γ的DNA结合能力。肥胖脂肪组织因此面临PPAR-γ功能的双重打击：一种来自肥胖状态本身的代谢性损伤，另一种来自肥胖招募的免疫浸润的炎症性损伤，两者通过不同生化机制汇聚于同一下游靶点。这一汇聚对干预策略有重要含义：仅针对代谢损伤或仅针对炎症的方法预计只能部分恢复Bmal1转录，因此需要同时解决代谢和炎症两臂的联合策略。

3.4 脂肪因子介导的向生殖组织的传播

循环脂肪因子将脂肪细胞时钟破坏扩展到脂肪组织边界之外。瘦素（leptin）由脂肪细胞分泌，与脂肪量成正比，在肥胖状态下慢性升高。瘦素受体基因Lepr在其启动子区域携带E-box元件，其转录受BMAL1:CLOCK异二聚体的直接昼夜节律控制。在卵巢颗粒细胞中，BMAL1已被证明直接调节Lepr表达，该调节的破坏通过瘦素受体信号级联改变下游雌激素合成。肥胖状态同时结合了两种损伤：升高的瘦素作用于其自身昼夜节律表达模式已被同一系统性时钟破坏所损害的受体。鉴于脂肪组织的质量和分泌活性，其被定位为跨生物体昼夜节律破坏的放大器。

1. 4.
   颗粒细胞和卵母细胞能力中的分子机制

4.1 BMAL1作为甾体生成基因转录的直接调节因子

人黄体化颗粒细胞在培养中同步化后显示核心时钟基因的清晰节律性振荡。在KGN细胞中siRNA敲低BMAL1可显著降低核心甾体生成酶CYP11A1、CYP19A1、STAR和ESR2的表达。CYP11A1催化限速的胆固醇侧链裂解步骤；STAR介导胆固醇转运至线粒体内膜；CYP19A1编码芳香化酶；ESR2编码雌激素受体β亚型。BMAL1过表达在KGN细胞和HGL5细胞中产生相应的CYP11A1和CYP19A1表达增加，并在可测量的激素输出水平上正向控制17β-雌二醇分泌。小鼠卵巢靶向Bmal1剥夺产生显著受损的黄体激素合成，并激活PI3K/NFκB通路的磷酸化，药理学抑制PI3K可部分恢复Lhcgr和Hsd3β2表达。BMAL1通过至少两种平行机制维持正常甾体生成输出：直接转录支持和抑制PI3K/NFκB信号轴。

4.2 BMAL1-SIRT1环及其与多囊卵巢综合征的相关性

SIRT1是一种NAD⁺依赖性去乙酰化酶，在颗粒细胞雌激素合成中发挥正向调节作用，并与BMAL1形成正反馈循环。该循环的破坏被提出参与多囊卵巢综合征（PCOS）的病理生理，但该主张仅基于单个人类颗粒细胞数据集，尚未被独立复制。肥胖和PCOS可能汇聚于颗粒细胞昼夜节律和甾体生成功能障碍的共同最终通路，但尚无研究在人类颗粒细胞中跨单纯肥胖、单纯PCOS及两者合并三组进行直接比较。

4.3 线粒体生物发生、未折叠蛋白反应与卵母细胞质量

卵母细胞发育能力关键依赖于充足的线粒体质量、膜电位和三磷酸腺苷（ATP）生成能力，这些主要通过旁分泌和间隙连接通讯由周围颗粒细胞和卵丘细胞区室提供。颗粒细胞线粒体功能障碍与甾体生成下降、卵母细胞成熟率降低、受精率降低及卵母细胞质量下降直接相关。BMAL1及其下游靶标参与协调线粒体DNA复制和核编码线粒体蛋白的转录，呈时间依赖性。BMAL1节律性的丧失将使线粒体生物发生与代谢需求周期脱同步。线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）在慢性昼夜节律破坏条件下被激活，若持续而非短暂，通常与细胞功能下降相关。

4.4 黄体化过程中HIF-1α/BNIP3介导的线粒体自噬

HIF-1α/BNIP3介导的自噬在黄体化过程中发挥主动且生理上必要的作用，LC3-I/II转化和Beclin1表达标记在该转变期间特异性增加。昼夜节律时钟基因已被证明直接调节其他生殖背景中的自噬相关基因表达，包括NR1D1介导的颗粒细胞自噬相关转录抑制。BMAL1丧失可能不仅破坏黄体化过程中线粒体自噬的存在与否，还破坏其相对于黄体生成素（LH）峰值的精确昼夜节律时机。

4.5 氧化应激、卵母细胞DNA损伤与减数分裂纺锤体

卵泡内8-羟基-2′-脱氧鸟苷（8-OHdG）浓度在退化卵母细胞率高的女性卵泡液中可测量地升高，并与卵泡内褪黑素浓度呈负相关。线粒体功能障碍是活性氧（ROS）的主要细胞内来源，昼夜节律破坏预计通过该线粒体途径增加局部氧化负担。暴露于该联合氧化负担的卵母细胞显示减数分裂纺锤体形成紊乱和卵母细胞自身细胞质内线粒体动力学改变。多条机制上不同的通路汇聚于共同的氧化应激终点，这解释了为何肥胖中卵母细胞质量缺陷在研究中如此一致地可重复。

1. 5.
   子宫内膜时钟破坏的分子机制

5.1 BMAL1在蜕膜化和滋养层侵袭控制中的作用

人子宫内膜间质细胞在体外蜕膜化诱导时BMAL1表达显著上升。在蜕膜化子宫内膜间质细胞中沉默BMAL1产生受损的蜕膜化，IGFBP1和催乳素（prolactin）均显示表达降低。BMAL1沉默还产生TIMP3表达降低，导致滋养层细胞过度侵袭表型而非侵袭失败。BMAL1在该组织中作为需要仔细校准的过程的制动器。BMAL1表达在复发性流产女性的蜕膜组织中可测量地降低，BMAL1 rs2278749 TT基因型与流产风险增加相关。

5.2 PER2与蜕膜转化过程中昼夜节律振荡的沉默

未分化人子宫内膜间质细胞在培养中同步化后显示核心时钟基因的清晰昼夜节律振荡，振幅在二十六小时周期内变化高达五倍。蜕膜化诱导后，所有六个核心时钟基因的表达变得均匀非周期性。该节律性丧失是分化程序的刻意且生理上适当的特征：PER2表达丧失是由于蜕膜化过程中CLOCK转录因子复合物对PER2近端启动子内E2增强子元件的结合减弱，而CLOCK/BMAL1异二聚体在其他时钟基因启动子处的DNA结合活性保持完整。蜕膜化细胞以受控、启动子特异性的方式实现时钟沉默，而肥胖可能以失调和不合时机的方式强加时钟破坏。

5.3 BMAL1/REV-ERB环与着床过程中的生长因子信号传导

BMAL1转录激活REV-ERB表达，REV-ERB转而结合Bmp2、Bmp4、Gdf10和Gdf15启动子中存在的RORE基序。BMP2和BMP4与GDF10和GDF15在着床级联中占据既定位置，促进间质蜕膜化和滋养层-间质信号传导的协调。昼夜节律失调还通过巨噬细胞来源的白介素-6（IL-6）和白血病抑制因子（LIF）以及子宫内膜上皮细胞分泌的COX-2破坏着床。全身性途径通过皮质醇、胰岛素和生长素释放肽的节律性分泌破坏运作。

5.4 HOXA10、种植窗移位与代谢信号传导的汇聚

HOXA10是种植窗期间正常子宫内膜分化所需的家盒转录因子。动物研究表明延长光照方案降低HOXA10表达并增加子宫结构异常频率。褪黑素上调CLOCK和PER1表达并独立促进子宫内膜组织中的HOXA10表达。通过子宫内膜容受性阵列（ERA）分析直接记录到肥胖女性相对于正常体重对照的种植窗移位，25.3%的肥胖女性存在移位，而非肥胖女性为9.7%，且移位幅度随肥胖等级增加而增加。种植窗代表需要子宫内膜容受性与囊胚发育阶段精确同步的狭窄时限期，对降解昼夜节律信号精度的任何输入表现出不成比例的脆弱性。

1. 6.
   临床相关性：供卵模型作为自然实验

6.1 供卵模型的逻辑及其解释价值

供卵模型通过刻意构建的自然实验解决区分卵母细胞水平效应与子宫内膜水平效应的难题。受体接受来自年轻、健康、正常体重供体的卵母细胞，任何根据受体自身BMI变化的下游着床或妊娠结局可归因于受体的子宫内膜环境。该模型存在局限性：供体刺激方案、供体年龄范围和实验室处理引入变异。供卵周期中子宫内膜通过外源性雌二醇和孕酮的程序化方案构建，与自体IVF不同，较低的种植率可能反映外源性激素剂量或吸收差异而非子宫内膜昼夜节律机制。

6.2 报告受体BMI对着床无影响的研究

一项早期回顾性分析纳入536个首次供卵周期，按四个BMI类别分层，未发现受体BMI对着床率、妊娠率或自然流产率的不利影响。一项后续单中心研究仅分析经胚胎植入前遗传学检测（PGT）后的整倍体胚胎移植，临床妊娠率、活产率、生化妊娠丢失率和临床妊娠丢失率在正常体重、超重和肥胖受体组间均无显著差异。Setton等人的同胞卵母细胞配对设计比较了来自同一供体同一刺激周期的卵母细胞分配给不同受体的配对，正常体重与超重或肥胖成员之间的着床率在统计学上无法区分。一项采用受试者工作特征（ROC）曲线分析的研究同样未发现受体BMI与着床结局之间的关系。

6.3 报告受体BMI对着床有负面影响的研究

迄今发表的最大单中心供卵系列分析了9587个供卵首次周期，发现着床率、临床妊娠率和活产率在四个受体BMI类别间呈阶梯式下降，活产率从瘦型受体的38.6%下降至肥胖受体的27.7%。该队列中IVF实验室参数（包括受精率和卵裂率）在四个BMI组间无差异，表明所观察到的活产率下降发生在受精和早期卵裂阶段之后。通过子宫内膜容受性阵列测试直接测量子宫内膜基因表达，证实肥胖女性相对于非肥胖对照存在种植窗移位。

6.4 调和差异

一种可检验的解释是，分歧反映统计功效和研究所代表的肥胖严重程度分布的差异。Bellver 2013队列的肥胖亚组包含653个周期，比几项零发现研究的整个队列大一个数量级，更有能力检测中等效应量。剂量-反应下降在最严重的肥胖等级中最为明显，而几项零发现队列的肥胖比较组主要来自肥胖谱系的较低端。这与肥胖程度而非简单BMI阈值的存在与否相关的机制框架一致。

1. 7.
   褪黑素作为时间生物调节剂：机制和临床证据

7.1 褪黑素在昼夜节律系统中的双重位置

褪黑素同时作为视交叉上核中央起搏器的下游输出和能够直接调节靶组织外周时钟功能的上游输入信号。MT1和MT2亚型褪黑素受体在颗粒细胞和子宫内膜组织中直接表达。褪黑素不主要通过表观遗传途径作用，而是通过直接受体介导信号传导和独立自由基清除能力运作，可能功能性地补偿BMAL1节律性降低的一些下游后果，如卵泡区室的氧化负担，而不恢复BMAL1转录本身的正常振幅。