转录组与代谢组分析表明，牛卵泡上皮细胞中的铜死亡（cuproptosis）会引发衰老信号及线粒体功能障碍在细胞间的传递，从而降低卵母细胞的质量

《Theriogenology》：Transcriptome and metabolome analysis reveals that cuproptosis in bovine cumulus cells triggers the intercellular transmission of senescence and mitochondrial dysfunction to impair oocyte quality

　　

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吉林大学动物科学学院，长春，130062，吉林，中国

摘要

铜死亡（Cuproptosis）是一种新发现的由铜驱动的细胞死亡形式，已被证明与卵巢功能密切相关。然而，尚不清楚铜过载或失衡导致的卵母细胞功能障碍、排卵效率下降以及 cumulus 细胞老化是否与铜死亡相关的调节途径有关。在这项研究中，通过转录组测序和代谢组分析全面分析了 cumulus 细胞中与铜死亡相关的基因表达谱，并确定了在 eleclomol 和 CuSO₄ 处理后影响卵母细胞成熟的关键基因和途径。转录组分析显示，涉及关键生物过程的基因表达发生了差异，如细胞衰老（AKT3, MORC3, RBL1 等）、缝隙连接（GJA1, GNAI1, GJB3 等）、类固醇生物合成（FDX1, HSD17B7, CYP1A1 等）和细胞周期调节（CDK2, CCNB2, MAPK7 等）。代谢组分析显示，苹果酸、PS (18:3(10,12,15)-OH(9)/14:0) 和 PA (21:0/LTE4) 等化合物的水平发生了显著变化。随后对卵母细胞的 Smart-seq 分析表明，在 cumulus 细胞中诱导铜死亡后，卵母细胞成熟受到干扰，这影响了与细胞衰老（TGFB2, SIRT1, CHEK2 等）、卵母细胞减数分裂（FBXO5, CCNB3, PLK1 等）和 DNA 甲基化（PPM1D, DNMT3B, KMT2A 等）相关的基因。这些发现为 cumulus 细胞调节和卵母细胞成熟所涉及的关键基因和生物过程提供了更深层次的理论支持，进一步阐明了铜死亡在生殖领域的调节机制。

引言

金属离子对卵母细胞发育至关重要，铜（Cu）具有双重作用：它对卵母细胞成熟至关重要，但过量则具有毒性，会影响线粒体功能、氧化应激和纺锤体完整性，从而通过与能量产生、凋亡和 DNA 保护等细胞过程的相互作用改变发育能力，因此需要精确的细胞内浓度以维持健康生长。虽然铜与其他离子（如钙（Ca²⁺）相互作用，但它支持整个卵母细胞成熟过程，影响抗氧化防御（谷胱甘肽）和卵母细胞的整体质量，过量或不足都会导致 DNA 损伤和胚胎结果不佳，突显了其复杂的调节功能[1], [2], [3]。

在反刍动物生产中，平衡的矿物质营养是动物健康和生产性能的基础[4]。铜作为身体必需的微量元素，通常以低浓度存在于细胞内以执行正常的生理功能。适当的铜补充可以上调牛颗粒细胞的赖氨酰氧化酶表达，从而提高它们的发情表现和受精率[5]。然而，铜的过量积累可能导致严重的毒性，并可能引发一种称为铜死亡的新型细胞死亡[6]。铜死亡的特点是铜离子的异常积累，导致线粒体功能障碍和蛋白质毒性应激，最终导致细胞损伤[6]。值得注意的是，具有活跃代谢和强健线粒体呼吸的细胞对铜毒性特别敏感，表明像 cumulus 细胞和卵母细胞这样的高能量需求的生殖细胞可能更容易受到铜稳态失调的影响。

先前的研究表明，在牛的 cumulus–oocyte 复合物（COCs）中，铜死亡可以特异性地诱导 cumulus 细胞中的线粒体功能障碍，并通过破坏 Ca²⁺ 稳态和缝隙连接通讯，最终在体外抑制卵母细胞成熟[7]。本研究证实了铜死亡对牛模型中卵母细胞成熟的负面影响，并揭示了线粒体损伤和细胞间通讯是这一过程中的关键因素。线粒体不仅是细胞的能量来源，还广泛参与各种细胞过程，包括细胞周期调节、凋亡、表观遗传修饰和代谢控制[8], [9]。这些功能在含有丰富线粒体的卵母细胞和 cumulus 细胞中尤为重要，因为维持正常的生理过程需要线粒体提供更多的能量。然而，与其他细胞类型相比，卵巢细胞的抗氧化能力较低，使其更容易受到氧化应激引起的线粒体 DNA（mtDNA）损伤。随着年龄的增长，mtDNA 突变的积累和耗竭进一步加剧了卵巢细胞中的线粒体功能障碍[10], [11]。

此外，铜从卵泡液转运到卵母细胞及其利用，特别是在初始成熟阶段之后，会导致需求的变化，表明维持最佳铜水平对人类和动物生殖系统的生理和代谢至关重要[12]。体外研究表明，异常的铜转移会严重阻碍卵母细胞的成熟，主要是通过破坏线粒体功能、增加氧化应激、损伤 DNA、诱导凋亡以及导致减数分裂错误（如纺锤体缺陷），最终降低卵母细胞的品质和发育潜力。过量的铜会压倒细胞防御机制，而铜缺乏则会阻碍生理过程，这两种情况都会导致细胞应激和卵母细胞成熟受损[13], [14]。

目前，铜死亡调节卵母细胞成熟的分子网络尚未完全阐明。一旦铜死亡启动，cumulus 细胞的转录组如何系统性地发生变化，以及这些变化如何通过可传递信号分子的表达影响卵母细胞中的基因表达和代谢状态，还需要进一步深入研究。

基于先前的发现，本研究旨在从 cumulus–oocyte 相互作用和工业应用的角度，系统地阐明卵母细胞成熟过程中的铜死亡调节网络。这些发现不仅为生殖毒理学提供了新的见解，还确定了通过调节铜死亡相关途径来改善辅助生殖和畜牧业繁殖效率的潜在分子靶点。最终，这项工作为优化体外培养系统和提高动物繁殖效果提供了理论支持和实际指导。

章节摘录

材料与方法

所有试剂和化学品均购自 Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯），除非另有说明。

铜死亡在 cumulus 细胞和卵母细胞中诱导转录组重塑和功能损伤

用 150 μM CuSO₄ 和 40 nM ES 处理后，cumulus 细胞发生了铜死亡，表现为铜死亡相关蛋白 LIAS 和 FDX1 的显著下调（图 1A）。为了系统地分析铜死亡如何影响 cumulus 细胞的生物学功能，构建了转录组谱型。三维主成分分析（3D-PCA）显示出对照组和 ES-Cu 组之间的显著差异

讨论

作为哺乳动物必需的微量元素之一，铜参与重要的生理过程，如线粒体呼吸、类固醇激素合成和抗氧化防御。然而，铜的过量积累会诱导细胞毒性，从而损害哺乳动物的繁殖性能[16], [17]。在体外成熟过程中，150 μM CuSO₄ 和 40 nM ES 的共处理会特异性地诱导牛 cumulus 细胞中的铜死亡[7]。基于这些发现，通过多组学

结论

本研究系统地揭示了铜死亡不仅通过单一途径（如通过诱导 ROS 应激）损害牛卵母细胞的成熟，而是通过多维协同机制：它可能破坏 cumulus 细胞中的线粒体能量和代谢，损害其亚细胞结构和通讯网络，触发级联应激反应和衰老信号，并最终干扰卵母细胞的信号接收和表观遗传

CRediT 作者贡献声明

庆英李：研究。德丽丁：研究。洪旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，研究，正式分析。田甜：研究，正式分析。永声韩：研究。浩江：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，方法学，数据管理。映刘：研究，正式分析。宝远：监督，资金获取，数据管理，概念化。玉青张：研究。常刘：

数据可用性声明

本研究中的数据可在文章或补充材料中找到。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了 国家重点研究 和发展计划（2023YFD1300501）、农业农村部 和农业部（MARA）的 中国农业研究体系（CARS-37）以及泰山产业专家计划（tscx202408123）的支持。