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随着生活方式和观念的转变,女性生育年龄的推迟已经成为了普遍现象。然而,年龄的增长往往伴随生育率迅速下降。在导致女性生育率下降的众多生理因素中,卵母细胞质量下降是最主要的原因之一。线粒体是对卵母细胞质量影响最关键的细胞器,卵母细胞中线粒体的数量、分布与功能对于后续的胚胎正常发育至关重要。雌性老龄动物的卵母细胞线粒体由于长时期处于氧化应激(oxidativestress)状态,存在一系列异常,这些功能的紊乱直接造成老龄动物卵子发育能力受损。针对卵母细胞线粒体的异常,目前有三种策略进行改善,包括卵胞质注射、线粒体置换以及线粒体移植。其中,线粒体移植是目前改善老龄卵子发育能力的主要的技术方向。通常的线粒体移植多采用体细胞来源的线粒体,虽然易于获得,但移植效果并不理想。而体细胞重编程为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)后,线粒体发生重构,可能与卵母细胞线粒体更加类似。为了解决老龄卵子发育能力差的问题,本研究通过比较老龄鼠与青年鼠卵子以及不同细胞类型之间的线粒体差异,来寻找与卵子线粒体更加接近的线粒体对老龄卵子进行补充。首先,验证了老龄鼠卵母细胞中线粒体存在的系统性异常。通过透射电镜观察、ATP检测、膜电位检测以及mtDNA拷贝数检测,对老龄鼠与青年鼠的卵子进行了比较,观察到老龄小鼠线粒体的结构发生严重损伤,ATP生成量下降,mtDNA拷贝数下降,并且存在糖酵解异常激活的现象。进一步,分别比较了多能细胞、分化体细胞,以及卵子的线粒体特征。先后利用超高分辨率激光共聚焦显微镜观察线粒体形态,透射电镜观察线粒体超微结构,JC-1染色检测线粒体膜电位。此外,对多能细胞、分化体细胞和卵子的线粒体相关基因的表达进行转录组分析。结果显示,线粒体相关基因的表达不仅在不同细胞类型之间差异显著,并且在不同多能性状态iPS细胞之间,存在明显的区别。相比体细胞而言,iPS细胞的线粒体形态、超微结构、膜电位与基因表达模式与卵子线粒体更为接近。而iPS细胞中氨基酸代谢上调、脂肪酸代谢下调,以及相关的线粒体转运的变化与iPS细胞多能性乃至iPS细胞质量密切相关。最后,选取了与卵子线粒体非常类似的iPS细胞的线粒体,通过显微注射移植到老龄小鼠受精卵的胞质中,同时将注射悬浮线粒体的buffer与注射其前体细胞小鼠胎儿成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts,MEF)的线粒体作为对照。结果发现老龄小鼠体外受精(in vitro fertilization,IVF)受精卵注射iPS线粒体后,附值率显著高于注射MEF线粒体和注射buffer组。并且,补充iPS线粒体的E 7.5与E 12.5胎儿发育均正常。另外,对补充了 iPS线粒体的胚胎的ATP与mtDNA拷贝数进行检测,发现补充iPS线粒体的老龄小鼠胚胎糖酵解异常激活的现象得以恢复,且mtDNA拷贝数恢复至青年鼠的水平。综上所述,老龄卵子存在线粒体损伤,iPS细胞线粒体的形态、结构与功能更接近卵子,通过iPS细胞线粒体移植能够有效改善老龄卵子的发育能力。本研究首次通过iPS细胞的线粒体移植改善了老龄鼠卵子发育能力,这为今后利用自体细胞诱导的iPS细胞的线粒体改善高龄妇女或老龄动物的卵子发育能力,提供了重要参考。