作者：朱青，宋佳，唐淮云等，江苏省连云港市妇幼保健院生殖医学科

雌性生殖能力的维持依赖于卵泡有序发育、卵母细胞正常成熟及胚胎成功植入等一系列精密协调的生物学过程。其中，卵母细胞质量与胚胎发育潜能及其调控机制是生殖医学领域的热点。近年溶酶体蛋白酶家族的核心成员组织蛋白酶L（cathepsin L，CTSL）因在生殖调控中的多重功能而备受关注，其通过降解细胞外基质、信号转导、影响线粒体功能[1]、调控自噬[2]、介导表观遗传重编程[3]等多种机制，参与原始卵泡激活[4]、排卵[5]、卵母细胞衰老[6]、胚胎发育[7-10]等连续生殖事件[11]。现综述CTSL在生殖生物学中的最新研究进展，阐明其多维调控网络，并探讨其作为新型生物标志物与治疗靶点在优化辅助生殖技术中的临床转化潜力。

1 CTSL在卵母细胞发育中的作用

1.1 CTSL的分子特性与功能多样性组织蛋白酶是广泛存在于动物体内的溶酶体蛋白酶，可催化多种底物蛋白的特异性水解[12]，在细胞内蛋白质周转中发挥核心作用。根据活性位点氨基酸的不同，组织蛋白酶主要分为天冬氨酸蛋白酶（如组织蛋白酶D和E）、半胱氨酸蛋白酶（如组织蛋白酶B、C、F、HK、L、S、V、W、X/Z）和丝氨酸蛋白酶（如组织蛋白酶A和G）[7,13]。多数组织蛋白酶大小约为30 ku，由二硫键连接的重链和轻链组成，具有相似的结构域：信号肽、前肽和催化结构域[11]。前肽在中性pH值下抑制酶活性；而在溶酶体的酸性环境中，前肽被切除，酶原转化为具有催化活性的成熟蛋白酶[13]。

CTSL属于半胱氨酸蛋白酶中的木瓜蛋白酶样家族，具有典型的催化三联体（Cys-His-Asn）及保守结构域（GCXGG）。CTSL基因定位于人类染色体9q21.33，编码包含333个氨基酸的蛋白质（分子质量约37.6 ku）。值得注意的是，CTSL在物种间存在差异：小鼠仅存在1种CTSL同种型，而人类则存在CTSL1（即CTSL）和CTSL2（又称组织蛋白酶Ⅴ）两种高度同源的同种型（氨基酸序列同一性约75%）[14-15]。CTSL广泛分布于多种组织，包括生殖器官（如卵巢和睾丸）。其生理和病理功能多样，涉及细胞周期调控、增殖、侵袭、免疫应答[16]、自噬[2]、凋亡[15]、癌症[3,17]、衰老[6,14]、组织分化、变态发育、生殖以及胚胎发育[7]等。这种功能多样性源于其广泛的底物特异性、不同的亚细胞定位（不局限于溶酶体）以及复杂的调控网络。

1.2 CTSL在原始卵泡激活中的作用雌性哺乳动物的生殖功能依赖于卵泡的周期性发育。原始卵泡由停滞在减数第一次分裂双线期的静息卵母细胞及其周围单层扁平的前体颗粒细胞构成。成熟卵母细胞的产生始于原始卵泡的周期性激活。激活的原始卵泡逐步发育为初级卵泡和次级卵泡，最终部分卵泡在卵泡刺激素（follicle-stimulatinghormone，FSH）和黄体生成素（luteinizing hormone，LH）的刺激下完成排卵。在生理状态下，成年小鼠卵巢中排卵卵泡附近（约40μm范围内）的原始卵泡较更远的原始卵泡优先激活[4]。基于小鼠模型的空间转录组分析表明，排卵过程显著改变该卵泡周围细胞外基质（extracellular matrix，ECM）组分[4]。CTSL通过介导ECM降解减轻原始卵泡周围的机械应力，解除对磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/叉头框蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FOXO3a）通路的抑制，以距离依赖方式启动邻近原始卵泡的激活[4]。因此，距离排卵卵泡更近的原始卵泡因CTSL可降解ECM减轻机械应力以及解除对PI3K/Akt/FOXO3a通路的抑制而更有可能优先被激活。

1.3 CTSL与卵母细胞成熟雌性生殖细胞在胚胎发育过程中开始第一次减数分裂，并在第一次减数分裂中期（MⅠ期）前的双线期停止。性成熟后，动物发情期间或女性月经周期中垂体分泌的LH峰促使部分停滞的卵母细胞恢复减数分裂。窦卵泡中的卵母细胞含有1个被核膜包裹的核，称为生发泡。LH峰出现时，卵母细胞经历染色质浓缩和生发泡破裂。生发泡破裂后，卵母细胞进入MⅠ期，随后排出第一极体（first polar body，PB1），完成第一次减数分裂。卵母细胞随后开始第二次减数分裂，并在第二次减数分裂中期（MⅡ期）停止，等待受精[18]。有研究使用牛卵母细胞体外成熟培养系统，发现MⅡ期卵母细胞CTSL活性显著高于生发泡和MⅠ期卵母细胞；抑制CTSL会阻碍生发泡破裂和MⅡ转换，导致减数分裂异常；高质量卵母细胞（如形态良好的卵丘-卵母细胞复合体）CTSL活性显著高于低质量卵母细胞。此外，热应激可通过降低CTSL活性损害牛卵母细胞成熟，而外源性补充重组CTSL能恢复其发育能力[7]。对非哺乳动物（爪蟾、鱼类、昆虫、线虫、河虾）的研究发现，CTSL参与卵巢发育、卵黄蛋白的加工和利用[10,19]。有学者利用RNA干扰技术沉默亚洲柑橘木虱CTSL导致卵黄蛋白原（vitellogenin，Vg）基因表达下调、卵巢发育异常及成熟卵母细胞减少[8]。通过纳米载体介导的RNA干扰敲低亚洲玉米螟的CTSL可显著抑制幼虫蜕皮、化蛹，并降低产卵能力[20]。但CTSL在哺乳动物卵母细胞成熟中的作用机制尚未明确。

1.4 CTSL在成熟卵母细胞排卵中的作用排卵是指成熟卵母细胞从卵泡中释放的过程，由垂体LH峰启动，涉及排卵前卵泡顶端的组织降解和ECM重塑（如胶原蛋白Ⅰ/Ⅳ型、弹性蛋白、纤连蛋白），最终导致卵巢外缘的卵泡破裂和成熟卵母细胞的释放[4]。孕激素受体（progesterone receptor，PR）是一种核受体转录因子。研究表明，PR在LH峰刺激下于排卵前卵泡的颗粒细胞中被诱导表达，对排卵至关重要。CTSL是PR的关键转录靶点之一[21]，在排卵前颗粒细胞中特异性高表达（FSH可诱导生长中的卵泡颗粒细胞持续表达CTSL）。CTSL的蛋白水解活性直接介导卵泡壁ECM成分的降解，是促进卵泡破裂和卵母细胞释放的关键效应分子。CTSL的表达定位存在物种差异性。在小鼠卵巢中，CTSL表达于LH峰后排卵前卵泡的颗粒细胞，且此表达在PR基因敲除小鼠中缺失[22]；在大鼠卵巢中，CTSL在排卵卵泡的卵泡膜细胞及闭锁小卵泡中高表达[22]；在青鳉鱼模型中，CTSL表达定位于生长卵泡的卵母细胞胞质以及排卵前、后卵泡的卵泡层，活性CTSL在排卵期卵泡层和排卵后2~6 h的卵巢中高度富集。CTSL的具体功能亦存在物种特异性。在青鳉鱼中，E-64（半胱氨酸蛋白酶抑制剂）和抗CTSL抗体处理并不影响体外排卵，表明CTSL不参与青鳉鱼的排卵过程，而是通过激活尿激酶型纤溶酶原激活物1触发下游蛋白水解级联反应，促进排卵后卵泡的清除[5]。

尽管CTSL在排卵中的确切机制尚未完全明确，其在小鼠和大鼠多个发育阶段卵泡中的差异表达提示了CTSL可能在不同类型的卵泡中发挥不同功能：在排卵期卵泡中参与ECM重塑；在闭锁卵泡中可能作为颗粒细胞内的关键溶酶体酶执行清除功能。

1.5 CTSL与卵母细胞衰老女性生殖衰老以卵母细胞质量下降和卵巢储备减少为特征，伴随线粒体功能障碍[23]、活性氧（reactive oxygen species，ROS）过量积累[24]、自噬功能障碍[25]、炎症和纤维化。在生殖衰老过程中，卵母细胞蛋白质翻译后修饰，特别是N-糖基化至关重要。N-糖基化是一种最常见的蛋白质翻译后修饰形式，是在糖基转移酶的作用下，将寡糖链共价连接到蛋白质特定的天冬酰胺残基上。适当的N-糖基化对卵母细胞成熟和雌性生殖功能不可或缺。衰老卵母细胞中N-糖基化修饰的CTSL水平显著升高，并富集于卵母细胞透明带[6]。这种糖基化修饰的CTSL（特别是N221位点糖基化）通过破坏线粒体功能、增加ROS积累和氧化应激、抑制自噬-溶酶体通路、干扰纺锤体组装和染色体排列损害卵母细胞质量，最终降低卵母细胞成熟率，加速卵巢功能衰退[6]。该位点突变后，CTSL对卵母细胞的负面作用消失[6]。在衰老的人内皮细胞和血管平滑肌细胞中，CTSL通过其蛋白酶活性间接激活转录因子CUX1（CUT-like homeobox 1），CUX1与细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子2A/B（cyclindependent kinase inhibitor 2A/B，CDKN2A/B）位点上功能基因的单核苷酸多态性位点rs1537371结合，上调细胞周期抑制蛋白p16INK4a的表达，诱导细胞衰老[26]。

值得注意的是，有研究发现在人和小鼠的多种组织（如内皮细胞）中，CTSL的水平或活性随着年龄的增长而降低[27]。例如，小鼠衰老内皮细胞中CTSL降低可导致乙醛脱氢酶1家族成员A2（aldehydedehydrogenase 1 family member A2，ALDH1A2）表达增强，进而激活Akt/细胞外信号调节激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2） CDKN1A（又称p21）通路，促进衰老[14]。这些看似矛盾的研究结果提示，CTSL在衰老中的作用具有显著的组织特异性和复杂性。这种组织特异性可能源于：①生殖细胞与体细胞中CTSL底物谱差异；②卵母细胞独特的高糖基化修饰倾向；③卵巢微环境中ROS对CTSL活性的“双向调节”。CTSL的主要调节因子FOXO3a也参与调控衰老过程。因此，CTSL在生殖系统（尤其是卵母细胞）衰老中的确切作用、调控网络及其与其他组织中表现的差异，仍是未来研究的重点。

2 CTSL在哺乳动物早期胚胎发育中的作用

哺乳动物早期胚胎发育是一个复杂的过程，以胚胎植入子宫为界分为两个主要阶段。植入前胚胎大部分时间在生殖道中自由游动，同时进行细胞分裂，依次经历2-细胞、4-细胞、8-细胞和桑葚胚阶段。受精后初期，合子基因组处于沉默状态，早期胚胎发育依赖于卵母细胞内积累的物质。随着卵裂进行，母体mRNA和蛋白质逐渐被清除，合子基因组激活，这一过程称为母源-合子转变（maternal-tozygotic transition），是胚胎发育的关键节点之一。随后，胚胎经历第一次分化并形成具有囊胚腔的囊胚。囊胚腔周围的细胞分化为滋养外胚层，而囊胚腔一端的细胞形成内细胞团。内细胞团进一步分化成上胚层和下胚层，最终发育成胎儿结构[28]。研究发现，CTSL在调节早期胚胎发育方面起着关键作用[7]。

在牛胚胎体外培养模型中，胚胎发育早期（2-细胞至囊胚期）CTSL活性逐步升高，囊胚期后下降[7]。热应激可降低CTSL活性并损害胚胎质量，而补充重组CTSL可部分逆转此效应[7]。乳铁蛋白特异性地抑制CTSL活性导致胚胎分裂延迟及囊胚质量下降；相反，补充重组CTSL加速胚胎发育、提高孵化率并缓解热应激损伤[7]。此外，优质牛胚胎分泌的CTSL具有胚胎营养作用[9]。在单个胚胎培养系统中补充CTSL可显著改善囊胚发育和质量（提高囊胚形成率、孵化率，降低凋亡）[9]。这提示CTSL可能是胚胎自分泌/旁分泌的重要信号分子，其分泌调控机制值得进一步研究。

目前研究提示以下几种潜在机制可能解释CTSL在早期胚胎发育中的关键作用。①自噬调控：CTSL在多种细胞类型中参与诱导自噬。鉴于自噬在维持卵母细胞减数分裂及胚胎发育（尤其在应激条件下）中的关键作用，CTSL可能通过调控自噬通路影响生殖细胞发育[2,29]。②代谢网络调控：胚胎发育期间细胞严重依赖糖酵解供能。CTSL通过调控乳酸脱氢酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）的蛋白稳定性和转录活性，影响糖酵解代谢网络。

CTSL缺失导致糖酵解相关蛋白（如LDHA、己糖激酶2、肝型磷酸果糖激酶）表达上调，糖酵解代谢增强、乳酸分泌增加、线粒体呼吸受抑制。机制上，CTSL可直接降解LDHA蛋白，并间接调控低氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）转录活性以维持代谢稳态；而抑制CTSL活性可通过溶酶体途径快速增加LDHA蛋白水平，其CTSL长期缺失导致HIF-1αmRNA表达上调，进而促进LDHA转录[30]。③蛋白质代谢与表观遗传重编程：CTSL通过切割组蛋白H3，直接改变染色质结构，从而调控基因表达和细胞代谢[3]。CTSL介导受精后父源组蛋白的清除，此过程是胚胎卵裂启动的必要条件[31]。干扰CTSL功能将阻断组蛋白降解，导致早期胚胎发育异常。其机制可能涉及：①降解精子组蛋白，参与表观遗传重编程；②调控DNA复制许可因子；③维持纺锤体组装完整性[31]。

3结语与展望

CTSL作为多功能溶酶体蛋白酶在雌性生殖轴中发挥核心作用，贯穿卵泡激活、排卵、卵母细胞成熟与衰老、早期胚胎发育等连续事件。其作用机制远超简单的蛋白降解，涉及信号转导（PI3K/Akt/FOXO3a）、自噬调控、代谢重编程（糖酵解）、表观遗传修饰（父源组蛋白清除）以及ECM重塑等多个层面，影响生殖细胞和胚胎的发育。未来研究应聚焦于3个方向：一是阐明CTSL在卵母细胞和早期胚胎中的时空特异性调控机制，特别是其翻译后修饰与活性调控网络；二是解析CTSL在生殖衰老中组织特异性表达的作用机制；三是推动CTSL的临床转化，开发其作为卵母细胞质量与胚胎发育潜能生物标志物的应用价值，并探索以其为靶点干预生殖衰老或改善辅助生殖结的可行策略。这些研究将为实现CTSL在辅助生殖技术中的临床应用提供重要理论基础。

参考文献略。

来源：朱青,宋佳,唐淮云.组织蛋白酶L在卵母细胞和早期胚胎发育中的作用[J].国际生殖健康/计划生育杂志,2026,45(01):49-53.