褪黑激素對(duì)動(dòng)物繁殖活動(dòng)的影響及調(diào)控機(jī)理

薛海龍，宋興超，楊鎰峰，陳秀敏，魏海軍

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所吉林省特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130112)

褪黑激素(Melatonin，MT)是反映光照時(shí)間的一種化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)也是調(diào)節(jié)動(dòng)物季節(jié)性繁殖活動(dòng)的一種重要的內(nèi)分泌激素。MT可能是光照調(diào)節(jié)動(dòng)物繁殖活動(dòng)的重要媒介。光照通過MT調(diào)節(jié)動(dòng)物繁殖的過程為：光照信號(hào)通過視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動(dòng)，神經(jīng)沖動(dòng)通過松果體轉(zhuǎn)化為MT，MT調(diào)節(jié)促性腺激素釋放激素(GnRH)的脈沖式釋放，GnRH通過下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)控繁殖活動(dòng)。

1 褪黑激素及其對(duì)動(dòng)物繁殖的影響

1.1 褪黑激素及其受體

褪黑激素是松果體分泌的一種胺類激素，化學(xué)名稱N-乙?；?5-甲氧基色胺，分子式C13N2H16O2，分子量232.27，熔點(diǎn)116℃～118℃。松果體在光控神經(jīng)的控制下，將色氨酸轉(zhuǎn)化成5-羥色氨酸，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成5-羥色胺，再轉(zhuǎn)化成N-乙酰基-5-羥色胺，最后合成褪黑激素，MT的生物合成受光周期的制約。哺乳動(dòng)物已經(jīng)獲得的MT受體分2個(gè)亞型：MT1與MT2。哺乳動(dòng)物MT主要通過MT1的介導(dǎo)發(fā)揮作用，MT2可能由于其基因編碼區(qū)無義突變導(dǎo)致蛋白功能喪失。

1.2 動(dòng)物繁殖的季節(jié)性

根據(jù)動(dòng)物對(duì)不同季節(jié)日照周期長(zhǎng)短的繁殖反應(yīng)差異可以把動(dòng)物大體分為長(zhǎng)日照繁殖動(dòng)物、短日照繁殖動(dòng)物和常年發(fā)情動(dòng)物3類。長(zhǎng)日照繁殖動(dòng)物主要有倉(cāng)鼠和馬等，短日照繁殖動(dòng)物主要有貂、鹿、綿羊和山羊等，常年發(fā)情動(dòng)物包括 Wistar大鼠、豬、牛、人等。褪黑激素對(duì)3類動(dòng)物繁殖活動(dòng)均具有重要影響。

1.3 褪黑激素對(duì)動(dòng)物繁殖活動(dòng)的具體影響

1.3.1對(duì)短日照動(dòng)物繁殖活動(dòng)的影響褪黑激素對(duì)短日照動(dòng)物的繁殖活動(dòng)主要起促進(jìn)作用。①外源MT明顯提高梅花鹿體內(nèi)MT濃度、促卵泡素(FSH)濃度，延長(zhǎng)FSH的作用時(shí)間，推遲FSH峰值的出現(xiàn)，促進(jìn)卵泡發(fā)育；顯著提高了排卵時(shí)促黃體素(LH)的濃度，促進(jìn)了排卵；降低發(fā)情前期體內(nèi)催乳素的濃度，促進(jìn)母鹿撤栓后的發(fā)情；提高了沖胚時(shí)可以觀察到的黃體數(shù)和獲得的胚胎數(shù)[1]。②MT能誘導(dǎo)非繁殖季節(jié)母羊發(fā)情排卵、交配和產(chǎn)羔，進(jìn)一步提高繁殖效率[2]。③MT可促進(jìn)雄性水貂的睪丸發(fā)育[3]。

1.3.2對(duì)長(zhǎng)日照動(dòng)物繁殖活動(dòng)的影響褪黑激素對(duì)長(zhǎng)日照動(dòng)物的繁殖活動(dòng)主要起抑制作用。①長(zhǎng)期使用MT可能誘導(dǎo)倉(cāng)鼠的睪丸退化，進(jìn)而抑制倉(cāng)鼠的繁殖功能[4]。②外源性MT可使公馬的睪酮濃度降低，抑制公馬的繁殖活動(dòng)[4]。

1.3.3對(duì)常年發(fā)情動(dòng)物繁殖活動(dòng)的影響褪黑激素對(duì)常年發(fā)情動(dòng)物繁殖活動(dòng)的影響比較復(fù)雜。①口服MT可以完全克服地方品種青年母豬性成熟的季節(jié)性抑制。②口服MT使青年母豬提前性成熟的作用不受光照時(shí)間的影響。③通過MT濃度變化節(jié)律的調(diào)節(jié)可提高母豬的哺乳性能及繁殖效率[4]。

褪黑激素能影響人類的生殖活動(dòng)依據(jù)是男性精子中存在MT受體，可降低精子的活動(dòng)性；外源MT可提高女性LH自主脈沖分泌的幅度，增強(qiáng)LH和FSH對(duì)GnRH的反應(yīng)性。但MT間接對(duì)人類的生殖活動(dòng)產(chǎn)生影響的主要原因是血清MT水平正常的病人，可能出現(xiàn)性腺機(jī)能減退；長(zhǎng)期高劑量MT不能阻止女性排卵[5]。

2 褪黑激素調(diào)節(jié)動(dòng)物繁殖的作用位點(diǎn)

MT主要作用于下丘腦內(nèi)側(cè)基底部(MBH)區(qū)，從而發(fā)揮其對(duì)動(dòng)物繁殖的光周期調(diào)節(jié)作用，具體依據(jù)如下：①電擊損傷敘利亞倉(cāng)鼠MBH后，短日照對(duì)性腺和促黃體素(LH)的影響消失[6]。②Soay公綿羊MBH注入MT引起了血漿催乳素(PRL)濃度的快速降低，同時(shí)睪丸增大。另外微量MT植入下丘腦乳頭突(PMH)可引起母綿羊LH的釋放，MT可能通過PMH來調(diào)節(jié)母羊繁殖活動(dòng)[7]。另外，MT1在垂體腺結(jié)節(jié)(PT)有豐富的表達(dá)，MT也可能通過直接作用于垂體腺結(jié)節(jié)部[8]。

3 褪黑激素調(diào)節(jié)動(dòng)物繁殖的的途徑

褪黑激素(MT)通過調(diào)節(jié)Kiss1和甲狀腺激素(TH)調(diào)節(jié)促性腺激素釋放激素(GnRH)的釋放調(diào)節(jié)動(dòng)物的繁殖活動(dòng)，即MT通過MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH[8]途徑調(diào)節(jié)動(dòng)物的繁殖活動(dòng)。

3.1 MT-Kiss1-GnRH調(diào)節(jié)途徑

3.1.1Kiss1基因調(diào)控GnRH釋放Kiss1基因最初從人腫瘤抑制基因中分離出來，它編碼1條145個(gè)氨基酸的蛋白，該蛋白經(jīng)過加工產(chǎn)生13個(gè)～54個(gè)氨基酸的生物活性多肽，這些多肽通稱為Kisspeptins，擁有共同的G蛋白耦聯(lián)受體54(GPR54)。GPR54基因突變可引發(fā)促性腺激素分泌不足、性腺機(jī)能減退及性器官發(fā)育異常。

Kiss1可能通過調(diào)節(jié)GnRH分泌影響動(dòng)物的繁殖活動(dòng)，依據(jù)如下：①Kisspeptin神經(jīng)纖維末梢連接或緊密毗鄰GnRH神經(jīng)元[9]。②GnRH神經(jīng)元中存在Kiss1受體GPR54[10]。③對(duì)綿羊腦室內(nèi)注射kisspeptin導(dǎo)致GnRH大量釋放入腦脊液中，同時(shí)血液LH水平同步升高，并且Kisspeptin是通過受體GPR54唯一直接作用于GnRH神經(jīng)元[11]。

3.1.2MT調(diào)控Kiss1基因不同繁殖季節(jié)Kiss1基因表達(dá)受到MT介導(dǎo)的光周期控制。①M(fèi)T受體和Kiss1共同表達(dá)于下丘腦基底部(弓狀核尾部)[12]。②短日照條件下，MT直接作用于敘利亞倉(cāng)鼠下丘腦弓狀核來抑制Kiss1基因表達(dá)，表明Kiss1神經(jīng)元介導(dǎo)了MT對(duì)敘利亞倉(cāng)鼠促性腺激素的作用[12]。③把母綿羊從長(zhǎng)日照(16L/8D)轉(zhuǎn)換到短日照(8L/16D)時(shí)，其下丘腦視前區(qū)和弓狀核尾部Kisspeptin表達(dá)量均增加，從而導(dǎo)致GnRH釋放，綿羊進(jìn)入繁殖季節(jié)。

3.2 MT-TH-GnRH調(diào)節(jié)途徑

3.2.1TH調(diào)控GnRH釋放TH可能通過調(diào)節(jié)GnRH釋放實(shí)現(xiàn)對(duì)性腺系統(tǒng)的季節(jié)性調(diào)控，依據(jù)如下：①綿羊甲狀腺激素受體α與47%的GnRH神經(jīng)元共表達(dá)于MBH；敘利亞倉(cāng)鼠GnRH與TH受體α也存在共表達(dá)現(xiàn)象。②下丘腦MBH中腦室膜細(xì)胞突起與GnRH神經(jīng)元突觸相互作用形成包繞結(jié)構(gòu)，TH能夠作用于該結(jié)構(gòu)從而調(diào)控GnRH的分泌[14]。腦室膜細(xì)胞是一類神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，其細(xì)胞突起可作為膠質(zhì)囊包繞GnRH神經(jīng)末梢[13]。而該包繞結(jié)構(gòu)的松緊變化受光照信號(hào)的調(diào)控[13，14]，也就促成了GnRH的不同分泌方式。三碘甲腺原氨酸(T3)正是通過影響這一包繞結(jié)構(gòu)來介導(dǎo)光周期對(duì)GnRH釋放的季節(jié)性調(diào)節(jié)作用[14]。

3.2.2MT調(diào)節(jié)THMT通過調(diào)節(jié)II型脫碘酶(DIO2)和III型脫碘酶(DIO3)調(diào)節(jié)甲狀腺激素。DIO2催化四碘甲腺原氨酸(T4)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚愿鼜?qiáng)的三碘甲腺原氨酸(T3)；而DIO3則催化T4轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性的反T3，同時(shí)把T3轉(zhuǎn)換為無活性的T2。DIO2和DIO3這2種酶的比率調(diào)節(jié)著下丘腦中T3和T4濃度的相對(duì)平衡。

光照通過MT調(diào)節(jié)DIO2/DIO3：①多數(shù)動(dòng)物在長(zhǎng)日照時(shí)DIO2基因表達(dá)上調(diào)，T3濃度增加；而短日照時(shí)DIO2基因表達(dá)下調(diào)，隨之T3也減少。②成年西伯利亞倉(cāng)鼠短日照時(shí)DIO3基因的表達(dá)上調(diào)，T3濃度降低，DIO2表達(dá)不受光周期變化影響[7]。

4 結(jié)語

近年來針對(duì)光照通過MT影響動(dòng)物繁殖活動(dòng)的生理途徑研究取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于MT對(duì)動(dòng)物繁殖的影響與作用機(jī)理仍有許多問題有待研究，具體如下：①M(fèi)T對(duì)季節(jié)性繁殖動(dòng)物的影響具有明顯的規(guī)律性，但對(duì)常年發(fā)情動(dòng)物的影響規(guī)律如何？②MT調(diào)節(jié)繁殖活動(dòng)的主要作用位點(diǎn)是下丘腦內(nèi)側(cè)基底部(MBH)，是否還存在其他的調(diào)節(jié)位點(diǎn)？③MT通過MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH[7]途徑調(diào)節(jié)動(dòng)物的繁殖活動(dòng)，這兩條調(diào)節(jié)途徑之間是否存在聯(lián)系？④是否存在MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH外的調(diào)節(jié)途徑？

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