多胺調(diào)控動物繁殖的作用及其機制

向 睿 何 琿 康 波 姜冬梅 馬 容 劉 月

(四川農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，雅安 625014)

動物體內(nèi)的多胺主要包括腐胺、亞精胺和精胺，其代謝的穩(wěn)態(tài)受到機體的精密調(diào)控。多胺在細胞增殖過程中是必不可少的物質(zhì)，被認為是一種生長素，在生長旺盛的組織中多胺的含量明顯高于其他組織［1－2］。研究表明，細胞內(nèi)多胺含量降低可抑制細胞的增殖并使細胞停留在G1期;而細胞內(nèi)多胺含量過多，也可使細胞過度增殖誘導癌變［3－4］。在雄性動物中，睪丸中的支持細胞和間質(zhì)細胞能夠合成多胺，而且多胺合成受雄激素的調(diào)控［5］，除此之外，精子的運動能力與精漿中亞精胺和精胺的含量呈正相關［6］。在雌性動物中，多胺合成受卵泡刺激素(FSH)和黃體生成素(LH)的調(diào)控，卵巢中多胺含量減少可導致小鼠卵泡發(fā)育停滯［7］。多胺合成受到抑制時，非洲爪蟾卵母細胞的減數(shù)分裂停滯，進而影響卵母細胞成熟［8］。因此，多胺對動物繁殖具有重要的調(diào)控作用，廣泛參與配子發(fā)生、卵泡發(fā)育和排卵等多個繁殖過程。本文就多胺的生物合成及其調(diào)控動物繁殖的作用機制進行綜述，旨在為多胺調(diào)控動物繁殖的研究提供參考。

1 多胺的生物合成及調(diào)控因素

1.1 多胺的生物合成

生物體內(nèi)多胺主要來源于食物、腸道菌群和體內(nèi)生物合成。多胺體內(nèi)生物合成及其穩(wěn)態(tài)的維持受到機體精密的調(diào)控，在生物體中鳥氨酸途徑是合成多胺的唯一途徑［9－10］。真核細胞中，多胺從L－鳥氨酸轉(zhuǎn)化而來。鳥氨酸脫羧酶(ornithine decarboxylase，ODC)是多胺代謝過程中的第1個限速酶，能催化L－鳥氨酸脫羧生成腐胺，腐胺與去羧基S－腺苷甲硫氨酸(decarboxylated S-adenosylmethionine，SAM)結(jié)合，通過亞精胺合成酶(spermidine synthase，SRM)轉(zhuǎn)移胺丙基生成亞精胺，后者再以類似的方式在精胺合成酶(spermine synthase，SMS)的催化作用下生成精胺［11－12］。近來又發(fā)現(xiàn)誘導型精胺氧化酶(spermine oxidase，SMOX)可直接將精胺轉(zhuǎn)化為亞精胺［13］。多胺在體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持受到多種酶的精確調(diào)控，其中鳥氨酸脫羧酶抗酶(ornithine decarboxylase antizyme，OAZ)和鳥氨酸脫羧酶抗酶抑制因子(antizyme inhibitor，AZIN)是多胺穩(wěn)態(tài)維持的重要調(diào)節(jié)因子。當動物細胞中多胺含量增加時，OAZ基因被誘導翻譯全長的具有生物活性的蛋白質(zhì)，后者可與ODC形成異源二聚體，進而抑制多胺的生物合成，同時抑制細胞膜上多胺轉(zhuǎn)運體的活性，抑制多胺的攝入。當細胞中多胺含量降低時，AZIN分泌增加并競爭性抑制OAZ的活性，同時促進細胞膜上多胺轉(zhuǎn)運體的活性［14］。

1.2 性激素與多胺的生物合成

雄激素可以調(diào)控睪丸支持細胞和間質(zhì)細胞多胺合成［15］。閹割兔的ODC活性顯著降低，并且前列腺中的多胺含量也明顯下降;用睪酮處理閹割兔后發(fā)現(xiàn)，ODC的活性得以恢復。另外，小鼠體內(nèi)ODC基因表達還受FSH和LH的調(diào)控。給摘除垂體的小鼠注射FSH和LH后發(fā)現(xiàn)，ODC基因表達量顯著升高;體外培養(yǎng)小鼠睪丸支持細胞時，加入FSH后發(fā)現(xiàn)，ODC的酶活和表達量均增加，培養(yǎng)液中的精胺和腐胺的含量也顯著升高［16］。另外，ODC的活性還受人絨毛膜促性腺激素(hCG)的調(diào)控，在發(fā)情前期的小鼠卵巢中，hCG能特異性的刺激卵泡膜細胞中的ODC基因表達，并能提高ODC蛋白質(zhì)的活性［17］。ODC蛋白質(zhì)定位在卵泡的特定區(qū)域，腔前卵泡和囊狀卵泡中大量存在，ODC蛋白質(zhì)的分布位置與LH和hCG受體的分布位置相似，用hCG和FSH處理體外培養(yǎng)的顆粒細胞可促進ODC基因的表達［18］。然而，新近的研究發(fā)現(xiàn)，在牛的子宮和卵泡組織中，ODC和AZIN基因的表達不受牛排卵期子宮內(nèi)膜中內(nèi)分泌激素的調(diào)控［19］。由此可見，固醇類激素對多胺代謝酶表達及其生物活性的調(diào)控作用可能存在種間差異，然而其具體原因及其內(nèi)在分子調(diào)控機制仍有待進一步研究闡明。

2 多胺調(diào)控雄性動物的繁殖

2.1 精子發(fā)生

多胺的合成與精子發(fā)生有緊密的聯(lián)系，OAZ是多胺代謝過程中的重要調(diào)控酶，其家族成員包括 OAZ1、OAZ2、OAZ3 和 OAZ4，其中 OAZ3 基因只在精子中大量表達［20－21］。研究發(fā)現(xiàn)，OAZ3基因只在精子生成的后期有大量表達，這種在精子生成過程中集中的、短時間的大量表達，提示OAZ3基因在精子生成后期的突然累積使精子中多胺的含量突然下降，該過程對精子的發(fā)生有至關重要的作用［22］。有研究對這一結(jié)論進行了驗證，動物睪丸中過表達ODC影響精子的生成的原因可能是OAZ3基因在精子生成后期的正常表達不足以抑制過表達的ODC的活性，從而導致了精子生成的異常［23］。用酵母菌雙雜合篩選法研究發(fā)現(xiàn)，OAZ3蛋白質(zhì)能與配子發(fā)育蛋白1(gametogenetin protein-1，GGN-1)相互作用，可能對 GGN-1活性有抑制作用［24］。也有研究表明，OAZ3對精子生成的影響是通過調(diào)節(jié)磷酸酶活性而不是通過調(diào)控多胺的生成途徑來完成的［25］。目前關于OAZ3調(diào)控精子發(fā)生的具體機制還需要進一步研究闡明。除此之外，Rubinstein等［26］研究表明，處于低含量的精胺可誘導獲能的牛精子發(fā)生頂體反應，而較高含量的精胺則具有抑制作用。由此可見，精液中適當含量的多胺既可以防止精子過早的獲能，又可以防止頂體反應過早的發(fā)生。因此，多胺及其代謝因子在精子生成和精子受精能力上均具有重要調(diào)控作用。

2.2 精子活力

多胺是已知最古老的人類前列腺分泌的分泌物，在小鼠和人類的精漿中精胺的含量顯著高于其他組織或體液［27－28］。Calandra 等［29］研究表明，在不育男性精漿中，亞精胺和精胺含量明顯低于正常男性。治療男性少精癥的SAM可增加多胺含量，同時可提高精子的數(shù)量和活力。另據(jù)報道，精子的運動能力與精漿中亞精胺和精胺的含量呈正相關，在弱精癥患者的精液中加入適量的亞精胺或L－精氨酸能夠增加精子的運動能力。精胺具有激活體外培養(yǎng)小鼠和豚鼠輸精管中未激活精子的功能［30］。由此可見，精胺具有前列腺分泌液的部分功能。另外，體外培養(yǎng)大鼠未成熟精細胞時，添加精胺能夠增加精細胞的糖酵解及腺苷酸環(huán)化酶的活性，提示多胺影響精子活力的功能可能是通過調(diào)控精細胞內(nèi)信號傳導和能量代謝來實現(xiàn)的。另有研究表明，山羊高精子活力精液中的多胺含量顯著高于低精子活力精液，這可能是由于多胺具有調(diào)控精子膜蛋白磷酸化的作用，進而使山羊精子的活力顯著升高［31］。然而，有關多胺影響精子活力的具體機制仍有待進一步研究。

3 多胺調(diào)控雌性動物的繁殖

3.1 卵泡發(fā)育

二氟甲基鳥氨酸(difluoromethylornithine，DFMO)是多胺合成過程中的特異性抑制劑，它能與ODC特異性結(jié)合并誘導其泛素化降解，使細胞中的多胺含量降低。研究發(fā)現(xiàn)，給發(fā)育未成熟的小鼠注射DFMO能夠使其卵巢和卵泡發(fā)育停滯［17，32］。注射 DFMO 后，小鼠血液中的孕酮和雌激素的含量顯著降低，卵泡的發(fā)育停滯，甚至出現(xiàn)卵泡凋亡的情況。同時，注射孕馬血清促性腺激素(PMSG)、hCG和DMFO的小鼠血液中的孕酮和雌激素的含量沒有明顯增加，其排卵時間和排卵數(shù)量也沒有明顯提前或增加。由此可見，多胺合成受到抑制時，能夠抵消PMSG和hCG對小鼠的促排卵作用［33］。卵泡組織是繁殖期間生長最快的組織，卵泡細胞中多胺的含量顯著高于其他組織。我們前期的研究發(fā)現(xiàn)，多胺生物合成關鍵酶OAZ1基因在鵝產(chǎn)蛋期卵巢組織中表達量顯著高于產(chǎn)蛋前期，產(chǎn)蛋期鵝卵泡迅速生長并排卵，高表達的OAZ1基因可能通過抑制多胺的生物合成，進而抑制卵泡發(fā)育和成熟，這可能是鵝產(chǎn)蛋性能較低的原因之一［34］。在OAZ1和OAZ2基因組織表達的研究中發(fā)現(xiàn)，在鵝卵巢組織中OAZ1和OAZ2基因都有較高的表達，但OAZ1基因的表達量是OAZ2基因的26.62倍，說明OAZ1在調(diào)控四川白鵝卵泡發(fā)育的過程中起了主導作用［35］。如上所述，卵巢中多胺合成受到性激素的調(diào)控，多胺合成受阻時血液中固醇類激素的含量降低，進而影響卵巢卵泡的發(fā)育。此外，多胺與一些固醇類激素在刺激卵泡發(fā)育過程中可能存在協(xié)同作用，然而其具體機制還未見相關報道。

3.2 卵子發(fā)生及排卵

目前的研究表明，哺乳動物ODC與生殖細胞減數(shù)分裂的啟動有關［36］。排卵前期恢復減數(shù)分裂之后，囊狀卵泡卵母細胞的細胞質(zhì)中ODC的含量增加［17］。更多的關于多胺對卵子發(fā)生的研究集中在兩棲動物。孕酮或hCG能夠促進非洲爪蟾卵泡的成熟，與此同時伴隨著ODC活性的增加。ODC活性的增加發(fā)生在生發(fā)泡破裂第一極體分離的階段，ODC基因表達時間和空間上的特異性暗示了ODC對非洲爪蟾卵母細胞的成熟存在一個因果關系。進一步的研究證實了這一假設，DFMO處理非洲爪蟾卵泡，導致卵母細胞的減數(shù)分裂停滯，進而影響卵母細胞的成熟。Zhou等［8］將ODC干擾表達載體注射到非洲爪蟾的卵母細胞中發(fā)現(xiàn)，卵母細胞在減數(shù)第2次分裂時，細胞中出現(xiàn)了大量的活性氧，誘發(fā)卵母細胞的凋亡。此外，用DMFO處理發(fā)情前的雌性小鼠，小鼠垂體中多胺含量下降，同時血液中LH和催乳素的含量也下降，排卵數(shù)量減少。因此，多胺的代謝過程受到抑制或促進都會對雌性動物卵子發(fā)生、卵泡發(fā)育和排卵等多個生理過程產(chǎn)生重要的影響，進一步的研究應致力于多胺調(diào)控雌性動物繁殖的分子機制方面。

4 小結(jié)

多胺對動物繁殖具有重要的調(diào)控作用。在雄性動物繁殖過程中，多胺參與調(diào)控精子發(fā)生過程，并可影響精子的活力。在雌性動物繁殖過程中，多胺及其代謝酶可參與調(diào)控卵子發(fā)生、卵泡發(fā)育和排卵過程。因此，多胺穩(wěn)態(tài)的維持對動物繁殖具有至關重要的作用。然而，目前有關多胺調(diào)控動物繁殖的研究多停留在其代謝通路受到阻斷或促進時動物繁殖功能的變化方面，而有關多胺調(diào)控動物繁殖的信號傳導途徑以及多胺與性激素之間的交互作用方面還有待進一步研究。

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