豬妊娠期母胎對話的研究進(jìn)展

王佳琪，劉 彥，鄭 琛，馮 濤*

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100097；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院-美國俄克拉荷馬州立大學(xué)動物科學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070)

隨著我國養(yǎng)豬業(yè)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級，繁殖效率在生豬生產(chǎn)中具有越來越重要的意義[1]。批次化生產(chǎn)因其可以提高母豬繁殖效率，在養(yǎng)豬業(yè)中的運(yùn)用也越來越廣泛[2-3]，尤其是非洲豬瘟流行以來，越來越多的場戶選擇批次化生產(chǎn)模式。該生產(chǎn)模式的核心是定時(shí)輸精技術(shù)，即用孕馬血清促性腺激素(pregnant horse serum gonadotropin，PMSG)增加母豬排卵數(shù)，利用促性腺激素釋放激素(gonadotrophin releasing hormone，GnRH)同期排卵，但PMSG的應(yīng)用在增加排卵數(shù)的同時(shí)導(dǎo)致子宮內(nèi)膜容受性下降，使得排卵數(shù)增多的優(yōu)勢未能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)仔數(shù)[4-5]。產(chǎn)仔數(shù)損失的主要原因是由于胚胎未成功附植以及異常發(fā)育造成的妊娠期胚胎死亡[6]，有學(xué)者認(rèn)為在自然狀態(tài)下75%妊娠失敗的主要原因之一是子宮內(nèi)膜容受性不足導(dǎo)致的胚胎著床失敗[7-8]。胚胎著床的基礎(chǔ)是胎兒與母體之間持續(xù)不斷的交流即母胎對話(maternal-fetal dialogue)[9-11]，而異常的母胎對話通常會造成附植失敗[12]。母胎對話是母體子宮為適應(yīng)妊娠過程和為胚胎附植提供理想環(huán)境，以及胚胎為了同步子宮環(huán)境的變化保證附植成功雙方互相交流實(shí)時(shí)建立的一種對話關(guān)系。而豬的胚胎附植是一種在整個(gè)妊娠過程中胚胎都不侵入子宮內(nèi)膜特殊的附植方式，即豬胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞不會與母體供應(yīng)的血液接觸[13-15]。這種特殊的附植方式使得豬妊娠期依賴于信號分子(黏附因子和細(xì)胞因子等)通過旁分泌、自分泌和鄰分泌3種主要信號通路進(jìn)行母胎對話[16]。

本文主要以豬為模式動物通過對胚胎附植前后母體與胎兒間相關(guān)激素、黏附因子、細(xì)胞因子等方面綜述豬母胎對話的內(nèi)容及其調(diào)控途徑，以期為豬母胎對話的研究和產(chǎn)仔數(shù)的提高提供參考依據(jù)。

1 胚胎附植前的母胎對話

胚胎附植的前提條件是妊娠識別，在這一期間母體與胚胎間的對話主要通過生殖激素信號實(shí)現(xiàn)[17]。妊娠識別的激素信號主要包括子宮以及囊胚滋養(yǎng)層合成的雌激素(estrogen)與孕激素(progestogen)，其是母體與胚胎交流和正常妊娠的必要條件[18]。從豬妊娠的第11天開始，囊胚合成并分泌雌二醇(estradiol，E2)以刺激子宮內(nèi)膜腺體細(xì)胞合成前列腺素F2α(prostaglandin F2α，PGF2α)并釋放在子宮腔中[19]。另外母體子宮在第11～13天也會合成釋放雌激素從而調(diào)節(jié)營養(yǎng)和PGF2α進(jìn)入子宮腔，延長黃體周期，促進(jìn)妊娠識別[20]。也有研究證明，E2對于附植前胚胎的發(fā)育和早期黃體維持是非必要的，因子宮內(nèi)膜及子宮肌層也能合成E2，當(dāng)子宮環(huán)境E2不足時(shí)，機(jī)體會以這種合成方式進(jìn)行補(bǔ)償[21-22]。

胚胎的數(shù)量對于母豬維持妊娠也具有重要作用，Polge等[23]研究發(fā)現(xiàn)需要4個(gè)以上的胚胎才能達(dá)到與母體激素相對平衡的狀態(tài)并繼續(xù)妊娠，當(dāng)胚胎數(shù)量不足時(shí)無法對抗黃體的溶解作用，導(dǎo)致妊娠識別失敗和妊娠終止。并且每個(gè)子宮角中必須存在至少兩個(gè)胚胎，才能建立和維持妊娠[15]。所以在胚胎附植前，胚胎已經(jīng)通過激素等信號與母體進(jìn)行對話，保證母體成功進(jìn)行妊娠識別，為其后續(xù)附植提供相應(yīng)的條件。此外，部分基因在豬母胎識別中也具有重要作用，例如整合素(ITG)、連接蛋白(CXs)和白細(xì)胞介素1B(IL1B)等基因可通過調(diào)控識別過程中的重要激素保證識別的正常進(jìn)行[17]。

2 胚胎附植期間及附植后的母胎對話

由于豬胎盤的特殊性在胚胎黏附后并不會侵入子宮且不形成蛻膜，而是子宮腔上皮與胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞部分融合，開始建立母體與胎兒間的聯(lián)系。豬胚胎附植在妊娠后第10～13天開始[24]，在此期間胚胎與母體間通過對話調(diào)整并滿足胚胎附植的條件以此保證妊娠進(jìn)行。胚胎附植期的母胎對話涉及很多附植因子，如激素及其受體、生長因子、細(xì)胞外囊泡等，這些因子共同發(fā)揮作用促進(jìn)胚胎著床(圖1)。

2.1 胚胎附植期間的母胎對話

2.1.1 孕酮及雌二醇對胚胎附植期間母胎對話的影響 胚胎的成功附植離不開胚胎發(fā)育與子宮內(nèi)膜的增殖分化，這兩個(gè)過程都受到母體激素的調(diào)控，主要以E2和孕酮(progesterone，P4)為主。附植期P4可以刺激子宮內(nèi)膜分泌各種物質(zhì)促進(jìn)胚胎發(fā)育和胎盤形成[9]。另外當(dāng)豬胚胎植入時(shí)母體會產(chǎn)生免疫反應(yīng)從而激活子宮內(nèi)膜中的炎癥途徑，子宮內(nèi)膜會進(jìn)一步增加P4分泌誘導(dǎo)子宮內(nèi)膜容受性增加以此響應(yīng)胚胎信號[25]。在豬妊娠期E2在第11～12天附植前期以及第15～25天附植中期出現(xiàn)兩個(gè)分泌高峰，說明子宮內(nèi)附植的胚胎也可以分泌E2[26-27]。

在人上研究發(fā)現(xiàn)，子宮容受性的建立受到卵巢雌激素和孕激素的調(diào)控，雌激素促使子宮內(nèi)膜發(fā)育，孕激素將子宮內(nèi)膜的發(fā)育狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菔軤顟B(tài)使胚胎可以正常附植[28]。雌激素和孕激素的適當(dāng)平衡是調(diào)節(jié)子宮容受性的微妙機(jī)制[29]。另外，雌激素和孕激素可以協(xié)同調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜蛋白的表達(dá)調(diào)控子宮內(nèi)膜容受性[30]。在小鼠上研究證明，過量的P4會造成子宮上皮的細(xì)胞因子水平異常導(dǎo)致胚胎植入失敗[31]，例如下調(diào)子宮白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)的表達(dá)抑制胚胎附植[32]。但E2與P4的協(xié)同作用對子宮內(nèi)膜的調(diào)控作用在豬上報(bào)道較少，有待進(jìn)一步研究。

圖1 豬胚胎附植期母胎對話圖Fig.1 Maternal-fetal dialogue during porcine embryo implantation

2.1.2 PGF2α、PGE2和PGI2對胚胎附植期間母胎對話的影響 前列腺素通過促進(jìn)子宮內(nèi)膜血管的重塑及發(fā)育在胚胎附植中發(fā)揮作用，主要包括前列腺素 E2(prostaglandin E2，PGE2)、前列環(huán)素I2(prostacyclin I2，PGI2)以及PGF2α。PGE2被認(rèn)為是子宮內(nèi)膜中胚胎信號的傳導(dǎo)介質(zhì)[25]，通過介導(dǎo)子宮內(nèi)膜中血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的合成促進(jìn)子宮內(nèi)膜血管的發(fā)育[33]，在附植前后其增加可以刺激PGE2受體(PTGER2)表達(dá)從而增加豬胚胎信號E2的合成和分泌，并通過整合素促進(jìn)滋養(yǎng)層細(xì)胞黏附[24]。PGI2也是胚胎附植期母胎對話的一個(gè)重要內(nèi)容[24]。一方面其在豬妊娠過程中的合成量增加，通過血管擴(kuò)張和抑制血小板聚集促進(jìn)子宮血流增加[34-36]，另一方面在附植期PGI2的合成及其受體PTGIR的表達(dá)可以促進(jìn)豬胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖和黏附[37]。同時(shí)由于PGI2對豬黃體組織中的P4合成分泌具有刺激作用，推測其可能有類似于PGE2和PGF2α維持黃體的作用[38]。

PGF2α由于其有促進(jìn)黃體退化的作用在早期被認(rèn)為是一種不利于妊娠的因素，但在胚胎附植期PGF2α在子宮內(nèi)膜的合成量會增加[39]。有研究發(fā)現(xiàn)，PGF2α通過其在豬妊娠過程中子宮內(nèi)膜上的受體作為胚胎信號促進(jìn)血管生成和調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜重塑及胚胎母體對話相關(guān)基因的表達(dá)，參與妊娠的建立[40]。另外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，PGF2α也會通過誘導(dǎo)豬胚胎滋養(yǎng)細(xì)胞中的基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生改變進(jìn)而影響植入過程[41]。

2.1.3 細(xì)胞因子對胚胎附植期間母胎對話的影響 細(xì)胞因子包括白細(xì)胞介素(interleukins，IL)、干擾素(interferons，IFN)、趨化因子(chemokines)、集落刺激因子和腫瘤壞死因子等，最初認(rèn)為細(xì)胞因子只會影響免疫細(xì)胞[42]，隨后被證明在胚胎附植過程中也發(fā)揮重要作用[43]。

在胚胎附植期間子宮的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這些變化受到生長因子(表皮生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子α、胰島素生長因子、血管內(nèi)皮生長因子等)的調(diào)節(jié)[24]。通常子宮內(nèi)膜組織產(chǎn)生的生長因子會通過自分泌和旁分泌的形式參與妊娠，促進(jìn)胚胎的發(fā)育及子宮上皮組織結(jié)構(gòu)的變化[44-45]。有研究表明，表皮生長因子受體在豬妊娠期間表達(dá)，促進(jìn)子宮內(nèi)膜間質(zhì)細(xì)胞與腺細(xì)胞生成前列腺素，轉(zhuǎn)化生長因子α也參與這一過程[46-47]。血管內(nèi)皮生長因子及其受體存在于子宮內(nèi)膜中，在著床期間表達(dá)升高并參與豬子宮內(nèi)膜血管系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)而調(diào)節(jié)血管通透性[33,48]。也有研究發(fā)現(xiàn)，PGF2α通過與其配體結(jié)合促進(jìn)VEGFA表達(dá)誘導(dǎo)豬子宮內(nèi)膜血管生成與組織重塑[40]。肝素結(jié)合生長因子(heparin-binding epidermal growth factor，HB-EGF)是表皮生長因子家族成員之一，在豬黃體發(fā)育第4天和妊娠第15～22天子宮內(nèi)膜高表達(dá)，其可以協(xié)同激活PI3K-AKT1和ERK1/2MAPK-P90RSK細(xì)胞信號通路刺激豬原代胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞的增殖與遷移，在胚胎附植過程中發(fā)揮作用[44,49-50]。

妊娠的成功建立需要母胎免疫耐受達(dá)到平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)是指母體的免疫系統(tǒng)對于胚胎產(chǎn)生免疫耐受，而胚胎附植過程中胚胎與母體間的免疫因子交流有利于達(dá)到這種平衡狀態(tài)并促進(jìn)胚胎正常附植，參與這一對話的促炎因子包括IL、IFN等[51-52]。白細(xì)胞介素-1(interleukin-1，IL-1)及其信號系統(tǒng)在胚胎附植期表達(dá)[53-54]，除IL-1外豬還存在有IL1β1和IL1β2兩種亞型，具有增加子宮內(nèi)膜容受性和促進(jìn)附植的作用，并且IL1β1可以增加PGE2的合成[55-56]。有研究證明，LIF在豬的胚胎附植啟動階段在子宮內(nèi)膜中表達(dá)上調(diào)，IL-6和LIF可以通過刺激豬胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖和黏附在胚胎附植過程中發(fā)揮作用，但其對子宮內(nèi)膜發(fā)揮作用的機(jī)制目前尚不清楚[57-58,22]。IFN分為I型和II型，已有研究證明在豬胎盤滋養(yǎng)層中的IFN-γ能夠調(diào)控參與子宮內(nèi)膜與滋養(yǎng)層細(xì)胞交流的趨化因子(CCL2、CCL5、CCL11和CXCL12)的表達(dá)[59-60]。

2.1.4 細(xì)胞外囊泡對胚胎附植期間母胎對話的影響 細(xì)胞外囊泡(extracellular vesicle，EVs)是細(xì)胞間交流的有效載體，包括外泌體、凋亡小體及微囊泡等，在人、豬、鼠、牛、羊中均發(fā)現(xiàn)其與早期妊娠相關(guān)，主要通過來源于胚胎、胎盤、子宮內(nèi)膜等的EVs介導(dǎo)母胎對話[15,61]。miRNAs在胚胎附植期間發(fā)揮重要作用，研究發(fā)現(xiàn)豬在妊娠與未妊娠、胚胎著床、胎盤植入和妊娠中期的miRNAs表達(dá)模式都有所不同[62-63]。目前報(bào)道對豬胚胎附植有調(diào)控作用的miRNAs有miR-204、miR-199a-5p、miR-451、miR-199b-5p、miR-181a、miR-181c和miR-125b[64]，而外泌體可以攜帶miRNA和蛋白質(zhì)介導(dǎo)胚胎與母體間的信息交流[62]，Bidarimath等[65-66]研究證明miRNA與蛋白質(zhì)會被子宮內(nèi)膜細(xì)胞包裹經(jīng)外泌體運(yùn)輸至子宮腔液最終到達(dá)滋養(yǎng)層細(xì)胞發(fā)揮調(diào)控胚胎附植作用。但EVs攜帶蛋白質(zhì)在豬胚胎附植過程中介導(dǎo)對話的報(bào)道較少[67]，EVs以何種機(jī)制將特定miRNAs運(yùn)輸至母胎界面的特定細(xì)胞還不清楚[68]。

2.1.5 相關(guān)基因和蛋白質(zhì)對胚胎附植期間母胎對話的影響 與豬胚胎附植過程相關(guān)的基因有HB-EGF、瘦素受體基因(OB-R)等，另外曹永芝[69]研究發(fā)現(xiàn)hmga2基因在胚胎附植期呈現(xiàn)規(guī)律性變化，表明其在這一過程中發(fā)揮一定作用。同時(shí)在胚胎附植過程中豬胚胎在形態(tài)上發(fā)生劇烈變化，成纖維細(xì)胞生長因子4(fgf4)、IL1β2 和IFN能夠通過對胚胎發(fā)育及形態(tài)變化的調(diào)控參與胚胎附植過程[70]。

目前已有研究證明,酪氨酸激酶家族中的促紅細(xì)胞生成素產(chǎn)生肝細(xì)胞激酶(erythropoietin producing hepatocyte kinase，Eph)受體與其結(jié)合配體Ephrin形成的Eph-ephrin系統(tǒng)參與豬的胚胎附植過程，并且控制這一系統(tǒng)的基因參與調(diào)節(jié)胚胎附植期間胚胎對子宮的黏附，EphrinA1是這一系統(tǒng)中重要的配體基因，該基因的表達(dá)可能在豬胚胎附植后期參與基因調(diào)控[71-76]。綜上所述，雖然這一系統(tǒng)及相關(guān)基因已被發(fā)現(xiàn)參與胚胎附植過程，但具體分子調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

在胚胎附植過程中一些蛋白質(zhì)如視黃醇結(jié)合蛋白(retinol binding protein 4，RBP 4)、轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白(transthyretin，TTR)、促動力素1(prokineticin 1，PROK1)等也會參與這一過程。視黃醇結(jié)合蛋白4通過參與子宮內(nèi)膜上皮和間質(zhì)細(xì)胞的增殖、遷移和凋亡進(jìn)而參與母豬胚胎的附植過程[77]。轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白在豬妊娠第12天的子宮內(nèi)膜上表達(dá)量最高，通過對甲狀腺素與視黃醇的轉(zhuǎn)運(yùn)參與胚胎附植過程。促動力素1是一種11-kDa分泌蛋白，表達(dá)受到E2與PGE2的協(xié)同調(diào)節(jié)，有PROKR1和PROKR2兩個(gè)受體，但在子宮內(nèi)膜中PROKR1比PROKR2表達(dá)水平高[78]。PROK1及其受體PROKR1一方面通過增加豬滋養(yǎng)層細(xì)胞中細(xì)胞因子在胚胎粘附和早期胎盤形成期間的表達(dá)從而調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和子宮中促炎環(huán)境參與植入過程，另一方面通過刺激豬原代內(nèi)皮細(xì)胞增殖和毛細(xì)管樣結(jié)構(gòu)的形成影響子宮內(nèi)膜血管生成參與附植過程。另外也會通過增加VEGFA及PGF2α的分泌間接參與附植過程[79-80]。說明PROK1在胚胎附植過程中會通過多途徑促進(jìn)胚胎附植[78]。另外，祁夢凡等[81]通過對妊娠第15天與未妊娠的母豬外周血液中蛋白表達(dá)研究篩選出端粒重復(fù)結(jié)合因子2、結(jié)合珠蛋白、脂聯(lián)素和細(xì)絲蛋白C四種差異蛋白，推測其可作為胚胎附植的潛在標(biāo)志物。

2.1.6 其他 除上述因素外，參與胚胎附植過程的還有黏附因子、醛糖還原酶(aldose reductase，ALDR)、透明質(zhì)酸(HA)等。黏附因子在胚胎附植期間發(fā)揮主要作用的分子是整合素(integrins)，其是細(xì)胞表面受體家族成員之一。母豬子宮內(nèi)膜局部分泌整合素β1不足可能會導(dǎo)致子宮內(nèi)膜功能成熟延遲，內(nèi)膜容受性下降從而導(dǎo)致著床失敗[82]。ALDR會隨著妊娠發(fā)生變化，與妊娠第9天相比，妊娠第12天其表達(dá)量增加9倍左右，ALDR除了抗氧化作用外還可以通過調(diào)控前列腺素參與調(diào)節(jié)子宮容受性和胚胎著床[83]。

HA是一種糖胺聚糖，其存在于胚胎與母體界面處導(dǎo)致子宮內(nèi)膜接受度降低并抑制滋養(yǎng)層與子宮腔內(nèi)上皮的相互作用，HA的清除有利于胚胎附著[84]。HA對于胚胎附著的不利影響在人和其他動物上都已有研究報(bào)道[84-85]，在豬上還需進(jìn)一步研究。另外，有研究發(fā)現(xiàn)在豬的不同妊娠狀態(tài)和時(shí)期子宮內(nèi)膜中的聚糖類型有所不同，在妊娠第12、15天存在有大量中性和酸性聚糖，并且其中與酸性聚糖合成相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶基因的表達(dá)存在顯著差異，表明這種基因?qū)τ谪i的胚胎附植也具有調(diào)控作用[86]。

2.2 胚胎附植后的母胎對話

胎盤是母體和胎兒間交流的平臺，胚胎附植后母體與胎兒之間形成胎盤，并通過胎盤進(jìn)行氣體、營養(yǎng)及代謝物交流[87]。胎兒對養(yǎng)分的需求信號主要通過胎盤營養(yǎng)感應(yīng)和養(yǎng)分分配系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，包括mTOR、AMPK和IIS信號通路等[88]。胎盤通過這些信號通路調(diào)控氨基酸、脂肪和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)的運(yùn)輸，以保證胎兒的正常發(fā)育和母體健康[89]。

3 小 結(jié)

綜上所述，母體與胎兒間的母胎對話通過不同的信號分子、信號通路發(fā)生在整個(gè)妊娠期以保證胎兒的正常發(fā)育。在胚胎附植前胚胎會釋放一定量的雌激素使母體接受到妊娠信號防止黃體溶解造成妊娠失?。慌咛ジ街财陂g子宮容受性與胚胎需同步發(fā)育，母體與胚胎之間通過多種信號因子及信號通路相互調(diào)節(jié)促進(jìn)胚胎成功附植；胚胎附植后母體與胎兒之間通過胎盤開展對話協(xié)調(diào)母體與胎兒間以及各胎兒間的養(yǎng)分分配，保證胎兒的正常發(fā)育。母體與胎兒的對話貫穿整個(gè)妊娠期對于胎兒發(fā)育和母體健康十分重要，母胎對話的內(nèi)容和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，近期發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞外囊泡及其運(yùn)輸miRNAs也介導(dǎo)了妊娠期的母胎對話，這些均需進(jìn)一步研究。豬妊娠期的母胎對話十分重要，如果在妊娠前期出現(xiàn)對話異常會造成胚胎附植失敗，后期則會造成胎兒發(fā)育不良等，從而引起產(chǎn)仔數(shù)下降和經(jīng)濟(jì)效益降低。所以在已有研究的基礎(chǔ)上，如何保證豬妊娠期正常的母胎對話、母胎對話過程的調(diào)控以及相關(guān)機(jī)制是未來研究的方向。