PI3K/Akt信號通路與畜禽繁殖關(guān)系的研究進展

張 蕾，章敬旗，張 泰，王 健

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院，江蘇 泰州 225300)

近年來，隨著我國畜牧業(yè)向集約化、產(chǎn)業(yè)化方向的快速發(fā)展，養(yǎng)殖技術(shù)日趨成熟，畜牧業(yè)的生產(chǎn)力得到極大的提升。但動物的生產(chǎn)力受飼料營養(yǎng)、品種、環(huán)境、氣候等諸多因素的影響，其中動物的繁殖能力對進一步解放畜禽生產(chǎn)力仍起著至關(guān)重要的作用。目前，分子生物學技術(shù)已在動物繁殖研究中廣泛應(yīng)用，研究人員從分子水平解析了動物繁殖能力存在差異的機制。研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt信號通路對細胞具有重要的生物學作用，可廣泛地調(diào)控細胞生長、增殖、凋亡和細胞周期等生命過程[1]。此外，PI3K/Akt信號通路還是精子發(fā)生和卵泡發(fā)育的重要調(diào)控環(huán)節(jié)。在畜禽生產(chǎn)中，畜禽繁殖性能的瓶頸主要在于母畜/禽，母畜/禽的繁殖性能不僅關(guān)乎群體繁育，且直接影響生產(chǎn)性能。本文就PI3K/Akt相關(guān)信號通路的主要組成及其與畜禽繁殖(特別是母畜/禽的卵巢發(fā)育)相關(guān)調(diào)控作用的研究作相關(guān)綜述，以期從分子機制上為提高動物繁殖力提供新的視角。

1 PI3K/Akt信號通路的信息傳導

磷脂酰肌醇-3-羥激酶(Phosphatidylinositol 3-hydroxy Kinase, PI3K)是一類由調(diào)節(jié)亞基p85和催化亞基p110構(gòu)成的、同時具有絲氨酸(Serine, Ser)/蘇氨酸(Threonine, Thr)激酶和磷脂酰肌醇激酶活性的異二聚體；蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)是一種Ser/Thr激酶。PI3K/Akt途徑激活過程中，PI3K被細胞膜上的跨膜糖蛋白酪氨酸激酶(Tyrosine kinase, RTK)或Ras蛋白等活化，然后直接作用并激活靶基因Akt[2-3]，Akt活化后激活或抑制下游靶蛋白，進而調(diào)控多種細胞外基質(zhì)和細胞因子等信號轉(zhuǎn)導。RTK與細胞外的配體結(jié)合后，其自身酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化并募集PI3K的調(diào)節(jié)亞基p85、激活催化亞基p110[1]。被活化的PI3K分別將磷脂酰肌醇磷酸(phosphotidylinositol-4-bisphosphate, PIP)和磷脂酰肌醇二磷酸(phosphotidylinositol-4,5-bisphosphate, PIP2)肌醇環(huán)上的羥基磷酸化，在膜上生成PIP2和磷脂酰肌醇三磷酸(phosphotidylinositol-3,4,5-bisphosphate, PIP3)。PIP3是傳遞PI3K信號的主要信號分子，可直接通過與Akt的PH結(jié)構(gòu)域互相作用，促使Akt從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到細胞膜上，并發(fā)生構(gòu)象改變，從而激活A(yù)kt蛋白[4]。此外，在Akt活化過程中，除自身位于PH結(jié)構(gòu)域的Ser473位點和位于羧基末端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域的Thr308位點2個位點外，還需要3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(3-phosphoinositidedependentproteinkinase1, PDK1)。PDK1是一種含有一個C-末端的PH結(jié)構(gòu)域的Thr/Ser激酶，與PIP3具有高親活性，可以被PIP3激活轉(zhuǎn)位到膜上，并將Akt的Thr308殘基磷酸化[5]，PDK1還可以將Akt的Ser473殘基磷酸化[6]，只有Thr308和Ser473這兩個位點同時磷酸化后，Akt才能充分活化[7]。因此，PI3K可以直接或通過PDK1間接激活A(yù)kt，從而完成PI3K/Akt間的信號傳導。

2 PI3K/Akt信號通路與精子生成

精子發(fā)生過程包括精原干細胞的增殖分化、精母細胞的減數(shù)分裂和精子形成。支持細胞(sertoli cells, SCs)是位于曲細精管中的體細胞，為生精細胞提供結(jié)構(gòu)支撐，產(chǎn)生血睪屏障，參與生殖細胞運動和精子的排出，為生殖細胞分泌各種營養(yǎng)因子等，在精子發(fā)生過程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[8]。

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)是一種保守的Ser/Thr激酶，可直接被活化的Akt磷酸化，進而完成對胞內(nèi)外信號刺激的應(yīng)答。很多研究證實，PI3K/Akt/mTOR信號通路活躍地參與精子發(fā)生過程。mTOR磷酸化蛋白p-mTOR可激活下游信號分子p70S6K，促進精原干細胞增殖分化過程中蛋白質(zhì)的合成[9]，抑制mTOR通路后可阻斷精原細胞分化[2]。Sahin等[10]的研究顯示，在精原干細胞和精母細胞中都監(jiān)測到mTOR、p70S6K及相應(yīng)磷酸化蛋白(p-mTOR和p-p70S6K)的表達。此外，PI3K/Akt/mTOR途徑還是調(diào)控睪丸支持細胞增殖、分化的一個主要信號通路。卵泡刺激素(follicle-stimulating hormone, FSH)處理睪丸支持細胞后，p-Akt、p-mTOR和p-p70S6K蛋白水平增加，激活PI3K/Akt/mTOR信號通路，促進支持細胞的增殖分化[11]。

在畜禽中，對豬未成熟支持細胞PI3K/Akt信號通路的研究較為廣泛。740Y-P激活劑可以活化PI3K/Akt信號通路，顯著促進豬未成熟SCs周期進程、增強細胞增殖[12]；LY294002抑制劑可抑制PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導活性，顯著抑制未成熟SCs的增殖并促進其凋亡[13]。PI3K/Akt信號通路的上游基因也可直接或間接激活通路，提高p-PI3K和p-Akt表達水平，促進SCs由G1期向S/G2期轉(zhuǎn)換，從而促進SCs增殖。如，miRNA-191靶向抑制BDNF基因，通過促進PI3K和Akt磷酸化水平激活PI3K/Akt信號通路進而促進豬未成熟支持細胞的細胞周期由G1期進入S/G2期，增強細胞增殖并抑制其凋亡[14]；miR-499靶向PTEN基因通過激活PI3K/Akt信號通路促進豬未成熟支持細胞增殖而抑制其凋亡[13]。此外，激素或毒素類化合物也能通過PI3K/Akt途徑影響SCs的增殖或凋亡。17β雌二醇通過GPR30、SRC激活PI3K/Akt增強skp2的蛋白和mRNA水平及CyclinD1和CyclinE1的mRNA水平，促進SCs由G1期向S期轉(zhuǎn)換，進而調(diào)控SCs的增殖[15]；甲狀腺激素通過抑制PII3K/Akt途徑而抑制睪丸SCs的增殖[16]；加味天雄散能夠顯著提高大鼠生精細胞內(nèi)PI3K/Akt/mTOR通路PI3K、Akt、mTOR和p70S6K的磷酸化水平，從而促進生精細胞增殖分化，提高小鼠精子數(shù)量[17]；活化PI3K/Akt/mTOR信號通路可緩解由玉米赤霉烯酮引發(fā)的大鼠睪丸SCs的周期阻滯[18]。

3 PI3K/Akt信號通路與卵細胞發(fā)育

RNA-Seq技術(shù)為研究基因遺傳圖譜提供了重要的技術(shù)支撐，推動了畜禽繁殖性能相關(guān)基因的挖掘，為研究基因功能和通路的生物信息學分析提供可靠數(shù)據(jù)。諸多有關(guān)RNA-Seq的研究顯示，PI3K/Akt信號通路是卵巢發(fā)育相關(guān)基因富集通路。Hao等[19]對牛顯性卵泡和次級生長卵泡階段的卵泡顆粒細胞分別進行了轉(zhuǎn)錄組測序，生物信息學分析顯示PI3K/Akt、雌激素和胰島素等信號通路與卵泡發(fā)育相關(guān)。黃利華[20]比較了高產(chǎn)和低產(chǎn)白羽番鴨卵巢組織的轉(zhuǎn)錄組差異表達基因，發(fā)現(xiàn)這些差異基因主要涉及吞噬體(Phagosome)、肌動蛋白細胞骨架調(diào)節(jié)(Regulation of actin cytoskeleton)、癌癥蛋白多糖通路(Proteoglycans in cancer)、Rap1信號通路(Rap1 signaling pathway)、細胞黏附分子(Cell adhesion molecules)和PI3K-Akt信號通路(PI3K-Akt signaling pathway)6個信號通路，其中POSTN、COL4A1和SDC4等參與的PI3K/Akt信號通路，與動物繁殖和卵巢發(fā)育關(guān)系密切。張杉杉[21]在黑番鴨中也發(fā)現(xiàn)與動物生殖相關(guān)的基因TGFB2、EFNA5、FGF18、SMOC1和POSTN主要富集在PI3K/Akt信號通路。Bao等[22]在高產(chǎn)蛋和低產(chǎn)蛋的番鴨卵巢的轉(zhuǎn)錄組分析中也發(fā)現(xiàn)，差異表達基因在PI3K/Akt信號通路和卵巢類固醇生成的富集最豐富。此外，Mishra等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與產(chǎn)蛋率相關(guān)的差異表達基因主要富集在調(diào)節(jié)蛋雞下丘腦-垂體-卵巢軸的PI3K/Akt信號通路。

3.1 PI3K/Akt信號通路與卵泡發(fā)育

在卵巢發(fā)育過程中，PI3K/Akt信號通路的激活發(fā)揮至關(guān)重要的作用。PI3K/Akt/mTOR通路關(guān)鍵激活因子PDK1、AKT1、mTOR和抑制因子PTEN、TSC1、TSC2在不同時期豬卵巢中的表達水平不同，參與調(diào)控卵泡的早期發(fā)生和成熟，其下游基因p-rpS6作為促進蛋白質(zhì)翻譯及核糖體生物合成的效應(yīng)因子參與卵泡發(fā)生的生物過程[24]。Tomek等[25]在分析牛卵母細胞減數(shù)分裂過程中發(fā)現(xiàn)，AktThr308和AktSer473兩個位點磷酸化水平在第1次減數(shù)分裂中期(Metaphase I, MI)磷酸化水平達到峰值，在生發(fā)泡期和第2次減數(shù)分裂中期(Metaphase II, MII)的磷酸化水平較低，表明Akt參與了牛卵母細胞減數(shù)分裂過程中MI/MII的轉(zhuǎn)變。Kalous等[26]在豬卵母細胞中也發(fā)現(xiàn)Akt活性在減數(shù)分裂MI/MII期發(fā)揮重要作用。Song等[27]發(fā)現(xiàn)抑制細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(the extracellular signal-regulated kinase, ERK)活性可負調(diào)控PI3K/Akt信號通路，提高豬卵母細胞成熟率。此外，生殖相關(guān)激素也可通過提高Akt磷酸化水平來激活PI3K/Akt信號通路。在豬卵母細胞體外成熟培養(yǎng)基中添加10 ng/mL表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF)可以顯著提高p-Akt Thr308磷酸化水平，并進一步提高卵母細胞成熟率和孤雌激活胚胎發(fā)育的能力，成熟培養(yǎng)基中添加10 μM的PS48同樣可以提高卵母細胞的成熟率。相反，在成熟培養(yǎng)基中添加50 μM抑制劑LY294002，可以抑制卵母細胞的成熟，以及減少囊胚細胞數(shù)[28]。促黃體生成素(LH)可以提高山羊卵泡膜細胞Akt磷酸化水平，激活PI3K/Akt信號通路，促進刺激雄性激素生物合成的基因表達，誘導雄性激素生成[29]。胰島素樣生長因子1(IGF-1)經(jīng)1型IGF酪氨酸激酶受體介導，使Akt磷酸化，激活PI3K/Akt信號通路，促進綿羊原始卵泡激活、顆粒細胞增殖，而PI3K失活則會抑制原始卵泡的生長[30]。

3.2 PI3K/Akt信號通路與顆粒細胞增殖分化

PI3K/Akt信號通路是細胞增殖和凋亡最主要的信號傳導途徑之一，與卵泡顆粒細胞的增殖分化、黃體的形成和卵母細胞成熟密切相關(guān)。Wortmannin是一種PI3K抑制劑，能夠有效地抑制PI3K/Akt信號通路，進而抑制細胞增殖，促進凋亡[31]。楊有福[32]在研究豬卵巢卵泡發(fā)育過程中通過wortmannin抑制PI3K/Akt信號通路后，發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通路也隨之發(fā)生抑制，導致細胞活力受到抑制，細胞凋亡發(fā)生，顆粒細胞促性腺激素受體(LHCGR)和促卵泡激素受體(FSHR)表達減少，暗示PI3K和Wnt/β-catenin通路相互協(xié)作，調(diào)控豬卵巢顆粒細胞發(fā)育。李純錦[33]的研究表明，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子BDNF與其受體TrkB結(jié)合后，使Akt磷酸化，激活PI3K/Akt信號通路，促進增殖相關(guān)基因CCND1和CDK1和類固醇激素合成基因StAR和HSD3B1表達，引起牛卵泡顆粒細胞增殖和孕酮分泌。Liu等[34]的研究也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子c-Jun被促卵泡激素(FSH)磷酸化后從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞核中并結(jié)合自噬相關(guān)基因Beclin1啟動子區(qū)域，誘導Beclin1表達水平增加，加速豬卵泡顆粒細胞中脂滴降解，加強自噬，從而促進孕酮生成。

PI3K/Akt通路與畜禽卵泡顆粒細胞的凋亡也密切相關(guān)。Wang等[35]發(fā)現(xiàn)，促凋亡蛋白BimEL表達水平可以影響豬卵泡閉鎖，誘導豬顆粒細胞凋亡，F(xiàn)SH可通過PI3K/Akt/FoxO3a途徑下調(diào)BimEL表達以防止顆粒細胞凋亡。生物鐘基因BmalI與豬顆粒細胞中FSHR、黃體生成素/絨毛膜LHCGR和雌激素受體2(ESR2)等激素受體基因mRNA轉(zhuǎn)錄水平以及孕酮和雌二醇的合成密切相關(guān)，通過PI3K/Akt/mTOR號通路參與豬顆粒細胞的激素分泌和凋亡[36]。Yuan等[37]研究發(fā)現(xiàn)，TGFβ家族成員BMP4基因可減少凋亡因子Caspase-9蛋白的表達水平，通過PI3K/Akt途徑抑制鵝顆粒細胞凋亡。Shimizu等[38]在母牛中也發(fā)現(xiàn)，TGFβ家族另一成員BMP7可以通過PI3K/PDK-1/Akt通路抑制顆粒細胞凋亡，促進其存活。此外，F(xiàn)OXO3在雞卵泡和卵巢顆粒細胞中表達，通過對PI3K/Akt信號通路的磷酸化負調(diào)控，促進雞卵巢顆粒細胞的凋亡，但存在雌激素或FSH時，顆粒細胞中的FOXO3表達下調(diào)[39]。miR-204在雞萎縮性卵巢中高度表達，通過PI3K/AKT/mTOR途徑抑制FOXK2，促進卵巢顆粒細胞凋亡，并通過阻礙TRPM3/AMPK/ULK途徑抑制自噬[40]。

除受內(nèi)源性因子的調(diào)控外，PI3K/Akt信號通路還受外源性化合物藥物的影響。山奈酚作為體外培養(yǎng)基中的單一抗氧化劑，用于綿羊卵泡體外培養(yǎng)時，1 μmol/L濃度即可維持綿羊卵泡存活，增加線粒體活性水平，促進卵母細胞減數(shù)分裂，通過PI3K/Akt通路刺激刺激卵泡發(fā)育；10 μmol/L濃度時，可通過PI3K/Akt通路促進腔前卵泡活化，刺激顆粒細胞增殖，減少腔前卵泡中DNA斷裂[41]。白藜蘆醇也可通過激活PI3K/Akt通路減少DNA片段化，刺激顆粒細胞增殖，促進原始卵泡激活及次級卵泡生長[42]。此外，Yao等[43]發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可通過調(diào)控線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和PI3K/Akt通路的協(xié)作，抑制雞卵泡閉鎖。二甲雙胍一方面調(diào)節(jié)鈣離子穩(wěn)態(tài)，緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，抑制線粒體凋亡因子的釋放；另一方面，激活PI3K/Akt通路，抑制其下游凋亡因子激活，增強雌激素水平，防止卵泡閉鎖。

4 小 結(jié)

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt信號通路對畜禽繁殖有著重要的影響，該通路的信號轉(zhuǎn)導活化多種下游信號分子，調(diào)控畜禽生殖細胞的增殖、凋亡等。深入探究畜禽生殖細胞與PI3K/Akt信號通路之間的調(diào)控機制，闡明其在生殖細胞發(fā)生、成熟過程中的作用機制，有助于改良畜禽繁殖能力，為診斷和治療影響畜禽生殖的疾病提供新的思路，對進一步提高畜禽生產(chǎn)力有著重要意義。