多胺與哺乳動物的孕體發(fā)育

譚敏捷 孔祥峰 劉慶友 石德順*

(1.廣西大學動物科學技術學院，南寧 530004;2.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所，湖南省畜禽健康養(yǎng)殖工程技術中心，農業(yè)部中南動物營養(yǎng)與飼料科學觀測實驗站，長沙 410125)

多胺是一類含有2個或更多氨基的低分子質量脂肪族化合物，包括腐胺、亞精胺和精胺等。這類晶體物質最初是由Leeuwenhoek于1678年在人的非新鮮精液中發(fā)現(xiàn)的，后被命名為多胺。起初，研究人員從霍亂弧菌中分離得到腐胺;1924年，Rosenheim等才鑒定出了精胺的化學結構，并在實驗室中成功合成。作為有機陽離子，多胺在調控基因表達、DNA和蛋白質合成、細胞信號轉導、離子通道開合、細胞增殖分化、血管生成、胎盤生長和胚胎發(fā)育等方面起著重要作用。同時，多胺能夠清除機體內的活性氧，從而保護DNA、蛋白質和脂質等免受氧化損傷。近年來的研究表明，多胺在調控器官發(fā)育、繁殖、衰老、免疫、癌癥等生理和病理過程中均具有重要作用［1］。本文從早期胚胎發(fā)育、胚胎著床、胎盤形成及著床后胚胎發(fā)育等方面，對多胺在哺乳動物孕體發(fā)育過程中的調控作用進行綜述，為研究多胺的作用機制以及提高哺乳動物繁殖性能提供參考。

1 多胺的來源

多胺廣泛存在于真核生物和原核生物體內(甲烷桿菌目和嗜鹽菌目2種古生菌除外)。哺乳動物體內的多胺不僅可以從母乳和飼糧中獲?。?］，也可以由體內的精氨酸、蛋氨酸、脯氨酸和谷氨酸等氨基酸通過代謝途徑合成［3］。除此之外，動物的腸細胞以及腸道微生物也能通過對氨基酸前體物的代謝作用產(chǎn)生多胺。多胺之間在機體內也可以相互轉化。

2 多胺的合成與分解

動物體內不斷發(fā)生著多胺的合成代謝與分解代謝(圖1)，并維持著其在體內的動態(tài)平衡［3］。多胺的生物合成起始于腐胺的產(chǎn)生，其前體物鳥氨酸在鳥氨酸脫羧酶(ornithine decarboxylase，ODC)作用下生成腐胺。腐胺是脂肪族二元胺，同時也是合成亞精胺和精胺的前體。腐胺在亞精胺合成酶的催化下與丙胺基作用合成亞精胺，亞精胺則在亞精胺合成酶的催化下與丙胺基作用合成精胺。在這一系列反應中，S-腺苷蛋氨酸在其脫羧 酶 (S-adenosylmethionine decarboxylase，SAMDC)作用下獲得合成亞精胺和精胺所需的丙胺基。因此，ODC和SAMDC是多胺合成代謝中的關鍵代謝酶。除了合成代謝外，細胞內的多胺含量還與其分解代謝有關。精胺和亞精胺在其乙酰轉移 酶 (spermidine/spermine acetyltransferase，SSAT)和多胺氧化酶(polyamine oxidases，PAO)作用下，可以逐步分解為腐胺，從而維持細胞內正常的多胺含量。近期的研究表明，敲除羊胚胎滋養(yǎng)層細胞中的鳥氨酸脫羧酶1(Odc1)基因，雖然可以抑制腐胺的合成，細胞卻通過另一條合成多胺的信號通路，即精氨酸脫羧酶(arginine decarboxylase，ADC)/胍丁胺酶(agmatinase，AGMAT)信號通路(精氨酸、胍丁胺、腐胺途徑)，來維持體內多胺的平衡，由此說明ADC/AGMAT信號通路對維持哺乳動物孕體正常發(fā)育同樣是重要的［4］。

圖1 多胺代謝途徑Fig.1 The metabolic pathways of polyamines［3］

3 多胺對孕體發(fā)育的影響

3.1 早期胚胎發(fā)育

體外研究表明，在豬的二細胞期孤雌激活胚胎的培養(yǎng)基中添加外源性多胺，能夠增加其囊胚率以及囊胚期的細胞數(shù)，且囊胚期的細胞凋亡減少;定量PCR檢測發(fā)現(xiàn)，細胞內Odc以及亞精胺合成酶mRNA表達量也升高。用抑制劑抑制這2種酶的活性，孤雌激活胚胎發(fā)育則出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，即囊胚率降低、細胞凋亡增加，說明多胺對于早期胚胎的發(fā)育十分重要［5］。研究表明，用多胺抑制劑甲基乙二醛-雙(脒腙)［methylglyoxal-bis(guanylhydrazone)，MGBG］處理八細胞期到桑椹胚期小鼠受精卵，抑制其中亞精胺和精胺的生物合成，可抑制體外胚胎生長以及DNA的合成。此外，用二氟甲基鳥氨酸(2-difluromethyl ornithine，DFMO)抑制腐胺生成，也會抑制細胞DNA的合成，從而影響胚胎的發(fā)育。8-羥基-2，7，10-三氨基癸酸(hypusine)是真核翻譯起始因子5A(eukaryotic translation initiation factor 5A，eIF-5A)的特定賴氨酸殘基經(jīng)亞精胺依賴性的翻譯后修飾形成的，經(jīng)hypusine修飾后的eIF-5A是細胞存活與增殖的必需物質。在小鼠中，eIF-5A亞基的缺失會導致母鼠不孕，說明亞精胺和精胺在早期胚胎形成中發(fā)揮著重要作用［6］。

3.2 胚胎滯育

哺乳動物子宮內膜和孕體中多胺的生物合成受到轉錄、翻譯和翻譯后水平的調控，可促進孕體發(fā)育和著床［7］。胚胎滯育是指某些動物的受精卵發(fā)育成囊胚后，游離在子宮中抑制其進一步發(fā)育的一個時期。在此期間，胚胎只維持基本的代謝，細胞有絲分裂和蛋白質合成極少或不發(fā)生［8］。水貂是專性滯育動物，在對其再激活胚胎的研究中發(fā)現(xiàn)，多胺相關基因Odc1、精胺/亞精胺N1乙酰轉移酶(spermidine/spermine N1-acetyltransferase，Sat1)的表達上調，子宮內多胺的含量也顯著上升;經(jīng)DFMO處理后，其胚胎活性被再次抑制，滋養(yǎng)層細胞增殖受阻，說明多胺是水貂囊胚從滯育期轉化為激活期的重要調控物質［9］。

3.3 胚胎著床

對于真獸類哺乳動物而言，胚胎著床后形成胎盤，胎兒在子宮中發(fā)育，并依靠胎盤從母體獲得營養(yǎng)物質，建立起母體與胎兒之間的聯(lián)系，為胎兒的正常發(fā)育提供可靠保障。排卵后，在孕激素的調控下，子宮內膜進行蛻膜化，主要表現(xiàn)為子宮內膜間質細胞(endometrial stromal cells，ESCs)的增殖分化，逐漸轉化為蛻膜基質細胞(decidual stromal cells，DSCs)。隨著胚胎著床與滋養(yǎng)層細胞的侵入，蛻膜化現(xiàn)象擴展至整個子宮內膜。蛻膜化程度對胚胎著床、胎盤形成以及維持正常妊娠發(fā)揮著重要的調控作用［10］。根據(jù)有無蛻膜現(xiàn)象，可將胎盤分為蛻膜型胎盤和非蛻膜型胎盤。研究表明，多胺功能在多種胎盤類型孕體中均有體現(xiàn)，并在從著床到胎盤形成的過程中起到積極作用［11］。

就蛻膜型胚胎而言，子宮內膜的增殖伴隨著基質細胞的分化，最終形成蛻膜組織。對多種動物的研究均表明，在胚胎著床期，孕體子宮內ODC1和SAMDC的活性均增強，其著床位點處的ODC1和多胺活性均顯著增強［11］。此外，多胺合成相關基因在小鼠子宮內膜基質細胞中表達均上調，在著床位點的上調現(xiàn)象更為顯著。早期的研究表明，在大鼠子宮內膜分化過程中，其細胞內ODC1活性顯著升高;用高劑量的DFMO處理著床期母鼠，會影響其正常蛻膜化，最終導致母鼠不孕。在小鼠飲水中加入DFMO，抑制ODC1活性，妊娠后第5～8天胚胎發(fā)育受到阻礙，妊娠后第18天發(fā)生流產(chǎn)。上述研究結果，均可以說明多胺對胚胎著床的重要性［12］。

有報道指出，母豬子宮液中多胺含量在妊娠第12天時達到最高。在此期間，Sat1基因在妊娠母豬子宮內膜中的表達上調。給體外培養(yǎng)的豬子宮腺上皮和基質細胞添加外源性腐胺和亞精胺，能夠促進細胞DNA的合成。當胎盤發(fā)育到最大時，豬尿囊液中多胺產(chǎn)物以及鳥氨酸大量聚集，從而說明胎盤、胎兒發(fā)育過程中需要大量的多胺［13］。除此之外，在母羊滋養(yǎng)層細胞附著之前，Odc1基因表達及蛋白含量升高，為滋養(yǎng)層細胞附著做準備［14］。

3.4 胎盤形成

Lopez-Garcia等［15］的研究表明，ODC 活性及其蛋白在胎盤中的表達量高于其在胎兒和卵黃囊中的表達量，特別是在胎盤迷路層中其表達量最高。盡管胎兒中多胺生物合成活性低于胎盤，但是胎兒中的多胺含量明顯高于其在胎盤中的含量，說明小鼠胎盤中的多胺生物合成活性增強為妊娠后期胎兒對多胺的需要提供了有利保障。

作為哺乳動物發(fā)育過程中分化的第1類細胞，滋養(yǎng)層細胞可調控胚胎著床和胎盤形成。研究表明，多胺能夠促進滋養(yǎng)外胚層細胞的增殖和遷移，是羊和豬孕體生長發(fā)育的重要調控物質［16］。同時，多胺也是大鼠胎盤發(fā)育和血管生成的重要物質［17］。ODC1活性以及多胺前體物鳥氨酸的含量在妊娠第20～40天之間也顯著上升。在此期間，滋養(yǎng)外胚層細胞附著到子宮腔上皮，這也恰好是胎盤形成的時期。精氨酸通過合成多胺與一氧化氮(NO)激活細胞內哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)/FK506結合蛋白12-雷帕霉素相關蛋白1(FK506 binding protein 12-rapamycin associated protein 1，F(xiàn)RAP1)-核糖體蛋白S6激酶(ribosomal protein S6 kinase，RPS6K)-核糖體蛋白 S6(ribosomal protein S6，RPS6)信號通路，增加磷酸化的mTOR、RPS6K和真核翻譯起始因子4E-結合蛋白1(eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1，eIF4E-BP1)含量，促進蛋白質合成，減少蛋白質降解，從而促進羊滋養(yǎng)層細胞的增殖和遷移。有研究表明，腐胺能促進羊滋養(yǎng)層細胞增殖升高6.7倍［18］。子宮胎盤血流量的多少依賴于胎盤血管的生成［19］，而多胺具有促進血管生成的功能，這足以說明多胺在胎盤發(fā)育中的重要性。大鼠上的研究發(fā)現(xiàn)，在其妊娠第8天抑制ODC生成，將導致卵黃囊結構改變和滋養(yǎng)層細胞分化異常，從而影響血管生成和類固醇激素產(chǎn)生［20］。

3.5 著床后胚胎發(fā)育

研究發(fā)現(xiàn)，Odc或SAMDC基因缺失抑制亞精胺合成，是小鼠胚胎在發(fā)育早期的致死因子［21］。多胺對胎兒發(fā)育的影響主要表現(xiàn)為胎兒宮內發(fā)育遲緩。研究表明，在懷孕小鼠妊娠第18天降低其體內ODC1活性，可導致胎兒體重減輕［22］。同時，胎盤大小也會受到多胺含量的影響，從而影響胎兒的正常發(fā)育。抑制多胺合成會減小胎盤重量，損害胎兒生長［23］。昔多芬能夠增加羊水、尿囊液中氨基酸和多胺含量，增加胎兒體重及血流量，將營養(yǎng)物質從母體運送至胎兒，從而促進胎兒的生長發(fā)育［24］。在母羊中，胎兒自身多胺合成以及母體胎盤將多胺轉運至胎兒，是維持胎兒體內多胺平衡的重要因素［25］。營養(yǎng)缺乏母羊妊娠中后期，母體、胎兒血漿和胎液中的多胺含量均降低，說明多胺與胎兒正常發(fā)育有關［26］。羊胎盤和子宮內膜組織中，精氨酸大量轉化為多胺，是母羊孕體內鳥氨酸的主要來源。在母羊妊娠第30～60天階段，胎盤的生長發(fā)育最快，多胺對胎盤血管生成和生長均起著重要作用。妊娠第40天的母羊子宮內膜和胎盤節(jié)中多胺合成及其含量達到最高，此時胎兒生長和形態(tài)學變化也最大。另外，高含量的多胺還出現(xiàn)在胎盤和子宮內膜，在妊娠的后半期，胎盤血管床發(fā)育，子宮內血流量增加，從而支持胎兒的生長［27］。

早期的研究表明，多胺能夠保護神經(jīng)細胞免受神經(jīng)外傷造成的細胞死亡［28］。此外，多胺在神經(jīng)管的發(fā)育過程中也起到重要作用［29］。在近期的研究中，研究人員用酒精處理小鼠胚胎，使其體內多胺含量降低，從而改變機體DNA、RNA和蛋白質的合成，導致發(fā)育紊亂以及神經(jīng)嵴細胞的遷移。此外，大腦微血管網(wǎng)絡的缺乏可能是造成宮內發(fā)育遲緩的部分原因。盡管通過母體循環(huán)可以適當補充胎兒缺失的多胺，但外源性的多胺卻無法到達胎兒的末梢組織，特別是胎兒的頭部，從而導致其腦部多胺缺乏。間隙連接畸變以及微血管網(wǎng)絡的急劇減少，也會進一步損傷胎兒組織的營養(yǎng)供給，造成胎兒的發(fā)育異常［30］。

Wu等［31］的研究發(fā)現(xiàn)，宮內生長遲緩(intrauterine growth retardation，IUGR)胎兒肌肉中多胺含量低于正常胎兒。谷氨酰胺也能促進鳥氨酸轉化為多胺，將精氨酸與谷氨酰胺同時加到妊娠30～114 d母豬的飼糧中，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)活仔率、窩總重和初生活仔豬重均增加，且仔豬個體間的差異降低。

4 小結

綜上所述，多胺通過調控基因表達、DNA與蛋白質合成、細胞信號轉導、細胞增殖分化、血管生成等途徑影響孕體發(fā)育，并在哺乳動物早期胚胎發(fā)育、胚胎著床、胎盤形成及著床后胚胎發(fā)育等一系列過程中起著重要作用，但多胺調控孕體發(fā)育的具體分子機制尚未明確，還需要進一步深入研究。另外，尚存在許多問題有待解決，比如多胺與其他調控因子之間的相互作用是拮抗還是協(xié)同?多胺不同前體氨基酸之間在特定靶組織中的轉化關系及其對不同物種的影響是否一致?通過闡明多胺調控孕體發(fā)育的機制，將為提高哺乳動物繁殖性能、促進畜牧業(yè)生產(chǎn)提供有利保障。

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