褪黑素在雄性動物繁殖中的功能

白欣潔，劉莎莎，喬立東，王功民

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院畜牧獸醫(yī)系，北京 房山 102442 ； 2.中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局，北京 朝陽 100125)

褪黑素是由哺乳動物下丘腦松果體產(chǎn)生的一種吲哚胺類激素，化學(xué)成分是N-乙酰-5甲氧基色胺，1957年被耶魯大學(xué)的皮膚科專家首次分離并檢測了其分子結(jié)構(gòu)，此后褪黑素成為醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。褪黑素是介導(dǎo)光照影響動物繁殖活動的重要調(diào)節(jié)因子，合成和分泌呈晝低夜高的節(jié)律性變化。光照可以通過調(diào)控褪黑素的分泌影響動物的繁殖活動。對于季節(jié)性繁殖動物，日照時長決定著褪黑素表現(xiàn)出抑制或促進(jìn)繁殖性能的活動[1]。在高緯度地區(qū)，光周期是決定繁殖季節(jié)開始和持續(xù)時間長短的主要環(huán)境因素。松果體通過改變夜間褪黑素分泌的持續(xù)時間控制繁殖活動，近年來隨著探索的深入，發(fā)現(xiàn)褪黑素在動物性成熟、激素分泌、配子形成、胚胎早期發(fā)育、妊娠以及分娩過程中發(fā)揮著重要作用[2-3]。在現(xiàn)代化畜牧養(yǎng)殖中，精子的冷凍保存、卵母細(xì)胞的體外成熟以及胚胎的體外發(fā)育等技術(shù)是人工繁育的基礎(chǔ)，提高精子冷凍后的活力，改善體內(nèi)外卵母細(xì)胞的成熟和胚胎發(fā)育的質(zhì)量對于動物生產(chǎn)有著重要意義。隨著人工繁育技術(shù)的提升，更加凸顯了雄性動物在動物繁殖生產(chǎn)的作用，本文主要就褪黑素的相關(guān)特性以及其在雄性動物繁殖中的最新研究進(jìn)展展開綜述，為深入挖掘褪黑素對哺乳動物繁殖活動的調(diào)控功能，優(yōu)化體外胚胎生產(chǎn)體系，提高畜牧生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益奠定理論基礎(chǔ)，也為人類生殖健康提供理論參考依據(jù)。

1 褪黑素概念

1.1 褪黑素分子特性 褪黑素(Melatonin，MEL)是一種吲哚胺類激素，其合成受光照的調(diào)控，具有明顯的晝夜節(jié)律性。松果體細(xì)胞從血液中攝取色氨酸后，在羥化酶和脫羧酶的作用下生成血清素。血清素在N-乙?；D(zhuǎn)移酶(NAT)作用下生成N-乙酰血清素。然后在甲基酶作用下生成褪黑素，此過程需要羥基吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(HIOMT)參與。HIOMT調(diào)節(jié)褪黑素的周期性分泌，提高HIOMT的活性后，松果體褪黑素合成顯著升高。褪黑素的分子量為232.27，具有高親脂性、易溶于有機溶劑、受熱易破壞等特性。

大多數(shù)生物活性的化學(xué)信號物質(zhì)在體內(nèi)都是和特異性受體相互作用，改變細(xì)胞的生理生化功能而產(chǎn)生效應(yīng)。褪黑素調(diào)控細(xì)胞機能，一方面是通過其受體途徑，另一方面可以直接穿透細(xì)胞膜，通過調(diào)控細(xì)胞的抗氧化水平而發(fā)揮作用。

1.2 褪黑素與受體 褪黑素及其受體分布于視網(wǎng)膜、胃腸道、卵巢及睪丸等器官[4]，但褪黑素僅在松果體和視網(wǎng)膜上呈周期性分泌。研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素有兩類受體，膜受體和核受體。褪黑激素膜受體包括MT1、MT2以及MT3；另一類是維甲酸Z受體(RZR)和相關(guān)受體(ROR)，屬于孤兒受體亞家族成員。MT3主要存在于非哺乳動物體內(nèi)，哺乳動物僅在倉鼠的肝臟和腎臟中發(fā)現(xiàn)。在體內(nèi)褪黑素通過結(jié)合G偶聯(lián)蛋白受體MT1、MT2及核受體RZR/ROR發(fā)揮作用[5]。其中，MT1、MT2受體能夠抑制腺苷酸環(huán)化酶(Adenylate Cyclase,AC)活性，不同的是MT1受體可以激活蛋白激酶 C-β，而MT2受體抑制鳥苷酸環(huán)化酶的活性，并刺激蛋白激酶C[6]。MT1受體屬于高親和力受體，能調(diào)節(jié)離子流動和離子通道。MT2受體屬于低親和力受體，能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+，抑制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放[7]。

1.3 褪黑素與機體抗氧化能力 研究表明，褪黑素具有高效的抗氧化作用，在體內(nèi)發(fā)揮著廣泛的生理功能。由于同時具有親水性和親脂性，褪黑素可以輕松通過所有的生理障礙，保護(hù)細(xì)胞核和線粒體中的DNA、脂肪酸和蛋白質(zhì)免受自由基的損害[8]，減少細(xì)胞的氧化損傷[9]。

2 褪黑素在雄性動物繁殖中的生物學(xué)功能

2.1 褪黑素對雄性動物生殖細(xì)胞的影響 雄性生殖細(xì)胞在繁殖過程中擁有越來越高的地位。那么提高精子的有效性能，在繁殖中起著至關(guān)重要的作用。

2.1.1 褪黑素增加精子的穩(wěn)定性 有人在公羊精子中發(fā)現(xiàn)褪黑素及其受體MT1和MT2的表達(dá)，說明褪黑素可能對精子細(xì)胞具有直接作用。褪黑素能夠降低精子畸形率、脂質(zhì)過氧化程度，提高精子穩(wěn)定性，可在小鼠精子連續(xù)或間歇性缺氧的情況下，提高小鼠精子DNA的穩(wěn)定性[10]。褪黑素除了通過受體發(fā)揮作用，其還可直接穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，調(diào)控機體的抗氧化水平，減少大鼠睪丸缺血再灌注模型中附睪精子的質(zhì)量受損[11]。在精原干細(xì)胞移植到無精癥小鼠睪丸的過程中，褪黑素可以有效地減少活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)和脂質(zhì)過氧化物，從而提高移植效率并改善睪丸組織的結(jié)構(gòu)特性[12]。

2.1.2 褪黑素促進(jìn)精子活性 對于體外公豬精子，褪黑素可以不依賴抗氧化特性影響其活力和核蛋白的穩(wěn)定性[13]。Miguel等人確定了褪黑素可以通過一氧化氮合酶調(diào)節(jié)作用，增加了公羊精子獲能的作用[14]。褪黑素通過MT1受體抑制細(xì)胞凋亡和提高受精能力來提高公牛精子的受精能力[15]。在人類精子的研究中發(fā)現(xiàn)，褪黑素與精子活力顯著相關(guān)，在不孕患者的精漿中褪黑素水平顯著下降[16]。將褪黑素加入到精液稀釋液中，能夠增加了運動精子和快速運動精子的百分比[17]。

2.1.3 褪黑素有效提高冷凍精子的存活率 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，凍精作為有效提高繁育水平、降低養(yǎng)殖成本、方便保存及運輸?shù)榷嘀貎?yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在動物繁育上，但是如何降低精子冷凍的過程中損傷，是迫切需要解決的問題。Ashrafi 等的研究證明，可以通過在牛精子冷凍液中添加褪黑素抵消牛精子在凍融過程中產(chǎn)生的不良影響，加入褪黑素后，提高了總的抗氧化能力和抗氧化酶活性，從而保護(hù)了冷凍精子[18]。外源添加褪黑激素對解凍后公雞精子質(zhì)量，同樣起到了有效的冷凍保護(hù)作用[19]。褪黑素能夠刺激超氧化物歧化酶、谷胱甘肽-過氧化物酶和過氧化氫酶等參與清除 ROS 代謝的幾種酶活性，從而維持細(xì)胞膜的流動性[18]。在染色、分選及冷凍等過程中，褪黑素能夠保護(hù)水牛精子免受丙二醇的損傷，并在凍融過程后提高精子質(zhì)量[20]。在人類精子冷凍保存期間，褪黑素也可以通過PI3K / AKT信號傳導(dǎo)途徑有效的保護(hù)精子免受冷凍損傷[21]。

2.1.4 合適的外源褪黑素添加濃度能夠有效改善精子質(zhì)量 褪黑素對精子的作用與其外源添加的濃度息息相關(guān)。Martín-Hidalgo等觀察1 μmol/L褪黑素雖然可以提高頂體完整的活細(xì)胞的比例，但是不能改善17 ℃儲存7 d的豬精液的功能[22]。微摩爾濃度的褪黑素能夠通過降低ROS和環(huán)磷腺苷(cAMP)水平，調(diào)控由cAMP升高劑誘導(dǎo)的公羊精子獲能；在較低濃度下，褪黑素改變運動型精子亞群[23]。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步研究褪黑素在人工授精體系中控制精子獲能方面提供參考依據(jù)。對于人類精液，添加2 mmol/L褪黑素后發(fā)現(xiàn)運動精子、前向性運動精子及快速運動精子比例增高，精子死亡數(shù)量降低，內(nèi)源性一氧化氮(NO)明顯降低，但ROS水平無顯著變化，表明2 mmol/L褪黑素可以直接或間接的清除過量NO，從而起到保護(hù)精子的作用。由此可以推斷不同物種對褪黑素的敏感程度不同，導(dǎo)致發(fā)揮有益作用的褪黑素濃度有所差異。

2.2 褪黑素及其受體與雄性動物繁殖內(nèi)分泌

2.2.1 褪黑素影響細(xì)胞增殖及能量代謝，因此褪黑素是調(diào)控生殖激素合成的重要參與者。褪黑素對生殖激素的影響取決于生理條件和動物種類等多種因素[4]。褪黑素會降低雄鼠雄激素受體和睪丸雄激素結(jié)合蛋白的表達(dá)[24-25]。將褪黑素注入到繁殖期的雄鼠睪丸后，睪丸體積減小，睪酮含量顯著降低[26]。因此，褪黑素對長日照哺乳雄性動物的生殖作用具有抑制作用。褪黑素與短日照期動物的雄性激素水平呈正相關(guān)，褪黑素處理組中睪酮濃度比對照組高出1倍[27]，對短日照組持續(xù)補充褪黑素可以促進(jìn)性腺功能，褪黑素長期治療可以誘導(dǎo)梅花鹿睪丸的早期發(fā)育[28]，皮下注射褪黑素會增加公山羊的睪酮濃度[29]。以上結(jié)果表明，褪黑素是短日照動物繁殖的活性因子。

2.2.2 褪黑素是將光周期與生殖活動協(xié)同的關(guān)鍵 褪黑素通過激活下丘腦神經(jīng)元上的促性腺激素釋放激素(Gonadotrophin releasing hormone,GnRH)的受體，來調(diào)節(jié)下丘腦-垂體-性腺軸作用，從而影響性腺生殖激素的分泌[30]。外源性褪黑素長期作用于雄性綿羊，可導(dǎo)致GnRH的釋放，從而激活生殖活性[14]。有證據(jù)表明，褪黑素對長日照動物生殖具有抑制作用可能是通過抑制GnRH來實現(xiàn)的[31]。但目前，褪黑素調(diào)節(jié)GnRH的確切機制尚不清楚。神經(jīng)肽Kisspeptins (Kp)是由Kiss基因編碼的蛋白質(zhì)，Kiss基因存在Kiss-1和Kiss-2亞型。Kp促進(jìn)GnRH分泌的上游因子，是傳遞褪黑素信息的關(guān)鍵[32]。研究發(fā)現(xiàn)，光周期可以通過褪黑素調(diào)節(jié)kiss1基因表達(dá)以驅(qū)動生殖軸[33]。褪黑素誘導(dǎo)斑馬魚后，其腦中Kiss1、kiss2和GnRH3基因表達(dá)增強，從而促進(jìn)性腺成熟，顯著提高斑馬魚的生殖能力[34]。因此，褪黑素可引起Kp表達(dá)的變化，從而影響生殖系統(tǒng)，但褪黑素與Kp之間的關(guān)系仍需要進(jìn)一步的探索。

3 展望

綜上所述，一定劑量的褪黑素可以保證雄性哺乳動物正常的機體代謝，調(diào)控繁殖內(nèi)分泌，保證精子的穩(wěn)定性與活性；在體外精子保存中，特定濃度的外源性褪黑素能夠降低環(huán)境變化帶來的氧化應(yīng)激，平衡體系中氧化還原反應(yīng)和抗氧化系統(tǒng)之間的關(guān)系，降低環(huán)境沖擊對核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的損害，提高受精率。

科學(xué)家一直致力于研究褪黑素在雄性器官的發(fā)育、精子質(zhì)量和凍精復(fù)蘇率中的直接的調(diào)控作用。褪黑素作為抗氧化劑和內(nèi)分泌激素，在哺乳動物生殖系統(tǒng)中的生物學(xué)功能是顯而易見的，進(jìn)一步研究褪黑素調(diào)節(jié)類固醇激素合成和探索小分子褪黑素受體的機制也有助于治療由類固醇激素紊亂引起的生殖障礙和疾病。但褪黑素提高精子活性，有效降低凍精的死亡率及其作用機制還都需要更多的證據(jù)；離體條件下外源褪黑素濃度是如何調(diào)控精子質(zhì)量，進(jìn)而影響胚胎的發(fā)育能力，需要更深入的研究和探索。