褪黑素調控動物生殖內分泌的研究進展

朱根寶 ,于蘭蘭, 劉　亞*

(1.安徽農業(yè)大學動物科技學院，安徽合肥 230036；2.安徽地方畜禽遺傳資源保護與生物育種省級實驗室，安徽合肥 230036)

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褪黑素調控動物生殖內分泌的研究進展

朱根寶1,于蘭蘭2, 劉亞1*

(1.安徽農業(yè)大學動物科技學院，安徽合肥 230036；2.安徽地方畜禽遺傳資源保護與生物育種省級實驗室，安徽合肥 230036)

摘要：褪黑素(MLT)是松果體分泌的一種神經內分泌激素，具有參與免疫反應、調節(jié)生命活動的節(jié)律性等多種生物學功能，并與生殖內分泌息息相關。目前對于褪黑素的研究主要集中在人類的癌癥和植物等方面，而關于動物生殖內分泌的研究較少，深度較淺。研究表明，褪黑素可以調控動物下丘腦-垂體-性腺軸生殖相關激素的內分泌作用，抑制或促進促性腺激素釋放激素(GnRH)、促卵泡素(FSH)、促黃體素(LH)、性腺激素的分泌。而在不同物種間，褪黑素作用效果卻不同。論文綜述了褪黑素對促性腺激素釋放激素、促卵泡素、促黃體素、性腺激素以及其他與生殖相關激素的調控，為褪黑素調控動物生殖內分泌的的研究提供參考，以期對褪黑素在動物生殖調控中的作用更深入了解。

關鍵詞：褪黑素；生殖內分泌；促性腺激素釋放激素； 促卵泡素；促黃體素；性腺激素

1958年Lerner A B等[1]第一次從牛松果體中分離出褪黑素(melatonin)，其體內合成是從前體物質色氨酸開始，在芳香氨基酸脫羧酶、羥基吲哚-氧-甲基轉移酶(hydroxyindole-O-methyltransferase,HIOMT)等一系列酶的作用下最終轉化為N-乙?；?5-甲氧基色胺(N-acetyl-5-methoxytryptamine)即褪黑素(melatonin，MLT)[2]。

最初發(fā)現褪黑素的主要功能是清除自由基和抗氧化活性，后來Wurtman R J等[3]報道外源性褪黑素可降低雌性大鼠卵巢的重量。在雄性動物上也發(fā)現類似情況， Reiter R J等[4]研究發(fā)現，褪黑素可以降低雄性倉鼠睪丸重量及阻止雌性倉鼠發(fā)情周期。另外，對受光照影響較大的動物，褪黑素對其作用的效果也不一樣。對于長日照動物，褪黑素主要抑制其繁殖；而對短日照動物，褪黑素則作為一種激動劑，發(fā)揮促進作用。褪黑素在調控動物生殖方面的研究較多，但主要集中在下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitary-gonadal axis，HPGA)上，本文就褪黑素調控動物生殖軸相關激素分泌作用進行簡要綜述。

1褪黑素對促性腺激素釋放激素的影響

促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone,GnRH)是下丘腦中分泌的一種神經激素，在生殖過程的神經內分泌調控中起著核心作用。研究表明GnRH神經元的激活是調控GnRH分泌的主要影響因素，GnRH神經元主要位于嚙齒動物的海馬和視前葉區(qū)域，神經元分泌軸突分布到下丘腦的中央隆起部，引起中央隆起釋放GnRH[5]。研究發(fā)現，褪黑素與褪黑素受體結合后可以調節(jié)GnRH的分泌[6]。在GnRH基因表達方面，Li S等[7]研究發(fā)現，與年輕雄性大鼠比較，老年雄性大鼠GnRH mRNA表達水平低13%，但是褪黑素處理后可使老年雄性大鼠GnRH mRNA表達水平完全恢復。Roy D等[6]研究發(fā)現褪黑素可直接調控GT1-7神經元潛在的信號轉導通路，即褪黑素抑制GT1-7神經元45%的GnRH分泌，然而在蛋白激酶A抑制劑H-89，蛋白激酶C抑制劑雙吲哚基馬來酰亞胺，胞外信號調節(jié)激酶抑制劑PD98059存在時，褪黑素不抑制GnRH分泌，以此可以看出褪黑素調控GnRH分泌是通過多種途徑。近年來在水產動物研究發(fā)現，褪黑素還可以調控魚的生殖系統(tǒng)。在對歐洲鱸魚GnRH調控系統(tǒng)研究得出，外源性褪黑素處理后其大腦中GnRH -1、GnRH -3和幾個其他GnRH受體(1c、2a和2)出現明顯的晝夜變化，白天這幾種受體基因的表達量明顯高于晚上，褪黑素具有抑制這些受體夜間的表達[8]。但在雌性咸水鳉魚上的研究卻出現相反的情況，褪黑素處理后的鳉魚，對其大腦中GnRH mRNA表達進行熒光定量PCR后顯示，與對照組相比，其表達量顯著增加[9]。

由此可見，褪黑素對嚙齒類動物的GnRH表達和生殖調控主要是抑制作用，在咸水鳉魚中也是如此，但是在歐洲鱸魚卻表現出促進作用，說明褪黑素對不同種屬動物的GnRH分泌起不同的作用，抑制或促進。然而褪黑素調控GnRH的確切機制仍不清楚，因此推測這種差異可能與物種和劑量有關。

2褪黑素對促性腺激素的影響

2.1褪黑素對促卵泡素的影響

促卵泡素(follicle-stimulating hormone,FSH)是由動物垂體前葉嗜堿性細胞合成和分泌的一種糖蛋白類促性腺激素，在雌性動物，主要是刺激卵泡生長和發(fā)育。在雄性動物，主要是促進生精上皮發(fā)育和精子的形成。FSH的合成和分泌與褪黑素之間存在密切關系，在繁殖季節(jié)前對雌性梅花鹿皮下植入褪黑素，發(fā)現雌性梅花鹿受精時，血清中FSH的濃度明顯高于對照組[10]。但是在大鼠這種長日照動物褪黑素的影響有所不同，褪黑素可以抑制新生大鼠垂體前葉GnRH誘導FSH的釋放，但大鼠成年時，褪黑素對其無影響[11]。 Kocher L等[12]對松果體切除(沒有褪黑素分泌)的病人進行10個月褪黑素治療，結果顯示血清中FSH降低，但仍保持在正常范圍內。值得注意的是，基因的表達是激素合成前提條件，Sebert M E等[13]已經證明,長期褪黑素處理可以增加鰻魚腦酪氨酸羥化酶mRNA的表達，激活大腦視前區(qū)中多巴胺系統(tǒng)，抑制FSH的合成與釋放，然而在垂體性腺軸上，褪黑素處理后可以降低LHβ和FSHβ mRNA的表達，減少性腺類固醇激素血漿中水平。這些結果提示褪黑素不但影響FSH的分泌，還影響FSH受體在相應組織中的表達。

2.2褪黑素對促黃體素的影響

促黃體素(luteinizing hormone,LH) 也是由動物垂體前葉嗜堿性細胞合成和分泌的一種糖蛋白類促性腺激素，在動物生殖過程中起著重要的調控作用。摩拉母水牛繁殖受季節(jié)性影響很大，冬季夜間血漿中褪黑素濃度最高，夏天時最低，皮下植入褪黑素，可以明顯增加血漿中褪黑素濃度，并且可以維持超過24 h，不抑制內源性褪黑素的分泌，引起一個短期內的褪黑素反應。Ramadan T A等[14]對8頭乏情期摩拉母水牛皮下植入褪黑素(18 mg/50 kg)45 d,研究發(fā)現，褪黑素處理的母水牛血清中LH濃度顯著增高，但是LH的脈沖頻率沒有改變并且出現卵泡的直徑增大，數量增多的現象，在梅花鹿上的研究也發(fā)現類似情況，為了探明雌性梅花鹿超數排卵期間褪黑素對生殖相關激素分泌的影響，在繁殖季節(jié)前給予雌性梅花鹿皮下植入褪黑素，超數排卵期間測得血清LH濃度達到最大值，比對照組濃度明顯提高，且這種高水平的LH一直維持到胚胎回收[10]。但在大鼠的研究卻表現出相反的情況，對年輕(3月齡～5月齡)和老年(23月齡～25月齡)雌性大鼠進行褪黑素處理1個月，發(fā)現老年大鼠血漿中LH濃度顯著降低，在年輕大鼠中也表現出類似現象[15]。Chuffa L G等[16]后來在大鼠上的試驗，得到結果與前人一樣，對24只60 d Wistar大鼠腹腔每天注射褪黑素，發(fā)現褪黑素可以顯著降低血漿中LH濃度。在臨床方面，Kocher L等[12]報道松果體切除(褪黑素分泌完全停止)的病人給以10個月的褪黑素治療后，發(fā)現病人LH分泌增加，但仍保持在正常水平。以上研究表明，褪黑素可以影響LH的分泌，并且在不同物種間作用效果不一樣。

從這些結果可以看出，褪黑素對動物促性腺激素的調控在不同物種之間有差異，與日照性動物之間則表現出一種平行增長與降低的關系，對嚙齒類等長日照動物來說呈負相關，山羊等短日照動物呈正相關，并且FSH和LH在卵泡成熟過程中具有協同作用[17]，所以無論從激素或基因角度分析，褪黑素對動物促性腺激素的分泌都有影響，但確切的調控機制還不明了。

3褪黑素對性腺激素的影響

3.1褪黑素對雄激素的影響

雄激素主要由睪丸間質細胞分泌，腎上腺皮質、卵巢和胚胎也可分泌少量雄激素，雄激素種類繁多，在動物體內主要以睪酮為主。雄激素在動物個體發(fā)育、生長發(fā)育和生殖功能的各個方面都起著必不可少的作用。大多數季節(jié)性繁殖鼠類，褪黑素和雄激素之間存在負相關關系，褪黑素可以通過褪黑素受體1α抑制倉鼠睪丸雄激素的產生[18]。在前人的研究中發(fā)現，睪丸中存在一個褪黑素系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過自分泌方式調節(jié)睪丸類固醇激素的生成，為了證明褪黑素在睪丸中的作用，對松鼠睪丸內注射褪黑素發(fā)現，胸腺中褪黑素受體α表達增加，雄激素受體表達減少[19]。在大鼠上研究發(fā)現同樣的情況，切除大鼠松果體后并給予大鼠褪黑素飼喂，與對照組切除松果體無褪黑素分泌比較發(fā)現，褪黑素處理組可以有效減少睪酮激素分泌量[20]。以上研究表明，褪黑素對大鼠睪酮的分泌起抑制作用，然而在羊的研究卻發(fā)現相反的情況。羊是季節(jié)性繁殖動物，在不同季節(jié)，雄激素的分泌不同，從而影響著羊的繁殖性狀。Casao A等[21]在非繁殖季節(jié)對公羊進行褪黑素處理，每周采集公羊精液，檢測精液中激素水平發(fā)現，外源性褪黑素處理后可以明顯提高睪酮激素水平，一直持續(xù)4周。從羊血漿中也可以檢測到褪黑素對睪酮的影響，Rekik M等[22]對公羊進行皮下埋置褪黑素 60 d后，血漿睪酮濃度增加。冬季白晝時間短，夜晚時間長，然而褪黑素主要在夜間分泌，所以冬天動物體內褪黑素含量比其他季節(jié)都要多。Raj K S等報道,蝙蝠在冬季體內雄激素分泌水平增加，通過分析可能主要是褪黑激素對類固醇合成酶3β-羥基類固醇脫氫酶(3β-HSD )活性的刺激作用[23]。另外，在人的研究也發(fā)現,褪黑素可以影響雄激素分泌，褪黑素可以直接抑制人的胎兒睪丸合成睪酮激素[24]。以上研究表明,褪黑素可以影響雄性激素受體的表達以及雄激素的分泌，在大鼠和人抑制雄激素的分泌，對羊則促進雄激素的分泌。

3.2褪黑素對雌激素的影響

動物體內雌激素主要來源于卵巢中發(fā)育卵泡的顆粒細胞、黃體、胎盤、腎上腺皮質等，雄性動物的睪丸也可分泌少量雌激素，雌激素在雌性動物各個生長發(fā)育階段都有一定的生理效應。目前的研究發(fā)現褪黑素可以通過調控芳香化酶啟動子區(qū)域的基因表達，從而抑制芳香化酶的活性和表達降低雌激素生物合成[25]。對鰻魚褪黑素處理后檢測血漿中的雌二醇(estradiol,E2)，發(fā)現褪黑素可降低鰻魚血漿中類固醇激素E2分泌水平[13]。褪黑素在大鼠也有同樣的作用，Chuffa L G等[16]對受到酒精長期刺激的大鼠進行褪黑素處理,結果顯示血漿中17β-E2濃度顯著降低。另外, 褪黑素對大鼠雌激素受體有調節(jié)作用，褪黑素可以下調卵巢和輸卵管雌激素受體α及子宮雌激素受體β。在哺乳動物山羊上的研究卻出現相反的作用，據Ghosh S等[26]報道,山羊在秋天雌激素的增長和褪黑素呈正相關，冬天褪黑素受體的表達在雌性和雄性山羊胸腺上都明顯增加，而雌激素受體α僅在雌性山羊胸腺增加。褪黑素通過褪黑素受體從而發(fā)揮褪黑素的生物學作用，研究發(fā)現褪黑素及其受體廣泛分布于多種動物的卵巢，如在牛卵巢顆粒細胞的細胞膜、細胞質、核膜上均發(fā)現有褪黑素受體1和褪黑素受體2 的存在，外源性添加褪黑素可以明顯抑制顆粒細胞上雌激素的生物合成，并且有時間依賴性[27]。這些研究表明，褪黑素不但抑制大鼠雌激素的分泌，還下調大鼠其他組織雌激素受體的表達，在羊表現出相反的情況。

這些結果提示，褪黑素與性腺激素密切聯系，對嚙齒類動物、人和魚有抑制性激素分泌作用，在羊等哺乳動物具有促進作用，褪黑素影響性激素分泌的作用方式，可以通過受體或者影響性激素合成相關酶的活性，具體作用方式還有待后期探究。但是迄今為止，在這方面報道也存在著爭議，且物種間差異性很大。

4褪黑素與其他生殖激素的關系

近年來，一些與生殖密切相關的激素相繼被闡明，如Kisspeptin、神經激肽B等。目前極少研究已經探測出通過褪黑素神經網絡作用影響生殖軸的活動，最新的研究發(fā)現, 不同劑量的褪黑素，可以誘導斑馬魚大腦內kiss1、kiss2和GnRp基因表達量升高，以及垂體中LHβ增加，表明褪黑素可以促進性腺成熟，明顯提高斑馬魚繁殖力[28]。Alvarado M V等[29]給雄性海鱸魚褪黑素處理，發(fā)現30 d后下丘腦中kiss1基因表達明顯升高，90 d后kiss2表達明顯增強，然而150 d后背側大腦中kisspeptin的表達卻顯著下降，并且影響垂體中GnRH-1、GnRH-3、GnRH-II-1a、2b和FSHβ基因mRNA水平的表達降低。

褪黑素可以引起kisspeptin mRNA表達水平的變化，從而影響生殖系統(tǒng)的改變。動物生殖內分泌是一個復雜的過程，傳統(tǒng)的研究主要集中在HPGA上，研究生殖軸上相關促性腺激素、性腺激素的釋放和抑制調控生殖，研究范圍存在局限性，對生殖調控的確切機制難以深入透徹的了解，仍然處在一個模糊的階段，并且與生殖相關的激素還在不斷的更新。褪黑素的研究涉及到很多方面，從前人的研究發(fā)現，其對動物的生殖調控也非常重要，在不同品種的動物，生長階段的影響效果也有所不同。松果體晝夜節(jié)律功能是調控繁殖的基礎，在褪黑素的適當干預下也許還可以推遲神經和性腺功能的年齡。

5展望

綜上所述，隨著褪黑素被第一次發(fā)現后，已過去幾十年，褪黑素在調控GnRH、LH、FSH及其他性腺激素的分泌方面具有重要作用，不同物種間存在較大差異，且這些研究僅局限于對激素水平的變化，至于褪黑素是如何調控生殖激素的仍不清楚。筆者認為將來這方面的研究以下三個方面需要闡明：①褪黑素影響動物生殖激素分泌的確切機制；②褪黑素調控生殖激素的研究目前主要在嚙齒動物、羊和人的報道，其他動物如家禽方面還沒有涉及；③拓展褪黑素對新發(fā)現的與生殖密切相關的其他激素方面研究。

參考文獻:

[1]Lerner A B,Case J D,Takahashi Y,et al.Isolation of melatonin,the pineal gland factor that lightens melanocytes[J].Am Chem Soc,1958,10:2587.

[2]Tan D X,Zheng X,Kong J,et al.Fundamental issues related to the origin of melatonin and melatonin isomers during evolution:relation to their biological functions[J].Int J Mol Sci,2014,15 (9):15858-15890.

[3]Wurtman R J,Axelrod J,Chu E W.Melatonin,a pineal substance: effect on the rat ovary[J].Science,1963,141(3577):277-278.

[4]Reiter R J,Blask D E,Johnson L Y,et al.Melatonin inhibition of reproduction in the male hamster:its dependency on time of day of administration and on an intact and sympathetically innervated pineal gland[J].Neuroendocrinology,1976,22(2):107-123.

[5]何潔玉,吳建云,李良娟, 等.神經膠質細胞對GnRH神經元的調控機制研究進展[J].動物醫(yī)學進展,2015,36(6):138-141.

[6]Roy D,Belsham D D.Melatonin receptor activation regulates GnRH gene expression and secretion in GT1-7 GnRH neurons.Signal transduction mechanisms[J].J Biol Chem,2002,277:251-258.

[7]Li S,Givalois L,Pelletier G.Effects of aging and melatonin administration on gonadotropin-releasing hormones (GnRH) gene expression in the male and female rat[J].Peptides,1997,18(7):1023-1028.

[8]Servili A1, Herrera-Pérez P, Del Carmen Rendón M,et al.Melatonin inhibits GnRH-1,GnRH-3 and GnRH receptor expression in the brain of the European Sea Bass,Dicentrarchuslabrax[J].Int J Mol Sci,2013,14(4):7603-7616.

[9]Lombardo F,Gioacchini G,Fabbrocini A,et al.Melatonin-mediated effects on killifi sh reproductive axis[J] .Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol,2014 ,172:31-38.

[10]Wang L,Zhuo Z Y,Shi W Q,et al.Melatonin promotes superovulation in Sika Deer (Cervusnippon) [J].Mol Sci,2014,15(7):12107-12118.

[11]Vanecek J.Inhibitory effect of melatonin on GnRH-induced LH release.[J].Rev Reprod,1999,4(2)：67-72.

[12]Kocher L,Lornage J,Claustrat B.Persistence of fertility despite semen alterations in a pinealectomised patient treated with melatonin[J].Neuro Endocrinol Let,2013,34(8):763-766.

[13]Sebert M E,Legros C,Weltzien F A,et al.Melatonin activates brain dopaminergic systems in the eel with an inhibitory impact on reproductive function[J].J Neuroendocrinol,2008,20(7):917-929.

[14]Ramadana T A,Sharmab R K,Phuliab S K.Effectiveness of melatonin and controlled internal drug release device treatment on reproductive performance of buffalo heifers during out-of-breeding season under tropical conditions[J] .Theriogenology,2014,82(9):1296-1302.

[15]Diaz E,Pazo D,Esquifino A I,et al.Effects of ageing and exogenous melatonin on pituitary responsiveness to GnRH in rats[J].J Reprod Fertil,2000,119(1):151-156.

[16]Chuffa L G,Seiva F R,Fávaro W J,et al.Melatonin reduces LH, 17 beta-estradiol and induces differential regulation of sex steroid receptors in reproductive tissues during rat ovulation[J] .Reprod Biol Endocrinol,2011,9:108.

[17]王娟,孫毅,程龍,等.三種生殖激素對灘羊卵母細胞體外成熟的影響[J].動物醫(yī)學進展,2013,34(7):12-16.

[18]Rossi S P,Matzkin M E,Terradas C,et al.New insights into melatonin/CRH signaling in hamster Leydig cells[J].Gen Comp Endocrinol,2012,178(1):153-163.

[19]Raise A,Chandana H.Effect of intra-testicular melatonin injection on testicular functions,local and general immunity of a tropical rodent Funambulus pennanti[J].Endocrine,2010,37(3):479-488.

[20]Baburski A Z,Sokanovic S J,Janjic M M,et al.Melatonin replaceme nt restores the circadian behavior in adult rat Leydig cells af ter pinealectomy[J].Mol Cell Endocrinol,2015,413:26-35.

[21]Casao A,Pérez-Pé R,Abecia J A,et al.The effect of exogenous melatonin during the non-reproductive season on the seminal plasma hormonal profile and the antioxidant defence system of Rasa Aragonesa rams[J].Anim Reprod Sci,2013,138(3-4):168-174.

[22]Rekik M,Taboubi R,Ben Salem I,et al.Melatonin administration enhances the reproductive capacity of young rams under a southern Mediterranean environment[J].Anim Sci,2015,86(7):666-672.

[23]Raj K S,Scotophilus H,Amitabh K.Melatonin affects steroidogenesis and delayed ovulation during winter in vespertilionid bat[J].J Steroid Biochem Mol Biol,2010,118(1-2):107-116.

[24]Giovanni M.Similar photoperiod-related birth seasonalities among professional baseball players and lesbian women with an opposite seasonality among gay men:Maternal melatonin may affect fetal sexual dimorphism[J].Psychiatry Res,2014,216(3):424-431.

[25]Alvarez-García V,González A, Martínez-Campa C,et al.Melatonin modulates aromatase activity and expression in endothelial cells[J].Oncol Rep,2013 ,29(5):2058-2064.

[26]Ghosh S,Singh A K,Haldar C.Seasonal modulation of immunity by melatonin and gonadal steroids in a short day breeder goatCaprahircus[J].Theriogenology,2014,82(8):1121-1130.

[27]Wang S J,Liu W J,Wu C J,et al.Melatonin suppresses apoptosis and stimulates progesterone production by bovine granulosa cells via its receptors (MT1 and MT2)[J].Theriogenology,2012,78(7):1517-1526.

[28]Carnevali O,Gioacchini G,Maradonna F,et al.Melatonin induces follicle maturation in Danio rerio[J].PLoS One,2011,6(5):e19978.

[29]Alvarado M V,Carrillo M,Felip A.Melatonin-induced changes in Kiss/Gnrh gene expression patterns in the brain of male sea bass during spermatogenesis[J].Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol, 2015,185: 69-79.

Progress on Regulation of Melatonin in Animal Reproductive Endocrinology

ZHU Gen-bao1, YU Lan-lan2,LIU Ya1,2

(1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui,230036,China；2.LocalAnimalGeneticResoursesConservationandBiobreedingLaboratoryofAnhuiProvince,Hefei,Anhui,230036,China)

Abstract:Melatonin is a kind of neuroendocrine hormone which is secreted by the pineal gland, it has involved in immune reaction,rhythm regulation of life activities and other functions,and is closely related with reproductive endocrine.At present,the research on melatonin mainly focused on the human cancer and plants,but the research on the reproductive endocrine of animals is less,and the depth is shallow.Studies show that melatonin can regulate the endocrine function of the hypothalamus pituitary gonadal axis,promote or inhibite gonadotropin releasing hormone (GnRH),follicle stimulating hormone (FSH),luteinizing hormone (LH) and gonadal hormone secretions.In different species,the effect of melatonin is different.In the paper,the regulation of melatonin on gonadotropin-releasing hormone,follicle-stimulating hormone,luteinizing hormone,gonadal hormone and other reproductive hormones were reviewed in order to provide the basis for regulation of animal reproductive endocrine by melatonin and a better understanding of the role of melatonin in the regulation of animal reproduction.

Key words:melatonin;reproductive endocrinology;gonadotropin-releasing hormone;follicle-stimulating hormone;luteinizing hormone;gonadal hormone

文章編號:1007-5038(2016)03-0094-05

中圖分類號:S852.21

文獻標識碼:A

作者簡介：朱根寶(1991-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事臨床獸醫(yī)學研究。*通訊作者

基金項目：國家自然科學基金項目(31472096);安徽省自然科學基金項目(1308085QC54))

收稿日期：2015-07-25