褪黑素對毛皮動物生產(chǎn)性能及皮膚毛囊相關(guān)基因表達(dá)影響研究進(jìn)展

郭躍躍,宋興超,王海軍,邢秀梅,張宇飛,徐 超*,趙家平*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部特種經(jīng)濟(jì)動物遺傳育種與繁殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林省特種經(jīng)濟(jì)動物分子生物學(xué)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春 130112；2.吉林省野生動物救護(hù)繁育中心，吉林長春 130119)

1958年，皮膚病專家Lerner首次從牛的松果體提取物中純化得到一類激素，這類激素可以凝聚兩棲動物和魚類中的色素使其皮膚顏色變淺，因此被命名為褪黑素[1]。研究證明，褪黑素是廣泛存在于原核生物、單細(xì)胞生物、真菌、植物和動物中的一種吲哚胺類分子，主要是由哺乳動物和人類的松果體產(chǎn)生。褪黑素屬于吲哚雜環(huán)類化合物，又被稱為松果體素、松果腺素、美拉酮寧、抑黑素、褪黑激素、褪黑色素。褪黑素合成后，儲存在松果體內(nèi)，交感神經(jīng)興奮支配松果體細(xì)胞釋放褪黑素入血。褪黑素的分泌具有明顯的晝夜節(jié)律，白天分泌受到抑制，晚上分泌旺盛[2]。褪黑素最終在肝臟中代謝，肝細(xì)胞的損傷可影響體內(nèi)褪黑素的水平[3]。

根據(jù)理解前人的研究內(nèi)容，本文對褪黑素的生物合成作簡要介紹，圍繞褪黑素對毛皮動物生產(chǎn)性能影響的作用機(jī)制，揭示褪黑素在毛皮動物生長中的作用，同時闡述了褪黑素對皮膚毛囊相關(guān)基因表達(dá)量的影響，以期為動物毛皮品質(zhì)遺傳機(jī)制提供進(jìn)一步的研究思路[4]。

1 褪黑素的生成

褪黑素主要是由哺乳動物的松果體合成的一種神經(jīng)內(nèi)分泌激素，其他合成部位包括皮膚、視網(wǎng)膜、血小板、胃腸道、哈德氏腺、皮膚眼眶腔的副淚腺、唾液腺、腸的嗜鉻細(xì)胞瘤以及紅細(xì)胞[5]。此外，某些變溫動物的眼睛和腦部也可以合成少量的黑色素，但是合成量相對來說比較少。松果體合成褪黑素的過程如下：首先色氨酸在色氨酸羥化酶的催化作用下轉(zhuǎn)變成5-羥色氨酸；然后5-羥基色氨酸在芳香族氨基酸脫羧酶的催化作用下轉(zhuǎn)變成5-羥色胺；從5-羥色胺轉(zhuǎn)變成褪黑素可以分為兩條途徑。第一條途徑是5-羥色胺在N-乙?；D(zhuǎn)移酶和羥基吲哚氧-甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，經(jīng)過N-乙?；?5-羥色胺轉(zhuǎn)變成N-乙酰基-5-甲氧基色胺，即褪黑素；第二條途徑是5-羥色胺在羥基吲哚氧-甲基轉(zhuǎn)移酶的催化作用下轉(zhuǎn)變成5-甲氧基色胺，隨后在N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶的作用下，5-甲氧基色胺被催化生成褪黑素[6]。哺乳動物在出生后才開始合成褪黑素，目前世界上已經(jīng)可以人工合成褪黑素。

2 褪黑素的功能

大量研究表明褪黑素具有廣泛的生理作用，如鎮(zhèn)痛、保護(hù)心血管細(xì)胞、保護(hù)胃腸道、防止病變、調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、調(diào)節(jié)免疫作用、降低血壓、抗衰老及抗腫瘤等多種功能[7]。同時，褪黑素對生殖系統(tǒng)也具有一定的作用，主要表現(xiàn)在影響一些激素的含量，如促性腺激素釋放激素、雄激素、雌激素、促卵泡素、促黃體素。褪黑素可抑制下丘腦-垂體-性腺軸，使促性腺激素釋放激素、促性腺激素、黃體生成素以及卵泡雌激素的含量均減低，并可直接作用于性腺，降低雄激素、雌激素及孕激素的含量。褪黑素對下丘腦-垂體-性腺軸(HPG)的主要表現(xiàn)是抑制作用，褪黑素是抑制促性腺激素釋放激素(GnRH)的關(guān)鍵因子，從而影響到促卵泡素和促黃體素的分泌。促卵泡素和促黃體素的濃度和比例直接調(diào)控卵母細(xì)胞的發(fā)育和成熟[8]。

2.1 調(diào)節(jié)睡眠作用

松果腺是鳥類、魚類、爬行類和兩棲類的生物鐘。但是進(jìn)化到哺乳動物后，生物鐘轉(zhuǎn)移到了下丘腦視交叉上核，松果腺就作為了一個附屬振蕩器，它產(chǎn)生的褪黑素作為內(nèi)源性同步因子，使環(huán)境周期和生物體的內(nèi)源性節(jié)律保持同步。成年人的松果體位于間腦頂部，卵圓形，灰紅色，長約為6 mm，寬約為4 mm。松果體會不斷地分泌褪黑素，褪黑素可以調(diào)節(jié)下丘腦視交叉上核的節(jié)律，起到調(diào)節(jié)睡眠的作用[9]。在趙景新[10]的研究中，多元回歸分析終末期腎病患者血清褪黑素水平與SOD和GSH-Px呈正相關(guān)，與MDA、NO、PSQI、L-6和CRP呈負(fù)相關(guān)，這預(yù)示了褪黑素可能與睡眠質(zhì)量有關(guān)。M Edalat-Nejad M等[11]發(fā)現(xiàn)睡眠質(zhì)量差在終末期腎病患者中十分常見，他給予終末期腎病患者口服外源性褪黑素3 mg后觀察到患者睡眠質(zhì)量明顯改善。吳至鳳等[12]人利用褪黑素治療腦損傷兒童，發(fā)現(xiàn)褪黑素可以改善兒童的睡眠質(zhì)量，減少夜間覺醒的次數(shù)。褪黑素劑量達(dá)到一定值時，不僅能與巴比妥鈉協(xié)同作用縮短小鼠的睡眠潛伏期，還能與戊巴比妥鈉協(xié)同作用增加入睡小鼠的個數(shù)，表明褪黑素具有調(diào)節(jié)睡眠的作用，這和國內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明褪黑素具有催眠的特性相一致。

2.2 調(diào)節(jié)免疫作用

褪黑素可以通過對先天性免疫和獲得性免疫兩方面的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對免疫力低下或者免疫缺陷的動物發(fā)揮免疫上調(diào)作用。褪黑素可以提高吞噬細(xì)胞的吞噬率、血清半數(shù)溶血值、體外抗體形成細(xì)胞數(shù)量以及淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率。羅建華[13]研究發(fā)現(xiàn)，幽門螺旋桿菌灌喂處理組小鼠毛發(fā)脫落嚴(yán)重且無光澤，腹腔注射褪黑素后，褪黑素處理組的小鼠毛發(fā)脫落情況較空白對照組相比有明顯的好轉(zhuǎn)。由此得知幽門螺旋菌感染時褪黑素可能具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)的作用。在Maestroni S等[14]研究發(fā)現(xiàn)，一定劑量的褪黑素可以增強(qiáng)抗體反應(yīng)以及增加抗體形成的細(xì)胞數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對免疫功能的調(diào)節(jié)。歐科鵬[15]發(fā)現(xiàn)，50 pg/mL褪黑素處理后的甲狀腺原代細(xì)胞中的甲狀腺過氧化物酶與對照組差異顯著，與小鼠試驗(yàn)相似。褪黑素可能通過濾泡細(xì)胞合成在抗氧化保護(hù)過程中保護(hù)甲狀腺細(xì)胞免受氧化影響。劉立峰等[16]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的褪黑素可以通過誘導(dǎo)人骨肉瘤MG-63細(xì)胞周期停滯而顯著抑制細(xì)胞增殖。在趙海玉等[17]的研究中，褪黑素的減少會導(dǎo)致大鼠T細(xì)胞亞群失衡，降低機(jī)體免疫功能的作用，同時還會降低體內(nèi)多種細(xì)胞因子的水平，降低免疫炎癥反應(yīng)而褪黑素可以顯著改善以上反應(yīng)所以推測褪黑素可能對免疫治療具有一定的作用。

2.3 抗衰老作用

褪黑素是一種強(qiáng)氧化劑，可以保護(hù)皮膚免受到氧化劑的影響。褪黑素會隨著人年齡的增加而減少，因此醫(yī)學(xué)界有人推測褪黑素的含量和人的年齡呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。20世紀(jì)90年代，Reiter R J等[18]首次證明褪黑素具有抗氧化劑活性且是一種高效的內(nèi)源性自由基清除劑，可以有效的清除羥自由基，減輕細(xì)胞的過氧化損傷，給細(xì)胞充足的更新時間，為細(xì)胞帶來活力。周龍[19]的研究結(jié)果證明褪黑素緩解了細(xì)胞衰老并且具有濃度依賴性，這種作用是通過激活SIRT1信號通路的方式實(shí)現(xiàn)的。在鄧海峰等[20]人的研究中，利用東茛菪堿使大鼠對Morris水迷宮測試產(chǎn)生了學(xué)習(xí)記憶障礙，然后發(fā)現(xiàn)褪黑素對由于東茛菪堿所致的大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙有明顯的改善作用并且發(fā)現(xiàn)褪黑素可以阻斷東茛堿對皮層長時程增強(qiáng)的抑制，認(rèn)為在一定程度上褪黑素可以緩解阿茲海默癥的病況。

3 生產(chǎn)性能

3.1 生長性能

褪黑素對動物的生長性能具有重要的作用。在段春輝等[21]人的研究中，調(diào)查了埋植褪黑素對絨山羊絨生長和生產(chǎn)性能的影響。試驗(yàn)中共有30只雌山羊，每10只山羊一種處理，包括對照組和試驗(yàn)組兩種。在4月和6月或6月植入褪黑素(2 mg/kg體重)的處理。和對照組相比，4月和6月種植羊絨產(chǎn)量和最大絨長分別增加了20.3%和15.7%(P<0.01)，平均啟動日期為2013年5月22日，停止日期為2014年3月26日。最終結(jié)果表明，在羊絨非生長期間植入褪黑激素是刺激羊絨生長和延長羊絨生長期的有效方法。

3.2 繁殖性能

研究表明，褪黑素對短日照動物普遍具有提前發(fā)情的作用，夜間褪黑素分泌量增加決定了雌激素對促性腺激素的抑制作用從而導(dǎo)致了綿羊的季節(jié)性發(fā)情。多個試驗(yàn)表明，在非繁殖季節(jié)給母羊注射褪黑素可以使母羊提前進(jìn)入發(fā)情期并且可以延長發(fā)情時間。此外，在精液稀釋液中添加5 mol/L～10 mol/L的褪黑素可以使精子存活時間變長，推測是褪黑素中有效的清除化學(xué)反應(yīng)中的羥基自由基有關(guān)，但是過高濃度的褪黑素會使精子發(fā)生聚集反應(yīng)。Zarazaga L A等[22]研究表明，褪黑激素治療不能提高生殖能力，但是可以在體重增加或體脂肪儲備不斷增加的情況下得到改善。

3.3 毛皮性狀

褪黑素對動物的毛皮質(zhì)量和等級具有一定的影響作用，用單因素試驗(yàn)探究褪黑素對獺兔的生長性能和毛皮質(zhì)量的作用。將200只55日齡～60日齡的健康生長的獺兔劃分為4組，每組飼喂含不同水平褪黑素的試驗(yàn)飼糧。試驗(yàn)結(jié)果表明，60日齡～150日齡，各試驗(yàn)組平均日增重均極顯著高于對照組，各試驗(yàn)組料重比均極顯著低于對照組。90、120、130、150日齡各試驗(yàn)組被毛密度均極顯著高于對照組。40 mg/kg試驗(yàn)組臀部、肩部、腹部的皮張厚度均顯著或極顯著低于對照組。由此可見，褪黑素可以提高獺兔平均日增重，降低料重比，同時提高獺兔被毛密度，促進(jìn)兔皮張?zhí)崆俺墒靃23]。

4 基因

4.1 FGF5

FGF5基因是FGF5家族的重要成員，具有典型的基因結(jié)構(gòu)，由3個外顯子和2個內(nèi)含子構(gòu)成。FGF5基因?qū)儆贛APK信號通路中的一個信號因子，除了FGF5基因，還有其他信號因子，例如NTRK3、PDGFA、PDGFR，此通路的信號因子，在毛囊周期性發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用，激活后可以促進(jìn)毛囊干細(xì)胞的增殖與分化。諸多試驗(yàn)已經(jīng)證明，F(xiàn)GF5基因在毛囊的發(fā)育中具有重要作用，是影響毛發(fā)長度的一個重要候選基因。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF5基因敲除后，鼠毛囊生長周期變長，鼠被毛變長。高愛琴等于2006年根據(jù)人和小鼠FGF5基因的同源序列設(shè)計(jì)引物，克隆測序了山羊的FGF5基因片段，并在內(nèi)蒙古絨羊、遼寧絨山羊和文登奶山羊中發(fā)現(xiàn)FGF5基因在外顯子1上的2個單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)。有研究者2009年研究了FGF5基因?qū)?nèi)蒙古絨山羊的影響，發(fā)現(xiàn)了與高愛琴等研究結(jié)果一致的SNP位點(diǎn)突變，并分析了SNP位點(diǎn)與絨毛性狀的關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)，多態(tài)位點(diǎn)對絨纖維伸直長度和含絨量有顯著影響[24]。此外，F(xiàn)GF5基因在毛發(fā)生長周期中還具有重要的調(diào)控作用。在趙德超[25]等的研究中，褪黑素顯著上調(diào)絨山羊皮膚FGF5的表達(dá)，同時增強(qiáng)FGF5基因與β-catenin、NTRK3、Hairless等基因之間的相關(guān)性。在受試動物中，褪黑素對FGF5基因的表達(dá)量產(chǎn)生影響從而影響了動物的毛囊發(fā)育等一系列生理過程，最終對動物的絨毛品質(zhì)產(chǎn)生了一定程度的影響。

4.2 Wnt10b

Wnt10b是Wnt家族中重要成員之一。前人研究得知，wnt10b基因在不同動物的不同組織中表達(dá)存在較大差異，Wnt10b激活Wnt信號分子，其對毛囊中黑色素細(xì)胞的分化起到重要的作用[26]。在麗春等[27]的研究中，以內(nèi)蒙古成年絨山羊?yàn)檠芯繉ο?，切取皮膚組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Wnt10b在成年絨山羊皮膚組織中毛囊生長期表達(dá)量先上升后緩慢下降，退行期呈現(xiàn)低表達(dá)，休止前期高表達(dá)，休止后期的表達(dá)量又開始緩慢下降。埋植褪黑素提高了休止期和退行期時Wnt10b在內(nèi)蒙古絨山羊成年羊皮膚組織中的表達(dá)量，使得整個毛囊生長周期中Wnt10b在皮膚組織中的表達(dá)量變化不明顯，導(dǎo)致下一個毛囊生長周期提前開始。Wnt10b參與毛囊生長過程的信號傳遞并在退行期到休止期轉(zhuǎn)變中發(fā)揮重要作用。而且，Wnt10b參與了外源性褪黑素促進(jìn)絨毛生長的毛囊周期性變化過程。近年來研究發(fā)現(xiàn)，Wnt10b在毛囊形成初始階段即表達(dá)于毛基板，同時伴隨著毛囊發(fā)育持續(xù)表達(dá)，Wnt0b蛋白在體外培養(yǎng)的胚胎表皮細(xì)胞中通過經(jīng)典的Wnt通路，誘導(dǎo)未成熟的表皮細(xì)胞向毛干及內(nèi)根鞘細(xì)胞分化，同時具有維持毛乳頭細(xì)胞的生物活性并維持毛干生長的能力。

4.3 Hairless

研究表明，毛囊基因的共同調(diào)控才能使毛發(fā)正常發(fā)育生長。Hairless基因是Jumonji家族中的一員，其在毛囊生長周期中扮演了重要的角色。Hairless基因是在皮膚和被毛結(jié)構(gòu)形成過程中起到重要作用的調(diào)節(jié)基因之一，其編碼的Hairless蛋白在皮膚、腦、肺、腸、肌肉、垂體中均表達(dá)，其中在皮膚和腦中的表達(dá)量較高，并且在毛囊中呈現(xiàn)周期性的表達(dá)變化[28]。前人研究得知，Wnt信號通路影響毛發(fā)的生長和分化，而Hairless基因控制第一次毛發(fā)轉(zhuǎn)換。Hairless基因與甲狀腺受體結(jié)合，共同維持毛囊細(xì)胞的增殖、分化、凋亡過程的平衡。Hairless基因可能促使毛囊從生長期過渡到退行期以及對毛發(fā)的生長發(fā)育過程的調(diào)控發(fā)揮重要的作用。在鼠類和人類中，Hairless基因的突變會導(dǎo)致除了部分鼻毛以外的毛發(fā)的缺失。由于Hairless蛋白的缺失，會導(dǎo)致Wnt/β-catenin信號分子的減少從而影響毛發(fā)的生長[29]。近年來研究發(fā)現(xiàn)Hairless基因抑制Wnt信號通路的一個抑制因子Wise基因的表達(dá)，Hairless基因在不同時期的表達(dá)變化可能影響Wnt信號的正常出現(xiàn)時間，從而導(dǎo)致毛囊周期異常[30]。

通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道閱讀可發(fā)現(xiàn)，褪黑素在皮膚毛囊相關(guān)基因表達(dá)量方面有重要的影響作用。褪黑素通過影響信號通路中的基因起到調(diào)節(jié)毛囊生長的作用從而影響毛皮動物的毛皮品質(zhì)。迄今為止，在許多遺傳機(jī)制經(jīng)過多年努力被科學(xué)研究所攻破時，應(yīng)逐漸重視褪黑素影響毛皮品質(zhì)的遺傳機(jī)制和機(jī)理，防止其脫離于人們視線之外而降低毛皮品質(zhì)的質(zhì)量及影響?zhàn)B殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對此，我們不僅要增強(qiáng)探索意識，更要依靠科學(xué)探索機(jī)制，探究機(jī)理，在探索褪黑素影響毛皮品質(zhì)機(jī)理的道路上共同發(fā)力，為動物毛皮品質(zhì)遺傳機(jī)制提供進(jìn)一步的研究思路。

5 展望

隨著國內(nèi)外學(xué)者對褪黑素研究的不斷深入，褪黑素在動物生產(chǎn)方面的應(yīng)用也越來越多。褪黑素對哺乳動物具有重要的作用，它可以調(diào)節(jié)睡眠，增強(qiáng)機(jī)體免疫力，抗衰老，同時也影響著動物毛皮的品質(zhì)。此外，影響毛皮動物毛皮好壞的因素多種多樣，褪黑素占據(jù)了一個很重要的地位，同時褪黑素也與多個影響皮膚毛囊生長的基因有關(guān)系。因此，施用不同濃度的褪黑素可以影響毛皮動物絨毛和針毛的特性和品質(zhì)。關(guān)注褪黑素的功能以及褪黑素在動物毛皮中的作用機(jī)理，可以從一個不同的角度理解影響毛皮品質(zhì)好壞的因素，以此為基礎(chǔ)探索毛皮動物毛皮品質(zhì)的遺傳機(jī)制?；谕屎谒氐墓δ苎芯?，褪黑素有可能會成為新的抗病毒治療的方法和途徑。