熱應(yīng)激影響動物生殖的表觀遺傳學(xué)機制研究進(jìn)展

魏金銷 ，申艷超 ，張士坤 ，張 偉 ，白躍宇 ，3

（1.河南省種牛遺傳性能測定中心，鄭州 450046；2.河南科技學(xué)院動物科技學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003；3.河南省動物衛(wèi)生監(jiān)督所，鄭州 450008）

隨著全球溫室效應(yīng)的增加和我國畜牧業(yè)集約化、產(chǎn)業(yè)化程度的提高，熱應(yīng)激在動物生產(chǎn)上的危害已日趨嚴(yán)重。諸多研究表明，熱應(yīng)激對雌雄性動物的生殖具有顯著的負(fù)面影響，可導(dǎo)致其生殖細(xì)胞損失和精液質(zhì)量不佳［1-4］。

表觀遺傳學(xué)是在基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，研究可遺傳的基因表達(dá)改變，從而闡明基因組功能、基因表達(dá)調(diào)控及其在生物體中的作用，是一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。表觀遺傳學(xué)機制在動物生殖過程中各個方面都起到廣泛而巨大的作用。因此，通過表觀遺傳學(xué)研究動物熱應(yīng)激機制對降低動物高溫天氣的養(yǎng)殖損失具有重要意義。

1 熱應(yīng)激對動物生殖機能的影響

1.1 熱應(yīng)激對雄性動物生殖機能的影響

睪丸是雄性動物具有繁殖能力的組織。精原細(xì)胞通過有絲分裂、減數(shù)分裂和細(xì)胞分化最終形成精子，這一過程需要適宜的內(nèi)外環(huán)境，與溫度有關(guān)的變化都可能導(dǎo)致雄性動物精子的異常，造成不育［5-6］。Rahman 等［7］和Schüller等［8］在多個熱帶或亞熱帶地區(qū)的研究結(jié)果表明，高溫氣候?qū)︷B(yǎng)殖業(yè)的負(fù)面影響非常明顯，可導(dǎo)致種公牛在夏季的生殖性能下降。Wang 等［9］、Yeste 等［10］研究報道了夏季高溫作為一種熱應(yīng)激源對牛、山羊、兔子等多種草食動物的精子質(zhì)量有著嚴(yán)重負(fù)面影響。也有研究報道指出，夏季高溫對種公牛的精子質(zhì)量有著嚴(yán)重影響，可導(dǎo)致種公牛（例如利木贊，夏洛來、皮埃蒙特牛等）出現(xiàn)不射精或射少量的精液，精子活力降低，密度中下等，顏色灰白色，活精子百分?jǐn)?shù)、頂體完整率均顯著降低，精子畸形率也顯著升高（P＜0.05）。Rahman等［1］通過熱應(yīng)激對牛精子影響的研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)育減數(shù)分裂階段的精子更容易受到熱應(yīng)激的影響。

1.2 熱應(yīng)激對雌性動物生殖機能的影響

熱應(yīng)激對雌性動物的生殖具有廣泛的負(fù)面影響。Kadokawa等［11］研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激會導(dǎo)致母牛發(fā)情周期的縮短和發(fā)情程度減弱，而且增大母牛不發(fā)情的發(fā)生率。此外，熱應(yīng)激對母牛卵母細(xì)胞、受精過程、早期胚胎形成、胚胎發(fā)育諸多方面都有負(fù)面影響［12］。Ozawa等［13］研究發(fā)現(xiàn)，雌性山羊暴露于36.8℃和70%的相對濕度環(huán)境中48 h后，其卵泡生長發(fā)育受到抑制，LH受體表達(dá)減少和卵泡雌二醇合成活性降低。Schüller等［14］的研究結(jié)果表明，熱應(yīng)激對奶牛同樣存在諸多負(fù)面影響，高溫高濕環(huán)境下母牛血清中雌二醇水平急劇下降，血液中孕酮水平上升，限制了發(fā)情期內(nèi)LH的波動和釋放，從而阻止排卵。St-Pierre等［15］研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激導(dǎo)致奶牛繁殖力降低40%～50%，產(chǎn)犢到懷孕平均間隔延長到59.2 d，因繁殖疾病而增加的淘汰率達(dá)7.99%。也有研究報道，牛舍氣溫從33.3℃升高至41.7℃時，奶牛的受胎率從61.5%下降至31.0%。

2 熱應(yīng)激影響動物生殖的表觀遺傳學(xué)機制

2.1 對配子及其發(fā)生的影響

2.1.1 對雄性配子及其發(fā)生的影響 表觀遺傳學(xué)機制參與熱應(yīng)激對精子發(fā)生的影響。雄配子發(fā)生是精原細(xì)胞（PGCs）連續(xù)分化和發(fā)展的過程［1］。PGCs分裂后形成A、B兩種類型精原細(xì)胞。B型精原細(xì)胞分裂增殖為初級精母細(xì)胞，初級精母細(xì)胞進(jìn)行第1次分裂，形成2個次級精母細(xì)胞。次級精母細(xì)胞再立即進(jìn)行第2次分裂，形成 2 個精子細(xì)胞［16］。Houston 等［17］研究發(fā)現(xiàn)，在精原細(xì)胞2次分裂過程中，存在一定的熱敏感階段，當(dāng)雄性小鼠暴露于35℃的高溫環(huán)境中24 h，發(fā)現(xiàn)其精子線粒體ROS生成增加，精子膜流動性增加，單鏈斷裂形式的DNA損傷和氧化DNA損傷顯著增加。Leung等［18］研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激牛產(chǎn)生的精子在體外形成合子的過程中，與正常精子相比，由于其甲基化和去甲基化的程式發(fā)生了改變，導(dǎo)致其受精率顯著下降，合子發(fā)育出現(xiàn)異常。Rao等［19］通過對小鼠生殖性能的熱應(yīng)激試驗發(fā)現(xiàn)，與對照組正常小鼠相比，熱應(yīng)激組小鼠睪丸發(fā)生顯著的生殖細(xì)胞凋亡，而且，有11種microRNA顯著表達(dá)變化，例如，miR-4493-3p，miR-92a 1-5p，miR-423-3p，miRNA-1283p。此外，在線蟲的研究中，當(dāng)在32℃下加熱 15、20、25 h 后，與對照組相比，miR-71a、miR-80、miR-229的缺失，miR64-66團簇的熱敏感性，miR-23的缺失導(dǎo)致其耐熱性［20］。

2.1.2 對雌配子及其發(fā)生的影響 在哺乳動物中，卵母細(xì)胞數(shù)量在出生時已固定。與雄配子類似，雌配子同樣受到熱應(yīng)激的負(fù)面影響。Itami等［21］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用短期熱應(yīng)激（41.5℃）處理母豬卵丘卵母細(xì)胞復(fù)合物（COCs）時，其熱休克蛋白72的表達(dá)水平上升，而且誘導(dǎo)線粒體降解。夏季高溫?zé)釕?yīng)激會導(dǎo)致牛卵巢中顆粒細(xì)胞諸如熱休克蛋白家族HSP60、HSP70、HSP90等的microRNA表達(dá)發(fā)生巨大變化，其中175個基因上調(diào)表達(dá)，1 036個基因下調(diào)表達(dá)，值得關(guān)注的是多種表觀遺傳學(xué)相關(guān)的基因發(fā)生變化，如miR-2358、miR-671等高表達(dá)［22］。

2.2 對母畜受精的影響

越來越多的研究表明，熱應(yīng)激通過表觀遺傳學(xué)機制影響動物的受精過程。在受精過程中，當(dāng)精子穿透卵母細(xì)胞后，精子DNA會被去甲基化，這一步是形成合子的必需步驟，如果精子發(fā)生染色質(zhì)凝聚會導(dǎo)致異常的精子DNA甲基化。當(dāng)用熱應(yīng)激后的牛精子進(jìn)行受精的時候，與正常精子相比，在受精后18 h和24 h，牛受精卵中父核DNA顯著減少去甲基化，而且受精率顯著下降［16］。

2.3 對胚胎發(fā)育的影響

胚胎發(fā)育是胚胎在母體子宮內(nèi)形成和發(fā)育的過程。隨著研究的深入，有大量報道指出表觀遺傳機制在胚胎發(fā)育過程中起到廣泛而重要的作用。例如，胚胎發(fā)育過程中的DNA甲基化小鼠在胚胎發(fā)育過程中，從受精卵到囊胚期，全基因組DNA甲基化顯示出持續(xù)下降。與此相反，DNA甲基化在胚胎早期階段較低，但隨著6～8個細(xì)胞階段發(fā)育，其DNA甲基化增加直到囊胚期，并且在猴子胚胎8細(xì)胞期全基因組DNA甲基化升高［23］。熱應(yīng)激通過表觀遺傳調(diào)控可能直接影響胚胎發(fā)育。研究熱應(yīng)激對不同的培養(yǎng)條件下受精卵發(fā)育能力影響的結(jié)果表明，在重度和中度（41°C和40°C）熱應(yīng)激條件下，大多數(shù)胚胎發(fā)育在2細(xì)胞時期停滯。Dobbs等［24］通過RT-PCR檢測胚胎存活和滋養(yǎng)層細(xì)胞分化基因表達(dá)的研究發(fā)現(xiàn)，在長期溫和的熱應(yīng)激（39°C）條件下，與細(xì)胞表觀遺傳調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子GATA3、Cdx2、Tcfap2c顯著降低，暗示熱應(yīng)激可以通過改變與細(xì)胞表觀遺傳調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而作用于胚胎發(fā)育。

2.4 對生殖相關(guān)激素的影響

雖然熱應(yīng)激對生殖相關(guān)激素的作用廣泛，但是其表觀遺傳學(xué)機制報道較少。Choi等［25］研究發(fā)現(xiàn)，采用RNA芯片分析急性熱應(yīng)激刺激排卵后期荷斯坦奶牛優(yōu)勢卵泡中顆粒細(xì)胞相關(guān)生理指標(biāo)以及RNA表達(dá)，發(fā)現(xiàn)mir-2480表達(dá)顯著下調(diào)。Tomer等［26］的研究結(jié)果表明，當(dāng)熱應(yīng)激處理3日齡雛雞，發(fā)現(xiàn)其腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（CRH）內(nèi)含子的DNA CpG甲基化（5mC）和羥甲基化（5hmC）作為調(diào)控元件調(diào)控其表達(dá)。Vanselow等［27］采用褪黑素處理熱應(yīng)激后的豬卵母細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，處理后的豬卵母細(xì)胞的體外成熟和囊胚率均有提高。而SIRT1蛋白是生命體中廣泛存在的一類依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），在體內(nèi)與多種組蛋白為底物，通過去乙?；饔脕碚{(diào)節(jié)其活性的一種組蛋白脫乙酰酶；其廣泛參與調(diào)控哺乳動物細(xì)胞壽命的信號及糖代謝、胰島素分泌等多條代謝通路，對代謝綜合征、細(xì)胞凋亡、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等發(fā)揮重要作用［28-30］。暗示褪黑素可能通過SIRT1參與組蛋白的乙?；揎椃绞絽⑴c熱應(yīng)激下豬卵母細(xì)胞的體外成熟。

3 小結(jié)

隨著全球溫室效應(yīng)劇增，夏季高溫作為一種熱應(yīng)激源對動物生殖產(chǎn)生越來越大的影響，對世界各國的畜牧生產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。表觀遺傳學(xué)機制在動物生殖過程中各個方面都起到廣泛而巨大的作用，而且還在不斷地深入研究和擴大。因此深入研究熱應(yīng)激影響動物生殖的表觀遺傳學(xué)機制，不僅給諸如醫(yī)學(xué)、生殖生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科提供理論借鑒，而且為解決夏季高溫這一熱應(yīng)激源導(dǎo)致的實際畜牧業(yè)生產(chǎn)中的問題提供理論支持。