褪黑素對雌性動物繁殖的影響

李曉宇，許鐘峯，鄭 鵬

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030）

褪黑素（melatonin receptor）作為一種生殖激素可以通過控制促性腺激素和性激素的合成與分泌調(diào)節(jié)動物繁殖機(jī)能，進(jìn)而參與調(diào)控雌性動物卵巢功能、季節(jié)性繁殖和生理節(jié)律等過程［1］。近年來的研究表明，褪黑素在動物生理活動中扮演著重要的角色，尤其在免疫調(diào)控［2］、物種進(jìn)化［3］、抗癌［4］、抗衰老［5］等方面都發(fā)揮著十分重要的作用。文章從褪黑素對雌性動物卵巢功能的影響和對季節(jié)性動物繁殖的調(diào)控兩個(gè)方面進(jìn)行綜述，希望對后續(xù)相關(guān)研究和生產(chǎn)提供幫助。

1 褪黑素對雌性動物卵巢功能的影響

卵巢是雌性動物的生殖器官，卵巢功能直接影響雌性動物的繁殖能力，進(jìn)而影響?zhàn)B殖業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，因此維持卵巢功能穩(wěn)定是雌性動物繁殖的關(guān)鍵因素。而雌性動物的性成熟、性激素的分泌及卵泡和黃體的發(fā)育都與褪黑素有著密不可分的關(guān)系，褪黑素在雌性動物的排卵、妊娠和分娩過程中都發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.1 褪黑素受體在卵巢中的分布

哺乳動物的褪黑素受體（melatonin receptor，MTR）有兩種，分別為MT1和MT2［6－7］。C.K.Lee等［8］的研究表明，在禽類、人、大鼠的卵巢間質(zhì)細(xì)胞和排卵前的卵泡顆粒細(xì)胞中都有MTR的分布。在大鼠卵巢中，褪黑素與卵巢特異性結(jié)合的受體在發(fā)情前期比發(fā)情后期有所增加，說明雌激素能調(diào)節(jié)MTR的表達(dá)［9］。另有研究表明，牛顆粒細(xì)胞的生理活動受褪黑素的調(diào)控［10］。相關(guān)研究進(jìn)一步揭示了MT1在牛卵丘卵母細(xì)胞復(fù)合體中表達(dá)、而MT2基因僅在卵母細(xì)胞中表達(dá)的現(xiàn)象［11］。此外，研究人員還在卵泡液中發(fā)現(xiàn)了高水平的褪黑素，并且牛顆粒細(xì)胞中黃體細(xì)胞和卵泡中都存在褪黑素結(jié)合位點(diǎn)［12－13］。褪黑素受體在卵巢中的廣泛分布使得褪黑素對雌性動物卵巢功能調(diào)控起著重要作用。

1.2 關(guān)于褪黑素與卵巢功能的研究

1.2.1 褪黑素參與排卵的調(diào)控 由于褪黑素主要控制促性腺激素及性激素的合成和分泌，必定會影響雌性動物的生殖相關(guān)活動。研究人員在對小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，在排卵前促黃體素（LH）分泌能夠誘導(dǎo)卵巢顆粒細(xì)胞中MTI受體極大程度表達(dá)；同時(shí)在卵丘細(xì)胞中褪黑素合成酶SNAT（即AANAT）基因的表達(dá)水平也極顯著上升，卵泡液中的褪黑素水平也隨之升高［14］。這些研究結(jié)果表明，MT1很有可能是LH的下游信號分子，還可能參與調(diào)控卵巢顆粒細(xì)胞黃體化。相關(guān)試驗(yàn)人員進(jìn)一步進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在達(dá)到MT1受體峰前給小鼠注射外源性褪黑素能夠改善小鼠新生黃體的功能；外源性褪黑素還能使小鼠血清中孕酮水平上升，提高小鼠的胚胎附植點(diǎn)數(shù)，增加小鼠產(chǎn)仔數(shù)。后續(xù)研究表明，褪黑素對卵巢中顆粒細(xì)胞的調(diào)控主要是通過PI3K－Akt信號通路、細(xì)胞基質(zhì)受體（ECM－Receptor）的互作影響黃體細(xì)胞外基質(zhì)重塑和血管形成實(shí)現(xiàn)的［15］。上述結(jié)果表明：在雌性動物排卵的過程中褪黑素可以通過排卵前LH分泌使顆粒細(xì)胞MT1受體表達(dá)量增多；同時(shí)卵丘細(xì)胞大量合成褪黑素，作用于顆粒細(xì)胞的MT1受體，然后通過PI3K／Akt信號通路、外基質(zhì)重塑信號等方式調(diào)控顆粒細(xì)胞的黃體形成［14－15］。

1.2.2 褪黑素對卵泡和卵母細(xì)胞發(fā)育的調(diào)節(jié)作用先前的相關(guān)研究表明，褪黑素對體外和體內(nèi)卵母細(xì)胞成熟、發(fā)育中的卵泡、胚胎發(fā)育和其他生殖活動都有作用［16－19］。對于牛而言，適當(dāng)濃度的外源性褪黑素處理體外牛卵母細(xì)胞能夠顯著提高卵母細(xì)胞第一極體排出率，改變其細(xì)胞內(nèi)形態(tài)，使線粒體在細(xì)胞內(nèi)的分布更加均勻。相關(guān)研究結(jié)果也證實(shí)，適當(dāng)濃度的褪黑素處理后使囊胚形成率顯著提高、凋亡率下降［20］。外源性褪黑素處理體外牛卵泡試驗(yàn)結(jié)果表明：褪黑素能夠顯著促進(jìn)孕酮的分泌；并且通過促進(jìn)抗凋亡基因Bcl2的表達(dá)使Bcl2和Bax的比率增加，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡率下降，起到保護(hù)細(xì)胞的效果；而且褪黑素通過PI3K／AKT信號通路介導(dǎo)調(diào)控牛卵泡內(nèi)膜細(xì)胞凋亡和類固醇生成［21］。在對豬的研究中，褪黑素改善了豬卵母細(xì)胞體外成熟效果，促進(jìn)了豬卵母細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽酶的生成并提高了抗氧化活性，同時(shí)褪黑素對豬卵母細(xì)胞內(nèi)線粒體分布有一定的促進(jìn)作用，并且能清除活性氧（ROS），減少氧化損傷，從而促進(jìn)豬卵母細(xì)胞的發(fā)育成熟［22］。

1.2.3 褪黑素對卵巢應(yīng)激的保護(hù)作用 褪黑素對卵母細(xì)胞起著免受氧化應(yīng)激的保護(hù)作用［23－24］?；钚匝跷镔|(zhì)能夠抑制黃體細(xì)胞中黃體酮產(chǎn)生，而補(bǔ)充適量的外源性褪黑素能有效預(yù)防這種現(xiàn)象并且促進(jìn)妊娠早期黃體酮產(chǎn)生［25－26］。此外，褪黑素還可保護(hù)細(xì)胞核和線粒體DNA不受自由基的損害［27］。在對牛的研究中，研究人員在體外牛卵母細(xì)胞中加入外源性褪黑素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)褪黑素顯著抑制了牛體外成熟卵母細(xì)胞的氧化損傷，卵母細(xì)胞體外發(fā)育能力、胞內(nèi)谷胱甘肽（glutathione，GSH）水平、線粒體正常分布比率和Bcl－2／Bax mRNA比率顯著提高。進(jìn)一步探究結(jié)果表明，褪黑素是通過抑制p38絲裂原活化蛋白激酶的磷酸化和胞內(nèi)異常的H3K4和H3K9三甲基化修飾水平對細(xì)胞起到保護(hù)作用。在小鼠試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)褪黑素通過減少細(xì)胞核、線粒體和質(zhì)膜中的氧化應(yīng)激來保護(hù)小鼠卵泡中顆粒細(xì)胞的完整性［28－29］。

褪黑素對熱應(yīng)激也有一定的保護(hù)作用。熱應(yīng)激是一類非常常見的環(huán)境應(yīng)激，熱應(yīng)激容易造成母畜卵泡閉鎖、卵泡細(xì)胞凋亡以及卵母細(xì)胞非正常成熟。在小鼠試驗(yàn)中證明，褪黑素可以促進(jìn)熱應(yīng)激后小鼠卵母細(xì)胞的成熟，可以改善熱應(yīng)激后小鼠卵母細(xì)胞的紡錘體異常，還可以減少熱應(yīng)激后卵母細(xì)胞的早期凋亡［30］。研究者在豬的試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)，褪黑素能夠提高熱應(yīng)激豬卵母細(xì)胞的成熟效率［31］。在對羊的研究中，研究人員不僅得到與上述相似的結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠抑制羊顆粒細(xì)胞的凋亡［32］。除了外源性褪黑素，研究者還研究了植物中的抗氧化劑白藜蘆醇對雌性動物卵巢的應(yīng)激保護(hù)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇通過改善線粒體功能來緩解熱應(yīng)激帶來的氧化損傷，以保護(hù)豬卵母細(xì)胞體外成熟。說明白藜蘆醇也有緩解動物熱應(yīng)激的作用；但相關(guān)試驗(yàn)也證實(shí)，白藜蘆醇對動物熱應(yīng)激的緩解作用效果弱于褪黑素，當(dāng)兩者共同添加時(shí)緩解熱應(yīng)激作用達(dá)到最佳［33－34］。

2 褪黑素對季節(jié)性繁殖雌性動物的調(diào)控作用

在哺乳動物漫長的進(jìn)化過程中，形成了其特有的季節(jié)性生殖節(jié)律的生活特征，這種通過環(huán)境影響和自身調(diào)控兩方面介導(dǎo)的復(fù)雜繁殖機(jī)制使動物能夠在每年最適時(shí)間進(jìn)行繁殖活動，保證后代有較高的存活率，能夠更好地生長發(fā)育［35］。哺乳動物的季節(jié)性繁殖通常分為長日照繁殖和短日照繁殖兩種，光照時(shí)長能夠影響動物體內(nèi)內(nèi)源性褪黑素的分泌，使褪黑素在以光照作為強(qiáng)信號的繁殖動物群體中發(fā)揮極其關(guān)鍵的介導(dǎo)作用［36－38］。

2.1 應(yīng)用于短日照繁殖動物

常見的短日照繁殖動物有梅花鹿和綿羊。試驗(yàn)人員給非發(fā)情期梅花鹿母鹿注射適當(dāng)濃度的外源性褪黑素，結(jié)果母鹿體內(nèi)促卵泡激素（folliclestimulating hormone，F(xiàn)SH）濃度增加，促進(jìn)了卵泡發(fā)育；同時(shí)研究人員還發(fā)現(xiàn)母鹿體內(nèi)LH含量也顯著增加，這有利于母鹿達(dá)到較好的超排效果［39］。研究人員給切除了松果體的母綿羊注射適量外源性褪黑素，導(dǎo)致促性腺激素釋放激素（gonadotropin releasing hormone，GnRH）和LH釋放量同時(shí)顯著增加，從而激活其生殖活性；相反地，長日照模式中的褪黑素則會抑制母羊促黃體素的釋放和其生殖活性［40］。這說明褪黑素對短日照繁殖動物的生殖活性有一定的促進(jìn)作用。

2.2 應(yīng)用于長日照繁殖動物

倉鼠和家貓是常見的長日照繁殖動物，倉鼠較為典型。較早的研究表明，在長日照季節(jié)雌倉鼠有很強(qiáng)的繁殖活力，而在短日照季節(jié)繁殖性能會降到最低［41］。試驗(yàn)人員將雌倉鼠置于短光照周期下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些雌倉鼠會進(jìn)入乏情期，繁殖性能受到抑制［42－43］。試驗(yàn)人員對切除松果體后的雌倉鼠進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)沒有松果體的幼年雌倉鼠卵巢普遍比正常的大，且性成熟期提前；給這些雌倉鼠注射適量的外源性褪黑素以后，其卵巢重量減輕，性成熟期延遲。切除松果體后的成年雌倉鼠則出現(xiàn)發(fā)情現(xiàn)象，注射外源性褪黑素以后這種現(xiàn)象減少。因此，對于雌倉鼠來說，褪黑素有抑制其生殖活動的作用［35］。研究人員在對家貓進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，家貓卵巢活性會隨著光照時(shí)間變化而變化，即卵巢活性會隨著光照時(shí)間的縮短而減弱，當(dāng)日照再次變長時(shí)卵巢活性才能得到恢復(fù)［44］。此外研究人員還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性褪黑素會反向調(diào)節(jié)家貓的發(fā)情周期，褪黑素的分泌會抑制家貓雌激素生成和卵泡生長，還會導(dǎo)致其黃體水平下降［45］。對此，可以通過給家貓口服或注射外源性褪黑素來控制生殖。

3 展望

文章主要介紹了褪黑素在雌性動物上的一些繁殖調(diào)控作用，包括提高卵母細(xì)胞的成熟、改善黃體功能、抗應(yīng)激等。其中有關(guān)褪黑素的很多技術(shù)已經(jīng)在母畜繁殖生產(chǎn)中應(yīng)用，例如連續(xù)4 d給奶牛皮下注射適量褪黑素用以提高奶牛血液中白蛋白含量，降低皮質(zhì)醇、白細(xì)胞、淋巴細(xì)胞水平，提高奶牛機(jī)體免疫力，降低體細(xì)胞數(shù)［46］。奶牛配種時(shí)皮下注射適量褪黑素復(fù)合抗氧化劑用以提高奶牛產(chǎn)后首次配種的受胎率［47］。在梅花鹿養(yǎng)殖中，給超數(shù)排卵供體母鹿埋植40 mg褪黑素可以使黃體數(shù)量增加［48］。在適當(dāng)季節(jié)供給適量外源性褪黑素可以促進(jìn)貂、貉皮毛的生長，增加絨山羊產(chǎn)絨量，減少內(nèi)源性褪黑素可以提高動物產(chǎn)奶量。綜上所述，褪黑素在雌性動物繁殖方面的作用很廣泛，這也激勵學(xué)者更多地探索褪黑素在預(yù)防和治療雌性動物繁殖障礙疾病上的潛在作用。目前，更多的前沿技術(shù)應(yīng)用于褪黑素對雌性動物繁殖的影響研究，將有助于更深入地揭示褪黑素在動物生殖調(diào)控上的作用通路和分子機(jī)制。