薛海龍,趙蒙,常彤,許保增
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所吉林省特種經(jīng)濟(jì)動物分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室,吉林 長春 130112)
春夏季節(jié)食物豐富、溫度適宜,最適合分娩動物和初生動物的生存,是最佳的分娩季節(jié)。為了確保在春夏季節(jié)分娩,妊娠期較短的動物(貂、狐、貉等)通常會在春季發(fā)情配種;妊娠期較長的動物(鹿等)會在秋季發(fā)情配種。雖然發(fā)情配種時間不同,但二者的分娩時間都在春夏季節(jié)。這種不同季節(jié)的光照時間長度對動物繁殖狀態(tài)的影響稱為光周期對繁殖活動的調(diào)控。光周期是指每天(24 h)的白晝和黑夜的長度比,不同季節(jié)對應(yīng)不同的光周期。光周期調(diào)控繁殖活動的過程中,光周期信號首先通過松果體轉(zhuǎn)化為褪黑素信號。褪黑素信號通過受體與垂體結(jié)節(jié)結(jié)合,垂體結(jié)節(jié)在褪黑素的刺激下通過不同的信號物質(zhì)連接不同的信號通路。一條通路作用于下丘腦,影響促性腺釋放激素的分泌,通過下丘腦垂體性腺軸,調(diào)節(jié)雌性動物的卵巢活動,調(diào)節(jié)繁殖活動,這條通路由垂體結(jié)節(jié)指向下丘腦稱為逆向調(diào)節(jié)通路;另一條通路作用于垂體遠(yuǎn)側(cè),影響催乳素的分泌,通過調(diào)節(jié)雌性動物的乳腺活動和乳汁分泌,影響繁殖活動,這條通路由垂體結(jié)節(jié)指向垂體遠(yuǎn)側(cè)稱為順向調(diào)節(jié)通路。本文總結(jié)了近年光周期調(diào)控動物繁殖的信號通路研究進(jìn)展,嘗試梳理光周期調(diào)控動物繁殖活動的主線。
光周期調(diào)控繁殖活動的逆向調(diào)節(jié)通路始于松果體(pineal gland,PG),經(jīng)過垂體結(jié)節(jié)(pars tuberalis,PT)、下丘腦中底部(mediobasal hypothalamus,MBH),通向正中隆起(median eminence,ME)。褪黑素(melatonin,MT)、促甲狀腺素(thyroid-stimulating hormone,TSH)、甲狀腺素(thyroid hormone,TH)、促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)是連接這條信號通路的重要信使。具體調(diào)節(jié)過程如下:光周期信號調(diào)節(jié) PG 中 MT 信號的分泌,MT 調(diào)節(jié) PT 中 TSH 的分泌,TSH調(diào)節(jié)MBH中TH的分泌,TH調(diào)節(jié)ME中GnRH的分泌;GnRH 通過下丘腦垂體性腺軸作用于雌性動物的卵巢,調(diào)節(jié)卵巢的活動,進(jìn)而影響繁殖活動。逆向通路的運(yùn)輸通過血管系統(tǒng)、細(xì)胞外間隙和伸長細(xì)胞的延伸來實(shí)現(xiàn)。目前的研究認(rèn)為逆向通路在季節(jié)性繁殖的哺乳動物中是保守的,如綿羊和倉鼠等。
光周期信號調(diào)節(jié)PG 中MT 的分泌過程如下:光照信號通過視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動,神經(jīng)沖動通過PG轉(zhuǎn)化為MT。MT 是反映光周期的信號物質(zhì)。MT 的分泌量與黑夜長度成正比[1]。這一過程是PG完成的,PG因形似松果而得名,位于下丘腦下方。低等脊椎動物的PG 能感受光刺激;哺乳動物的PG 已經(jīng)進(jìn)化為腺體組織,是一個神經(jīng)內(nèi)分泌換能器。
光周期信號轉(zhuǎn)化為MT 后,MT 通過受體與PT 結(jié)合,PT 在MT 作用下產(chǎn)生TSH。這一過程是通過PT完成的。PT 是腦內(nèi)重要的內(nèi)分泌中樞,位于腺垂體的喙(狀)部分,緊鄰下丘腦正中隆起、門脈和垂體遠(yuǎn)側(cè),通過漏斗隱窩和正中隆起的室管膜細(xì)胞延伸與第三腦室部分相連[2-3]。PT 高度表達(dá) MT 受體,而 MT 通過這些受體與其結(jié)合,調(diào)節(jié)其功能活性[4-5]。
TSH 能夠介導(dǎo)漏斗隱窩室管膜細(xì)胞層甲狀腺激素的合成。PT產(chǎn)生的TSH通過受體與MBH結(jié)合調(diào)節(jié)MBH 中TH 的濃度[6]。調(diào)節(jié)過程涉及MBH 表達(dá)中2種重要的酶:2 型甲狀腺素脫碘酶(Type 2 thyroid hormone deiodinase, Dio2)、3 型甲狀腺素脫碘酶(Type 3 thyroid hormone deiodinase,Dio3)。Dio2 催化無活性的四碘甲狀腺原氨酸(thyroxine ,T4)轉(zhuǎn)化為有活性的三碘甲狀腺原氨酸(triiodothyronine,T3);Dio3 催化 T4轉(zhuǎn)化為無活性的反T3。Dio2 和Dio3 共同調(diào)節(jié)T3、T4的比例。
TH是調(diào)節(jié)季節(jié)性繁殖的一種重要激素。切除甲狀腺后,八哥(鳥)即進(jìn)入持續(xù)性繁殖狀態(tài),綿羊繁殖季節(jié)向乏情季節(jié)過渡消失。T4 替代能反轉(zhuǎn)這種效果,但不能阻止乏情季節(jié)向繁殖季節(jié)的轉(zhuǎn)換。T3 能阻斷短日照誘導(dǎo)的西伯利亞倉鼠(長日照繁殖動物)的性腺萎縮[7-10]。
TH 對調(diào)節(jié)季節(jié)性繁殖的影響是通過調(diào)節(jié)ME 中GnRH的釋放來實(shí)現(xiàn)的。長日照會加速T3的積累,MBH T3 通過受體與ME 結(jié)合,影響GnRH 神經(jīng)末梢與ME的伸長細(xì)胞(tanycytes)間的神經(jīng)膠質(zhì)互作[11-12],進(jìn)而影響延伸到下丘腦正中隆起的 GnRH 神經(jīng)纖維末梢GnRH 的釋放[13],通過下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)節(jié)動物的繁殖活動。這種調(diào)節(jié)作用可能與TH 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的調(diào)節(jié)作用有關(guān)[14]。
光周期信號經(jīng)PG轉(zhuǎn)化為光周期信號、經(jīng)過PG轉(zhuǎn)化為MT 信號后,MT 信號轉(zhuǎn)遞到PT,PT 通過中間信使分子來調(diào)節(jié)垂體遠(yuǎn)側(cè)(pars distalis,PD)催乳激素(prolactin,PL)的分泌和門脈血管的發(fā)生,通過調(diào)節(jié)雌性動物的乳腺活動和乳汁的分泌,從而影響繁殖活動。這條通路由垂體結(jié)節(jié)(PT)指向垂體遠(yuǎn)側(cè)(PD),被稱為順向調(diào)節(jié)通路。
PD是順向通路中的重要調(diào)節(jié)位點(diǎn),主要通過分泌催乳激素(PL)來調(diào)節(jié)雌性動物的乳腺活動和乳汁的分泌,從而影響繁殖活動。PT 調(diào)節(jié)PD 活動的信使分子可能包括速激肽(tachykinins)[15]、分泌蛋白TAFA、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)[16]、內(nèi)源性大麻素(endogenous cannabinoid,EC)[17]。垂體結(jié)節(jié) PT 與 EC 共同構(gòu)成 PT-EC 系統(tǒng),這一系統(tǒng)首先發(fā)現(xiàn)于敘利亞倉鼠,受光周期的調(diào)控,隨后在人和大鼠上得到了證實(shí)。目前,2-花生基甘油(2-arachidonoylglycerol,2-AG)可能是 PT 最重要的 EC。EC 通過CB1 受體作用于PD 的星形濾泡細(xì)胞(folliculo-stellate,F(xiàn)S)。促皮質(zhì)激素細(xì)胞上也發(fā)現(xiàn)有CB1 受體,可能也是EC 的作用目標(biāo)[6]。
光周期調(diào)控繁殖活動是為了調(diào)整動物的分娩時間,使其在最佳的季節(jié)分娩。目前的研究結(jié)果表明,這一過程涉及多個調(diào)控位點(diǎn)和多種信使。調(diào)控位點(diǎn)包括PG、PT、MBH、ME、PD;相關(guān)信使包括MT、TSH、TH、GnRH、PL。不同的調(diào)控位點(diǎn)通過不同的信使和相關(guān)受體相互連接、相互作用,構(gòu)成不同的信號通路。PG、PT、MBH、ME 構(gòu)成逆向調(diào)節(jié)通路,通過調(diào)節(jié)GnRH 的釋放來調(diào)節(jié)性腺的活動來調(diào)節(jié)繁殖狀態(tài);PG、PT、PD 構(gòu)成順向調(diào)節(jié)通路,通過調(diào)節(jié)PL 的釋放來調(diào)節(jié)繁殖活動。目前光周期調(diào)控繁殖活動機(jī)理的研究對象主要集中于大鼠、小鼠、倉鼠、綿羊等動物,而對貂、狐、貉、鹿等特種動物極少涉及,這可能與特種動物數(shù)量稀少不易獲得有關(guān)。實(shí)際上,特種動物是典型的季節(jié)性繁殖動物,繁殖狀態(tài)受不同季節(jié)的光周期調(diào)控,是研究光周期調(diào)控繁殖活動機(jī)理的理想對象。研究光周期調(diào)控特種動物繁殖狀態(tài)的信號通路具有理論和現(xiàn)實(shí)雙重意義:理論上,可以進(jìn)一步揭示光周期調(diào)控動物繁殖狀態(tài)的分子本質(zhì);實(shí)踐上,有助于打破特種動物繁殖的季節(jié)性限制,縮短特種動物的繁殖周期,提高特種動物的繁殖效率,推動特產(chǎn)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。這樣做的目的是為了確保動物在最佳的季節(jié)分娩。近年來,圍繞光周期調(diào)控季節(jié)性繁殖的信號通路,國內(nèi)外開展了大量的研究工作。本文總結(jié)了近年光周期調(diào)控動物繁殖的信號通路研究進(jìn)展,嘗試梳理光周期調(diào)控動物繁殖活動的主線。一方面,這有利于揭示光周期調(diào)控繁殖活動的本質(zhì);另一方面,也有助于打破動物繁殖的季節(jié)性限制,進(jìn)一步提高動物的繁殖效率。