褪黑激素的作用機(jī)制及生理功能

■楊永杰 楊 琳 朱勇文 王文策

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院廣東省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642)

褪黑激素（N-乙酰-5 甲氧基色胺），是一種吲哚胺類生物活性物質(zhì)，在哺乳動(dòng)物和鳥類的松果體和視網(wǎng)膜中通過黑暗信號(hào)來調(diào)節(jié)合成，分子式C13N2H16O2，相對(duì)分子質(zhì)量為232.27，被認(rèn)為是地球上最古老的信號(hào)分子之一。從單細(xì)胞生物、細(xì)菌到植物和動(dòng)物體內(nèi)都含有褪黑激素。1958 年，Lerner[1]首次從牛松果體中提取出一種能使兩棲類皮膚黑色素(melanin)褪黑變白的化合物，因而取名為褪黑激素(Melatonin，MT)。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，除松果體外，在動(dòng)物視網(wǎng)膜、禽類的哈氏腺、胃腸道和淋巴等外周組織中也可以合成褪黑激素。褪黑激素具有眾多的生物學(xué)功能，如調(diào)節(jié)生物節(jié)律、促進(jìn)睡眠、提高免疫、影響生殖生理、調(diào)節(jié)能量代謝、抗氧化和抗腫瘤等。本文綜述了褪黑激素在動(dòng)物機(jī)體的合成、分泌以及部分生物學(xué)功能。

1 褪黑激素的合成與分泌

褪黑激素主要由松果體合成，其他可合成的部位還有視網(wǎng)膜、晶狀體、眼眶腔的副淚腺、唾液腺、血小板、腸道嗜鉻細(xì)胞及紅細(xì)胞等[2]。當(dāng)外界暗信號(hào)刺激視網(wǎng)膜時(shí)，視網(wǎng)膜將信號(hào)沿著視網(wǎng)膜下丘腦束傳至下丘腦視交叉上核(SCN)。SCN 是人體內(nèi)生物節(jié)律的起搏點(diǎn)，也是生物節(jié)律信號(hào)產(chǎn)生和輸送的源頭，神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)過室旁核(PVN)再傳至脊髓中間旁核，由脊髓中間旁核傳至交感神經(jīng)節(jié)前纖維腎上腺皮質(zhì)纖維，到達(dá)頸上神經(jīng)節(jié)(SCG)，最后傳至松果體處起始褪黑激素的合成。交感神經(jīng)末梢按照晝夜節(jié)律在松果腺細(xì)胞中釋放去甲腎上腺素。去甲腎上腺素與膜上β-腎上腺素受體結(jié)合，啟動(dòng)環(huán)核苷酶系統(tǒng)，進(jìn)而激活N-乙?；D(zhuǎn)移酶(AANAT)合成褪黑激素[3]。在家禽上，光暗信號(hào)可以直接穿透顱骨，直接作用松果體來調(diào)節(jié)褪黑激素的合成。

哺乳動(dòng)物體內(nèi)的褪黑激素主要是松果體和視網(wǎng)膜合成，合成所需要的色氨酸直接從血液中攝取，色氨酸在色氨酸羥化酶(TPH)的作用下生成五羥色氨酸，然后在L-芳香族氨基酸脫羧酶(AADC)作用下生成五羥色胺。五羥色胺在N-乙?；D(zhuǎn)移酶(AANAT)的作用下轉(zhuǎn)化為N-乙酰-5-羥色胺，最后在羥吲哚-氧-甲基轉(zhuǎn)移酶(HIOMT，也稱ASMT)的作用下生成N-乙酰-5-甲氧基色胺，其中AANAT 和HIOMT 都被認(rèn)為是褪黑激素合成限速酶[2]。

褪黑激素在松果體合成后直接釋放到血漿中，并不貯存于松果體細(xì)胞，因此血清中褪黑激素含量能準(zhǔn)確反映松果體合成褪黑激素的量。血清中褪黑激素含量具有明顯的晝夜節(jié)律變化規(guī)律，產(chǎn)生量在白天很低，夜間逐漸升高，凌晨0 點(diǎn)到2 點(diǎn)達(dá)到高峰，然后逐漸下降[4]。

2 褪黑激素作用機(jī)制

褪黑激素在機(jī)體中發(fā)揮生物學(xué)功能主要是通過與不同的受體結(jié)合[5]，受體分為膜受體和核受體[6]。褪黑激素的膜受體主要有三種亞型，分為MT1、MT2和MT3，均為G 蛋白偶聯(lián)受體家族成員。這三種亞型都具有七個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，MT1 和MT2 通過激活Gi或Gq，通過修飾腺苷酸環(huán)化酶、磷脂酶C 和A2、鉀和鈣通道以及鳥苷酸環(huán)化酶的活性來介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)。

MT1 在腦部（包括下丘腦、小腦、海馬、黑質(zhì)和腹側(cè)被蓋區(qū)）、視網(wǎng)膜、心血管系統(tǒng)（包括外周血管、主動(dòng)脈和心臟）、免疫系統(tǒng)、睪丸、卵巢、皮膚、肝臟、腎臟、腎上腺皮質(zhì)、胰腺和脾臟等組織中表達(dá)[7-8]。其主要功能是抑制神經(jīng)活動(dòng)、調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、激素分泌和動(dòng)物繁殖。MT2 在腦（下丘腦、視交叉上核）、視網(wǎng)膜、垂體、血管、睪丸、腎、胃腸道、乳腺、脂肪組織和皮膚中表達(dá)。

MT1 受體激活后可導(dǎo)致一系列G 蛋白的激活，包括Gia2、Gia3 和Gαq 等。褪黑激素和膜表面受體結(jié)合后，和Gi 蛋白偶聯(lián)，直接抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，使得依賴性或者非依賴性的PKA 減少，從而影響反應(yīng)元件蛋白(CREB)，最終調(diào)節(jié)即刻早期基因(IEG)的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)[9]。另外，MT1受體也可以通過G 蛋白途徑直接活化細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)和c-Jun氨基末端激酶(JNK)。這兩種酶由胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，使得ATF、NF-κB(nuclear factor-κB)、c-fos、c-jun 的轉(zhuǎn)錄增加，從而增加蛋白質(zhì)水平[10]。除了與G 蛋白偶聯(lián)外，褪黑激素還可以激活磷脂酶C，開啟鈣通道，引起Ca2+濃度升高，激活蛋白激酶C(PKC)，引起級(jí)聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)行細(xì)胞的應(yīng)答，并通過活化CREB-ATF 誘導(dǎo)IEG 表達(dá)增加，或者是活化NF-κB 和其他轉(zhuǎn)錄因子(TF)[11]。除此之外，褪黑激素還可以抑制Ca2+-CaM 復(fù)合物的濃度，使得PKC 及下游分子 NF-κB、ROR 和其他 TF 的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)受到抑制[10]。

MT2 主要介導(dǎo)晝夜節(jié)律的調(diào)控，可以調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的相移、視網(wǎng)膜多巴胺的釋放、血管舒張以及免疫力的提高等。有研究表明，在免疫系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)MT2 受體的表達(dá)[12]。MT2 受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑包括磷酸肌醇的產(chǎn)生、腺苷酸環(huán)化酶的抑制和可溶性鳥苷酸環(huán)化酶的抑制。有研究表明，在大鼠的SCN 內(nèi)，褪黑激素通過影響MT2 受體來調(diào)節(jié)和增加蛋白激酶C活性。

MT3在肝臟、腎臟、腦、心、肺、肌肉和棕色脂肪以及眼部均有表達(dá)。MT3 為醌還原酶2，屬于還原酶一族，該酶屬于通過防止醌類的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)而參與氧化應(yīng)激保護(hù)的還原酶一類。

此外，褪黑激素還存在核受體，主要是維甲酸相關(guān)孤核受體亞家族(RZR/ROR)，包括 RORα、RORβ和RORγ三種亞型,最先被鑒定出來的是孤核受體類視黃醇Z 受體(RZRβ)[13-14]，隨后又發(fā)現(xiàn)了維甲酸相關(guān)的孤核受體(RORα)。RORα表達(dá)于小腦、皮膚、睪丸、淋巴系和髓系。RORβ表達(dá)于大腦和視網(wǎng)膜，RORγ則存在人體骨骼肌和胃癌細(xì)胞[15]。除了這兩種核受體外，褪黑激素的細(xì)胞質(zhì)受體也有報(bào)道。Macías 等[16]證明小鼠肝細(xì)胞中鈣網(wǎng)蛋白能與褪黑激素高度親和，鈣網(wǎng)蛋白主要存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，與褪黑激素結(jié)合后可以出現(xiàn)在細(xì)胞核中。Schuster 等[17]利用褪黑激素處理神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y 細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)褪黑激素是通過與鈣調(diào)蛋白作用，使得細(xì)胞內(nèi)cAMP合成量增加。

3 褪黑激素影響動(dòng)物的生理功能

3.1 影響免疫調(diào)節(jié)

褪黑激素與免疫系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較強(qiáng)，可通過多種途徑來調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)：一方面褪黑激素可以通過與免疫器官和免疫細(xì)胞中的受體結(jié)合來提高動(dòng)物免疫因子的活性，促進(jìn)免疫細(xì)胞增殖，增強(qiáng)免疫功能。對(duì)切除松果體后的大鼠研究發(fā)現(xiàn)，脾臟淋巴細(xì)胞在22:00達(dá)到峰值的晝夜節(jié)律被消除，而外源性補(bǔ)充褪黑激素可以促進(jìn)脾臟淋巴細(xì)胞的增殖；另外，有報(bào)道稱褪黑激素可促進(jìn)單核細(xì)胞產(chǎn)生白介素-6。Moore 等[18]用阿片受體阻斷劑納曲酮以不同劑量肌注于日本鵪鶉以抑制體內(nèi)免疫活性，并在飲水中添加褪黑激素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納曲酮?jiǎng)┝吭降?，褪黑激素調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞活性能力越強(qiáng)；另一方面，褪黑激素也可通過影響胸腺的功能來影響免疫細(xì)胞，調(diào)節(jié)免疫功能。Tian 等[19]在七月齡的雄性小鼠中連續(xù)40 d 給予外源性褪黑激素，發(fā)現(xiàn)小鼠胸腺細(xì)胞的數(shù)量和胸腺細(xì)胞的百分比顯著增加，同時(shí)減緩了隨年齡增加導(dǎo)致的胸腺退化。另外，褪黑激素還可增強(qiáng)大鼠胸腺淋巴細(xì)胞的增殖活性和DNA 合成速率。Sokolovic 等[20]利用微波誘導(dǎo)胸腺細(xì)胞的凋亡及增殖能力下降，但褪黑激素處理后則降低了胸腺細(xì)胞的凋亡率并提高了增殖能力。

褪黑激素還可通過活化T 細(xì)胞來增強(qiáng)機(jī)體免疫功能。Raghavendra 等[21]利用抗CD3 抗體和絲裂霉素C 處理脾臟細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)褪黑激素增強(qiáng)了CD4+T 細(xì)胞的增殖。同樣地，褪黑激素可顯著增加脾細(xì)胞衍生的CD4+T細(xì)胞中CD28+和p21的表達(dá)以及初始CD4+T細(xì)胞數(shù)量[22]。Lardone等[23]在肉雞的研究表明，血液中褪黑激素的濃度與胸腺中T細(xì)胞的增殖呈正相關(guān)，而松果體切除手術(shù)和使用MT1 拮抗劑均可以減少T 細(xì)胞的增殖。

3.2 影響抗氧化能力

褪黑激素具有強(qiáng)大的抗氧化能力，能清除包括強(qiáng)自由基、一氧化氮超氧負(fù)離子等多種自由基[24]。褪黑激素可以提高體內(nèi)抗氧化酶活性的同時(shí)還可抑制促氧化酶的活性。褪黑激素可以激活線粒體NO合酶，抑制小腦內(nèi)NO合酶的活性，減少NO的生成[25]。Albarrán 等[26]研究雞不同組織中超氧化物歧化酶的內(nèi)源節(jié)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)光照周期為12 h 光照∶12 h黑暗時(shí)，血漿抗氧化狀態(tài)出現(xiàn)了與褪黑激素濃度相關(guān)的24 h 的晝夜節(jié)律，活性峰值與褪黑激素峰值重合；當(dāng)雞暴露于恒定光照后，抗氧化活性的峰值下降且重合狀態(tài)消失，表明褪黑激素和抗氧化酶活性有關(guān)。Baydas 等[27]報(bào)道，切除了松果體的大鼠體內(nèi)GGSH-Px 活性水平受到抑制。說明褪黑激素在抗氧化過程中參與了各種抗氧化酶活性的調(diào)節(jié)。另外，褪黑激素還與鐵、銅、鋅等過渡金屬螯合發(fā)揮抗氧化功能：褪黑激素可通過芬頓反應(yīng)可以將Fe4+血紅蛋白還原回Fe3+，重新構(gòu)建血紅蛋白的生物學(xué)活性[28]；另一方面，褪黑激素還可以與銅離子作用，從而防止大鼠肝臟細(xì)胞中由銅介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化[29]。

也有研究表明，褪黑激素可保護(hù)線粒體在氧化過程不受損失：Martin等[30]證實(shí)，褪黑激素可刺激氧化磷酸化并促進(jìn)神經(jīng)元和肝細(xì)胞線粒體中ATP 的增加。Kashani 等[31]利用褪黑激素治療小鼠多發(fā)性硬化病變后，發(fā)現(xiàn)線粒體功能明顯改善，并減緩了疾病的發(fā)生。褪黑激素還可增加呼吸鏈復(fù)合物I和IV的活性，并減少了釕紅介導(dǎo)的大鼠機(jī)體線粒體損傷。釕紅是一種抑制線粒體Ca2+單轉(zhuǎn)運(yùn)體分子，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和線粒體解偶聯(lián)。對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，褪黑激素減少了激光照射誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞線粒體中活性氧的形成，并保護(hù)了線粒體DNA 的突變/缺失和細(xì)胞凋亡[32]。

3.3 影響生殖系統(tǒng)

褪黑激素對(duì)動(dòng)物繁殖活動(dòng)的影響會(huì)因動(dòng)物的種類、生理狀況不同而表現(xiàn)出抑制、促進(jìn)或者無影響等多種結(jié)果：褪黑激素對(duì)人、牛、老鼠和家禽具有生殖抑制作用，對(duì)綿羊和鹿等是促進(jìn)作用，對(duì)日照不敏感的動(dòng)物則表現(xiàn)出無影響。

季節(jié)性繁殖動(dòng)物的繁殖活動(dòng)主要受到下丘腦-垂體-性腺軸(HPGA)的影響。HPGA的季節(jié)性活動(dòng)又受到光周期的變化影響[33]。光刺激通過視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)作用于SCN，SCN 把信號(hào)傳到松果體，松果體將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)褪黑激素，褪黑激素再作用于下丘腦，調(diào)節(jié)促性腺激素抑制激素(GnIH)的釋放，或者作用于垂體促性腺激素的釋放，抑制性腺活動(dòng)，避免生殖器官過早發(fā)育[34]。褪黑激素除了影響HPGA 外，還能直接作用于性腺。利用同位素示蹤法研究發(fā)現(xiàn)，禽類、鼠和人類的睪丸和卵巢中都含有與G 蛋白偶聯(lián)的褪黑激素受體。褪黑激素可以直接影響附睪的形態(tài)和功能。研究表明，去勢(shì)后的大鼠附睪褪黑激素受體減少，而外源補(bǔ)充褪睪酮可以增加褪黑激素受體的數(shù)量[35]。

3.4 褪黑激素調(diào)節(jié)生物鐘的功能

晝夜節(jié)律生物鐘是動(dòng)物一個(gè)重要的調(diào)控系統(tǒng)，能使機(jī)體維持在一個(gè)穩(wěn)定的生理狀態(tài)。禽類的晝夜節(jié)律系統(tǒng)比哺乳動(dòng)物更為復(fù)雜，由松果體、視網(wǎng)膜、下丘腦和SCN 組成。褪黑激素既有直接誘導(dǎo)睡眠作用，也有晝夜節(jié)律相移[36]。褪黑激素能直接作用于SCN 上MT1 和MT2 受體來改變其節(jié)律性活動(dòng)、振幅和相位[37]。MT1 與SCN 電活動(dòng)的抑制相關(guān)，而MT2 則與相位移有關(guān)[38]。在持續(xù)光照條件下，禽類摘除松果體能夠破壞它們的晝夜節(jié)律，而通過外源添加則可以恢復(fù)摘除松果體后的無節(jié)律性體溫調(diào)節(jié)和進(jìn)食的節(jié)律性[39]。Cantwell 等[40]的研究也表明，在摘除松果體麻雀體內(nèi)使用褪黑激素，可以使其視覺系統(tǒng)攝取2 脫氧核糖葡萄糖，從而與未摘取松果體的麻雀的攝取節(jié)律得到同步。除了SCN，在哺乳動(dòng)物腦垂體中也發(fā)現(xiàn)了高密度的褪黑激素結(jié)合位點(diǎn)，Ross 等[41]通過觀察倉(cāng)鼠腦垂體發(fā)現(xiàn)，PER1 mRNA 水平在血液褪黑激素下降后達(dá)到峰值，在短調(diào)節(jié)日照的條件下，褪黑激素信號(hào)的延長(zhǎng)使得PER1 mRNA 信號(hào)減弱。說明褪黑激素可以影響節(jié)律相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)的分泌，從而影響動(dòng)物的生理節(jié)律。

4 小結(jié)

綜上所述，褪黑激素主要由松果體合成，同時(shí)存在于各種組織以及細(xì)胞中，通過膜受體和核受體發(fā)揮作用。通過適當(dāng)添加外源的褪黑激素作用于免疫器官和免疫細(xì)胞來調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能；褪黑激素及其代謝產(chǎn)物是強(qiáng)大的抗氧化劑，可清除體內(nèi)自由基，并且調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性；褪黑激素還可以調(diào)節(jié)生物鐘進(jìn)而影響畜禽繁殖和畜禽節(jié)律性行為；褪黑激素在提高免疫力、體內(nèi)抗氧化能力和調(diào)節(jié)繁殖能力等方面的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。同時(shí)，外源性添加褪黑激素在畜禽生產(chǎn)上應(yīng)用還不成熟。隨著對(duì)畜禽的褪黑激素作用機(jī)理及其調(diào)控機(jī)制研究的深入，將為解決畜禽生產(chǎn)實(shí)際問題提供更多的科學(xué)依據(jù)。