硒及硒蛋白調(diào)節(jié)公畜繁殖性能的機(jī)理研究進(jìn)展

龔番文，張海波，幸清鳳，關(guān)瑋琨，黎力之*，郭冬生*，賴 濤

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西宜春 336000；2.宜春學(xué)院計(jì)劃財(cái)務(wù)處，江西宜春 336000；3.宜春學(xué)院醫(yī)學(xué)院，江西宜春 336000）

1973 年，Rotruck 等[1]首次報(bào)道硒蛋白—谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GPx），提出硒和硒蛋白具有重要生理功能。Moreno 等提出機(jī)體硒循環(huán)中硒蛋白占90%以上，硒代謝產(chǎn)物約5%，認(rèn)為硒的生理作用是硒蛋白及硒代謝產(chǎn)物的共同作用來實(shí)現(xiàn)的[2]。氧化應(yīng)激是造成動(dòng)物繁殖機(jī)能障礙的因素之一，畜禽精液中不飽和脂肪酸含量高，有利于維持精子活力，但易產(chǎn)生過氧化反應(yīng)，影響精子生物膜完整性和睪丸組織發(fā)育。雄性哺乳動(dòng)物生殖器官有聚硒能力，且精清中硒含量與飼糧中硒水平呈正相關(guān)，硒通過組成GPx 參與抗氧化，可保護(hù)生物膜免受氧化損傷并維持精子正常形態(tài)結(jié)構(gòu)[3]。動(dòng)物長期采食低硒日糧會(huì)導(dǎo)致曲精細(xì)管和生精細(xì)胞發(fā)育不良，精液品質(zhì)下降，降低繁殖性能[4]。硒可影響精子細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的激活蛋白1（Activator Protein-1，AP1）和核因子-кB（Nuclear Factor-kappa B，NF-кB）與DNA結(jié)合的活性，調(diào)控其亞基的基因表達(dá)，參與細(xì)胞增殖分化、凋亡等過程[5]。硒還可調(diào)控精子的細(xì)胞周期及凋亡基因的表達(dá)進(jìn)而影響細(xì)胞增殖及細(xì)胞周期進(jìn)程[6-7]。近年來，硒應(yīng)用于動(dòng)物營養(yǎng)及繁殖性能方面的研究推動(dòng)了畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本文就硒蛋白在動(dòng)物體內(nèi)生物學(xué)功能及通過抗氧化維持精子正常形態(tài)、提升精液品質(zhì)等作用進(jìn)行綜述，為硒及硒蛋白在動(dòng)物生產(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用研究提供理論參考。

1 硒蛋白

1.1 硒蛋白概述 硒蛋白是硒代半胱氨酸（Selenocysteine，Sec）摻入肽鏈形成的蛋白質(zhì)，并作為體內(nèi)硒主要存在形式和發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的載體。硒代半胱氨酸存在于所有硒蛋白中，并作為其活性中心直接參與催化反應(yīng)。缺硒易造成硒蛋白含量和活性降低，細(xì)胞正常生理功能受阻；攝入硒可有效提高機(jī)體超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、GPx 等抗氧化酶數(shù)量并增強(qiáng)機(jī)體抗氧化水平[8]。目前，發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在25 種硒蛋白，如GPx、硒蛋白P、硒蛋白K、硫氧還原蛋白還原酶（Thioxoreductase reductase，TrxR）和脫碘酶等，參與機(jī)體多項(xiàng)生理活動(dòng)[9-12]。GPx 家族在哺乳動(dòng)物中有8 個(gè)成員，絕大多數(shù)為含硒蛋白，廣泛分布于胃腸道、肝腎等組織中，在抗氧化、保護(hù)細(xì)胞膜正常結(jié)構(gòu)和功能中起重要作用[13]。硒蛋白P 是血漿硒的主要存在形式，兼有抗氧化、硒轉(zhuǎn)運(yùn)功能[14]。硒蛋白K 在心肌細(xì)胞中起抗氧化作用，在免疫細(xì)胞活化中調(diào)節(jié)Ca2+流量并參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白的降解[15]。TrxR 與硫氧還蛋白（Thioredoxin，Trx）通過組成Trx 系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)體氧化還原平衡并參與胞內(nèi)多種信號(hào)通路的激活，調(diào)控細(xì)胞生長、增殖及凋亡[16]。

1.2 硒蛋白生物學(xué)功能 硒蛋白主要依賴其自身的氧化還原特性而發(fā)揮生物學(xué)作用。在抗氧化方面，公畜精液內(nèi)GPx 主要存在于精細(xì)胞線粒體膜上，通過抗氧化作用可有效阻礙膜磷脂的自主氧化，維持精子細(xì)胞膜還原態(tài)[17]。研究表明，睪丸中硒濃度、GPx 活性及GPx mRNA 水平與飼糧中硒添加量呈正相關(guān)，但硒過量會(huì)加重機(jī)體氧化應(yīng)激，破壞精子細(xì)胞膜，增加畸形率[18]。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中加入亞硒酸鈉和維生素E 可使精細(xì)胞內(nèi)線粒體排列完整，質(zhì)膜緊貼尾中部并結(jié)合緊密，降低精漿中天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶含量，維持精細(xì)胞膜完整性，提升公豬精液品質(zhì)[19-20]。GPx4 在精細(xì)胞發(fā)育早期具有抗氧化的硒酶活性，而在精子成熟期以非活性的形式摻入精子尾部中段，形成包裝三磷酸腺苷的特有結(jié)構(gòu)微囊，該結(jié)構(gòu)對(duì)維持精子正常形態(tài)和運(yùn)動(dòng)發(fā)揮重要作用[21]。在抗炎癥方面，硒既可促進(jìn)巨噬細(xì)胞中白介素-10（IL-10）、IL-1ra 等抗炎細(xì)胞因子的分泌，又能抑制IL-1α、IL-6等促炎細(xì)胞因子的基因表達(dá)，從而起到抗炎癥的作用[22-23]。在日糧中添加硒代蛋氨酸可提高機(jī)體免疫應(yīng)答能力，減輕由脂多糖誘導(dǎo)的雞氣管炎癥狀[24]。此外，硒蛋白還具有調(diào)節(jié)內(nèi)分泌激素代謝、延緩衰老及預(yù)防癌癥等生物學(xué)作用[25]。

2 硒及硒蛋白對(duì)公畜繁殖性能的影響機(jī)理

2.1 硒對(duì)畜禽雄性激素及生精組織的影響機(jī)理 研究顯示，補(bǔ)硒可提高公豬生精組織中GPxmRNA 的基因表達(dá)和GPx 活性[26]。Shi 等[27]在妊娠期和哺乳期的基礎(chǔ)日糧中添加0、0.5、2.0 mg/kg 的富硒酵母，發(fā)現(xiàn)添加硒可提高后代山羊睪丸重量、體積。母代飼糧添加0.5 mg/kg的硒可提高公羊羔生精細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞密度以及睪酮（Testosterone，T）水平，但高劑量硒反而會(huì)損害公羊羔生精組織結(jié)構(gòu)[28]。張建新等[29]研究發(fā)現(xiàn)，添加1 mg/kg硒（亞硒酸鈉）組海蘭褐公雛雞的睪精細(xì)管發(fā)育最好，有明顯的管腔，管壁完整，生精細(xì)胞形成良好，但添加5、10、15、20 mg/kg 硒（亞硒酸鈉）組顯示曲精細(xì)管發(fā)育差、細(xì)管破裂及無精子等現(xiàn)象，生精組織受損程度隨硒濃度的提高而明顯增加。曲精細(xì)管和間質(zhì)細(xì)胞分泌的T 是一種類固醇激素，可促進(jìn)睪丸發(fā)育及精子成熟、刺激精原細(xì)胞增殖和維持第二性征，且受促卵泡素（Follicle-Stimulating Hormone，F(xiàn)SH）和促黃體素（Luteinizing Hormone，LH）的調(diào)控[30]。機(jī)體約95%的T 是由間質(zhì)細(xì)胞合成分泌，因此間質(zhì)細(xì)胞活度直接影響精子能否順利產(chǎn)生[31-32]。鎘（Cadmium，Cd）是一種易于在機(jī)體蓄積，誘導(dǎo)生殖細(xì)胞氧化應(yīng)激并凋亡的元素。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)小鼠間質(zhì)細(xì)胞用20 μmol/L Cd 和不同濃度的納米硒處理，細(xì)胞經(jīng)Cd 處理24 h 后，促凋亡蛋白Bax表達(dá)顯著提高，抗凋亡蛋白Bcl-2表達(dá)減少，Bax/Bcl-2 比值上升，細(xì)胞逐漸皺縮并發(fā)生染色質(zhì)凝聚和核固縮等典型的細(xì)胞凋亡特征；納米硒和Cd 共處理組的細(xì)胞Bax/Bcl-2 比值下降，細(xì)胞活度提高，抑制因氧化應(yīng)激而造成的細(xì)胞凋亡，提示硒通過Bax/Bcl-2 途徑調(diào)節(jié)睪丸間質(zhì)增殖和凋亡[33]。對(duì)蛋用種雞飼喂添加酵母硒的日糧可提高公雞總抗氧化能力和過氧化氫酶活性，降低血漿丙二醛含量、FSH、LH 和T 的水平，且精子活力也隨日糧硒濃度增加而升高[34]。Marin 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中加入硒和維生素E 可穩(wěn)定公豬副性腺中前列腺素的分泌并促進(jìn)T的分泌。綜上所述，硒對(duì)公畜生精組織的影響可能通過影響性激素的分泌和機(jī)體抗氧化作用從而促進(jìn)睪丸等生殖器官發(fā)育，維持曲精細(xì)管正常組織結(jié)構(gòu)和精液品質(zhì)。因此，動(dòng)物飼糧中添加一定濃度的硒對(duì)雄性動(dòng)物生殖器官發(fā)育和精子品質(zhì)有積極影響，但添加高劑量硒會(huì)損害生精組織結(jié)構(gòu)，造成機(jī)體硒中毒。

2.2 硒及硒蛋白對(duì)精子細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子和周期調(diào)節(jié)因子的影響機(jī)理 精子的發(fā)生是一個(gè)高度有序的周期性過程，涉及生殖細(xì)胞增殖、分化及凋亡等活動(dòng)。硒通過影響雄性生殖細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子AP1、NF-κB和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子的基因表達(dá)調(diào)控精子的發(fā)生和細(xì)胞周期進(jìn)程。AP1被譽(yù)為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第三信使，是一種由Jun、Fos、ATF 和MAF 蛋白亞家族成員組成的同源或異源二聚體，其中最典型的是由c-Jun 和c-Fos 組成的異源二聚體AP1，通過堿性亮氨酸拉鏈而結(jié)合DNA 靶序列并調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄，從而影響細(xì)胞增殖分化及凋亡等活動(dòng)?；钚匝酰≧eactive Oxygen Species，ROS）、細(xì)胞因子和磷酸化的絲裂原活化蛋白激酶家族成員均可活化AP1，被磷酸化的AP1 隨即進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)控基因表達(dá)[36]。AP1 結(jié)合在γ-谷胱甘肽合成酶、TrxR1、SOD等抗氧化酶基因的啟動(dòng)子區(qū)域，因此其活性可影響酶的合成和細(xì)胞抗氧化能力。AP1 活性主要受Jun 和Fos 蛋白磷酸化的影響[37]。Shalini 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，相較于適宜硒組，缺硒組小鼠體內(nèi)硒含量和GPx 活性顯著降低，脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物顯著增加；硒適宜組小鼠精原細(xì)胞和精母細(xì)胞的c-Jun和c-FosmRNA 表達(dá)水平在有絲分裂時(shí)期較高，減數(shù)分裂時(shí)期下降，精細(xì)胞成熟時(shí)達(dá)到峰值；而缺硒小鼠的c-Jun和c-FosmRNA 表達(dá)水平以及c-Jun磷酸化程度很低，幼精細(xì)胞和成熟精子細(xì)胞數(shù)量明顯減少，精子活力減弱。對(duì)體外培養(yǎng)的小鼠睪丸細(xì)胞單獨(dú)加入0.5、1.5 μmol/L 的亞硒酸鈉，或同丁硫氨酸亞砜亞胺（BSO，谷胱甘肽耗竭劑）發(fā)現(xiàn)，添加0.5 μmol/L硒組的細(xì)胞內(nèi)c-Jun和c-Fos基因表達(dá)增強(qiáng)，而添加1.5 μmol/L 硒或使用BSO 會(huì)耗竭谷胱甘肽，使細(xì)胞產(chǎn)生過量的ROS，誘導(dǎo)P65（NF-κB 的亞基）基因的表達(dá)[38]。AP1 的表達(dá)通常涉及細(xì)胞的增殖及分化，且有利于精子的生成，而NF-κB基因的激活會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]。另有研究提出，參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白激酶以及轉(zhuǎn)錄因子AP1 和NF-κB 的蛋白分子半胱氨酸側(cè)鏈上都含有CH2-SH，是細(xì)胞用以感受氧化還原狀態(tài)的特殊結(jié)構(gòu)[39]。當(dāng)半胱氨酸的巰基被巰基氧化劑或烷化劑氧化為二硫鍵時(shí)，AP1 與DNA 結(jié)合活性明顯下降，胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因轉(zhuǎn)錄等過程也受到抑制。而細(xì)胞通過TrxR 的氧化還原作用使AP1 半胱氨酸殘基處于還原狀態(tài)，從而維持AP1 和DNA 的結(jié)合活性和轉(zhuǎn)錄活性[40]。說明硒蛋白的抗氧化作用可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性從而影響精子細(xì)胞的增殖及凋亡。精子細(xì)胞的增殖還受到細(xì)胞周期進(jìn)程的影響。細(xì)胞周期能否順利完成依賴于細(xì)胞周期蛋白（Cyclins）、細(xì)胞周期依賴性激酶（Cyclindependent kinase，CDKs）及細(xì)胞周期蛋白依賴激酶抑制劑（Cyclin-Kinase Inhibitors，CKI 如P21、P27）等周期調(diào)節(jié)因子的共同調(diào)節(jié)作用[41]。細(xì)胞周期調(diào)控因子基因的異常表達(dá)或周期蛋白的活性受到抑制通常伴隨著細(xì)胞周期阻滯，進(jìn)而造成細(xì)胞凋亡[42]。硒缺乏或過量都會(huì)增強(qiáng)綿羊精原干細(xì)胞中脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，造成的氧化應(yīng)激引起精子質(zhì)膜不完整，染色質(zhì)凝聚程度低，線粒體結(jié)構(gòu)異常，精子增殖受到抑制且凋亡程度高；而添加2 μmol/L 的硒可顯著提高精子頂體完整率，降低精子畸形率，增強(qiáng)細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白CyclinB1、CDK1 以及抗凋亡蛋白Bcl-2 的分泌，降低激酶抑制劑P21、P27以及促凋亡蛋白Bax、Caspase的基因表達(dá)，從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖[6]。研究表明，高硒或缺硒均會(huì)下調(diào)小鼠和山羊精子細(xì)胞中CyclinB1、CDK1的基因表達(dá)，上調(diào)P21的基因表達(dá)，最終造成細(xì)胞周期阻滯[7,43]。綜上所述，硒及硒蛋白在精子的發(fā)生和機(jī)體抗氧化中起至關(guān)重要的作用。硒蛋白通過影響雄性生殖細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子AP1、NF-κB 的轉(zhuǎn)錄活性以及細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子CyclinB1、CDK1、P21和凋亡相關(guān)基因Bax、Bcl-2的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控精子增殖分化、凋亡和細(xì)胞周期進(jìn)程。但要完全闡明硒蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控和在相關(guān)信號(hào)通路中的作用以及參與精子細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制仍需要更深入的探究。

3 小結(jié)與展望

硒和硒蛋白具有提高動(dòng)物機(jī)體抗氧化能力，維持精子細(xì)胞正常形態(tài)結(jié)構(gòu)和增殖分化，在公畜雄激素的分泌、生精組織的正常形態(tài)結(jié)構(gòu)以及精子的發(fā)生中具有重要作用。在精子細(xì)胞的生成過程中，硒蛋白參與胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子AP1、NF-κB 的調(diào)控：①TrxR 維持AP1 半胱氨酸殘基的還原狀態(tài)，增強(qiáng)AP1 與DNA 結(jié)合的活性，提高c-Jun和c-Fos基因表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞增殖；②發(fā)揮抗氧化作用清除胞內(nèi)過多的ROS，抑制NF-κB 的亞基P63基因表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞進(jìn)程。然而，硒缺乏或過量都會(huì)造成CDKs/Cyclins 復(fù)合物下調(diào)，增強(qiáng)激酶抑制劑的表達(dá)，使細(xì)胞周期停滯在G2/M 期。因此，硒和硒蛋白與精子的發(fā)生及細(xì)胞進(jìn)程密切相關(guān)。近年來，分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展為硒對(duì)細(xì)胞調(diào)控機(jī)制的研究提供了新的技術(shù)手段。然而，硒蛋白對(duì)精細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子及細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白的作用機(jī)制研究尚淺，對(duì)于硒具體通過哪些硒蛋白在睪丸內(nèi)維持精細(xì)胞氧化還原平衡以及硒蛋白是否參與調(diào)節(jié)其他有關(guān)精細(xì)胞增殖的信號(hào)通路等問題仍未明確，需要更進(jìn)一步研究。