維生素A影響雄性動(dòng)物繁殖性能的研究進(jìn)展

盧思宇，李敬軒，王妍，龍城，陳俐，郭勇，齊曉龍

（1北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 102206；2北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

近年來，國(guó)家高度重視畜禽種業(yè)的發(fā)展，隨著人工授精技術(shù)的普遍應(yīng)用，畜禽繁殖效率得到了大幅提高，同時(shí)，對(duì)雄性動(dòng)物繁殖性能的要求也越來越高。在規(guī)?；笄萆a(chǎn)中，通過人工授精技術(shù)，可以極大降低公母比例，使養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益最大化。研究表明，飼糧中營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)對(duì)調(diào)控動(dòng)物繁殖性能起到重要作用[1]。營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)是改良種公畜禽繁殖性能，提高養(yǎng)殖效益的重要手段[1]。

維生素A 作為動(dòng)物機(jī)體重要的脂溶性維生素之一，在動(dòng)物的生產(chǎn)性能、繁殖性能和抗病能力等方面發(fā)揮重要調(diào)控作用，具有維持上皮組織完整性、抗氧化、調(diào)節(jié)基因表達(dá)等生物學(xué)功能[2]。目前有關(guān)維生素A對(duì)雄性動(dòng)物繁殖性能影響的研究主要集中在生殖器官與精液質(zhì)量等方面，如缺乏維生素A會(huì)造成睪丸損傷、精子發(fā)生障礙、精子品質(zhì)和數(shù)量降低等[3]。本研究簡(jiǎn)述了維生素A對(duì)雄性動(dòng)物繁殖性能的影響，旨在為推動(dòng)維生素A在提高雄性動(dòng)物繁殖性能中的應(yīng)用提供理論參考。

1 維生素A性質(zhì)與代謝

1.1 維生素A性質(zhì)

維生素A 屬脂溶性維生素，包括視黃醇(retinol,ROL)，視黃醛(retin aldehyde, RAL)，視黃酸(retinoic acid, RA)3 種衍生物[4]。維生素A 是親脂性類異戊二烯的通稱，由環(huán)狀基團(tuán)和帶有親水極性基團(tuán)的直鏈組成，具有維持視力、增強(qiáng)免疫、生殖調(diào)控及調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖分化等作用[5-7]。同時(shí)，維生素A具有一定抗氧化能力，可有效清除機(jī)體中自由基，避免動(dòng)物出現(xiàn)氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[8]。當(dāng)缺乏維生素A 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致畜禽出現(xiàn)生長(zhǎng)遲緩、抵抗力降低、上皮角質(zhì)化、夜盲癥及器官黏膜損傷等病癥，使得畜禽生產(chǎn)性能下降[9-10]。維生素A化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在光、熱、氧條件下易被破壞[11]。此外，飼料加工、保管以及長(zhǎng)期貯存的過程中極易造成維生素A 的損失，因此飼料中需要添加適量的維生素A以避免動(dòng)物出現(xiàn)維生素A缺乏癥[12]。

1.2 維生素A的代謝

維生素A為動(dòng)物不可缺少的且不可自身合成的營(yíng)養(yǎng)元素，只能通過飼料進(jìn)行補(bǔ)充[13]。自身并不具備生物活性的維生素A通過維生素衍生物在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)揮作用，維生素A在胃腸道中被酶水解為RAL后被腸道黏膜吸收，隨后視黃醛酯轉(zhuǎn)化為視黃酯，與乳糜微粒(chylomicron,CM)混合后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)[14]。ROL與視黃醇結(jié)合蛋白(retinol conjugated protein, RBP)在血液形成復(fù)合物進(jìn)行運(yùn)輸[15]。進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)合物一部分作用于靶器官，另一部分儲(chǔ)存于肝臟，其中大部分儲(chǔ)存在肝星狀細(xì)胞[16]。肝臟不僅可以儲(chǔ)存維生素A，還可分泌參與維生素A 運(yùn)輸?shù)腞BP[17]。當(dāng)ROL 與RBP形成的復(fù)合物通過血液循環(huán)運(yùn)輸至睪丸細(xì)胞時(shí)，與膜受體STRA6 結(jié)合被吸收[18]。維生素A 代謝紊亂會(huì)影響睪丸細(xì)胞，導(dǎo)致精子發(fā)生受損[19]。維生素A 通過調(diào)控精細(xì)胞的增殖和分化，可調(diào)節(jié)雄性動(dòng)物精子數(shù)量和精子活力[2]，進(jìn)而影響雄性動(dòng)物的繁殖性能。

2 維生素A對(duì)雄性動(dòng)物繁殖性能的影響

2.1 維生素A與生殖器官

維生素A 作為一種重要的營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)雄性動(dòng)物的繁殖性能有促進(jìn)作用，飼糧中充足的維生素A有助于維持雄性動(dòng)物正常的繁殖性能。維生素A可維持生精上皮結(jié)構(gòu)完整性，缺乏維生素A會(huì)損傷睪丸組織，包括引起生殖上皮細(xì)胞畸形[20]和生精周期紊亂[3]等，嚴(yán)重缺乏可導(dǎo)致雄性動(dòng)物睪丸發(fā)生退化[21]等一系列疾病。研究表明，飼糧中缺乏維生素A可引起公牛性器官上皮角質(zhì)化[20]；公豬性器官發(fā)育異常，功能退化[21]。睪酮在性腺發(fā)育和配子產(chǎn)生中起著至關(guān)重要的作用[22]，為生殖休眠期的鼠兔注射全反式視黃酸可重啟精子發(fā)生，并抑制視黃酸降解酶活性[23]，在飼糧中添加維生素A可提高種公雞和種鵝血液中睪酮水平[24-25]。Miller等[26]研究表明，飼糧中添加維生素A可顯著提高火雞的睪丸重量從而增強(qiáng)其繁殖性能。而維生素A過量或缺乏均會(huì)引起生精小管不同程度的退化，精母細(xì)胞形成受阻[27]，精子發(fā)生出現(xiàn)早期停滯[2]，睪酮分泌異常[28-29]，導(dǎo)致生精過程紊亂，繁殖能力下降。

2.2 維生素A與精液質(zhì)量

維生素A通過改變雄性動(dòng)物的精液質(zhì)量影響其繁殖性能。精子中含有頂體酶、纖維酶原激活劑、乳酸脫氫酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶等多種與代謝活動(dòng)和精卵結(jié)合相關(guān)的酶，維生素A可以影響這些酶的活性。研究表明，在缺乏維生素A 的公羊飼糧中補(bǔ)充維生素A，可使精子頂體酶和纖維酶原激活劑活動(dòng)恢復(fù)正常[30]；在公牛飼糧中添加適量的維生素A，可提高精子抗凍性和頂體完整率，降低精子頂體中乳酸脫氫酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶的損失，降低精清酶活性[31]。因此，頂體中含有多種水解酶利于精卵結(jié)合，適當(dāng)補(bǔ)充維生素A可防止頂體酶擴(kuò)散到精清，可提高母畜受胎率。除此之外，缺乏維生素A還會(huì)導(dǎo)致精子頂體完整率下降、畸形率上升[32]，如種公豬精子數(shù)量減少，畸形精子數(shù)增多[33]。在飼糧中添加適量維生素A可使精液量、原精活力、凍后活力、頂體完整率均有所提高，且精子畸形率下降[34-35]?？梢姡m量補(bǔ)充維生素A可改善種公畜的繁殖性能。

3 維生素A影響繁殖性能的作用機(jī)理

3.1 維生素A通過下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)控繁殖性能

下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitarygonadal axis,HPG)是調(diào)控機(jī)體生殖功能的重要神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)[36]。下丘腦產(chǎn)生GnRH刺激垂體釋放FSH和LH，可調(diào)節(jié)性腺激素的產(chǎn)生和配子發(fā)生，對(duì)睪丸功能的正常發(fā)揮起著重要作用[37-38]。其中FSH誘導(dǎo)支持細(xì)胞增殖，并促進(jìn)精子發(fā)生；LH刺激睪丸間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生睪酮作用于雄激素受體[39]。

成年哺乳動(dòng)物的睪丸可通過精子發(fā)生途徑產(chǎn)生精子[40]。精子發(fā)生是指精子細(xì)胞從精原細(xì)胞發(fā)育到精子的過程，伴隨著基因的調(diào)控，是一個(gè)極其復(fù)雜、受HPG調(diào)控并且高度組織化的過程[41]。在精子發(fā)生過程中，支持細(xì)胞起到營(yíng)養(yǎng)支持的作用，可促進(jìn)生殖細(xì)胞在生精小管內(nèi)發(fā)育成精原細(xì)胞[42]。間質(zhì)細(xì)胞是睪酮合成的主要場(chǎng)所，使睪丸中睪酮水平遠(yuǎn)高于血清[43]。在LH的刺激下，睪酮向生精小管內(nèi)擴(kuò)散，作用于支持細(xì)胞間接維持正常的精子發(fā)生[44]。同時(shí)，視黃醛脫氫酶參與RA的合成，F(xiàn)SH 和LH 可以通過調(diào)控視黃醛脫氫酶間接調(diào)節(jié)RA 活性，參與睪丸中精原細(xì)胞的分化和精子發(fā)生的啟動(dòng)[45-46]。因此，促性腺激素通過調(diào)節(jié)睪丸生精上皮RA 信號(hào)來觸發(fā)精原細(xì)胞的分化和精子發(fā)生，從而影響雄性動(dòng)物繁殖性能[47]。

3.2 維生素A通過腸-睪軸調(diào)控繁殖性能

微生物群是一個(gè)復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，生活在不同區(qū)域，如胃腸道、皮膚、口腔、呼吸系統(tǒng)和陰道，其中超過70%的微生物群生活在胃腸道中，與其宿主形成互利關(guān)系[48]。微生物群在許多代謝活動(dòng)中，通過代謝物在生理機(jī)制的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。

腸道微生物群可以通過腸-睪軸與生殖系統(tǒng)相連，影響雄性動(dòng)物生殖活動(dòng)。用純化的微生物喂養(yǎng)老齡動(dòng)物，可使其睪酮濃度恢復(fù)年輕水平并顯著增加睪丸重量，為微生物群調(diào)節(jié)睪酮濃度和睪丸老化提供了證據(jù)[49-50]。腸道微生物群缺乏會(huì)影響睪丸成熟、交配反應(yīng)和雄性副性腺發(fā)育過程相關(guān)的基因表達(dá)[51]。腸道微生物群也是雄激素產(chǎn)生和代謝的主要調(diào)節(jié)者，甚至可以越過血睪屏障(blood-testis is barrier, BTB)來調(diào)節(jié)精子發(fā)生[52-53]。同時(shí)，糞便微生物群的移植(Fecal Microbiota Transplantaion,FMT)也可改變精子發(fā)生的狀態(tài)[54-55]，因此腸道微生物群也被認(rèn)為是雄性動(dòng)物性腺功能的生物標(biāo)志。高脂肪飲食(High-Fat Diet,HFD)誘發(fā)的腸道微生物菌群紊亂可導(dǎo)致附睪促炎癥因子顯著增加，導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)能力受損，HFD-FMT 會(huì)導(dǎo)致配子減數(shù)分裂和睪丸線粒體功能的相關(guān)基因表達(dá)降低[54]。

腸道微生物群還可以通過調(diào)節(jié)腸道代謝和營(yíng)養(yǎng)攝入來調(diào)控睪丸功能，從而調(diào)節(jié)宿主生殖活動(dòng)[53]。當(dāng)綿羊腸道微生物群失調(diào)時(shí)，由于膽汁酸水平顯著降低，維生素A 在腸道中吸收中斷，維生素A 的代謝異常效應(yīng)通過循環(huán)血液轉(zhuǎn)移到睪丸細(xì)胞，導(dǎo)致精子發(fā)生異常，從而降低雄性動(dòng)物繁殖性能[19]。

3.3 維生素A對(duì)生精細(xì)胞增殖分化和減數(shù)分裂的調(diào)控

維生素A是正常精子發(fā)生所必需的營(yíng)養(yǎng)素。研究表明，動(dòng)物缺乏維生素會(huì)導(dǎo)致生殖細(xì)胞增殖分化和減數(shù)分裂的能力逐漸喪失，最終生精小管中僅含支持細(xì)胞和減數(shù)分裂前生殖細(xì)胞[27]。維生素A誘導(dǎo)精子發(fā)生的作用機(jī)制在于調(diào)節(jié)特定靶點(diǎn)基因表達(dá)的能力，如Neurogenin3(Ngn3)、Synaptonemal complex protein3(Scp3)、Protamines(Prm)、Stimulated by retinoic acid8(Stra8)、Promyelocytic leukaemia zinc finger(PLZF)、Connexin 43(Cox43)等。研究表明，RA 可以調(diào)節(jié)生精小管基因表達(dá)，位于細(xì)胞核內(nèi)的RA先與受體結(jié)合，二聚化后與細(xì)胞核DNA結(jié)合并調(diào)控生殖基因的表達(dá)[56]，并在精子發(fā)生過程中的精子伸長(zhǎng)階段前都表現(xiàn)為活躍狀態(tài)[57]。因此，缺乏維生素A 會(huì)導(dǎo)致靶點(diǎn)基因無法正常表達(dá)，造成精子發(fā)生停滯，從而降低精液品質(zhì)。

研究表明，Ngn3基因在未分化的精原細(xì)胞中表達(dá)，可促進(jìn)睪丸內(nèi)減數(shù)分裂，調(diào)節(jié)生精過程[58]。在缺乏維生素A 的小鼠睪丸中發(fā)現(xiàn)Ngn3基因的表達(dá)量顯著下調(diào)，提高維生素A攝入可恢復(fù)精原細(xì)胞正常分化，提示長(zhǎng)期攝入不足的維生素A可直接對(duì)未分化的早期精原細(xì)胞產(chǎn)生不利影響[59]。Prm基因在精子核中重要的DNA結(jié)合蛋白，其在精子發(fā)生及受精能力等方面的功能備受關(guān)注[60]。長(zhǎng)期攝入過量維生素A 導(dǎo)致睪丸中Prm基因表達(dá)水平顯著降低，Prm基因表達(dá)量與精子產(chǎn)生密切相關(guān)，當(dāng)其表達(dá)出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致精子數(shù)量減少或精子發(fā)育失調(diào)[61]。Scp3是突觸復(fù)合體的主要成分，在減數(shù)分裂聯(lián)會(huì)過程和突觸反應(yīng)中起關(guān)鍵作用[62-64]。研究表明，過量的維生素A 導(dǎo)致睪丸中Scp3基因表達(dá)下調(diào)，造成精母細(xì)胞分化減少[65-66]，適量的維生素A 可恢復(fù)Scp3正常表達(dá)，修復(fù)受損的減數(shù)分裂[67]。Scp3通過影響著絲粒分離，造成染色體配對(duì)錯(cuò)誤[68]。染色體減數(shù)分離配對(duì)錯(cuò)誤是遺傳物質(zhì)出現(xiàn)問題的主要原因，因此攝入過量維生素A導(dǎo)致Scp3基因表達(dá)異?？赡軙?huì)對(duì)睪丸精子產(chǎn)生不利影響，攝入適量維生素A可恢復(fù)精子正常減數(shù)分裂。Stra8是RA的應(yīng)答基因，在有絲分裂向減數(shù)分裂階段的細(xì)胞內(nèi)特異性表達(dá)，其表達(dá)異常時(shí)可引發(fā)雄性不育[69-71]。研究表明，Stra8基因在攝入過量維生素A 小鼠中的表達(dá)顯著提高，睪丸中的精母細(xì)胞和圓形、長(zhǎng)形精子細(xì)胞的數(shù)量顯著減少，使精原細(xì)胞停止分化[27]，攝入適量維生素A可改善隱睪組織中Stra8的異常表達(dá)，使未分化的精原細(xì)胞恢復(fù)減數(shù)分裂過程[72-73]。因此，長(zhǎng)期攝入過量維生素A的小鼠睪丸中Stra8基因表達(dá)的明顯增加，可能使未分化精原細(xì)胞數(shù)量的顯著增加，合理攝入維生素A可重啟減數(shù)分裂。PLZF是抑制精原祖細(xì)胞分化的關(guān)鍵因子，參與精原干細(xì)胞的自我復(fù)制，維持?jǐn)?shù)量穩(wěn)定[74-75]。補(bǔ)充維生素A可促進(jìn)隱睪組織精原細(xì)胞增殖分化，維持正常的精原細(xì)胞數(shù)量[72]。C-kit在睪丸的精原細(xì)胞中表達(dá)，與精原細(xì)胞增殖和分化的調(diào)控有關(guān)[76]。短暫沉默C-kit會(huì)導(dǎo)致精原細(xì)胞周期停滯與凋亡的增加[77]，RA是C-kit表達(dá)的正調(diào)節(jié)因子，在減數(shù)分裂時(shí)誘導(dǎo)精原細(xì)胞中C-kit表達(dá)，促進(jìn)精原細(xì)胞分化[78]。

3.4 維生素A對(duì)生精微環(huán)境的調(diào)控

在睪丸中，生精小管與血液之間存在BTB，對(duì)維持生精微環(huán)境的穩(wěn)定有重要作用，其中支持細(xì)胞緊密連接作為BTB的主要成分，對(duì)精子發(fā)生過程起到關(guān)鍵調(diào)控作用[79]。RA 主要通過結(jié)合位于支持細(xì)胞上的視黃酸受體α(retinoic acid receptor α,RARα)調(diào)控生精過程。研究表明，縫隙連接蛋白43(Connexin43, Cox43)是睪丸中最豐富和最重要的連接蛋白，對(duì)BTB與支持細(xì)胞正常功能的維持均起到調(diào)控作用[80]，閉鎖小帶蛋白-1(Zona occludens protein 1,ZO-1)在黏膜修復(fù)和減數(shù)分裂過程中必不可少，是用于監(jiān)測(cè)體外BTB建立的標(biāo)記，精子發(fā)生過程波形蛋白周期表達(dá)受到嚴(yán)格調(diào)控[53,81]。在RARα敲除的睪丸中，支持細(xì)胞間的連接蛋白降解及形成障礙，波形蛋白周期表達(dá)中斷，ZO-1進(jìn)入支持細(xì)胞屏障延遲，造成生精轉(zhuǎn)化異常[81-82]。在維生素A缺乏的模型中，Cox43表達(dá)顯著下降，BTB形成障礙，精原細(xì)胞轉(zhuǎn)化異常；當(dāng)維生素A補(bǔ)充后Cox43表達(dá)提高，改善生殖細(xì)胞間縫隙鏈接，并修復(fù)受損BTB，恢復(fù)正常的生精環(huán)境，使無法發(fā)生轉(zhuǎn)化的生精細(xì)胞重回正常程序[72,83-84]。因此，維生素A 的適當(dāng)干預(yù)可改善BTB連接功能。

4 小結(jié)

綜上所述，維生素A 缺乏或過量均會(huì)造成雄性動(dòng)物精子發(fā)生障礙與睪丸損傷，精液品質(zhì)下降，導(dǎo)致雄性動(dòng)物繁殖力下降。因此在動(dòng)物飼糧中需添加適量的維生素A，以保證畜禽正常生長(zhǎng)，提高繁殖性能，最終使養(yǎng)殖效益最大化。而維生素A影響雄性動(dòng)物繁殖性能的具體調(diào)控機(jī)制仍有待于進(jìn)一步深入研究。