褪黑素影響動物繁殖性能的研究進(jìn)展

■劉懿慧 張佩華李鑫垚

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南省畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙 410128）

褪黑素(melatonin，MLT)是松果體(pineal gland，PG)中最早被發(fā)現(xiàn)的具有生物活性的物質(zhì)，是一種由色氨酸為基質(zhì)合成的晝夜節(jié)律性胺類激素，通常在夜晚時分泌量達(dá)到高峰[1]。已知MLT在動物生理節(jié)律性調(diào)節(jié)、免疫調(diào)控、抗氧化和清除自由基、延緩衰老等方面均發(fā)揮著重要作用[2-6]。而有許多研究證實(shí)，MLT在動物生殖系統(tǒng)調(diào)節(jié)方面也具有影響作用，其可經(jīng)腦脊液或血液循環(huán)途徑作用于下丘腦促性腺激素釋放激素神經(jīng)元，通過抑制下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)節(jié)動物的繁殖活動[7-8]。作為重要的神經(jīng)內(nèi)分泌激素，MLT可傳遞中樞信號，調(diào)節(jié)睪丸、卵巢生物鐘系統(tǒng)。MLT具有一定的抗氧化作用，故其對性腺的保護(hù)作用也受到廣泛關(guān)注[9]。

1 褪黑素的合成與分泌

MLT的化學(xué)名稱為N-乙?；?5-甲氧基色胺，分子式為C13N2H16O2，相對分子量為232.3，其有很強(qiáng)的脂溶性和水溶性[10]。MLT的合成是一個復(fù)雜的酶聯(lián)反應(yīng)過程，當(dāng)PG攝入色氨酸后在色氨酸羥化酶的羥化作用下生成5-羥色氨酸，再經(jīng)芳香族L-氨基酸脫羧酶、5-羥基-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(關(guān)鍵限速酶)與羥基吲哚-氧-甲基轉(zhuǎn)移酶(關(guān)鍵限速酶)的催化，一步步轉(zhuǎn)化為N-乙酰基-5-甲氧基色胺，即MLT[11-13]。經(jīng)過不斷地研究發(fā)現(xiàn)，除PG外，動物機(jī)體內(nèi)多種組織和器官中均分泌MLT，如視網(wǎng)膜、胃腸道、免疫細(xì)胞、腎臟、性腺(睪丸、卵巢)等[14-19]。

2 褪黑素受體類型

MLT主要通過特定的膜受體，也可通過核受體介導(dǎo)而發(fā)揮作用。膜受體包括MLT膜受體(melatonin membrane receptor，MT)MT1、MT2和MT3；核受體包括維甲酸Z受體(retinoid Z receptor，RZR)和維甲酸相關(guān)孤核受體(retinoic acid-related orphan receptor，ROR)[20]。其中，MT1、MT2屬于跨膜G蛋白偶聯(lián)受體家族，MT1和MT2廣泛的存在于人與其他哺乳動物體內(nèi)，在動物下丘腦、垂體、視網(wǎng)膜、胃腸道、腎臟、睪丸和卵巢等組織器官中均有表達(dá)。MT1與MLT結(jié)合參與生殖、代謝和血管收縮等功能，MT2則主要參與視網(wǎng)膜多巴胺釋放、血管舒張與晝夜節(jié)律控制等重要生理活動[21-24]。

3 MLT對動物繁殖性能的影響

MLT含量主要受光照的影響，光信號通過視網(wǎng)膜將神經(jīng)沖動傳遞給下丘腦室交叉上核，然后經(jīng)過室旁核，最后傳遞到PG，促使PG分泌MLT[25]。有大量研究指出，MLT是調(diào)節(jié)光照信號和生殖系統(tǒng)關(guān)系中重要的激素信號，即光照會對MLT調(diào)控生殖活動產(chǎn)生影響[26-27]。目前相關(guān)研究往往通過調(diào)控光照周期(24 h中黑暗與光照的時間分配比例)、光照強(qiáng)度、光質(zhì)(紅光、藍(lán)光、復(fù)合光等)進(jìn)行探究MLT對動物繁殖性能的影響[28-34]。同時也有研究通過直接給予外源性MLT(埋置、注射、飼喂)的方式控制機(jī)體內(nèi)MLT含量進(jìn)而調(diào)控動物生殖活動[35-38]。Mura等[37]對綿羊采用注射MLT處理，發(fā)現(xiàn)MLT可有效提高綿羊的生育率。張苗蕊[38]在蛋雞日糧中添加1mg/kg褪黑素后，蛋品質(zhì)得到顯著提高且生殖激素相關(guān)基因表達(dá)量達(dá)到最高。

3.1 MLT調(diào)節(jié)動物發(fā)情周期

發(fā)情是雌性動物達(dá)到一定年齡時，由卵巢上的卵泡發(fā)育引起，受下丘腦-垂體-卵巢軸系調(diào)控的生理現(xiàn)象。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，同期發(fā)情技術(shù)被廣泛運(yùn)用以便利于養(yǎng)殖場的飼養(yǎng)管理，提高生產(chǎn)效率。通過人為因素(注射激素)促進(jìn)動物發(fā)情需考慮發(fā)情后動物體的受孕率等問題，而MLT不僅可以提高發(fā)情率也可以促使受孕率提升。

He等[39]指出奶牛發(fā)情期血清中存在較高的褪黑激素水平，有助于提高初次發(fā)情受精率。有研究表明對奶牛采取長光照處理可以對其繁殖性能起到促進(jìn)作用，并且在冬季進(jìn)行長光照會促使母畜發(fā)情和提高受孕率[31]。而增加光照的時間對于促進(jìn)豬的性成熟時間也具有積極作用[30]。張海容[35]在母羊體內(nèi)埋植MLT，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MLT處理組中第一只母羊發(fā)情時間比對照組早30 d，發(fā)情率比對照組提高40個百分點(diǎn)。趙國棟[36]通過補(bǔ)飼MLT，探究MLT對母羊繁殖性能的影響，得出與上述觀點(diǎn)一致的結(jié)論，即補(bǔ)飼MLT可以提高發(fā)情率。李梓芃[40]的研究結(jié)果表明注射MLT能夠提高雜交水牛在非繁殖季節(jié)的發(fā)情、排卵和受胎比例。MLT不僅對反芻動物的發(fā)情周期具有調(diào)節(jié)作用，對其他動物亦是如此。Chen等[41]通過試驗(yàn)證實(shí)外源性褪黑素和光周期都會對母雞性成熟產(chǎn)生影響。

綜上所述，MLT可以有效調(diào)節(jié)動物的發(fā)情周期，對提高實(shí)際生產(chǎn)力及經(jīng)濟(jì)效益具有積極的作用。

3.2 MLT影響體內(nèi)、體外精子的功能

精子為雄性的生殖細(xì)胞，其功能的優(yōu)劣直接影響受精率、胚胎的存活率及子代的機(jī)體健康狀況。因此保證精子的功能良好，對促進(jìn)畜牧生產(chǎn)的發(fā)展具有深刻意義。

Zhang等[42]研究指出，MLT可通過維持睪丸中精原干細(xì)胞和減數(shù)分裂細(xì)胞正常的二甲基化，有力抗擊雙酚A(BPA)或鄰苯二甲酸二己酯(DEHP)對精子發(fā)生的抑制作用。精子線粒體直接影響著精子的運(yùn)動能力，是精子運(yùn)動的能量源，其結(jié)構(gòu)與功能的改變直接影響到精子的運(yùn)動能力。Plessiss等[43]進(jìn)行的體外精子熱處理試驗(yàn)表明，培養(yǎng)液中添加MLT可使精子的存活率和直線運(yùn)動的比例顯著增加。Fabian等[44]研究指出，經(jīng)MLT預(yù)培養(yǎng)后的精子較未處理的精子運(yùn)動能力強(qiáng)，并且使精子細(xì)胞中的DNA致密化，防止正常精子中的DNA斷裂。以上試驗(yàn)結(jié)果均是依靠于MLT的強(qiáng)抗氧化能力。同時也有報道指出，非繁殖季節(jié)在公水牛皮下埋植MLT后，精子直線運(yùn)動的比例、精子活力顯著升高，精子異常運(yùn)動率顯著下降；精漿總蛋白、白蛋白濃度，膽固醇顯著增加，而天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性降低，進(jìn)而證明MLT可提高水牛非繁殖期精液質(zhì)量[45]。

精子超活化是精子能否完成受精作用的關(guān)鍵。Fujinoki[46]研究表明MLT處理過的倉鼠精子超活化顯著增強(qiáng)。Vinod等[47]的試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)MLT可促進(jìn)精子超活化。但兩者對于產(chǎn)生這一結(jié)果的機(jī)制有些差異，MLT通過其受體MT1進(jìn)而作用于精子細(xì)胞內(nèi)Ca2+和NO發(fā)生作用[46]，而Vinod等[47]的看法是MLT通過抑制內(nèi)皮型—氧化氮合酶活性，減少NO產(chǎn)生進(jìn)而消除自由基引發(fā)的損傷，從而影響精子的超活化。有報道指出，用100 pmol/L MLT處理后的精子其受精率與受精卵的卵裂率顯著增加[48]。同時還有研究指出在成年公羊采用皮下植入MLT處理90 d后，公羊的精漿中谷氨酸、乙酰肉堿、膽堿和精氨酸濃度顯著提高，精子的體外受精能力增強(qiáng)[49]。

綜上所述，MLT通過直接或間接作用影響精子的功能，進(jìn)而提高精子質(zhì)量。

3.3 MLT促進(jìn)體內(nèi)、體外卵母細(xì)胞的成熟及胚胎發(fā)育

黃健等[50]運(yùn)用體外試驗(yàn)探究不同濃度MLT對綿羊成熟卵母細(xì)胞發(fā)育的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在綿羊卵母細(xì)胞體外成熟培養(yǎng)基中添加一定濃度的褪黑素，可促進(jìn)卵母細(xì)胞體外成熟以及激活后卵母細(xì)胞的胚胎發(fā)育；當(dāng)MLT濃度為10-9mol/L時對于促進(jìn)綿羊卵母細(xì)胞體外成熟具有最佳效果。陳真[51]發(fā)現(xiàn)添加1 nmol/L和10 nmol/L MLT均有利于體外培養(yǎng)的豬卵母細(xì)胞的細(xì)胞核、胞質(zhì)的成熟；1 nmol/L MLT可促進(jìn)體外豬卵母細(xì)胞成熟，這與卵丘細(xì)胞擴(kuò)散、細(xì)胞凋亡基因的表達(dá)等密切相關(guān)。Tian[52]指出MLT通過褪黑素膜受體介導(dǎo)，促進(jìn)牛卵母細(xì)胞體外成熟。同時有研究指出在山羊體內(nèi)埋植MLT能夠促進(jìn)卵母細(xì)胞發(fā)育，其機(jī)制在于MLT作用于卵母細(xì)胞MT1上，通過上調(diào)卵丘擴(kuò)展基因的表達(dá)和上調(diào)EGFR的表達(dá)水平，促進(jìn)卵丘擴(kuò)展增強(qiáng)促黃體素(LH)以及人絨毛膜促性腺激素(HCG)的作用，促進(jìn)卵母細(xì)胞成熟相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而提升卵母細(xì)胞成熟效率[53]。

MLT不僅對促進(jìn)體外、體內(nèi)卵母細(xì)胞的成熟具有積極作用，對于發(fā)育中的卵泡、排卵、胚胎發(fā)育等其他生殖活動依然具有有益作用[52，54-57]。Rocha等[54]試驗(yàn)表明MLT與促卵泡激素(FSH)相互作用維持了山羊腔前卵泡超微結(jié)構(gòu)的完整性，刺激了其在體外的生長。MLT濃度范圍在10-9～10-7mol/L時可顯著促進(jìn)牛胚胎的體外發(fā)育，提高平均細(xì)胞數(shù)/囊胚數(shù)[52]。在成熟培養(yǎng)基中添加1 nmol/L的MLT是促進(jìn)豬卵母細(xì)胞成熟、提高孤雌胚胎發(fā)育能力和質(zhì)量的最佳濃度；MLT處理可能通過提高組蛋白乙?；吐涯讣?xì)胞自噬能力，促進(jìn)豬卵母細(xì)胞成熟和胚胎發(fā)育[55]。MLT可以降低DNA氧化損傷，并通過影響凋亡相關(guān)基因的表達(dá)，抑制卵母細(xì)胞凋亡[58]。

顆粒細(xì)胞在卵泡成熟破裂排出卵子后繼續(xù)留在卵巢內(nèi)與卵泡膜細(xì)胞一起分化形成黃體。黃體是一個暫時性內(nèi)分泌器官，其主要功能是分泌孕酮，孕酮對生殖系統(tǒng)有重要的作用。He等[39]研究指出褪黑素和MT1都參與了HCG(LH)的下游反應(yīng)，在黃體生成中起重要作用。王振宇[59]研究指出生理濃度的褪黑素能顯著上調(diào)黃體細(xì)胞活性；且MLT通過MT1和MT2促進(jìn)母豬妊娠黃體細(xì)胞中StAR和P450scc的表達(dá)，從而促進(jìn)黃體細(xì)胞孕酮的分泌，Zhang等[60]的試驗(yàn)結(jié)果再次證明這一觀點(diǎn)。黃體功能不全是導(dǎo)致不孕不育的原因之一。臨床上一般采用HCG、孕酮、雌激素等進(jìn)行治療?，F(xiàn)在褪黑素已被嘗試應(yīng)用于輔助生殖療程中，這一事實(shí)更好的印證了MLT具有保護(hù)黃體，促進(jìn)黃體功能的作用[61]。

3.4 MLT保護(hù)動物性腺

卵巢衰老伴隨著卵泡池和卵母細(xì)胞儲備數(shù)的減少，以及卵母細(xì)胞質(zhì)量的降低。宋超[62]利用小鼠試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)補(bǔ)飼MLT后小鼠的卵巢卵泡數(shù)、平均產(chǎn)仔數(shù)明顯提高，閉鎖卵泡的數(shù)量明顯降低。這是由于MLT促使衰老對卵母細(xì)胞原核形成的延遲作用得到緩解，增加了囊胚中Oct4陽性細(xì)胞數(shù)并減少了囊胚細(xì)胞的凋亡率，從而改善衰老卵母細(xì)胞的早期胚胎發(fā)育。以上這些結(jié)果表明褪黑素能延緩小鼠卵巢的衰老。而Zhang等[63]的研究結(jié)果指出補(bǔ)飼MLT可通過MLT/AMPK途徑延緩卵巢衰老、改善小鼠生育能力。而最新研究發(fā)現(xiàn)mTOR(target of rapamycin)信號通路介導(dǎo)褪黑素延緩產(chǎn)蛋后期蛋雞卵巢衰老的調(diào)控[64]。

當(dāng)雄性動物進(jìn)入老年期后，睪丸重量下降，睪丸中的凋亡細(xì)胞增多、睪酮水平降低。Saide等[65]通過對大鼠注射MLT后發(fā)現(xiàn)處于衰老期的雄性大鼠睪丸重量下降變得緩慢，睪丸分泌睪酮水平顯著升高。Aslankoc等[66]研究指出MLT可以對抗高果糖玉米糖漿對睪丸造成的毒性作用，進(jìn)而保護(hù)睪丸。Mirhoseini等[67]發(fā)現(xiàn)MLT對大鼠睪丸損傷后睪丸組織學(xué)的保護(hù)作用顯著，而MLT固體脂質(zhì)納米粒的作用效果更甚。

4 結(jié)語

綜上所述，MLT及其受體在動物生殖器官中廣泛分布，對于動物的繁殖機(jī)能具有很大的影響，結(jié)合外界環(huán)境和動物機(jī)體情況合理選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸绞?，充分發(fā)揮MLT效果將有利于提高動物繁殖力促進(jìn)畜禽生產(chǎn)業(yè)發(fā)展。另外，隨著對MLT作用效果的不斷探究，人們對MLT的了解更加透徹，最新的研究更多的指明了MLT在繁殖機(jī)能中的作用機(jī)制及通路，為MLT作為一種干預(yù)措施在促進(jìn)動物生產(chǎn)發(fā)展中提供有力依據(jù)。