薛海龍，宋興超，楊鎰峰，陳秀敏，魏海軍

(中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所吉林省特種經(jīng)濟動物分子生物學重點實驗室，長春130112)

褪黑激素(Melatonin，MT)是反映光照時間的一種化學物質(zhì)，同時也是調(diào)節(jié)動物季節(jié)性繁殖活動的一種重要的內(nèi)分泌激素。MT可能是光照調(diào)節(jié)動物繁殖活動的重要媒介。光照通過MT調(diào)節(jié)動物繁殖的過程為：光照信號通過視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動，神經(jīng)沖動通過松果體轉(zhuǎn)化為MT，MT調(diào)節(jié)促性腺激素釋放激素(GnRH)的脈沖式釋放，GnRH通過下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)控繁殖活動。

1 褪黑激素及其對動物繁殖的影響

1.1 褪黑激素及其受體

褪黑激素是松果體分泌的一種胺類激素，化學名稱N-乙?；?5-甲氧基色胺，分子式C13N2H16O2，分子量232.27，熔點116℃～118℃。松果體在光控神經(jīng)的控制下，將色氨酸轉(zhuǎn)化成5-羥色氨酸，進一步轉(zhuǎn)化成5-羥色胺，再轉(zhuǎn)化成N-乙?；?5-羥色胺，最后合成褪黑激素，MT的生物合成受光周期的制約。哺乳動物已經(jīng)獲得的MT受體分2個亞型：MT1與MT2。哺乳動物MT主要通過MT1的介導發(fā)揮作用，MT2可能由于其基因編碼區(qū)無義突變導致蛋白功能喪失。

1.2 動物繁殖的季節(jié)性

根據(jù)動物對不同季節(jié)日照周期長短的繁殖反應差異可以把動物大體分為長日照繁殖動物、短日照繁殖動物和常年發(fā)情動物3類。長日照繁殖動物主要有倉鼠和馬等，短日照繁殖動物主要有貂、鹿、綿羊和山羊等，常年發(fā)情動物包括 Wistar大鼠、豬、牛、人等。褪黑激素對3類動物繁殖活動均具有重要影響。

1.3 褪黑激素對動物繁殖活動的具體影響

1.3.1對短日照動物繁殖活動的影響褪黑激素對短日照動物的繁殖活動主要起促進作用。①外源MT明顯提高梅花鹿體內(nèi)MT濃度、促卵泡素(FSH)濃度，延長FSH的作用時間，推遲FSH峰值的出現(xiàn)，促進卵泡發(fā)育；顯著提高了排卵時促黃體素(LH)的濃度，促進了排卵；降低發(fā)情前期體內(nèi)催乳素的濃度，促進母鹿撤栓后的發(fā)情；提高了沖胚時可以觀察到的黃體數(shù)和獲得的胚胎數(shù)[1]。②MT能誘導非繁殖季節(jié)母羊發(fā)情排卵、交配和產(chǎn)羔，進一步提高繁殖效率[2]。③MT可促進雄性水貂的睪丸發(fā)育[3]。

1.3.2對長日照動物繁殖活動的影響褪黑激素對長日照動物的繁殖活動主要起抑制作用。①長期使用MT可能誘導倉鼠的睪丸退化，進而抑制倉鼠的繁殖功能[4]。②外源性MT可使公馬的睪酮濃度降低，抑制公馬的繁殖活動[4]。

1.3.3對常年發(fā)情動物繁殖活動的影響褪黑激素對常年發(fā)情動物繁殖活動的影響比較復雜。①口服MT可以完全克服地方品種青年母豬性成熟的季節(jié)性抑制。②口服MT使青年母豬提前性成熟的作用不受光照時間的影響。③通過MT濃度變化節(jié)律的調(diào)節(jié)可提高母豬的哺乳性能及繁殖效率[4]。

褪黑激素能影響人類的生殖活動依據(jù)是男性精子中存在MT受體，可降低精子的活動性；外源MT可提高女性LH自主脈沖分泌的幅度，增強LH和FSH對GnRH的反應性。但MT間接對人類的生殖活動產(chǎn)生影響的主要原因是血清MT水平正常的病人，可能出現(xiàn)性腺機能減退；長期高劑量MT不能阻止女性排卵[5]。

2 褪黑激素調(diào)節(jié)動物繁殖的作用位點

MT主要作用于下丘腦內(nèi)側(cè)基底部(MBH)區(qū)，從而發(fā)揮其對動物繁殖的光周期調(diào)節(jié)作用，具體依據(jù)如下：①電擊損傷敘利亞倉鼠MBH后，短日照對性腺和促黃體素(LH)的影響消失[6]。②Soay公綿羊MBH注入MT引起了血漿催乳素(PRL)濃度的快速降低，同時睪丸增大。另外微量MT植入下丘腦乳頭突(PMH)可引起母綿羊LH的釋放，MT可能通過PMH來調(diào)節(jié)母羊繁殖活動[7]。另外，MT1在垂體腺結(jié)節(jié)(PT)有豐富的表達，MT也可能通過直接作用于垂體腺結(jié)節(jié)部[8]。

3 褪黑激素調(diào)節(jié)動物繁殖的的途徑

褪黑激素(MT)通過調(diào)節(jié)Kiss1和甲狀腺激素(TH)調(diào)節(jié)促性腺激素釋放激素(GnRH)的釋放調(diào)節(jié)動物的繁殖活動，即MT通過MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH[8]途徑調(diào)節(jié)動物的繁殖活動。

3.1 MT-Kiss1-GnRH調(diào)節(jié)途徑

3.1.1Kiss1基因調(diào)控GnRH釋放Kiss1基因最初從人腫瘤抑制基因中分離出來，它編碼1條145個氨基酸的蛋白，該蛋白經(jīng)過加工產(chǎn)生13個～54個氨基酸的生物活性多肽，這些多肽通稱為Kisspeptins，擁有共同的G蛋白耦聯(lián)受體54(GPR54)。GPR54基因突變可引發(fā)促性腺激素分泌不足、性腺機能減退及性器官發(fā)育異常。

Kiss1可能通過調(diào)節(jié)GnRH分泌影響動物的繁殖活動，依據(jù)如下：①Kisspeptin神經(jīng)纖維末梢連接或緊密毗鄰GnRH神經(jīng)元[9]。②GnRH神經(jīng)元中存在Kiss1受體GPR54[10]。③對綿羊腦室內(nèi)注射kisspeptin導致GnRH大量釋放入腦脊液中，同時血液LH水平同步升高，并且Kisspeptin是通過受體GPR54唯一直接作用于GnRH神經(jīng)元[11]。

3.1.2MT調(diào)控Kiss1基因不同繁殖季節(jié)Kiss1基因表達受到MT介導的光周期控制。①MT受體和Kiss1共同表達于下丘腦基底部(弓狀核尾部)[12]。②短日照條件下，MT直接作用于敘利亞倉鼠下丘腦弓狀核來抑制Kiss1基因表達，表明Kiss1神經(jīng)元介導了MT對敘利亞倉鼠促性腺激素的作用[12]。③把母綿羊從長日照(16L/8D)轉(zhuǎn)換到短日照(8L/16D)時，其下丘腦視前區(qū)和弓狀核尾部Kisspeptin表達量均增加，從而導致GnRH釋放，綿羊進入繁殖季節(jié)。

3.2 MT-TH-GnRH調(diào)節(jié)途徑

3.2.1TH調(diào)控GnRH釋放TH可能通過調(diào)節(jié)GnRH釋放實現(xiàn)對性腺系統(tǒng)的季節(jié)性調(diào)控，依據(jù)如下：①綿羊甲狀腺激素受體α與47%的GnRH神經(jīng)元共表達于MBH；敘利亞倉鼠GnRH與TH受體α也存在共表達現(xiàn)象。②下丘腦MBH中腦室膜細胞突起與GnRH神經(jīng)元突觸相互作用形成包繞結(jié)構(gòu)，TH能夠作用于該結(jié)構(gòu)從而調(diào)控GnRH的分泌[14]。腦室膜細胞是一類神經(jīng)膠質(zhì)細胞，其細胞突起可作為膠質(zhì)囊包繞GnRH神經(jīng)末梢[13]。而該包繞結(jié)構(gòu)的松緊變化受光照信號的調(diào)控[13，14]，也就促成了GnRH的不同分泌方式。三碘甲腺原氨酸(T3)正是通過影響這一包繞結(jié)構(gòu)來介導光周期對GnRH釋放的季節(jié)性調(diào)節(jié)作用[14]。

3.2.2MT調(diào)節(jié)THMT通過調(diào)節(jié)II型脫碘酶(DIO2)和III型脫碘酶(DIO3)調(diào)節(jié)甲狀腺激素。DIO2催化四碘甲腺原氨酸(T4)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚愿鼜姷娜饧紫僭彼?T3)；而DIO3則催化T4轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性的反T3，同時把T3轉(zhuǎn)換為無活性的T2。DIO2和DIO3這2種酶的比率調(diào)節(jié)著下丘腦中T3和T4濃度的相對平衡。

光照通過MT調(diào)節(jié)DIO2/DIO3：①多數(shù)動物在長日照時DIO2基因表達上調(diào)，T3濃度增加；而短日照時DIO2基因表達下調(diào)，隨之T3也減少。②成年西伯利亞倉鼠短日照時DIO3基因的表達上調(diào)，T3濃度降低，DIO2表達不受光周期變化影響[7]。

4 結(jié)語

近年來針對光照通過MT影響動物繁殖活動的生理途徑研究取得了一定的進展，但關(guān)于MT對動物繁殖的影響與作用機理仍有許多問題有待研究，具體如下：①MT對季節(jié)性繁殖動物的影響具有明顯的規(guī)律性，但對常年發(fā)情動物的影響規(guī)律如何？②MT調(diào)節(jié)繁殖活動的主要作用位點是下丘腦內(nèi)側(cè)基底部(MBH)，是否還存在其他的調(diào)節(jié)位點？③MT通過MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH[7]途徑調(diào)節(jié)動物的繁殖活動，這兩條調(diào)節(jié)途徑之間是否存在聯(lián)系？④是否存在MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH外的調(diào)節(jié)途徑？

[1]王梁,劉國世,史文清,等.外源褪黑激素對梅花鹿超數(shù)排卵及體內(nèi)促性腺激素的影響[C]∥中國畜牧業(yè)協(xié)會.《2011中國鹿業(yè)進展》.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2011:190-199.

[2]董李學,劉月琴,張英杰.褪黑素對羊生殖調(diào)控的研究進展[C]∥中國畜牧業(yè)協(xié)會.《中國畜牧獸醫(yī)學會養(yǎng)羊?qū)W分會全國養(yǎng)羊生產(chǎn)與學術(shù)研討會議論文集》.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2010:65-68.

[3]宋興超,薛海龍,魏海軍,等.外源褪黑激素對水貂睪丸形態(tài)及組織學結(jié)構(gòu)的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2012,43(9):107-112.

[4]馬友記,李發(fā)遞,張利.褪黑素對動物生殖調(diào)控機理的研究進展[J].中國草食動物,2007,(1):85-88.

[5]石瓊,孫儒泳,張崇理.人體中褪黑素的生理作用[C]∥中國動物學會.《中國動物科學研究-中國動物學會第十四屆會員代表大會及中國動物學會65周年年會論文集》.北京:中國林業(yè)出版社,1999:1150-1153.

[6]Maywood E S,Hastings M H.Lesions of the iodomelatonin-binding sites of the mediobasal hypothalamus spare the lactotropic,but block the gonadotropic response of male Syrian hamsters to short photoperiod and to melatonin[J].Endocrinology,1995,136:144-153.

[7]Malpaux B,Daveau A,Maurice-Mandon F,et al.Evidence that melatonin acts in the premammillary hypothalamic area to control reproduction in the ewe:presence of binding sites and stimulation of luteinizing hormone secretion by in situ microimplant delivery[J].Endocrinology,1998,139(4):1508-1516.

[8]黃冬維,儲明星.動物季節(jié)性繁殖分子調(diào)控機理研究進展[J].遺傳,2011,33(7):695-706.

[9]Franceschini I,Lomet D,Cateau M,et al.Kisspeptin immunoreactive cells of the ovine preoptic area and arcuate nucleus co-express estrogen receptor alpha[J].Neuroscience Letters,2006,401(3):225-230.

[10]Han S K,Gottsch M L,Lee K J,et al.Activation of gonadotropin-releasing hormone neurons by kisspeptin as a neuroendocrine switch for the onset of puberty[J].Neuroscience,2005,25(49):11349-11356.

[11]Messager S,Chatzidaki E E,Ma D,et al.Kisspeptin directly stimulates gonadotropin-releasing hormone release via G protein-coupled receptor 54[J].Proceeding of the National Academy of Science of the United Statas of America,2005,102(5):1761-1766.

[12]Ansel L,Bolborea M,Bentsen A H,et al.Differential regulation of kiss1 expression by melatonin and gonadal hormones in male and female Syrian hamsters[J].Biol Rhythms,2010,25(2):81-91.

[13]Rodríguez E M,Blázquez J L,Pastor F E,et al.Hypothalamic tanycytes:a key component of brain-endocrine interaction[J].International Review of Cytology,2005,247:89-164.

[14]Kameda Y,Arai Y,Nishimaki T.Ultrastructural localization of vimentin immunoreactivity and gene expression in tanycytes and their alterations in hamsters kept under different photoperiods[J].Cell Tissue Res,2003,314(2):251-262.