褪黑激素对动物繁殖活动的影响及调控机理

薛海龙，宋兴超，杨镒峰，陈秀敏，魏海军

(中国农业科学院特产研究所吉林省特种经济动物分子生物学重点实验室，长春130112)

褪黑激素(Melatonin，MT)是反映光照时间的一种化学物质，同时也是调节动物季节性繁殖活动的一种重要的内分泌激素。MT可能是光照调节动物繁殖活动的重要媒介。光照通过MT调节动物繁殖的过程为：光照信号通过视网膜转化为神经冲动，神经冲动通过松果体转化为MT，MT调节促性腺激素释放激素(GnRH)的脉冲式释放，GnRH通过下丘脑-垂体-性腺轴调控繁殖活动。

1 褪黑激素及其对动物繁殖的影响

1.1 褪黑激素及其受体

褪黑激素是松果体分泌的一种胺类激素，化学名称N-乙酰基-5-甲氧基色胺，分子式C13N2H16O2，分子量232.27，熔点116℃～118℃。松果体在光控神经的控制下，将色氨酸转化成5-羟色氨酸，进一步转化成5-羟色胺，再转化成N-乙酰基-5-羟色胺，最后合成褪黑激素，MT的生物合成受光周期的制约。哺乳动物已经获得的MT受体分2个亚型：MT1与MT2。哺乳动物MT主要通过MT1的介导发挥作用，MT2可能由于其基因编码区无义突变导致蛋白功能丧失。

1.2 动物繁殖的季节性

根据动物对不同季节日照周期长短的繁殖反应差异可以把动物大体分为长日照繁殖动物、短日照繁殖动物和常年发情动物3类。长日照繁殖动物主要有仓鼠和马等，短日照繁殖动物主要有貂、鹿、绵羊和山羊等，常年发情动物包括 Wistar大鼠、猪、牛、人等。褪黑激素对3类动物繁殖活动均具有重要影响。

1.3 褪黑激素对动物繁殖活动的具体影响

1.3.1对短日照动物繁殖活动的影响褪黑激素对短日照动物的繁殖活动主要起促进作用。①外源MT明显提高梅花鹿体内MT浓度、促卵泡素(FSH)浓度，延长FSH的作用时间，推迟FSH峰值的出现，促进卵泡发育；显著提高了排卵时促黄体素(LH)的浓度，促进了排卵；降低发情前期体内催乳素的浓度，促进母鹿撤栓后的发情；提高了冲胚时可以观察到的黄体数和获得的胚胎数[1]。②MT能诱导非繁殖季节母羊发情排卵、交配和产羔，进一步提高繁殖效率[2]。③MT可促进雄性水貂的睾丸发育[3]。

1.3.2对长日照动物繁殖活动的影响褪黑激素对长日照动物的繁殖活动主要起抑制作用。①长期使用MT可能诱导仓鼠的睾丸退化，进而抑制仓鼠的繁殖功能[4]。②外源性MT可使公马的睾酮浓度降低，抑制公马的繁殖活动[4]。

1.3.3对常年发情动物繁殖活动的影响褪黑激素对常年发情动物繁殖活动的影响比较复杂。①口服MT可以完全克服地方品种青年母猪性成熟的季节性抑制。②口服MT使青年母猪提前性成熟的作用不受光照时间的影响。③通过MT浓度变化节律的调节可提高母猪的哺乳性能及繁殖效率[4]。

褪黑激素能影响人类的生殖活动依据是男性精子中存在MT受体，可降低精子的活动性；外源MT可提高女性LH自主脉冲分泌的幅度，增强LH和FSH对GnRH的反应性。但MT间接对人类的生殖活动产生影响的主要原因是血清MT水平正常的病人，可能出现性腺机能减退；长期高剂量MT不能阻止女性排卵[5]。

2 褪黑激素调节动物繁殖的作用位点

MT主要作用于下丘脑内侧基底部(MBH)区，从而发挥其对动物繁殖的光周期调节作用，具体依据如下：①电击损伤叙利亚仓鼠MBH后，短日照对性腺和促黄体素(LH)的影响消失[6]。②Soay公绵羊MBH注入MT引起了血浆催乳素(PRL)浓度的快速降低，同时睾丸增大。另外微量MT植入下丘脑乳头突(PMH)可引起母绵羊LH的释放，MT可能通过PMH来调节母羊繁殖活动[7]。另外，MT1在垂体腺结节(PT)有丰富的表达，MT也可能通过直接作用于垂体腺结节部[8]。

3 褪黑激素调节动物繁殖的的途径

褪黑激素(MT)通过调节Kiss1和甲状腺激素(TH)调节促性腺激素释放激素(GnRH)的释放调节动物的繁殖活动，即MT通过MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH[8]途径调节动物的繁殖活动。

3.1 MT-Kiss1-GnRH调节途径

3.1.1Kiss1基因调控GnRH释放Kiss1基因最初从人肿瘤抑制基因中分离出来，它编码1条145个氨基酸的蛋白，该蛋白经过加工产生13个～54个氨基酸的生物活性多肽，这些多肽通称为Kisspeptins，拥有共同的G蛋白耦联受体54(GPR54)。GPR54基因突变可引发促性腺激素分泌不足、性腺机能减退及性器官发育异常。

Kiss1可能通过调节GnRH分泌影响动物的繁殖活动，依据如下：①Kisspeptin神经纤维末梢连接或紧密毗邻GnRH神经元[9]。②GnRH神经元中存在Kiss1受体GPR54[10]。③对绵羊脑室内注射kisspeptin导致GnRH大量释放入脑脊液中，同时血液LH水平同步升高，并且Kisspeptin是通过受体GPR54唯一直接作用于GnRH神经元[11]。

3.1.2MT调控Kiss1基因不同繁殖季节Kiss1基因表达受到MT介导的光周期控制。①MT受体和Kiss1共同表达于下丘脑基底部(弓状核尾部)[12]。②短日照条件下，MT直接作用于叙利亚仓鼠下丘脑弓状核来抑制Kiss1基因表达，表明Kiss1神经元介导了MT对叙利亚仓鼠促性腺激素的作用[12]。③把母绵羊从长日照(16L/8D)转换到短日照(8L/16D)时，其下丘脑视前区和弓状核尾部Kisspeptin表达量均增加，从而导致GnRH释放，绵羊进入繁殖季节。

3.2 MT-TH-GnRH调节途径

3.2.1TH调控GnRH释放TH可能通过调节GnRH释放实现对性腺系统的季节性调控，依据如下：①绵羊甲状腺激素受体α与47%的GnRH神经元共表达于MBH；叙利亚仓鼠GnRH与TH受体α也存在共表达现象。②下丘脑MBH中脑室膜细胞突起与GnRH神经元突触相互作用形成包绕结构，TH能够作用于该结构从而调控GnRH的分泌[14]。脑室膜细胞是一类神经胶质细胞，其细胞突起可作为胶质囊包绕GnRH神经末梢[13]。而该包绕结构的松紧变化受光照信号的调控[13，14]，也就促成了GnRH的不同分泌方式。三碘甲腺原氨酸(T3)正是通过影响这一包绕结构来介导光周期对GnRH释放的季节性调节作用[14]。

3.2.2MT调节THMT通过调节II型脱碘酶(DIO2)和III型脱碘酶(DIO3)调节甲状腺激素。DIO2催化四碘甲腺原氨酸(T4)转变为活性更强的三碘甲腺原氨酸(T3)；而DIO3则催化T4转变为无活性的反T3，同时把T3转换为无活性的T2。DIO2和DIO3这2种酶的比率调节着下丘脑中T3和T4浓度的相对平衡。

光照通过MT调节DIO2/DIO3：①多数动物在长日照时DIO2基因表达上调，T3浓度增加；而短日照时DIO2基因表达下调，随之T3也减少。②成年西伯利亚仓鼠短日照时DIO3基因的表达上调，T3浓度降低，DIO2表达不受光周期变化影响[7]。

4 结语

近年来针对光照通过MT影响动物繁殖活动的生理途径研究取得了一定的进展，但关于MT对动物繁殖的影响与作用机理仍有许多问题有待研究，具体如下：①MT对季节性繁殖动物的影响具有明显的规律性，但对常年发情动物的影响规律如何？②MT调节繁殖活动的主要作用位点是下丘脑内侧基底部(MBH)，是否还存在其他的调节位点？③MT通过MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH[7]途径调节动物的繁殖活动，这两条调节途径之间是否存在联系？④是否存在MT-Kiss1-GnRH和MT-TH-GnRH外的调节途径？

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