多胺调控动物繁殖的作用及其机制

向 睿 何 珲 康 波 姜冬梅 马 容 刘 月

(四川农业大学动物科技学院，雅安 625014)

动物体内的多胺主要包括腐胺、亚精胺和精胺，其代谢的稳态受到机体的精密调控。多胺在细胞增殖过程中是必不可少的物质，被认为是一种生长素，在生长旺盛的组织中多胺的含量明显高于其他组织［1－2］。研究表明，细胞内多胺含量降低可抑制细胞的增殖并使细胞停留在G1期;而细胞内多胺含量过多，也可使细胞过度增殖诱导癌变［3－4］。在雄性动物中，睾丸中的支持细胞和间质细胞能够合成多胺，而且多胺合成受雄激素的调控［5］，除此之外，精子的运动能力与精浆中亚精胺和精胺的含量呈正相关［6］。在雌性动物中，多胺合成受卵泡刺激素(FSH)和黄体生成素(LH)的调控，卵巢中多胺含量减少可导致小鼠卵泡发育停滞［7］。多胺合成受到抑制时，非洲爪蟾卵母细胞的减数分裂停滞，进而影响卵母细胞成熟［8］。因此，多胺对动物繁殖具有重要的调控作用，广泛参与配子发生、卵泡发育和排卵等多个繁殖过程。本文就多胺的生物合成及其调控动物繁殖的作用机制进行综述，旨在为多胺调控动物繁殖的研究提供参考。

1 多胺的生物合成及调控因素

1.1 多胺的生物合成

生物体内多胺主要来源于食物、肠道菌群和体内生物合成。多胺体内生物合成及其稳态的维持受到机体精密的调控，在生物体中鸟氨酸途径是合成多胺的唯一途径［9－10］。真核细胞中，多胺从L－鸟氨酸转化而来。鸟氨酸脱羧酶(ornithine decarboxylase，ODC)是多胺代谢过程中的第1个限速酶，能催化L－鸟氨酸脱羧生成腐胺，腐胺与去羧基S－腺苷甲硫氨酸(decarboxylated S-adenosylmethionine，SAM)结合，通过亚精胺合成酶(spermidine synthase，SRM)转移胺丙基生成亚精胺，后者再以类似的方式在精胺合成酶(spermine synthase，SMS)的催化作用下生成精胺［11－12］。近来又发现诱导型精胺氧化酶(spermine oxidase，SMOX)可直接将精胺转化为亚精胺［13］。多胺在体内稳态的维持受到多种酶的精确调控，其中鸟氨酸脱羧酶抗酶(ornithine decarboxylase antizyme，OAZ)和鸟氨酸脱羧酶抗酶抑制因子(antizyme inhibitor，AZIN)是多胺稳态维持的重要调节因子。当动物细胞中多胺含量增加时，OAZ基因被诱导翻译全长的具有生物活性的蛋白质，后者可与ODC形成异源二聚体，进而抑制多胺的生物合成，同时抑制细胞膜上多胺转运体的活性，抑制多胺的摄入。当细胞中多胺含量降低时，AZIN分泌增加并竞争性抑制OAZ的活性，同时促进细胞膜上多胺转运体的活性［14］。

1.2 性激素与多胺的生物合成

雄激素可以调控睾丸支持细胞和间质细胞多胺合成［15］。阉割兔的ODC活性显著降低，并且前列腺中的多胺含量也明显下降;用睾酮处理阉割兔后发现，ODC的活性得以恢复。另外，小鼠体内ODC基因表达还受FSH和LH的调控。给摘除垂体的小鼠注射FSH和LH后发现，ODC基因表达量显著升高;体外培养小鼠睾丸支持细胞时，加入FSH后发现，ODC的酶活和表达量均增加，培养液中的精胺和腐胺的含量也显著升高［16］。另外，ODC的活性还受人绒毛膜促性腺激素(hCG)的调控，在发情前期的小鼠卵巢中，hCG能特异性的刺激卵泡膜细胞中的ODC基因表达，并能提高ODC蛋白质的活性［17］。ODC蛋白质定位在卵泡的特定区域，腔前卵泡和囊状卵泡中大量存在，ODC蛋白质的分布位置与LH和hCG受体的分布位置相似，用hCG和FSH处理体外培养的颗粒细胞可促进ODC基因的表达［18］。然而，新近的研究发现，在牛的子宫和卵泡组织中，ODC和AZIN基因的表达不受牛排卵期子宫内膜中内分泌激素的调控［19］。由此可见，固醇类激素对多胺代谢酶表达及其生物活性的调控作用可能存在种间差异，然而其具体原因及其内在分子调控机制仍有待进一步研究阐明。

2 多胺调控雄性动物的繁殖

2.1 精子发生

多胺的合成与精子发生有紧密的联系，OAZ是多胺代谢过程中的重要调控酶，其家族成员包括 OAZ1、OAZ2、OAZ3 和 OAZ4，其中 OAZ3 基因只在精子中大量表达［20－21］。研究发现，OAZ3基因只在精子生成的后期有大量表达，这种在精子生成过程中集中的、短时间的大量表达，提示OAZ3基因在精子生成后期的突然累积使精子中多胺的含量突然下降，该过程对精子的发生有至关重要的作用［22］。有研究对这一结论进行了验证，动物睾丸中过表达ODC影响精子的生成的原因可能是OAZ3基因在精子生成后期的正常表达不足以抑制过表达的ODC的活性，从而导致了精子生成的异常［23］。用酵母菌双杂合筛选法研究发现，OAZ3蛋白质能与配子发育蛋白1(gametogenetin protein-1，GGN-1)相互作用，可能对 GGN-1活性有抑制作用［24］。也有研究表明，OAZ3对精子生成的影响是通过调节磷酸酶活性而不是通过调控多胺的生成途径来完成的［25］。目前关于OAZ3调控精子发生的具体机制还需要进一步研究阐明。除此之外，Rubinstein等［26］研究表明，处于低含量的精胺可诱导获能的牛精子发生顶体反应，而较高含量的精胺则具有抑制作用。由此可见，精液中适当含量的多胺既可以防止精子过早的获能，又可以防止顶体反应过早的发生。因此，多胺及其代谢因子在精子生成和精子受精能力上均具有重要调控作用。

2.2 精子活力

多胺是已知最古老的人类前列腺分泌的分泌物，在小鼠和人类的精浆中精胺的含量显著高于其他组织或体液［27－28］。Calandra 等［29］研究表明，在不育男性精浆中，亚精胺和精胺含量明显低于正常男性。治疗男性少精症的SAM可增加多胺含量，同时可提高精子的数量和活力。另据报道，精子的运动能力与精浆中亚精胺和精胺的含量呈正相关，在弱精症患者的精液中加入适量的亚精胺或L－精氨酸能够增加精子的运动能力。精胺具有激活体外培养小鼠和豚鼠输精管中未激活精子的功能［30］。由此可见，精胺具有前列腺分泌液的部分功能。另外，体外培养大鼠未成熟精细胞时，添加精胺能够增加精细胞的糖酵解及腺苷酸环化酶的活性，提示多胺影响精子活力的功能可能是通过调控精细胞内信号传导和能量代谢来实现的。另有研究表明，山羊高精子活力精液中的多胺含量显著高于低精子活力精液，这可能是由于多胺具有调控精子膜蛋白磷酸化的作用，进而使山羊精子的活力显著升高［31］。然而，有关多胺影响精子活力的具体机制仍有待进一步研究。

3 多胺调控雌性动物的繁殖

3.1 卵泡发育

二氟甲基鸟氨酸(difluoromethylornithine，DFMO)是多胺合成过程中的特异性抑制剂，它能与ODC特异性结合并诱导其泛素化降解，使细胞中的多胺含量降低。研究发现，给发育未成熟的小鼠注射DFMO能够使其卵巢和卵泡发育停滞［17，32］。注射 DFMO 后，小鼠血液中的孕酮和雌激素的含量显著降低，卵泡的发育停滞，甚至出现卵泡凋亡的情况。同时，注射孕马血清促性腺激素(PMSG)、hCG和DMFO的小鼠血液中的孕酮和雌激素的含量没有明显增加，其排卵时间和排卵数量也没有明显提前或增加。由此可见，多胺合成受到抑制时，能够抵消PMSG和hCG对小鼠的促排卵作用［33］。卵泡组织是繁殖期间生长最快的组织，卵泡细胞中多胺的含量显著高于其他组织。我们前期的研究发现，多胺生物合成关键酶OAZ1基因在鹅产蛋期卵巢组织中表达量显著高于产蛋前期，产蛋期鹅卵泡迅速生长并排卵，高表达的OAZ1基因可能通过抑制多胺的生物合成，进而抑制卵泡发育和成熟，这可能是鹅产蛋性能较低的原因之一［34］。在OAZ1和OAZ2基因组织表达的研究中发现，在鹅卵巢组织中OAZ1和OAZ2基因都有较高的表达，但OAZ1基因的表达量是OAZ2基因的26.62倍，说明OAZ1在调控四川白鹅卵泡发育的过程中起了主导作用［35］。如上所述，卵巢中多胺合成受到性激素的调控，多胺合成受阻时血液中固醇类激素的含量降低，进而影响卵巢卵泡的发育。此外，多胺与一些固醇类激素在刺激卵泡发育过程中可能存在协同作用，然而其具体机制还未见相关报道。

3.2 卵子发生及排卵

目前的研究表明，哺乳动物ODC与生殖细胞减数分裂的启动有关［36］。排卵前期恢复减数分裂之后，囊状卵泡卵母细胞的细胞质中ODC的含量增加［17］。更多的关于多胺对卵子发生的研究集中在两栖动物。孕酮或hCG能够促进非洲爪蟾卵泡的成熟，与此同时伴随着ODC活性的增加。ODC活性的增加发生在生发泡破裂第一极体分离的阶段，ODC基因表达时间和空间上的特异性暗示了ODC对非洲爪蟾卵母细胞的成熟存在一个因果关系。进一步的研究证实了这一假设，DFMO处理非洲爪蟾卵泡，导致卵母细胞的减数分裂停滞，进而影响卵母细胞的成熟。Zhou等［8］将ODC干扰表达载体注射到非洲爪蟾的卵母细胞中发现，卵母细胞在减数第2次分裂时，细胞中出现了大量的活性氧，诱发卵母细胞的凋亡。此外，用DMFO处理发情前的雌性小鼠，小鼠垂体中多胺含量下降，同时血液中LH和催乳素的含量也下降，排卵数量减少。因此，多胺的代谢过程受到抑制或促进都会对雌性动物卵子发生、卵泡发育和排卵等多个生理过程产生重要的影响，进一步的研究应致力于多胺调控雌性动物繁殖的分子机制方面。

4 小结

多胺对动物繁殖具有重要的调控作用。在雄性动物繁殖过程中，多胺参与调控精子发生过程，并可影响精子的活力。在雌性动物繁殖过程中，多胺及其代谢酶可参与调控卵子发生、卵泡发育和排卵过程。因此，多胺稳态的维持对动物繁殖具有至关重要的作用。然而，目前有关多胺调控动物繁殖的研究多停留在其代谢通路受到阻断或促进时动物繁殖功能的变化方面，而有关多胺调控动物繁殖的信号传导途径以及多胺与性激素之间的交互作用方面还有待进一步研究。

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