褪黑素影响动物繁殖性能的研究进展

■刘懿慧 张佩华李鑫垚

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南省畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙 410128）

褪黑素(melatonin，MLT)是松果体(pineal gland，PG)中最早被发现的具有生物活性的物质，是一种由色氨酸为基质合成的昼夜节律性胺类激素，通常在夜晚时分泌量达到高峰[1]。已知MLT在动物生理节律性调节、免疫调控、抗氧化和清除自由基、延缓衰老等方面均发挥着重要作用[2-6]。而有许多研究证实，MLT在动物生殖系统调节方面也具有影响作用，其可经脑脊液或血液循环途径作用于下丘脑促性腺激素释放激素神经元，通过抑制下丘脑-垂体-性腺轴调节动物的繁殖活动[7-8]。作为重要的神经内分泌激素，MLT可传递中枢信号，调节睾丸、卵巢生物钟系统。MLT具有一定的抗氧化作用，故其对性腺的保护作用也受到广泛关注[9]。

1 褪黑素的合成与分泌

MLT的化学名称为N-乙酰基-5-甲氧基色胺，分子式为C13N2H16O2，相对分子量为232.3，其有很强的脂溶性和水溶性[10]。MLT的合成是一个复杂的酶联反应过程，当PG摄入色氨酸后在色氨酸羟化酶的羟化作用下生成5-羟色氨酸，再经芳香族L-氨基酸脱羧酶、5-羟基-N-乙酰转移酶(关键限速酶)与羟基吲哚-氧-甲基转移酶(关键限速酶)的催化，一步步转化为N-乙酰基-5-甲氧基色胺，即MLT[11-13]。经过不断地研究发现，除PG外，动物机体内多种组织和器官中均分泌MLT，如视网膜、胃肠道、免疫细胞、肾脏、性腺(睾丸、卵巢)等[14-19]。

2 褪黑素受体类型

MLT主要通过特定的膜受体，也可通过核受体介导而发挥作用。膜受体包括MLT膜受体(melatonin membrane receptor，MT)MT1、MT2和MT3；核受体包括维甲酸Z受体(retinoid Z receptor，RZR)和维甲酸相关孤核受体(retinoic acid-related orphan receptor，ROR)[20]。其中，MT1、MT2属于跨膜G蛋白偶联受体家族，MT1和MT2广泛的存在于人与其他哺乳动物体内，在动物下丘脑、垂体、视网膜、胃肠道、肾脏、睾丸和卵巢等组织器官中均有表达。MT1与MLT结合参与生殖、代谢和血管收缩等功能，MT2则主要参与视网膜多巴胺释放、血管舒张与昼夜节律控制等重要生理活动[21-24]。

3 MLT对动物繁殖性能的影响

MLT含量主要受光照的影响，光信号通过视网膜将神经冲动传递给下丘脑室交叉上核，然后经过室旁核，最后传递到PG，促使PG分泌MLT[25]。有大量研究指出，MLT是调节光照信号和生殖系统关系中重要的激素信号，即光照会对MLT调控生殖活动产生影响[26-27]。目前相关研究往往通过调控光照周期(24 h中黑暗与光照的时间分配比例)、光照强度、光质(红光、蓝光、复合光等)进行探究MLT对动物繁殖性能的影响[28-34]。同时也有研究通过直接给予外源性MLT(埋置、注射、饲喂)的方式控制机体内MLT含量进而调控动物生殖活动[35-38]。Mura等[37]对绵羊采用注射MLT处理，发现MLT可有效提高绵羊的生育率。张苗蕊[38]在蛋鸡日粮中添加1mg/kg褪黑素后，蛋品质得到显著提高且生殖激素相关基因表达量达到最高。

3.1 MLT调节动物发情周期

发情是雌性动物达到一定年龄时，由卵巢上的卵泡发育引起，受下丘脑-垂体-卵巢轴系调控的生理现象。目前在实际生产中，同期发情技术被广泛运用以便利于养殖场的饲养管理，提高生产效率。通过人为因素(注射激素)促进动物发情需考虑发情后动物体的受孕率等问题，而MLT不仅可以提高发情率也可以促使受孕率提升。

He等[39]指出奶牛发情期血清中存在较高的褪黑激素水平，有助于提高初次发情受精率。有研究表明对奶牛采取长光照处理可以对其繁殖性能起到促进作用，并且在冬季进行长光照会促使母畜发情和提高受孕率[31]。而增加光照的时间对于促进猪的性成熟时间也具有积极作用[30]。张海容[35]在母羊体内埋植MLT，结果发现MLT处理组中第一只母羊发情时间比对照组早30 d，发情率比对照组提高40个百分点。赵国栋[36]通过补饲MLT，探究MLT对母羊繁殖性能的影响，得出与上述观点一致的结论，即补饲MLT可以提高发情率。李梓芃[40]的研究结果表明注射MLT能够提高杂交水牛在非繁殖季节的发情、排卵和受胎比例。MLT不仅对反刍动物的发情周期具有调节作用，对其他动物亦是如此。Chen等[41]通过试验证实外源性褪黑素和光周期都会对母鸡性成熟产生影响。

综上所述，MLT可以有效调节动物的发情周期，对提高实际生产力及经济效益具有积极的作用。

3.2 MLT影响体内、体外精子的功能

精子为雄性的生殖细胞，其功能的优劣直接影响受精率、胚胎的存活率及子代的机体健康状况。因此保证精子的功能良好，对促进畜牧生产的发展具有深刻意义。

Zhang等[42]研究指出，MLT可通过维持睾丸中精原干细胞和减数分裂细胞正常的二甲基化，有力抗击双酚A(BPA)或邻苯二甲酸二己酯(DEHP)对精子发生的抑制作用。精子线粒体直接影响着精子的运动能力，是精子运动的能量源，其结构与功能的改变直接影响到精子的运动能力。Plessiss等[43]进行的体外精子热处理试验表明，培养液中添加MLT可使精子的存活率和直线运动的比例显著增加。Fabian等[44]研究指出，经MLT预培养后的精子较未处理的精子运动能力强，并且使精子细胞中的DNA致密化，防止正常精子中的DNA断裂。以上试验结果均是依靠于MLT的强抗氧化能力。同时也有报道指出，非繁殖季节在公水牛皮下埋植MLT后，精子直线运动的比例、精子活力显著升高，精子异常运动率显著下降；精浆总蛋白、白蛋白浓度，胆固醇显著增加，而天冬氨酸转氨酶活性降低，进而证明MLT可提高水牛非繁殖期精液质量[45]。

精子超活化是精子能否完成受精作用的关键。Fujinoki[46]研究表明MLT处理过的仓鼠精子超活化显著增强。Vinod等[47]的试验结果也进一步证实MLT可促进精子超活化。但两者对于产生这一结果的机制有些差异，MLT通过其受体MT1进而作用于精子细胞内Ca2+和NO发生作用[46]，而Vinod等[47]的看法是MLT通过抑制内皮型—氧化氮合酶活性，减少NO产生进而消除自由基引发的损伤，从而影响精子的超活化。有报道指出，用100 pmol/L MLT处理后的精子其受精率与受精卵的卵裂率显著增加[48]。同时还有研究指出在成年公羊采用皮下植入MLT处理90 d后，公羊的精浆中谷氨酸、乙酰肉碱、胆碱和精氨酸浓度显著提高，精子的体外受精能力增强[49]。

综上所述，MLT通过直接或间接作用影响精子的功能，进而提高精子质量。

3.3 MLT促进体内、体外卵母细胞的成熟及胚胎发育

黄健等[50]运用体外试验探究不同浓度MLT对绵羊成熟卵母细胞发育的影响，结果发现在绵羊卵母细胞体外成熟培养基中添加一定浓度的褪黑素，可促进卵母细胞体外成熟以及激活后卵母细胞的胚胎发育；当MLT浓度为10-9mol/L时对于促进绵羊卵母细胞体外成熟具有最佳效果。陈真[51]发现添加1 nmol/L和10 nmol/L MLT均有利于体外培养的猪卵母细胞的细胞核、胞质的成熟；1 nmol/L MLT可促进体外猪卵母细胞成熟，这与卵丘细胞扩散、细胞凋亡基因的表达等密切相关。Tian[52]指出MLT通过褪黑素膜受体介导，促进牛卵母细胞体外成熟。同时有研究指出在山羊体内埋植MLT能够促进卵母细胞发育，其机制在于MLT作用于卵母细胞MT1上，通过上调卵丘扩展基因的表达和上调EGFR的表达水平，促进卵丘扩展增强促黄体素(LH)以及人绒毛膜促性腺激素(HCG)的作用，促进卵母细胞成熟相关基因的表达，进而提升卵母细胞成熟效率[53]。

MLT不仅对促进体外、体内卵母细胞的成熟具有积极作用，对于发育中的卵泡、排卵、胚胎发育等其他生殖活动依然具有有益作用[52，54-57]。Rocha等[54]试验表明MLT与促卵泡激素(FSH)相互作用维持了山羊腔前卵泡超微结构的完整性，刺激了其在体外的生长。MLT浓度范围在10-9～10-7mol/L时可显著促进牛胚胎的体外发育，提高平均细胞数/囊胚数[52]。在成熟培养基中添加1 nmol/L的MLT是促进猪卵母细胞成熟、提高孤雌胚胎发育能力和质量的最佳浓度；MLT处理可能通过提高组蛋白乙酰化和卵母细胞自噬能力，促进猪卵母细胞成熟和胚胎发育[55]。MLT可以降低DNA氧化损伤，并通过影响凋亡相关基因的表达，抑制卵母细胞凋亡[58]。

颗粒细胞在卵泡成熟破裂排出卵子后继续留在卵巢内与卵泡膜细胞一起分化形成黄体。黄体是一个暂时性内分泌器官，其主要功能是分泌孕酮，孕酮对生殖系统有重要的作用。He等[39]研究指出褪黑素和MT1都参与了HCG(LH)的下游反应，在黄体生成中起重要作用。王振宇[59]研究指出生理浓度的褪黑素能显著上调黄体细胞活性；且MLT通过MT1和MT2促进母猪妊娠黄体细胞中StAR和P450scc的表达，从而促进黄体细胞孕酮的分泌，Zhang等[60]的试验结果再次证明这一观点。黄体功能不全是导致不孕不育的原因之一。临床上一般采用HCG、孕酮、雌激素等进行治疗。现在褪黑素已被尝试应用于辅助生殖疗程中，这一事实更好的印证了MLT具有保护黄体，促进黄体功能的作用[61]。

3.4 MLT保护动物性腺

卵巢衰老伴随着卵泡池和卵母细胞储备数的减少，以及卵母细胞质量的降低。宋超[62]利用小鼠试验发现补饲MLT后小鼠的卵巢卵泡数、平均产仔数明显提高，闭锁卵泡的数量明显降低。这是由于MLT促使衰老对卵母细胞原核形成的延迟作用得到缓解，增加了囊胚中Oct4阳性细胞数并减少了囊胚细胞的凋亡率，从而改善衰老卵母细胞的早期胚胎发育。以上这些结果表明褪黑素能延缓小鼠卵巢的衰老。而Zhang等[63]的研究结果指出补饲MLT可通过MLT/AMPK途径延缓卵巢衰老、改善小鼠生育能力。而最新研究发现mTOR(target of rapamycin)信号通路介导褪黑素延缓产蛋后期蛋鸡卵巢衰老的调控[64]。

当雄性动物进入老年期后，睾丸重量下降，睾丸中的凋亡细胞增多、睾酮水平降低。Saide等[65]通过对大鼠注射MLT后发现处于衰老期的雄性大鼠睾丸重量下降变得缓慢，睾丸分泌睾酮水平显著升高。Aslankoc等[66]研究指出MLT可以对抗高果糖玉米糖浆对睾丸造成的毒性作用，进而保护睾丸。Mirhoseini等[67]发现MLT对大鼠睾丸损伤后睾丸组织学的保护作用显著，而MLT固体脂质纳米粒的作用效果更甚。

4 结语

综上所述，MLT及其受体在动物生殖器官中广泛分布，对于动物的繁殖机能具有很大的影响，结合外界环境和动物机体情况合理选择适当的处理方式，充分发挥MLT效果将有利于提高动物繁殖力促进畜禽生产业发展。另外，随着对MLT作用效果的不断探究，人们对MLT的了解更加透彻，最新的研究更多的指明了MLT在繁殖机能中的作用机制及通路，为MLT作为一种干预措施在促进动物生产发展中提供有力依据。