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探讨动物繁殖调控中促性腺激素抑制激素的作用

2020-06-09 603 上传者：管理员

摘要：环境因子对动物繁殖具有重要影响,主要通过调节下丘脑-垂体-性腺轴中生殖激素的分泌来实现对动物繁殖的调控.促性腺激素抑制激素(GnIH)作为下丘脑分泌的重要繁殖抑制因子,其在环境影响动物繁殖的过程中发挥重要的介导作用.针对GnIH在光照、应激和群体效应影响动物繁殖及动物机体内类固醇激素负反馈调节等方面的作用机制进行了综述,以期为GnIH的相关研究提供借鉴和参考.

关键词：
促性腺激素抑制激素
光照
应激
生理学
繁殖
群体效应
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动物繁殖性能是遗传与环境互作的结果,许多环境因子对动物繁殖均有重要影响,包括光照、温湿、营养、应景和群体效应等.动物的繁殖主要受下丘脑-垂体-性腺轴控制,各环境因子对动物繁殖的调控主要通过该生殖轴调控生殖轴中相关生殖激素的合成和分泌来实现对动物繁殖活动的调控.促性腺激素抑制激素是下丘脑分泌的一种重要繁殖性能反向调控激素,能直接或间接通过下丘脑促性腺激素释放激素抑制垂体促黄体激素和促卵泡激素的合成与分泌,实现对动物繁殖的调控[1,2,3,4,5,6].许多研究表明,GnIH在光照、应激和群体效应影响动物繁殖与动物机体内类固醇激素负反馈调节等方面发挥了重要介导作用[7,8,9,10].本研究针对GnIH在动物繁殖调控中发挥的以上作用进行综述,为进一步研究GnIH的作用机制提供借鉴和参考.

1、GnIH结构与功能

GnIH是下丘脑分泌的一种神经肽类激素,2000年首先由Tsutsui等[11]在日本鹌鹑脑内分离提纯得到.GnIH由十二氨基酸组成,其氨基酸序列为:Ser-Ile-Lys-Pro-Ser-Ala-Tyr-Leu-Pro-Leu-Arg-Phe[12].大量研究表明,GnIH前体多肽的cDNA编码序列在其他鸟类(鸡、麻雀、八哥和斑胸草雀等)上被发现[12,13,14].在这些禽类物种中,GnIH及两个GnIH相关肽(GnIH-RP-1和GnIH-RP-2)都拥有特征性的C端氨基酸序列LPXRF(X=L/P),故被称为RF酰胺相关肽(RFRPs).在哺乳动物中,RFRP基因至少能编码两种生物学上有效的GnIH同源肽,分别为RFRP-1和RFRP-3,而RFRP-2在大鼠和牛的下丘脑中相继被鉴定出来并非是RF酰胺相关肽.

动物的繁殖活动主要受下丘脑-垂体-性腺轴调控,过去通常认为,下丘脑分泌的GnRH通过促进垂体促性腺激素的分泌来调控动物繁殖性能,但是科学家们一直怀疑在下丘脑存在能与GnRH呈现相反作用的繁殖性能反向调控因子,GnIH的发现证实了这一判断[15].大量关于GnIH结构和功能的研究表明,禽类的GnIH和哺乳类的RFRP-3对动物繁殖发挥同样的抑制作用,一方面是直接通过抑制垂体促性腺激素分泌来实现对繁殖的抑制,另一方面则是通过抑制下丘脑GnRH分泌来抑制垂体促性腺激素的合成和释放而实现[1,2,3,4,16].GnIH是通过与G蛋白偶联受体147(GPR147)结合发挥作用的,GPR147在下丘脑、其他脑区及性腺中均有所表达,含有7个跨膜区和特异性GnIH结合区[17],其主要通过与GαI蛋白结合来抑制细胞内cAMP的产生[18,19].

2、GnIH介导光周期对动物繁殖活动的调控

光照对动物的繁殖活动具有重要调节作用,尤其是季节性繁殖动物.许多研究证实,在哺乳动物中,褪黑素是光周期调控动物繁殖的重要介导因子,褪黑素则可以通过控制GnIH的分泌来影响下丘脑-垂体-性腺轴,进而调控动物的繁殖活动,包括繁殖活动的季节性变化[7,20].在禽(鸟)上,关于褪黑素介导光照调控禽类繁殖活动的研究至今未形成统一共识.有些研究认为,褪黑素并不是光照调控鸟类繁殖活动的介导因子,其分泌与禽类繁殖无关[21,22];但在多个鸟类物种上的研究表明,多巴胺-褪黑素神经元在介导光照控制禽类季节性繁殖上发挥调控作用[23],而褪黑素的分泌可以诱导下丘脑中GnIH的表达,进而影响下丘脑-垂体-性腺轴来实现对禽类繁殖的调控[1,4,24],并且有研究发现,鸟类GnIH神经元中存在褪黑激素受体[25].在鹌鹑上,不仅发现下丘脑GnIH神经元中有褪黑素受体表达,并且褪黑素可以刺激GnIH的表达和成熟GnIH神经肽的分泌[26,27],而切除鹌鹑松果腺体,会导致GnIH前导肽mRNA水平下降和成熟肽水平下降,给予外源GnIH则会使GnIH前导肽mRNA水平和成熟肽分泌水平呈现计量依赖性上升[28,29].这些结果揭示,GnIH是介导光照-褪黑素调控禽类繁殖的重要激素.有研究表明,在鸡上,短日照能通过增加褪黑激素分泌使GnIH表达量升高,进而通过减少促性腺激素的分泌影响繁殖性能[18].在对成年雌性和雄性麻雀的研究中发现,春季繁殖期麻雀的GnIH表达水平显著低于非繁殖期的秋季[30].

3、GnIH介导应激对动物繁殖活动的抑制作用

许多研究表明,各类应激均对动物的繁殖性能造成程度不一的不良影响[31,32,33,34,35,36].有研究揭示,在应激抑制动物繁殖性能的过程中,GnIH是重要介导因子.Calisi等[37]对处于繁殖期的成年麻雀进行捕捉,发现捕捉应激会导致麻雀下丘脑GnIH表达明显上升,进而影响雄性和雌性麻雀的繁殖性能.在大鼠上,当大鼠处于应激环境下,下丘脑的RFRP表达会明显增加,从而对生殖功能产生明显抑制作用[8,38];研究成年雄性大鼠下丘脑背内侧(DMH)核团中的RFRP表达,发现急性和慢性应激均会导致该部位RFRP的表达明显上升,但是切除肾上腺后,应激所诱导的RFRP表达增加明显受到抑制,并且RFRP细胞上有糖皮质激素受体的表达,结果表明应激所导致的肾上腺糖皮质激素上升对动物繁殖的抑制,是通过对RFRP细胞的直接作用来实现的[8].

另外,有研究表明,鹌鹑下丘脑室旁核(PVN)中的GnIH神经元有糖皮质激素受体(GR)的表达,用皮质酮处理间脑后能使GnIH的mRNA水平明显上升.在对大鼠下丘脑GnIH神经细胞系rHypoE-23的研究中发现,该细胞能表达GR,用皮质酮处理该细胞能促使GR大量聚集在GnIH启动子区,明显增加GnIH启动子区GR与GRE的结合力,从而促进GnIH的mRNA水平明显增加[39].Kim等[40]研究发现,应激可以导致小鼠下丘脑RFRP-3表达的上升,对小鼠繁殖产生抑制作用,用RFRP-3受体的拮抗剂GJ14则可以阻断应激导致的RFRP-3表达上升,逆转应激对繁殖的不良影响.这些结果均表明,应激对动物繁殖活动的抑制作用,是通过肾上腺糖皮质激素诱导GnIH表达来实现的.

4、GnIH介导群体效应对动物繁殖的影响

群体效应对动物繁殖活性也发挥重要影响,其中GnIH是重要介导因子[9,41,42,43].研究表明,当雄性鹌鹑处于性活跃期,雌性鹌鹑的出现会导致PVN中去甲肾上腺素(NE)的快速释放,GnIH的mRNA水平明显上升,血浆中LH水平显著降低;在体外研究中,给予间脑组织外源性NE能明显增加GnIH的表达和释放;免疫组化和原位杂交结果表明,GnIH神经元上有α2A肾上腺素能受体的表达,去甲肾上腺素能纤维能直接支配GnIH神经元;这些结果揭示,雄性鹌鹑与雌性鹌鹑接触导致的PVN中NE释放增加,是通过GnIH的介导来实现对LH分泌的抑制作用[9].另外,Calisi等[41]在研究交配和筑巢竞争对欧洲椋鸟GnIH表达的影响时发现,当两只鸟争夺筑巢机会,成功筑巢的椋鸟细胞中GnIH的表达量要显著低于未能成功筑巢的椋鸟,但是下丘脑GnRH的表达和血浆睾酮、皮质酮的水平均无明显变化.

5、GnIH介导雌激素对促性腺轴的负反馈作用

GnIH作为下丘脑-垂体性腺轴中上游的重要负向调控因子,不仅介导了各种环境因子和应激对动物繁殖活动的影响,在动物体内也是性腺类固醇反馈性调节下丘脑和垂体的重要介导因子之一[44,45].许多研究证实,雌二醇对促性腺轴的负反馈调节作用是通过下丘脑GnIH实现的[44,46].有研究表明,仓鼠的大脑中,约有40%的RFRP神经元表达雌激素受体α[10].将雌性大鼠切除卵巢后,给予外源性雌二醇能明显下调下丘脑GnIH的mRNA水平,并且GnIH神经元上有雌激素受体表达[47].在叙利亚仓鼠体上,雌二醇对促性腺轴的负反馈抑制作用直接通过对下丘脑RFRP的作用实现,下丘脑RFRP介导了雌二醇对LH峰的负反馈抑制作用[48].

6、展望

GnIH作为下丘脑分泌的重要繁殖调控因子,其在下丘脑-垂体-性腺轴中直接或间接通过GnRH对垂体促性腺激素的作用机制已经被大量的研究工作所揭示,但在GnIH如何介导包括光照、应激等在内的环境因子影响动物繁殖性能的具体作用机制方面,仍有许多有待揭示的难点.而且不同物种的繁殖调控机制可能存在不同,包括季节性繁殖与非季节性繁殖、长日照繁殖型和短日照繁殖等,虽然这方面的作用已经在一些研究报道中等到证实[49,50,51].另外,有许多研究显示,GnIH在性腺能直接发挥调控作用,但具体机制仍需进一步深入研究.对于GnIH及其受体在不同动物种组织表达规律,外界因素影响与调机制,及其细胞内信号传导途径的研究,将有助于深刻认识动物的繁殖规律,并以此为基础建立探索新型调控模式.

罗嘉琪,刘文俊,田允波,黄运茂.GnIH在动物繁殖调控中的作用机制研究进展[J].仲恺农业工程学院学报,2020,33(01):61-65.

基金:广州市科技计划(201604020061);省级现代农业产业发展建设专项(粤财农[2014]458号);广东省农业发展和农村工作专项(粤农计[2017]55号-20);广东省自然科学基金(2016A030313369)资助项目.