褪黑素在雄性动物繁殖中的功能

白欣洁，刘莎莎，乔立东，王功民

(1.北京农业职业学院畜牧兽医系，北京 房山 102442 ； 2.中国农业农村部畜牧兽医局，北京 朝阳 100125)

褪黑素是由哺乳动物下丘脑松果体产生的一种吲哚胺类激素，化学成分是N-乙酰-5甲氧基色胺，1957年被耶鲁大学的皮肤科专家首次分离并检测了其分子结构，此后褪黑素成为医学和生命科学领域的研究热点。褪黑素是介导光照影响动物繁殖活动的重要调节因子，合成和分泌呈昼低夜高的节律性变化。光照可以通过调控褪黑素的分泌影响动物的繁殖活动。对于季节性繁殖动物，日照时长决定着褪黑素表现出抑制或促进繁殖性能的活动[1]。在高纬度地区，光周期是决定繁殖季节开始和持续时间长短的主要环境因素。松果体通过改变夜间褪黑素分泌的持续时间控制繁殖活动，近年来随着探索的深入，发现褪黑素在动物性成熟、激素分泌、配子形成、胚胎早期发育、妊娠以及分娩过程中发挥着重要作用[2-3]。在现代化畜牧养殖中，精子的冷冻保存、卵母细胞的体外成熟以及胚胎的体外发育等技术是人工繁育的基础，提高精子冷冻后的活力，改善体内外卵母细胞的成熟和胚胎发育的质量对于动物生产有着重要意义。随着人工繁育技术的提升，更加凸显了雄性动物在动物繁殖生产的作用，本文主要就褪黑素的相关特性以及其在雄性动物繁殖中的最新研究进展展开综述，为深入挖掘褪黑素对哺乳动物繁殖活动的调控功能，优化体外胚胎生产体系，提高畜牧生产经济效益奠定理论基础，也为人类生殖健康提供理论参考依据。

1 褪黑素概念

1.1 褪黑素分子特性 褪黑素(Melatonin，MEL)是一种吲哚胺类激素，其合成受光照的调控，具有明显的昼夜节律性。松果体细胞从血液中摄取色氨酸后，在羟化酶和脱羧酶的作用下生成血清素。血清素在N-乙酰基转移酶(NAT)作用下生成N-乙酰血清素。然后在甲基酶作用下生成褪黑素，此过程需要羟基吲哚-O-甲基转移酶(HIOMT)参与。HIOMT调节褪黑素的周期性分泌，提高HIOMT的活性后，松果体褪黑素合成显著升高。褪黑素的分子量为232.27，具有高亲脂性、易溶于有机溶剂、受热易破坏等特性。

大多数生物活性的化学信号物质在体内都是和特异性受体相互作用，改变细胞的生理生化功能而产生效应。褪黑素调控细胞机能，一方面是通过其受体途径，另一方面可以直接穿透细胞膜，通过调控细胞的抗氧化水平而发挥作用。

1.2 褪黑素与受体 褪黑素及其受体分布于视网膜、胃肠道、卵巢及睾丸等器官[4]，但褪黑素仅在松果体和视网膜上呈周期性分泌。研究发现，褪黑素有两类受体，膜受体和核受体。褪黑激素膜受体包括MT1、MT2以及MT3；另一类是维甲酸Z受体(RZR)和相关受体(ROR)，属于孤儿受体亚家族成员。MT3主要存在于非哺乳动物体内，哺乳动物仅在仓鼠的肝脏和肾脏中发现。在体内褪黑素通过结合G偶联蛋白受体MT1、MT2及核受体RZR/ROR发挥作用[5]。其中，MT1、MT2受体能够抑制腺苷酸环化酶(Adenylate Cyclase,AC)活性，不同的是MT1受体可以激活蛋白激酶 C-β，而MT2受体抑制鸟苷酸环化酶的活性，并刺激蛋白激酶C[6]。MT1受体属于高亲和力受体，能调节离子流动和离子通道。MT2受体属于低亲和力受体，能够调节细胞内Ca2+，抑制神经递质的释放[7]。

1.3 褪黑素与机体抗氧化能力 研究表明，褪黑素具有高效的抗氧化作用，在体内发挥着广泛的生理功能。由于同时具有亲水性和亲脂性，褪黑素可以轻松通过所有的生理障碍，保护细胞核和线粒体中的DNA、脂肪酸和蛋白质免受自由基的损害[8]，减少细胞的氧化损伤[9]。

2 褪黑素在雄性动物繁殖中的生物学功能

2.1 褪黑素对雄性动物生殖细胞的影响 雄性生殖细胞在繁殖过程中拥有越来越高的地位。那么提高精子的有效性能，在繁殖中起着至关重要的作用。

2.1.1 褪黑素增加精子的稳定性 有人在公羊精子中发现褪黑素及其受体MT1和MT2的表达，说明褪黑素可能对精子细胞具有直接作用。褪黑素能够降低精子畸形率、脂质过氧化程度，提高精子稳定性，可在小鼠精子连续或间歇性缺氧的情况下，提高小鼠精子DNA的稳定性[10]。褪黑素除了通过受体发挥作用，其还可直接穿透细胞膜进入细胞，调控机体的抗氧化水平，减少大鼠睾丸缺血再灌注模型中附睾精子的质量受损[11]。在精原干细胞移植到无精症小鼠睾丸的过程中，褪黑素可以有效地减少活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)和脂质过氧化物，从而提高移植效率并改善睾丸组织的结构特性[12]。

2.1.2 褪黑素促进精子活性 对于体外公猪精子，褪黑素可以不依赖抗氧化特性影响其活力和核蛋白的稳定性[13]。Miguel等人确定了褪黑素可以通过一氧化氮合酶调节作用，增加了公羊精子获能的作用[14]。褪黑素通过MT1受体抑制细胞凋亡和提高受精能力来提高公牛精子的受精能力[15]。在人类精子的研究中发现，褪黑素与精子活力显著相关，在不孕患者的精浆中褪黑素水平显著下降[16]。将褪黑素加入到精液稀释液中，能够增加了运动精子和快速运动精子的百分比[17]。

2.1.3 褪黑素有效提高冷冻精子的存活率 随着科学技术的进步，冻精作为有效提高繁育水平、降低养殖成本、方便保存及运输等多重优势，被广泛应用在动物繁育上，但是如何降低精子冷冻的过程中损伤，是迫切需要解决的问题。Ashrafi 等的研究证明，可以通过在牛精子冷冻液中添加褪黑素抵消牛精子在冻融过程中产生的不良影响，加入褪黑素后，提高了总的抗氧化能力和抗氧化酶活性，从而保护了冷冻精子[18]。外源添加褪黑激素对解冻后公鸡精子质量，同样起到了有效的冷冻保护作用[19]。褪黑素能够刺激超氧化物歧化酶、谷胱甘肽-过氧化物酶和过氧化氢酶等参与清除 ROS 代谢的几种酶活性，从而维持细胞膜的流动性[18]。在染色、分选及冷冻等过程中，褪黑素能够保护水牛精子免受丙二醇的损伤，并在冻融过程后提高精子质量[20]。在人类精子冷冻保存期间，褪黑素也可以通过PI3K / AKT信号传导途径有效的保护精子免受冷冻损伤[21]。

2.1.4 合适的外源褪黑素添加浓度能够有效改善精子质量 褪黑素对精子的作用与其外源添加的浓度息息相关。Martín-Hidalgo等观察1 μmol/L褪黑素虽然可以提高顶体完整的活细胞的比例，但是不能改善17 ℃储存7 d的猪精液的功能[22]。微摩尔浓度的褪黑素能够通过降低ROS和环磷腺苷(cAMP)水平，调控由cAMP升高剂诱导的公羊精子获能；在较低浓度下，褪黑素改变运动型精子亚群[23]。这些发现为进一步研究褪黑素在人工授精体系中控制精子获能方面提供参考依据。对于人类精液，添加2 mmol/L褪黑素后发现运动精子、前向性运动精子及快速运动精子比例增高，精子死亡数量降低，内源性一氧化氮(NO)明显降低，但ROS水平无显著变化，表明2 mmol/L褪黑素可以直接或间接的清除过量NO，从而起到保护精子的作用。由此可以推断不同物种对褪黑素的敏感程度不同，导致发挥有益作用的褪黑素浓度有所差异。

2.2 褪黑素及其受体与雄性动物繁殖内分泌

2.2.1 褪黑素影响细胞增殖及能量代谢，因此褪黑素是调控生殖激素合成的重要参与者。褪黑素对生殖激素的影响取决于生理条件和动物种类等多种因素[4]。褪黑素会降低雄鼠雄激素受体和睾丸雄激素结合蛋白的表达[24-25]。将褪黑素注入到繁殖期的雄鼠睾丸后，睾丸体积减小，睾酮含量显著降低[26]。因此，褪黑素对长日照哺乳雄性动物的生殖作用具有抑制作用。褪黑素与短日照期动物的雄性激素水平呈正相关，褪黑素处理组中睾酮浓度比对照组高出1倍[27]，对短日照组持续补充褪黑素可以促进性腺功能，褪黑素长期治疗可以诱导梅花鹿睾丸的早期发育[28]，皮下注射褪黑素会增加公山羊的睾酮浓度[29]。以上结果表明，褪黑素是短日照动物繁殖的活性因子。

2.2.2 褪黑素是将光周期与生殖活动协同的关键 褪黑素通过激活下丘脑神经元上的促性腺激素释放激素(Gonadotrophin releasing hormone,GnRH)的受体，来调节下丘脑-垂体-性腺轴作用，从而影响性腺生殖激素的分泌[30]。外源性褪黑素长期作用于雄性绵羊，可导致GnRH的释放，从而激活生殖活性[14]。有证据表明，褪黑素对长日照动物生殖具有抑制作用可能是通过抑制GnRH来实现的[31]。但目前，褪黑素调节GnRH的确切机制尚不清楚。神经肽Kisspeptins (Kp)是由Kiss基因编码的蛋白质，Kiss基因存在Kiss-1和Kiss-2亚型。Kp促进GnRH分泌的上游因子，是传递褪黑素信息的关键[32]。研究发现，光周期可以通过褪黑素调节kiss1基因表达以驱动生殖轴[33]。褪黑素诱导斑马鱼后，其脑中Kiss1、kiss2和GnRH3基因表达增强，从而促进性腺成熟，显著提高斑马鱼的生殖能力[34]。因此，褪黑素可引起Kp表达的变化，从而影响生殖系统，但褪黑素与Kp之间的关系仍需要进一步的探索。

3 展望

综上所述，一定剂量的褪黑素可以保证雄性哺乳动物正常的机体代谢，调控繁殖内分泌，保证精子的稳定性与活性；在体外精子保存中，特定浓度的外源性褪黑素能够降低环境变化带来的氧化应激，平衡体系中氧化还原反应和抗氧化系统之间的关系，降低环境冲击对核酸和蛋白质结构和功能的损害，提高受精率。

科学家一直致力于研究褪黑素在雄性器官的发育、精子质量和冻精复苏率中的直接的调控作用。褪黑素作为抗氧化剂和内分泌激素，在哺乳动物生殖系统中的生物学功能是显而易见的，进一步研究褪黑素调节类固醇激素合成和探索小分子褪黑素受体的机制也有助于治疗由类固醇激素紊乱引起的生殖障碍和疾病。但褪黑素提高精子活性，有效降低冻精的死亡率及其作用机制还都需要更多的证据；离体条件下外源褪黑素浓度是如何调控精子质量，进而影响胚胎的发育能力，需要更深入的研究和探索。