日粮能量与代谢激素调节家畜生殖机能

刘立文 周 虚 黄金山

（1.河北北方学院动物科技学院，张家口 075131；

2.吉林大学，长春 130000；

3.河北省张家口市农业科学研究所，张家口 075131）

日粮能量与代谢激素调节家畜生殖机能

刘立文1周 虚2黄金山3

（1.河北北方学院动物科技学院，张家口 075131；

2.吉林大学，长春 130000；

3.河北省张家口市农业科学研究所，张家口 075131）

日粮能量不仅通过促性腺激素调节家畜生殖机能，而且通过代谢激素利用自分泌和旁分泌的形式与促性腺激素协同或本身直接或间接地调节家畜的生殖机能。

日粮能量 代谢激素 生殖机能

日粮能量水平对家畜的生殖机能有重要影响，它通过不同的机制影响卵泡发育，包括对促性腺激素释放的影响和直接对卵巢的影响，同时胰岛素（insulin）、瘦素（Leptin）、生长激素（GH）和类胰岛素生长因子1（IGF-1）等代谢信号在日粮能量对卵泡发育的影响中发挥着重要的介导作用。各种代谢信号之间的相互作用也是其介导作用发挥的一个重要方面，日粮的能量水平是影响家畜繁殖性能的重要因素。Smith[1]等研究表明，下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴对能量代谢很敏感，能量的变化会引起其功能的调整[1]导致激素分泌变化及卵巢上的卵泡发育的变化，从而影响家畜生殖机能的变化。近几年的研究发现，多种生长因子也以自分泌或旁分泌的方式参与了卵泡发育的调控。代谢激素具有促细胞增殖和分化的作用，可以独立或协同促性腺激素调节卵巢周期性优势卵泡选择、排卵及其生殖机能。

1 IGF-1对家畜家畜生殖机能的调节

1.1 能量与IGF-1系统关系

IGF-1的表达主要受GH和营养的调节，研究发现，牛血中IGF-1浓度与日粮营养物质的摄入和营养状况有关，血清中IGF-1的短期变化主要由氨的摄入量引起，IGF-1的浓度随着日粮酪蛋白浓度的增加（0～2 500 mg/kgw0.75）而线性增加。粗蛋白是影响血IGF-1浓度的主要因素，但IGF-1对粗蛋白反应受日粮代谢能（ME）浓度的影响。低营养水平能削弱IGF-1对GH的反应，使IGF-1不能正常的受到GH的调节。对肉牛的研究表明，只有当能量负平衡时，血浆中IGF的浓度才出现下降，所以推断营养水平通过组织对GH敏感性的调节是反刍动物生长后生长素轴参与促生长和调节的基本因素，而组织的敏感性是靠结合位点的数量和/或结合位点的亲和力来调节的，高亲和力位点是由于营养水平控制的，这一结论的另一证据是幼鼠饥饿可降低IGF-1与肝细胞膜的结合而导致IGF-1的下降。研究发现，在饥饿和重新饲喂过程中，IGF-1与insulin和肝脏GH结合位点数量间存在时间关系，即饥饿（1d后，IGF-1和insulin分别降低了68%和67%，GH结合能力也显著降低。恢复饲喂24h后，GH和insulin结合能力恢复正常，而IGF-1在饲喂4d后才恢复至初值。由于这种关系就可以解释生命早期营养不良对生长产生的抑制作用只有通过长期的恢复才能完成代偿性生长，从而也证实了IGF-1在调节生后生长发育过程中的重要作用。

1.2 IGF-1调节生殖机能

能量可通过IGF-1来影响卵泡发育。Diskin[2]等报道，从限饲到发情开始，小母牛血浆平均IGF-1浓度呈线性降低趋势，而从恢复营养到重新排卵，血浆平均IGF-1浓度则呈线性增加。饲喂维持日粮的小母猪，无论在卵泡期还是在黄体期，血浆IGF-1浓度较高能量组都降低，这与另外一些研究中IGF-1浓度与排卵数降低有关的报道相一致Booth[3]等研究发现，不论在高能组还是维持组，血浆IGF-1浓度与到达第2次减数分裂中期的卵母细胞百分率之间有联系。这一结果与卵母细胞体外成熟的研究相似，在对反刍动物的研究中，Kirsty[4]研究发现牛卵泡对IGF-1的反应性呈剂量和阶段性依赖，这一研究支持了IGF-1在有腔卵泡早期发育过程中有调控生殖细胞发育和成熟的作用这一观点。

IGF-1同时也在卵泡生长、发育、优势卵泡的选择、排卵以及卵泡的闭锁中发挥重要的作用。Rivera 等[5]研究发现，由FSH诱导的IGFBP-4与-5的降解，能够引起卵泡内IGF-1、2浓度的升高，IGF-1、2再协同卵泡刺激素（FSH），促进雌二醇（E2）的分泌，从而对优势卵泡的形成发挥作用。在卵巢的颗粒细胞区，IGF-1、2与FSH相互促进对方受体的表达，进而增强相互的生物效应。IGF-1、2与受体结合后可以促进颗粒细胞增殖并维持芳香化酶功能，从而提高E2合成并促进卵泡进一步发育；FSH与受体结合后，则促进颗粒细胞增生，激活颗粒细胞的芳香化酶活性，促使从内膜细胞转运来的雄激素转变为雌激素。随着雌激素的增多，卵泡对激素的敏感性增强，从而促使卵泡迅速生长。在卵泡的发育初期有多个原始卵泡发育，直到小窦卵泡阶段开始卵泡偏离，最后成熟的排卵前卵泡往往只有一个，即卵泡选择。而卵泡选择最引人注目的是卵泡直径开始偏离时微环境的改变，即什么因素导致出现与不断生长的优势卵泡相反的其他次要卵泡生长速度下降这一现象。随着研究的进展，大多数人认为次要卵泡生长速度下降是由于生长环境的恶化，即只有被选择的优势卵泡可以在不适合其他卵泡存活的条件下生存，同时优势卵泡又抑制其他卵泡的发育。Donadeu等[6]研究提示，E2、IGF-1、IGF-2也许对卵泡偏离起作用，而且还可能影响随后卵泡发育。次要卵泡生长速度下降由于对FSH敏感性的降低，FSH敏感性的降低可能是由于颗粒细胞上的促卵泡素受体（FSHR）减少和抑制物胰岛素样因子结合蛋白（IGFBP）增加的缘故。闭锁卵泡中IGFBP-2的含量是未闭锁卵泡的3倍。在哺乳动物，卵泡中IGFBP-2含量的增加可能会起到启动或维持卵泡闭锁退化和颗粒细胞凋亡的作用。在血浆中FSH含量和颗粒细胞上FSHR的表达量都很低的时期，排卵前卵泡中的临界因子对促黄体生成激素（LH）刺激的敏感性要高于不排卵卵泡，所以能够更显著地增加颗粒细胞和卵泡内膜细胞上LH结合蛋白的含量和增加颗粒细胞LH敏感的芳香化酶的活性。Beg等[7]研究则提示，在卵泡偏离开始时，未来优势卵泡比未来次要卵泡对FSH有更高的反应性，而导致这一现象的原因则是因为卵泡内雌激素和IGF系统的变化。提示，IGF在优势卵泡的选择过程有特殊作用。生长速度快的优势化卵泡一方面通过合成高水平的雌激素和抑制素，负反馈抑制非优势化卵泡的生长；另一方面大量合成自分泌和旁分泌生长因子，刺激自身血管系统的形成和对FSH的敏感性，正反馈刺激自身的生长发育并最终形成排卵卵泡。这些旁分泌生长因子包括IGF-1，表皮生长因子（EGF）和成纤维细胞生长因子Ⅱ（FGF-Ⅱ）。在卵泡生长周期中，接近卵泡中晚期时，雌激素显著升高，随后是黄体生成激素（LH）峰值的出现和FSH升高，引起优势卵泡排卵。Borman等[8]报道局部IGF可能与Ins及LH协同调控血管内皮生长因子（VEGF）分泌，而Martinez-Chequer[9]研究则显示，IGF能促进排卵前卵泡颗粒细胞分泌VEGF，从而促进排卵。

Kelley等[10]报道：子宫上IGF-1系统与GH或促生长激素（pST）及营养水平相互作用影响母猪生殖机能。由于日粮能量水平变化导致IGF-1和pST在母猪血浆浓度的变化，可能影响母猪繁殖性能。因此，IGF-1及其结合蛋白在系统水平或卵巢及子宫水平形成营养代谢与生殖机能相互作用的一个结合点。

2 insulin对家畜生殖机能的调节

2.1 能量与insulin关系

早期研究认为中枢神经系统（CNS）摄取葡萄糖不需要insulin，脑组织对insulin不敏感，但近年来胰岛素CNS调节作用越来越受到关注。insulin对大脑组织具有多种调节作用，包括调节神经元活性、认知与记忆、能量稳态和生殖分泌。更多的研究显示insulin即可以调节下丘脑神经肽的表达，也可以影响食物的摄取。这一发现引发人们对哺乳动物大脑组织作为insulin调节能量代谢的靶器官。insulin外周信号传导通过insulin受体底物（IRS）家族中IRS-1发挥作用，另有研究显示，IRS-2也可能参与下丘脑调节能量代谢有关，在神经元细胞中，IRS可以介导IR磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）信号通路的偶联，PI3K也是作用的关键酶。Insulin与受体结合后，导致IR产生快速的自磷酸化，随后IRS蛋白产生隔氨酸磷酸化，并诱导下游通路如丝原活化蛋白激酶（MAPK）与（PI3K）称瀑布级联反应，PI3K通路可通过蛋白激酶B/AKT（PKB/AKT）来促进神经核的磷酸化反应，后者将负性调节叉头框转录因子（FOXO）的活性，进而影响基因的转录。最新研究证实，PI3K信号级联放大通路可以被作为共同的通路被瘦素（Leptin）与insulin激活，给大鼠脑室内注射PI3K抑制剂，可以抑制PI3K、Leptin分泌降低食欲，因此，insulin通过PI3K信号调节能量代谢。由于能量的摄入和血浆insulin水平密切相关，下丘脑结合insulin区域参与促性腺激素释放激素（GnRH）释放，通过饲喂增加insulin水平可提高血浆生长激素和IGF-1。生长激素与IGF-1直接影响母猪性腺发育，与促卵泡素（FSH）协同作用，促进GnRH受体发育，促进正在发育卵泡的生成类固醇。insulin是促进合成代谢的激素，在调节机体糖代谢、脂肪代谢和蛋白质代谢方面都有重要作用，它是维持血糖正常水平的主要激素之一。insulin一方面能促进血液中的葡萄糖进入肝、肌肉和脂肪等组织细胞，并在细胞内合成糖元或转变成其他营养物质贮存起来；另一方面又能促进葡萄糖氧化分解释放能量，供机体利用。

2.2 insulin调节生殖机能

现有资料表明葡萄糖与insulin可能在母猪生殖机能中有重要作用。Meclure等（1967）[1]提出低血糖引起小鼠不受精，并且降低垂体对GnRH的反应。日粮组成以及采食量决定了各种营养成分（葡糖糖、脂肪酸、氨基酸、挥发性脂肪酸）被吸收量，继而影响血液或组织中各种相应代谢物的浓度，这些代谢物的浓度又影响代谢激素：insulin、IGF-1、GH及Leptin。代谢状况信息一方面可能通过分泌GnRH神经直接查觉到，或可能通过内脏（肝脏）等器官感受器传输到前脑分泌GnRH神经，或可能通过后脑感受器传输到前脑分泌GnRH神经，然后通过GnRH释放频率、脉冲振幅影响促黄体素（LH）分泌的频率和脉冲振幅，进而影响排卵率，调节母猪生殖机能。另一方面insulin、IGF-1、GH、Leptin在卵巢、子宫有受体，可能直接或者协作与受体结合参与生殖机能的调控。胰岛素对下丘脑-垂体-卵巢所起作用包括下丘脑和垂体上胰岛素受体的作用，对雌激素受体的调控及LH和FSH释放。注射胰岛素增加初情期前母猪LH脉冲频率，影响初情期前母猪生殖机能；停止注射胰岛素，LH峰将延迟。卵巢上也有胰岛素受体，胰岛素增加IGF-1与卵巢结合力，氨基酸的摄入量，并且对类固醇的代谢也有多种作用。胰岛素还能促进颗粒细胞分化。注射胰岛素能增加母猪排卵率，减少中等大小卵泡的闭锁，增加卵泡液雌激素浓度。Matamoros等（1990）[12]发现胰岛素与IGF-1在猪卵泡类固醇激素合成中有重要作用。停止注射胰岛素，雌激素分泌减少。Booth等（1994[13]，1996[14]）报道，临近初情期母猪短期限饲，LH分泌被抑制，血清胰岛素和IGF-1浓度低于饱饲母猪；限饲母猪恢复饲养后6 h，LH分泌就恢复，血清胰岛素和IGF-1浓度也上升。Tokach（1992）[15]等报道初产母猪胰岛素浓度与LH脉冲有正相关关系。Ramirez等（1997）[16]认为饲喂胰岛素能够提高初产母猪增加产仔率。由于胰岛素对卵巢卵泡的生长和发育有较强的刺激作用，胰岛素又是GH发挥作用的介导因子，是实现动物能量状况和主要生殖激素联系的枢纽，胰岛素作为GH的介导因子，起着调节GH的作用，但胰岛素也受能量水平的调节，并最终影响卵泡的发育和生殖激素的合成与分泌，影响着动物的生殖机能。

3 Leptin对家畜生殖机能的调节

3.1 Leptin与能量的关系

Leptin是一种主要由脂肪细胞分泌的多肽类激素，其主要功能是在下丘脑参与调节采食行为和能量平衡，亦可作为一种代谢信号对HPG轴发挥作用，在动物营养和生殖机能之间起纽带的作用。血浆中瘦素水平与体脂储存状况成正比，其水平的降低可激活采食行为，降低代谢，有利于脂肪的储存。瘦素对采食行为和能量平衡的调节作用主要在下丘脑完成其通过与下丘脑的受体结合而影响大量神经递质和激素的表达和释放，进而发挥作用。除了明显的代谢调控作用，瘦素也与哺乳动物的生殖活动有关。在能量平衡状态下，瘦素水平对动物生殖活动的影响最小，然而在能量限制或禁食时，瘦素可以对动物生殖活动产生很大的影响HENRY B[17]研究表明，瘦素或瘦素受体的缺乏可导致动物不能启动初情期，且没有生殖能力，这些现象说明瘦素对于初情期的启动和生殖能力的维持是必不可少Watanobe[18]研究发现脑部灌注瘦素可以促进GnRH释放，而动物由禁食导致的GnRH和LH分泌紊乱现象能够通过使用瘦素得到修复。这些发现表明机体可以把代谢状态通过瘦素表现出来，进而传递给生殖系统，影响生殖活动。可以说瘦素的发现对理解能量平衡与动物生殖活动之间的作用机制具有重要的意义，是这一领域的一个重大突破。目前人们普遍认为瘦素对生殖活动的调节作用是通过调节下丘脑GnRH的分泌来实现，而GnRH又能刺激垂体促性腺激素的分泌，进而影响动物的生殖活动。虽然现有的证据表明瘦素可能有直接调节GnRH分泌的作用，但是在GnRH神经元上并没有发现瘦素受体的表达，这表明瘦素对GnRH的调节作用可能存在一个中间调节机制。2003年3个研究小组ROUX N[19]-SEMINARA[20]分别意外地发现KiSS-1/GPR54系统在人青春期和小鼠初情期启动上起着关键的“把门作用，这一重大发现揭开了人们对哺乳动物生殖内分泌调控机制研究的新篇章，研究人员迅速开展了一系列的相关研究，研究主要集中在KiSS-1/GPR54系统对小鼠和大鼠生殖活动的调控现有的研究表明kisspeptins对生殖内分泌起着重要的调控作用，学者普遍认为其作用机制为kisspeptins与GPR54结合，激活GnRH神经元，刺激GnRH的释放，进而促进FSH和LH的释放。研究发现KiSS-1/GPR54系统对哺乳动物生殖活动的调节不仅受性腺激素的调节，而且还与机体的能量状态有关。Castellano等[21]对初情期前的大鼠进行急性禁食（72 h）试验，研究结果发现禁食后大鼠KiSS-1基因表达量显著降低，并且LH浓度也下降。Brown 等[22]对成年雌性大鼠禁食（18 h）也发现了类似的现象，这2个研究表明能量负平衡可降低初情期前和成年啮齿类动物下丘脑KiSS-基因的表达量。这可能与促性腺激素分泌不足性机能减退症的发生有关。研究表明KiSS-1/GPR54系统与能量负平衡密切相关，能量负平衡对HPG轴的作用可能是通过降低内源性kisspeptins来实现的。

瘦素作为KiSS-1/GPR54系统的代谢调节因子，瘦素可能具有调节KiSS-1/GPR54系统的作用，在下丘脑弓状核（ARC）上表达KiSS-1基因的神经元上发现有超过40%的瘦素受体，与野生型相比，瘦素基因敲除的小鼠KiSS-1基因在下丘脑ARC上的表达显著减少，而通过注射瘦素，能够修复这种现象SMITH[23]体外试验表明，瘦素可以提高大鼠下丘脑上KiSS-1基因的表达水平，而且可导致部分细胞的GnRH分泌显著增加LUQUE R[24]。这些研究说明，瘦素作为能量不足的信号，能够调节下丘脑KiSS-1/GPR54系统，从而揭示其参与了能量平衡对生殖活动的调节。

3.2 Leptin调节生殖机能

Long Jin等（1999）[25]认为：瘦素除了通过下丘脑-垂体对性腺调控外还直接作用于性腺。Sanjay等（1999）[26]报道：瘦素直接作用于卵巢的颗粒细胞（GC）和卵泡膜细胞（Thecae Cells）时发现瘦素抑制了细胞内的IGF-1的促进物，抑制了IGF-1的生物学活性作用，IGF-1是LH和FSH刺激卵泡发育的一种介导物质。从而削弱了LH和FSH对卵泡的发育，但不影响雌激素和孕酮的分泌。瘦素不仅调节体内的能量平衡，而且影响动物的生殖，它传递体内的营养状态和能量储存信号到中枢神经系统，在调控动物初情期启动的时间上占据一定的地位。Wishnant等（2001）[27]报道：小母猪短期限饲一周，Leptin、LH、IGF-1浓度及LH脉冲频率在限饲组都低于饱饲组。限饲结束后，激素水平恢复。Govoni等（2005）[28]报道：禁饲48 h血浆及卵泡液Leptin浓度低于正常或再饲组，在禁饲期间添加胰岛素增加Leptin浓度，说明胰岛素在禁饲期间能够恢复Leptin浓度。初情期前母猪在一周短期限饲，葡萄糖、LH、IGF-1的浓度减少，而Leptin浓度、频率、振幅没有变化，说明Leptin对限饲（能量水平）及背膘减少的反应对阈值有要求。研究发现子宫内膜有Leptin及其受体的表达，Leptin是通过其他的一些细胞因子，如IGF-1因子来发挥对卵巢及卵泡的调节作用，脂肪细胞分泌的Leptin通过作用于中枢和外周组织的 Leptin受体而影响机体许多生理功能和代谢通路。目前对Lept in与卵巢功能的调节作用发现，Leptin对卵巢功能的双重作用与其量有一定关系，即Leptin在高浓度时可抑制卵泡发育，而低浓度时，对卵泡发育无影响。

4 总结

家畜生殖机能的调节不仅受到能量对促性腺激素合成、释放的调节，而且受到代谢激素通过自分泌或旁分泌协助促性腺激素调节家畜生殖机能，而且代谢激素可以通过自己的能量转换通路直接调节家畜的生殖机能，这对人们研究家畜生殖机能的有重要启示。

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