三种生殖激素和受体及其作为家畜产仔数候选基因的研究进展

周世良

（山东省潍坊市畜牧局，山东潍坊 261061）

三种生殖激素和受体及其作为家畜产仔数候选基因的研究进展

周世良

（山东省潍坊市畜牧局，山东潍坊 261061）

家畜繁殖性状主要受生殖内分泌激素的调节，生殖内分泌激素可以作为研究产仔数的候选基因。本文主要综述了促性腺激素释放激素、卵泡刺激素和促黄体素及其受体基因的多态性与家畜产仔数相关的研究进展，以期为家畜产仔数标记辅助选择的研究提供参考。

生殖激素；受体；产仔数；候选基因

在规模化的畜牧生产中，大多数企业或养殖户均采用自繁自养的养殖模式以降低养殖成本和风险。其中，母畜的产仔性能在很大程度上决定着养殖业者的盈亏。一直以来，因为母畜产仔数作为评价母畜产仔性能的一个重要指标，所以无论是养殖业者还是专家学者，都致力于研究提高母畜产仔数。然而母畜产仔数性状却变异程度较高、遗传力较低，例如猪的窝产仔数遗传力仅0.1～0.15，通过常规育种方法不能在短期内将产仔数性状提高。1986年Stam提出标记辅助选择（marker assisted selection,MAS），1990年经过Lander和Thompson定义后，进一步将MAS定义为以分子遗传学和遗传工程为手段，在连锁分析的基础上，运用现代育种原理和方法，为改良产仔数等遗传力低的生产性状提供了新的途径。例如江西省育种中心利用促卵泡素基因和雌激素受体基因标记的选择，经过3个世代，使整个种群的产仔数提高了0.8头，较传统选择方法缩短了至少20年的育种年限[1]。母畜的繁殖性能受到生殖激素及其受体的重要影响，其中下丘脑-垂体-性腺轴（HPGA）分泌的促性腺激素释放激素（Gonadotrophin releasing hormone,GnRH）即是一种重要的生殖激素。GnRH促进促性腺激素细胞分泌的卵泡刺激素（Follicle stimulating hormone,FSH）和促黄体素（Luteinizing hormone,LH）在哺乳动物生殖调控中占主导地位[2]，因此生殖激素及其受体基因可以作为影响母畜产仔数的候选基因。本文综述了几种重要的生殖激素及受体基因作为母畜产仔数分子标记的研究进展，以期为后续提高母畜产仔性能的研究提供参考。

1 促性腺激素释放激素及其受体

1.1 促性腺激素释放激素

促性腺激素释放激素（GnRH）主要是由下丘脑神经内分泌细胞以脉冲式分泌产生的神经激素，为10个氨基酸的肽，其分子长度和部分氨基酸序列非常保守，1971年美国科学家Schally和Guillcmin测定其氨基酸序列为：Glu-His-Trp-Ser-Tyr-G ly-Leu-Arg-Pro-Gly。值得注意的是，研究表明：章鱼GnRH（octo GnRH）由12个氨基酸组成[3]。虽然GnRH主要由下丘脑产生，但在松果体、脊髓液和包括肠、胃[4]、胰脏、卵巢、输卵管、子宫内膜、胎盘及交感神经节等脑外组织均发现有GnRH类似物的存在[5]，足以证明GnRH对动物体和母畜生殖的重要性。目前已有大量的研究证明，GnRH存在3种亚型，依据GnRH的进化史，可将其分为GnRH1、GnRH2和GnRH3。GnRH1由下丘脑神经元周期性脉冲式释放，对于脊椎动物的生殖是必需的[6]，能促进促性腺激素（gonadotropins）、LH和FSH从腺垂体释放，最终控制性腺的功能[7]。GnRH2与Gn-RHI具有70%同源性，在序列结构上完全保守，但在不同生物体或同一生物体的不同组织和器官表达所起的生理功能不同[8]，GnRH2神经元广泛分布在脑部，但是脑垂体除外，说明其功能不仅仅是促进促性腺激素的分泌，值得更深入的研究[9]。GnRH3最初是从海生七腮鳗的脑中发现，主要调节该类生物个体的繁殖活动，具有种属特异性，对FSH和LH均有剂量依赖性促释放的作用[8]。GnRH之所以能在生理上发挥功能，还强烈依赖着位于脑垂体促性腺激素分泌细胞上的促性腺激素释放激素受体（gonadotropin releasing hormone receptor, GnRHR）。GnRH通过与GnRHR特异性结合后，激活胞内一系列信号分子，最终使特定的基因表达，促进垂体前叶合成和释放LH和FSH[10,11]，GnRH也可直接作用于性腺，抑制性激素的合成[12]。徐元青等对妊娠期黄牛体内GnRH的表达情况进行研究，结果表明：下丘脑前核和乳头体内侧核的GnRH可能对黄牛妊娠起主导作用，垂体和卵巢中GnRH可能与相关激素协同作用来维持妊娠黄牛体内的激素平衡和内环境稳态等[13]，表明GnRH对母畜产仔性能具有广泛的重要作用。在生产中，GnRH常被用于促进母畜超数排卵和促使公畜与母畜的同期发情。乔海生以10头成年日本黑色和牛为材料，采用孕激素阴道Y型栓+GnRH方法，测得黄体数115个，一次性共回收胚胎88枚，其中受精卵62枚，受精率达70.45%[14]。 GnRH与促性腺激素细胞膜上相应的GnRHR结合后，通过特定的G蛋白GqG12激活磷脂酶C（PLC），PLC水解磷脂酰肌醇-4,5二磷酸（PIP2）生成二脂酰甘油（DPG）和三磷酸肌醇（IP3），IP3促使钙库内Ca2+释放，DPG则激活胞内蛋白激酶C（PKC）通路，从而使得细胞分裂素活化蛋白激酶（MAPK）通路增强，活化的MAPK进入细胞核激活各种转录因子（例如AP1家族）以调节基因的表达[11,18,19]。由此不难看出，GnRH和Gn-RHR基因的变异必然引起下游激素的变化，进而影响母畜的产仔数。

1.2 促性腺激素释放激素受体

GnRHR是类视紫红质G蛋白偶联受体家族（GPCR）中的成员，具有7个跨膜结构域（Transmembrane domains,TM），其活化与受体构象改变有关[15]。如前文所述，GnRH存在3个亚型，根据受体的特异性不难明白：GnRHR应该同样存在3种同源受体[16]。有研究表明，哺乳动物存在GnRHR-1和Gn-RHR-2，并且GnRHR-1对GnRH1和GnRH2均有高度的亲和性，而GnRHR-2对GnRH2具有选择性[17]。

1.3 促性腺激素释放激素基因及其受体基因

当前众多研究已表明：GnRH基因内有3个内含子和4个外显子，由第2、3外显子和第4外显子的一部分共同编码GnRH前体，且第2外显子的序列十分保守，但其他外显子具有高度的变异性。闫艳等[20]采用PCR-SSCP技术检测了GnRH1的3个外显子在具有不同繁殖能力的4种山羊的单核苷酸多态性，结果显示均未检测到3个外显子的多态性。颜泉梅等[21]研究表明：GnRH基因对西农萨能奶山羊和波尔山羊产羔数具有显著影响，认为GnRH基因P4扩增位点的突变可作为这两种山羊多胎性状的有效分子标记。1996年Campion获得绵羊GnRHR基因完全的编码序列，是由3个外显子和2个内含子组成[22,23]。1999年Rohrer等将猪的GnRHR基因定位在染色体8q1.1-q1.2[22,24]。在物种间，外显子和内含子的边界是保守的，但是内含子大小以及5-和3-非翻译区的序列和长度是不同的[18]。孙洁等[25]在湖羊（高繁殖力）外显子1检测到5个突变（+692G→A、+706T→A、+747T→C、+748A→T和+802T→A），并引起氨基酸改变（G ly→Ser、Asp→Glu和Leu→Pro），证明这些突变与湖羊的高繁殖力有关。在非肉用美利奴、考力代和中国美利奴绵羊（低繁殖力）外显子2中检测到+50A→G和+101A→C2个突变，并引起氨基酸改变（Glu→Gly和Gln→Pro），表明这些突变与这三种羊的低繁殖力有关。黄杨河[26]在不同的山羊品种中检测到AA、GG和AG 3种基因型，测序分析表明GG与AA型相比有一处单碱基突变（154G→A），表明山羊GnRHR基因的突变与其繁殖性能有关，可能是影响山羊繁殖率的一个因素。由此可推断，将GnRH基因和GnRHR基因作为标记辅助选择的候选基因在提高母畜产仔数性状的研究中潜力巨大。

2 卵泡刺激素及其受体

2.1 卵泡刺激素及其受体

卵泡刺激素（FSH）又称促卵泡激素，是动物垂体前叶嗜碱性细胞合成和分泌的一种分子量约为30 kD的糖蛋白类促性腺激素，值得注意的是其分子量在不同动物间存在种属差异[27]。其主要生理作用是促进雌性动物排卵、子宫内膜生长、多卵泡发育和雄性动物精子发生等，但是FSH对雌性的生殖作用是绝对的，对雄性动物的影响则较小[28]，生产上常用于促进家畜的同期发情和超数排卵。FSH由α和β两个亚基组成，研究表明：α亚基在同一物种内是保守的，β亚基则具有各自的特异性和中间特异性，FSH发挥其生理作用主要依赖β亚基的这种特异性和中间特异性[29]。但只有当α亚基和β亚基结合在一起时才具有生物活性，两种亚基单独存在时都不具有生物活性[30]。FSH与细胞膜上的卵泡刺激素受体结合后，激活腺苷酸环化酶（cAMP），提高细胞内cAMP浓度，激活细胞内蛋白激酶A（PKA），PKA再激活目的基因进行转录，合成LH和芳香化酶并刺激雌二醇的合成和释放，协调控制生殖细胞的发育和成熟[31]。FSH调控激素合成的通路还有MAPK家族信号通路（如ERK1/2、ERK5、p38等）。其中，卵泡刺激素受体（follicle stimulating hormone receptor,FSHR）是位于颗粒细胞的G蛋白偶联受体家族的一员，分子量约为76.8 ku，由三个部分构成：胞外域、胞内域和跨膜域。FSH必须要与FSHR结合才能发挥其生理功能，其中FSHR的胞外域即是与FSH结合的部位。

2.2 卵泡刺激素基因及其受体基因

FSHα亚基基因由3个外显子和3个内含子组成，而其β亚基基因则由3个外显子和2个内含子组成。其中α亚基基因由24个氨基酸的前导序列和编码96个氨基酸的DNA序列组成，β亚基基因的每个外显子的功能各不相同：第一外显子是5’非翻译区，第二外显子前端有编码7个氨基酸的信号肽序列，第三外显子编码第36～111个氨基酸，且有1.1 kb的3’非翻译区[32]。FSHR基因是一个单拷贝基因，分子量为54 kb，包括10个外显子和9个内含子。第1～9外显子编码大部分的胞外域，而第10外显子编码跨膜域、胞内域和胞外域羧基端。如前文所述，FSH主要通过cAMPPKA信号通道诱导FSHR基因的表达。但研究表明，除FSH以外，也有其他因素参与诱导FSHR基因的表达。例如，通过对离体培养的未成熟大鼠的颗粒细胞研究表明，雌激素和FSH协同作用，可增加颗粒细胞中FSHR的数量，但雌激素或FSH单独作用却均不改变FSHR的表达，也不能改变长转录产物与短转录产物的比值[33]。由此，若FSH基因或FSHR基因出现突变必然会影响FSH与FSHR的结合，进而影响下游激素分泌的质与量对雌性生殖系统的作用，从而影响母畜产仔性能。

3 促黄体素及其受体

3.1 促黄体素及其受体

促黄体素又称黄体生成素（LH），同样是糖蛋白类激素，由嗜碱性颗粒细胞分泌，通过血液循环到达靶器官（如性腺等）发挥功能。LH同样也有α和β两个亚基：α亚基为FSH和LH共有，β亚基具有种属和激素的特异性[34]。对于雌性而言，LH在促卵泡素作用的基础上引起卵泡排卵和促进黄体的形成，已证实LH对猪卵巢颗粒细胞生长和类固醇激素分泌有调控作用[35]。对雄性而言，促黄体素可刺激睾丸间质细胞合成和分泌睾酮。LH在体内的重要生理功能是由促黄体素受体介导的。促黄体素受体（1uteinizing hormone receptor, LHR）属于G蛋白超家族中的糖蛋白受体亚家族成员，分子量为75 kD，由胞外激素结合域和7个跨膜-胞浆模件组成[36]。LHR主要分布于睾丸、卵巢颗粒细胞和黄体细胞与睾丸Leyd ig细胞等性腺组织中，睾丸LHR表达于胎儿期、出生后、初情期和整个成年期。

3.2 促黄体素基因及其受体基因

LHβ亚基基因含有3个外显子和2个内含子，在转录起始位点上游30 bp处有一个TATA盒，并且该基因富含GC序列[37]。GnRH不但利用不同的信号转导通路诱导（主要依靠PKC和Ca2+两类信号通路）或抑制LHβ基因的表达，而且通过基因不同的元件诱导或抑制LHβ表达[38]。LHβ亚基具有种属和激素的特异性，因而LHβ亚基基因受到广泛的关注。师庆伟等对民猪第2外显子SNP位点（1757，T→C）与繁殖性状相关分析结果表明，不同基因型的民猪母猪的产仔数和初生窝重有显著差异（＜0.01）[39]。LHR基因由11个外显子和10个内含子构成，外显子和内含子交替排列，分子量为70 kb。第1～10外显子编码大部分胞外域和5’翻译区，第11外显子则编码其他部分。吴井生等在猪LHR基因第11个外显子发现1个SNP（C→T），与小梅山猪繁殖性状相关分析表明，该基因第11外显子可作为小梅山猪辅助选择的标记基因[40]。

4 小结

综上所述，促性腺激素释放激素、卵泡刺激素和促黄体素及其受体基因的多态性对母畜产仔数均有一定程度的影响，且这几种基因的多态性位点在标记辅助育种中已均有应用。应用这几种基因的标记辅助育种，不仅缩短了产仔性状的育种年限，而且为企业和养殖户带来了巨大的经济效益，因此加深对促性腺激素释放激素、卵泡刺激素和促黄体素等生殖激素基因及其受体基因的研究必然会给家畜标记辅助选择育种带来更大的突破和进展。

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2013-11-05