褪黑素调控动物生殖内分泌的研究进展

朱根宝 ,于兰兰, 刘　亚*

(1.安徽农业大学动物科技学院，安徽合肥 230036；2.安徽地方畜禽遗传资源保护与生物育种省级实验室，安徽合肥 230036)



褪黑素调控动物生殖内分泌的研究进展

朱根宝1,于兰兰2, 刘亚1*

(1.安徽农业大学动物科技学院，安徽合肥 230036；2.安徽地方畜禽遗传资源保护与生物育种省级实验室，安徽合肥 230036)

摘要：褪黑素(MLT)是松果体分泌的一种神经内分泌激素，具有参与免疫反应、调节生命活动的节律性等多种生物学功能，并与生殖内分泌息息相关。目前对于褪黑素的研究主要集中在人类的癌症和植物等方面，而关于动物生殖内分泌的研究较少，深度较浅。研究表明，褪黑素可以调控动物下丘脑-垂体-性腺轴生殖相关激素的内分泌作用，抑制或促进促性腺激素释放激素(GnRH)、促卵泡素(FSH)、促黄体素(LH)、性腺激素的分泌。而在不同物种间，褪黑素作用效果却不同。论文综述了褪黑素对促性腺激素释放激素、促卵泡素、促黄体素、性腺激素以及其他与生殖相关激素的调控，为褪黑素调控动物生殖内分泌的的研究提供参考，以期对褪黑素在动物生殖调控中的作用更深入了解。

关键词：褪黑素；生殖内分泌；促性腺激素释放激素； 促卵泡素；促黄体素；性腺激素

1958年Lerner A B等[1]第一次从牛松果体中分离出褪黑素(melatonin)，其体内合成是从前体物质色氨酸开始，在芳香氨基酸脱羧酶、羟基吲哚-氧-甲基转移酶(hydroxyindole-O-methyltransferase,HIOMT)等一系列酶的作用下最终转化为N-乙酰基-5-甲氧基色胺(N-acetyl-5-methoxytryptamine)即褪黑素(melatonin，MLT)[2]。

最初发现褪黑素的主要功能是清除自由基和抗氧化活性，后来Wurtman R J等[3]报道外源性褪黑素可降低雌性大鼠卵巢的重量。在雄性动物上也发现类似情况， Reiter R J等[4]研究发现，褪黑素可以降低雄性仓鼠睾丸重量及阻止雌性仓鼠发情周期。另外，对受光照影响较大的动物，褪黑素对其作用的效果也不一样。对于长日照动物，褪黑素主要抑制其繁殖；而对短日照动物，褪黑素则作为一种激动剂，发挥促进作用。褪黑素在调控动物生殖方面的研究较多，但主要集中在下丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamic-pituitary-gonadal axis，HPGA)上，本文就褪黑素调控动物生殖轴相关激素分泌作用进行简要综述。

1褪黑素对促性腺激素释放激素的影响

促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone,GnRH)是下丘脑中分泌的一种神经激素，在生殖过程的神经内分泌调控中起着核心作用。研究表明GnRH神经元的激活是调控GnRH分泌的主要影响因素，GnRH神经元主要位于啮齿动物的海马和视前叶区域，神经元分泌轴突分布到下丘脑的中央隆起部，引起中央隆起释放GnRH[5]。研究发现，褪黑素与褪黑素受体结合后可以调节GnRH的分泌[6]。在GnRH基因表达方面，Li S等[7]研究发现，与年轻雄性大鼠比较，老年雄性大鼠GnRH mRNA表达水平低13%，但是褪黑素处理后可使老年雄性大鼠GnRH mRNA表达水平完全恢复。Roy D等[6]研究发现褪黑素可直接调控GT1-7神经元潜在的信号转导通路，即褪黑素抑制GT1-7神经元45%的GnRH分泌，然而在蛋白激酶A抑制剂H-89，蛋白激酶C抑制剂双吲哚基马来酰亚胺，胞外信号调节激酶抑制剂PD98059存在时，褪黑素不抑制GnRH分泌，以此可以看出褪黑素调控GnRH分泌是通过多种途径。近年来在水产动物研究发现，褪黑素还可以调控鱼的生殖系统。在对欧洲鲈鱼GnRH调控系统研究得出，外源性褪黑素处理后其大脑中GnRH -1、GnRH -3和几个其他GnRH受体(1c、2a和2)出现明显的昼夜变化，白天这几种受体基因的表达量明显高于晚上，褪黑素具有抑制这些受体夜间的表达[8]。但在雌性咸水鳉鱼上的研究却出现相反的情况，褪黑素处理后的鳉鱼，对其大脑中GnRH mRNA表达进行荧光定量PCR后显示，与对照组相比，其表达量显著增加[9]。

由此可见，褪黑素对啮齿类动物的GnRH表达和生殖调控主要是抑制作用，在咸水鳉鱼中也是如此，但是在欧洲鲈鱼却表现出促进作用，说明褪黑素对不同种属动物的GnRH分泌起不同的作用，抑制或促进。然而褪黑素调控GnRH的确切机制仍不清楚，因此推测这种差异可能与物种和剂量有关。

2褪黑素对促性腺激素的影响

2.1褪黑素对促卵泡素的影响

促卵泡素(follicle-stimulating hormone,FSH)是由动物垂体前叶嗜碱性细胞合成和分泌的一种糖蛋白类促性腺激素，在雌性动物，主要是刺激卵泡生长和发育。在雄性动物，主要是促进生精上皮发育和精子的形成。FSH的合成和分泌与褪黑素之间存在密切关系，在繁殖季节前对雌性梅花鹿皮下植入褪黑素，发现雌性梅花鹿受精时，血清中FSH的浓度明显高于对照组[10]。但是在大鼠这种长日照动物褪黑素的影响有所不同，褪黑素可以抑制新生大鼠垂体前叶GnRH诱导FSH的释放，但大鼠成年时，褪黑素对其无影响[11]。 Kocher L等[12]对松果体切除(没有褪黑素分泌)的病人进行10个月褪黑素治疗，结果显示血清中FSH降低，但仍保持在正常范围内。值得注意的是，基因的表达是激素合成前提条件，Sebert M E等[13]已经证明,长期褪黑素处理可以增加鳗鱼脑酪氨酸羟化酶mRNA的表达，激活大脑视前区中多巴胺系统，抑制FSH的合成与释放，然而在垂体性腺轴上，褪黑素处理后可以降低LHβ和FSHβ mRNA的表达，减少性腺类固醇激素血浆中水平。这些结果提示褪黑素不但影响FSH的分泌，还影响FSH受体在相应组织中的表达。

2.2褪黑素对促黄体素的影响

促黄体素(luteinizing hormone,LH) 也是由动物垂体前叶嗜碱性细胞合成和分泌的一种糖蛋白类促性腺激素，在动物生殖过程中起着重要的调控作用。摩拉母水牛繁殖受季节性影响很大，冬季夜间血浆中褪黑素浓度最高，夏天时最低，皮下植入褪黑素，可以明显增加血浆中褪黑素浓度，并且可以维持超过24 h，不抑制内源性褪黑素的分泌，引起一个短期内的褪黑素反应。Ramadan T A等[14]对8头乏情期摩拉母水牛皮下植入褪黑素(18 mg/50 kg)45 d,研究发现，褪黑素处理的母水牛血清中LH浓度显著增高，但是LH的脉冲频率没有改变并且出现卵泡的直径增大，数量增多的现象，在梅花鹿上的研究也发现类似情况，为了探明雌性梅花鹿超数排卵期间褪黑素对生殖相关激素分泌的影响，在繁殖季节前给予雌性梅花鹿皮下植入褪黑素，超数排卵期间测得血清LH浓度达到最大值，比对照组浓度明显提高，且这种高水平的LH一直维持到胚胎回收[10]。但在大鼠的研究却表现出相反的情况，对年轻(3月龄～5月龄)和老年(23月龄～25月龄)雌性大鼠进行褪黑素处理1个月，发现老年大鼠血浆中LH浓度显著降低，在年轻大鼠中也表现出类似现象[15]。Chuffa L G等[16]后来在大鼠上的试验，得到结果与前人一样，对24只60 d Wistar大鼠腹腔每天注射褪黑素，发现褪黑素可以显著降低血浆中LH浓度。在临床方面，Kocher L等[12]报道松果体切除(褪黑素分泌完全停止)的病人给以10个月的褪黑素治疗后，发现病人LH分泌增加，但仍保持在正常水平。以上研究表明，褪黑素可以影响LH的分泌，并且在不同物种间作用效果不一样。

从这些结果可以看出，褪黑素对动物促性腺激素的调控在不同物种之间有差异，与日照性动物之间则表现出一种平行增长与降低的关系，对啮齿类等长日照动物来说呈负相关，山羊等短日照动物呈正相关，并且FSH和LH在卵泡成熟过程中具有协同作用[17]，所以无论从激素或基因角度分析，褪黑素对动物促性腺激素的分泌都有影响，但确切的调控机制还不明了。

3褪黑素对性腺激素的影响

3.1褪黑素对雄激素的影响

雄激素主要由睾丸间质细胞分泌，肾上腺皮质、卵巢和胚胎也可分泌少量雄激素，雄激素种类繁多，在动物体内主要以睾酮为主。雄激素在动物个体发育、生长发育和生殖功能的各个方面都起着必不可少的作用。大多数季节性繁殖鼠类，褪黑素和雄激素之间存在负相关关系，褪黑素可以通过褪黑素受体1α抑制仓鼠睾丸雄激素的产生[18]。在前人的研究中发现，睾丸中存在一个褪黑素系统，该系统通过自分泌方式调节睾丸类固醇激素的生成，为了证明褪黑素在睾丸中的作用，对松鼠睾丸内注射褪黑素发现，胸腺中褪黑素受体α表达增加，雄激素受体表达减少[19]。在大鼠上研究发现同样的情况，切除大鼠松果体后并给予大鼠褪黑素饲喂，与对照组切除松果体无褪黑素分泌比较发现，褪黑素处理组可以有效减少睾酮激素分泌量[20]。以上研究表明，褪黑素对大鼠睾酮的分泌起抑制作用，然而在羊的研究却发现相反的情况。羊是季节性繁殖动物，在不同季节，雄激素的分泌不同，从而影响着羊的繁殖性状。Casao A等[21]在非繁殖季节对公羊进行褪黑素处理，每周采集公羊精液，检测精液中激素水平发现，外源性褪黑素处理后可以明显提高睾酮激素水平，一直持续4周。从羊血浆中也可以检测到褪黑素对睾酮的影响，Rekik M等[22]对公羊进行皮下埋置褪黑素 60 d后，血浆睾酮浓度增加。冬季白昼时间短，夜晚时间长，然而褪黑素主要在夜间分泌，所以冬天动物体内褪黑素含量比其他季节都要多。Raj K S等报道,蝙蝠在冬季体内雄激素分泌水平增加，通过分析可能主要是褪黑激素对类固醇合成酶3β-羟基类固醇脱氢酶(3β-HSD )活性的刺激作用[23]。另外，在人的研究也发现,褪黑素可以影响雄激素分泌，褪黑素可以直接抑制人的胎儿睾丸合成睾酮激素[24]。以上研究表明,褪黑素可以影响雄性激素受体的表达以及雄激素的分泌，在大鼠和人抑制雄激素的分泌，对羊则促进雄激素的分泌。

3.2褪黑素对雌激素的影响

动物体内雌激素主要来源于卵巢中发育卵泡的颗粒细胞、黄体、胎盘、肾上腺皮质等，雄性动物的睾丸也可分泌少量雌激素，雌激素在雌性动物各个生长发育阶段都有一定的生理效应。目前的研究发现褪黑素可以通过调控芳香化酶启动子区域的基因表达，从而抑制芳香化酶的活性和表达降低雌激素生物合成[25]。对鳗鱼褪黑素处理后检测血浆中的雌二醇(estradiol,E2)，发现褪黑素可降低鳗鱼血浆中类固醇激素E2分泌水平[13]。褪黑素在大鼠也有同样的作用，Chuffa L G等[16]对受到酒精长期刺激的大鼠进行褪黑素处理,结果显示血浆中17β-E2浓度显著降低。另外, 褪黑素对大鼠雌激素受体有调节作用，褪黑素可以下调卵巢和输卵管雌激素受体α及子宫雌激素受体β。在哺乳动物山羊上的研究却出现相反的作用，据Ghosh S等[26]报道,山羊在秋天雌激素的增长和褪黑素呈正相关，冬天褪黑素受体的表达在雌性和雄性山羊胸腺上都明显增加，而雌激素受体α仅在雌性山羊胸腺增加。褪黑素通过褪黑素受体从而发挥褪黑素的生物学作用，研究发现褪黑素及其受体广泛分布于多种动物的卵巢，如在牛卵巢颗粒细胞的细胞膜、细胞质、核膜上均发现有褪黑素受体1和褪黑素受体2 的存在，外源性添加褪黑素可以明显抑制颗粒细胞上雌激素的生物合成，并且有时间依赖性[27]。这些研究表明，褪黑素不但抑制大鼠雌激素的分泌，还下调大鼠其他组织雌激素受体的表达，在羊表现出相反的情况。

这些结果提示，褪黑素与性腺激素密切联系，对啮齿类动物、人和鱼有抑制性激素分泌作用，在羊等哺乳动物具有促进作用，褪黑素影响性激素分泌的作用方式，可以通过受体或者影响性激素合成相关酶的活性，具体作用方式还有待后期探究。但是迄今为止，在这方面报道也存在着争议，且物种间差异性很大。

4褪黑素与其他生殖激素的关系

近年来，一些与生殖密切相关的激素相继被阐明，如Kisspeptin、神经激肽B等。目前极少研究已经探测出通过褪黑素神经网络作用影响生殖轴的活动，最新的研究发现, 不同剂量的褪黑素，可以诱导斑马鱼大脑内kiss1、kiss2和GnRp基因表达量升高，以及垂体中LHβ增加，表明褪黑素可以促进性腺成熟，明显提高斑马鱼繁殖力[28]。Alvarado M V等[29]给雄性海鲈鱼褪黑素处理，发现30 d后下丘脑中kiss1基因表达明显升高，90 d后kiss2表达明显增强，然而150 d后背侧大脑中kisspeptin的表达却显著下降，并且影响垂体中GnRH-1、GnRH-3、GnRH-II-1a、2b和FSHβ基因mRNA水平的表达降低。

褪黑素可以引起kisspeptin mRNA表达水平的变化，从而影响生殖系统的改变。动物生殖内分泌是一个复杂的过程，传统的研究主要集中在HPGA上，研究生殖轴上相关促性腺激素、性腺激素的释放和抑制调控生殖，研究范围存在局限性，对生殖调控的确切机制难以深入透彻的了解，仍然处在一个模糊的阶段，并且与生殖相关的激素还在不断的更新。褪黑素的研究涉及到很多方面，从前人的研究发现，其对动物的生殖调控也非常重要，在不同品种的动物，生长阶段的影响效果也有所不同。松果体昼夜节律功能是调控繁殖的基础，在褪黑素的适当干预下也许还可以推迟神经和性腺功能的年龄。

5展望

综上所述，随着褪黑素被第一次发现后，已过去几十年，褪黑素在调控GnRH、LH、FSH及其他性腺激素的分泌方面具有重要作用，不同物种间存在较大差异，且这些研究仅局限于对激素水平的变化，至于褪黑素是如何调控生殖激素的仍不清楚。笔者认为将来这方面的研究以下三个方面需要阐明：①褪黑素影响动物生殖激素分泌的确切机制；②褪黑素调控生殖激素的研究目前主要在啮齿动物、羊和人的报道，其他动物如家禽方面还没有涉及；③拓展褪黑素对新发现的与生殖密切相关的其他激素方面研究。

参考文献:

[1]Lerner A B,Case J D,Takahashi Y,et al.Isolation of melatonin,the pineal gland factor that lightens melanocytes[J].Am Chem Soc,1958,10:2587.

[2]Tan D X,Zheng X,Kong J,et al.Fundamental issues related to the origin of melatonin and melatonin isomers during evolution:relation to their biological functions[J].Int J Mol Sci,2014,15 (9):15858-15890.

[3]Wurtman R J,Axelrod J,Chu E W.Melatonin,a pineal substance: effect on the rat ovary[J].Science,1963,141(3577):277-278.

[4]Reiter R J,Blask D E,Johnson L Y,et al.Melatonin inhibition of reproduction in the male hamster:its dependency on time of day of administration and on an intact and sympathetically innervated pineal gland[J].Neuroendocrinology,1976,22(2):107-123.

[5]何洁玉,吴建云,李良娟, 等.神经胶质细胞对GnRH神经元的调控机制研究进展[J].动物医学进展,2015,36(6):138-141.

[6]Roy D,Belsham D D.Melatonin receptor activation regulates GnRH gene expression and secretion in GT1-7 GnRH neurons.Signal transduction mechanisms[J].J Biol Chem,2002,277:251-258.

[7]Li S,Givalois L,Pelletier G.Effects of aging and melatonin administration on gonadotropin-releasing hormones (GnRH) gene expression in the male and female rat[J].Peptides,1997,18(7):1023-1028.

[8]Servili A1, Herrera-Pérez P, Del Carmen Rendón M,et al.Melatonin inhibits GnRH-1,GnRH-3 and GnRH receptor expression in the brain of the European Sea Bass,Dicentrarchuslabrax[J].Int J Mol Sci,2013,14(4):7603-7616.

[9]Lombardo F,Gioacchini G,Fabbrocini A,et al.Melatonin-mediated effects on killifi sh reproductive axis[J] .Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol,2014 ,172:31-38.

[10]Wang L,Zhuo Z Y,Shi W Q,et al.Melatonin promotes superovulation in Sika Deer (Cervusnippon) [J].Mol Sci,2014,15(7):12107-12118.

[11]Vanecek J.Inhibitory effect of melatonin on GnRH-induced LH release.[J].Rev Reprod,1999,4(2)：67-72.

[12]Kocher L,Lornage J,Claustrat B.Persistence of fertility despite semen alterations in a pinealectomised patient treated with melatonin[J].Neuro Endocrinol Let,2013,34(8):763-766.

[13]Sebert M E,Legros C,Weltzien F A,et al.Melatonin activates brain dopaminergic systems in the eel with an inhibitory impact on reproductive function[J].J Neuroendocrinol,2008,20(7):917-929.

[14]Ramadana T A,Sharmab R K,Phuliab S K.Effectiveness of melatonin and controlled internal drug release device treatment on reproductive performance of buffalo heifers during out-of-breeding season under tropical conditions[J] .Theriogenology,2014,82(9):1296-1302.

[15]Diaz E,Pazo D,Esquifino A I,et al.Effects of ageing and exogenous melatonin on pituitary responsiveness to GnRH in rats[J].J Reprod Fertil,2000,119(1):151-156.

[16]Chuffa L G,Seiva F R,Fávaro W J,et al.Melatonin reduces LH, 17 beta-estradiol and induces differential regulation of sex steroid receptors in reproductive tissues during rat ovulation[J] .Reprod Biol Endocrinol,2011,9:108.

[17]王娟,孙毅,程龙,等.三种生殖激素对滩羊卵母细胞体外成熟的影响[J].动物医学进展,2013,34(7):12-16.

[18]Rossi S P,Matzkin M E,Terradas C,et al.New insights into melatonin/CRH signaling in hamster Leydig cells[J].Gen Comp Endocrinol,2012,178(1):153-163.

[19]Raise A,Chandana H.Effect of intra-testicular melatonin injection on testicular functions,local and general immunity of a tropical rodent Funambulus pennanti[J].Endocrine,2010,37(3):479-488.

[20]Baburski A Z,Sokanovic S J,Janjic M M,et al.Melatonin replaceme nt restores the circadian behavior in adult rat Leydig cells af ter pinealectomy[J].Mol Cell Endocrinol,2015,413:26-35.

[21]Casao A,Pérez-Pé R,Abecia J A,et al.The effect of exogenous melatonin during the non-reproductive season on the seminal plasma hormonal profile and the antioxidant defence system of Rasa Aragonesa rams[J].Anim Reprod Sci,2013,138(3-4):168-174.

[22]Rekik M,Taboubi R,Ben Salem I,et al.Melatonin administration enhances the reproductive capacity of young rams under a southern Mediterranean environment[J].Anim Sci,2015,86(7):666-672.

[23]Raj K S,Scotophilus H,Amitabh K.Melatonin affects steroidogenesis and delayed ovulation during winter in vespertilionid bat[J].J Steroid Biochem Mol Biol,2010,118(1-2):107-116.

[24]Giovanni M.Similar photoperiod-related birth seasonalities among professional baseball players and lesbian women with an opposite seasonality among gay men:Maternal melatonin may affect fetal sexual dimorphism[J].Psychiatry Res,2014,216(3):424-431.

[25]Alvarez-García V,González A, Martínez-Campa C,et al.Melatonin modulates aromatase activity and expression in endothelial cells[J].Oncol Rep,2013 ,29(5):2058-2064.

[26]Ghosh S,Singh A K,Haldar C.Seasonal modulation of immunity by melatonin and gonadal steroids in a short day breeder goatCaprahircus[J].Theriogenology,2014,82(8):1121-1130.

[27]Wang S J,Liu W J,Wu C J,et al.Melatonin suppresses apoptosis and stimulates progesterone production by bovine granulosa cells via its receptors (MT1 and MT2)[J].Theriogenology,2012,78(7):1517-1526.

[28]Carnevali O,Gioacchini G,Maradonna F,et al.Melatonin induces follicle maturation in Danio rerio[J].PLoS One,2011,6(5):e19978.

[29]Alvarado M V,Carrillo M,Felip A.Melatonin-induced changes in Kiss/Gnrh gene expression patterns in the brain of male sea bass during spermatogenesis[J].Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol, 2015,185: 69-79.

Progress on Regulation of Melatonin in Animal Reproductive Endocrinology

ZHU Gen-bao1, YU Lan-lan2,LIU Ya1,2

(1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui,230036,China；2.LocalAnimalGeneticResoursesConservationandBiobreedingLaboratoryofAnhuiProvince,Hefei,Anhui,230036,China)

Abstract:Melatonin is a kind of neuroendocrine hormone which is secreted by the pineal gland, it has involved in immune reaction,rhythm regulation of life activities and other functions,and is closely related with reproductive endocrine.At present,the research on melatonin mainly focused on the human cancer and plants,but the research on the reproductive endocrine of animals is less,and the depth is shallow.Studies show that melatonin can regulate the endocrine function of the hypothalamus pituitary gonadal axis,promote or inhibite gonadotropin releasing hormone (GnRH),follicle stimulating hormone (FSH),luteinizing hormone (LH) and gonadal hormone secretions.In different species,the effect of melatonin is different.In the paper,the regulation of melatonin on gonadotropin-releasing hormone,follicle-stimulating hormone,luteinizing hormone,gonadal hormone and other reproductive hormones were reviewed in order to provide the basis for regulation of animal reproductive endocrine by melatonin and a better understanding of the role of melatonin in the regulation of animal reproduction.

Key words:melatonin;reproductive endocrinology;gonadotropin-releasing hormone;follicle-stimulating hormone;luteinizing hormone;gonadal hormone

文章编号:1007-5038(2016)03-0094-05

中图分类号:S852.21

文献标识码:A

作者简介：朱根宝(1991-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事临床兽医学研究。*通讯作者

基金项目：国家自然科学基金项目(31472096);安徽省自然科学基金项目(1308085QC54))

收稿日期：2015-07-25