褪黑素对毛皮动物生产性能及皮肤毛囊相关基因表达影响研究进展

郭跃跃,宋兴超,王海军,邢秀梅,张宇飞,徐 超*,赵家平*

(1.中国农业科学院特产研究所，农业部特种经济动物遗传育种与繁殖重点实验室，吉林省特种经济动物分子生物学省部共建国家重点实验室,吉林长春 130112；2.吉林省野生动物救护繁育中心，吉林长春 130119)

1958年，皮肤病专家Lerner首次从牛的松果体提取物中纯化得到一类激素，这类激素可以凝聚两栖动物和鱼类中的色素使其皮肤颜色变浅，因此被命名为褪黑素[1]。研究证明，褪黑素是广泛存在于原核生物、单细胞生物、真菌、植物和动物中的一种吲哚胺类分子，主要是由哺乳动物和人类的松果体产生。褪黑素属于吲哚杂环类化合物，又被称为松果体素、松果腺素、美拉酮宁、抑黑素、褪黑激素、褪黑色素。褪黑素合成后，储存在松果体内，交感神经兴奋支配松果体细胞释放褪黑素入血。褪黑素的分泌具有明显的昼夜节律，白天分泌受到抑制，晚上分泌旺盛[2]。褪黑素最终在肝脏中代谢，肝细胞的损伤可影响体内褪黑素的水平[3]。

根据理解前人的研究内容，本文对褪黑素的生物合成作简要介绍，围绕褪黑素对毛皮动物生产性能影响的作用机制，揭示褪黑素在毛皮动物生长中的作用，同时阐述了褪黑素对皮肤毛囊相关基因表达量的影响，以期为动物毛皮品质遗传机制提供进一步的研究思路[4]。

1 褪黑素的生成

褪黑素主要是由哺乳动物的松果体合成的一种神经内分泌激素，其他合成部位包括皮肤、视网膜、血小板、胃肠道、哈德氏腺、皮肤眼眶腔的副泪腺、唾液腺、肠的嗜铬细胞瘤以及红细胞[5]。此外，某些变温动物的眼睛和脑部也可以合成少量的黑色素，但是合成量相对来说比较少。松果体合成褪黑素的过程如下：首先色氨酸在色氨酸羟化酶的催化作用下转变成5-羟色氨酸；然后5-羟基色氨酸在芳香族氨基酸脱羧酶的催化作用下转变成5-羟色胺；从5-羟色胺转变成褪黑素可以分为两条途径。第一条途径是5-羟色胺在N-乙酰基转移酶和羟基吲哚氧-甲基转移酶的作用下，经过N-乙酰基-5-羟色胺转变成N-乙酰基-5-甲氧基色胺，即褪黑素；第二条途径是5-羟色胺在羟基吲哚氧-甲基转移酶的催化作用下转变成5-甲氧基色胺，随后在N-乙酰基转移酶的作用下，5-甲氧基色胺被催化生成褪黑素[6]。哺乳动物在出生后才开始合成褪黑素，目前世界上已经可以人工合成褪黑素。

2 褪黑素的功能

大量研究表明褪黑素具有广泛的生理作用，如镇痛、保护心血管细胞、保护胃肠道、防止病变、调节昼夜节律、调节免疫作用、降低血压、抗衰老及抗肿瘤等多种功能[7]。同时，褪黑素对生殖系统也具有一定的作用，主要表现在影响一些激素的含量，如促性腺激素释放激素、雄激素、雌激素、促卵泡素、促黄体素。褪黑素可抑制下丘脑-垂体-性腺轴，使促性腺激素释放激素、促性腺激素、黄体生成素以及卵泡雌激素的含量均减低，并可直接作用于性腺，降低雄激素、雌激素及孕激素的含量。褪黑素对下丘脑-垂体-性腺轴(HPG)的主要表现是抑制作用，褪黑素是抑制促性腺激素释放激素(GnRH)的关键因子，从而影响到促卵泡素和促黄体素的分泌。促卵泡素和促黄体素的浓度和比例直接调控卵母细胞的发育和成熟[8]。

2.1 调节睡眠作用

松果腺是鸟类、鱼类、爬行类和两栖类的生物钟。但是进化到哺乳动物后，生物钟转移到了下丘脑视交叉上核，松果腺就作为了一个附属振荡器，它产生的褪黑素作为内源性同步因子，使环境周期和生物体的内源性节律保持同步。成年人的松果体位于间脑顶部，卵圆形，灰红色，长约为6 mm，宽约为4 mm。松果体会不断地分泌褪黑素，褪黑素可以调节下丘脑视交叉上核的节律，起到调节睡眠的作用[9]。在赵景新[10]的研究中，多元回归分析终末期肾病患者血清褪黑素水平与SOD和GSH-Px呈正相关，与MDA、NO、PSQI、L-6和CRP呈负相关，这预示了褪黑素可能与睡眠质量有关。M Edalat-Nejad M等[11]发现睡眠质量差在终末期肾病患者中十分常见，他给予终末期肾病患者口服外源性褪黑素3 mg后观察到患者睡眠质量明显改善。吴至凤等[12]人利用褪黑素治疗脑损伤儿童，发现褪黑素可以改善儿童的睡眠质量，减少夜间觉醒的次数。褪黑素剂量达到一定值时，不仅能与巴比妥钠协同作用缩短小鼠的睡眠潜伏期，还能与戊巴比妥钠协同作用增加入睡小鼠的个数，表明褪黑素具有调节睡眠的作用，这和国内外大量的实验结果表明褪黑素具有催眠的特性相一致。

2.2 调节免疫作用

褪黑素可以通过对先天性免疫和获得性免疫两方面的调节实现对免疫力低下或者免疫缺陷的动物发挥免疫上调作用。褪黑素可以提高吞噬细胞的吞噬率、血清半数溶血值、体外抗体形成细胞数量以及淋巴细胞转化率。罗建华[13]研究发现，幽门螺旋杆菌灌喂处理组小鼠毛发脱落严重且无光泽，腹腔注射褪黑素后，褪黑素处理组的小鼠毛发脱落情况较空白对照组相比有明显的好转。由此得知幽门螺旋菌感染时褪黑素可能具有抗炎和免疫调节的作用。在Maestroni S等[14]研究发现，一定剂量的褪黑素可以增强抗体反应以及增加抗体形成的细胞数量，从而实现对免疫功能的调节。欧科鹏[15]发现，50 pg/mL褪黑素处理后的甲状腺原代细胞中的甲状腺过氧化物酶与对照组差异显著，与小鼠试验相似。褪黑素可能通过滤泡细胞合成在抗氧化保护过程中保护甲状腺细胞免受氧化影响。刘立峰等[16]研究发现，高浓度的褪黑素可以通过诱导人骨肉瘤MG-63细胞周期停滞而显著抑制细胞增殖。在赵海玉等[17]的研究中，褪黑素的减少会导致大鼠T细胞亚群失衡，降低机体免疫功能的作用，同时还会降低体内多种细胞因子的水平，降低免疫炎症反应而褪黑素可以显著改善以上反应所以推测褪黑素可能对免疫治疗具有一定的作用。

2.3 抗衰老作用

褪黑素是一种强氧化剂，可以保护皮肤免受到氧化剂的影响。褪黑素会随着人年龄的增加而减少，因此医学界有人推测褪黑素的含量和人的年龄呈负相关的关系。20世纪90年代，Reiter R J等[18]首次证明褪黑素具有抗氧化剂活性且是一种高效的内源性自由基清除剂，可以有效的清除羟自由基，减轻细胞的过氧化损伤，给细胞充足的更新时间，为细胞带来活力。周龙[19]的研究结果证明褪黑素缓解了细胞衰老并且具有浓度依赖性，这种作用是通过激活SIRT1信号通路的方式实现的。在邓海峰等[20]人的研究中，利用东茛菪碱使大鼠对Morris水迷宫测试产生了学习记忆障碍，然后发现褪黑素对由于东茛菪碱所致的大鼠学习记忆障碍有明显的改善作用并且发现褪黑素可以阻断东茛碱对皮层长时程增强的抑制，认为在一定程度上褪黑素可以缓解阿兹海默症的病况。

3 生产性能

3.1 生长性能

褪黑素对动物的生长性能具有重要的作用。在段春辉等[21]人的研究中，调查了埋植褪黑素对绒山羊绒生长和生产性能的影响。试验中共有30只雌山羊，每10只山羊一种处理，包括对照组和试验组两种。在4月和6月或6月植入褪黑素(2 mg/kg体重)的处理。和对照组相比，4月和6月种植羊绒产量和最大绒长分别增加了20.3%和15.7%(P<0.01)，平均启动日期为2013年5月22日，停止日期为2014年3月26日。最终结果表明，在羊绒非生长期间植入褪黑激素是刺激羊绒生长和延长羊绒生长期的有效方法。

3.2 繁殖性能

研究表明，褪黑素对短日照动物普遍具有提前发情的作用，夜间褪黑素分泌量增加决定了雌激素对促性腺激素的抑制作用从而导致了绵羊的季节性发情。多个试验表明，在非繁殖季节给母羊注射褪黑素可以使母羊提前进入发情期并且可以延长发情时间。此外，在精液稀释液中添加5 mol/L～10 mol/L的褪黑素可以使精子存活时间变长，推测是褪黑素中有效的清除化学反应中的羟基自由基有关，但是过高浓度的褪黑素会使精子发生聚集反应。Zarazaga L A等[22]研究表明，褪黑激素治疗不能提高生殖能力，但是可以在体重增加或体脂肪储备不断增加的情况下得到改善。

3.3 毛皮性状

褪黑素对动物的毛皮质量和等级具有一定的影响作用，用单因素试验探究褪黑素对獭兔的生长性能和毛皮质量的作用。将200只55日龄～60日龄的健康生长的獭兔划分为4组，每组饲喂含不同水平褪黑素的试验饲粮。试验结果表明，60日龄～150日龄，各试验组平均日增重均极显著高于对照组，各试验组料重比均极显著低于对照组。90、120、130、150日龄各试验组被毛密度均极显著高于对照组。40 mg/kg试验组臀部、肩部、腹部的皮张厚度均显著或极显著低于对照组。由此可见，褪黑素可以提高獭兔平均日增重，降低料重比，同时提高獭兔被毛密度，促进兔皮张提前成熟[23]。

4 基因

4.1 FGF5

FGF5基因是FGF5家族的重要成员，具有典型的基因结构，由3个外显子和2个内含子构成。FGF5基因属于MAPK信号通路中的一个信号因子，除了FGF5基因，还有其他信号因子，例如NTRK3、PDGFA、PDGFR，此通路的信号因子，在毛囊周期性发育过程中发挥重要作用，激活后可以促进毛囊干细胞的增殖与分化。诸多试验已经证明，FGF5基因在毛囊的发育中具有重要作用，是影响毛发长度的一个重要候选基因。研究发现，FGF5基因敲除后，鼠毛囊生长周期变长，鼠被毛变长。高爱琴等于2006年根据人和小鼠FGF5基因的同源序列设计引物，克隆测序了山羊的FGF5基因片段，并在内蒙古绒羊、辽宁绒山羊和文登奶山羊中发现FGF5基因在外显子1上的2个单核苷酸多态性位点。有研究者2009年研究了FGF5基因对内蒙古绒山羊的影响，发现了与高爱琴等研究结果一致的SNP位点突变，并分析了SNP位点与绒毛性状的关联发现，多态位点对绒纤维伸直长度和含绒量有显著影响[24]。此外，FGF5基因在毛发生长周期中还具有重要的调控作用。在赵德超[25]等的研究中，褪黑素显著上调绒山羊皮肤FGF5的表达，同时增强FGF5基因与β-catenin、NTRK3、Hairless等基因之间的相关性。在受试动物中，褪黑素对FGF5基因的表达量产生影响从而影响了动物的毛囊发育等一系列生理过程，最终对动物的绒毛品质产生了一定程度的影响。

4.2 Wnt10b

Wnt10b是Wnt家族中重要成员之一。前人研究得知，wnt10b基因在不同动物的不同组织中表达存在较大差异，Wnt10b激活Wnt信号分子，其对毛囊中黑色素细胞的分化起到重要的作用[26]。在丽春等[27]的研究中，以内蒙古成年绒山羊为研究对象，切取皮肤组织进行研究，发现Wnt10b在成年绒山羊皮肤组织中毛囊生长期表达量先上升后缓慢下降，退行期呈现低表达，休止前期高表达，休止后期的表达量又开始缓慢下降。埋植褪黑素提高了休止期和退行期时Wnt10b在内蒙古绒山羊成年羊皮肤组织中的表达量，使得整个毛囊生长周期中Wnt10b在皮肤组织中的表达量变化不明显，导致下一个毛囊生长周期提前开始。Wnt10b参与毛囊生长过程的信号传递并在退行期到休止期转变中发挥重要作用。而且，Wnt10b参与了外源性褪黑素促进绒毛生长的毛囊周期性变化过程。近年来研究发现，Wnt10b在毛囊形成初始阶段即表达于毛基板，同时伴随着毛囊发育持续表达，Wnt0b蛋白在体外培养的胚胎表皮细胞中通过经典的Wnt通路，诱导未成熟的表皮细胞向毛干及内根鞘细胞分化，同时具有维持毛乳头细胞的生物活性并维持毛干生长的能力。

4.3 Hairless

研究表明，毛囊基因的共同调控才能使毛发正常发育生长。Hairless基因是Jumonji家族中的一员，其在毛囊生长周期中扮演了重要的角色。Hairless基因是在皮肤和被毛结构形成过程中起到重要作用的调节基因之一，其编码的Hairless蛋白在皮肤、脑、肺、肠、肌肉、垂体中均表达，其中在皮肤和脑中的表达量较高，并且在毛囊中呈现周期性的表达变化[28]。前人研究得知，Wnt信号通路影响毛发的生长和分化，而Hairless基因控制第一次毛发转换。Hairless基因与甲状腺受体结合，共同维持毛囊细胞的增殖、分化、凋亡过程的平衡。Hairless基因可能促使毛囊从生长期过渡到退行期以及对毛发的生长发育过程的调控发挥重要的作用。在鼠类和人类中，Hairless基因的突变会导致除了部分鼻毛以外的毛发的缺失。由于Hairless蛋白的缺失，会导致Wnt/β-catenin信号分子的减少从而影响毛发的生长[29]。近年来研究发现Hairless基因抑制Wnt信号通路的一个抑制因子Wise基因的表达，Hairless基因在不同时期的表达变化可能影响Wnt信号的正常出现时间，从而导致毛囊周期异常[30]。

通过对国内外相关文献报道阅读可发现，褪黑素在皮肤毛囊相关基因表达量方面有重要的影响作用。褪黑素通过影响信号通路中的基因起到调节毛囊生长的作用从而影响毛皮动物的毛皮品质。迄今为止，在许多遗传机制经过多年努力被科学研究所攻破时，应逐渐重视褪黑素影响毛皮品质的遗传机制和机理，防止其脱离于人们视线之外而降低毛皮品质的质量及影响养殖产业的发展。对此，我们不仅要增强探索意识，更要依靠科学探索机制，探究机理，在探索褪黑素影响毛皮品质机理的道路上共同发力，为动物毛皮品质遗传机制提供进一步的研究思路。

5 展望

随着国内外学者对褪黑素研究的不断深入，褪黑素在动物生产方面的应用也越来越多。褪黑素对哺乳动物具有重要的作用，它可以调节睡眠，增强机体免疫力，抗衰老，同时也影响着动物毛皮的品质。此外，影响毛皮动物毛皮好坏的因素多种多样，褪黑素占据了一个很重要的地位，同时褪黑素也与多个影响皮肤毛囊生长的基因有关系。因此，施用不同浓度的褪黑素可以影响毛皮动物绒毛和针毛的特性和品质。关注褪黑素的功能以及褪黑素在动物毛皮中的作用机理，可以从一个不同的角度理解影响毛皮品质好坏的因素，以此为基础探索毛皮动物毛皮品质的遗传机制。基于褪黑素的功能研究，褪黑素有可能会成为新的抗病毒治疗的方法和途径。