热应激影响动物生殖的表观遗传学机制研究进展

魏金销 ，申艳超 ，张士坤 ，张 伟 ，白跃宇 ，3

（1.河南省种牛遗传性能测定中心，郑州 450046；2.河南科技学院动物科技学院，新乡 453003；3.河南省动物卫生监督所，郑州 450008）

随着全球温室效应的增加和我国畜牧业集约化、产业化程度的提高，热应激在动物生产上的危害已日趋严重。诸多研究表明，热应激对雌雄性动物的生殖具有显著的负面影响，可导致其生殖细胞损失和精液质量不佳［1-4］。

表观遗传学是在基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，研究可遗传的基因表达改变，从而阐明基因组功能、基因表达调控及其在生物体中的作用，是一门遗传学分支学科。表观遗传学机制在动物生殖过程中各个方面都起到广泛而巨大的作用。因此，通过表观遗传学研究动物热应激机制对降低动物高温天气的养殖损失具有重要意义。

1 热应激对动物生殖机能的影响

1.1 热应激对雄性动物生殖机能的影响

睾丸是雄性动物具有繁殖能力的组织。精原细胞通过有丝分裂、减数分裂和细胞分化最终形成精子，这一过程需要适宜的内外环境，与温度有关的变化都可能导致雄性动物精子的异常，造成不育［5-6］。Rahman 等［7］和Schüller等［8］在多个热带或亚热带地区的研究结果表明，高温气候对养殖业的负面影响非常明显，可导致种公牛在夏季的生殖性能下降。Wang 等［9］、Yeste 等［10］研究报道了夏季高温作为一种热应激源对牛、山羊、兔子等多种草食动物的精子质量有着严重负面影响。也有研究报道指出，夏季高温对种公牛的精子质量有着严重影响，可导致种公牛（例如利木赞，夏洛来、皮埃蒙特牛等）出现不射精或射少量的精液，精子活力降低，密度中下等，颜色灰白色，活精子百分数、顶体完整率均显著降低，精子畸形率也显著升高（P＜0.05）。Rahman等［1］通过热应激对牛精子影响的研究发现，在发育减数分裂阶段的精子更容易受到热应激的影响。

1.2 热应激对雌性动物生殖机能的影响

热应激对雌性动物的生殖具有广泛的负面影响。Kadokawa等［11］研究发现，热应激会导致母牛发情周期的缩短和发情程度减弱，而且增大母牛不发情的发生率。此外，热应激对母牛卵母细胞、受精过程、早期胚胎形成、胚胎发育诸多方面都有负面影响［12］。Ozawa等［13］研究发现，雌性山羊暴露于36.8℃和70%的相对湿度环境中48 h后，其卵泡生长发育受到抑制，LH受体表达减少和卵泡雌二醇合成活性降低。Schüller等［14］的研究结果表明，热应激对奶牛同样存在诸多负面影响，高温高湿环境下母牛血清中雌二醇水平急剧下降，血液中孕酮水平上升，限制了发情期内LH的波动和释放，从而阻止排卵。St-Pierre等［15］研究发现，热应激导致奶牛繁殖力降低40%～50%，产犊到怀孕平均间隔延长到59.2 d，因繁殖疾病而增加的淘汰率达7.99%。也有研究报道，牛舍气温从33.3℃升高至41.7℃时，奶牛的受胎率从61.5%下降至31.0%。

2 热应激影响动物生殖的表观遗传学机制

2.1 对配子及其发生的影响

2.1.1 对雄性配子及其发生的影响 表观遗传学机制参与热应激对精子发生的影响。雄配子发生是精原细胞（PGCs）连续分化和发展的过程［1］。PGCs分裂后形成A、B两种类型精原细胞。B型精原细胞分裂增殖为初级精母细胞，初级精母细胞进行第1次分裂，形成2个次级精母细胞。次级精母细胞再立即进行第2次分裂，形成 2 个精子细胞［16］。Houston 等［17］研究发现，在精原细胞2次分裂过程中，存在一定的热敏感阶段，当雄性小鼠暴露于35℃的高温环境中24 h，发现其精子线粒体ROS生成增加，精子膜流动性增加，单链断裂形式的DNA损伤和氧化DNA损伤显著增加。Leung等［18］研究发现，热应激牛产生的精子在体外形成合子的过程中，与正常精子相比，由于其甲基化和去甲基化的程式发生了改变，导致其受精率显著下降，合子发育出现异常。Rao等［19］通过对小鼠生殖性能的热应激试验发现，与对照组正常小鼠相比，热应激组小鼠睾丸发生显著的生殖细胞凋亡，而且，有11种microRNA显著表达变化，例如，miR-4493-3p，miR-92a 1-5p，miR-423-3p，miRNA-1283p。此外，在线虫的研究中，当在32℃下加热 15、20、25 h 后，与对照组相比，miR-71a、miR-80、miR-229的缺失，miR64-66团簇的热敏感性，miR-23的缺失导致其耐热性［20］。

2.1.2 对雌配子及其发生的影响 在哺乳动物中，卵母细胞数量在出生时已固定。与雄配子类似，雌配子同样受到热应激的负面影响。Itami等［21］研究发现，当采用短期热应激（41.5℃）处理母猪卵丘卵母细胞复合物（COCs）时，其热休克蛋白72的表达水平上升，而且诱导线粒体降解。夏季高温热应激会导致牛卵巢中颗粒细胞诸如热休克蛋白家族HSP60、HSP70、HSP90等的microRNA表达发生巨大变化，其中175个基因上调表达，1 036个基因下调表达，值得关注的是多种表观遗传学相关的基因发生变化，如miR-2358、miR-671等高表达［22］。

2.2 对母畜受精的影响

越来越多的研究表明，热应激通过表观遗传学机制影响动物的受精过程。在受精过程中，当精子穿透卵母细胞后，精子DNA会被去甲基化，这一步是形成合子的必需步骤，如果精子发生染色质凝聚会导致异常的精子DNA甲基化。当用热应激后的牛精子进行受精的时候，与正常精子相比，在受精后18 h和24 h，牛受精卵中父核DNA显著减少去甲基化，而且受精率显著下降［16］。

2.3 对胚胎发育的影响

胚胎发育是胚胎在母体子宫内形成和发育的过程。随着研究的深入，有大量报道指出表观遗传机制在胚胎发育过程中起到广泛而重要的作用。例如，胚胎发育过程中的DNA甲基化小鼠在胚胎发育过程中，从受精卵到囊胚期，全基因组DNA甲基化显示出持续下降。与此相反，DNA甲基化在胚胎早期阶段较低，但随着6～8个细胞阶段发育，其DNA甲基化增加直到囊胚期，并且在猴子胚胎8细胞期全基因组DNA甲基化升高［23］。热应激通过表观遗传调控可能直接影响胚胎发育。研究热应激对不同的培养条件下受精卵发育能力影响的结果表明，在重度和中度（41°C和40°C）热应激条件下，大多数胚胎发育在2细胞时期停滞。Dobbs等［24］通过RT-PCR检测胚胎存活和滋养层细胞分化基因表达的研究发现，在长期温和的热应激（39°C）条件下，与细胞表观遗传调控的转录因子GATA3、Cdx2、Tcfap2c显著降低，暗示热应激可以通过改变与细胞表观遗传调控的转录因子进而作用于胚胎发育。

2.4 对生殖相关激素的影响

虽然热应激对生殖相关激素的作用广泛，但是其表观遗传学机制报道较少。Choi等［25］研究发现，采用RNA芯片分析急性热应激刺激排卵后期荷斯坦奶牛优势卵泡中颗粒细胞相关生理指标以及RNA表达，发现mir-2480表达显著下调。Tomer等［26］的研究结果表明，当热应激处理3日龄雏鸡，发现其肾上腺皮质激素释放激素（CRH）内含子的DNA CpG甲基化（5mC）和羟甲基化（5hmC）作为调控元件调控其表达。Vanselow等［27］采用褪黑素处理热应激后的猪卵母细胞的研究发现，处理后的猪卵母细胞的体外成熟和囊胚率均有提高。而SIRT1蛋白是生命体中广泛存在的一类依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），在体内与多种组蛋白为底物，通过去乙酰化作用来调节其活性的一种组蛋白脱乙酰酶；其广泛参与调控哺乳动物细胞寿命的信号及糖代谢、胰岛素分泌等多条代谢通路，对代谢综合征、细胞凋亡、心血管疾病和神经退行性疾病等发挥重要作用［28-30］。暗示褪黑素可能通过SIRT1参与组蛋白的乙酰化修饰方式参与热应激下猪卵母细胞的体外成熟。

3 小结

随着全球温室效应剧增，夏季高温作为一种热应激源对动物生殖产生越来越大的影响，对世界各国的畜牧生产带来严重损失。表观遗传学机制在动物生殖过程中各个方面都起到广泛而巨大的作用，而且还在不断地深入研究和扩大。因此深入研究热应激影响动物生殖的表观遗传学机制，不仅给诸如医学、生殖生物学等基础学科提供理论借鉴，而且为解决夏季高温这一热应激源导致的实际畜牧业生产中的问题提供理论支持。