骨形态发生蛋白15和生长分化因子9对家畜繁殖功能的影响

(1.桐乡市畜牧兽医局，浙江 桐乡 314500；2.桐乡众成湖羊专业合作社； 3.浙江大学动物科学学院)

1 前言

BMP-15和GDF-9是两个已经被广为认知的生长因子，均由卵母细胞分泌，在卵丘细胞与卵母细胞的正常发育中发挥着重要作用[1]。卵母细胞分泌的可溶性旁分泌因子被称为卵母细胞分泌因子(OSFs)，OSFs最重要的成员之一就是转化生长因子β(TGF-β)。TGF-β超家族的成员对细胞生长发育具有广泛而深远的影响。众多TGF-β配体、受体和细胞内信号蛋白在卵巢中表达，对正常卵泡发育至关重要。这些成员先被合成为前原肽，再通过蛋白酶加工转化为活性成熟蛋白质。原型TGF-β被确认为控制细胞增殖的分泌因子[2]。研究发现，在哺乳动物中有40多个TGF-β家庭成员，根据细胞信号传导途径，可分为两大类：BMP/GDF和活化素/TGF-βs[3]。因为这些蛋白质具有促进卵丘扩张和卵母细胞成熟能力，所以卵泡内TGF-β超家族成员的激活可以极大地提高妊娠率[4]。TGF-β1型受体(TGFβR1)是TGF-β配体的主要1型受体，其中TGFβR1的主要作用是控制雌性生殖道的完整性和功能，其介导的信号传导通路的阻断会导致输卵管和子宫的结构和功能异常[5]。

BMP是TGF-β家族的重要成员，是控制脊椎动物发育的多功能调节因子[6]。BMP首次发现时就已被证实在胚胎发育中起着关键作用[7]。BMP-15是一种与X染色体连锁并在卵母细胞中表达的特异性生长因子[8]，主要作用是刺激卵泡发生和颗粒细胞生长。由卵巢细胞合成的生长分化因子(GDF)也是TGF-β家族成员，直接影响卵母细胞的生长和功能[9]。GDF-9在卵巢卵母细胞中表达，并作为哺乳动物卵巢卵泡发生必需的常规因子[10]。

2 BMP-15和GDF-9对繁殖功能的调控

2.1刺激卵泡发育 BMP-15作为常规因子发挥作用，刺激卵泡发生和颗粒细胞(GC)生长。GDF-9则作为哺乳动物卵巢卵泡发生必需的常规因子起作用。BMP-15和GDF-9对于正常的卵丘细胞功能和卵母细胞发育起重要作用，两者的功能通常通过相互协同来完成。

2.2遗传表达 BMP-15和GDF-9在遗传和细胞信号层面上存在相互作用。BMP-15和GDF-9之间遗传水平的相互作用是通过杂合子突变体动物并分析所得后代生殖表型的实验中被发现的[11]。而GDF-9和BMP-15在人胚肾-293T细胞中共表达时，在生物化学水平上同源二聚体和异源二聚体的形成则第一次揭示了BMP-15和GDF-9之间细胞信号与蛋白质水平的相互作用[12]。

2.3增强卵母细胞的发育 BMP-15和GDF-9可以增强卵母细胞的发育能力。BMP-15和GDF-9的完整补体对卵母细胞的发育和功能至关重要[13]。有数据表明，完全生长的卵母细胞通过卵母细胞分泌的旁分泌因子调节其自身微环境的能力可能反过来有助于卵母细胞的发育能力[14]。另一方面，有证据表明OSF对COC微环境的调节是卵母细胞发育编程的重要决定因素。在母羊中，针对BMP-15或GDF-9肽的短期免疫导致排卵率增加，但是对释放卵母细胞的受精能力、受精的卵母细胞获取正常胎儿发育的能力以及免疫母羊足月怀孕的能力没有明显的不利影响[15]。除此之外，BMP-15和GDF-9的生理学研究也表明其存在抑制排卵或增加排卵率并增强后代生产力的作用[11]。

2.4维护卵巢功能 BMP-15和GDF-9在卵巢功能中起协同作用。在该水平，完整BMP-15和GDF-9等位基因的剂量直接影响卵泡发生期间和卵巢周围卵母细胞的命运[16]。同时绵羊的相关性实验表明，GDF-9分泌的减少可能导致卵巢功能严重缺陷的纯合BMP-15突变体绵羊的不育[12]。过去有小鼠实验证明，存在GDF-9缺陷的卵母细胞比对照卵母细胞生长更快，卵泡生长在3b型阶段停止[17]。它表明GDF-9在调节卵泡生长中起着关键作用。在水牛中也有类似的情况[18]。但是在青春期前的山羊中，GDF-9似乎并没有在提高胚胎发育能力方面发挥作用[19]。这说明GDF-9的作用可能存在着种族差异。

3 BMP-15和GDF-9基因突变性

在携带突变的杂合或纯合哺乳动物中，BMP-15和GDF-9中的一些突变导致生育力提升或者不育增加，以及引起生育疾病。在人类、牛和许多品种的绵羊中，多次排卵并不常见。研究结果表明，BMP-15对女性生育能力至关重要，卵巢衍生因子的自然突变可以剂量敏感的方式引起排卵率增加和不育表型[20]。以前的实验证明，BMP-15和GDF-9基因的突变与绵羊排卵率和不育性都有关。GDF-9基因突变导致排卵率增加和不育也由此揭开[21]。

BMP-15和GDF-9中的突变也会引发一系列生殖问题。GDF-9突变可能是一些年轻女性卵巢储备减少(DOR)的主要原因[22]。同时，GDF-9突变可能是人类卵巢早衰(POF)的一种潜在因素[23]。人BMP15的天然突变与高促性腺激素引起的卵巢功能衰竭有关[24]。这也表明BMP-15缺陷与GDF-9缺陷参与人类高促性腺激素引发的卵巢功能衰竭的发病机制。同时，已经在患有原发性卵巢功能不全(POI)的女性中鉴定了BMP-15和GDF-9基因的突变[25]。这意味着原发性卵巢功能不全也可能源于这两者的基因突变。

动物也存在与人类相同的现象，人类也许可以利用BMP-15和GDF-9中发生的遗传变异来提高动物，特别是家畜的生育能力。有一项实验表明，FecXBar是一种新型BMP-15突变，该突变导致了突尼斯绵羊的繁殖力提升和雌性不育。这意味着该突变提供了一种有价值的遗传工具用于控制突尼斯羊的繁殖力[26]。许多其他绵羊品种也存在同样的现象[27]。研究指出，除了BMP-15和GDF-9之外，还有另一种叫做BMPR1B的基因在部分绵羊中起着类似的作用。这种情况表明，在通过改造BMP-15和GDF-9提高畜牧业生产率之前，需要排除其他基因与生长因子的影响，这其中许多问题有待解决。

5 展望

综上所述，BMP-15和GDF-9在哺乳动物生育能力方面的重要地位已经通过许多实验得到了明确。但两者之间存在一些复杂的相互作用，以及环境的影响。这意味着还需要进一步探讨更多相关机制才能更好地利用。考虑到BMP-15和GDF-9与许多生殖疾病之间的关联，无论是人还是动物，明确两者之间发挥作用以及相互影响的机制有利于更好地治疗和预防相关生殖疾病。同时，两种基因的自然变异性和产生的相应现象是未来提高家畜生产力的模板和方向。