硒在雄性动物繁殖中的作用

白 云，成温玉，杨 芳

（安康学院现代农业与生物技术学院，陕西安康 725000）

动物的繁殖性能受遗传、营养、管理和环境等多方面因素影响，其中机体中微量元素含量的轻微波动会引起动物的生殖健康问题进而影响生产性能[1]。硒是机体必需的微量矿物元素，以硒酶和硒蛋白的形式参与机体抗氧化防御、生殖生理、内分泌活动、肌肉发育、甲状腺代谢以及心血管疾病等一系列生物过程[2]。自然界中的硒主要以无机和有机的形式存在，无机硒包括亚硒酸盐（Se4+）、硒酸盐（Se6+）和硒化物（Se2-）等3种形式。植物从土壤中以亚硒酸盐或硒酸盐形式获得硒元素并合成含硒氨基酸，进而被动物机体所利用[3]，而土壤中缺硒或者硒不能被植物吸收都会影响动物对硒的摄入。因此，在一些土壤硒含量低的地区，利用饲料补硒显得尤为必要。当前，尽管人们对硒的抗氧化防御机制有了较为深入的认识，且也认识到补硒的重要性，但对硒在动物繁殖方面的认识不够全面。基于此，本文就硒在雄性动物繁殖方面的研究作一综述，旨在为硒在动物繁殖方面的深入研究及合理利用提供参考。

1 硒蛋白

动物体内的硒主要以硒蛋白形式存在。饮食硒在生物机体中通过一定的代谢途径分别与甲硫氨酸和半胱氨酸结合生成硒代甲硫氨酸（Selenothionine，Se-Met）和硒代半胱氨酸（Selenocysteine，SeCys），进而整合到氨基酸序列中形成相应的硒蛋白并发挥生物学功能。硒蛋白的合成依赖于编码SeCys的UGA密码子、特异性的tRNA、辅助翻译蛋白以及含有硒代半胱氨酸插入序列元件的硒蛋白mRNA。当核糖体识别硒蛋白mRNA上的UGA密码子时，特异性的tRNA、辅助翻译蛋白以及硒代半胱氨酸插入序列元件相互作用完成SeCys的插入，且这一过程受细胞中硒含量调控。在细胞中缺硒或者低硒情况下，翻译便在UGA密码子处终止，硒蛋白mRNA和合成的肽链分别依赖不同的途径降解，硒蛋白无法生成[4]。目前，已在人类基因组中发现25种硒蛋白编码基因，啮齿类动物有24种，所有硒蛋白均以SeCys活性中心的氧化还原活性为基础发挥多种生物学功能（表1），尤其在诸如脱氧核糖核苷酸的合成、过氧化物清除、氧化蛋白还原、甲状腺激素代谢、氧化还原信号通路调控和硒元素转运储存等细胞生理过程发挥重要作用[5-7]。

硒对繁殖性能的影响也是通过硒蛋白的形式实现，其主要参与清除精卵细胞发生发育、卵泡发育、胚胎发生发育以及相关生殖细胞代谢过程中产生的过氧化氢（H2O2）和有机过氧化物，降低活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）对细胞和组织的损伤[5-8]。过氧化氢和有机过氧化物在硒蛋白的催化下依赖于活性中心Se-Met和SeCys被还原成水和其他无危害的有机物。目前，已经证实多种硒蛋白参与了动物生殖系统发育和繁殖性能（表1）。

2 硒与雄性动物繁殖

2.1 硒对睾丸发育和功能的影响 硒在整个生殖系统都有分布，且睾丸中硒含量最高[14]。硒影响雄性动物的睾丸发育，尤其影响睾丸的组织形态和重量。如Stuss等[7]、Guerriero等[14]用低硒饲料（2～7 μg/kg）饲喂雄性小鼠后，其第1代小鼠的睾丸发育迟缓且发情期延迟；长期给小鼠饲喂低硒或缺硒饲粮易波及第2～3代小鼠睾丸组织的发育，主要表现为睾丸萎缩、精原细胞有丝分裂停止、精细管直径变小、生精活动降低等现象。同样，硒缺乏也会降低大鼠睾丸重量，进而损害其繁殖能力[15]。尽管低硒或缺硒对大动物（猪、牛和羊）的睾丸形态没有显著影响，但对精细管的组织结构有一定损伤，容易造成睾丸生精障碍[16]。因此，补充适量的硒可以促进睾丸发育，其主要表现在公羊睾丸的阴囊长度和周长增加、小鼠睾丸体积和重量升高、公鸡曲精细管的生精能力增强以及性成熟提前等[17]。此外，维生素E与硒具有协同作用。适量的硒配合维生素E饲养公羊可以显著改善其繁殖性能[18]。然而，补充过量硒也会影响睾丸发育和功能。和玉丹等[19]利用毒性剂量（2～8 mg/kg）的纳米硒饲喂SD雄性大鼠，其睾丸出现严重萎缩，睾丸组织表现出不同程度的病理损伤，睾丸细胞也有凋亡现象且精子浓度和活力受到严重影响。同样，Kaur等[20]给小鼠饲喂过量硒（6～8 mg/kg）后，小鼠体重不仅下降，而且睾丸重量甚至输精管和曲精细管的直径都减小。因此，适量的硒对于动物睾丸发育具有促进作用，增强曲精细管的生精能力，而缺硒或者硒过量都会引起睾丸萎缩，阻碍精细管的精子的生成。

表1 硒蛋白在哺乳动物发育和繁殖中的作用

2.2 硒对精子发生的影响 动物精液的品质和受精能力取决于精子成熟的过程，一些异常因素可影响精液品质，进而降低雄性动物的繁殖力。生殖系统中适量的硒对维持精子正常发生必不可少，且在精子成熟过程中起到至关重要的作用。Brown等[21]利用同位素手段证实，75Se被雄性大鼠吸收后转运到睾丸，最终定位到精子的中段形成硒蛋白，其中包括硒蛋白P、GPx4（PHGPx）、mGPx5和snGPx4。Kehr等[22]利用X射线荧光显微镜技术发现，硒以血浆硒蛋白P形式将SeCys从血液转运至睾丸，再在一系列脂蛋白受体（Apolipoprotein E receptor-2，ApoER2）的作用下被睾丸的足细胞摄取，进而合成睾丸硒蛋白，维持精子的正常发生。人为敲除小鼠硒蛋白P或者ApoER2基因可导致精细胞中硒含量降低，精子发生受阻，畸形精子增多[23]。此外，利用缺硒饲料饲喂公猪后，公猪精液中精子含量降低，容易出现缺尾、质膜不完整、线粒体缺乏等畸形精子。而在适量范围增加硒含量可明显提高精液中硒和精子含量[24]。

GPx4是精子中最主要的硒蛋白，存在3种结构亚型，即精核GPx4（Sperm nucleus GPx4，snGPx4）、线粒体GPx4（Mitochondrial GPx4，mGPx4）和胞质GPx4（Cytosolic GPx4，cGPx4），三者均由GPx4基因编码[25]。mGPx4依赖自身抗氧化酶的催化活性抵抗精子发生过程中线粒体产生的氧自由基对精母细胞和精子细胞的氧化损伤，而在成熟精子中mGPx4的抗氧化催化活性处于失活状态，表明在精子发生的不同阶段，不同类型的硒蛋白发挥抗氧化作用[26]。snGPx4主要在精子发生的后期参与稳定染色质凝集的功能。在snGPx4巯基氧化酶活性的作用下，snGPx4被转移到鱼精蛋白形成复合物，参与精子染色质的凝集反应[27]。cGPx4表达于附睾的上皮细胞，主要保护成熟精子免受活性氧的损伤。人为敲除小鼠GPx4基因后，snGPx4、mGPx4和cGPx4均丧失表达，输精管中各发育阶段的精子数量明显减少，附睾中畸形精子数量增多，虽不影响母鼠受孕，但易导致早期胚胎死亡[28]。此外，GPx1、GPx3和GPx5也是表达于附睾中并参与成熟精子免受活性氧损伤的硒蛋白，其中GPx5在附睾上皮细胞表达后分泌至附睾腔并与GPx3相结合，伴随精子细胞通过附睾体到达附睾尾，催化降解精子在成熟过程中所接触到的过氧化物[29]。因此，硒作为硒酶和硒蛋白的重要组成部分，保护精子发生过程中精细胞免受活性氧的损伤。

2.3 硒对精子质量的影响 硒对雄性动物繁殖力的影响主要体现在硒通过抗氧化作用保护精细胞免受活性氧的损伤。日粮中缺硒或者硒过量均可导致雄性小鼠体内过氧化脂类、丙二醛以及活性氧含量升高，严重影响小鼠精液质量，使得精子浓度降低、畸形精子比例升高；同时，日粮中缺硒使得小鼠体内谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px或GPx）活性降低，而硒过量能增加GPx活性，但对小鼠的生殖潜力也有一定的损害[5,17]。

睾丸中硒含量可通过GPx4浓度来反映。Foresta等[29]研究显示缺硒造成GPx4表达降低，种畜睾丸生产的精子能力以及精子活性也明显减弱。通常，定位于精子中段的mGPx4在初情期表达量增加，降解线粒体在能量代谢过程中产生的活性氧。而当线粒体中mGPx4含量降低时，精子中累积的活性氧破坏了细胞的完整性，进而造成精子功能丧失[30]。人类男性不育与体内mGPx4的含量和活性密切相关，患者精子数量逐渐减少、畸形精子比例升高且精子运动能力逐步丧失[30]。部分临床不育的男性患者也因为缺硒而导致少精或者弱精症状[21,31]。Imai等[32]研究发现，GPx4含量低时，容易引起小鼠不育，且产生的精子不能使卵子受精；而且敲除雄性小鼠GPx4基因后，精子的线粒体功能受损，附睾中精子数量骤降且精子运动能力丧失，部分精子的尾部弯曲回折形成一个发卡结构。同样在硒蛋白P和ApoER2基因缺失的小鼠中也观察到相似的症状[23]。Kehr等[22]分别敲除小鼠snGPx4、mGPx4和Selenoprotein P种后，发现硒蛋白P缺失小鼠的硒含量降低了77%，mGPx4缺失小鼠的硒含量降低了60%，而snGPx4缺失对硒含量影响不大且仅有极少数动物表现不育。硒蛋白P在睾丸中高度表达，缺失该基因后不仅影响小鼠体内硒含量，小鼠还会出现共济失调、痉挛以及雄性不育等诸多病理状态[33]。由此表明，mGPx4和硒蛋白P很可能参与体内硒的转运[33]。GPx5在维持动物繁殖力方面也起到一定作用，缺失GPx5基因小鼠附睾尾内精子的DNA凝集降低，受精后的胚胎在发育过程中易出现缺陷且产出胎儿容易在早期发生死亡[34]。因此，这些硒蛋白均通过维护精子质量以维持动物繁殖力，其中mGPx4和硒蛋白P的功能更为显著。在生产实践中，口服抗氧化剂（维生素C 1.0 g/d、维生素E 1.0 g/d、亚硒酸钠1.0 mg/kg）可以显著改善严重硒缺乏症小鼠、人和家畜的精子质量，而对硒蛋白基因敲除小鼠的繁殖力没有作用[16-17,21,33]。

2.4 硒对精液特性的影响 Marai等[35]证实，日粮中添加0.1 mg/kg硒酸钠可提高公羊精液质量，具体表现为每次射精量增加、精子活力和浓度提高、畸形和死精子百分率降低。与缺硒和基础日粮相比，公猪的基础日粮中添加0.5 mg/kg亚硒酸钠猪精液中精子活力明显升高，畸形精子比率显著降低[5]。同样，在其他关于猪饲料加硒的研究中也得到相同的结果，而且补硒后公猪的初次采精时间提前、采精量增加以及猪精液的受精率也显著提高[36-37]。除补硒外，有些研究也在猪饲料中添加维生素E，但其对精液质量改善的效果都没有补硒显著，添加维生素E处理组对精液的改善效果与常规组相差无几[5-6]。Mohanta等[38]研究表明，同时补充硒和维生素E可以显著提高公羊的精子质量和射精量，且效果优于单独补充硒或者维生素E组。由此可见，虽然硒与维生素E具有协同抗氧化作用，但是维生素E不能完全代替硒。

尽管补硒能提高动物精液质量，增加精子活力，但也取决于补硒的量以及硒的形式。有学者在Ossimi公羊饲粮中添加0.2 mg/kg和0.5 mg/kg有机硒，结果发现0.5 mg/kg处理组射精量和精子活性更高以及精子密度更大[7]。而Lovercamp等[39]分别在公猪饲粮中添加0.3 mg/kg和0.6 mg/kg亚硒酸钠，发现高剂量组（0.6 mg/kg）的猪精液中畸形精子数目明显增多且精子浓度也逐渐降低。因此，添加适宜剂量的硒对精液有促进作用，而过量会对精子产生毒害。硒主要在动物的小肠被吸收，多数都能够被机体吸收进入细胞内。无机硒主要通过简单扩散和协同转运方式被肠壁细胞吸收，而有机硒（硒代蛋氨酸和硒代半胱氨酸）则通过活性氨基酸转运进入机体且吸收更为高效。Jacyno等[36]研究发现，与0.2 mg/kg无机硒组相比，0.2 mg/kg有机硒处理组公猪的精子浓度、质量更高且每次射精量更大。同样，与0.2 mg/kg无机硒组相比，0.2 mg/kg有机组公鸡生成的畸形精子更少且精子更完整[40]。此外，年龄对精液的质量具有负面影响。随着动物年龄增大，机体中抗氧化物酶活性降低，尤其GPx4降低了对附睾中精子的抗氧化保护作用。有研究证实，老龄大鼠的GPx4抗氧化活性较青年大鼠下降了50%，导致活性氧在体内累计，诱发细胞凋亡，造成精液质量下降[41]。

2.5 硒对动物性欲的影响 雄性动物的性欲受遗传、饲养管理、环境、疾病和营养等多方面因素影响。目前，衡量雄性动物的性欲主要通过测定其开始射精时间和射精持续时间来计算。在饲料中添加适量的酵母硒（0.35 mg/kg和0.5 mg/kg）可以显著增长公猪的射精时间，提早射精开始时间，同时也增加了血清和精液中睾酮、促卵泡激素和促黄体激素的含量[42]。同样，向公猪饲料中分别添加0.2 mg/kg酵母硒和亚硒酸钠后，公猪的性欲显著提升，且酵母硒的效果优于亚硒酸钠[42]。El-Mokadem等[43]在公羊的饲料中添加0.1 mg/kg硒酸钠，不仅可改善公羊的精液质量，性欲也得到提升。硒蛋白能够及时清除睾丸组织中的过氧化物，保护睾丸间质细胞和支持细胞免受过氧化物损害，促进睾酮和雄激素结合蛋白生成，使得公畜保持较高的性欲[17,44]。

3 硒在动物生产中的应用

缺硒不仅影响动物的繁殖性能，还会引起多种代谢性疾病。我国70% 地区属于缺硒地带，人群中克山病和大骨节病流行，动物中也会有因缺硒而导致的白肌病、水肿、骨骼坏死以及内脏组织坏死等症状[45]。因此在动物生产中补硒尤为重要。生产中常用的无机硒主要为亚硒酸钠，以微量元素添加剂的形式加入饲料中，虽然其价格低，含硒量高，但其毒性大，动物吸收率低，易造成环境污染，现已逐渐被有机硒替代。生产实践中常见的有机硒主要有酵母硒（赛乐硒Sel-Plex）、藻类硒、蛋氨酸硒和半胱氨酸硒等，其中酵母硒应用最广泛。饲料加硒是常用的补硒方式，但具有量的限制，添加量过高不但起不到补硒的作用，反而会引起动物中毒甚至死亡[5-6]。美国食品药物管理局规定，无论是无机硒还是酵母硒，在猪、牛、羊和鸡等动物的饲料允许补充量为0.3 mg/kg，而欧盟规定饲粮中硒的最大补充限量为0.5 mg/kg[46]。我国农业部2625号公告（2017）规定，亚硒酸钠和酵母硒在所有养殖动物的日粮添加量为0.1～0.3 mg/kg，最高限量为0.5 mg/kg。除此之外，对其他动物硒的供给量也有一定的要求（表2）。

表2 硒在不同动物中的推荐补充量

4 小结与展望

硒在动物中主要以硒蛋白的形式体现其作用，不仅参与维持机体的新陈代谢，而且影响动物的生殖功能。雄性动物生殖器官的发育依赖于硒，饮食中缺硒或硒过量都会影响睾丸组织的正常发育。在精子发生时，多种硒蛋白参与清除组织和细胞中的氧自由基，保护精（原）细胞免受伤害，从而降低精液中畸形甚至死亡精子数量，提高精液质量，保证动物的生殖性能。GPx4是维持精子正常成熟的关键，依赖于组织特异性表达，保护在成熟过程中免受过氧化物的损伤。缺硒或硒过量会引起精子发生障碍，造成精子质量下降，甚至导致雄性不育。因此，通过在饲料中加硒便成为维持雄性动物正常繁殖性能所需硒量的重要途径。然而，补硒通常是在一些土壤缺硒的地区，而土壤含硒丰富的地区可根据其含量减少或不添加。当前我国对硒的使用相对粗放，伴随功能农业概念的提出，关于硒蛋白的研究尚需深入，特别是硒蛋白在动物繁殖中的具体作用机制有待进一步探究。