硒及硒蛋白调节公畜繁殖性能的机理研究进展

龚番文，张海波，幸清凤，关玮琨，黎力之*，郭冬生*，赖 涛

（1.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西省高等学校硒农业工程技术研究中心，宜春市功能农业与生态环境重点实验室，江西宜春 336000；2.宜春学院计划财务处，江西宜春 336000；3.宜春学院医学院，江西宜春 336000）

1973 年，Rotruck 等[1]首次报道硒蛋白—谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GPx），提出硒和硒蛋白具有重要生理功能。Moreno 等提出机体硒循环中硒蛋白占90%以上，硒代谢产物约5%，认为硒的生理作用是硒蛋白及硒代谢产物的共同作用来实现的[2]。氧化应激是造成动物繁殖机能障碍的因素之一，畜禽精液中不饱和脂肪酸含量高，有利于维持精子活力，但易产生过氧化反应，影响精子生物膜完整性和睾丸组织发育。雄性哺乳动物生殖器官有聚硒能力，且精清中硒含量与饲粮中硒水平呈正相关，硒通过组成GPx 参与抗氧化，可保护生物膜免受氧化损伤并维持精子正常形态结构[3]。动物长期采食低硒日粮会导致曲精细管和生精细胞发育不良，精液品质下降，降低繁殖性能[4]。硒可影响精子细胞转录因子的激活蛋白1（Activator Protein-1，AP1）和核因子-кB（Nuclear Factor-kappa B，NF-кB）与DNA结合的活性，调控其亚基的基因表达，参与细胞增殖分化、凋亡等过程[5]。硒还可调控精子的细胞周期及凋亡基因的表达进而影响细胞增殖及细胞周期进程[6-7]。近年来，硒应用于动物营养及繁殖性能方面的研究推动了畜牧业经济的发展。本文就硒蛋白在动物体内生物学功能及通过抗氧化维持精子正常形态、提升精液品质等作用进行综述，为硒及硒蛋白在动物生产中的进一步应用研究提供理论参考。

1 硒蛋白

1.1 硒蛋白概述 硒蛋白是硒代半胱氨酸（Selenocysteine，Sec）掺入肽链形成的蛋白质，并作为体内硒主要存在形式和发挥生物学效应的载体。硒代半胱氨酸存在于所有硒蛋白中，并作为其活性中心直接参与催化反应。缺硒易造成硒蛋白含量和活性降低，细胞正常生理功能受阻；摄入硒可有效提高机体超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、GPx 等抗氧化酶数量并增强机体抗氧化水平[8]。目前，发现哺乳动物体内存在25 种硒蛋白，如GPx、硒蛋白P、硒蛋白K、硫氧还原蛋白还原酶（Thioxoreductase reductase，TrxR）和脱碘酶等，参与机体多项生理活动[9-12]。GPx 家族在哺乳动物中有8 个成员，绝大多数为含硒蛋白，广泛分布于胃肠道、肝肾等组织中，在抗氧化、保护细胞膜正常结构和功能中起重要作用[13]。硒蛋白P 是血浆硒的主要存在形式，兼有抗氧化、硒转运功能[14]。硒蛋白K 在心肌细胞中起抗氧化作用，在免疫细胞活化中调节Ca2+流量并参与内质网相关蛋白的降解[15]。TrxR 与硫氧还蛋白（Thioredoxin，Trx）通过组成Trx 系统调节机体氧化还原平衡并参与胞内多种信号通路的激活，调控细胞生长、增殖及凋亡[16]。

1.2 硒蛋白生物学功能 硒蛋白主要依赖其自身的氧化还原特性而发挥生物学作用。在抗氧化方面，公畜精液内GPx 主要存在于精细胞线粒体膜上，通过抗氧化作用可有效阻碍膜磷脂的自主氧化，维持精子细胞膜还原态[17]。研究表明，睾丸中硒浓度、GPx 活性及GPx mRNA 水平与饲粮中硒添加量呈正相关，但硒过量会加重机体氧化应激，破坏精子细胞膜，增加畸形率[18]。研究发现，饲粮中加入亚硒酸钠和维生素E 可使精细胞内线粒体排列完整，质膜紧贴尾中部并结合紧密，降低精浆中天冬氨酸转氨酶含量，维持精细胞膜完整性，提升公猪精液品质[19-20]。GPx4 在精细胞发育早期具有抗氧化的硒酶活性，而在精子成熟期以非活性的形式掺入精子尾部中段，形成包装三磷酸腺苷的特有结构微囊，该结构对维持精子正常形态和运动发挥重要作用[21]。在抗炎症方面，硒既可促进巨噬细胞中白介素-10（IL-10）、IL-1ra 等抗炎细胞因子的分泌，又能抑制IL-1α、IL-6等促炎细胞因子的基因表达，从而起到抗炎症的作用[22-23]。在日粮中添加硒代蛋氨酸可提高机体免疫应答能力，减轻由脂多糖诱导的鸡气管炎症状[24]。此外，硒蛋白还具有调节内分泌激素代谢、延缓衰老及预防癌症等生物学作用[25]。

2 硒及硒蛋白对公畜繁殖性能的影响机理

2.1 硒对畜禽雄性激素及生精组织的影响机理 研究显示，补硒可提高公猪生精组织中GPxmRNA 的基因表达和GPx 活性[26]。Shi 等[27]在妊娠期和哺乳期的基础日粮中添加0、0.5、2.0 mg/kg 的富硒酵母，发现添加硒可提高后代山羊睾丸重量、体积。母代饲粮添加0.5 mg/kg的硒可提高公羊羔生精细胞、间质细胞密度以及睾酮（Testosterone，T）水平，但高剂量硒反而会损害公羊羔生精组织结构[28]。张建新等[29]研究发现，添加1 mg/kg硒（亚硒酸钠）组海兰褐公雏鸡的睾精细管发育最好，有明显的管腔，管壁完整，生精细胞形成良好，但添加5、10、15、20 mg/kg 硒（亚硒酸钠）组显示曲精细管发育差、细管破裂及无精子等现象，生精组织受损程度随硒浓度的提高而明显增加。曲精细管和间质细胞分泌的T 是一种类固醇激素，可促进睾丸发育及精子成熟、刺激精原细胞增殖和维持第二性征，且受促卵泡素（Follicle-Stimulating Hormone，FSH）和促黄体素（Luteinizing Hormone，LH）的调控[30]。机体约95%的T 是由间质细胞合成分泌，因此间质细胞活度直接影响精子能否顺利产生[31-32]。镉（Cadmium，Cd）是一种易于在机体蓄积，诱导生殖细胞氧化应激并凋亡的元素。研究发现，对小鼠间质细胞用20 μmol/L Cd 和不同浓度的纳米硒处理，细胞经Cd 处理24 h 后，促凋亡蛋白Bax表达显著提高，抗凋亡蛋白Bcl-2表达减少，Bax/Bcl-2 比值上升，细胞逐渐皱缩并发生染色质凝聚和核固缩等典型的细胞凋亡特征；纳米硒和Cd 共处理组的细胞Bax/Bcl-2 比值下降，细胞活度提高，抑制因氧化应激而造成的细胞凋亡，提示硒通过Bax/Bcl-2 途径调节睾丸间质增殖和凋亡[33]。对蛋用种鸡饲喂添加酵母硒的日粮可提高公鸡总抗氧化能力和过氧化氢酶活性，降低血浆丙二醛含量、FSH、LH 和T 的水平，且精子活力也随日粮硒浓度增加而升高[34]。Marin 等[35]研究发现，饲粮中加入硒和维生素E 可稳定公猪副性腺中前列腺素的分泌并促进T的分泌。综上所述，硒对公畜生精组织的影响可能通过影响性激素的分泌和机体抗氧化作用从而促进睾丸等生殖器官发育，维持曲精细管正常组织结构和精液品质。因此，动物饲粮中添加一定浓度的硒对雄性动物生殖器官发育和精子品质有积极影响，但添加高剂量硒会损害生精组织结构，造成机体硒中毒。

2.2 硒及硒蛋白对精子细胞转录因子和周期调节因子的影响机理 精子的发生是一个高度有序的周期性过程，涉及生殖细胞增殖、分化及凋亡等活动。硒通过影响雄性生殖细胞内转录因子AP1、NF-κB和细胞周期调节因子的基因表达调控精子的发生和细胞周期进程。AP1被誉为细胞内信号转导的第三信使，是一种由Jun、Fos、ATF 和MAF 蛋白亚家族成员组成的同源或异源二聚体，其中最典型的是由c-Jun 和c-Fos 组成的异源二聚体AP1，通过碱性亮氨酸拉链而结合DNA 靶序列并调节靶基因转录，从而影响细胞增殖分化及凋亡等活动。活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）、细胞因子和磷酸化的丝裂原活化蛋白激酶家族成员均可活化AP1，被磷酸化的AP1 随即进入细胞核，调控基因表达[36]。AP1 结合在γ-谷胱甘肽合成酶、TrxR1、SOD等抗氧化酶基因的启动子区域，因此其活性可影响酶的合成和细胞抗氧化能力。AP1 活性主要受Jun 和Fos 蛋白磷酸化的影响[37]。Shalini 等[37]研究发现，相较于适宜硒组，缺硒组小鼠体内硒含量和GPx 活性显著降低，脂质过氧化反应的产物显著增加；硒适宜组小鼠精原细胞和精母细胞的c-Jun和c-FosmRNA 表达水平在有丝分裂时期较高，减数分裂时期下降，精细胞成熟时达到峰值；而缺硒小鼠的c-Jun和c-FosmRNA 表达水平以及c-Jun磷酸化程度很低，幼精细胞和成熟精子细胞数量明显减少，精子活力减弱。对体外培养的小鼠睾丸细胞单独加入0.5、1.5 μmol/L 的亚硒酸钠，或同丁硫氨酸亚砜亚胺（BSO，谷胱甘肽耗竭剂）发现，添加0.5 μmol/L硒组的细胞内c-Jun和c-Fos基因表达增强，而添加1.5 μmol/L 硒或使用BSO 会耗竭谷胱甘肽，使细胞产生过量的ROS，诱导P65（NF-κB 的亚基）基因的表达[38]。AP1 的表达通常涉及细胞的增殖及分化，且有利于精子的生成，而NF-κB基因的激活会诱导细胞凋亡[5]。另有研究提出，参与细胞信号转导的蛋白激酶以及转录因子AP1 和NF-κB 的蛋白分子半胱氨酸侧链上都含有CH2-SH，是细胞用以感受氧化还原状态的特殊结构[39]。当半胱氨酸的巯基被巯基氧化剂或烷化剂氧化为二硫键时，AP1 与DNA 结合活性明显下降，胞内信号转导及基因转录等过程也受到抑制。而细胞通过TrxR 的氧化还原作用使AP1 半胱氨酸残基处于还原状态，从而维持AP1 和DNA 的结合活性和转录活性[40]。说明硒蛋白的抗氧化作用可调节转录因子的活性从而影响精子细胞的增殖及凋亡。精子细胞的增殖还受到细胞周期进程的影响。细胞周期能否顺利完成依赖于细胞周期蛋白（Cyclins）、细胞周期依赖性激酶（Cyclindependent kinase，CDKs）及细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂（Cyclin-Kinase Inhibitors，CKI 如P21、P27）等周期调节因子的共同调节作用[41]。细胞周期调控因子基因的异常表达或周期蛋白的活性受到抑制通常伴随着细胞周期阻滞，进而造成细胞凋亡[42]。硒缺乏或过量都会增强绵羊精原干细胞中脂质过氧化反应，造成的氧化应激引起精子质膜不完整，染色质凝聚程度低，线粒体结构异常，精子增殖受到抑制且凋亡程度高；而添加2 μmol/L 的硒可显著提高精子顶体完整率，降低精子畸形率，增强细胞周期调节蛋白CyclinB1、CDK1 以及抗凋亡蛋白Bcl-2 的分泌，降低激酶抑制剂P21、P27以及促凋亡蛋白Bax、Caspase的基因表达，从而促进细胞的增殖[6]。研究表明，高硒或缺硒均会下调小鼠和山羊精子细胞中CyclinB1、CDK1的基因表达，上调P21的基因表达，最终造成细胞周期阻滞[7,43]。综上所述，硒及硒蛋白在精子的发生和机体抗氧化中起至关重要的作用。硒蛋白通过影响雄性生殖细胞内转录因子AP1、NF-κB 的转录活性以及细胞周期调节因子CyclinB1、CDK1、P21和凋亡相关基因Bax、Bcl-2的表达，进而调控精子增殖分化、凋亡和细胞周期进程。但要完全阐明硒蛋白对转录因子的调控和在相关信号通路中的作用以及参与精子细胞周期调控的分子机制仍需要更深入的探究。

3 小结与展望

硒和硒蛋白具有提高动物机体抗氧化能力，维持精子细胞正常形态结构和增殖分化，在公畜雄激素的分泌、生精组织的正常形态结构以及精子的发生中具有重要作用。在精子细胞的生成过程中，硒蛋白参与胞内转录因子AP1、NF-κB 的调控：①TrxR 维持AP1 半胱氨酸残基的还原状态，增强AP1 与DNA 结合的活性，提高c-Jun和c-Fos基因表达，促进细胞增殖；②发挥抗氧化作用清除胞内过多的ROS，抑制NF-κB 的亚基P63基因表达，调控细胞进程。然而，硒缺乏或过量都会造成CDKs/Cyclins 复合物下调，增强激酶抑制剂的表达，使细胞周期停滞在G2/M 期。因此，硒和硒蛋白与精子的发生及细胞进程密切相关。近年来，分子生物学技术应用与发展为硒对细胞调控机制的研究提供了新的技术手段。然而，硒蛋白对精细胞转录因子及细胞周期调节蛋白的作用机制研究尚浅，对于硒具体通过哪些硒蛋白在睾丸内维持精细胞氧化还原平衡以及硒蛋白是否参与调节其他有关精细胞增殖的信号通路等问题仍未明确，需要更进一步研究。