GnRH 的生物学作用及其类似物在马属动物中的应用研究进展

李泽廷，苏少锋，赵俊利，孙培陪，白晋宇，吴海青

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.内蒙古草原御驴科技牧业有限公司，内蒙古 呼和浩特010020；3.内蒙古草原同源牧业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020）

促性腺激素释放激素（gonadotropin-releasing hormone，GnRH）是哺乳动物性成熟和生殖周期调控的关键因子［1］。GnRH 最初是从哺乳动物下丘脑中分离出来的十肽激素， 通过激活促性腺激素释放激素受体 （gonadotropin-releasing hormone receptor，GnRHR）与垂体细胞相互作用。GnRH 在马属动物的生殖调控中具有重要作用， 不仅可以诱导排卵，还可以治疗繁殖疾病。 目前，在马属动物繁殖研究的相关文献中， 不同GnRH 类似物对马属动物繁殖性能的影响不同。 笔者对GnRH 和GnRHR 的结构特点、生物学功能以及GnRH 类似物在马属动物繁殖方面的应用研究进展进行综述， 以期为探究GnRH 生物学作用的分子机制以及GnRH 类似物在马属动物繁殖调控中的科学应用提供参考。

1 GnRH 的来源与结构

GnRH 主要由下丘脑内侧视前区、 下丘脑前区、视交叉上核等神经核团分泌。在下丘脑的特殊神经元中，GnRH 前体多肽经酶处理加工后，通过轴突运输到正中隆起或一种被称为伸展细胞的特殊脑室细胞中［2-3］。 GnRH 主要在下丘脑弓状核细胞神经元中合成，之后分泌到垂体门脉循环中，作用于垂体前叶［4］。 GnRH 和GnRHR 结合从而启动下游信号刺激传导，诱发促性腺激素的产生，从而调节卵泡的生长发育［5］。 大多数动物的GnRH 结构是由10 个氨基酸构成的十肽， 结构为pGlu1-His2-Trp3-Ser4-Tyr5-Gly6-Leu7-Arg8-Pro9-Gly10NH2。 GnRH 肽链中第5、6 位，第6、7 位和第9、10 位之间的肽键极易水解，用D-氨基酸替换第6、10 位的氨基酸可以得到比天然GnRH 活性高数十倍的类似物，即GnRH 激动剂。用一个非天然D-氨基酸替换第4、6 位氨基酸会得到比天然GnRH 活性低的类似物，即GnRH 拮抗剂。 GnRH的激动剂和拮抗剂已经应用于马属动物繁殖领域。

2 GnRH 的基因结构

不同类型的GnRH， 其基因结构均包含3 个内含子、4 个外显子，由第2、3、4 外显子共同编码GnRH 前体的一部分， 该前体包括含21～23 个氨基酸的信号肽、含10 个氨基酸的GnRH、1 个断裂位点以及由40～50 个氨基酸组成的GnRH 连接肽。 研究表明，第1 外显子没有被翻译；第2 外显子编码信号肽、GnRH 十肽和前11 个GnRH 连接肽；第3 外显子编码32 个GnRH 连接肽；第4 外显子编码剩余的GnRH 连接肽， 包含翻译终止密码子以及整个3′UTR［6］。

GnRH 共有3 种类型， 分别是GnRH-Ⅰ、GnRH-Ⅱ和GnRH-Ⅲ。 3 种类型的GnRH 在脊椎动物神经组织中的分布和功能见表1［7］。GnRH-Ⅰ最初发现于非哺乳动物。 GnRH-Ⅱ最初是从鸡的下丘脑中分离得到。在鱼类和两栖类物种中，也存在第3 种形式的GnRH［8-9］，即GnRH-Ⅲ，最初在七鳃鳗中被发现。

表1 脊椎动物的GnRH 类型、分布及基本功能［7］

3 GnRHR 的结构

GnRHR 属于G 蛋白偶联受体家族成员，是一种糖蛋白，由325～328 个氨基酸组成，有7 个螺旋跨膜结构域和3 个糖基化位点， 在信号传导过程中起关键作用［10］。

4 GnRH 的生物学作用

GnRH 通过下丘脑-垂体-性腺轴在哺乳动物中发挥关键作用。 GnRH 主要以脉冲的方式进入下丘脑垂体的门脉系统， 门脉系统作用于垂体上动脉、初级门脉丛、运输含激素血液的门脉血管，将血液运输到垂体前叶细胞的次级门脉丛， 从而调控卵泡刺激素 （follicle-stimulating hormone，FSH）和黄体生成素（luteinizing hormone，LH）的合成与分泌。 GnRH 对FSH 和LH 的促进作用并不相同，GnRH 以较高频率的脉冲释放时，主要促进LH 的分泌；GnRH 以较低频率的脉冲释放时，主要促进FSH 的分泌。 GnRH 存在于胃、肠道、卵巢等器官中［11］，不同组织或器官中的GnRH 具有不同的生物学功能。 GnRH 可以调节促性腺激素的释放，也可抑制癌细胞的增殖［7］。

5 GnRH 类似物在马属动物中的应用

GnRH 类似物商品化药物有德舍瑞林（Deslorelin）、 布舍瑞林 （Buserelin）、 西曲瑞克（Cetrorelix）、安塔瑞克（Antarelix），这些药物主要用于提高动物繁殖能力［12-13］。 马属于季节性单胎动物，发情周期约为22 d，发情期约为6 d。 5—10月是马属动物的繁殖季节，在繁殖过程中，松果体分泌的褪黑激素起着重要作用。 秋季随着白昼时间缩短， 褪黑激素分泌增加，GnRH 和LH 分泌减少。 垂体前叶中FSH 的浓度不会随季节变化，但在冬季FSH 的循环水平会降低。 相反，在光照时间增加的春季，褪黑激素产生减少，GnRH 分泌增加。马的发情期不仅受日照时间长短的影响，同时也受年龄和泌乳情况的影响， 年龄较小的母马发情周期长，年龄较大的母马发情周期短；处于泌乳期的母马发情周期短。 GnRH 类似物作为生殖调控类药物已被泛应用于动物生产领域。 马属动物经GnRH 类似物处理后，可以促进卵泡成熟，诱导优势卵泡发育， 促进集中排卵。 研究表明，GnRH类似物可通过抑制雌激素受体二聚化来增强生殖系统对GnRH 的应答反应， 这有利于早期妊娠过程中胚体的存活［14］。 在母驴体内通过GnRH 类似物处理可以促进排卵［15］。

GnRH 是马属动物的生殖激素。 目前关于GnRH 类似物研发已超过2 000 种。 GnRH 类似物分为两类，即GnRH 激动剂和GnRH 拮抗剂。

5.1 GnRH 激动剂在马属动物中的应用

GnRH 激动剂与受体结合， 在超排卵周期中促进多卵泡的同步发育。 通过对GnRH 十肽分子结构进行修饰， 可以合成对垂体前叶促性腺细胞具有激动或拮抗作用的类似物。 GnRH 激动剂在最初刺激时会促进垂体释放大量的FSH 和LH，可短暂地提高激素水平；当持续给予刺激时，由于促性腺细胞的脱敏和数量的减少， 导致FSH 和LH 的分泌水平降低，雄激素和雌激素的产生受到抑制。 GnRH 激动剂可促进动物性成熟期提前，缩短母畜发情周期，提高受胎率和产仔率［16］，治疗卵巢疾病［17］。 在公畜繁殖方面，GnRH 激动剂可提高精液品质，治疗少精症和无精症。在种马体内注射GnRH 激动剂过度刺激时， 会抑制促性腺激素分泌、睾丸类固醇生成和精子产生［18］。在大多数早期研究中发现， 在相对长时间的GnRH 激动剂给药后不会产生性腺和垂体反应的下调效应［19］；在短暂刺激时可提高性腺激素的分泌、 性欲水平和精子质量［20］。

Deslorelin 是一种GnRH 激动剂，其效力相当于天然GnRH 的100 倍，在-20 ℃的溶液中可以保存20 年， 在25、40、50 ℃条件下可以保存5 年，只有轻微的降解［21］。Falomo 等［22］研究发现注射4.7 mg的Deslorelin，在给药后的7 d 内，种马血浆睾酮浓度急剧升高， 在接下来的42 d 逐渐下降， 证明Deslorelin 具有影响动物血浆睾酮的作用。 Gautier等［23］研究发现在种马体内注射Deslorelin 可调节GnRH 的释放，GnRH 激动剂治疗对GnRH 和睾酮释放的初始刺激作用时间可以持续约1 周， 长期使用Deslorelin 可降低种马血浆的睾酮浓度且降低精子质量。 将Deslorelin 注射于种马体内，会短暂刺激内分泌-垂体-性腺轴， 导致对GnRH 的垂体刺激反应的长期抑制。 Boakari 等［24］研究发现，在秋季乏情期使用Deslorelin 刺激母马卵泡，可诱导卵泡发育并促进排卵。 研究显示， 给母驴注射2.2 mg 的Deslorelin，48 h 内 排 卵 率 高 达90%［25］。在母马卵泡直径超过30 mm 时， 注射1.25 mg 的Deslorelin 有促进排卵的效果［26］。 在一项探究母马体内注射Deslorelin 效果的试验中，设置对照组和Deslorelin 组，在给药后第5～14 天，Deslorelin 组母马的FSH 浓度低于对照组， 而LH 的浓度两组之间没有显著差异， 表明注射Deslorelin 与FSH 浓度的变化有关， 低浓度的FSH 可导致母马卵泡发 育 延 迟 和 排 卵 间 隔 时 间 延 长［27］。 Johnson 等［28］研究发现母马体内注射Deslorelin 时，GnRH 激动剂诱导GnRH 短暂增加，FSH 和LH 分泌被短暂抑制，排卵间隔延长约4 d。 高剂量的Deslorelin 可将排卵间隔时间平均延长14 d［29］，与单次注射相比，排卵前多次注射，可缩短卵泡的发育时间。

Buserelin 是一种人工合成的GnRH 类似物，属于GnRH 激动剂， 作为一种新的激素类药品主要应用于马属动物同期发情处理。 Buserelin 作用于垂体， 调控机理与GnRH 相同。 其生物学活性强，半衰期比GnRH 长，是由D-色氨酸取代天然GnRH 结构中第6 位的甘氨酸得到， 可以使FSH和LH 分泌增加，长期使用会引起垂体机能下调，导致FSH 和LH 分泌减少。 关于Buserelin 的研究最初主要集中在病理学作用方面， 近年来被应用于马属动物的繁殖中。 Dordas-Perpinya 等［30］研究了注射不同剂量的Buserelin 对母马排卵的影响，发现高剂量的Buserelin 可以在24～48 h 内诱导母马排卵；Newcombe 等［31］研究发现， 低 剂量的Buserelin 可以诱导母马多次排卵。 这表明不同剂量的Buserelin 可以通过提高马属动物的排卵率而提升繁殖性能。

5.2 GnRH 拮抗剂在马属动物上的应用

近年来，GnRH 拮抗剂已经成为抑制GnRH激动剂的替代物，它的优点是起效更快［32］。 尽管GnRH 拮抗剂需要频繁给药， 但它的作用可以被更快地逆转和控制。 GnRH 拮抗剂与激动剂的作用机制完全不同。 经GnRH 拮抗剂处理后， 血清FSH 和LH 在1 h 内下降，这是由于GnRH 拮抗剂可竞争性阻断GnRHR， 使FSH 水平迅速下降，停止用药后垂体功能立即恢复正常，因此，GnRH 拮抗剂可减少体外受精的副作用以及降低并发症的发生率［33］。 GnRH 拮抗剂已逐渐成为首选的卵巢刺激药物。 GnRH 拮抗剂最早于20 世纪70 年代初合成［34］，GnRH 拮抗剂的研究晚于GnRH 激动剂的研究。 GnRH 拮抗剂能够抑制动物生殖激素的分泌，从而抑制生殖器官的发育。在促排卵试验中，GnRH 拮抗剂与对照组相比可以抑制内源性LH 峰［35］，采用GnRH 拮抗剂治疗可以增加卵细胞数量，提高妊娠率，缩短治疗时间［36-37］。

GnRH 拮抗剂是一类相对较新的药物， 最近十几年才开始有文献报道其在马繁殖方面的应用。Cetrorelix 是一种GnRH 拮抗剂，主要通过调节FSH 和LH 的分泌水平发挥生殖调控作用。Cetrorelix 的作用具有剂量依赖性， 一次性肌肉注射3 mg 的Cetrorelix 可维持4 d 的药效，第4 天时的垂体抑制作用约为初始药效的70%； 而每24 h注射1 次0.25 mg 的Cetrorelix 可以使垂体抑制时间延长。 动物及人体试验均表明， 停止注射Cetrorelix 后， 内源性的LH 及FSH 分泌可迅速恢复。Cetrorelix 不需要等待脑垂体的最初刺激阶段，直接、快速、高效地抑制垂体-性腺轴，临床上可以缩短用药时间。 由于使用剂量小、用药周期短、不良反应少， 相同条件下可以超过GnRH 激动剂的治疗效果， 是该拮抗剂药物的显著特性。 研究表明，在母马体内注射单剂量Cetrorelix（100 g/kg）能快速抑制FSH 和LH 的分泌［38-39］。 Evans 等［40］研究表明，Cetrorelix 在母马卵泡发育中发挥一定的作用。 在年轻种马体内，每天给予2 次Cetrorelix 且时间持续为35～38 d，可抑制睾酮分泌，减少精子产生量，使年轻种马的性欲明显下降［41］。

Antarelix 也是一种GnRH 拮抗剂。 种马经Antarelix 处理后，48 h 内GnRH、 睾酮和雌二醇的血浆浓度明显下降，其中，雌二醇分泌受到抑制的时间最长，且该药物对精子的活力、数量和形态没有显著影响［42］。 在哺乳动物试验中，一定剂量的GnRH 拮抗剂可降低动物排卵数，也可延迟排卵。在实际应用中，GnRH 拮抗剂的使用成本普遍较高，因此，除非价格大幅度下降，否则其应用仅限于快速短期抑制促性腺激素的释放， 比如抑制FSH 激增和延迟排卵或辅助超排卵。

6 小结与展望

GnRH 是哺乳动物生殖激素最主要的调控因子之一， 通过靶细胞上的GnRHR 发挥生物学作用。 针对GnRH 释放的信号传导机制及对免疫内分泌细胞的生理作用等问题进行深入研究， 有助于全面揭示GnRH 及其受体的生理功能。 GnRH类似物的结构和使用剂量不同， 但都可起到诱导排卵、促进排卵的效果。 近年来，GnRH 类似物已应用于马属动物的繁殖调控中，可促进发情、诱导排卵以及治疗内分泌紊乱等生殖疾病。 随着现代生物技术的快速发展和对GnRH 类似物研究的不断深入，GnRH 类似物在提高马属动物繁殖性能方面的应用将会日趋成熟。