瘦素在动物初情期启动过程中的调节作用

肖 勇 范志勇 李玉莲 陈永辉 倪世宏 张胜利

湖南农业大学饲料安全与高效利用教育部工程研究中心；湖南农业大学动物营养研究所，长沙 410128

初情期是动物从出生开始发育到获得繁殖能力的标志。雌性动物丘脑下部，垂体及卵巢分泌的激素在功能和调节上相互作用构成的完整生殖内分泌体系(下丘脑—垂体—卵巢轴)在生殖调节活动中起着核心作用。进一步的研究发现，哺乳动物的营养状况与其生殖机能存在密切联系，直接影响到初情期的启动，其中体重似乎比年龄的的影响更大。对于现代后备母猪而言，体脂含量和能量代谢信号是启动动物初情期和维持生殖机能的重要因子，一个最低的体脂含量是母猪进入初情期的必备条件。因此，寻找联系机体能量代谢与神经内分泌系统之间的信号因子，揭示其作用机理己成为当今生殖生物学与动物营养学领域的重要课题。Leptin(瘦素)的发现为人们充分认识和理解其在机体营养状态和生殖机能之间联系纽带的重要性提供了分子基础。本文主要就目前生物活性物质在动物初情期启动调控作用的研究中，有关Leptin对下丘脑－垂体－性腺轴（卵巢）的调控效果及其机理进行综述，以期为今后有关后备母猪初情期启动（性成熟）及经产母猪产后发情过程中Leptin的作用机制、途径及其与机体营养状况、内分泌代谢之间的联系方面的研究提供参考。

1 Leptin的生物学特性

Leptin由167个氨基酸残基组成，是肥胖基因的表达产物，分子量约16KD。各种哺乳动物的Leptin有高度保守性，其中人和猪的Leptin氨基酸残基同源性达84%，牛和猪高达93%，猪和小鼠也有87%。据研究，Leptin主要由脂肪组织分泌，但包括胎盘、大鼠的骨骼肌、大鼠的胃、人的乳腺上皮细胞、人和鼠的腺垂体在内的其它组织也能生成。目前 ，应 用 RT-PCR、Northern-B1otting、Southern-B1otting等方法已克隆出了人、鼠和猪的Leptin蛋白基因。Zhang等从大鼠脂肪组织中克隆了瘦蛋白基因并进行了序列分析，鼠Leptin蛋白基因DNA全长219kb，5’端有114bp的引导序列，其后为501bp的开放阅读框，3’端为2237bp的非编码序列，5’和3’端的非编码序列有50bp的重复。戴茹娟等（2000）报道了猪Leptin蛋白基因全长序列为3277bp。

在瘦肉率性状上有显著差异的不同品种猪的Leptin蛋白基因的序列大小不同，瘦肉型猪的Leptin蛋白基因为412kb，脂肪猪的Leptin蛋白基因为313 kb。戴汉川等（2006）不仅对草鱼1eptin基因进行了分离鉴定，而且还使其在巴斯德毕酵母中得以表达。

2 Leptin与动物初情期启动

2.1 Leptin和动物初情期的相关性

研究发现，初情期的启动与下丘脑和性腺类固醇激素之间的反馈有关，是由于动物生长发育到一定阶段，其下丘脑对性腺类固醇激素的负反馈敏感性降低，使GnRH分泌增加，同时垂体对GnRH的敏感性及性腺对GnRH的敏感性增加，从而启动初情期，在雌性动物表现为LH水平升高，雌激素和孕酮水平上升。很早科学家们就注意到动物的营养状况与初情期启动有关，在初情期启动的地位上体重或者说体组成（体脂）似乎比年龄的作用更大，当动物长期处于营养不良或过度消瘦缺乏体脂的情况下，短寿命的动物将会终生都不出现初潮，而长寿命动物的初情期也会推迟直到有充足的能量被利用的时候出现。由于以往缺乏有力的分子证据来解释上述现象，所以人们对于营养或能量储备与初情期启动之间的关系一直不清楚，直到Leptin的发现才奠定了脂肪和生殖之间联系的分子基础。这一发现既与已发现的Leptin担负着把身体外周能量贮存和身体营养状态的信息传递给中枢神经系统，调节神经内分泌活动的作用吻合，同时也正好印证了传统初情期启动的假说。

Leptin对初情期启动具有重要的作用。据研究，Leptin能促进哺乳动物初情期的启动和下丘脑一垂体－性腺轴的成熟，特别是对初情期前动物GnRH分泌的刺激，可能是其影响初情发生的重要途径。初情期前注射Leptin的正常大鼠的初情期比未注射组提前了3天，而ob基因缺陷的大鼠由于不能分泌Leptin而显得过度的肥胖和不育，不过如果补充注射Leptin也能恢复它的生育能力。给正常雌性小鼠注射重组人Leptin，发现Leptin处理组比对照组提前获得繁殖力Leptin处理的小鼠的生殖道的成熟比对照组早，性腺和生殖器官的重量明显的重于对照组。Quinton等在研究Leptin和初情期启动的调节时发现，Leptin对初情期的调控与Leptin和其可溶性受体的结合性有关。随着年龄的增加，Leptin的粘性活性 (Leptin Binding Activity,LBA)不断变化，出生时较低，初情期以前逐渐上升，初情期以后则逐渐下降到成年水平，这有利于长形受体为Leptin传递生物信号到神经中枢激活繁殖轴，这和其它哺乳动物初情期启动时Leptin的水平变化相吻合。

2.2 Leptin对下丘脑－垂体－性腺轴的调控

Leptin作为一种中枢神经调节激素，其受体广泛分布在下丘脑中。在下丘脑，Leptin的受体主要存在与 ARC、 室旁核 （Paraventricu1ar Nuc1eus，PVN）和下丘脑的底部，定位在神经肽Y CNeuropeptide Y, NPY)和阿 片肽 C （opioid peptides)神经元上。Lebretho等通过对15日龄初情期前的雄性大鼠下丘脑后交叉的细胞进行离体实验时发现，Leptin能有效通过刺激古柯碱苯丙胺调节转导物(Cocaine and Amphetam ine-Regu1ated Transcript,CART)(一种新的厌食肽)来促进GnRH的释放。进一步的研究证实，下丘脑ARC内的NPY也是Leptin作用的靶目标，后者能抑制GnRH和雄性大鼠的LH分泌，而且存在NPY的剂量相关性。在研究Leptin在垂体中的功能时发现，Leptin受体大量存在于垂体促性腺细胞和促生长细胞内，69%的促生长细胞的神经末梢上和90%的促性腺细胞的神经突起上呈阳性反应；而且，大部分垂体前叶细胞中不仅含有Leptin受体，而且还表达Leptin本身，这表明Leptin是通过自分泌和旁分泌的方式来调控垂体的功能进而影响FSH和LH的分泌。

Leptin对性腺的调控主要通过垂体－性腺轴或直接作用于性腺轴两条途径。研究表明，注射Leptin能明显降低大鼠的排卵率。离体条件下，大鼠卵巢同时灌注Leptin和LH与单独使用LH相比，使用Leptin的排卵率显著低于单独使用LH，这说明在抑制排卵方面是Leptin直接作用于卵巢。但有研究发现，Leptin能够明显地促进排卵前卵母细胞的减数分裂数，促进卵母细胞成熟。究其原因可能在于Leptin能抑制细胞内的IGF-I的促进物，削弱了IGF-I的生物学作用 （IGF-I是LH和FSH刺激卵泡发育的一种介导物质），最终影响了LH和FSH对卵泡发育影响，但不影响雌激素和孕酮的分泌。这也部分解释了Leptin能抑制排卵和正常基因型中过度的肥胖也会损伤生殖系统的原因。体外培养条件下，研究发现1eptin能有效抑制FSH和地塞米松共同对类固醉激素合成的促进作用，抑制孕烯醇酮(pregneno1one)、孕酮(pregesterones)和20-α 羟 基-4 孕 烯-3孕 酮 （20α－hydroxy-4-pregnen-3-one)的合成，这种抑制部分地减少了肾上腺铁氧还原蛋白 (adrenodoxin，P450细胞色素细胞色素系统酶之一)的合成。Leptin这种导致鞘膜细胞中糖皮质激素受体的转录活性降低进而减少生殖类固醇激素生成的作用，一定程度上也说明它是调节体内类固醇激素平衡的重要因素之一。用免疫组化的方法来检测不同时期的小鼠睾丸中的ob-R的表达情况，发现随着日龄的增长，ob-R的表达发生变化，5日龄的小鼠主要在A型精原细胞中表达，在20～30日龄主要在精母细胞中表达，而到了成年以后主要在精细管上皮周期的IX期和X期精母细胞中表达。这说明，Leptin的分泌具有性别差异，是受到性腺、X、Y染色体以及体脂等多种因素的影响，呈现出雌雄两种不同的水平差异性。

2.3 Leptin对生殖激素分泌的调控

下丘脑ME含有分泌GnRH的神经末梢，而ME缺乏血脑屏障，这就为 Leptin不经过转运机制而直接作用于GnRH神经元提供了解剖基础。Lebretho通过对15日龄初情期前的雄性大鼠下丘脑后交叉细胞进行离体试验时发现，Leptin能够有效刺激GnRH的释放，但值得注意的是低浓度Leptin(10-12－10-10 mo1/L)使培养的正中隆起(ME)-ARC组织分泌GnRH增加，而高浓度Leptin(10-6 mo1/L)则使GnRH分泌减少，提示可能存在负反馈机制。免疫组化分析也证实，大鼠ARC等部位可表达Ob-R mRNA及其蛋白质。不过原位杂交显示，雄猴大脑的脉络丛、纹状体及下丘脑等部位有Ob-R mRNA分布，但以ARC及VMN等部位为最高，但在GnRH神经元上并未发现Ob-RmRNA表达，故推测Leptin影响GnRH分泌过程并非Leptin的直接作用所致。Magni等用RT-PCR法，从GT1-7细胞(一种可以分泌GnRH的无限细胞系)中检出了Ob-R的mRNA，证实这些细胞可以表达Ob-R蛋白质，而且将Leptin加入该细胞培养液，尽管GnRH释放增加，但GnRH的基因表达却无变化。这说明，Leptin可能与GnRH神经元上的Ob-R结合而直接刺激GnRH的分泌。

Suter研究发现，Leptin能从促使雌性猕猴初情期前的GnRH的分泌逐渐过度到初情期启动时GnRH分泌的状态，同时促进了FSH和LH的分泌。研究证实，FSH和Leptin存在明显的正相关，Leptin的急性变化能显著地影响LH的分泌脉冲，把Leptin的抗血清注射到大鼠的心室会引起LH分泌的减少，Leptin处理的动物血浆中LH和FSH水平比一般处理的要高一些，这一点在其它动物、如小鼠、大鼠等)也得出相似的研究结果。对儿童的研究证实，在初情期出现之前，Leptin有一个明显的上升过程，这个时期的Leptin水平比基础水平高一倍，然后LH会随之出现上升。这种时间上的先后关系也说明了Leptin与初情期启动的密切关系。

Leptin对动物体内性腺激素的分泌也具有重要的影响，是维持正常的性腺激素水平的重要因素。体外培养试验发现，Leptin直接作用于卵巢时并不影响促卵泡素（FSH）和LH分别对E2和孕酮的刺激，但是抑制了胰岛素样生长因子一I（Insu1in-1ike Grow rthFactor-I,IGF-I)诱导E2分泌的作用。研究表明，Leptin能够通过抑制FSH和转化生长因子－β（TGF－β）共同诱导芳香化酶细胞色素P450 (Aromatase cytochrome P450)活性和mRNA的表达来减少E2的产生，但是不影响FSH单独刺激的E2水平。上述结果提示，Leptin可能直接作用于垂体前叶的LH细胞和FSH细胞调节激素释放，同时垂体前叶细胞内Leptin的分泌和功能可能受自分泌与旁分泌机制的调节，这有待进一步研究证实。

Leptin对卵巢和睾丸性类固醇激素的分泌也具有影响。研究表明，Leptin对卵巢激素的分泌有抑制作用，有生育力妇女的颗粒细胞与Leptin(10－100ng/m1)一起培养，显著抑制FSH和IGF-1诱导的雌激素合成。这说明，肥胖妇女血中高水平的Leptin可能干扰优势卵泡雌激素的合成，使得雌激素水平不足以激发LH释放，而导致不排卵[28]。有关Leptin对睾丸激素分泌影响的报道不多，有限的研究认为，Leptin不影响人绒毛膜促性腺激素(hCG)诱导的青春期前辜丸组织分泌翠酮，但抑制基础的或hCG诱导的成年鼠翠丸组织释放翠酮，说明Leptin对翠酮的调节与性成熟状态有关，还有细胞因子参与。这说明，Leptin对生殖器官作用的机制比较复杂，可能存在着多种激素组成的调控网络，其机制还有待进一步探讨。

3 结语

综上所述，尽管还存在争议，但有关Leptin是促进性成熟的重要因素，在动物初情期的启动上发挥着重要作用，这一点已达成共识。今后相当长一段时间内，在以下几方面就Leptin生物学作用开展研究是必要的：⑴对于Leptin循环水平的动态变化与初情期的启动和生殖机能的维持之间的联系，以及是否存在启动初情期的Leptin临界水平尚未清楚；⑵GnRH神经元上是否存在Leptin受体尚未得到证实；⑶Leptin对下丘脑－垂体－性腺轴（卵巢）的调控机理尚未弄清，对垂体促黄体生成素(LH)和生长激素(GH)分泌的作用途径还不明确，有待进深入探讨。这些问题的解决有助于探明Leptin调控动物初情期以及繁殖轴的分于机理，揭示营养与生殖之间的内在联系，可为研究动物整个生殖活动的调节机理提供新思路，并将动物生殖内分泌学的研究引入更新领域，为发展动物繁殖营养学奠定理论基础。同时也可为在生产中应用Leptin调控动物的生殖活动提供理论依据，特别是在家畜上开展Leptin研究，填补薄弱环节，建立提高家畜繁殖效率的新方法，促进畜牧业发展方面都具有重要的应用价值。

（略）