光周期调控动物繁殖的信号通路研究进展

薛海龙，赵蒙，常彤，许保增

（中国农业科学院特产研究所吉林省特种经济动物分子生物学重点实验室，吉林 长春 130112）

春夏季节食物丰富、温度适宜，最适合分娩动物和初生动物的生存，是最佳的分娩季节。为了确保在春夏季节分娩，妊娠期较短的动物（貂、狐、貉等）通常会在春季发情配种；妊娠期较长的动物（鹿等）会在秋季发情配种。虽然发情配种时间不同，但二者的分娩时间都在春夏季节。这种不同季节的光照时间长度对动物繁殖状态的影响称为光周期对繁殖活动的调控。光周期是指每天（24 h）的白昼和黑夜的长度比，不同季节对应不同的光周期。光周期调控繁殖活动的过程中，光周期信号首先通过松果体转化为褪黑素信号。褪黑素信号通过受体与垂体结节结合，垂体结节在褪黑素的刺激下通过不同的信号物质连接不同的信号通路。一条通路作用于下丘脑，影响促性腺释放激素的分泌，通过下丘脑垂体性腺轴，调节雌性动物的卵巢活动，调节繁殖活动，这条通路由垂体结节指向下丘脑称为逆向调节通路；另一条通路作用于垂体远侧，影响催乳素的分泌，通过调节雌性动物的乳腺活动和乳汁分泌，影响繁殖活动，这条通路由垂体结节指向垂体远侧称为顺向调节通路。本文总结了近年光周期调控动物繁殖的信号通路研究进展，尝试梳理光周期调控动物繁殖活动的主线。

1 光周期调控繁殖活动的逆向调节通路

光周期调控繁殖活动的逆向调节通路始于松果体（pineal gland,PG），经过垂体结节（pars tuberalis,PT）、下丘脑中底部（mediobasal hypothalamus,MBH），通向正中隆起（median eminence,ME）。褪黑素（melatonin,MT）、促甲状腺素（thyroid-stimulating hormone,TSH）、甲状腺素（thyroid hormone,TH）、促性腺激素释放激素（gonadotropin-releasing hormone, GnRH）是连接这条信号通路的重要信使。具体调节过程如下：光周期信号调节 PG 中 MT 信号的分泌，MT 调节 PT 中 TSH 的分泌，TSH调节MBH中TH的分泌，TH调节ME中GnRH的分泌；GnRH 通过下丘脑垂体性腺轴作用于雌性动物的卵巢，调节卵巢的活动，进而影响繁殖活动。逆向通路的运输通过血管系统、细胞外间隙和伸长细胞的延伸来实现。目前的研究认为逆向通路在季节性繁殖的哺乳动物中是保守的，如绵羊和仓鼠等。

1.1 光周期信号调节PG中MT的分泌

光周期信号调节PG 中MT 的分泌过程如下：光照信号通过视网膜转化为神经冲动，神经冲动通过PG转化为MT。MT 是反映光周期的信号物质。MT 的分泌量与黑夜长度成正比[1]。这一过程是PG完成的，PG因形似松果而得名，位于下丘脑下方。低等脊椎动物的PG 能感受光刺激；哺乳动物的PG 已经进化为腺体组织，是一个神经内分泌换能器。

1.2 MT调节PT中TSH的分泌

光周期信号转化为MT 后，MT 通过受体与PT 结合，PT 在MT 作用下产生TSH。这一过程是通过PT完成的。PT 是脑内重要的内分泌中枢，位于腺垂体的喙（状）部分，紧邻下丘脑正中隆起、门脉和垂体远侧，通过漏斗隐窝和正中隆起的室管膜细胞延伸与第三脑室部分相连[2-3]。PT 高度表达 MT 受体，而 MT 通过这些受体与其结合，调节其功能活性[4-5]。

1.3 TSH调节MBH中TH的分泌

TSH 能够介导漏斗隐窝室管膜细胞层甲状腺激素的合成。PT产生的TSH通过受体与MBH结合调节MBH 中TH 的浓度[6]。调节过程涉及MBH 表达中2种重要的酶：2 型甲状腺素脱碘酶（Type 2 thyroid hormone deiodinase, Dio2）、3 型甲状腺素脱碘酶（Type 3 thyroid hormone deiodinase,Dio3）。Dio2 催化无活性的四碘甲状腺原氨酸（thyroxine ,T4）转化为有活性的三碘甲状腺原氨酸（triiodothyronine，T3）；Dio3 催化 T4转化为无活性的反T3。Dio2 和Dio3 共同调节T3、T4的比例。

1.4 TH调节ME中GnRH的释放

TH是调节季节性繁殖的一种重要激素。切除甲状腺后，八哥（鸟）即进入持续性繁殖状态，绵羊繁殖季节向乏情季节过渡消失。T4 替代能反转这种效果，但不能阻止乏情季节向繁殖季节的转换。T3 能阻断短日照诱导的西伯利亚仓鼠（长日照繁殖动物）的性腺萎缩[7-10]。

TH 对调节季节性繁殖的影响是通过调节ME 中GnRH的释放来实现的。长日照会加速T3的积累，MBH T3 通过受体与ME 结合，影响GnRH 神经末梢与ME的伸长细胞（tanycytes）间的神经胶质互作[11-12]，进而影响延伸到下丘脑正中隆起的 GnRH 神经纤维末梢GnRH 的释放[13]，通过下丘脑-垂体-性腺轴调节动物的繁殖活动。这种调节作用可能与TH 对中枢神经系统可塑性的调节作用有关[14]。

2 光周期调控繁殖活动的顺向通路

光周期信号经PG转化为光周期信号、经过PG转化为MT 信号后，MT 信号转递到PT，PT 通过中间信使分子来调节垂体远侧（pars distalis,PD）催乳激素（prolactin,PL）的分泌和门脉血管的发生，通过调节雌性动物的乳腺活动和乳汁的分泌，从而影响繁殖活动。这条通路由垂体结节（PT）指向垂体远侧（PD），被称为顺向调节通路。

PD是顺向通路中的重要调节位点，主要通过分泌催乳激素（PL）来调节雌性动物的乳腺活动和乳汁的分泌，从而影响繁殖活动。PT 调节PD 活动的信使分子可能包括速激肽（tachykinins）[15]、分泌蛋白TAFA、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）[16]、内源性大麻素（endogenous cannabinoid，EC）[17]。垂体结节 PT 与 EC 共同构成 PT-EC 系统，这一系统首先发现于叙利亚仓鼠，受光周期的调控，随后在人和大鼠上得到了证实。目前，2-花生基甘油（2-arachidonoylglycerol，2-AG）可能是 PT 最重要的 EC。EC 通过CB1 受体作用于PD 的星形滤泡细胞（folliculo-stellate，FS）。促皮质激素细胞上也发现有CB1 受体，可能也是EC 的作用目标[6]。

3 结语

光周期调控繁殖活动是为了调整动物的分娩时间，使其在最佳的季节分娩。目前的研究结果表明，这一过程涉及多个调控位点和多种信使。调控位点包括PG、PT、MBH、ME、PD；相关信使包括MT、TSH、TH、GnRH、PL。不同的调控位点通过不同的信使和相关受体相互连接、相互作用，构成不同的信号通路。PG、PT、MBH、ME 构成逆向调节通路，通过调节GnRH 的释放来调节性腺的活动来调节繁殖状态；PG、PT、PD 构成顺向调节通路，通过调节PL 的释放来调节繁殖活动。目前光周期调控繁殖活动机理的研究对象主要集中于大鼠、小鼠、仓鼠、绵羊等动物，而对貂、狐、貉、鹿等特种动物极少涉及，这可能与特种动物数量稀少不易获得有关。实际上，特种动物是典型的季节性繁殖动物，繁殖状态受不同季节的光周期调控，是研究光周期调控繁殖活动机理的理想对象。研究光周期调控特种动物繁殖状态的信号通路具有理论和现实双重意义：理论上，可以进一步揭示光周期调控动物繁殖状态的分子本质；实践上，有助于打破特种动物繁殖的季节性限制，缩短特种动物的繁殖周期，提高特种动物的繁殖效率，推动特产行业的进一步发展。这样做的目的是为了确保动物在最佳的季节分娩。近年来，围绕光周期调控季节性繁殖的信号通路，国内外开展了大量的研究工作。本文总结了近年光周期调控动物繁殖的信号通路研究进展，尝试梳理光周期调控动物繁殖活动的主线。一方面，这有利于揭示光周期调控繁殖活动的本质；另一方面，也有助于打破动物繁殖的季节性限制，进一步提高动物的繁殖效率。