褪黑激素的作用机制及生理功能

■杨永杰 杨 琳 朱勇文 王文策

(华南农业大学动物科学学院广东省动物营养调控重点实验室，广东广州510642)

褪黑激素（N-乙酰-5 甲氧基色胺），是一种吲哚胺类生物活性物质，在哺乳动物和鸟类的松果体和视网膜中通过黑暗信号来调节合成，分子式C13N2H16O2，相对分子质量为232.27，被认为是地球上最古老的信号分子之一。从单细胞生物、细菌到植物和动物体内都含有褪黑激素。1958 年，Lerner[1]首次从牛松果体中提取出一种能使两栖类皮肤黑色素(melanin)褪黑变白的化合物，因而取名为褪黑激素(Melatonin，MT)。随后的研究发现，除松果体外，在动物视网膜、禽类的哈氏腺、胃肠道和淋巴等外周组织中也可以合成褪黑激素。褪黑激素具有众多的生物学功能，如调节生物节律、促进睡眠、提高免疫、影响生殖生理、调节能量代谢、抗氧化和抗肿瘤等。本文综述了褪黑激素在动物机体的合成、分泌以及部分生物学功能。

1 褪黑激素的合成与分泌

褪黑激素主要由松果体合成，其他可合成的部位还有视网膜、晶状体、眼眶腔的副泪腺、唾液腺、血小板、肠道嗜铬细胞及红细胞等[2]。当外界暗信号刺激视网膜时，视网膜将信号沿着视网膜下丘脑束传至下丘脑视交叉上核(SCN)。SCN 是人体内生物节律的起搏点，也是生物节律信号产生和输送的源头，神经冲动经过室旁核(PVN)再传至脊髓中间旁核，由脊髓中间旁核传至交感神经节前纤维肾上腺皮质纤维，到达颈上神经节(SCG)，最后传至松果体处起始褪黑激素的合成。交感神经末梢按照昼夜节律在松果腺细胞中释放去甲肾上腺素。去甲肾上腺素与膜上β-肾上腺素受体结合，启动环核苷酶系统，进而激活N-乙酰基转移酶(AANAT)合成褪黑激素[3]。在家禽上，光暗信号可以直接穿透颅骨，直接作用松果体来调节褪黑激素的合成。

哺乳动物体内的褪黑激素主要是松果体和视网膜合成，合成所需要的色氨酸直接从血液中摄取，色氨酸在色氨酸羟化酶(TPH)的作用下生成五羟色氨酸，然后在L-芳香族氨基酸脱羧酶(AADC)作用下生成五羟色胺。五羟色胺在N-乙酰基转移酶(AANAT)的作用下转化为N-乙酰-5-羟色胺，最后在羟吲哚-氧-甲基转移酶(HIOMT，也称ASMT)的作用下生成N-乙酰-5-甲氧基色胺，其中AANAT 和HIOMT 都被认为是褪黑激素合成限速酶[2]。

褪黑激素在松果体合成后直接释放到血浆中，并不贮存于松果体细胞，因此血清中褪黑激素含量能准确反映松果体合成褪黑激素的量。血清中褪黑激素含量具有明显的昼夜节律变化规律，产生量在白天很低，夜间逐渐升高，凌晨0 点到2 点达到高峰，然后逐渐下降[4]。

2 褪黑激素作用机制

褪黑激素在机体中发挥生物学功能主要是通过与不同的受体结合[5]，受体分为膜受体和核受体[6]。褪黑激素的膜受体主要有三种亚型，分为MT1、MT2和MT3，均为G 蛋白偶联受体家族成员。这三种亚型都具有七个跨膜结构域，MT1 和MT2 通过激活Gi或Gq，通过修饰腺苷酸环化酶、磷脂酶C 和A2、钾和钙通道以及鸟苷酸环化酶的活性来介导细胞内信号传导。

MT1 在脑部（包括下丘脑、小脑、海马、黑质和腹侧被盖区）、视网膜、心血管系统（包括外周血管、主动脉和心脏）、免疫系统、睾丸、卵巢、皮肤、肝脏、肾脏、肾上腺皮质、胰腺和脾脏等组织中表达[7-8]。其主要功能是抑制神经活动、调节昼夜节律、激素分泌和动物繁殖。MT2 在脑（下丘脑、视交叉上核）、视网膜、垂体、血管、睾丸、肾、胃肠道、乳腺、脂肪组织和皮肤中表达。

MT1 受体激活后可导致一系列G 蛋白的激活，包括Gia2、Gia3 和Gαq 等。褪黑激素和膜表面受体结合后，和Gi 蛋白偶联，直接抑制腺苷酸环化酶活性，使得依赖性或者非依赖性的PKA 减少，从而影响反应元件蛋白(CREB)，最终调节即刻早期基因(IEG)的表达，实现靶基因的转录调节[9]。另外，MT1受体也可以通过G 蛋白途径直接活化细胞外调节蛋白激酶(ERK)和c-Jun氨基末端激酶(JNK)。这两种酶由胞质转移到细胞核内，使得ATF、NF-κB(nuclear factor-κB)、c-fos、c-jun 的转录增加，从而增加蛋白质水平[10]。除了与G 蛋白偶联外，褪黑激素还可以激活磷脂酶C，开启钙通道，引起Ca2+浓度升高，激活蛋白激酶C(PKC)，引起级联反应，进行细胞的应答，并通过活化CREB-ATF 诱导IEG 表达增加，或者是活化NF-κB 和其他转录因子(TF)[11]。除此之外，褪黑激素还可以抑制Ca2+-CaM 复合物的浓度，使得PKC 及下游分子 NF-κB、ROR 和其他 TF 的转录和表达受到抑制[10]。

MT2 主要介导昼夜节律的调控，可以调节昼夜节律的相移、视网膜多巴胺的释放、血管舒张以及免疫力的提高等。有研究表明，在免疫系统中也发现MT2 受体的表达[12]。MT2 受体信号转导途径包括磷酸肌醇的产生、腺苷酸环化酶的抑制和可溶性鸟苷酸环化酶的抑制。有研究表明，在大鼠的SCN 内，褪黑激素通过影响MT2 受体来调节和增加蛋白激酶C活性。

MT3在肝脏、肾脏、脑、心、肺、肌肉和棕色脂肪以及眼部均有表达。MT3 为醌还原酶2，属于还原酶一族，该酶属于通过防止醌类的电子转移反应而参与氧化应激保护的还原酶一类。

此外，褪黑激素还存在核受体，主要是维甲酸相关孤核受体亚家族(RZR/ROR)，包括 RORα、RORβ和RORγ三种亚型,最先被鉴定出来的是孤核受体类视黄醇Z 受体(RZRβ)[13-14]，随后又发现了维甲酸相关的孤核受体(RORα)。RORα表达于小脑、皮肤、睾丸、淋巴系和髓系。RORβ表达于大脑和视网膜，RORγ则存在人体骨骼肌和胃癌细胞[15]。除了这两种核受体外，褪黑激素的细胞质受体也有报道。Macías 等[16]证明小鼠肝细胞中钙网蛋白能与褪黑激素高度亲和，钙网蛋白主要存在于内质网，与褪黑激素结合后可以出现在细胞核中。Schuster 等[17]利用褪黑激素处理神经母细胞瘤SH-SY5Y 细胞系，发现褪黑激素是通过与钙调蛋白作用，使得细胞内cAMP合成量增加。

3 褪黑激素影响动物的生理功能

3.1 影响免疫调节

褪黑激素与免疫系统关联较强，可通过多种途径来调节免疫系统：一方面褪黑激素可以通过与免疫器官和免疫细胞中的受体结合来提高动物免疫因子的活性，促进免疫细胞增殖，增强免疫功能。对切除松果体后的大鼠研究发现，脾脏淋巴细胞在22:00达到峰值的昼夜节律被消除，而外源性补充褪黑激素可以促进脾脏淋巴细胞的增殖；另外，有报道称褪黑激素可促进单核细胞产生白介素-6。Moore 等[18]用阿片受体阻断剂纳曲酮以不同剂量肌注于日本鹌鹑以抑制体内免疫活性，并在饮水中添加褪黑激素，结果发现纳曲酮剂量越低，褪黑激素调节免疫细胞活性能力越强；另一方面，褪黑激素也可通过影响胸腺的功能来影响免疫细胞，调节免疫功能。Tian 等[19]在七月龄的雄性小鼠中连续40 d 给予外源性褪黑激素，发现小鼠胸腺细胞的数量和胸腺细胞的百分比显著增加，同时减缓了随年龄增加导致的胸腺退化。另外，褪黑激素还可增强大鼠胸腺淋巴细胞的增殖活性和DNA 合成速率。Sokolovic 等[20]利用微波诱导胸腺细胞的凋亡及增殖能力下降，但褪黑激素处理后则降低了胸腺细胞的凋亡率并提高了增殖能力。

褪黑激素还可通过活化T 细胞来增强机体免疫功能。Raghavendra 等[21]利用抗CD3 抗体和丝裂霉素C 处理脾脏细胞，发现褪黑激素增强了CD4+T 细胞的增殖。同样地，褪黑激素可显著增加脾细胞衍生的CD4+T细胞中CD28+和p21的表达以及初始CD4+T细胞数量[22]。Lardone等[23]在肉鸡的研究表明，血液中褪黑激素的浓度与胸腺中T细胞的增殖呈正相关，而松果体切除手术和使用MT1 拮抗剂均可以减少T 细胞的增殖。

3.2 影响抗氧化能力

褪黑激素具有强大的抗氧化能力，能清除包括强自由基、一氧化氮超氧负离子等多种自由基[24]。褪黑激素可以提高体内抗氧化酶活性的同时还可抑制促氧化酶的活性。褪黑激素可以激活线粒体NO合酶，抑制小脑内NO合酶的活性，减少NO的生成[25]。Albarrán 等[26]研究鸡不同组织中超氧化物歧化酶的内源节律时，发现光照周期为12 h 光照∶12 h黑暗时，血浆抗氧化状态出现了与褪黑激素浓度相关的24 h 的昼夜节律，活性峰值与褪黑激素峰值重合；当鸡暴露于恒定光照后，抗氧化活性的峰值下降且重合状态消失，表明褪黑激素和抗氧化酶活性有关。Baydas 等[27]报道，切除了松果体的大鼠体内GGSH-Px 活性水平受到抑制。说明褪黑激素在抗氧化过程中参与了各种抗氧化酶活性的调节。另外，褪黑激素还与铁、铜、锌等过渡金属螯合发挥抗氧化功能：褪黑激素可通过芬顿反应可以将Fe4+血红蛋白还原回Fe3+，重新构建血红蛋白的生物学活性[28]；另一方面，褪黑激素还可以与铜离子作用，从而防止大鼠肝脏细胞中由铜介导的脂质过氧化[29]。

也有研究表明，褪黑激素可保护线粒体在氧化过程不受损失：Martin等[30]证实，褪黑激素可刺激氧化磷酸化并促进神经元和肝细胞线粒体中ATP 的增加。Kashani 等[31]利用褪黑激素治疗小鼠多发性硬化病变后，发现线粒体功能明显改善，并减缓了疾病的发生。褪黑激素还可增加呼吸链复合物I和IV的活性，并减少了钌红介导的大鼠机体线粒体损伤。钌红是一种抑制线粒体Ca2+单转运体分子，导致氧化应激和线粒体解偶联。对星形胶质细胞的研究发现，褪黑激素减少了激光照射诱导的星形胶质细胞线粒体中活性氧的形成，并保护了线粒体DNA 的突变/缺失和细胞凋亡[32]。

3.3 影响生殖系统

褪黑激素对动物繁殖活动的影响会因动物的种类、生理状况不同而表现出抑制、促进或者无影响等多种结果：褪黑激素对人、牛、老鼠和家禽具有生殖抑制作用，对绵羊和鹿等是促进作用，对日照不敏感的动物则表现出无影响。

季节性繁殖动物的繁殖活动主要受到下丘脑-垂体-性腺轴(HPGA)的影响。HPGA的季节性活动又受到光周期的变化影响[33]。光刺激通过视网膜转化为神经信号作用于SCN，SCN 把信号传到松果体，松果体将神经信号转化为化学信号褪黑激素，褪黑激素再作用于下丘脑，调节促性腺激素抑制激素(GnIH)的释放，或者作用于垂体促性腺激素的释放，抑制性腺活动，避免生殖器官过早发育[34]。褪黑激素除了影响HPGA 外，还能直接作用于性腺。利用同位素示踪法研究发现，禽类、鼠和人类的睾丸和卵巢中都含有与G 蛋白偶联的褪黑激素受体。褪黑激素可以直接影响附睾的形态和功能。研究表明，去势后的大鼠附睾褪黑激素受体减少，而外源补充褪睾酮可以增加褪黑激素受体的数量[35]。

3.4 褪黑激素调节生物钟的功能

昼夜节律生物钟是动物一个重要的调控系统，能使机体维持在一个稳定的生理状态。禽类的昼夜节律系统比哺乳动物更为复杂，由松果体、视网膜、下丘脑和SCN 组成。褪黑激素既有直接诱导睡眠作用，也有昼夜节律相移[36]。褪黑激素能直接作用于SCN 上MT1 和MT2 受体来改变其节律性活动、振幅和相位[37]。MT1 与SCN 电活动的抑制相关，而MT2 则与相位移有关[38]。在持续光照条件下，禽类摘除松果体能够破坏它们的昼夜节律，而通过外源添加则可以恢复摘除松果体后的无节律性体温调节和进食的节律性[39]。Cantwell 等[40]的研究也表明，在摘除松果体麻雀体内使用褪黑激素，可以使其视觉系统摄取2 脱氧核糖葡萄糖，从而与未摘取松果体的麻雀的摄取节律得到同步。除了SCN，在哺乳动物脑垂体中也发现了高密度的褪黑激素结合位点，Ross 等[41]通过观察仓鼠脑垂体发现，PER1 mRNA 水平在血液褪黑激素下降后达到峰值，在短调节日照的条件下，褪黑激素信号的延长使得PER1 mRNA 信号减弱。说明褪黑激素可以影响节律相关的神经系统的分泌，从而影响动物的生理节律。

4 小结

综上所述，褪黑激素主要由松果体合成，同时存在于各种组织以及细胞中，通过膜受体和核受体发挥作用。通过适当添加外源的褪黑激素作用于免疫器官和免疫细胞来调节机体免疫功能；褪黑激素及其代谢产物是强大的抗氧化剂，可清除体内自由基，并且调节抗氧化酶的活性；褪黑激素还可以调节生物钟进而影响畜禽繁殖和畜禽节律性行为；褪黑激素在提高免疫力、体内抗氧化能力和调节繁殖能力等方面的机理还需进一步研究。同时，外源性添加褪黑激素在畜禽生产上应用还不成熟。随着对畜禽的褪黑激素作用机理及其调控机制研究的深入，将为解决畜禽生产实际问题提供更多的科学依据。