单胺类神经递质参与动物热应激反应的研究进展

朱树庆，王丽娜

（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）

热应激是指在高温环境下动物自身对所处环境做出的所有非特异性的生理反应。在畜禽生产中，热应激不仅限制畜禽的生长发育、繁殖能力以及饲料利用效率和肉蛋品质，同时也严重影响了动物的精神状况以及采食情况，这些影响最终导致畜禽的健康程度和生产性能下降，如果不加以改善，更甚者会导致动物死亡。

中枢神经系统是神经系统中最为主要且重要的部分。有研究表明，中枢神经系统发挥着维持动物机体稳态的作用，其中，在大多数物种中，维持动物相对稳定的体核温度（Body Core Temperature）约为37℃，并且维持动物体核温度主要通过大脑中枢神经网络系统中视前区（The Preoptic Area，POA）进行调控。在这个过程中，通过激活包括单胺类神经递质介导的自主神经系统（Autonomic Nervous System，ANS）在内的自主神经反应，如呼吸和心率增加，体温升高，血液从内脏再分配到皮肤等进行散热调节，同时这类神经递质也能够影响动物的情绪状态和认知能力，对动物的生长和繁殖性能有一定的影响力。为解析单胺类神经递质在中枢神经系统中如何参与动物机体的稳态调控，本文主要以去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE），多巴胺（Dopamine，DA）和5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）为例，综述其在热应激下的调节作用，为畜牧生产中开发有效的缓解热应激方法提供理论基础。

1 NE

NE 化学名称为1-（3，4-二羟苯基）-2-氨基乙醇，在N 甲基转移酶的作用下甲基化可转化为肾上腺素（Epinephrine，E），是肾上腺素的前体物质。在化学结构上，NE 属于儿茶酚胺类物质。在中枢神经系统中，它以神经递质的形式由交感节后神经元以及肾上腺素能神经末梢合成和分泌。

1.1 NE 参与热应激反应 中枢神经系统自身合成分泌的NE 与应激反应密切相关。在应激发生时，位于第四脑室的蓝斑去甲肾上腺素能（Locus Coeruleus Noradrenergic，LC-NE）神经元能够感受应激源，并将信号投射到下丘脑室旁核-氨基丁酸能神经元，增强了神经内分泌对应激的敏感性。位于海马体（Hippocampus，HC）、丘脑（Thalamus，TM）、下丘脑（Hypothalamus，HT）等多个位置的微型胶质细胞能够在应激条件下被激活，研究表明NE 能够作用于微型胶质细胞的肾上腺素能受体1 和2，从而缓解动物应激。除了中枢神经系统自身合成NE 外，外源补充NE 也可以改变动物的应激状态。Fan 等给予大鼠慢性不可预见性温和应激，与此同时腹膜内注射NE（1.0 mg/kg）后进行一系列行为测试，并对大脑海马区域苏木精和伊红染色以及通过免疫组织化学对热休克蛋白70（Heat Shock Protein 70，HSP70）和2 型一氧化氮合酶（Nitric Oxide Synthase Type 2，NOS2）进行分析，结果发现NE 能够显著降低慢性不可预见性温和应激对大鼠造成的行为影响，并且会区域性地改变HSP70和NOS2 表达，而且NE 能够减弱应激诱导的海马微结构变化。这些结果表明，无论是中枢神经系统自身合成的NE 还是外源补充的NE，在动物应激环境下都发挥着重要的自我保护作用。与其他应激相比，动物发生热应激后更加侧重于中枢的调控，这也暗示NE 将在这一调控过程中扮演着至关重要的角色。Nakagawa 等研究发现，大鼠在热应激3 h 后大脑尾状壳核（Caudate Putamen）NE 水平显著升高。Minami 等在未麻醉，自由移动的雄性Sprague-Dawley 大鼠中进行体内微透析分析，发现暴露于热应激环境会显著增加终末纹状体腹侧核中NE 的释放，而终末纹状体腹侧核是一个参与压力反应和负面情绪有关的大脑区域。这些发现表明热应激环境能够增加中枢神经系统的NE 释放，但是热应激下NE 的释放对动物中枢神经系统的作用尚未揭示。Bahry 等研究发现，中脑神经肽Y（Neuropeptide Y，NPY）可以缓解热应激期间雏鸡食物摄入的减少，而NPY 增加可以降低NE 浓度，这可能是单胺类神经递质调节热应激反应的潜在调节剂。另有研究表明，热应激是动物夏季通过增加体内自由基和活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）诱导产生氧化应激的重要原因之一。Pandey 等研究发现益生性大肠杆菌CFR16 分泌的吡咯喹啉醌能够减弱氧化应激对大鼠的影响，还能够恢复脑神经递质NE 水平。通过以上研究可以得知，NE 能够积极地响应中枢神经系统调控动物热应激，并且可能充当参与调节热应激的介质。

1.2 NE 调控热应激机制 热应激条件下NE 会显著增加，但是NE 在热应激条件下如何在中枢神经系统发挥作用的机制研究还比较少。Hinchado 等研究表明，72 ku 的细胞外热激蛋白（Extracellular Heat Shock Proteins of 72 ku，eHsp72）与NE 在运动诱发的应激中能够增加细胞内cAMP 水平，作为危险信号在中枢发挥作用，但NE 在中枢神经系统中具体如何调控动物热应激的机制尚不清楚。

2 DA

DA 化学名称为4-（2-氨基乙基）-1，2-苯二酚，是NE 的前体物质，在化学结构上也属于儿茶酚胺类物质，在中枢神经系统和周围神经系统中均能合成，经过与G 蛋白偶联受体进行结合后发挥其应有作用。

2.1 DA 参与热应激反应 DA 参与应激反应。人类和动物研究中均表明，中脑导水管周围灰质（Midbrain Periaqueductal Gray，dPAG）和杏仁核之间存在功能关联，而创伤后应激障碍（Posttraumatic Stress Disorder，PTSD）能够改变这两者之间的功能关系，这个过程中dPAG 传递到杏仁核的信号角色主要由DA 扮演。而且在人类青少年的研究中发现，应激激素以及性激素能够调节中枢皮质和皮质下DA 水平，DA 神经回路受到这些影响能够改变青少年的情绪状态，进而影响精神疾病的形成。Karailiev 等对雌性大鼠进行断奶应激后发现，杏仁核和中脑边缘系统腹侧被盖区的DA 1 型受体（Dopamine Receptor 1，Dop-1）与DA 呈负相关变化，断奶应激能够显著降低基因表达，从而增加DA 浓度。以上研究可以充分说明DA 在参与人类与动物情绪以及应激方面发挥着重要作用。同时，DA在参与动物热应激方面也发挥重要作用。在大鼠的研究上，Nakagawa 等发现在热应激条件下下丘脑DA 水平显著升高，并发现热应激引起的神经炎症与单胺和Glu 失衡有关，从而导致体温调节紊乱，这项研究说明了热应激可以诱发神经炎症并且产生原因与DA 水平有关。在无脊椎动物上，Gruntenko 等研究发现果蝇在热应激下DA 水平急剧上升，随后DA 合成酶活性降低，这可能是由于中枢神经系统的负反馈机制发挥调节作用。前文提到NPY 能够减弱动物热应激期间食物摄入减少的现象，而脑室注射NPY 可以刺激增加DA 浓度，在空腹雏鸡中可作为抗应激剂，这说明NPY 介导的DA 缓解了动物的热应激。Hayase 等研究发现将可卡因（Cocaine，COC）进行大鼠腹腔注射后引起大脑HSP 表达增加，证明COC 在大脑神经内分泌系统中引起类似于生理应激源的作用，给予Dop-1 受体拮抗剂SCH23390 能够抑制这种应激反应并使DA 恢复正常水平，HSP 是热应激反应中中枢广泛被激活的蛋白，COC 引起的HSP 表达增加可能源于热应激反应，而SCH23390 抑制Dop-1 使DA 恢复正常水平或许在缓解热应激方面具有一定的参考价值。丙烯酰胺（Acrylamide）可以诱导果蝇产生氧化应激并降低DA水平，Kumar 等发现通过补充可溶性低分子壳聚糖能够通过恢复DA 水平来缓解丙烯酰胺诱导产生的氧化应激，而多数文献已经报道热应激也伴随氧化应激的发生，通过补充可溶性低分子壳聚糖来恢复DA 水平这种方式对于缓解热应激来说具有一定的参考价值。综上，无论是在脊椎动物还是无脊椎动物上DA 均显示了参与了热应激反应，并且这些研究说明了DA 在动物发生热应激时表达会显著增加。

2.2 DA 调控热应激机制 DA 参与动物应激反应的机制也是近年来研究的热点，Bogomolova 等研究发现，在正常情况下，雌性黑腹果蝇中胰岛素受体（Insulin Receptor，）基因表达能够抑制DA 合成酶-碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP）活性，然而在热应激条件下，基因表达下调，从而增加DA 合成，这可能是热应激下DA 合成增加的原因之一。动物在热应激下中枢DA 含量增加预示着DA 发挥调控动物机体作用。Joshi 等发现热应激会破坏多细胞生物的蛋白质体内平衡，热应激下秀丽隐杆线虫的DA 能机械感觉神经元释放以促进上皮中的蛋白稳态，DA 通过这种方式来维持蛋白平衡对于热应激下的稳态调节具有重要意义。通过DA 受体Dop-1 的信号激活与致病性和抗药性以及毒素去除有关的异种应激反应基因的表达，而这些基因对于去除上皮中的不稳定蛋白是必需的，这进一步说明DA 在热应激下合成增加对于维持蛋白稳态的机制和作用。并且研究发现秀丽隐杆线虫暴露于细菌病原体（铜绿假单胞菌）会导致上皮中不稳定蛋白的去除率升高，并且此增强功能需要DA 充当信使作用。在没有DA 信号传导的情况下，线虫对热应激的敏感性增加，从侧面说明DA 缺失对于动物机体正常感知热应激会造成一定的影响。总的来说，多巴胺能感觉神经元能够感知热应激的发生并通过增加DA 的分泌和释放来增加异种应激反应基因的表达，从而降低热应激反应并维持蛋白稳态，并为可能发生的感染做准备。在中枢神经系统中，DA 发挥作用与其受体的结合密切相关，Naß 等发现熊果酸（Ursolic Acid）能够降低应激依赖性ROS 的产生从而增加抵抗热应激的能力，熊果酸能够促进DA 受体Dop-1 的高度表达并通过增加DA 与Dop-1 的亲和力从而发挥抵抗热应激的作用。Petruccelli 等研究发现儿茶酚胺多巴胺和类固醇激素蜕皮激素的双重G 蛋白偶联受体多巴胺/蜕皮激素受体（Dopamine/Ecdysteroid Receptor，DopEcR）能 够通过与DA 和蜕皮激素共同结合后发挥抵抗热应激的作用。赵亚丽等研究发现热应激下纹状体DA 介导的磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol，PI）信号转导系统被激动，这种激动方式可能经DA 受体Dop-2 介导Ca浓度升高，在使用Dop-2 拮抗剂氯氮平后，机体耐热性提高。从这里可以看出中枢DA 在热应激下与不同的受体结合发挥不同的作用。综上所述，中枢DA 在热应激下不仅可以被调控表达，还能在维持动物机体蛋白质稳态并调节应激敏感性方面发挥重要作用，同时，DA 也可以与相关受体结合参与调控动物机体热应激。

3 5-HT

5-HT 又名血清素，在动物中枢和外周组织中均有分布，在中枢主要分布在大脑皮层及神经突触内。5-HT作为神经递质，参与一系列生理功能的调节。

3.1 5-HT 参与热应激反应 大量研究表明，5-HT 参与了动物的应激反应。Mahar 等研究发现慢性不可预见性应激（Chronic Unpredictable Stress，CUS）能够建立动物抑郁模型，而这种模型的建立与减弱5-HT 神经传递和5-HT1A 受体自身受体敏感性有关。另有研究表明，促肾上腺皮质激素释放因子（Corticotropin Releasing Factor，CRF）作用于5-HT 神经元参与调节5-HT1A受体、-氨基丁酸和谷氨酸盐的表达和释放进而改变前额叶皮质-杏仁核通路来应对动物应激的发生。-乙酰血清素（N-Acetylserotonin，NAS）是一种天然存在的化合物，是从5-HT 到褪黑素的内源性合成的反应中间体，也被认为是一种神经递质。Yoo 等发现在氧化应激诱导的神经毒性中，NAS 通过激活 TrkB/CREB/BDNF 途径和表达抗氧化酶发挥抗氧化和抗凋亡作用。以上充分说明了5-HT 以及其衍生物均参与了应激反应。在热应激方面，有研究表明，大鼠下丘脑中5-HT 水平在热应激下降低，并且在严重热应激（核心温度=42℃）条件下的大鼠在下丘脑中的炎症因子NFkB、IL-1、COX2、GFAP 和Iba1 蛋白表达显著升高，这说明在严重热应激下动物中枢神经系统会引起炎症反应，而且这些炎症因子的表达增加可能是导致下丘脑5-HT 水平降低的原因。色氨酸羟化酶（Tryptophan Hydroxylase，Tph）是合成5-HT 的限速酶，包括2 个旁系同源物Tph1 和Tph2。Shimomura 等研究发现反复遭受热应激后会显著降低雄性和雌性青鳉鱼脑中Tph1 和Tph2 的mRNA 表达，而单次热应激则不会影响任何一种mRNA 的表达；雄性和雌性青鳉鱼反复进行热应激后，脑中的5-HT 浓度也显著降低，但是在单次热应激后，5-HT 浓度也并未降低。这些结果表明，2 种类型的Tphs 均参与降低大脑中的5-HT，并且证明了5-HT 是雄性和雌性慢性热应激反应的可靠指标。Tatum 等通过光遗传学激活秀丽隐杆线虫5-HT 能神经元直接引起了的5-HT 释放并通过代谢型5-HT 受体SER-1 激活热激转录因子（Heat Shock Transcription Factor，HSF）并上调分子伴侣，通过这种方式抑制了周围组织中的蛋白质错误折叠。由此可见，仅激活5-HT能神经元就可以引起动物热应激条件下保护蛋白构象的反应。Bahry 等发现NPY 能够降低雏鸡热应激条件下大脑中的5-HT 水平，NPY 通过5-HT 降低这种途径可能参与了热应激调节。Sutoh 等通过静脉注射色氨酸（5-HT 合成的前体物质）的方式增加了脑中5-HT水平，并且能通过这种途径减弱急性热应激造成的影响。以上研究表明，在动物热应激下5-HT 水平会显著降低，这种降低现象这可能受Tph 的调控，而5-HT 在热应激下有保护蛋白构象的作用，并且体外补充5-HT 能够缓解热应激的发生。综上所述，中枢神经系统5-HT 水平在动物热应激下下调，但是5-HT 在应对热应激发生发挥着积极的调控作用。

3.2 5-HT 调控热应激机制 5-HT 在中枢神经系统中参与热应激的机制研究目前较多。如图1 所示，下丘脑-垂体-肾上腺轴（Hypothalamo-Pituitary-Adrenal Axis，HPA axis）是动物发生热应激时主要参与的腺轴，5-HT 通过调节下丘脑CRF 的释放进而调控HPA 轴。在热应激条件下，5-HT 还能够激活垂体促肾上腺皮质激素（Adrenocorticotropic Hormone，ACTH）的释放，HPA 轴激活会导致皮质醇分泌增加引起免疫反应，而5-HT 与神经免疫激活有关，并且受白细胞介素-1（IL-1）、IL-6 和肿瘤坏死因子-（TNF-）的诱导，这间接说明5-HT 参与调控动物机体热应激的机制。Nakagawa 等研究发现，在热应激条件下，5-HT 水平在视前区和下丘脑背内侧降低，但随着DA水平增加，5-HT 水平逐渐回到正常水平，这说明单胺类神经递质间可能存在互作关系，但没有得到可靠的证实。热应激可以引起神经炎症，而通过脑室注射5-HT可以抑制脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）诱导的重要发烧介质前列腺素E（Prostaglandin E2，PGE2）增加，这揭示中枢5-HT 作为抗炎性神经调节剂的新作用。综上所述，动物中枢神经系统5-HT 水平在热应激下会显著降低，而热应激下5-HT 在神经免疫激活以及抗炎作用中发挥着重要作用，这预示着5-HT 的补充对于缓解热应激可能会有一定作用，这为动物应对热应激提供了一种新的思路和方法。

图1 单胺类神经递质对热应激条件下中枢神经系统的调控

4 小结与展望

综上所述，动物中枢神经系统中单胺类神经递质是参与热应激的主要神经递质。这3 种单胺类神经质参与调控热应激的主要作用如下：一是NE 在中枢神经系统中充当危险信号的角色，NE 水平增加预示热应激的发生；二是DA 在中枢神经系统中表达增加，在维持动物机体蛋白质稳态并调节应激敏感性方面发挥重要作用，同时，DA 可以与相关受体结合参与调控动物机体热应激反应；三是通过参与神经免疫激活以及抗炎性神经调节的作用来缓解热应激。但在目前的研究中，单胺类神经递质调控热应激还较少涉及到深层次机制的研究，因此热应激下单胺类神经递质的作用还具有很大研究价值。

在科研方面，有关缓解热应激的研究已有许多报道，无论是在研究动物、植物还是微生物中都取得了丰硕的研究成果。然而，作为中枢神经系统中具有代表性的对调控应激具有一定作用的单胺类神经递质在调控热应激方面没有太多报道。因此，单胺类神经递质作为调控热应激的一种新兴研究方向应该值得更多关注，进行更深层次的机制研究。比如，研究NE 作为危险信号的具体机制，发掘NE、DA 和5-HT 在调控动物热应激方面的新作用等。通过发现其调控热应激的分子机制，从而为生产实际中缓解动物热应激提供更多的理论依据。

在畜牧生产方面，单胺类神经递质作用于中枢神经系统调控热应激的报道非常少。由于在家畜、家禽饲养等实际生产中对中枢调控要求苛刻，不可控因素相对较多，因此畜禽生产方面的机制研究和利用几乎还处于空白阶段。

相信在不久的将来，单胺类神经递质在中枢神经系统中调控热应激的作用机制将会被更多的发现。清楚这些神经递质所发挥的作用，利用有效的方法去添加、激动或抑制这些神经递质本身或其下游底物或其特异型受体等，改善动物机体应对热应激策略，增加动物对热应激环境的适应能力，提高动物健康状况，这将会对生产实际带来更加积极地效益。