PI3K/Akt信号通路与畜禽繁殖关系的研究进展

张 蕾，章敬旗，张 泰，王 健

(江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300)

近年来，随着我国畜牧业向集约化、产业化方向的快速发展，养殖技术日趋成熟，畜牧业的生产力得到极大的提升。但动物的生产力受饲料营养、品种、环境、气候等诸多因素的影响，其中动物的繁殖能力对进一步解放畜禽生产力仍起着至关重要的作用。目前，分子生物学技术已在动物繁殖研究中广泛应用，研究人员从分子水平解析了动物繁殖能力存在差异的机制。研究发现，PI3K/Akt信号通路对细胞具有重要的生物学作用，可广泛地调控细胞生长、增殖、凋亡和细胞周期等生命过程[1]。此外，PI3K/Akt信号通路还是精子发生和卵泡发育的重要调控环节。在畜禽生产中，畜禽繁殖性能的瓶颈主要在于母畜/禽，母畜/禽的繁殖性能不仅关乎群体繁育，且直接影响生产性能。本文就PI3K/Akt相关信号通路的主要组成及其与畜禽繁殖(特别是母畜/禽的卵巢发育)相关调控作用的研究作相关综述，以期从分子机制上为提高动物繁殖力提供新的视角。

1 PI3K/Akt信号通路的信息传导

磷脂酰肌醇-3-羟激酶(Phosphatidylinositol 3-hydroxy Kinase, PI3K)是一类由调节亚基p85和催化亚基p110构成的、同时具有丝氨酸(Serine, Ser)/苏氨酸(Threonine, Thr)激酶和磷脂酰肌醇激酶活性的异二聚体；蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)是一种Ser/Thr激酶。PI3K/Akt途径激活过程中，PI3K被细胞膜上的跨膜糖蛋白酪氨酸激酶(Tyrosine kinase, RTK)或Ras蛋白等活化，然后直接作用并激活靶基因Akt[2-3]，Akt活化后激活或抑制下游靶蛋白，进而调控多种细胞外基质和细胞因子等信号转导。RTK与细胞外的配体结合后，其自身酪氨酸残基发生磷酸化并募集PI3K的调节亚基p85、激活催化亚基p110[1]。被活化的PI3K分别将磷脂酰肌醇磷酸(phosphotidylinositol-4-bisphosphate, PIP)和磷脂酰肌醇二磷酸(phosphotidylinositol-4,5-bisphosphate, PIP2)肌醇环上的羟基磷酸化，在膜上生成PIP2和磷脂酰肌醇三磷酸(phosphotidylinositol-3,4,5-bisphosphate, PIP3)。PIP3是传递PI3K信号的主要信号分子，可直接通过与Akt的PH结构域互相作用，促使Akt从细胞质转位到细胞膜上，并发生构象改变，从而激活Akt蛋白[4]。此外，在Akt活化过程中，除自身位于PH结构域的Ser473位点和位于羧基末端调节结构域的Thr308位点2个位点外，还需要3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(3-phosphoinositidedependentproteinkinase1, PDK1)。PDK1是一种含有一个C-末端的PH结构域的Thr/Ser激酶，与PIP3具有高亲活性，可以被PIP3激活转位到膜上，并将Akt的Thr308残基磷酸化[5]，PDK1还可以将Akt的Ser473残基磷酸化[6]，只有Thr308和Ser473这两个位点同时磷酸化后，Akt才能充分活化[7]。因此，PI3K可以直接或通过PDK1间接激活Akt，从而完成PI3K/Akt间的信号传导。

2 PI3K/Akt信号通路与精子生成

精子发生过程包括精原干细胞的增殖分化、精母细胞的减数分裂和精子形成。支持细胞(sertoli cells, SCs)是位于曲细精管中的体细胞，为生精细胞提供结构支撑，产生血睾屏障，参与生殖细胞运动和精子的排出，为生殖细胞分泌各种营养因子等，在精子发生过程中发挥重要的调节作用[8]。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)是一种保守的Ser/Thr激酶，可直接被活化的Akt磷酸化，进而完成对胞内外信号刺激的应答。很多研究证实，PI3K/Akt/mTOR信号通路活跃地参与精子发生过程。mTOR磷酸化蛋白p-mTOR可激活下游信号分子p70S6K，促进精原干细胞增殖分化过程中蛋白质的合成[9]，抑制mTOR通路后可阻断精原细胞分化[2]。Sahin等[10]的研究显示，在精原干细胞和精母细胞中都监测到mTOR、p70S6K及相应磷酸化蛋白(p-mTOR和p-p70S6K)的表达。此外，PI3K/Akt/mTOR途径还是调控睾丸支持细胞增殖、分化的一个主要信号通路。卵泡刺激素(follicle-stimulating hormone, FSH)处理睾丸支持细胞后，p-Akt、p-mTOR和p-p70S6K蛋白水平增加，激活PI3K/Akt/mTOR信号通路，促进支持细胞的增殖分化[11]。

在畜禽中，对猪未成熟支持细胞PI3K/Akt信号通路的研究较为广泛。740Y-P激活剂可以活化PI3K/Akt信号通路，显著促进猪未成熟SCs周期进程、增强细胞增殖[12]；LY294002抑制剂可抑制PI3K/Akt信号转导活性，显著抑制未成熟SCs的增殖并促进其凋亡[13]。PI3K/Akt信号通路的上游基因也可直接或间接激活通路，提高p-PI3K和p-Akt表达水平，促进SCs由G1期向S/G2期转换，从而促进SCs增殖。如，miRNA-191靶向抑制BDNF基因，通过促进PI3K和Akt磷酸化水平激活PI3K/Akt信号通路进而促进猪未成熟支持细胞的细胞周期由G1期进入S/G2期，增强细胞增殖并抑制其凋亡[14]；miR-499靶向PTEN基因通过激活PI3K/Akt信号通路促进猪未成熟支持细胞增殖而抑制其凋亡[13]。此外，激素或毒素类化合物也能通过PI3K/Akt途径影响SCs的增殖或凋亡。17β雌二醇通过GPR30、SRC激活PI3K/Akt增强skp2的蛋白和mRNA水平及CyclinD1和CyclinE1的mRNA水平，促进SCs由G1期向S期转换，进而调控SCs的增殖[15]；甲状腺激素通过抑制PII3K/Akt途径而抑制睾丸SCs的增殖[16]；加味天雄散能够显著提高大鼠生精细胞内PI3K/Akt/mTOR通路PI3K、Akt、mTOR和p70S6K的磷酸化水平，从而促进生精细胞增殖分化，提高小鼠精子数量[17]；活化PI3K/Akt/mTOR信号通路可缓解由玉米赤霉烯酮引发的大鼠睾丸SCs的周期阻滞[18]。

3 PI3K/Akt信号通路与卵细胞发育

RNA-Seq技术为研究基因遗传图谱提供了重要的技术支撑，推动了畜禽繁殖性能相关基因的挖掘，为研究基因功能和通路的生物信息学分析提供可靠数据。诸多有关RNA-Seq的研究显示，PI3K/Akt信号通路是卵巢发育相关基因富集通路。Hao等[19]对牛显性卵泡和次级生长卵泡阶段的卵泡颗粒细胞分别进行了转录组测序，生物信息学分析显示PI3K/Akt、雌激素和胰岛素等信号通路与卵泡发育相关。黄利华[20]比较了高产和低产白羽番鸭卵巢组织的转录组差异表达基因，发现这些差异基因主要涉及吞噬体(Phagosome)、肌动蛋白细胞骨架调节(Regulation of actin cytoskeleton)、癌症蛋白多糖通路(Proteoglycans in cancer)、Rap1信号通路(Rap1 signaling pathway)、细胞黏附分子(Cell adhesion molecules)和PI3K-Akt信号通路(PI3K-Akt signaling pathway)6个信号通路，其中POSTN、COL4A1和SDC4等参与的PI3K/Akt信号通路，与动物繁殖和卵巢发育关系密切。张杉杉[21]在黑番鸭中也发现与动物生殖相关的基因TGFB2、EFNA5、FGF18、SMOC1和POSTN主要富集在PI3K/Akt信号通路。Bao等[22]在高产蛋和低产蛋的番鸭卵巢的转录组分析中也发现，差异表达基因在PI3K/Akt信号通路和卵巢类固醇生成的富集最丰富。此外，Mishra等[23]研究发现，与产蛋率相关的差异表达基因主要富集在调节蛋鸡下丘脑-垂体-卵巢轴的PI3K/Akt信号通路。

3.1 PI3K/Akt信号通路与卵泡发育

在卵巢发育过程中，PI3K/Akt信号通路的激活发挥至关重要的作用。PI3K/Akt/mTOR通路关键激活因子PDK1、AKT1、mTOR和抑制因子PTEN、TSC1、TSC2在不同时期猪卵巢中的表达水平不同，参与调控卵泡的早期发生和成熟，其下游基因p-rpS6作为促进蛋白质翻译及核糖体生物合成的效应因子参与卵泡发生的生物过程[24]。Tomek等[25]在分析牛卵母细胞减数分裂过程中发现，AktThr308和AktSer473两个位点磷酸化水平在第1次减数分裂中期(Metaphase I, MI)磷酸化水平达到峰值，在生发泡期和第2次减数分裂中期(Metaphase II, MII)的磷酸化水平较低，表明Akt参与了牛卵母细胞减数分裂过程中MI/MII的转变。Kalous等[26]在猪卵母细胞中也发现Akt活性在减数分裂MI/MII期发挥重要作用。Song等[27]发现抑制细胞外信号调节激酶(the extracellular signal-regulated kinase, ERK)活性可负调控PI3K/Akt信号通路，提高猪卵母细胞成熟率。此外，生殖相关激素也可通过提高Akt磷酸化水平来激活PI3K/Akt信号通路。在猪卵母细胞体外成熟培养基中添加10 ng/mL表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)可以显著提高p-Akt Thr308磷酸化水平，并进一步提高卵母细胞成熟率和孤雌激活胚胎发育的能力，成熟培养基中添加10 μM的PS48同样可以提高卵母细胞的成熟率。相反，在成熟培养基中添加50 μM抑制剂LY294002，可以抑制卵母细胞的成熟，以及减少囊胚细胞数[28]。促黄体生成素(LH)可以提高山羊卵泡膜细胞Akt磷酸化水平，激活PI3K/Akt信号通路，促进刺激雄性激素生物合成的基因表达，诱导雄性激素生成[29]。胰岛素样生长因子1(IGF-1)经1型IGF酪氨酸激酶受体介导，使Akt磷酸化，激活PI3K/Akt信号通路，促进绵羊原始卵泡激活、颗粒细胞增殖，而PI3K失活则会抑制原始卵泡的生长[30]。

3.2 PI3K/Akt信号通路与颗粒细胞增殖分化

PI3K/Akt信号通路是细胞增殖和凋亡最主要的信号传导途径之一，与卵泡颗粒细胞的增殖分化、黄体的形成和卵母细胞成熟密切相关。Wortmannin是一种PI3K抑制剂，能够有效地抑制PI3K/Akt信号通路，进而抑制细胞增殖，促进凋亡[31]。杨有福[32]在研究猪卵巢卵泡发育过程中通过wortmannin抑制PI3K/Akt信号通路后，发现Wnt/β-catenin信号通路也随之发生抑制，导致细胞活力受到抑制，细胞凋亡发生，颗粒细胞促性腺激素受体(LHCGR)和促卵泡激素受体(FSHR)表达减少，暗示PI3K和Wnt/β-catenin通路相互协作，调控猪卵巢颗粒细胞发育。李纯锦[33]的研究表明，脑源性神经营养因子BDNF与其受体TrkB结合后，使Akt磷酸化，激活PI3K/Akt信号通路，促进增殖相关基因CCND1和CDK1和类固醇激素合成基因StAR和HSD3B1表达，引起牛卵泡颗粒细胞增殖和孕酮分泌。Liu等[34]的研究也发现，转录因子c-Jun被促卵泡激素(FSH)磷酸化后从细胞质转移到细胞核中并结合自噬相关基因Beclin1启动子区域，诱导Beclin1表达水平增加，加速猪卵泡颗粒细胞中脂滴降解，加强自噬，从而促进孕酮生成。

PI3K/Akt通路与畜禽卵泡颗粒细胞的凋亡也密切相关。Wang等[35]发现，促凋亡蛋白BimEL表达水平可以影响猪卵泡闭锁，诱导猪颗粒细胞凋亡，FSH可通过PI3K/Akt/FoxO3a途径下调BimEL表达以防止颗粒细胞凋亡。生物钟基因BmalI与猪颗粒细胞中FSHR、黄体生成素/绒毛膜LHCGR和雌激素受体2(ESR2)等激素受体基因mRNA转录水平以及孕酮和雌二醇的合成密切相关，通过PI3K/Akt/mTOR号通路参与猪颗粒细胞的激素分泌和凋亡[36]。Yuan等[37]研究发现，TGFβ家族成员BMP4基因可减少凋亡因子Caspase-9蛋白的表达水平，通过PI3K/Akt途径抑制鹅颗粒细胞凋亡。Shimizu等[38]在母牛中也发现，TGFβ家族另一成员BMP7可以通过PI3K/PDK-1/Akt通路抑制颗粒细胞凋亡，促进其存活。此外，FOXO3在鸡卵泡和卵巢颗粒细胞中表达，通过对PI3K/Akt信号通路的磷酸化负调控，促进鸡卵巢颗粒细胞的凋亡，但存在雌激素或FSH时，颗粒细胞中的FOXO3表达下调[39]。miR-204在鸡萎缩性卵巢中高度表达，通过PI3K/AKT/mTOR途径抑制FOXK2，促进卵巢颗粒细胞凋亡，并通过阻碍TRPM3/AMPK/ULK途径抑制自噬[40]。

除受内源性因子的调控外，PI3K/Akt信号通路还受外源性化合物药物的影响。山奈酚作为体外培养基中的单一抗氧化剂，用于绵羊卵泡体外培养时，1 μmol/L浓度即可维持绵羊卵泡存活，增加线粒体活性水平，促进卵母细胞减数分裂，通过PI3K/Akt通路刺激刺激卵泡发育；10 μmol/L浓度时，可通过PI3K/Akt通路促进腔前卵泡活化，刺激颗粒细胞增殖，减少腔前卵泡中DNA断裂[41]。白藜芦醇也可通过激活PI3K/Akt通路减少DNA片段化，刺激颗粒细胞增殖，促进原始卵泡激活及次级卵泡生长[42]。此外，Yao等[43]发现，二甲双胍可通过调控线粒体相关内质网膜和PI3K/Akt通路的协作，抑制鸡卵泡闭锁。二甲双胍一方面调节钙离子稳态，缓解内质网应激，抑制线粒体凋亡因子的释放；另一方面，激活PI3K/Akt通路，抑制其下游凋亡因子激活，增强雌激素水平，防止卵泡闭锁。

4 小 结

越来越多的研究发现，PI3K/Akt信号通路对畜禽繁殖有着重要的影响，该通路的信号转导活化多种下游信号分子，调控畜禽生殖细胞的增殖、凋亡等。深入探究畜禽生殖细胞与PI3K/Akt信号通路之间的调控机制，阐明其在生殖细胞发生、成熟过程中的作用机制，有助于改良畜禽繁殖能力，为诊断和治疗影响畜禽生殖的疾病提供新的思路，对进一步提高畜禽生产力有着重要意义。