熱應激影響動物生殖的表觀遺傳學機制研究進展

魏金銷 ，申艷超 ，張士坤 ，張 偉 ，白躍宇 ，3

（1.河南省種牛遺傳性能測定中心，鄭州 450046；2.河南科技學院動物科技學院，新鄉 453003；3.河南省動物衛生監督所，鄭州 450008）

隨著全球溫室效應的增加和我國畜牧業集約化、產業化程度的提高，熱應激在動物生產上的危害已日趨嚴重。諸多研究表明，熱應激對雌雄性動物的生殖具有顯著的負面影響，可導致其生殖細胞損失和精液質量不佳［1-4］。

表觀遺傳學是在基因的核苷酸序列不發生改變的情況下，研究可遺傳的基因表達改變，從而闡明基因組功能、基因表達調控及其在生物體中的作用，是一門遺傳學分支學科。表觀遺傳學機制在動物生殖過程中各個方面都起到廣泛而巨大的作用。因此，通過表觀遺傳學研究動物熱應激機制對降低動物高溫天氣的養殖損失具有重要意義。

1 熱應激對動物生殖機能的影響

1.1 熱應激對雄性動物生殖機能的影響

睪丸是雄性動物具有繁殖能力的組織。精原細胞通過有絲分裂、減數分裂和細胞分化最終形成精子，這一過程需要適宜的內外環境，與溫度有關的變化都可能導致雄性動物精子的異常，造成不育［5-6］。Rahman 等［7］和Schüller等［8］在多個熱帶或亞熱帶地區的研究結果表明，高溫氣候對養殖業的負面影響非常明顯，可導致種公牛在夏季的生殖性能下降。Wang 等［9］、Yeste 等［10］研究報道了夏季高溫作為一種熱應激源對牛、山羊、兔子等多種草食動物的精子質量有著嚴重負面影響。也有研究報道指出，夏季高溫對種公牛的精子質量有著嚴重影響，可導致種公牛（例如利木贊，夏洛來、皮埃蒙特牛等）出現不射精或射少量的精液，精子活力降低，密度中下等，顏色灰白色，活精子百分數、頂體完整率均顯著降低，精子畸形率也顯著升高（P＜0.05）。Rahman等［1］通過熱應激對牛精子影響的研究發現，在發育減數分裂階段的精子更容易受到熱應激的影響。

1.2 熱應激對雌性動物生殖機能的影響

熱應激對雌性動物的生殖具有廣泛的負面影響。Kadokawa等［11］研究發現，熱應激會導致母牛發情周期的縮短和發情程度減弱，而且增大母牛不發情的發生率。此外，熱應激對母牛卵母細胞、受精過程、早期胚胎形成、胚胎發育諸多方面都有負面影響［12］。Ozawa等［13］研究發現，雌性山羊暴露于36.8℃和70%的相對濕度環境中48 h后，其卵泡生長發育受到抑制，LH受體表達減少和卵泡雌二醇合成活性降低。Schüller等［14］的研究結果表明，熱應激對奶牛同樣存在諸多負面影響，高溫高濕環境下母牛血清中雌二醇水平急劇下降，血液中孕酮水平上升，限制了發情期內LH的波動和釋放，從而阻止排卵。St-Pierre等［15］研究發現，熱應激導致奶牛繁殖力降低40%～50%，產犢到懷孕平均間隔延長到59.2 d，因繁殖疾病而增加的淘汰率達7.99%。也有研究報道，牛舍氣溫從33.3℃升高至41.7℃時，奶牛的受胎率從61.5%下降至31.0%。

2 熱應激影響動物生殖的表觀遺傳學機制

2.1 對配子及其發生的影響

2.1.1 對雄性配子及其發生的影響 表觀遺傳學機制參與熱應激對精子發生的影響。雄配子發生是精原細胞（PGCs）連續分化和發展的過程［1］。PGCs分裂后形成A、B兩種類型精原細胞。B型精原細胞分裂增殖為初級精母細胞，初級精母細胞進行第1次分裂，形成2個次級精母細胞。次級精母細胞再立即進行第2次分裂，形成 2 個精子細胞［16］。Houston 等［17］研究發現，在精原細胞2次分裂過程中，存在一定的熱敏感階段，當雄性小鼠暴露于35℃的高溫環境中24 h，發現其精子線粒體ROS生成增加，精子膜流動性增加，單鏈斷裂形式的DNA損傷和氧化DNA損傷顯著增加。Leung等［18］研究發現，熱應激牛產生的精子在體外形成合子的過程中，與正常精子相比，由于其甲基化和去甲基化的程式發生了改變，導致其受精率顯著下降，合子發育出現異常。Rao等［19］通過對小鼠生殖性能的熱應激試驗發現，與對照組正常小鼠相比，熱應激組小鼠睪丸發生顯著的生殖細胞凋亡，而且，有11種microRNA顯著表達變化，例如，miR-4493-3p，miR-92a 1-5p，miR-423-3p，miRNA-1283p。此外，在線蟲的研究中，當在32℃下加熱 15、20、25 h 后，與對照組相比，miR-71a、miR-80、miR-229的缺失，miR64-66團簇的熱敏感性，miR-23的缺失導致其耐熱性［20］。

2.1.2 對雌配子及其發生的影響 在哺乳動物中，卵母細胞數量在出生時已固定。與雄配子類似，雌配子同樣受到熱應激的負面影響。Itami等［21］研究發現，當采用短期熱應激（41.5℃）處理母豬卵丘卵母細胞復合物（COCs）時，其熱休克蛋白72的表達水平上升，而且誘導線粒體降解。夏季高溫熱應激會導致牛卵巢中顆粒細胞諸如熱休克蛋白家族HSP60、HSP70、HSP90等的microRNA表達發生巨大變化，其中175個基因上調表達，1 036個基因下調表達，值得關注的是多種表觀遺傳學相關的基因發生變化，如miR-2358、miR-671等高表達［22］。

2.2 對母畜受精的影響

越來越多的研究表明，熱應激通過表觀遺傳學機制影響動物的受精過程。在受精過程中，當精子穿透卵母細胞后，精子DNA會被去甲基化，這一步是形成合子的必需步驟，如果精子發生染色質凝聚會導致異常的精子DNA甲基化。當用熱應激后的牛精子進行受精的時候，與正常精子相比，在受精后18 h和24 h，牛受精卵中父核DNA顯著減少去甲基化，而且受精率顯著下降［16］。

2.3 對胚胎發育的影響

胚胎發育是胚胎在母體子宮內形成和發育的過程。隨著研究的深入，有大量報道指出表觀遺傳機制在胚胎發育過程中起到廣泛而重要的作用。例如，胚胎發育過程中的DNA甲基化小鼠在胚胎發育過程中，從受精卵到囊胚期，全基因組DNA甲基化顯示出持續下降。與此相反，DNA甲基化在胚胎早期階段較低，但隨著6～8個細胞階段發育，其DNA甲基化增加直到囊胚期，并且在猴子胚胎8細胞期全基因組DNA甲基化升高［23］。熱應激通過表觀遺傳調控可能直接影響胚胎發育。研究熱應激對不同的培養條件下受精卵發育能力影響的結果表明，在重度和中度（41°C和40°C）熱應激條件下，大多數胚胎發育在2細胞時期停滯。Dobbs等［24］通過RT-PCR檢測胚胎存活和滋養層細胞分化基因表達的研究發現，在長期溫和的熱應激（39°C）條件下，與細胞表觀遺傳調控的轉錄因子GATA3、Cdx2、Tcfap2c顯著降低，暗示熱應激可以通過改變與細胞表觀遺傳調控的轉錄因子進而作用于胚胎發育。

2.4 對生殖相關激素的影響

雖然熱應激對生殖相關激素的作用廣泛，但是其表觀遺傳學機制報道較少。Choi等［25］研究發現，采用RNA芯片分析急性熱應激刺激排卵后期荷斯坦奶牛優勢卵泡中顆粒細胞相關生理指標以及RNA表達，發現mir-2480表達顯著下調。Tomer等［26］的研究結果表明，當熱應激處理3日齡雛雞，發現其腎上腺皮質激素釋放激素（CRH）內含子的DNA CpG甲基化（5mC）和羥甲基化（5hmC）作為調控元件調控其表達。Vanselow等［27］采用褪黑素處理熱應激后的豬卵母細胞的研究發現，處理后的豬卵母細胞的體外成熟和囊胚率均有提高。而SIRT1蛋白是生命體中廣泛存在的一類依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），在體內與多種組蛋白為底物，通過去乙酰化作用來調節其活性的一種組蛋白脫乙酰酶；其廣泛參與調控哺乳動物細胞壽命的信號及糖代謝、胰島素分泌等多條代謝通路，對代謝綜合征、細胞凋亡、心血管疾病和神經退行性疾病等發揮重要作用［28-30］。暗示褪黑素可能通過SIRT1參與組蛋白的乙酰化修飾方式參與熱應激下豬卵母細胞的體外成熟。

3 小結

隨著全球溫室效應劇增，夏季高溫作為一種熱應激源對動物生殖產生越來越大的影響，對世界各國的畜牧生產帶來嚴重損失。表觀遺傳學機制在動物生殖過程中各個方面都起到廣泛而巨大的作用，而且還在不斷地深入研究和擴大。因此深入研究熱應激影響動物生殖的表觀遺傳學機制，不僅給諸如醫學、生殖生物學等基礎學科提供理論借鑒，而且為解決夏季高溫這一熱應激源導致的實際畜牧業生產中的問題提供理論支持。