硒及硒蛋白調節公畜繁殖性能的機理研究進展

龔番文，張海波，幸清鳳，關瑋琨，黎力之*，郭冬生*，賴 濤

（1.宜春學院生命科學與資源環境學院，江西省高等學校硒農業工程技術研究中心，宜春市功能農業與生態環境重點實驗室，江西宜春 336000；2.宜春學院計劃財務處，江西宜春 336000；3.宜春學院醫學院，江西宜春 336000）

1973 年，Rotruck 等[1]首次報道硒蛋白—谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GPx），提出硒和硒蛋白具有重要生理功能。Moreno 等提出機體硒循環中硒蛋白占90%以上，硒代謝產物約5%，認為硒的生理作用是硒蛋白及硒代謝產物的共同作用來實現的[2]。氧化應激是造成動物繁殖機能障礙的因素之一，畜禽精液中不飽和脂肪酸含量高，有利于維持精子活力，但易產生過氧化反應，影響精子生物膜完整性和睪丸組織發育。雄性哺乳動物生殖器官有聚硒能力，且精清中硒含量與飼糧中硒水平呈正相關，硒通過組成GPx 參與抗氧化，可保護生物膜免受氧化損傷并維持精子正常形態結構[3]。動物長期采食低硒日糧會導致曲精細管和生精細胞發育不良，精液品質下降，降低繁殖性能[4]。硒可影響精子細胞轉錄因子的激活蛋白1（Activator Protein-1，AP1）和核因子-кB（Nuclear Factor-kappa B，NF-кB）與DNA結合的活性，調控其亞基的基因表達，參與細胞增殖分化、凋亡等過程[5]。硒還可調控精子的細胞周期及凋亡基因的表達進而影響細胞增殖及細胞周期進程[6-7]。近年來，硒應用于動物營養及繁殖性能方面的研究推動了畜牧業經濟的發展。本文就硒蛋白在動物體內生物學功能及通過抗氧化維持精子正常形態、提升精液品質等作用進行綜述，為硒及硒蛋白在動物生產中的進一步應用研究提供理論參考。

1 硒蛋白

1.1 硒蛋白概述 硒蛋白是硒代半胱氨酸（Selenocysteine，Sec）摻入肽鏈形成的蛋白質，并作為體內硒主要存在形式和發揮生物學效應的載體。硒代半胱氨酸存在于所有硒蛋白中，并作為其活性中心直接參與催化反應。缺硒易造成硒蛋白含量和活性降低，細胞正常生理功能受阻；攝入硒可有效提高機體超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、GPx 等抗氧化酶數量并增強機體抗氧化水平[8]。目前，發現哺乳動物體內存在25 種硒蛋白，如GPx、硒蛋白P、硒蛋白K、硫氧還原蛋白還原酶（Thioxoreductase reductase，TrxR）和脫碘酶等，參與機體多項生理活動[9-12]。GPx 家族在哺乳動物中有8 個成員，絕大多數為含硒蛋白，廣泛分布于胃腸道、肝腎等組織中，在抗氧化、保護細胞膜正常結構和功能中起重要作用[13]。硒蛋白P 是血漿硒的主要存在形式，兼有抗氧化、硒轉運功能[14]。硒蛋白K 在心肌細胞中起抗氧化作用，在免疫細胞活化中調節Ca2+流量并參與內質網相關蛋白的降解[15]。TrxR 與硫氧還蛋白（Thioredoxin，Trx）通過組成Trx 系統調節機體氧化還原平衡并參與胞內多種信號通路的激活，調控細胞生長、增殖及凋亡[16]。

1.2 硒蛋白生物學功能 硒蛋白主要依賴其自身的氧化還原特性而發揮生物學作用。在抗氧化方面，公畜精液內GPx 主要存在于精細胞線粒體膜上，通過抗氧化作用可有效阻礙膜磷脂的自主氧化，維持精子細胞膜還原態[17]。研究表明，睪丸中硒濃度、GPx 活性及GPx mRNA 水平與飼糧中硒添加量呈正相關，但硒過量會加重機體氧化應激，破壞精子細胞膜，增加畸形率[18]。研究發現，飼糧中加入亞硒酸鈉和維生素E 可使精細胞內線粒體排列完整，質膜緊貼尾中部并結合緊密，降低精漿中天冬氨酸轉氨酶含量，維持精細胞膜完整性，提升公豬精液品質[19-20]。GPx4 在精細胞發育早期具有抗氧化的硒酶活性，而在精子成熟期以非活性的形式摻入精子尾部中段，形成包裝三磷酸腺苷的特有結構微囊，該結構對維持精子正常形態和運動發揮重要作用[21]。在抗炎癥方面，硒既可促進巨噬細胞中白介素-10（IL-10）、IL-1ra 等抗炎細胞因子的分泌，又能抑制IL-1α、IL-6等促炎細胞因子的基因表達，從而起到抗炎癥的作用[22-23]。在日糧中添加硒代蛋氨酸可提高機體免疫應答能力，減輕由脂多糖誘導的雞氣管炎癥狀[24]。此外，硒蛋白還具有調節內分泌激素代謝、延緩衰老及預防癌癥等生物學作用[25]。

2 硒及硒蛋白對公畜繁殖性能的影響機理

2.1 硒對畜禽雄性激素及生精組織的影響機理 研究顯示，補硒可提高公豬生精組織中GPxmRNA 的基因表達和GPx 活性[26]。Shi 等[27]在妊娠期和哺乳期的基礎日糧中添加0、0.5、2.0 mg/kg 的富硒酵母，發現添加硒可提高后代山羊睪丸重量、體積。母代飼糧添加0.5 mg/kg的硒可提高公羊羔生精細胞、間質細胞密度以及睪酮（Testosterone，T）水平，但高劑量硒反而會損害公羊羔生精組織結構[28]。張建新等[29]研究發現，添加1 mg/kg硒（亞硒酸鈉）組海蘭褐公雛雞的睪精細管發育最好，有明顯的管腔，管壁完整，生精細胞形成良好，但添加5、10、15、20 mg/kg 硒（亞硒酸鈉）組顯示曲精細管發育差、細管破裂及無精子等現象，生精組織受損程度隨硒濃度的提高而明顯增加。曲精細管和間質細胞分泌的T 是一種類固醇激素，可促進睪丸發育及精子成熟、刺激精原細胞增殖和維持第二性征，且受促卵泡素（Follicle-Stimulating Hormone，FSH）和促黃體素（Luteinizing Hormone，LH）的調控[30]。機體約95%的T 是由間質細胞合成分泌，因此間質細胞活度直接影響精子能否順利產生[31-32]。鎘（Cadmium，Cd）是一種易于在機體蓄積，誘導生殖細胞氧化應激并凋亡的元素。研究發現，對小鼠間質細胞用20 μmol/L Cd 和不同濃度的納米硒處理，細胞經Cd 處理24 h 后，促凋亡蛋白Bax表達顯著提高，抗凋亡蛋白Bcl-2表達減少，Bax/Bcl-2 比值上升，細胞逐漸皺縮并發生染色質凝聚和核固縮等典型的細胞凋亡特征；納米硒和Cd 共處理組的細胞Bax/Bcl-2 比值下降，細胞活度提高，抑制因氧化應激而造成的細胞凋亡，提示硒通過Bax/Bcl-2 途徑調節睪丸間質增殖和凋亡[33]。對蛋用種雞飼喂添加酵母硒的日糧可提高公雞總抗氧化能力和過氧化氫酶活性，降低血漿丙二醛含量、FSH、LH 和T 的水平，且精子活力也隨日糧硒濃度增加而升高[34]。Marin 等[35]研究發現，飼糧中加入硒和維生素E 可穩定公豬副性腺中前列腺素的分泌并促進T的分泌。綜上所述，硒對公畜生精組織的影響可能通過影響性激素的分泌和機體抗氧化作用從而促進睪丸等生殖器官發育，維持曲精細管正常組織結構和精液品質。因此，動物飼糧中添加一定濃度的硒對雄性動物生殖器官發育和精子品質有積極影響，但添加高劑量硒會損害生精組織結構，造成機體硒中毒。

2.2 硒及硒蛋白對精子細胞轉錄因子和周期調節因子的影響機理 精子的發生是一個高度有序的周期性過程，涉及生殖細胞增殖、分化及凋亡等活動。硒通過影響雄性生殖細胞內轉錄因子AP1、NF-κB和細胞周期調節因子的基因表達調控精子的發生和細胞周期進程。AP1被譽為細胞內信號轉導的第三信使，是一種由Jun、Fos、ATF 和MAF 蛋白亞家族成員組成的同源或異源二聚體，其中最典型的是由c-Jun 和c-Fos 組成的異源二聚體AP1，通過堿性亮氨酸拉鏈而結合DNA 靶序列并調節靶基因轉錄，從而影響細胞增殖分化及凋亡等活動?；钚匝酰≧eactive Oxygen Species，ROS）、細胞因子和磷酸化的絲裂原活化蛋白激酶家族成員均可活化AP1，被磷酸化的AP1 隨即進入細胞核，調控基因表達[36]。AP1 結合在γ-谷胱甘肽合成酶、TrxR1、SOD等抗氧化酶基因的啟動子區域，因此其活性可影響酶的合成和細胞抗氧化能力。AP1 活性主要受Jun 和Fos 蛋白磷酸化的影響[37]。Shalini 等[37]研究發現，相較于適宜硒組，缺硒組小鼠體內硒含量和GPx 活性顯著降低，脂質過氧化反應的產物顯著增加；硒適宜組小鼠精原細胞和精母細胞的c-Jun和c-FosmRNA 表達水平在有絲分裂時期較高，減數分裂時期下降，精細胞成熟時達到峰值；而缺硒小鼠的c-Jun和c-FosmRNA 表達水平以及c-Jun磷酸化程度很低，幼精細胞和成熟精子細胞數量明顯減少，精子活力減弱。對體外培養的小鼠睪丸細胞單獨加入0.5、1.5 μmol/L 的亞硒酸鈉，或同丁硫氨酸亞砜亞胺（BSO，谷胱甘肽耗竭劑）發現，添加0.5 μmol/L硒組的細胞內c-Jun和c-Fos基因表達增強，而添加1.5 μmol/L 硒或使用BSO 會耗竭谷胱甘肽，使細胞產生過量的ROS，誘導P65（NF-κB 的亞基）基因的表達[38]。AP1 的表達通常涉及細胞的增殖及分化，且有利于精子的生成，而NF-κB基因的激活會誘導細胞凋亡[5]。另有研究提出，參與細胞信號轉導的蛋白激酶以及轉錄因子AP1 和NF-κB 的蛋白分子半胱氨酸側鏈上都含有CH2-SH，是細胞用以感受氧化還原狀態的特殊結構[39]。當半胱氨酸的巰基被巰基氧化劑或烷化劑氧化為二硫鍵時，AP1 與DNA 結合活性明顯下降，胞內信號轉導及基因轉錄等過程也受到抑制。而細胞通過TrxR 的氧化還原作用使AP1 半胱氨酸殘基處于還原狀態，從而維持AP1 和DNA 的結合活性和轉錄活性[40]。說明硒蛋白的抗氧化作用可調節轉錄因子的活性從而影響精子細胞的增殖及凋亡。精子細胞的增殖還受到細胞周期進程的影響。細胞周期能否順利完成依賴于細胞周期蛋白（Cyclins）、細胞周期依賴性激酶（Cyclindependent kinase，CDKs）及細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑（Cyclin-Kinase Inhibitors，CKI 如P21、P27）等周期調節因子的共同調節作用[41]。細胞周期調控因子基因的異常表達或周期蛋白的活性受到抑制通常伴隨著細胞周期阻滯，進而造成細胞凋亡[42]。硒缺乏或過量都會增強綿羊精原干細胞中脂質過氧化反應，造成的氧化應激引起精子質膜不完整，染色質凝聚程度低，線粒體結構異常，精子增殖受到抑制且凋亡程度高；而添加2 μmol/L 的硒可顯著提高精子頂體完整率，降低精子畸形率，增強細胞周期調節蛋白CyclinB1、CDK1 以及抗凋亡蛋白Bcl-2 的分泌，降低激酶抑制劑P21、P27以及促凋亡蛋白Bax、Caspase的基因表達，從而促進細胞的增殖[6]。研究表明，高硒或缺硒均會下調小鼠和山羊精子細胞中CyclinB1、CDK1的基因表達，上調P21的基因表達，最終造成細胞周期阻滯[7,43]。綜上所述，硒及硒蛋白在精子的發生和機體抗氧化中起至關重要的作用。硒蛋白通過影響雄性生殖細胞內轉錄因子AP1、NF-κB 的轉錄活性以及細胞周期調節因子CyclinB1、CDK1、P21和凋亡相關基因Bax、Bcl-2的表達，進而調控精子增殖分化、凋亡和細胞周期進程。但要完全闡明硒蛋白對轉錄因子的調控和在相關信號通路中的作用以及參與精子細胞周期調控的分子機制仍需要更深入的探究。

3 小結與展望

硒和硒蛋白具有提高動物機體抗氧化能力，維持精子細胞正常形態結構和增殖分化，在公畜雄激素的分泌、生精組織的正常形態結構以及精子的發生中具有重要作用。在精子細胞的生成過程中，硒蛋白參與胞內轉錄因子AP1、NF-κB 的調控：①TrxR 維持AP1 半胱氨酸殘基的還原狀態，增強AP1 與DNA 結合的活性，提高c-Jun和c-Fos基因表達，促進細胞增殖；②發揮抗氧化作用清除胞內過多的ROS，抑制NF-κB 的亞基P63基因表達，調控細胞進程。然而，硒缺乏或過量都會造成CDKs/Cyclins 復合物下調，增強激酶抑制劑的表達，使細胞周期停滯在G2/M 期。因此，硒和硒蛋白與精子的發生及細胞進程密切相關。近年來，分子生物學技術應用與發展為硒對細胞調控機制的研究提供了新的技術手段。然而，硒蛋白對精細胞轉錄因子及細胞周期調節蛋白的作用機制研究尚淺，對于硒具體通過哪些硒蛋白在睪丸內維持精細胞氧化還原平衡以及硒蛋白是否參與調節其他有關精細胞增殖的信號通路等問題仍未明確，需要更進一步研究。