褪黑素(melatonin,MT)其化学名称为N-乙酰基-5甲氧基色胺,又称松果体素,是一种由松果体合成的吲哚杂环类色氨酸衍生物。MT可与其受体结合发挥其生物学作用,具有调节动物生物节律、免疫等作用[1]。存在于松果体内的MT可以通过神经元受体和激素对胃肠道运动节律和生理功能进行调控,从而对动物的摄食行为和生产性能产生影响[2];MT不仅存在于松果体内,近期研究还发现在哺乳动物胃肠道中也广泛存在,由于其很强的抗氧化能力和清除自由基的能力,对胃肠道具有一定的保护作用,可以防止胃肠道黏膜受损,增强胃肠道菌群丰度等[3]。因此,本文旨在概述MT通过神经系统和内分泌系统对反刍动物胃肠道生理功能发挥的积极影响,以期阐明MT对反刍动物胃肠道的作用机制以及为调控胃肠道健康提供一定的参考。
1 MT的合成分泌及其作用机制
胃肠道黏膜中肠嗜铬细胞是产生MT的主要来源,其主要通过色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase,TPH)、芳香族L-氨基酸脱羧酸(aromatic L-aminoacid decarboxylase,AADC)、5-羟色胺-N-乙酰基转移酶(serotonin-N-acetyltransferase,AA-NAT)、乙酰血清素甲基转移酶(acetylserotonin O-methyltransferase,ASMT)4种酶依次合成5-羟基色氨酸(5-hydroxytryptophan,5-HTP)、5-羟色胺(serotonin,5-HT)、N-乙酰基-5-羟色胺(N-acetylserotonin,aHT)和MT[4],此外,胃肠道MT的分泌可能还会受到营养因素的影响[5]。而松果体的MT不仅受酶活性影响还受光影响[6],当视网膜光感受器细胞受光刺激产生电信号,经下丘脑纤维束传递至视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN),SCN调节下丘脑神经末梢释放去甲肾上腺素(norepinephrine,NE),并与松果体中的肾上腺素能β1受体结合,促使交感神经兴奋,增加了环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)产生,进一步激活了AA-NAT合成,从而节律性地调节MT合成与分泌,一旦分泌,就会迅速分泌到脑脊液和血液中[7-8]。
图1 MT的合成途径和作用Tryptophan: 色氨酸;5-hydroxytryptophan:5-羟基色氨酸;Serotonin:5-羟色胺;N-acetylserotonin:N-乙酰基-5-羟色胺;TPH:色氨酸羟化酶 tryptophan hydroxylase;AADC:芳香族L-氨基酸脱羧酶 aromatic L-amino acid decarboxylase;ASMT:乙酰血清素甲基转移酶 N-acetylserotonin O-methyltransferase;AA-NAT:N-乙酰基-5-羟色胺 serotonin-N-acetyltransferase;Melatonin:褪黑素。 Fig.1 Synthesis pathway and function of melatonin[12] |
2 反刍动物中MT的来源与分布
反刍动物中MT的来源可能有3种:1)通过胃肠道黏膜的肠嗜铬细胞分泌的MT。由于MT有更高的亲脂性,可以通过固有层和黏膜下层中的血管移动到更深层,作用于肌间神经系统,调节胃肠运动[13]。而对于MT的分布,起初发现奶牛的瘤胃肌层和瘤胃液中有MT,并且在瘤胃肌层MT的含量远远高于在瘤胃液中的MT含量[14];Bubenik等[15]继续研究发现,在瘤胃的黏膜层上MT含量最高,但明显低于回肠、盲肠。不同的是蒋玉婷等[16]研究发现,合成MT的关键合成酶AA-NAT和ASMT在羊的皱胃上蛋白表达量最高,且主要合成部位在黏膜层,说明绵羊各胃中不仅具有自主合成MT途径而且MT在胃肠道中的分布具有种属差异性。2)还有一部分MT可能来源于血液循环。欧阳佳良[17]进行了对泌乳奶牛瘤胃MT含量昼夜节律变化的研究,发现了瘤胃内不仅存在具有昼夜节律性的MT,而且瘤胃液中的MT含量与血清中的MT含量呈正相关。3)此外,瘤胃内的MT也可能来源于反刍动物的唾液。因为瘤胃内几乎有100 L左右的唾液,而唾液中含有大量的激素,比如MT和催乳素(prolactin,PRL)[18]。
3 MT通过神经系统对胃肠运动的调控
在哺乳动物胃肠道中含有多种神经元受体,如5-HT受体、胆碱能受体、多巴胺(dopamine,DA)受体、γ-氨基丁酸神经元受体、促肾上腺皮质激素释放激素受体和肾上腺素受体等,从而对胃肠道的运动和生理功能产生影响[19]。
3.1 5-HT受体和MT受体
在神经调节中,反刍动物胃肠道运动主要是通过迷走神经和交感神经进行调控,其中迷走神经中的蛋白偶联受体65(G protein-coupled receptor 65,GPR65)和胰高糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)受体神经元可能是引起反刍行为的主要原因,由于GPR65和GLP-1神经元虽参与不同的神经回路,但最终都投射到孤束核,因此,孤束核可能是连接大脑与瘤网胃的重要器官,并受MT前体物质5-HT的调节[20]。有研究报道,在山羊中发现5-HT受体激动剂对前胃收缩的抑制作用是由于与外周和中枢5-HT受体的相互作用,使平滑肌舒张导致通过迷走神经传入传递到中枢神经系统的信号发生变化[21]。而5-HT和MT之间存在动态平衡,在胃肠道中,高剂量的MT抑制胃肠道肌肉的自发性收缩或血清素诱导的收缩。相反,低剂量的MT刺激肠收缩主要与迷走神经传入纤维上的5-HT3受体相互作用,引起胃肠道肌肉收缩[22]。此外,MT2受体作为迷走神经信号与MT结合,可以增加细胞内钙离子(Ca2+)含量从而刺激一氧化氮(nitric oxide,NO)、降钙素基因相关肽等介质的产生介导胃血流量增加、清除活性氧代谢物和抑制胃酸分泌,对胃肠道进行保护[23-24],而MT1受体可以偶联蛋白介导磷酸肌醇特异性磷脂酶活性和刺激细胞内Ca2+的水平并引起肌肉收缩[25]。
3.2 胆碱能受体和肾上腺素能受体
乙酰胆碱作为神经与肌肉之间的主要神经递质,可以激活瘤胃神经系统内平滑肌细胞或神经细胞上的受体引起平滑肌的收缩[26]。其中在牛的松果体细胞中发现,选择性刺激烟碱型乙酰胆碱受体可以诱导电压依赖性钙通道(voltage dependent calcium channel,VDCC)使Ca2+内流,释放谷氨酸(glutamic acid,Glu)激活胃肠蛋白偶联的代谢型谷氨酸受体,但与大鼠松果体细胞相反,胆碱能和谷氨酸能刺激并不抑制NE诱导的牛松果体细胞MT产生的增加(图2 )[27-28]。且MT可以和Ca2+激活的钾离子(K+)通道之间相互作用,阻断烟碱通道从而引起胃肠舒张。Jo等[29]研究发现,MT还可以直接抑制烟碱型乙酰胆碱受体(nicotine acetylcholine receptor,nAChR),因为MT对去甲肾上腺素能神经末梢和肌下神经丛中的nAChR具有直接的结合亲和力,说明MT可能是胃肠道烟碱通道的局部调节剂。
图2 MT通过神经系统对平滑肌的调控BK:BK离子通道BK channels;VDCC:电压依赖性钙通道 voltage dependent calcium channel;nAChR:烟碱型乙酰胆碱受体 nicotine acetylcholine receptor;Glu:谷氨酸 glutamic acid;mGluR3:代谢型谷氨酸受体亚型3 metabotropic glutamate receptor subtype 3;MT:褪黑素 melatonin。 Fig.2 Regulation of smooth muscle by melatonin nervous system[26] |
3.3 DA受体
反刍动物的奖赏系统受中脑边缘的DA能系统进行调控,系统中MT相关cAMP的增加表明了MT对DA具有一定的调节作用。此外,已有研究表明,MT可以抑制下丘脑和视网膜中的DA释放,MT的抗兴奋作用可能是由于其抗氧化作用并显示出与谷氨酸相反的效果[30]。MT对下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA)的日常节律在大多数哺乳动物物种中都有明显的昼夜节律,但在反刍动物中只有绵羊较为明显,且MT对绵羊促肾上腺皮质激素可产生直接抑制作用[31]。Aggarwal等[32]将MT注入到牛体内时,检测到血浆的去甲肾上腺素、DA和肾上腺素含量的增加,但肾上腺素含量的增加并不会一直持续。这说明由β-肾上腺素激素分泌的MT可能通过HPA或者血液循环作用于胃肠道上的肾上腺素受体,从而影响反刍动物胃肠道的运动性。同时,Walker等[33]研究表明,儿茶酚胺是由L-酪氨酸为前体物质转化得到去甲肾上腺素、肾上腺素和DA,并且能够对瘤胃发酵产生影响和影响动物的反刍行为。
4 MT通过内分泌系统对胃肠道的调控
内分泌系统中的各类激素传递化学信息调节胃肠道运动,而下丘脑-垂体轴作为内分泌系统的调控中枢,可释放胃肠道激素以及肽类物质,经血液循环可以到达瘤胃,来辅助调节瘤胃运动[34]。
4.1 胃肠道激素
胃泌素和胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)也称胃泌素-胆囊收缩素。这2种激素会引起动物的反刍行为,所以对绵羊静脉注射胃泌素时会引起网胃-瘤胃紧张性收缩[35]。MT与胃泌素受体拮抗剂分子的结构相似性,MT2可以介导胃泌素和黏膜碳酸氢盐的分泌,从而使胃排空速度减慢并对胃肠道黏膜产生了保护作用[36]。在之前的研究中发现,CCK可能通过激活迷走神经元上的瘦素或内脏传入神经元向大脑摄食中枢传递抑制信号,使瘤胃收缩抑制,减少摄入量、提高瘤胃消化率[37-38]。此外,MT和色氨酸对胃黏膜表现出强大的保护作用,可以加速溃疡愈合,同时通过涉及肠胰反射和CCK的机制刺激胰腺外分泌功能[39],从而影响摄食行为甚至反刍的收缩频率。已有研究表明,MT或其前体L-色氨酸可以通过刺激CCK释放肽和激活十二指肠-胰腺反射来刺激CCK分泌,提高CCK含量、十二指肠液中胰腺α淀粉酶活性和小肠淀粉消化速率,MT主要是通过与肠内分泌细胞的CCK受体结合对瘤胃产生抑制作用[40-41]。
4.2 肽类激素
肽类激素主要由下丘脑分泌,而下丘脑主要是通过促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)和促甲状腺激素来调控胃肠运动,从而影响动物的摄食行为。Rhind等[42]研究发现,肽类激素胰岛素、PRL、瘦素分泌具有昼夜节律性且能够进入大脑控制反刍动物的摄食行为。
4.2.1 胰岛素
有研究发现,奶牛摄入了含有外源性MT的水后会增加血液中的胰岛素和葡萄糖含量,而MT可能会削弱晚间饲喂奶牛饱腹感,使奶牛消耗更多的饲粮[43]。这可能是因为MT可以通过受体MT1、MT2分别与Gi蛋白偶联,进而降低了腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase,AC)和cAMP的水平,从而抑制环核苷酸系统(protein kinase A system,PKA)、GLP-1和葡萄糖依赖性促胰岛素多肽分泌,使胰岛素含量减少[44]。而MT2受体可以对NO诱导的可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanosine cyclase,sGC)产生负面影响,它激活环磷鸟苷(cyclic gmp,cGMP)和依赖性蛋白激酶G(protein kinase G,PKG),活化的PKG可以直接磷酸化,其中cGMP信号级联也靶向环核苷酸门控离子通道(cyclic nucleotide-gated channel,CNG)影响Ca2+的释放。由于MT对三磷酸肌醇(inositol triphosphate,IP3)的释放有刺激作用,所以MT1可以激活PLC/IP3通道释放大量Ca2+,增加了与致密核心大囊泡融合的促进胰岛素的分泌(图3 )[45]。此外,在单胃动物和反刍动物中发现,MT和胰岛素之间可以相互作用,其主要是引起脂肪细胞对胰岛素的敏感性的增强,不仅如此,MT赋予了脂肪细胞响应胰岛素刺激合成瘦素的能力,在牛中胰岛素可以显著增强牛皮下脂肪组织中瘦素mRNA的表达[46-47]。
图3 MT通过不同信号通路对胰岛素的影响AC:腺苷酸环化酶 adenylate cyclase;cAMP:环磷酸腺苷 cyclie adenosine monophosphate;cGMP环磷酸鸟苷cyclic guanosine monophosphate;GC:鸟苷酸环化酶guanylatecyclase;IP3:三磷酸肌醇inositol wrisphosphate;MT1/MT2:褪黑素受体1/褪黑素受体2 melatonin receptor 1/melatonin receptor 2;PLC:磷酸酶C phospholipase C;PKA:蛋白激酶A protein kinase A;PKC:蛋白激酶C protein kinase C;PKG:蛋白激酶G protein kinase G;CNG channel:环核苷酸门控离子通道cyclic nucleotide-gated channel;MT:melatonin 褪黑素;K+ ATP channel: K+ ATP 通道;Ca+ L-channel: Ca+ L通道。 Fig.3 Effects of melatonin on insulin through different signal pathways[48] |
4.2.2 PRL
已有研究表明,PRL受体存在于许多参与代谢和食物摄入的组织中,例如,下丘脑、小肠和脂肪组织等,因此PRL给药一定程度上可以影响哺乳动物的食物摄入量[49],其机制可能是由于催乳素释放肽(prolactin releasing peptide,PrRP)诱导饱腹感机制下丘脑催产素和促肾上腺皮质激素释放因子(corticotropinreleasing factor,CRF)信号通路来进行调控[50],而MT可以抑制促肾上腺皮质激素的不断合成,影响CRF通路减弱了PrRP诱导的摄食行为和胃排空。但当PrRP刺激的摄食行为达到峰值后,释放α-MSH使一种黑皮质素受体增加,刺激黑皮质信号,减弱食欲生成途径[51]。此外,下丘脑弓状核分泌的结节漏斗部DA神经元(tubero-infundibular dopamine,TIDA)分泌的DA也可通过下丘脑-垂体抑制PRL分泌,而MT通过刺激TIDA神经元对PRL分泌有抑制作用[52],说明MT很有可能同时控制TIDA神经元的活动和催乳素的分泌。此外,PRL被发现可以增加神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)转录。NPY是包括绵羊在内的几个物种中有效的食欲刺激神经递质,它被认为在奶牛早期泌乳中增加采食量方面起重要作用,即PRL增加采食量以提供哺乳所需的营养[53]。
4.2.3 瘦素
瘦素含量显示出与MT释放有相反的趋势,与季节节律有关,如绵羊能量平衡和食欲控制更有可能是由于光周期通过MT影响NPY和前黑皮质素(pro-opiomelanocortin,POMC)等基因在中枢效应的表达,而瘦素的一些中枢效应是由NPY和POMC介导的[54]。此外,Soppela等[55]研究发现,MT通过瘦素和胰岛素参与调节体重增加和季节性动物的能量平衡且葡萄糖和胰岛素在调节反刍动物瘦素表达中起关键作用。当MT与胰岛素相互作用时,它往往会减少绵羊脂肪组织和血浆中瘦素的分泌,但这些激素之间的相互作用可能具有物种特异性[56]。其中GABA能神经元可能是瘦素靶向的主要神经元,能直接受瘦素和葡萄糖的调节,同时,瘦素激活PrRP神经元以抑制食物摄入,这些因素反映了全身能量状态[57]。分泌瘦素、NPY和POMC的背侧下丘脑和分泌MT的下丘脑脑室旁核可能存在生理节律调节的功能联系。在目前的研究中发现,背侧下丘脑的GABA投射到下丘脑脑室旁核,可以作为一种神经回路,将背侧下丘脑传递到下丘脑脑室旁核进行昼夜节律调节[58]。此外,Szczesna等[59]研究发现,外源性瘦素能够在体外和体内以季节性依赖的方式刺激羊催乳素释放,说明了激素和激素之间可以相互作用,维持机体稳态。
5 MT对反刍动物生产性能和肠道微生物的影响及可能的机制
MT通过对神经系统和内分泌系统的调控,在一定程度上影响反刍动物的生产性能以及肠道微生物。
5.1 生产性能
当给反刍动物通过饲喂、注射或者皮下埋植MT时都可对生产性能以及幼畜的生长发育产生一定的影响。Zhang等[60]研究发现,MT1和MT2在整个羊哺乳期始终在垂体和乳腺中表达。MT可上调乳腺MT1和MT2的表达,从而直接影响β-酪蛋白的表达和细胞增殖,可以提高乳品质。MT植入可能通过减轻生殖季节性和增加胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)含量来影响乳成分[61],所以在某种程度上,MT可以影响泌乳奶牛、奶山羊的生产性能并能够缩短母畜哺乳期,保护母畜健康。但是,通过对牛耳后静脉注射MT发现,不注射的奶牛泌乳量比试验组要多,说明MT对产奶性能有一定抑制作用[62]。所以,有研究认为除了MT可以直接通过MT1、MT2直接下调泌乳奶山羊乳腺PRL的表达,DA也对PRL的分泌有一定的抑制作用,但MT作为强效自由基清除剂对DA神经元具有一定的保护作用,甚至可以通过强化结节漏斗部DA(tubero-infundibular dopamine,TIDA)抑制催乳素的分泌[63]。Yu等[64]研究发现,提高光照周期是引起MT分泌的主要因素,随着光照时间的延长,血液中MT的含量就越少,进而使胰岛素的分泌增强,促进脂肪的合成使其生产性能提高。此外,Zhang等[65]研究发现,用溴隐亭(一种对PRL的抑制剂,也是一种DA受体激动剂)处理山羊后,血清MT含量的增加,表明血液循环中PRL和MT之间存在联系,且MT含量的提高促进了毛发生长初期次级皮肤毛囊的发育,这种对毛囊活性的影响可归因于PRL含量的降低,这使得绒山羊皮肤中的RORα上调,因此,MT可以通过降低PRL含量来促进羊绒生长。MT不仅对成年反刍动物具有提高生长性能的作用,且对断奶前反刍动物的生长发育具有一定的保护作用。王梓颐等[66]在对断奶羔羊采用皮下埋植或者饲喂MT的方式时,虽可以让皮质醇的含量降低,缓解羔羊的断奶应激并且可以提高生长性能,但是对GH含量的影响并不显著;Abecia等[67]研究发现,对待产母畜进行皮下埋置MT处理后,羔羊体重和生长速度产生了影响,同时增加了奶中的脂肪含量,尤其是在泌乳末期。如果从妊娠第100天开始对母畜埋置MT,会发现羔羊从出生到断奶的存活率和生长率较高,可能是由高初乳质量、褐色脂肪组织和出生体重的增加介导的[68-69];相同的是,在犊牛的试验中也发现MT处理妊娠后期母牛所生的后代在第8和9周龄时,体重比未处理过的母畜所生的小牛有所增加[70]。除此之外,在干奶期开始时进行MT处理提高了奶牛在高温下的繁殖性能,不仅降低了繁殖疾病的发生率,还减少了妊娠早期的妊娠损失[71],因此,MT植入物作为一种治疗辅助剂具有潜力。
5.2 胃肠道微生物
瘤胃作为一个庞大的菌种资源库,包含大量的细菌、原虫和真菌构成,且易受动物日龄、品种以及饮食结构的影响。而瘤胃发酵是通过瘤胃的机械作用以及微生物共同完成的,为反刍动物提供了纤维素和果胶等营养物质[72]。且有研究表明,在反刍动物瘤胃中胃泌素、IGF-1、皮质醇等可以作用于微生物,促进微生物的生长代谢,部分微生物也能够分泌胰高血糖素和促性腺激素,说明激素可以双向介导宿主和肠道微生物[73⇓-75]。研究发现,在瘤胃微生物中只有9%在分类操作单元(operational taxonomic unit,OTU)中具有明显的昼夜节律,主要是拟杆菌门(即普雷沃菌科、鼠李菌科和韦荣菌科)、变形菌门和厚壁菌门(乳球菌科),这与单胃动物猪的主要菌群是大致相同的[76-77]。用MT对瘤胃微生物进行体外培养发现,MT能提高瘤胃中菌群的丰度,且与普雷沃菌门相对丰度呈正相关,而与琥珀弧菌属、变形杆菌属相对丰度呈负相关;还可以改善奶牛的乳品质,这可能是因为MT降低了厚壁菌门与拟杆菌门的比值,和乳脂率呈负相关[78]。瘤胃微生物发酵产生的挥发性脂肪酸作为反刍动物80%的能量来源,其可以诱导胰腺β细胞分泌胰岛素,而MT的增加可能会减少胰岛素敏感组织中外周代谢物的摄取[79]。
目前,大多数色氨酸高产菌株都是从大肠杆菌中构建的,从而合成L-色氨酸,产生MT。且肠道微生物可以刺激神经元和黏膜5-HT的释放,而色氨酸可以沿着微生物群-肠-脑轴传递信号影响胃肠动力并对脑长轴疾病具有重要意义[80]。色氨酸会与肠道细菌产生许多的色氨酸代谢物如吲哚类、色胺和粪臭素等,说明MT有可能会通过色氨酸的代谢通路对肠道微生物进行调控,其中吲哚类化合物和色氨酸可以介导结肠细胞中芳香烃受体,可以影响肠道弹性和对炎症刺激的反应[81-82]。Pan等[83]向绵羊十二指肠灌注5-HT,发现血液中的MT含量升高并且胃肠道黏膜都增加了MT的含量,证明了结肠中的微生物也参与MT的合成且还可以释放到循环中发挥其他作用。除此之外,在美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)的宏基因组学数据中鉴定了几种肠道细菌,其表达的序列与人类基因组中已知的MT结合位点具有24%~42%的同一性。其中包括革兰氏阴性、吲哚阴性产气肠杆菌的序列,且在MT存在的情况下,产气肠杆菌的会在培养基中表现出群集模式,说明产气杆菌对MT敏感且具有明显的昼夜节律模式[84]。Edrington等[85]研究中发现,牛在施用高剂量的MT,4 d期间大肠杆菌O157∶H7阳性的样本百分比下降。且有大量的研究表明,MT确实对革兰氏阴性菌有一定的抵抗作用[86],而且MT可以介导MT1、MT2、ROR和RZR受体在肠道组织中上调红系衍生的核因子2相关因子(Nrf2)的表达以及激活核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB),保护肠道肌间神经元对肠道运动的调控以及减轻炎症过程,说明MT对肠道具有一定的保护作用[87]。因此,MT可以作用于肠道微生物群,这意味着它在许多生理条件下的作用是必不可少的,其影响在未来的研究中不应被忽视。
6 小结
肠嗜铬细胞分泌的MT可以影响神经系统和内分泌系统对含有多种神经元受体的胃肠道运动进行调节,从而影响反刍动物的摄食行为,并对胃肠道产生积极的保护作用;具有提高反刍动物生长性能、缓解应激、缩短哺乳期保护母畜的繁殖性能,是潜在的辅助生长治疗物。且MT可以影响瘤胃激素与胃肠道微生物相互作用,对胃肠道生理功能产生影响,但是MT和MT的前体物质对反刍动物胃肠道微生物具体作用机制还不清楚,暂时只能为消化道微生物的研究和改善消化道健康提供一些思路。而消化道中MT的代谢以及其进一步对消化道的反馈作用还有待进一步研究。
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