GnRH 的生物學作用及其類似物在馬屬動物中的應用研究進展

李澤廷，蘇少鋒，趙俊利，孫培陪，白晉宇，吳海青

（1.內蒙古自治區農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特 010031；2.內蒙古草原御驢科技牧業有限公司，內蒙古 呼和浩特010020；3.內蒙古草原同源牧業有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

促性腺激素釋放激素（gonadotropin-releasing hormone，GnRH）是哺乳動物性成熟和生殖周期調控的關鍵因子［1］。GnRH 最初是從哺乳動物下丘腦中分離出來的十肽激素， 通過激活促性腺激素釋放激素受體 （gonadotropin-releasing hormone receptor，GnRHR）與垂體細胞相互作用。GnRH 在馬屬動物的生殖調控中具有重要作用， 不僅可以誘導排卵，還可以治療繁殖疾病。 目前，在馬屬動物繁殖研究的相關文獻中， 不同GnRH 類似物對馬屬動物繁殖性能的影響不同。 筆者對GnRH 和GnRHR 的結構特點、生物學功能以及GnRH 類似物在馬屬動物繁殖方面的應用研究進展進行綜述， 以期為探究GnRH 生物學作用的分子機制以及GnRH 類似物在馬屬動物繁殖調控中的科學應用提供參考。

1 GnRH 的來源與結構

GnRH 主要由下丘腦內側視前區、 下丘腦前區、視交叉上核等神經核團分泌。在下丘腦的特殊神經元中，GnRH 前體多肽經酶處理加工后，通過軸突運輸到正中隆起或一種被稱為伸展細胞的特殊腦室細胞中［2-3］。 GnRH 主要在下丘腦弓狀核細胞神經元中合成，之后分泌到垂體門脈循環中，作用于垂體前葉［4］。 GnRH 和GnRHR 結合從而啟動下游信號刺激傳導，誘發促性腺激素的產生，從而調節卵泡的生長發育［5］。 大多數動物的GnRH 結構是由10 個氨基酸構成的十肽， 結構為pGlu1-His2-Trp3-Ser4-Tyr5-Gly6-Leu7-Arg8-Pro9-Gly10NH2。 GnRH 肽鏈中第5、6 位，第6、7 位和第9、10 位之間的肽鍵極易水解，用D-氨基酸替換第6、10 位的氨基酸可以得到比天然GnRH 活性高數十倍的類似物，即GnRH 激動劑。用一個非天然D-氨基酸替換第4、6 位氨基酸會得到比天然GnRH 活性低的類似物，即GnRH 拮抗劑。 GnRH的激動劑和拮抗劑已經應用于馬屬動物繁殖領域。

2 GnRH 的基因結構

不同類型的GnRH， 其基因結構均包含3 個內含子、4 個外顯子，由第2、3、4 外顯子共同編碼GnRH 前體的一部分， 該前體包括含21～23 個氨基酸的信號肽、含10 個氨基酸的GnRH、1 個斷裂位點以及由40～50 個氨基酸組成的GnRH 連接肽。 研究表明，第1 外顯子沒有被翻譯；第2 外顯子編碼信號肽、GnRH 十肽和前11 個GnRH 連接肽；第3 外顯子編碼32 個GnRH 連接肽；第4 外顯子編碼剩余的GnRH 連接肽， 包含翻譯終止密碼子以及整個3′UTR［6］。

GnRH 共有3 種類型， 分別是GnRH-Ⅰ、GnRH-Ⅱ和GnRH-Ⅲ。 3 種類型的GnRH 在脊椎動物神經組織中的分布和功能見表1［7］。GnRH-Ⅰ最初發現于非哺乳動物。 GnRH-Ⅱ最初是從雞的下丘腦中分離得到。在魚類和兩棲類物種中，也存在第3 種形式的GnRH［8-9］，即GnRH-Ⅲ，最初在七鰓鰻中被發現。

表1 脊椎動物的GnRH 類型、分布及基本功能［7］

3 GnRHR 的結構

GnRHR 屬于G 蛋白偶聯受體家族成員，是一種糖蛋白，由325～328 個氨基酸組成，有7 個螺旋跨膜結構域和3 個糖基化位點， 在信號傳導過程中起關鍵作用［10］。

4 GnRH 的生物學作用

GnRH 通過下丘腦-垂體-性腺軸在哺乳動物中發揮關鍵作用。 GnRH 主要以脈沖的方式進入下丘腦垂體的門脈系統， 門脈系統作用于垂體上動脈、初級門脈叢、運輸含激素血液的門脈血管，將血液運輸到垂體前葉細胞的次級門脈叢， 從而調控卵泡刺激素 （follicle-stimulating hormone，FSH）和黃體生成素（luteinizing hormone，LH）的合成與分泌。 GnRH 對FSH 和LH 的促進作用并不相同，GnRH 以較高頻率的脈沖釋放時，主要促進LH 的分泌；GnRH 以較低頻率的脈沖釋放時，主要促進FSH 的分泌。 GnRH 存在于胃、腸道、卵巢等器官中［11］，不同組織或器官中的GnRH 具有不同的生物學功能。 GnRH 可以調節促性腺激素的釋放，也可抑制癌細胞的增殖［7］。

5 GnRH 類似物在馬屬動物中的應用

GnRH 類似物商品化藥物有德舍瑞林（Deslorelin）、 布舍瑞林 （Buserelin）、 西曲瑞克（Cetrorelix）、安塔瑞克（Antarelix），這些藥物主要用于提高動物繁殖能力［12-13］。 馬屬于季節性單胎動物，發情周期約為22 d，發情期約為6 d。 5—10月是馬屬動物的繁殖季節，在繁殖過程中，松果體分泌的褪黑激素起著重要作用。 秋季隨著白晝時間縮短， 褪黑激素分泌增加，GnRH 和LH 分泌減少。 垂體前葉中FSH 的濃度不會隨季節變化，但在冬季FSH 的循環水平會降低。 相反，在光照時間增加的春季，褪黑激素產生減少，GnRH 分泌增加。馬的發情期不僅受日照時間長短的影響，同時也受年齡和泌乳情況的影響， 年齡較小的母馬發情周期長，年齡較大的母馬發情周期短；處于泌乳期的母馬發情周期短。 GnRH 類似物作為生殖調控類藥物已被泛應用于動物生產領域。 馬屬動物經GnRH 類似物處理后，可以促進卵泡成熟，誘導優勢卵泡發育， 促進集中排卵。 研究表明，GnRH類似物可通過抑制雌激素受體二聚化來增強生殖系統對GnRH 的應答反應， 這有利于早期妊娠過程中胚體的存活［14］。 在母驢體內通過GnRH 類似物處理可以促進排卵［15］。

GnRH 是馬屬動物的生殖激素。 目前關于GnRH 類似物研發已超過2 000 種。 GnRH 類似物分為兩類，即GnRH 激動劑和GnRH 拮抗劑。

5.1 GnRH 激動劑在馬屬動物中的應用

GnRH 激動劑與受體結合， 在超排卵周期中促進多卵泡的同步發育。 通過對GnRH 十肽分子結構進行修飾， 可以合成對垂體前葉促性腺細胞具有激動或拮抗作用的類似物。 GnRH 激動劑在最初刺激時會促進垂體釋放大量的FSH 和LH，可短暫地提高激素水平；當持續給予刺激時，由于促性腺細胞的脫敏和數量的減少， 導致FSH 和LH 的分泌水平降低，雄激素和雌激素的產生受到抑制。 GnRH 激動劑可促進動物性成熟期提前，縮短母畜發情周期，提高受胎率和產仔率［16］，治療卵巢疾?。?7］。 在公畜繁殖方面，GnRH 激動劑可提高精液品質，治療少精癥和無精癥。在種馬體內注射GnRH 激動劑過度刺激時， 會抑制促性腺激素分泌、睪丸類固醇生成和精子產生［18］。在大多數早期研究中發現， 在相對長時間的GnRH 激動劑給藥后不會產生性腺和垂體反應的下調效應［19］；在短暫刺激時可提高性腺激素的分泌、 性欲水平和精子質量［20］。

Deslorelin 是一種GnRH 激動劑，其效力相當于天然GnRH 的100 倍，在-20 ℃的溶液中可以保存20 年， 在25、40、50 ℃條件下可以保存5 年，只有輕微的降解［21］。Falomo 等［22］研究發現注射4.7 mg的Deslorelin，在給藥后的7 d 內，種馬血漿睪酮濃度急劇升高， 在接下來的42 d 逐漸下降， 證明Deslorelin 具有影響動物血漿睪酮的作用。 Gautier等［23］研究發現在種馬體內注射Deslorelin 可調節GnRH 的釋放，GnRH 激動劑治療對GnRH 和睪酮釋放的初始刺激作用時間可以持續約1 周， 長期使用Deslorelin 可降低種馬血漿的睪酮濃度且降低精子質量。 將Deslorelin 注射于種馬體內，會短暫刺激內分泌-垂體-性腺軸， 導致對GnRH 的垂體刺激反應的長期抑制。 Boakari 等［24］研究發現，在秋季乏情期使用Deslorelin 刺激母馬卵泡，可誘導卵泡發育并促進排卵。 研究顯示， 給母驢注射2.2 mg 的Deslorelin，48 h 內 排 卵 率 高 達90%［25］。在母馬卵泡直徑超過30 mm 時， 注射1.25 mg 的Deslorelin 有促進排卵的效果［26］。 在一項探究母馬體內注射Deslorelin 效果的試驗中，設置對照組和Deslorelin 組，在給藥后第5～14 天，Deslorelin 組母馬的FSH 濃度低于對照組， 而LH 的濃度兩組之間沒有顯著差異， 表明注射Deslorelin 與FSH 濃度的變化有關， 低濃度的FSH 可導致母馬卵泡發 育 延 遲 和 排 卵 間 隔 時 間 延 長［27］。 Johnson 等［28］研究發現母馬體內注射Deslorelin 時，GnRH 激動劑誘導GnRH 短暫增加，FSH 和LH 分泌被短暫抑制，排卵間隔延長約4 d。 高劑量的Deslorelin 可將排卵間隔時間平均延長14 d［29］，與單次注射相比，排卵前多次注射，可縮短卵泡的發育時間。

Buserelin 是一種人工合成的GnRH 類似物，屬于GnRH 激動劑， 作為一種新的激素類藥品主要應用于馬屬動物同期發情處理。 Buserelin 作用于垂體， 調控機理與GnRH 相同。 其生物學活性強，半衰期比GnRH 長，是由D-色氨酸取代天然GnRH 結構中第6 位的甘氨酸得到， 可以使FSH和LH 分泌增加，長期使用會引起垂體機能下調，導致FSH 和LH 分泌減少。 關于Buserelin 的研究最初主要集中在病理學作用方面， 近年來被應用于馬屬動物的繁殖中。 Dordas-Perpinya 等［30］研究了注射不同劑量的Buserelin 對母馬排卵的影響，發現高劑量的Buserelin 可以在24～48 h 內誘導母馬排卵；Newcombe 等［31］研究發現， 低 劑量的Buserelin 可以誘導母馬多次排卵。 這表明不同劑量的Buserelin 可以通過提高馬屬動物的排卵率而提升繁殖性能。

5.2 GnRH 拮抗劑在馬屬動物上的應用

近年來，GnRH 拮抗劑已經成為抑制GnRH激動劑的替代物，它的優點是起效更快［32］。 盡管GnRH 拮抗劑需要頻繁給藥， 但它的作用可以被更快地逆轉和控制。 GnRH 拮抗劑與激動劑的作用機制完全不同。 經GnRH 拮抗劑處理后， 血清FSH 和LH 在1 h 內下降，這是由于GnRH 拮抗劑可競爭性阻斷GnRHR， 使FSH 水平迅速下降，停止用藥后垂體功能立即恢復正常，因此，GnRH 拮抗劑可減少體外受精的副作用以及降低并發癥的發生率［33］。 GnRH 拮抗劑已逐漸成為首選的卵巢刺激藥物。 GnRH 拮抗劑最早于20 世紀70 年代初合成［34］，GnRH 拮抗劑的研究晚于GnRH 激動劑的研究。 GnRH 拮抗劑能夠抑制動物生殖激素的分泌，從而抑制生殖器官的發育。在促排卵試驗中，GnRH 拮抗劑與對照組相比可以抑制內源性LH 峰［35］，采用GnRH 拮抗劑治療可以增加卵細胞數量，提高妊娠率，縮短治療時間［36-37］。

GnRH 拮抗劑是一類相對較新的藥物， 最近十幾年才開始有文獻報道其在馬繁殖方面的應用。Cetrorelix 是一種GnRH 拮抗劑，主要通過調節FSH 和LH 的分泌水平發揮生殖調控作用。Cetrorelix 的作用具有劑量依賴性， 一次性肌肉注射3 mg 的Cetrorelix 可維持4 d 的藥效，第4 天時的垂體抑制作用約為初始藥效的70%； 而每24 h注射1 次0.25 mg 的Cetrorelix 可以使垂體抑制時間延長。 動物及人體試驗均表明， 停止注射Cetrorelix 后， 內源性的LH 及FSH 分泌可迅速恢復。Cetrorelix 不需要等待腦垂體的最初刺激階段，直接、快速、高效地抑制垂體-性腺軸，臨床上可以縮短用藥時間。 由于使用劑量小、用藥周期短、不良反應少， 相同條件下可以超過GnRH 激動劑的治療效果， 是該拮抗劑藥物的顯著特性。 研究表明，在母馬體內注射單劑量Cetrorelix（100 g/kg）能快速抑制FSH 和LH 的分泌［38-39］。 Evans 等［40］研究表明，Cetrorelix 在母馬卵泡發育中發揮一定的作用。 在年輕種馬體內，每天給予2 次Cetrorelix 且時間持續為35～38 d，可抑制睪酮分泌，減少精子產生量，使年輕種馬的性欲明顯下降［41］。

Antarelix 也是一種GnRH 拮抗劑。 種馬經Antarelix 處理后，48 h 內GnRH、 睪酮和雌二醇的血漿濃度明顯下降，其中，雌二醇分泌受到抑制的時間最長，且該藥物對精子的活力、數量和形態沒有顯著影響［42］。 在哺乳動物試驗中，一定劑量的GnRH 拮抗劑可降低動物排卵數，也可延遲排卵。在實際應用中，GnRH 拮抗劑的使用成本普遍較高，因此，除非價格大幅度下降，否則其應用僅限于快速短期抑制促性腺激素的釋放， 比如抑制FSH 激增和延遲排卵或輔助超排卵。

6 小結與展望

GnRH 是哺乳動物生殖激素最主要的調控因子之一， 通過靶細胞上的GnRHR 發揮生物學作用。 針對GnRH 釋放的信號傳導機制及對免疫內分泌細胞的生理作用等問題進行深入研究， 有助于全面揭示GnRH 及其受體的生理功能。 GnRH類似物的結構和使用劑量不同， 但都可起到誘導排卵、促進排卵的效果。 近年來，GnRH 類似物已應用于馬屬動物的繁殖調控中，可促進發情、誘導排卵以及治療內分泌紊亂等生殖疾病。 隨著現代生物技術的快速發展和對GnRH 類似物研究的不斷深入，GnRH 類似物在提高馬屬動物繁殖性能方面的應用將會日趨成熟。