李亮，譚婭，伍革民

(貴州省畜牧獸醫(yī)研究所，貴州貴陽(yáng)550005)

生物節(jié)律影響家禽繁殖性能的作用機(jī)理

李亮，譚婭，伍革民*

(貴州省畜牧獸醫(yī)研究所，貴州貴陽(yáng)550005)

生物節(jié)律是生物的生命活動(dòng)呈周期性變化的規(guī)律，是一種生物生理和行為的時(shí)間機(jī)制。這個(gè)普遍存在于生命活動(dòng)中的時(shí)鐘系統(tǒng)稱(chēng)為生物節(jié)律系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)機(jī)體外周組織器官生物節(jié)律的驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)生和調(diào)節(jié)等作用，分為中心時(shí)鐘節(jié)律和外周時(shí)鐘節(jié)律系統(tǒng)［1］。它們都通過(guò)時(shí)鐘基因的正負(fù)反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生節(jié)律信號(hào)，而中心時(shí)鐘系統(tǒng)能通過(guò)神經(jīng)和內(nèi)分泌等方式將生物節(jié)律信號(hào)傳導(dǎo)至外周組織器官，并影響外周器官功能的正常發(fā)揮，使生物體更容易適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化［2］。在家禽中生物節(jié)律對(duì)性腺發(fā)育、產(chǎn)蛋周期以及生長(zhǎng)等具有相同的調(diào)節(jié)作用［3］，而其本質(zhì)是受時(shí)鐘基因的節(jié)律性表達(dá)的影響。

1 生物節(jié)律的普遍存在性

生物時(shí)鐘機(jī)制對(duì)所有生物體內(nèi)正常的生命活動(dòng)都很重要，目前已被研究的物種都存在時(shí)鐘節(jié)律的現(xiàn)象，由一系列的時(shí)鐘基因產(chǎn)生。雖然生物體內(nèi)有很多功能的實(shí)現(xiàn)與完成都彼此相關(guān)，但在時(shí)間上都是有所不同，每個(gè)環(huán)節(jié)都存在一種復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制影響著組織器官的各種功能的發(fā)揮。而由視交叉上核(SCN)主導(dǎo)的時(shí)鐘基因所產(chǎn)生的節(jié)律信號(hào)，通過(guò)LH激素能調(diào)控外周生物節(jié)律已達(dá)到與環(huán)境的相適應(yīng)［4，5］，從而維持了體內(nèi)生命活動(dòng)的平衡。

其中生物節(jié)律時(shí)間上的區(qū)別之一就是不同行為和生命活動(dòng)具有各自的規(guī)律性，從整體系統(tǒng)上觀察這種規(guī)律性，就可以稱(chēng)之為生物節(jié)律。細(xì)胞分裂、呼吸、心跳和膽汁的分泌等行為只是其中的一些例子。從簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物到復(fù)雜的高等植物和哺乳動(dòng)物乃至人類(lèi)，幾乎所有生物都存在生物節(jié)律。在家禽中時(shí)鐘基因的表達(dá)普遍存在于各個(gè)組織器官中［6］，其規(guī)律性表達(dá)對(duì)禽類(lèi)產(chǎn)蛋具有重要意義。

2 時(shí)鐘基因的相互作用機(jī)制

研究人員在果蠅體內(nèi)證實(shí)了時(shí)鐘基因的存在，在真菌、細(xì)菌、青蛙和其他生物中也具有內(nèi)在的生物節(jié)律。研究證實(shí)在人類(lèi)肌膚細(xì)胞中也存在時(shí)鐘基因［7］。而皮膚是人體暴露于外界環(huán)境中面積最大的器官組織，皮膚自我修復(fù)功能的時(shí)間和活性也與時(shí)鐘基因有關(guān)系，但隨著年齡增長(zhǎng)、情緒壓力與環(huán)境侵害等因素會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘基因同步化皮膚細(xì)胞的循環(huán)周期失調(diào)，從而使皮膚細(xì)胞的新陳代謝與修復(fù)能力都被大幅削弱。

研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上每個(gè)細(xì)胞中都存在有“發(fā)條機(jī)制”功能，甚至在胚胎發(fā)育的早期就已經(jīng)存在。這些發(fā)育時(shí)鐘能夠發(fā)送出啟動(dòng)關(guān)鍵機(jī)制的時(shí)間信號(hào)，控制著細(xì)胞的生長(zhǎng)及其向組織和器官的分化。在許多生物體內(nèi)，這種分子時(shí)鐘位于神經(jīng)系統(tǒng)和單個(gè)細(xì)胞內(nèi)。禽類(lèi)、爬行類(lèi)動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)的松果體中都具有能接受光刺激的光敏感細(xì)胞，其是生物節(jié)律的起搏器，調(diào)節(jié)機(jī)體節(jié)律性合成與釋放激素，并影響其生長(zhǎng)發(fā)育和性成熟［8］。這些細(xì)胞位于腦部視丘下部的“主時(shí)鐘”(又名:視交叉上核，簡(jiǎn)稱(chēng)SCN)對(duì)外周組織器官有節(jié)律地發(fā)送出時(shí)間信號(hào)，控制著生物睡眠、冬眠及其他周期性行為的正常運(yùn)行［9］。

細(xì)胞時(shí)鐘機(jī)制的分子組件在不同物種和組織器官中具有高度保守的特性，并且生物節(jié)律系統(tǒng)也負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)機(jī)體各種生理功能和行為上的周期節(jié)律［10］。生物節(jié)律的產(chǎn)生是基于分子時(shí)鐘機(jī)制，其由已經(jīng)被證明的多種時(shí)鐘基因不斷進(jìn)行翻譯和轉(zhuǎn)錄反饋環(huán)組成。這個(gè)“發(fā)條機(jī)制”由Clock和Bmal1異物二聚體組成的時(shí)鐘基因網(wǎng)絡(luò)正(陽(yáng)性)調(diào)節(jié)子帶動(dòng)［11］，其綁定在E－box增強(qiáng)子上并相互作用產(chǎn)生節(jié)律性的轉(zhuǎn)錄激活過(guò)程去驅(qū)動(dòng)其他節(jié)律時(shí)鐘［12，13］，包括Per(homologs 1－3)和Cry(homologs 1－2)基因家族［10，14］。它們通過(guò)這種精細(xì)的相互作用來(lái)維持機(jī)體時(shí)間周期的穩(wěn)定。其中CLOCK－BMAL1組成的異二聚體會(huì)束縛在E－Box上，在轉(zhuǎn)錄激活過(guò)程的中，CLOCK(C)和BMAL(B)會(huì)將E－Box的CACGTGé序列束縛在mPer1的啟動(dòng)子上，從而活化因子則激活轉(zhuǎn)錄過(guò)程;在轉(zhuǎn)錄抑制過(guò)程中，CRY－反饋環(huán)含有復(fù)雜的負(fù)調(diào)節(jié)機(jī)制作用于CLOCK－BMAL1異二聚體上，并讓活化因子復(fù)合物失去活性。一旦轉(zhuǎn)錄被抑制，CLOCK、BMAL1和PER蛋白就會(huì)過(guò)磷酸化。這些基因分別行使著不同的作用，有的基因直接參與節(jié)律的產(chǎn)生(如:PER、CLOCK等)，而有的基因參與節(jié)律的調(diào)控(比如Rev－erbα循環(huán))。這些反饋調(diào)節(jié)環(huán)在調(diào)控時(shí)鐘基因相位和振幅都扮演了非常重要的角色［15，16］。盡管研究者目前在時(shí)鐘基因如何控制組織和器官節(jié)律的機(jī)制上知道的并不多，但清楚的是這一特殊周期過(guò)程需要的時(shí)間近似24小時(shí)，并且這個(gè)周期時(shí)間和雞排卵周期保持一致，也就是說(shuō)雞的排卵也是具有周期可循，從而為生物節(jié)律的研究提供了很好的模型。

3 生物節(jié)律周期的探測(cè)

生物節(jié)律已經(jīng)被證明存在于大部分的生物體中，包括從單細(xì)胞到高等動(dòng)植物等，其生命活動(dòng)都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性活動(dòng)。無(wú)論是行為上，如晝出夜伏、呼吸等行為，還是機(jī)體內(nèi)部的一些組織器官等功能上，隨著醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)多數(shù)生命過(guò)程都存在著周期性的振蕩，而許多疾病和職業(yè)性危害與生物節(jié)律的紊亂密切相關(guān)。目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的生物節(jié)律現(xiàn)象多至幾百種。影響生物節(jié)律的因素也很多，其中光照在可視生物中的影響最大，能調(diào)節(jié)中心生物節(jié)律，并通過(guò)神經(jīng)和內(nèi)分泌的方式去調(diào)節(jié)機(jī)體的各種機(jī)能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以及對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)，雞的排卵、卵黃生成等過(guò)程，都表現(xiàn)出一種規(guī)律性的現(xiàn)象。

3．1 基于余弦法的譜分析方法生物節(jié)律的個(gè)體差異較大，容易受到各種因素的干擾，故近年來(lái)已發(fā)展出以電子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的余弦分析法。它不僅能迅速、準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)，而且可排除其他生物性的干擾因素，從而將一種需要研究的生物節(jié)律分離并直觀地表示出來(lái)。此外，在時(shí)間生物學(xué)研究中出現(xiàn)了新的譜分析方法，其能更加準(zhǔn)確探測(cè)生物節(jié)律的周期。

3．2 Lomb－Scargle周期圖法最初引入天體物理學(xué)中，主要應(yīng)用于非等距時(shí)序中尋找周期性。其主要用于分析生物醫(yī)學(xué)、大氣學(xué)和天體物理學(xué)的時(shí)域序列中可能存在的周期事件，克服了傳統(tǒng)周期圖只能用于連續(xù)均勻分布時(shí)域序列的不足［17］。

3．3 最大熵譜分析方法此方法最初被用于信號(hào)處理中的自回歸模型的參數(shù)估計(jì)［18］。目前在信號(hào)處理、物理、生物科學(xué)領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。

4 顆粒細(xì)胞的作用

生物節(jié)律對(duì)雞繁殖性能影響研究主要涉及到大腦SCN主節(jié)律、光周期，以及性腺激素等方面對(duì)卵巢排卵周期的作用［19］。而雞的生物節(jié)律系統(tǒng)則更加復(fù)雜，對(duì)中心節(jié)律和外周組織器官生物節(jié)律方面的研究不多。已經(jīng)有關(guān)于光照對(duì)雞產(chǎn)蛋的影響、環(huán)境對(duì)蛋雞產(chǎn)蛋影響的研究、LH激素對(duì)卵巢生物節(jié)律和卵巢排卵機(jī)制研究等報(bào)道，其中普遍研究對(duì)象是卵泡顆粒層的研究。

雞顆粒細(xì)胞位于膜層和胚胎透明帶層之間，是卵巢卵泡生長(zhǎng)發(fā)育的重要功能細(xì)胞，其包圍并營(yíng)養(yǎng)卵母細(xì)胞，與卵母細(xì)胞的生長(zhǎng)、成熟都有緊密聯(lián)系。顆粒細(xì)胞與卵母細(xì)胞間的相互關(guān)聯(lián)作用是二者生長(zhǎng)、發(fā)育的必要條件，且膜層、顆粒層以及胚胎形成功能上的整體，這也是排卵的必要條件;顆粒細(xì)胞從小卵泡開(kāi)始一直伴隨著卵泡的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，它的增殖與分化直接影響著卵泡的生長(zhǎng)發(fā)育、排卵和黃體形成，以及甾體激素分泌等卵巢功能活動(dòng)［20］。從客觀來(lái)講顆粒細(xì)胞也能反應(yīng)卵泡生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的各個(gè)階段生物學(xué)狀態(tài)，當(dāng)顆粒細(xì)胞增殖受到人為干預(yù)，會(huì)破壞卵泡生長(zhǎng)進(jìn)程，并使得排卵周期紊亂;而顆粒細(xì)胞凋亡將會(huì)影響卵泡的正常發(fā)育與成熟過(guò)程，從而導(dǎo)致卵泡閉鎖，這也可能是優(yōu)勢(shì)卵泡選擇機(jī)制所遵循的一種方式。

5 生物節(jié)律對(duì)性腺發(fā)育的影響

性腺的發(fā)育受到HPG軸神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)控。下丘腦和腺垂體激素及性腺內(nèi)調(diào)節(jié)因子(性激素、卵巢肽類(lèi)激素和生長(zhǎng)因子)等控制著生殖器官的發(fā)育、卵泡發(fā)育、排卵、妊娠和泌乳等，以及生殖細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。激素的節(jié)律性釋放在這個(gè)過(guò)程中具有關(guān)鍵的作用，其受到中心時(shí)鐘基因產(chǎn)生的中心節(jié)律調(diào)控的影響。

下丘腦接受經(jīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)分析與整合外界刺激和自身反饋信號(hào)的各種信息后，能通過(guò)緊張性基礎(chǔ)分泌和間歇脈沖形式釋放促性腺激素釋放激素(GnRH)，而下丘腦GnRH的釋放是生殖內(nèi)分泌信號(hào)傳導(dǎo)的主要方式，且刺激垂體前葉分泌促性腺激素(GTH)，即卵泡刺激素(FSH)和黃體生成素(LH)，并作用于性腺，形成下丘腦－垂體－性腺軸，然后促進(jìn)睪丸或卵巢的發(fā)育并分泌睪酮或雌二醇，這個(gè)過(guò)程保證了生殖排卵的周期性。同時(shí)性腺、垂體、下丘腦釋放的調(diào)控因子又可能作用于其自身或者反饋給上級(jí)中樞，形成長(zhǎng)軸、短軸和超短軸反饋調(diào)節(jié)環(huán)。在雞方面，Woods等［21］報(bào)道HPG軸在雞胚發(fā)育第13．5天(雄性)和第14．5天(雌性)才開(kāi)始發(fā)揮其作用，在這之前下丘腦、腺垂體、性腺各自獨(dú)立發(fā)揮作用，而這一切都受到中心時(shí)鐘基因產(chǎn)生的生物節(jié)律驅(qū)動(dòng)下完成。

6 小結(jié)

家禽中生物節(jié)律由時(shí)鐘基因產(chǎn)生，并由位于大腦的中心節(jié)律驅(qū)動(dòng)，且分布于各個(gè)組織器官和細(xì)胞中。規(guī)律的生物節(jié)律對(duì)于家禽生存和生產(chǎn)活動(dòng)具有重要作用，而大部分動(dòng)物中心時(shí)鐘產(chǎn)生的生物節(jié)律可以通過(guò)激素傳播到各個(gè)組織器官，從而實(shí)現(xiàn)了整體的功能完整性。在家禽上生物節(jié)律對(duì)產(chǎn)蛋量的影響不容忽視，了解時(shí)鐘基因產(chǎn)生的生物節(jié)律的作用機(jī)制，以及生物節(jié)律的傳播過(guò)程，對(duì)探究生物節(jié)律在實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用具有重要的作用。

［1］Dibner C，Schibler U，Albrecht U．The mammalian circadian timing system:organization and coordination of central and peripheral clocks［J］．Annual review of physiology，2010(72):517－549．

［2］Duguay D，Cermakian N．The crosstalk between physiology and circadian clock proteins［J］．Chronobiology international，2009，26(8):1479－1513．

［3］張平遠(yuǎn)．利用生物節(jié)律調(diào)節(jié)畜禽生長(zhǎng)［J］．畜禽業(yè)，1999(12):20．

［4］de la Iglesia HO，Schwartz WJ．Minireview:timely ovulation:circadian regulation of the female hypothalamo－pituitary－gonadal axis［J］．Endocrinology，2006，147(3):1148－1153．

［5］Kriegsfeld LJ，Silver R．The regulation of neuroendocrine function:Timing is everything［J］．Horm Behav，2006，49(5):557－574．

［6］劉肖意，張懋志，劉麗英，等．雞CLOCK基因在不同組織中的表達(dá)［J］．中國(guó)畜牧雜志，2015(51):17－21．

［7］Zanello SB，Jackson DM，Holick MF．Expression of the circadian clock genes clock and period1 in human skin［J］．J Invest Dermatol，2000，115(4):757－760．

［8］王復(fù)昌，坂井田．光照管理與雞生長(zhǎng)發(fā)育和性成熟的關(guān)系(上)［J］．中國(guó)畜牧獸醫(yī)，1983(3):7－10．

［9］Hastings MH，Herzog ED．Clock genes，oscillators，and cellular networks in the suprachiasmatic nuclei［J］．J Biol Rhythms，2004，19(5):400－413．

［10］Reppert SM，Weaver DR．Coordination of circadian timing in mammals［J］．Nature，2002，418(6901):935－941．

［11］Mirsky HP，Liu AC，Welsh DK，et al．A model of the cell－autonomous mammalian circadian clock［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2009，106(27):11107－11112．

［12］Gekakis N，Staknis D，Nguyen HB et al．Role of the CLOCK protein in the mammalian circadian mechanism［J］．Science，1998，280(5369):1564－1569．

［13］Ueda HR，Hayashi S，Chen W，et al．System－level identification of transcriptional circuits underlying mammalian circadian clocks［J］．Nat Genet，2005，37(2):187－192．

［14］Bell－Pedersen D，Cassone VM，Earnest DJ，et al．Circadian rhythms from multiple oscillators:lessons from diverse organisms［J］．Nat Rev Genet，2005，6(7):544－556．

［15］Liu AC，Tran HG，Zhang EE，et al．Redundant function of REV－ERBα and β and non－essential role for Bmal1 cycling in transcriptional regulation of intracellular circadian rhythms［J］．PLoS genetics，2008，4(2):e1000023．

［16］Sato TK，Panda S，Miraglia LJ，et al．A functional genomics strategy reveals Rora as a component of the mammalian circadian clock［J］．Neuron，2004，43(4):527－537．

［17］Glynn EF，Chen J，Mushegian AR．Detecting periodic patterns in unevenly spaced gene expression time series using Lomb－Scargle periodograms［J］．Bioinformatics，2006，22(3):310－316．

［18］Rosato E．Circadian rhythms:Methods and protocols:Springer Science＆Business Media，2007．

［19］Sellix MT，Menaker M．Circadian clocks in the ovary［J］．Trends Endocrinol Metab，2010，21(10):628－636．

［20］Ahumada－Solórzano SM，Carranza ME，Pedernera E，et al．Local expression and distribution of growth hormone and growth hormone receptor in the chicken ovary:Effects of GH on steroidogenesis in cultured follicular granulosa cells［J］．General and comparative endocrinology，2012，175(2):297－310．

［21］Woods KL，Porter TE．Ontogeny of prolactin－secreting cells during chick embryonic development:effect of vasoactive intestinal peptide［J］．Gen Comp Endocrinol，1998，112(2):240－246．

S83

A

1007－1474(2016)04－0023－04

2016－05－27

省農(nóng)科院博士啟動(dòng)基金(2014)

李亮(1988—)，男，碩士，研究方向:分子遺傳育種。

E－mail:llisicau@outlook．com

*通訊作者:伍革民(1972—)，男，副研究員，研究方向?yàn)榧仪莘敝场?/p>