脂肪酸在动物性腺形成、配子...和胚胎发育中的作用研究进展_刘振辉.pdf

书书书第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，综述脂肪酸在动物性腺形成、配子发生和胚胎发育中的作用研究进展*刘振辉，邢泽宇，李欣怡（中国海洋大学海洋生命学院，海洋生物多样性与进化研究所，山东 青岛 ）摘要：脂肪酸在维持动物机体的正常机能、促进生长发育、调控免疫等方面发挥非常重要的作用。近年来的研究发现，脂肪酸还参与调控动物的生殖和胚胎发育。本综述介绍了脂肪酸在哺乳动物、鱼类和部分无脊椎动物性腺形成、配子发生和胚胎发育中的功能，描述了脂肪酸在影响代谢、氧化应激、细胞信号事件和基因表达等方面的分子调控机制，指出摄食脂肪酸的比列和脂质修饰如何影响生殖与发育是需进一步研究的课题。该领域的研究将为动物的科学繁育乃至人类的生育健康提供理论基础和技术支持。关键词：脂肪酸；性腺形成；配子发生；胚胎发育；代谢中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：刘振辉，邢泽宇，李欣怡 脂肪酸在动物性腺形成、配子发生和胚胎发育中的作用研究进展 中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：国家自然科学基金项目（）资助 （）收稿日期：；修订日期：作者简介：刘振辉（），男，教授，主要从事海洋生物功能基因研究。：脂肪是由甘油和脂肪酸组成的三酰甘油酯，脂肪的性质和特点主要由脂肪酸决定。脂肪酸是一端含有一个羧 基 的 脂 肪 族 碳 氢 链，它 包 括 一 条 长 的 烃 链（“尾”）和一个末端羧基（“头”）。依据双键的数目、位置及碳氢链饱和程度，脂肪酸可分为饱和脂肪酸（，）、单不饱和脂肪酸（，）和多不饱和脂肪酸（，）。其中 又可分为：和 。主要包括亚麻酸（，）、二十碳五烯酸（，）和二十二碳六烯酸（，）；主要包括亚油酸（，）和二十碳四烯酸（，）。脂肪酸作为膜中磷脂的主要构成成分参与了组织构建，并在结合转运胆固醇中发挥着重要作用；另外，在脊椎动物下丘脑不同区域的长链脂肪酸（，）能够作为能量的传感器，在调节能量动态平衡中扮演着非常重要的角色；研究还证明，游离状态的 代谢生成的调节物质对于炎症有重要的调节作用，可以调控炎症的启动、发展和消退；作为一系列高活性激素类物质的前体，脂肪酸也能调控凝血和应急反应等重要生理过程。因此，脂肪酸在维持机体的正常机能、促进生长发育、调控动物免疫力等方面发挥着非常重要的作用。除此之外，脂肪酸在动物性腺形成、配子发生和胚胎发育中的作用也逐渐得到了揭示并引起了重视。为了进一步全面认识脂肪酸在机体发挥的作用，本文对该领域的研究进展进行了综述。脂肪酸在性腺形成、配子发生和胚胎发育中的作用大多数脂肪酸可以由动物机体本身合成；少量机体自身不能合成、或合成速度慢无法满足需要，必须通过食物供给的多不饱和脂肪酸，主要包括 、，称为必需脂肪酸（，）。例如，亚油酸和亚麻酸是成人的必需脂肪酸，亚油酸、花生四烯酸等 ，和亚麻酸、二十碳五烯酸及二十二碳六烯酸等 都是鱼虾的必需脂肪酸。由于不同物种对脂肪酸的利用存在差异，本文对脂肪酸分别在哺乳动物、鱼类和无脊椎动物中的作用进行综述。中国海洋大学学报 年脂肪酸在哺乳动物性腺形成、配子发生和胚胎发育中的作用脂肪酸通常以三酰基甘油（）的形式储存在细胞质中。不带电的甘油酯通常以中性脂滴的形式排列，是代谢能量高度集中的存储体。在成年哺乳动物中，脂滴储存的主要位置是脂肪细胞。脂肪细胞的细胞质几乎完全由一个大的 球组成。值得注意的是，哺乳动物卵母细胞和胚胎的细胞质中也含有大量的脂质。那么，脂肪酸在这些组织或细胞中起什么作用呢？卵母细胞的发育是一个多阶段的过程。在原始卵泡向成熟卵母细胞发展的过程中，卵母细胞积累脂质有数个发育阶段，而其成熟的最后阶段最容易受到细胞质脂质含量变化的影响。等的研究表明，牛卵母细胞的脂质分布是动态的，很大程度上取决于其发育的环境。比如，牛卵母细胞在减数分裂成熟之前和过程中保留了非酯化脂肪酸（，）。和 物质代谢产生的前列腺素和与免疫相关的花生酸类物质是在卵巢中生成的，它们作为激素以调节卵巢功能，其随着排卵过程周期性变化。本文从以下个方面来描述脂肪酸在调控生殖发育中的功能。脂肪酸与哺乳动物卵泡发育与生育能力哺乳动物的生育能力与卵泡中脂肪酸的改变密切相关。研究发现，优质卵母细胞往往含有更多的亚油酸和花生四烯酸。孕妇超重和女性肥胖会对滤泡液的成分产生影响，并导致生育能力不佳 。最近的一项研究中，使用一个 脂肪酸去饱和酶（）缺失的小鼠突变体（该突变体缺乏生物合成和 的关键酶活性），研究了 在雌性和雄性生殖中的分子作用。研究发现，合成缺乏导致雌性小鼠卵泡发育停止、卵母细胞闭锁和不育，滤泡颗粒细胞间隙连接网络的解体。在 突变体的睾丸中，睾丸屏障被破坏，精子发生受阻，导致不孕。而持续的和 联合供应重塑了 缺陷的卵巢和睾丸膜脂质体，促进了功能间隙连接网络的重新组装，并在支持细胞中重建睾丸屏障，不仅在发育中的子代中重建了生育能力，在成年不育的 突变小鼠中也是如此。这些发现证实了和 与性腺膜结构及女性和男性生育能力之间的分子联系，并可能促进对 在人类生育能力中关键作用的研究。而在奶牛饲粮中添加 或共轭亚油酸（）均不能提高体外胚胎产量，但添加 和顺式 、反式 可影响卵泡颗粒细胞（）的形态和功能，进而可能会导致奶牛卵泡发育和卵巢周期受损。脂肪酸种类较多，不同的脂肪酸的作用并不相同。饱和游离脂肪酸，如棕榈酸（）和硬脂酸（），以时间和剂量依赖的方式显著抑制人颗粒细胞的生存。饱和游离脂肪酸对细胞存活的抑制作用是由细胞凋亡引起的。软脂酸诱导颗粒细胞凋亡时，颗粒细胞凋亡抑制因子 表达下调，凋亡效应因子 表达上调。饱和脂肪酸对颗粒细胞存活的影响可能是生殖异常的一种可能机制，如在肥胖妇女中经常观察到的闭经。高脂饮食（，）的肥胖小鼠睾丸支持细胞（）凋亡率增加，活性氧的水平也有所提高。而多不饱和脂肪酸，如花生四烯酸，并不影响细胞存活。而且，花生四烯酸对棕榈酸和硬脂酸诱导的细胞凋亡还具有保护作用。与饱和脂肪酸相比，可归为保护性游离脂肪酸。在生理相关水平上可保护支持细胞免受棕榈酸诱导的脂毒性。油酸在化学上被归为不饱和的脂肪酸。一些相关的研究表明，油酸在抵消饱和脂肪酸的有害影响和支持卵母细胞的发育方面发挥着关键作用。油酸可以通过脂肪酸代谢分配、膜结构组织改变、氧化应激衰减和细胞内信号传导调节等机制促进正常卵母细胞和着床前胚胎的发育。另外，有研究发现，油酸可特异性地影响颗粒细胞的形态、生理特征和基因表达水平，从而改变颗粒细胞的功能。在奶牛的负能量平衡（）或饥饿期间增加油酸浓度：（）可诱导对培养的牛颗粒细胞内脂滴积聚，形成泡沫状细胞形态；（）显著降低促性腺激素激素受体 和 、甾体生成基因 、和 、细胞周期调节因子 的转录丰度；（）减少奶牛 雌二醇（）的产生，增加脂肪酸转运体 的表达，促进血管生成和组织重塑，从而提早启动奶牛的卵泡黄体过渡（）。而棕榈酸和硬脂酸的作用则相反，均显著上调牛颗粒细胞、的表达，增加 雌二醇（）的分泌。非酯化脂肪酸是卵泡液的主要脂质成分之一，水平升高会损害卵母细胞品质和发育潜力，抑制猪颗粒细胞转变为黄体细胞，进而影响子代的代谢和生殖能力。将牛卵母细胞暴露于较高浓度的 中，在其随后发育的胚胎中，与脂肪酸合成相关的基因表达上调，同时促进氧化代谢的中断；抑制脂肪酸氧化可以恢复发育能力。同样，在未处于负能量平衡状态的奶牛中，增加滤泡内 浓度对其卵泡发育有不利影响。可见不同浓度的 对生殖发育的影响有所不同。多囊卵巢综合征（）是一种以高雄激素为特征的复杂而常见的内分泌紊乱，常伴有小窦期卵泡生长停滞，颗粒细胞增殖极少，慢性无排卵。研究表明，期刘振辉，等：脂肪酸在动物性腺形成、配子发生和胚胎发育中的作用研究进展抑制细胞凋亡，增加细胞增殖。（）显著增加 大鼠卵巢品质，改善卵巢结构，显著提高血清激素（和）水平。研究发现，通过增加与激素分泌和卵巢功能相关的甾体生成酶的表达，提高 的生殖性能。进一步研究显示，通过激活 通路上调 中的 表达，进而增强细胞发育和类固醇生物合成。脂肪酸与哺乳动物胚胎发育脂肪酸在动物胚胎发育中也发挥着重要作用。等的数据表明牛胚胎总脂肪酸含量在第 天之间急剧上升，花生四烯酸在第 天进一步增加。等发现，在绵羊饲粮中无论添加 还是 ，所有的胚泡都有较高的不饱和脂肪酸组成，尤其是亚油酸。研究还发现，的亚麻酸能提高山羊体外培养的卵母细胞减数分裂成熟速率，降低胚泡凋亡，促进胚胎发育。在猪中，油酸提高了囊胚率，而硬脂酸则没有影响。在某些代谢环境中观察到较高水平的饱和脂肪酸（尤其是棕榈酸和硬脂酸）对人卵母细胞成熟和着床有不利影响，但这种影响可以被油酸 和 二 十 碳 五 烯 酸 等 不 饱 和 脂 肪 酸 的 存 在 抵消。等在小鼠模型中研究发现，喂养富含 的食物，然后在体内受精后评估胚胎品质，发现囊胚数量和整体胚胎品质降低，伴随着线粒体受损和 水平升高，同时该研究表明，孕期高剂量的 会降低小鼠正常胚胎发育，因而提出了在孕期补充 是否适当的问题。脂肪酸对胚胎发育的影响是如何产生的还不清楚，但食物中脂肪酸的比例对胚胎发育是明显重要的。等证明，将牛卵母细胞暴露于生理相关的高水平棕榈酸、油酸和硬脂酸中会引起胚泡中代谢和基因表达的显著失调，而当这些脂肪酸单独补充时，这种影响并不明显，这说明脂肪酸比例对胚胎成功发育的重要性。瘦素（）是一种由脂肪组织分泌的蛋白质类激素。有研究发现，和 受体基因突变的小鼠均表现为饮食过多、能耗减少、严重肥胖和不孕不育。当重新注射 后，体质量和饮食恢复正常，生育能力也有明显的改善，表现为雌性子宫和卵巢增加品质、雄性睾丸增加品质、精子数量增多。同时有研究发现，瘦素与子宫内膜异位和不孕密切相关，但 是通过直接调控肥胖而影响性腺发育，还是通过调控性激素的分泌而影响肥胖，进而影响性腺发育，还有待于进一步研究。脂肪酸与雄性哺乳动物生育能力 的组成和形态对男性生育能力产生影响。脂肪酸广泛参与精子发育、成熟和受精过程。等对正常精子和红细胞的不饱和脂肪酸含量进行了总结和比较，发现精子中最具代表性的 （，）所占比例更高。这表明精子具有活跃的脂肪酸代谢能力，在精子发生和成熟过程中处于去饱和状态。是精子发生和成熟所必需的，且 含量与精子受精能力呈正相关。花生四烯酸对人类精子活力存在着抑制作用，该抑制作用具有浓度依赖性。另外，可以作为精子生育和病理的标志。等 比较了可生育和不育男性的精子 组成，发现可生育组的 更高，但不育组的花生四烯酸水平更高。等研究了正常和低活力公猪精子的脂质分布。二十二碳六烯酸和 与精子活力、存活率、正常形态和正常质膜正相关，亚麻油对公羊睾丸发育和精子发生有促进作用，而饱和脂肪酸和 与正常精子参数呈负相关。饮食中的脂肪酸能够对精子品质和功能产生明显的影响。精子脂肪酸在饮食中多不饱和脂肪酸最为敏感。橄榄油通过增加大鼠配子活力、减少氧化应激和略微提高线粒体呼吸效率，在一定程度上抵消高脂肪饮食对精子品质的负面影响，磷虾油可增加精子浓度 和 活 力，提 高 乳 酸 脱 氢 酶、克 雷 布 斯 循 环 酶（）和呼吸链复合物的活性，同时增加细胞 水平，减少氧化损伤。饲料中脂肪酸的摄入对配子组成和雄性生殖能力有显著影响。通过调节 摄入量，使 比值保持在一个最佳范围内尤为重要。外源性补充反式脂肪酸的小鼠会导致生殖损伤，表现为血清睾酮浓度下降、精子数量减少，在高浓度下还会抑制精子发生，使睾丸退化。、和反式脂肪酸的摄入也会影响男性睾丸的功能，反式脂肪酸摄入高的人精子数量减少了，同样这些人睾酮浓度减少，睾丸直径减少。过量的饮食胆固醇对雄性小鼠和大鼠的生殖功能有非常负面的影响。大量的实验动物研究也证明了饲料脂肪酸对基因表达的影响，尤其是 、去饱和酶和延长酶基因。反式脂肪酸的负作用可能通过下调精子中 核受体来发挥。脂肪酸在鱼类性腺发育与配子发生中的作用鱼类中存在中性脂肪和极性脂肪，其中极性脂肪主要作为结构脂类，中性脂肪的主要生物学功能是能量存贮。中性脂肪与极性脂肪的含量存在组织和时间差异性，这主要与其功能有关。某些鱼类在发育过程中对脂肪酸的利用存在一定的选择性。有研究表明，银鲳亲鱼性腺发育过程中，包含 在内的多种