杨连玉1 , 王　哲2
(1 吉林农业大学动物科技学院,吉林长春130118 ; 2 解放军军需大学军事兽医系,吉林长春130062)
摘　要: 阐述了铜与下丘脑促生长调控机能的关系,即许多学者认为高铜的促生长机制与促生长激素轴的激素的合成和释放有关。铜在下丘脑水平可能是调节了生长抑素的合成和释放。
关键词: 铜; 下丘脑; 促生长; 调控机制　
铜是动物必需的微量元素,通常动物的需要量为5～10 mg/kg。自1945 年Braude 发现饲料中添加高剂量的铜对生长猪有特殊的促生长作用以来,人们进行了大量研究。据报道饲料中添加125～250 mg/kg 的铜(硫酸铜) 对猪的促生长有效[1 ] ,其适宜时期是在猪的生长早期(体重50 kg以下) [2 ] ,而长期使用高剂量铜促生长作用减弱。
早期研究认为铜的促生长作用可能与胃肠道的抗微生物作用有关,与抗生素具有相似的作用,且二者具有可加性[325 ] 。Underwood 提出了不同的看法,认为饲粮铜明显不是抑制或促进胃肠道微生物而促进猪生长的[6 ] 。刘晓波、黄俊文、程忠刚等从对采食量、酶系统、激素分泌等方面总结高铜促生长机理,认为铜的促生长作用是系统性的,可能与提高猪的采食量、酶活性和生长调控的刺激有关[729 ] 。已有资料证明,动物和人类铜状况通过影响神经肽的合成和释放而强烈地影响神经肽的水平[10 ] ,铜可能是调控促生长调节肽的合成和释放而发挥作用的[11 ] 。有报道证实,铜促生长作用与提高脑铜浓度进而影响动物的内分泌有关[12213 ] 。在断乳仔猪静脉中注射组氨酸铜得到了与饲料添加高剂量铜类似的促生长效果,2 种方式都增加了血清中生长激素mRNA 含量[14216 ] 。一般认为动物生长受生长激素释放激素( GHRH) 、生长激素释放抑制激素(生长抑素,SS) —生长激素(GH) —胰岛素样促生长因子( IGF - 1) 生长轴调控,GH —IGF - 1 是其调控中心。通常认为下丘脑分泌的GHRH、SS 是垂体生长激素调控的主要因素,但是最近又发现的天然GH 促分泌受体配体即一种新的神经肽Ghrelin ,研究认为这种物质可能与GH2RH、SS 共同参与了生长轴的调控[17 ] 。因此,研究生长激素的合成、分泌及其与相关激素、受体的相互关系,特异性生长的神经内分泌调节,对于解释铜对猪的促生长机理有很重要的意义。
1 　铜在动物体内发挥作用的化学形式及其作用途径
铜自消化道被吸收入血,血浆中70 %～95 %的铜与血浆铜蓝蛋白络合后与少量游离的铜经过自由通道进入细胞,与细胞内铜蛋白结合[18219 ] ,铜和铜蓝蛋白遍布各细胞器和细胞液,25 %～50 %的铜分布于胞液。动物体内至少有14 种酶含铜,铜是这些酶的关键组分,如超氧化物歧化酶、血浆铜蓝蛋白、金属硫蛋白、细胞色素C 氧化酶、酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶、半乳糖酶等。机体内缺铜时上述酶活性下降。铜可能以酶或离子的形式通过维护生物膜的功能及参与基因表达等途径调控动物生长。
1.1 　铜的抗氧化作用与维护细胞膜结构和功能的完整性
机体代谢过程中产生大量的氧自由基,该类物质能够使生物膜结构发生脂质过氧化反应,破坏生物膜结构,影响其功能。抗氧化酶是细胞抗氧化毒性的重要防线。与抗氧化作用有关的酶有铜锌超氧化物歧化酶(CuZn-SOD) 、血浆铜蓝蛋白(CP) 、谷胱甘肽过氧化酶(GSH-Px) 等。铜是CuZn-SOD 的辅助因子和调节因子,在真核生物中有2 种形式的超氧化物歧化酶可使超氧负离子歧化,作用部位在细胞质。铜与催化锌参与的稳定酶的结构有关[20 ] 。机体的CuZn-SOD不仅可以清除许多酶系统产生的O2- 自由基,并在降低细胞膜不饱和脂肪酸脂质过氧化中发挥作用。
血浆CP 也可清除O2- 自由基,作用部位主要在细胞外。血清中正常浓度的CP ,能够通过黄嘌呤氧化酶调节正铁细胞色素C 的还原作用,以减少由此过程诱发的O2- 自由基的生成,因而具有类似超氧化物歧化酶的作用[21 ] 。夏枚生、许梓荣等的研究表明,生长猪日粮中添加240 mg/kg 的硫酸铜,可提高血清CP 和肝脏过氧化物歧化酶的含量[12 ,15 ] ;刘国文等在生长猪日粮中添加0 ,100 ,150 ,200 ,250 ,300 mg/kg 硫酸铜,血清CP 和超氧化物歧化酶活性随铜浓度提高而增加[6 ] 。GSH-Px 是清除羟自由基的重要抗氧化酶,能够分解脂质过氧化物,保护生物膜不受脂类过氧化物的破坏。饲粮中添加高剂量铜可提高GSH-Px 的活性,改善内环境,提高动物的生产性能[22 ] 。这种现象可以解释为GSH-Px 的活性可被过氧化物损害,这可能是由于CuZn-SOD 活性下降时,体内积累的过氧化物造成的,铜可能是通过提高CuZn-SOD 的含量和活性从而维持了GSH-Px 的活性。
1.2 　铜与基因表达
在基因表达中,各种金属离子所起的作用不同。据此将金属离子分为3 类:一类金属离子维持大分子构象;二类金属离子以金属酶的形式发挥作用;三类金属离子直接在转录和翻译过程中起调节作用[23 ] 。有研究表明,小鼠肝脏和肾脏中铜诱导金属蛋白(MT) 基因转录合成MTmRNA 的含量随着皮下注射硫酸铜的剂量加大而增加;而且与锌、镉、汞比较,铜诱导MT 基因表达的作用最强。另外,铜对CuZn-SOD 基因的表达也有调节作用[24 ] 。
1.3 　铜与动物免疫机能
铜通过其抗氧化作用等对生物膜结构和功能的影响而保证动物的健康,提高了动物的免疫功能。如铜缺乏会降低血液中IgG、IgA 和IgM 含量,饲喂低铜饲粮(0.8 mgPkg) 使猪体内T 细胞对PHA、ConA 的应答反应下降; 牛缺铜时血清中补体总浓度降低等[25 ] 。现在尚不清楚铜影响机体免疫机能的途径,而且关于饲粮中添加高剂量铜对机体免疫机能影响的报道也少见。也许铜对动物免疫机能的影响不是高剂量铜促生长作用的主要原因。
2 　铜与下丘脑促生长激素释放调节多肽
GH 分泌受下丘脑、GHRH、SS 等三因素调节。SS 是抑制垂体GH 分泌的主要下丘脑激素,有2 种主要的活性形式,分别由14 个和28 个氨基酸残基组成,即SS-14 和SS-28 。SS 的氨基酸序列无种属特异性[26 ] 。用放射免疫的方法测定,在下丘脑的SS 主要是SS-14 。SS 在哺乳动物体内以下丘脑浓度为最高,其主要作用是通过抑制GH 的释放及抑制GH 基因的转录从而降低GH 的生物合成,但是对正常GH 细胞的增殖不起作用[27 ] 。GHRH 是腺垂体分泌和合成GH 最主要的生理刺激物,主要由下丘脑的弓状核和腹内侧核GHRH 神经元分泌,人和猪的GHRH 均为44 肽,种间有所差异,主要在C 端26 ,30 ,34 位上3 个氨基酸序列不同。经构效关系研究表明, GHRH 2-24 是保持生物活性最重要的结构。GHRH 从神经元轴突释放,经垂体门脉血管到达腺垂体,作为强有力的特异性GH 分泌因子作用于GH 细胞,主要刺激GH 的分泌、合成和GH 细胞的分泌及增殖。
在大鼠和羊的下丘脑,SS 和GHRH 各自以独立方式间歇性分泌到垂体门静脉,两者呈现不同步的突发式分泌,SS 抑制GH 的基础分泌,GHRH控制GH 的脉冲分泌,二者协调控制GH 的分泌。
目前已发现人的弓状核GHRH 神经元核周体中有SS 受体,SS 可能是通过调节GHRH 神经元的分泌间接控制GH 的分泌。而其他调节GH 分泌的因子是通过抑制SS 分泌来促进GH 的分泌,而不是提高GHRH 的活性。所以,就SS 和GHRH 对GH 释放的作用而言,SS 为优势调节者。
SS 主要调节GH 的基础分泌,对调节动物的生长具有重要作用。Spencer 用化学合成的SS 制成抗原主动免疫家畜,使家畜体内的SS 水平下降,GH 水平增高,动物增重加快[28 ] 。SS 抑制剂—半胱胺(Cysteamine ,CS) 能迅速降低下丘脑、胃和十二指肠的SS 免疫活性[29 ] 。韩剑众[2 ] 用CS 饲喂45～92 日龄猪,猪的生长速度提高12.59 % ,血液GH 升高136.95 % ,SS 下降56.45 %。CS 的作用与猪的生长阶段有关。研究人员发现,对乳猪进行CS 处理,在性成熟前有相当的效果[30 ] ,这表明SS 和动物的自然生长规律有密切的关系。Lin等[31 ] 用PCR 技术比较了106 日龄猪胎儿,7 日龄,3.5 月龄和6 月龄小母猪下丘脑神经肽mRNA 的表达, 发现SSmRNA 和GnRHmRNA 的表达在3.5 月龄达最高峰。这一结果与铜促生长作用的最佳阶段吻合。可以推测,铜与SS 的合成和释放有着直接或间接的关系。铜可以通过猪的血脑屏障在脑中积累,可能与中枢神经系统的调节机能有关。但是,缺乏铜对SS 影响的直接证据。SS 基因转录受性激素调节,如睾酮可以增加其转录。一些神经介质也调节SS 基因表达。有报道认为多巴胺(DA) 具有刺激GH 分泌的作用,但研究发现DA 对体外正常的GH 分泌无影响。王永友等[32 ] 、徐霖[33 ] 用多巴胺的前体物质左旋多巴的研究表明,左旋多巴对非垂体性侏儒患儿有提高血清GH 含量和促生长的作用,认为DA 等可能是通过刺激垂体或间接作用于下丘脑GHRHPSS 来调节GH 分泌的。还有报道认为,日粮中铜缺乏可使猪和鼠心脏和脾脏中去甲肾上腺素(NE) 浓度降低、DA 浓度上升[27 ] ,可见铜与儿茶酚胺代谢有关。铜如何影响儿茶酚胺形成尚不清楚,可能是以铜为辅基的CP、酪氨酸羟化酶、多巴胺2β羟化酶和单胺氧化酶的作用,最终调节了儿茶酚胺的合成。
3 　铜与神经肽Y
日粮中补饲高剂量铜可提高猪的采食量已被一些学者的研究所证实[16 ,34238 ] ,并认为铜的促生长作用与其采食量的增加有密切关系。Pau 等给兔静脉注射铜刺激了神经肽Y激素从下丘脑的分泌[39 ] 。神经肽Y(Neuropeptide ,NPY) 是Tatemoto等1982 年首次从猪脑中发现,并分离提纯具有36 个氨基酸残基组成的活性多肽,广泛分布于中枢神经系统以及外周许多器官。NPY的分泌可促进动物的采食。当长期在脑室中给予NPY,导致采食、体重增加[40 ] ;动物妊娠期、哺乳期进食增加时,弓状核NPY的mRNA 也相应增加[41 ] 。因此有学者认为,高剂量铜通过刺激NPY激素从下丘脑分泌,进而引起采食量增加是可能的[9 ] 。Forbes等[42 ] 研究表明,给仔猪注射铜可以促进NPY的泌,作用机制尚不清楚。目前研究人员已通过设计引物和采用RT - PCR 法制备了NPY的DNA 探针,准备通过原位杂交法和Northern 杂交分析下脑中NPYmRNA 的水平,并在体外研究铜对该神经介质mRNA 翻译水平的影响。Ghrelin 是在鼠的胃和脑中存在的一种能够促进采食和增重的物质,具有影响肽类生长激素释放活性的特异性。Ghrelin 的免疫反应细胞位于弓状核及胃中,给鼠中枢持续注入Ghrelin ,可显著增加NPYmRNA 在弓状核中的水平,并且该物质在下丘脑的主要靶器官是含有NPY 的神经元[17 ] 。Kojima 等[42 ] 认为Ghrelin 可能导致鼠食欲增强和过胖。NPY是促进摄食的主要调节物质,而目前认为Ghrelin 对摄食的促进作用强于NPY,铜与该物质是否有关进而影响NPY的表达尚无证据。
NPY与动物促生长轴的关系也已为研究人员所重视。Barker 等对卵巢切除的母羊投喂充足食物和限制食物进行对照研究,发现限制组的GH分泌减少,且其下丘脑弓状核NPYmRNA 增高。提示食物对GH 的影响可能受下丘脑特定脑区NPY的调节。Malven 报道[44 ] ,NPY可影响T4 、GH的分泌。但NPY参与GH 的分泌的调节机制尚不清楚。目前的研究认为NPY通过参与GH 的负反馈调节机制而发挥其生理作用[45 ] 。通过对食物剥夺及给食试验证实NPY的浓度变化在室旁核,而NPYmRNA 的表达在弓状核。将鼠的GH 注射到弓状核和室周核,可致GH 的分泌抑制,而在注射其他脑区无效。GH 激素注射后可发现弓状核及室周核c-fos 基因的表达。在弓状核c-fos 基因在NPY神经元表达,在室周核为生长抑素神经元表达。研究发现,生长抑素(SS) 神经元上有GH受体,位于弓状核的生长激素释放激素( GHRH)神经元上几乎没有GH 受体。GH 作用可引起NPY神经元早期应激基因c-fos 的表达,故推测NPY参与GH 的反馈调节。另外,NPY神经元与SS 神经元的分布有许多重叠区。也许当铜促NPY基因表达时,相对减少了SSmRNA 的基因表达,减少SS 的释放,从而增加了GH 的释放。
4 　小　结
铜的促生长作用机制可能是多层次的。铜对猪生长早期的促生长作用与神经内分泌有直接或间接的关系,SS 可能是下丘脑调控铜促生长作用的主要因素。目前尚待解释的问题是:
(1) 铜与下丘脑SS 分泌的关系。(2) 铜是否通过含铜酶影响儿茶酚胺类神经递质代谢从而调控了SS 和(或) GHRH、Ghrelin 等促生长激素释放调节多肽mRNA 的表达过程。(3) 铜对下丘脑NPY影响的直接证据。现代分子生物学的发展,为铜促生长机理的研究提供了可靠的技术手段,使人们能够从分子水平认识铜与动物促生长的关系。
引自《吉林农业大学学报》2003，25（1） P86-90