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激素免疫应用与调控动物繁殖和生长的研究进展

作者: 曾宪垠 刘国霞来源:四川农业大学时间:2008-11-26 11:20点击:

        众所周知 ,神经 - 内分泌系统对生物体的正常生长、 发育、 繁殖等一系列生理过程起着重要的调节作用。激素免疫学的兴起 ,使有目的的改变内分泌平衡并产生有意义的生理学效应成为可能 ,许多学者对此已进行了大量的实验研究 ,包括生殖激素、 调节生长发育的激素在畜禽及人类中的应用 ,如促性腺激素释放激素( GnRH)用于动物免疫去势、 人绒毛膜促性腺激素(HCG)用于人避孕疫苗的研究已经取得很大成功。本文仅就利用激素免疫来调控动物生长、 繁殖两个方面的研究进展作一综述。

1   生殖调控

        动物的繁殖行为是下丘脑 - 垂体 - 性腺轴系统各种激素相互作用的结果。下丘脑释放的促性腺激素释放激素( GnRH)通过垂体门脉血管到达垂体前叶 ,刺激促卵泡激素(FSH)和黄体生成素(LH)的合成分泌;而后二者又通过血液循环到达性腺 ,促进性腺类固醇激素的合成与分泌 ,进而促进性腺发育、 配子生成 ,发生并维持第二性征 ,性腺类固醇又可以反馈到下丘脑 ,调节 GnRH分泌 。该调节系统激素平衡的改变 ,将会影响到生殖行为。

 1. 1   免疫去势去势在动物上应用较为普遍 ,大多是为防止公畜的攻击行为(特别是公牛) 、 母畜的意外怀孕 ,防止公猪肉中难闻的味道(boar2taint)以及因动物性成熟后频繁的性活动对动物生长所产生的影响。然而传统的外科阉割去势法存在很多缺点 ,如对动物造成应激 ,有术后感染的危险。许多研究者尝试用其他方法来代替外科阉割,但效果都不甚理想。大量试验证实 GnRH免疫能有效抑制动物繁殖机能 , 并且这种免疫去势技术逐渐成熟。

        早在 1973 年 ,Fraser 等用人工合成的促黄体激素释放激素(LHRH)与牛血清白蛋白(BSA)偶联免疫公兔 ,发现睾丸萎缩(免疫组重量仅为对照组的 15 %) ,曲精细管闭锁 ,无精子生成。Clarke 在苏格兰黑面母羊上用LHRH - BSA 免疫 ,能显著降低血浆LH水平 ,并导致动物不发情或不排卵 。同样 ,在其它动物上用 GnRH 免疫后 ,均得到性腺萎缩、 配子生成停止、 生殖机能降低的结果 。因此许多学者认为 GnRH 免疫有望代替手术去势而成为一种安全的免疫去势方法。

        由于 LHRH 不仅可促进垂体释放 ,LH 还促进 FSH的释放 ,而且目前未发现独立的促卵泡激素释放激素( FSHRH) ,所以 LHRH 又称为 GnRH。用 GnRH免疫 ,产生相应抗体中和内源性 GnRH ,使其生物学活性大大降低 ,垂体 FSH、 LH 合成分泌减少 ,从而导致性腺内分泌变化。对雄性动物 ,类固醇激素分泌减少 ,睾丸及副性腺萎缩 ,精子生成受阻; 对雌性动物 ,乏情期延长或不发情 ,卵泡发育、 排卵及黄体形成受阻 ,卵巢、 子宫萎缩。有研究表明 GnRH免疫可以降低垂体 GnRH 受体及其 mRNA 以及 FSH、 LH亚基 mRNA浓度。

        完整公猪生长速度快 ,瘦肉率高 ,脂肪少,但猪肉在加热过程中发出难闻的异味 ,这种味道主要是由 5 α- 雄甾烯酮和粪臭素引起的 。Falvo 等首次用 LHRH - 人血清球蛋白免疫公猪 ,结果血浆 LH、 睾酮( T)浓度降到不可测的水平 ,睾丸及副性腺重量减轻 ,除背膘厚外 ,其它生长、 胴体性能无影响 ,这一结果首次表明在公猪上用LHRH主动免疫代替手术去势是可行的。GnRH 主动免疫不仅可以降低脂肪中雄烯酮含量,而且使性欲下降 。目前大多数研究采用 GnRH单体作为抗原 , 其缺点是免疫原性差 ,表现为个体之间反应差异大。弗氏佐剂易引起较严重的炎症反应 ,如采用较为缓和的佐剂则更能为人们接受。Oonk 近来应用 GnRH并列体二聚物 ,配以较缓和的佐剂 ,其免疫原性大大提高 ,个体之间反应差异小 ,且免疫原用量低 ,去势效果好。Zeng 等应用同种方法免疫中国杂交公猪 ,不仅使公猪睾丸重量、 体积明显降低 , 脂肪中雄烯酮含量降到不可测的水平 ,而且动物生长性能好于手术去势的动物和完整公猪。这种免疫次数少(仅两次) ,剂量低 ,用缓和佐剂且免疫效果好的疫苗是非常适合养猪业上替代手术去势的。

        免疫去势在肉牛上的研究也比较多。在公牛上用 GnRH 主动免疫 ,不仅能抑制睾丸机能 ,使性行为及攻击性减少 ,而且使肉品质量提高 。虽然胴体重或日增重较完整公牛差 ,但好于阉公牛 。Adams 等用 GnRH - KLH 仅 1 次免疫 4 ~12 月龄的公牛 ,就能明显减弱睾丸生长 ,且不影响育肥成绩及胴体品质 。在母牛上免疫 GnRH 也可以取得避孕效果 ,使卵巢、 子宫萎缩 ,持续不发情 ,但对生长性能有影响 ,有研究表明能通过植入促蛋白合成类固醇来弥补因免疫而造成的增重降低的损失 。这些研究成果表明 ,免疫去势在肉牛混合饲喂及放牧季节有潜在应用用途。

        GnRH 免疫去势效果在其他动物上也有研究 , 如绵羊 、 公鸡 、 公兔、 马,都能使睾丸萎缩或发育不良 , T 含量下降 ,雄性特征减弱。 Keeling等经过 3 年的研究发现 ,免疫公羊在 1~2 年内当抗体滴度下降后 ,大多数可恢复生殖机能 ,母羊生殖力也可以自然恢复 ,而不会影响正常怀孕 。这表明 LHRH 免疫是可逆的 ,这在宠物上很有应用价值。已有少数研究将 GnRH用于狗、 猫的免疫去势 。因其结果差异性很大 ,尚需要更多地研究其实用性。

1. 2   提高繁殖机能

 1. 2. 1   抑制素免疫提高排卵率及公畜生殖机能  

        抑制素是由性腺分泌的糖蛋白激素 ,由α、 β两个亚基通过二硫键相连形成的异质二聚体,不同种属的动物抑制素氨基酸序列差异很小,它能选择性抑制垂体产生和分泌 FSH ,若将其免疫中和掉,可提高 FSH的分泌,从而加强卵巢中卵泡发育,提高排卵率。 Henderson等将抑制素部分纯化的牛卵泡液溶于生理盐水 ,4 ℃与完全弗氏佐剂( FCA)等体积乳化 ,作为免疫原免疫罗姆尼羊 ,使母羊排卵率提高 , 但 FSH、 LH未明显改变 。Cummins等在美利奴母羊上用 Mat rix gel Red A亲合纯化的牛卵泡液与 FCA乳化进行免疫 ,可使排卵率由平均 120 %提高到 230 %。Meyer 等用合成羊抑制素α亚基氨基末端 25 个氨基酸残基片段与人α球蛋白偶联作免疫原 ,使抗体滴度升高 ,排卵率升高 ,且二者呈正相关 ,FSH未变 。而采用更短的时间间隔 ,或更加纯化的免疫原(如生化合成的抑制素α亚基片段与载体蛋白连接 ,基因工程方法构建的重组蛋白) ,都可观察到 FSH 的升高 ,且研究发现排卵率升高不仅与外周血 FSH升高有关 ,还可能与黄体期及卵泡期 FSH、 LH 分泌模式的改变相联系。

       除了在绵羊上研究较多外 ,在大鼠、 母马、 母牛、 山羊 、 上应用抑制素免疫 ,排卵率均有不同程度的提高。张小东等用人 α亚基(1 - 26) Tyr - Gly 合成肽免疫 3 岁考力代母羊 ,使 FSH浓度上升 ,受胎率及妊娠期无显著影响 , 而产羔率提高 40 %。

      应用抑制素免疫还可提高公畜生殖力。AL - Obaidi等用抑制素制剂主动免疫 3 周龄的美利奴公羔 ,使之在 23 周龄乏情季节精子日产量明显增多 , 睾丸直径增大。Voglmayr 等用人重组抑制素α 亚基免疫萨福特公羊 ,结果是 T 浓度升高 ,附睾精子储备增加。Martin 等用牛抑制素α 1 - 26 gly - tyr 偶联于人α球蛋白上主动免疫公牛 ,提高了 FSH、 T 浓度 ,每克睾丸实质的精子日产量显著提高。最近Lovell 用抑制素α亚基免疫小公鸡 ,虽 FSH、 T 未受影响 ,但降低了性成熟后 LH 水平 ,促进了睾丸重量的增加 ,免疫组睾丸重与抗体滴度相关。

 1. 2. 2   性腺类固醇激素免疫

     黄体期的雌激素和孕酮对垂体促性腺激素有负反馈作用 ,削弱这种作用 ,将使促性腺激素增加 ,促进更多的卵泡发育 ,以提高排卵率及增加产仔数。虽有研究利用孕酮主动免疫母羊来提高排卵率 ,但更多的研究是用雄烯二酮为代表的雄激素免疫。睾酮和雄烯二酮是合成雌激素的前体 ,免疫后将会使雌激素合成减少 ,从而解除对垂体的抑制。

        Scaramuzzi等将雄烯二酮与 BSA 偶联免疫威尔士山地母羊 ,发现排卵率升高 ,提示该技术是代替外源激素进行超排的一种途径。Van Look 等用同样的免疫原也引起母羊排卵率升高 。1983 年澳大利亚联邦科工组织研制成世界上第一个商品性绵羊双羔疫苗 — 多胎素( Fecundin) ,其抗原是雄烯二酮 - 羧甲基硫醚 - 人血清白蛋白(112 mg/ mL) , 佐剂为 5 %二乙氨乙基 - 葡聚糖(DEAE - dext ran) 生理盐水溶液(pH 值调至 715~717) ,应用该疫苗可使同期发情的 Galway 母羊排卵率提高 70 % ,窝仔数提高 38 %。在我国 ,将 Fecundin 用于蒙古杂交羊 ,排卵率提高 40 %。Zaf racas 等应用 Fe2 cundin免疫奶羊 ,使产羔率提高 ,窝重增加 ,但羔羊重却降低。我国也研制了多胎素疫苗 ,郑亦辉等应用国产多胎素 I 号 — — — 雄酮与牛血清白蛋白结合 ,加入弗氏佐剂 ,免疫湖羊 ,可使产羔率提高 57 %;新疆八一农学院研制的 XJC - A 型绵羊双羔苗 ,是以雄烯二酮为主体的激素抗原型药物 ,在 700 多只新疆细毛羊上试验 ,可使平均双羔率提高 19 % ,达到了与 Fecundin 双羔苗相近的结果[64 ] 。各种不同的 “双羔苗” 已经在新疆细毛羊中推广应用 ,取得了相当可观的经济效益。

        崔丽萍等还研究了应用睾酮主动免疫美利奴母羊 ,使产羔率由 115138 %提高到 164171 % ,LH 水平在发情当天、 孕酮在黄体期比对照高 ,T水平明显高于对照组。Walker 等用睾酮主动免疫 1 月龄公牛 ,不影响 FSH ,LH 浓度和体重 ,而使性成熟后睾丸实质及精子日产量增加。

 2   促进生长

        参与生长调节的激素有多种 ,如生长激素 (GH) ,胰岛素(insulin) ,生长介素(SM ,或称为胰岛素样生长因子 , IGF - Ⅰ) 。这些激素又受神经系统分泌的高位调节因子的调控 ,其中较重要的是生长激素释放激素 ( GHRH) 、 生长激素释放抑制激素 ( GIH ,又称为生长抑素 somatostatin ,SS) ,前者促进 GH分泌 ,后者抑制 GH 分泌 ,还抑制胰岛素、 促甲状腺素( TSH) 、 催乳素(PRL) 、 促性腺激素及促肾上腺皮质激素(ACTH)的分泌。而受生长抑素抑制的这些激素大多对动物生长起积极的促进作用。如果通过免疫使动物产生或获得抗 SS 抗体 ,中和内源性 SS ,则会解除 SS的抑制作用 ,促进动物生长。

        SS是 14 肽激素 ,需与大分子量载体蛋白连接才成为具有免疫原性的完全抗原 ,与佐剂乳化后即可免疫动物。这种主动免疫已在绵羊、 山羊、牛 、 上应用 ,取得较好的促生长效果。 1981 年 Spencer 等将 SS与人血清α球蛋白偶联 ,加入 FCA ,免疫 3 周龄的羔羊 ,能产生明显的抗 SS抗体滴度 ,9 周后平均体重提高 34 % ,SM 水平升高 , 但 GH、 胰岛素未见明显提高。用 SS 免疫对生长缓慢的羔羊增重效果明显 ,而对生长较快的商品代杂交羊 ,其促生长效应却不尽相同。Spencer 等用类似方法免疫 ,可使商品代杂交羊在 8 周龄断奶时增重率比对照高 10 % ,饲料利用率提高 11 % ,但断奶后饲料转化效率及体组成不受影响 ,而且母羊比公羊效果好。Galbraith 等用同样的免疫原免疫 7周龄的去势公羊 ,可使 GH 升高 ,前后腿长度增加 ,而对其它生长和胴体性能无影响。这似乎表明 SS免疫对处于生长初期的羔羊有较好的促生长作用。Hoskinson等用 SS - KLH免疫21 日龄杂交母羊和去势公羊 ,到 200 日龄时未发现任何促生长效应 。产生这种差异的可能原因有许多 ,如处理日龄、 动物的品种以及营养水平 ,这些因素的差异可能导致免疫反应的差异、 对激素敏感程度的不同 , 营养供应不足亦会影响免疫效果。

        使用合成肽疫苗的基础上 ,徐文忠等将 SS 基因与乙型肝炎病毒表面抗原基因融合 ,构建了重组痘病毒疫苗,证明能有效提高中国美利奴羊的增重 ,大量田间试验亦证实其可靠的促生长效应 , 而且无不良反应。

        理论上 ,产生的抗 SS 抗体中和内源性 SS 后 , 应使 GH、 胰岛素、 促甲状腺素升高 ,但仅在少数几个试验中发现 GH、 SM 升高。其原因可能是激素仅在短时间内发生变化 ,而取样时间是在激素又恢复到正常之后。应用 SS免疫促进生长也可能存在其它机制。Fadlalla等用 Cr2O3 作为示踪剂研究 SS 抗血清免疫羔羊时发现 ,抗血清处理组示踪物的 50 %清除时间明显延缓 ,表明循环的 SS 对食糜通过消化道的速度有调节作用。这与主动免疫 SS 引起消化率提高是一致的。抗 SS免疫还可以影响甲状腺素的代谢,由此对抗寒冷刺激引起的生长停滞 ,使受 SS 免疫的动物在寒冷时期表现生长优势 。

 3   有待进一步研究的问题

3. 1   调控机制尚未明确尽管理论上免疫后机体产生或获得的抗体可中和相应的内源激素而产生生理作用 ,但体内激素相互联系 ,相互影响 ,至今还未从微观水平阐明激素免疫调控的机制。

3. 2   激素残留问题尽管有人称激素免疫是一种安全的方法 ,不会造成激素残留,但至今尚未看到证实此类说法的研究证据。化学合成的免疫原注射到动物体内是否会分解 ,解离下来的激素分子是否会残留于动物体内 ,特别是肉用和奶用动物 ,这关系到食品安全的问题。

 3. 3   是否存在副作用激素免疫是通过改变激素之间的相互平衡来实现其生物学效应的 ,所以应对由于正常内分泌平衡的改变而可能出现的一些不良反应作充分的研究。

4   展   望

        激素免疫来调控动物的生理行为已经起到了一定的作用 ,而且这种方法简便 ,无论对动物权益的保护还是提高畜牧业水平都是有益的。随着研究的深入 ,问题将逐渐解决 ,激素免疫技术也将应用于生产实践 ,推动畜牧业到一个更高的水平。

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