骨形態(tài)發(fā)生蛋白15和生長分化因子9對家畜繁殖功能的影響

(1.桐鄉(xiāng)市畜牧獸醫(yī)局，浙江 桐鄉(xiāng) 314500；2.桐鄉(xiāng)眾成湖羊?qū)I(yè)合作社； 3.浙江大學動物科學學院)

1 前言

BMP-15和GDF-9是兩個已經(jīng)被廣為認知的生長因子，均由卵母細胞分泌，在卵丘細胞與卵母細胞的正常發(fā)育中發(fā)揮著重要作用[1]。卵母細胞分泌的可溶性旁分泌因子被稱為卵母細胞分泌因子(OSFs)，OSFs最重要的成員之一就是轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)。TGF-β超家族的成員對細胞生長發(fā)育具有廣泛而深遠的影響。眾多TGF-β配體、受體和細胞內(nèi)信號蛋白在卵巢中表達，對正常卵泡發(fā)育至關(guān)重要。這些成員先被合成為前原肽，再通過蛋白酶加工轉(zhuǎn)化為活性成熟蛋白質(zhì)。原型TGF-β被確認為控制細胞增殖的分泌因子[2]。研究發(fā)現(xiàn)，在哺乳動物中有40多個TGF-β家庭成員，根據(jù)細胞信號傳導(dǎo)途徑，可分為兩大類：BMP/GDF和活化素/TGF-βs[3]。因為這些蛋白質(zhì)具有促進卵丘擴張和卵母細胞成熟能力，所以卵泡內(nèi)TGF-β超家族成員的激活可以極大地提高妊娠率[4]。TGF-β1型受體(TGFβR1)是TGF-β配體的主要1型受體，其中TGFβR1的主要作用是控制雌性生殖道的完整性和功能，其介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路的阻斷會導(dǎo)致輸卵管和子宮的結(jié)構(gòu)和功能異常[5]。

BMP是TGF-β家族的重要成員，是控制脊椎動物發(fā)育的多功能調(diào)節(jié)因子[6]。BMP首次發(fā)現(xiàn)時就已被證實在胚胎發(fā)育中起著關(guān)鍵作用[7]。BMP-15是一種與X染色體連鎖并在卵母細胞中表達的特異性生長因子[8]，主要作用是刺激卵泡發(fā)生和顆粒細胞生長。由卵巢細胞合成的生長分化因子(GDF)也是TGF-β家族成員，直接影響卵母細胞的生長和功能[9]。GDF-9在卵巢卵母細胞中表達，并作為哺乳動物卵巢卵泡發(fā)生必需的常規(guī)因子[10]。

2 BMP-15和GDF-9對繁殖功能的調(diào)控

2.1刺激卵泡發(fā)育 BMP-15作為常規(guī)因子發(fā)揮作用，刺激卵泡發(fā)生和顆粒細胞(GC)生長。GDF-9則作為哺乳動物卵巢卵泡發(fā)生必需的常規(guī)因子起作用。BMP-15和GDF-9對于正常的卵丘細胞功能和卵母細胞發(fā)育起重要作用，兩者的功能通常通過相互協(xié)同來完成。

2.2遺傳表達 BMP-15和GDF-9在遺傳和細胞信號層面上存在相互作用。BMP-15和GDF-9之間遺傳水平的相互作用是通過雜合子突變體動物并分析所得后代生殖表型的實驗中被發(fā)現(xiàn)的[11]。而GDF-9和BMP-15在人胚腎-293T細胞中共表達時，在生物化學水平上同源二聚體和異源二聚體的形成則第一次揭示了BMP-15和GDF-9之間細胞信號與蛋白質(zhì)水平的相互作用[12]。

2.3增強卵母細胞的發(fā)育 BMP-15和GDF-9可以增強卵母細胞的發(fā)育能力。BMP-15和GDF-9的完整補體對卵母細胞的發(fā)育和功能至關(guān)重要[13]。有數(shù)據(jù)表明，完全生長的卵母細胞通過卵母細胞分泌的旁分泌因子調(diào)節(jié)其自身微環(huán)境的能力可能反過來有助于卵母細胞的發(fā)育能力[14]。另一方面，有證據(jù)表明OSF對COC微環(huán)境的調(diào)節(jié)是卵母細胞發(fā)育編程的重要決定因素。在母羊中，針對BMP-15或GDF-9肽的短期免疫導(dǎo)致排卵率增加，但是對釋放卵母細胞的受精能力、受精的卵母細胞獲取正常胎兒發(fā)育的能力以及免疫母羊足月懷孕的能力沒有明顯的不利影響[15]。除此之外，BMP-15和GDF-9的生理學研究也表明其存在抑制排卵或增加排卵率并增強后代生產(chǎn)力的作用[11]。

2.4維護卵巢功能 BMP-15和GDF-9在卵巢功能中起協(xié)同作用。在該水平，完整BMP-15和GDF-9等位基因的劑量直接影響卵泡發(fā)生期間和卵巢周圍卵母細胞的命運[16]。同時綿羊的相關(guān)性實驗表明，GDF-9分泌的減少可能導(dǎo)致卵巢功能嚴重缺陷的純合BMP-15突變體綿羊的不育[12]。過去有小鼠實驗證明，存在GDF-9缺陷的卵母細胞比對照卵母細胞生長更快，卵泡生長在3b型階段停止[17]。它表明GDF-9在調(diào)節(jié)卵泡生長中起著關(guān)鍵作用。在水牛中也有類似的情況[18]。但是在青春期前的山羊中，GDF-9似乎并沒有在提高胚胎發(fā)育能力方面發(fā)揮作用[19]。這說明GDF-9的作用可能存在著種族差異。

3 BMP-15和GDF-9基因突變性

在攜帶突變的雜合或純合哺乳動物中，BMP-15和GDF-9中的一些突變導(dǎo)致生育力提升或者不育增加，以及引起生育疾病。在人類、牛和許多品種的綿羊中，多次排卵并不常見。研究結(jié)果表明，BMP-15對女性生育能力至關(guān)重要，卵巢衍生因子的自然突變可以劑量敏感的方式引起排卵率增加和不育表型[20]。以前的實驗證明，BMP-15和GDF-9基因的突變與綿羊排卵率和不育性都有關(guān)。GDF-9基因突變導(dǎo)致排卵率增加和不育也由此揭開[21]。

BMP-15和GDF-9中的突變也會引發(fā)一系列生殖問題。GDF-9突變可能是一些年輕女性卵巢儲備減少(DOR)的主要原因[22]。同時，GDF-9突變可能是人類卵巢早衰(POF)的一種潛在因素[23]。人BMP15的天然突變與高促性腺激素引起的卵巢功能衰竭有關(guān)[24]。這也表明BMP-15缺陷與GDF-9缺陷參與人類高促性腺激素引發(fā)的卵巢功能衰竭的發(fā)病機制。同時，已經(jīng)在患有原發(fā)性卵巢功能不全(POI)的女性中鑒定了BMP-15和GDF-9基因的突變[25]。這意味著原發(fā)性卵巢功能不全也可能源于這兩者的基因突變。

動物也存在與人類相同的現(xiàn)象，人類也許可以利用BMP-15和GDF-9中發(fā)生的遺傳變異來提高動物，特別是家畜的生育能力。有一項實驗表明，F(xiàn)ecXBar是一種新型BMP-15突變，該突變導(dǎo)致了突尼斯綿羊的繁殖力提升和雌性不育。這意味著該突變提供了一種有價值的遺傳工具用于控制突尼斯羊的繁殖力[26]。許多其他綿羊品種也存在同樣的現(xiàn)象[27]。研究指出，除了BMP-15和GDF-9之外，還有另一種叫做BMPR1B的基因在部分綿羊中起著類似的作用。這種情況表明，在通過改造BMP-15和GDF-9提高畜牧業(yè)生產(chǎn)率之前，需要排除其他基因與生長因子的影響，這其中許多問題有待解決。

5 展望

綜上所述，BMP-15和GDF-9在哺乳動物生育能力方面的重要地位已經(jīng)通過許多實驗得到了明確。但兩者之間存在一些復(fù)雜的相互作用，以及環(huán)境的影響。這意味著還需要進一步探討更多相關(guān)機制才能更好地利用。考慮到BMP-15和GDF-9與許多生殖疾病之間的關(guān)聯(lián)，無論是人還是動物，明確兩者之間發(fā)揮作用以及相互影響的機制有利于更好地治療和預(yù)防相關(guān)生殖疾病。同時，兩種基因的自然變異性和產(chǎn)生的相應(yīng)現(xiàn)象是未來提高家畜生產(chǎn)力的模板和方向。