摘要：進化過程中生物鐘通過將合成代謝和分解代謝兩種代謝過程進行時間上的分離，優化代謝效率;同時使動物機體的代謝循環與睡眠/活動循環同步，維持基本的代謝節律。哺乳動物的繁殖性能主要受到下丘腦-垂體-性腺軸的調控。下丘腦視交叉神經上核的主生物鐘能夠產生自發性振蕩并且感受光周期的變化，引發褪黑素分泌的變化。褪黑素(MT)作為一種重要的節律調節因子和生殖激素，介導下丘腦-垂體-性腺軸各部分激素的節律性變化，進而調控哺乳動物繁殖性能。同時腸道菌群的變化作為一種繁殖障礙的反映逐漸引起人們的關注。本文將重點闡述晝夜節律對宿主能量代謝、繁殖性能以及腸道菌群之間的相互作用，主要包括中樞生物鐘視交叉神經上核(SCN)通過褪黑素介導的下丘腦-垂體-性腺軸各部分激素的節律性變化，進而調控哺乳動物的繁殖節律。

　　關鍵詞：生物鐘;褪黑素;哺乳動物生理代謝;繁殖;腸道菌群

　　生命已經適應了由地球自轉所控制的能量周期，通過進化分子機制來預測一天中生命活動最有利的時間。因此，大多數生物功能表現為日常節律。在人類和大多數哺乳動物體內，這些晝夜振蕩是由稱為生物鐘的自我調節性轉錄和翻譯反饋回路引起的。生物鐘不僅能夠調節睡眠、飲食，還調控著激素、體溫、血壓以及其他生理生化指標的節律性周期變化。

　　生物論文投稿刊物：《農業生物技術學報》(月刊)1993年創刊，由農業部主管，中國農業大學、中國農業生物技術學會、原農業部科技司共同主辦，中國農業大學農業生物技術國家重點實驗室承辦。是我國農業生物技術領域唯一的學術期刊。它反映我國農業生物技術領域最新的科研成果，促進國內外學術交流。

　　從生物節律的角度探究生物鐘對宿主能量代謝、繁殖性能和腸道菌群的影響，可以為研究哺乳動物繁殖障礙性疾病、代謝性疾病、免疫性疾病、退行性疾病等提供新的思路。本文重點論述了生物鐘和新陳代謝之間的相互關系、生物鐘通過褪黑素介導下丘腦-垂體-性腺軸影響動物的繁殖性能，以及腸道菌群的穩態。

　　1生物鐘系統

　　生物鐘又稱生理鐘，是生物體生命活動的內在節律，由生物機體內的時間結構序所決定。哺乳動物下丘腦中的視交叉神經上核(SuprachiasmaticNucleus，SCN)是整個機體的核心生物鐘系統，在機體水平上起著中樞起搏器的作用。目前研究普遍表明，SCN起到同步外周組織的生物鐘系統的作用[1]。

　　SCN神經元通過視網膜下丘腦束接受來自于視網膜內表達特殊黑視素的神經節細胞的光信息，感知外界環境的晝夜變化，并使其生物鐘的相位與光的相位同步。體外移植的SCN能夠在許多天內維持明顯的晝夜節律，而外周組織雖然在移植時具有節律性，但節律性較差，持續時間較短。這表明，外周組織的生物鐘需要持續的引導才能保持同步。此外，當SCN被去除后，大部分體外培養的組織或細胞中相關基因的表達仍呈現出節律性。這就進一步說明，SCN的作用是引導外周組織細胞的節律，使其呈現同步化，但并不產生節律[2]。光照的變化影響SCN自由性節律振蕩，SCN進而調控機體的行為及代謝的節律性振蕩，該過程分為輸入信號的變化(Input)、核心生物鐘系統的節律性振蕩(Oscillator)、機體的輸出機制(Output)[3]3個步驟。

　　2生物鐘系統的分子機制

　　在分子水平上，轉錄因子腦和肌肉ARNT樣蛋白1(BrainAndMascleARNTLikeProtein1，BMAL1)和CLOCK蛋白或NPAS2(NeuronalPASDomainProtein2)蛋白在晝夜節律早期發生異源二聚，與基因啟動子的E-box元件結合，誘導下游基因轉錄。PER基因和CRY基因通過編碼BMAL1:CLOCK/NPAS2的抑制因子誘導下游基因轉錄。在晝夜節律的夜晚，PER和CRY轉移到細胞核，形成大的復合體。這抑制BMAL1:CLOCK/NPAS2的轉錄活性，從而下調了它們自身的表達。

　　PER和CRY蛋白的降解能夠解除轉錄抑制，使得1個周期約為24h的轉錄周期重新開始[4]。REV-ERB又稱核受體亞家族1，D組(Nr1d)和RAR相關孤獨受體(ROR)，編碼核受體REV-ERB和ROR[5]。REV-ERBs抑制RORs并可以激活BMAL1的轉錄[6]，產生BMAL1mRNA的節律性振蕩。BMAL1在調控元件中的節律性結合：CLOCK/NPAS2和REVERB/ROR分別結合在E-box和REV-ERB/ROR序列上，在涉及許多不同功能的特定細胞或組織中，驅動大量基因有節奏地表達[7]。轉錄反饋回路的功能和時間依賴于翻譯后調控轉錄因子穩定和降解的修飾過程[8]。這種分子水平的節律性振蕩幾乎存在于哺乳動物的所有細胞和組織中，基因的節律性表達最終產生與生理功能相關的節律性行為[9]。

　　3生物鐘與哺乳動物生理代謝

　　3.1生物鐘與松果體

　　在脊椎動物的進化過程中，松果體由最低級脊椎動物的感光器官[10]進化到低級脊椎動物的感光內分泌器官[11]，最終進化到哺乳動物的神經內分泌器官[12]。在下丘腦神經SCN主生物鐘的調控下，哺乳動物松果體合成并分泌褪黑素。褪黑素作為機體生物鐘的重要調控因子，具有維持機體節律與環境周期同步的作用。下丘腦中SCN含有大量的褪黑素受體。哺乳動物體內褪黑素的分泌一般在夜晚呈現上升趨勢，并且在凌晨02:00—04:00達到峰值。若SCN受到外界環境的干預，抑制褪黑素的合成分泌，引發節律相關基因的失調，則會導致動物體內內源性褪黑素的分泌不足，進而引發機體各組織器官功能性衰退。這與免疫性疾病、神經退行性疾病以及繁殖障礙等發生有關。Weissová等[13]研究表明，外源補充褪黑素可以改善由衰老引起的機體節律紊亂。

　　3.2生物鐘與代謝酶基因

　　細胞的增殖、分化、衰老、凋亡等是生命活動最基本的過程，在各個細胞周期的代謝過程中都呈現出精準、有序、高度協調的特征。生物鐘相關基因通過調節編碼代謝酶的節律性表達，從而調節細胞代謝。BMAL1直接靶向編碼限速酶的基因，如作用于糖異生過程中的磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)[14]。

　　鏈脂肪酸延伸酶6(Elovl6)作用于脂肪酸合成以及甘油三酯水解酶介導的甘油三酯分解[14]。CLOCK控制其他轉錄因子的節律性表達或節律性活動，從而給新陳代謝相關基因的表達施加了節律[15]。例如，受BMAL1:CLOCK控制的轉錄因子DBP、TEF、HLF，通過對核構成雄甾烷受體的控制調異生物質代謝的節律[16]。REV-ERBa通過直接與DNA結合或與其他轉錄因子相互作用間接控制轉錄。

　　抑制生物鐘基因轉錄需要REV-ERBa的DNA結合域，而脂質代謝基因的轉錄需獨立于DNA結合域，并且涉及REV-ERBa通過其他轉錄因子與DNA的結合過程。此外，REV-ERBa控制許多代謝因子的晝夜節律性轉錄。例如，REV-ERBa影響Insig2的晝夜轉錄。REV-ERBα指示組蛋白去乙酰化酶3(HDAC3)的基因組招募，以指導組蛋白乙酰化的晝夜節律和脂質代謝相關基因的表達[16]。Insig2編碼一種跨膜蛋白，將SREBP蛋白隔離到內質網，從而控制膽固醇和脂質代謝[16]。

　　PER2直接與過氧化物酶增生物激活受體α(PPARα)有節律地相互作用，進而調節編碼葡萄糖6磷酸酶的靶基因G6pc[17]。PER2同時通過阻斷過氧化物酶增殖因子激活受體(PPARγ)靶向啟動子的募集促進脂肪生成[18]。CRYs通過與糖皮質激素競爭PEPCK1啟動子中的糖皮質激素反應元件來調節能量底物向葡萄糖的轉化[19]。時間節律還與染色質修飾因子相互作用，實現表達的周期性激活和抑制。

　　3.3生物鐘與線粒體活動

　　生物鐘通過調節線粒體分裂、線粒體自噬等線粒體活動以及生物發生來維持生物能量需求增加時的呼吸過程。煙酰胺磷酸核糖轉移酶(NAMPT)是一種催化NAD合成中的限速酶。生物鐘通過控制NAMPT的節律來控制NAD的補救合成途徑[20]。NAD生物合成中的生物鐘節律驅動NAD+依賴組蛋白去乙酰酶(SIRTs)的震蕩。因此，生物鐘通過控制細胞能量狀態的振蕩來協調SIRT驅動的細胞生理狀態。線粒體SIRT3的節律性活動可以引發線粒體氧化磷酸化的節律活動[21]。

　　反之細胞的NAD+/NADH氧化還原狀態影響BMAL1:CLOCK的轉錄活性[22]。SIRT1結合BMAL1:CLOCK基因的表達通過節律的方式促進CLOCK蛋白質和組蛋白的脫乙酰作用，從而在氧化還原狀態和生物鐘之間建立一個反饋回路[23]。SIRT6與BMAL1的染色質招募相互作用：時間可以調節與節律相關的一系列基因，這些基因分別受到SIRT1基因的調控[24]。SIRT6通過調控代謝轉錄因子的固醇反應原件結合蛋白(SREBP1)的染色質招募來調控脂肪酸的晝夜代謝[24]。

　　4生物鐘與繁殖

　　哺乳動物受孕及生產的成功由一系列關系緊密的生理活動共同協調完成。下丘腦-垂體-性腺軸(Hypothalamic-Pituitary-GonadalAxis，HPGA)主要起到調控哺乳動物的繁殖功能的作用。卵巢中卵泡發育的晚期，血漿中雌二醇(E2)濃度上升，促黃體素(LH)濃度也到達峰值。在卵泡發育到達成熟排卵前期E2對GnRH的分泌抑制解除，促使GnRH從下丘腦POMA區域釋放，促使垂體前葉中LH的釋放，最終促進卵母細胞從卵泡中排出。

　　褪黑素作為生物鐘重要的調節因子，誘導機體的自然睡眠，克服睡眠障礙，提高睡眠質量，起到調節晝夜節律的作用;同時作為一種重要的生殖激素，也在動物性成熟、卵泡發育、排卵、黃體生成、妊娠和分娩等過程發揮著重要的作用。研究表明，卵巢局部褪黑素自分泌信號參與排卵的調控[25]。并且在早期胚胎發育過程中，褪黑素可以通過MT1受體促進胚胎的發育[25]。此外，在胚胎附植過程中，褪黑素可以通過MT2受體促進子宮接受態的形成[25]。研究表明，穩定變化的光周期通過褪黑素調控繁殖相關神經遞質的變化，如Kisspeptin[26]。

　　同時光周期又通過褪黑素介導調控GnRH神經元的周期性變化，進而調控繁殖相關生理功能的發展和發生。最新研究表明，哺乳動物的繁殖性能受到內源性生物鐘的調控，即繁殖性能相關基因的表達呈現出節律性。下丘腦SCN為哺乳動物的節律中樞，它與外界的光周期信號相互配合，通過褪黑素引發下丘腦繁殖相關基因的節律性表達[5]。

　　晝夜節律的變化不僅通過調控繁殖基因的節律性表達影響動物的繁殖性能，還可以通過影響繁殖相關激素的分泌來調控動物的繁殖機能。晝夜節律可以影響大鼠、摩拉奶牛、蒙古綿羊等哺乳動物的性激素的分泌和性成熟[27]。Hacker等[28]發現，延長光照可以促進后備母豬的性成熟，同時縮短初情期日齡。

　　在哺乳動物中，SCN的損傷會導致發情周期的喪失。在大鼠發情前期的下午，使用巴比妥類藥物阻斷對其腹外側和背內側的SCN通訊信號，會導致GnRH的釋放延遲24h[29]。生物鐘基因的突變或缺失會造成雌雄動物的繁殖障礙。生物鐘基因CLOCK突變的小鼠外周組織節律出現紊亂，發情周期也出現紊亂，同時施加持續性的黑暗條件會加劇這種節律性的紊亂[30]。PER1和PER2敲除鼠隨著年齡的增長也出現發情周期紊亂的現象。生物鐘基因BMAL1突變的小鼠出現發情周期不規律和排卵障礙的現象，雖然有個別小鼠可以完成排卵過程，但是不能形成正常的黃體[30]。

　　5生物鐘與腸道菌群

　　腸道是微生物在動物體內定植的主要位置，其中在人體腸道中定植的菌群數量就高達1014個，可以構成108種屬，總重量可以達到約1.5kg，這些數量龐大、組成復雜的微生物共同組成腸道群。近年來，越來越多的研究證明腸道菌群與宿主健康存在必然的聯系。腸道菌群利用宿主動物代謝產物得以存活;同時，動物機體可以吸收菌群代謝產生的營養物質。腸道菌群可以直接或間接參與三大營養物質的代謝，例如參與微生物合成，影響脂肪的吸收、合成和分布等[31]。單胃動物盲腸菌群可以產生有機酸，提高蛋白質和能量的利用率[32]。腸道菌群通過作用于宿主免疫系統增強癌癥等免疫性疾病的治療效果[33]。

　　反之，腸道菌群結構的失調會直接導致疾病的發生。腸道菌群紊亂會產生許多趨化因子和炎癥因子，它們會通過各種途徑進入中樞神經系統，影響中樞神經元的功能[34]，如抑郁癥、焦慮癥、自閉癥、阿爾茨海默病、帕金森等神經性疾病都證實與腸道菌群結構的紊亂有關[35]。研究證實肥胖表型與腸道菌群紊亂具有直接關聯性。腸道菌群中厚壁菌門與擬桿菌門的豐度比例則與宿主的肥胖或糖尿病等有著密切的聯系[36]。研究發現，肥胖小鼠體內厚壁菌門的豐度有所增加，擬桿菌門的豐度則降低，并且腸道菌群的多樣性較正常對照組的小鼠也呈現降低的趨勢[36]。

　　腸道菌群可以分解人體無法消化的植物性多糖，生成短鏈脂肪酸，參與到宿主的能量代謝過程中[37]。與此同時，腸道菌群之間也存在互作，例如，埃希氏桿菌屬(Escherichia)提供90%以上的蛋白FimA(COG3539)和PapC(COG3188)來參與菌毛的裝配，與其他菌屬形成合作共生[38]。盡管人們一定程度上對晝夜節律失調導致繁殖障礙的機制尚不清楚，但腸道菌群的變化是對繁殖生理變化的一種反應。例如，妊娠糖尿病(GDM)的患病率居高不下且呈現逐年增加的趨勢，嚴重影響產婦和新生兒的健康，這是一種與繁殖和代謝等密切相關的疾病。

　　研究證實，腸道菌群在妊娠糖尿病的發展過程中有著不同程度的影響[39]。與腸道微生物相關的多項研究表明，相對豐度大約為15%的細菌存在節律性振蕩現象，這占據了腸道菌群種類的60%[40]。此外，研究還發現，不同妊娠時期的腸道菌群有著顯著的變化，這可能與妊娠期的代謝功能變化和免疫系統的反應有著直接的聯系[41]。妊娠后期較妊娠前期Proteobacteria和Actinbacteria的豐度顯著升高，并且伴隨著能量損失和炎癥反應的發生[41]。

　　腸道微生物中至少有一種，即產氣腸桿菌(Enterobacteraerogenes)，在與人體腸道分離培養后，還可以繼續表現晝夜節律[40]。作為重要的生物鐘調節因子和生殖激素——褪黑素可以改變腸道微生物的組成，例如，降低厚壁菌門與擬桿菌門的比例。褪黑素通過宿主腸道微生物影響腸毒素大腸桿菌在宿主腸道中的定植。同時褪黑素還通過作用于腸道微生物直接影響宿主體重的增加以及胃腸道的形態結構[42]。反之，腸道微生物自身可產生短鏈脂肪酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)，以及兒茶酚胺類、五羥色胺、褪黑素等信號因子調節宿主腸道內分泌，作用于神經系統和免疫系統，與宿主形成互作[43]。

　　6展望

　　繁殖機能的變化伴隨著腸道菌群穩態的變化。人們需針對晝夜節律失調與代謝綜合征之間的相互作用機理做更深一步的研究。進而把調控機體生物鐘作為一種疾病治療方式，這樣具有“增強節律”作用的有機化合物，或許可以成為研究哺乳動物繁殖障礙性疾病、糖尿病和肥胖等代謝性疾病、菌群失調導致的免疫性疾病、衰老相關的退行性疾病的新工具。

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　　作者：馬驍1，馬慧2，李錫智2，張魯1，劉國世1*