动物的繁殖机能主要是由下丘脑内的GnRH神经元控制的, 该神经元脉冲式分泌GnRH, 能促使垂体释放促性腺物质FSH和LH^[3], 再通过血液循环作用于靶器官或靶细胞, 影响性激素生成及配子发生等, 从而调控动物的繁殖活动^[13]。

动物繁殖活动季节性变化的关键因子就是下丘脑GnRH神经元活性的变化。光照周期是GnRH神经元活性的最主要调控因子。春天光照时间延长会促进GnRH释放, GnRH分泌增加是卵巢排卵的基础, 因此光照延长会使长光照繁殖型动物进入繁殖期。而对于短光照繁殖类型动物, 光照延长促进GnRH的同时, 也使雌激素对GnRH的负反馈作用增强, 并且催乳素分泌水平上升从而抑制繁殖活动, 进入非繁殖季节, 这就是光钝化现象。研究表明, 季节性繁殖动物在不同的季节下丘脑分泌GnRH的脉冲频率是不同的^{[14, 15]}。在繁殖期开始时, GnRH达到最大值, 在繁殖期末期, 则降至最低, 随后卵巢进入静止期。而在非繁殖期间, GnRH的脉冲频率保持较低水平。

光照周期是GnRH神经元活性的最主要调控因子。其他因素例如食物、温度等也可改变其活性, 这些环境因素综合激活HPG轴, GnRH激活垂体分泌促性腺激素, 从而刺激性腺产生类固醇激素。

3.2.1 光照通过雌激素— 神经肽激素— GPR54影响GnRH的分泌

性腺类固醇激素水平的上升对GnRH存在负反馈作用。切除性腺可以促进下丘脑合成GnRH以及垂体分泌LH^[16]; 给切除卵巢的母羊皮下埋植雌二醇后发现, 长日照(非繁殖季节)增加了GnRH神经元对雌激素的负反馈效应, 同时降低了GnRH的脉冲频率^[17]。结果表明, 雌激素对GnRH的负反馈作用主要体现在抑制GnRH脉冲的频率, 而这种影响对排卵前的LH峰很重要^[18]。

在哺乳动物中发现的神经肽激素Kisspeptin也能直接影响GnRH和促性腺激素的分泌。对非繁殖期母羊静脉注射外源性Kisspeptin后, 刺激了GnRH和LH的分泌, 且达到了卵泡期LH的分泌水平, 然后激活了卵巢功能, 促使雌激素分泌增加, 大脑中的雌激素正反馈回路得到启动, 随后诱导产生排卵前的LH峰以及排卵现象^[19]。将Kisspeptin直接注入小鼠的侧脑室也可以刺激LH和FSH的分泌。

小鼠、大鼠、绵羊的Kisspeptin神经纤维末梢连接或紧密毗邻GnRH神经元^{[20, 21, 22]}, 说明Kisspeptin很可能通过神经内分泌细胞末梢的连接来调控GnRH的释放, 继而刺激LH释放^[23]。有研究表明GnRH神经元能表达G蛋白偶联受体54(G-protein coupled receptor 54, GPR54), 进一步证实GnRH神经元是Kisspeptin的直接靶标, 它通过GPR54直接调控GnRH的脉冲释放^{[24, 25]}。值得注意的是, Kisspeptin还可能是将雌激素负反馈信号传递至GnRH神经元的重要环节。因为GnRH细胞不能表达雌激素受体— ERα 2^[26], 而研究发现绵羊大部分Kisspeptin细胞能表达此受体^{[23, 27, 28]}, 且Kisspeptin神经元直接伸入到GnRH细胞中^[21]。

光照周期对Kisspeptin的表达有影响, 主要表现为短日照抑制其表达, 长日照刺激其表达^[29]。而且, Kisspeptin的表达与雌激素的负反馈效应有一个显著的季节性变化^[14]。因此推断, 光照周期对GnRH的调控通路之一是通过对Kisspeptin的影响从而引起GnRH对雌激素负反馈效应的敏感性来实现的。

3.2.2 光照通过促性腺激素抑制激素影响GnRH分泌

促性腺激素抑制激素(gonadotrophin inhibitory hormone, GnIH)是Tsutsui等^[29]在日本鹌鹑中发现的一种下丘脑神经肽, 随后研究相继证实在多数鸟(禽)类和其他脊椎动物中均存在GnIH神经肽^{[30, 31, 32]}。GnIH的受体为GPR147(G蛋白偶联受体家族成员之一), 该受体在垂体、下丘脑及GnRH神经元都有表达, 并且GnIH神经纤维被发现直接与GnRH神经元接触^{[33, 34]}。研究结果表明, 下丘脑GnIH能通过其受体直接作用于下丘脑GnRH神经元并抑制其合成与释放。

已有研究发现, 光照能影响GnIH的表达。短光照促进GnIH表达, 同时褪黑激素的分泌也会增多, 长光照抑制GnIH表达^{[35, 36]}。狄冉等^[37]的研究发现, 在非繁殖季节, 仓鼠垂体门动脉血液GnIH的平均脉冲峰值和频率较高, 分泌到垂体门动脉血液中的GnIH对垂体性腺产生作用, 降低了GnRH的活性, LH对GnRH的响应减弱, 而外周血液中无法检测到GnIH。

FSH和LH都是由腺垂体分泌的糖蛋白激素^[38]。FSH可以促进雌性动物卵巢卵泡的生长和发育, 对卵泡内膜细胞分化、颗粒细胞增生和卵泡液分泌具有促进作用。FSH可在LH的协同作用下刺激卵泡成熟和排卵, 也可以促进颗粒细胞分泌雌激素进而刺激子宫发育。LH由腺垂体脉冲式释放, 通过血液循环促进雌性动物卵泡成熟和排卵, 形成黄体及维持黄体细胞分泌孕酮, 刺激卵泡膜细胞分泌雄激素后被颗粒细胞摄取而芳构化为雌二醇。

滩羊为短日照季节性发情动物, 多项研究对其血液中FSH和LH含量的季节性变化进行监测, 发现其分泌量具有明显的季节性变化, 在非繁殖季节这2种激素的浓度较低, 进入发情期时显著上升^{[15, 39]}。因此认为, 高水平的FSH和LH对开启或维持绵羊的发情具有重要作用。

春季光照延长, 达到使FSH分泌上升的光照阈值, 随后LH也随着光照的进一步延长而增加^[40]。GnRH是LH分泌的主要调节因子, 光照周期引起LH的季节性变化主要是通过对GnRH的调节而发生作用^[41], GnRH能迅速刺激LH的分泌及生物合成。

一般认为, 下丘脑GnRH可以促进垂体促性腺激素的释放来调控动物的繁殖和性腺活性, 然而, 近几年发现的GnIH被证实能直接抑制垂体促性腺激素释放, 从而抑制性腺激素的合成与释放来抑制哺乳动物和禽类的性腺发育及活性, 对动物的繁殖活动发挥调节作用。

在鸡中, GnIH通过自分泌或旁分泌的方式作用于其位于垂体的受体GPR147, 干扰LH和FSH的信号传导, 从而影响卵泡的成熟、募集以及精子的发生。对鹌鹑的相关研究中发现, GnIH神经肽降低LH的mRNA基因表达, 且剂量依赖性显著降低LH的分泌, 但对催乳素和FSH的分泌没有显著影响^[42]。另外, GnIH能显著降低北美哥雀血浆中LH水平, 同样迅速降低白冠麻雀LH水平^[43]。

在哺乳动物, Smith通过对羊的季节性繁殖发现, GnIH在羊的繁殖季节开始显著下降, 此外与GnRH神经元紧密相接的GnIH纤维在此期间也明显减少^[22]。注射外源性GnIH可以阻碍在繁殖季节中LH的脉冲式释放和排卵前LH的剧烈升高, 对羊的季节性繁殖起到调节的作用。GnIH能迅速抑制仓鼠LH的分泌^[44], 给大鼠体内注射GnIH可抑制血循环中LH水平, 对体外培养垂体进行GnIH处理, 促性腺激素的分泌受到抑制。这些结果均表明下丘脑分泌的GnIH对垂体促性腺激素具有重要调节作用。

GnIH还可能参与褪黑激素对禽类季节性繁殖的调控过程。有观点认为, 鸟(禽)类繁殖活动的季节性变化与褪黑激素无关; 但有学者证明, 褪黑激素能通过影响促性腺激素的分泌和性腺的活性来参与季节性繁殖活动的调控, 并且褪黑激素很可能是通过GnIH来调控禽类繁殖活动的季节性变化^{[45, 46]}。在鹌鹑的试验中, 发现切除松果腺体可导致其GnIH前导肽mRNA水平下降和成熟肽水平降低; 而给予鹌鹑外源性GnIH, 又能使GnIH前导肽mRHA水平和成熟肽分泌水平上升。这些结果表明, 褪黑激素能通过其受体直接作用于GnIH神经元来诱导GnIH的分泌, GnIH具有通过褪黑激素传递光信号进而调控禽类季节性繁殖活动的作用。

催乳素(prolactin, PRL)是垂体前叶分泌的一种多肽激素。研究者认为, PRL是抑制禽类繁殖活动的主要激素, 它通过2方面抑制禽类繁殖, 一方面通过下丘脑抑制垂体促性腺激素的分泌, 另一方面通过结合到性腺上的催乳素受体直接抑制类固醇激素合成酶基因的表达, 从而抑制卵泡发育导致卵泡闭锁。在季节性繁殖的鸟(禽)类中, PRL还是繁殖活性发生季节性退化或产蛋季节终止的主要原因之一^[47]。

虽然繁殖季节主要是由光照周期控制GnRH神经元决定的, 但催乳素PRL可能是决定性腺退化具体时间的重要因素。黄运茂等^{[47, 48]}研究光周期对马岗鹅PRL分泌的影响, 观察到血浆PRL浓度随全年日照呈现出季节性变化, 且光照延长明显促进PRL分泌, 在生殖功能退化时达到峰值。这种光照效应与许多鸟类和家禽季节性繁殖调控研究结果一致^{[49, 50]}。

研究皖西白鹅母鹅的几种生殖激素在生殖期与非生殖期的变化, 发现PRL在繁殖期含量保持较低水平, 而进入非繁殖期后反而升高^[51]。火鸡在产蛋期和就巢期垂体PRL的mRNA和LH的mRNA含量的变化趋势是相反的, 表明催乳素水平升高时会抑制下丘脑GnRH的释放, 进而使LH合成减少。

有试验证明, 在一系列下丘脑释放因子中, 血管活性肠肽(VIP)是禽类催乳素分泌的主要促进因子, 在哺乳动物和家禽中都具有促进催乳素分泌的功能, 过量的PRL释放引起卵巢发生萎缩, 卵泡闭锁或退化。