农药类内分泌干扰物对动物生殖系统干扰机制的研究进展

杨 娜，吴航利，王 佳，管融资，雷 忻*

(1.延安大学 生命科学学院；2.延安市生态恢复重点实验室，陕西 延安 716000)

内分泌干扰物(Endocrine disrupting chemicals，EDCs)，是一种通过干扰体内激素的合成、分泌、转运、代谢、结合或消除等，影响生物或人体内生殖、发育、神经、内环境稳态系统的外源性化学物质[1，2]。

农药作为农业上用于防治病虫害及调节植物生长的化学药剂，大部分属于内分泌干扰物、极具代表性，而且以具有高效低毒、能被生物降解的特点被广泛应用于农业中[3，4]。从农业生产来看，虽然农药的广泛使用对农作物的病虫草害起到了明显控制作用，提高了粮食产量，但是由于农作物抗药性增加导致长期、大量喷打农药，对周围环境造成了严重影响。同时，我国作为世界上最大的农药使用国之一，随着农药的大量使用，农产品、水产品以及农田周围水体、大气和土壤内都存在大量农药残留，这也给动物、人类健康造成了很大的影响[5，6]。近年来许多研究表明，农药对动物及人体具有内分泌干扰作用，尤其会导致动物生殖腺损伤、繁殖率降低等问题。故了解农药对动物生殖系统的干扰机制很有必要。

1 农药对动物生殖腺的影响

生殖腺作为动物产生生殖细胞和分泌性激素的器官，对于动物的生长发育繁殖起着至关重要的作用。农药类EDCs在环境中的暴露，会导致动物生殖系统发育异常。从器官、组织、细胞水平来看，农药会导致动物性腺发育异常、生殖器官畸形、生殖细胞凋亡数目增加，引起动物生殖系统内分泌紊乱[7，8]。Parlak研究发现，溴氰菊酯(deltamethyrin，DM)暴露下斑马鱼存活率、后代孵化率降低以及致畸概率增加，这主要是由于农药对斑马鱼生殖腺造成影响，表现出卵巢衰竭、卵母细胞凋亡、子宫颈上皮增生和角质化等现象，从而导致子宫功能紊乱，雌激素表达水平受到抑制[9，10]；同时，DM、多菌灵(carbendazim)暴露下会导致大鼠睾丸生精小管数减少、磷酸化雄激素受体蛋白表达量增加，以及雄性白化大鼠睾丸呈管状变形、肾小管空泡严重变形等[11-13]。

农药还通过影响生殖细胞周期，来影响生殖细胞正常增殖和分化，导致生殖细胞数目减少，后代质量不断降低。此外，性腺组织的异常进一步造成动物繁殖力和繁殖速度减弱，影响后代数目。研究表明，戴抒豪通过计算L1期暴露时间48 h十氯酮(Kepone，开蓬)的线虫原代和子代的后代数目和世代时间，发现原代线虫的后代数目与十氯酮暴露浓度呈反比，子代后代数目与原代相比有显著差异，同时中高浓度下世代时间延长较多[14，15]。肖伟洋从组织学角度分析，高浓度(500 ng/L)三丁基锡(tri-n-butyltin，TBT)暴露下斑马鱼精巢中初级精母细胞数量显著增加，精子数量显著减少，并出现严重的空腔化，这可能是因为生殖细胞发育被TBT阻断在初级精母细胞期[16]。

2 农药对动物生殖相关基因的干扰机制

性腺是生物体进行生命活动的重要器官，对于卵生动物来说，生殖系统主要是通过下丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamus pituitary-gonad，HPG)来调控的[17-19]。近年来对生物体HPG轴的内分泌干扰效应研究发现，农药对动物生殖相关基因的干扰机制，主要体现在以下几个方面(图1)。

图1 农药对动物生殖相关基因的影响

2.1 调控性激素受体应答基因

性激素受体主要有雌激素受体(estrogen receptor，ER)与雄激素受体(androgen receptor，AR)，它们起到调节生物体生殖下游基因的转录作用[20]。农药通过调控性激素受体基因，直接或间接影响性激素受体参与下游调节活动，介导信号通路导致生物体HPG轴内分泌失调。在有机磷农药毒死蜱(Chlorpyrifos)暴露实验中发现，雌性白化大鼠卵巢内erα表达水平升高，这可能是因为毒死蜱抑制卵母细胞生长，导致大鼠卵巢上皮细胞高度、卵泡闭锁增加以及子宫肌层变厚等组织学现象，进而影响雌激素受体表达[21，22]。

农药类EDCs通过与性激素受体竞争性结合，阻止性激素与其受体特异性结合发挥调控作用，影响性激素受体基因的正常表达，直接影响有机体睾酮(Testosterone，T)和雌二醇(Estradiol，E2)的含量，表现出一定的抗雌激素效应或抗雌激素效应。通过监测三唑锡、三唑酮[23-25]、戊唑醇[26]等三唑类杀菌剂以及三丁基锡[16，27]暴露下的雌性斑马鱼发现，高浓度下生物体内E2下降幅度较大，相关雌激素基因erα、vtg1(vitellogenin，卵黄蛋白原)、vtg2、ar大量下调，这可能是因为农药参与了雌激素受体下游基因vtg的表达，抑制卵黄蛋白原、性激素受体相关基因表达量，出现了抗雌激素效应[28]。此外，在杨梅的乙草胺对斑马鱼生殖毒性的研究中，还发现农药类EDCs会导致生物体表现出一定的抗雄激素效应。乙草胺暴露导致斑马鱼性腺系统内erα、vtg1、vtg2等生殖相关基因从最开始上调到下调(在整个过程中只经历了七天暴露期)，并显著下调卵巢中apgr、ar和脑中ar的表达量，同时乙草胺对erα的上调幅度远不及对ar的下调幅度，可见其还会通过竞争性抑制雄激素受体与T结合表现出抗雄激素效应[29，30]。在进一步的研究中发现，有机氯农药硫丹暴露下的睾丸切片中基因ar表达量的显著下调，是因为硫丹通过与雄激素受体的Thr877键结合所导致[31]。

2.2 调控促性腺激素合成相关基因

农药类EDCs通过调控脑垂体分泌促性腺激素相关基因表达量来降低E2水平，从而影响动物正常生殖活动，其中对于促进E2生成的促卵黄激素影响最为显著。研究表明，甲氧滴滴涕(methoxychlor，MXC)和p，p′-DDT(Dichlorodiphenyltrichloroethane)通过ERK(extracellular regulated protein kinases)途径来调节生物体促性腺激素分泌和基因转录，上调fshβ(follicle stimulating hormone，beta polypeptide)、lhβ(luteinizing hormone，beta polypeptide)、cgα表达水平，刺激垂体细胞产生促卵黄激素和促黄体激素扰乱生物性腺发育[32-34]。

此外，马有宁通过对斑马鱼HPG轴以及肝脏相关基因表达的研究，发现三唑类杀菌剂暴露后，雌性斑马鱼促卵黄激素相关基因fshβ表达量显著上调，促黄体激素基因lhβ的表达量受到抑制，导致雌激素E2水平下降，进而影响性腺发育[23]。这是因为lhβ基因的下调抑制了卵母细胞的成熟，而作为促进卵黄和E2生成的fshβ，其上调是由于农药抑制lhβ表达量，降低E2水平后的负反馈调节机制。

2.3 调控激素合成的关键酶基因

农药类EDCs通过调控激素合成的关键酶相关基因，影响生物体内性激素水平来干扰生物体性腺系统，包括细胞色素P450相关基因、羟基类固醇脱氢酶基因等。研究表明，乙草胺通过下调斑马鱼羟基固醇脱氢酶合成关键基因hsd17b1(17β-hydroxtsteroid dehydrogenase1)、hsd17b3(17β-hydroxtsteroid dehydrogenase3)，抑制17β-羟基固醇脱氢酶活性[29]，从而介导HPG信号通路，抑制生物体内雄烯二酮(androstenedione，ASD)向雌二醇(E2)和睾酮(T)转化，降低生物体内E2和T的含量。此外，久效磷农药通过活化蛋白激酶A(proteinkinaseA，PKA)通路上调虹鳟鱼性腺细胞内P450相关基因cyp11a1、cyp17a1表达量，诱导芳香化酶基因cyp19a上调[35]；三氯生(Triclosan，TCS)暴露下斑马鱼芳香化酶基因cyp19a、cyp19b表达量显著增加，导致芳香化酶活性显著提高从而影响E2和T的合成[36，37]。从个体水平来看，生物体内重要酶活性紊乱，生物体代谢水平、生殖生长发育、后代存活率都会受到影响。

2.4 干扰生殖细胞增殖分化相关基因

农药类EDCs会通过干扰生殖细胞增殖、分化相关基因表达量，诱导生殖细胞凋亡，并进一步影响后代。研究表明，肖伟洋通过研究TBT暴露对斑马鱼生殖细胞影响机制，发现雄鱼精巢生殖细胞相关基因mRNA表达幅度明显，尤其是与精母细胞增殖相关基因cyclind1、pcna表达量显著下调，减数分裂相关基因aldh1α2、sycp3、dmc1显著上调[16，38]。即TBT通过影响斑马鱼雄鱼精巢生殖细胞增殖分化、减数分裂过程阻断生殖细胞发育，导致精子数量减少，生物体繁殖能力降低。这一过程是因为TBT通过调控细胞凋亡内源促凋亡蛋白、抗凋亡蛋白(bax/bcl-2)和外源途径(tnfrsfla/tnfrsflb)相关基因，增加生殖细胞凋亡数量[39-41]。此外，Xu在秀丽隐杆线虫的研究中还发现，硫丹通过氧化压力激活hus-1、cep-1参与的细胞凋亡通路，导致线虫生殖细胞相关基因vasa、dazl显著下调进而导致生殖细胞大量凋亡、染色体突变[42]。

3 结论与展望

为探讨农药类EDCs对动物体生殖基因的分子调控机制，本文通过总结和分析农药类EDCs对动物生殖系统的影响发现，农药的暴露导致动物生殖器官畸形、生殖细胞数量减少和质量降低、繁殖能力下降，随着剂量和时间的变化，这些生殖损伤会愈演愈烈；从分子水平来看，主要是通过调控性激素受体基因、抑制激素合成的关键酶基因等途径介导HPG信号通路传导。

目前，存在以下三方面的问题值得深思：一是大量研究表明农药类EDCs会导致动物生殖相关基因表达量发生改变，但农药对这些生殖相关基因和类固醇激素的调控机制仍需要细化。其中，外源物质对动物体色变化、致畸效应、信号通路介导机制(如cAMP/PKA、SF-1、SPE信号通路等)都值得深入研究；二是农药类EDCs的遗传毒性在动物后代中的累积情况，会在多大程度上导致后代的存活率、孵化率、适合度发生改变，以及对后代影响程度的定量分析；三是为了更好的解释农药类EDCs在动物体内的富集规律，就需要考虑这些污染物的生物特性、来源、传递规律等问题，进行高效、高质量评估。在今后的研究中，需要深入探索农药类EDCs对动物生殖系统的影响机制、内分泌干扰机制，细化信号通路传导机制、生殖相关基因调控机制等，在定性研究的基础上进一步开展定量研究，在定量研究中不断深化、标准化，为更好的控制环境污染、保护生态环境。