受人类活动的影响，生物正承受地球迅速变暖(IPCC，2007)带来的严重后果。有人预测，在未来40年内气温升高将对人和动物生存产生严重影响[1]。按照预测，到2100年热带气温将升高7～8 ℃，那时多数生物将濒临死亡。在哺乳动物众多生理功能中，生殖功能最容易受热应激损伤[2]。热应激是机体对内(发热性疾病)、外(环境)高温做出的非特异性生理反应的总和[3]，能显著影响母畜从卵子质量、卵泡和胚胎发育到妊娠的各个环节，诱导胚胎发生氧化应激，产生凋亡。
胚胎附植前时期是人们对早期胚胎进行体外操作的理想时期，如克隆和转基因等技术操作都是在此阶段进行的。 MAPKs是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要作用是将细胞外刺激信号转导至细胞及其核内，并引起细胞生物学反应。研究发现，附植前的胚胎在体外培养时，非常容易发生发育阻滞，且热应激是致附植前胚胎发育阻滞/死亡降低家畜妊娠率的主要因素。热应激发生后，附植前胚胎中的MAPKs信号通路及其家族成员即被激活，并与体内的胚胎因子及由热休克诱导的热休克蛋白家族之间相互作用，共同参与热应激后胚胎的信号转导，对附植前胚胎的生长、分化和凋亡等过程进行调控。研究热应激后附植前生长发育情况胚胎以及附植前胚胎通过MAPKs信号通路抵抗热损伤的信号转导机制，可进一步揭示胚胎获得耐热的机理，对家畜胚胎体外培养以及胚胎移植具有重要意义，亦可为评价人和其他哺乳动物胚胎耐热能力提供参考依据。
1962年，Ritossa发现热应激能诱导果蝇唾腺热应激反应，产生热休克蛋白；随后1968年Thwaites报道了妊娠绵羊胚胎对热应激敏感，热应激能显著影响绵羊胚胎生长发育，从此开始了胚胎对热应激反应的研究[4]。
热应激(环境高温或热性疾病)致附植前胚胎发育阻滞/死亡是夏季家畜妊娠率降低的主要因素。近年来，国外有较多关于体内、外胚胎对热应激反应的报道，多集中在热应激对牛、小鼠和猪胚胎生长发育、存活、调控因子变化及母体妊娠率等方面[4]。热应激能显著降低体内、外胚胎发育能力，使妊娠早期奶牛胚胎死亡率增加，主要是因为其可扰乱胚胎生存微环境或直接作用胚胎[5]。
动物遭受热应激时，机体的代谢率增加，细胞温度升高，促使自由基产生的酶(如黄嘌呤氧化酶等)被激活，使得机体活性氧产生增多。活性氧的增多对大多数体内和体外培养的胚胎是致命的，通常会引起胚胎氧化损伤、发育阻滞，并诱导胚胎凋亡。此外，热应激严重损伤的细胞还会引发细胞坏死，使胚胎产生DNA甲基化、蛋白变性及凋亡因子增多等变化，损伤胚胎。与此同时，胚胎细胞耐受热应激损伤产生一系列反应，其中包括合成调节蛋白(HSP70 和HSP90)、启动凋亡/抗凋亡信号(线粒体凋亡)通路等。如温和热应激可以诱导胚胎合成热休克蛋白70(HSP70)，使胚胎耐受更强烈的高温应激反应[6]。
研究发现，热应激能破坏雄性动物精子的发生，影响雌性家畜的卵子质量和胚胎发育到妊娠的各个环节，显著降低奶牛妊娠率[7]，因此，研究热应激对附植前胚胎的影响对家畜繁殖和胚胎移植具有重要意义。受热应激时，胚胎的损伤程度取决于其对热应激的反应能力和热应激的强度，并且受胚胎生存环境(输卵管和子宫分泌的母源性胚胎因子)的影响。由此可以认为，胚胎本身具有耐热能力，或随发育、外因诱导获得耐热能力[8]。
热应激和活性氧能上调HSPs及MnSOD表达，并能激活MAPK通路。HSPs(HSP70、HSP90、HSP27)和IGF-1作为调节分子，调节胚胎凋亡、抗氧化反应[2，6]。HSPs能稳定细胞蛋白结构和细胞器功能，使胚胎更加耐热[9]。IGF-1能阻止热应激产生活性氧自由基，阻止细胞凋亡，降低热应激对胚胎发育的影响[10]。HSP70和HSP27的超表达，使胚胎增加抗氧化酶活性，降低ROS自由基含量[2，6]。IGF-1能促进ERK1/2磷酸化，上调Bcl-2表达和增加Bad磷酸化[2]，阻止细胞凋亡[11]。在热应激作用下，牛附植前胚胎经历氧化、凋亡和合成调节分子过程，并需要借助于MAPKs信号通路的精细调控，胚胎才能耐受热应激而存活。
2 附植前胚胎耐热应激损伤的MAKP信号通路调控
热应激能显著降低体内、外胚胎发育能力，使妊娠早期奶牛胚胎死亡率增加，主要是因为热应激可扰乱胚胎生存微环境或直接作用胚胎，致使胚胎发生氧化损伤、细胞过度凋亡、甚至导致胚胎死亡。MAPK是哺乳动物广泛存在的一类丝/苏氨酸蛋白激酶，可以被一系列细胞内外刺激信号激活。研究发现，热应激可激活胚胎/细胞MAPK信号通路[12]，活化的MAPKs通路可调控细胞生长、发育、凋亡、氧化等多个生理病理过程[13]。MAPK信号通路家族主要包括ERK1/2、SAPK/JNK和p38MAPK。不同MAPKs通路可调节不同生物学反应：p38MAPK参与细胞的存活、分化和凋亡等过程[14]；ERK1/2调节细胞增殖和分化，阻遏细胞凋亡，促进生长因子表达[15]；SAPK/JNK调控细胞周期、生殖、凋亡和细胞应激等多种生理过程[16]。
胚胎可以通过自身发育、外因诱导合成热休克蛋白(HSPs)、抗氧化酶以及激活信号通路，使其能够抵抗氧化损伤、细胞凋亡，对热应激产生耐受；并且体内外发育晚期胚胎(囊胚)比其发育早期更耐热。热应激启动了胚胎的ERK1/2 信号级联转导通路，胚胎因子也可通过磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信号通路增加牛附植前胚胎耐热能力；因此，细胞通过激活复杂而交叉的信号转导网络，使外部刺激转化成一系列的细胞反应才能应对环境突变。
ERK(Extracellular regulated protein kinases，细胞外信号调节激酶)1/2 是丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)信号通路中的重要亚族，ERK1 和ERK2 是其2个重要成员。ERK1/2 信号通路受细胞外刺激(应激)而激活，能使细胞外信号转变为细胞质或细胞核信号，调节细胞增殖和分化、阻遏细胞凋亡，促进生长因子表达及DNA 损伤修复[6]。
ERK1/2 信号通路可调控蛋白的转录和合成，维持胚胎细胞内氧化和凋亡平衡。研究发现，热应激能刺激牛[2]和小鼠[17]胚胎产生活性氧(ROS)，增加胚胎细胞凋亡/死亡，且ROS 能激活或反馈抑制脐静脉内皮细胞ERK1/2 信号通路，促进细胞增殖和分化，或启动线粒体凋亡通路，使细胞凋亡；相反，在细胞水平抑制ERK1/2 磷酸化则诱导细胞凋亡，说明ERK1/2 反馈调节在细胞存活和死亡中起双重作用。此外，HSPs(HSP70、HSP90、HSP27)受热应激后高表达，并能调节细胞凋亡、抗氧化反应、稳定细胞蛋白结构和细胞器功能，使胚胎更加耐热。还有研究表明，胚胎因子，如胰岛素生长因子(IGF)1、集落刺激因子(CSF)2 以及神经生长因子(NGF)[18]，由子宫内膜细胞和输卵管上皮细胞分泌，能影响胚胎基因表达，抑制细胞凋亡[19]，阻止热应激产生ROS，降低热应激对胚胎发育的影响。
ERK1/2 转录诱导受快速发育胚胎因子双向调节、通路复杂，还受细胞种类及应激性质影响。而且胚胎因子与ERK1/2 通路中的成分之间的相互作用还不清楚。某些胚胎因子，如NGF、CSF 和表皮生长因子(EGF)能持续激活ERK1/2，并使之向核转移(NGF)，启动转录因子合成[20]。
上述研究结果说明，热应激后胚胎细胞的存亡取决于自身耐热能力(内因)和其在子宫/培养的生存环境(外因)，并且内、外因素均可能通过ERK1/2 信号通路发挥作用，但是，ERK1/2 信号通路在附植前胚胎的哪个发育时期启动，启动后如何调控胚胎耐热过程中的细胞凋亡、氧化损伤和合成调节因子，以及受哪些内、外因素影响需要深入系统研究。
MAPKs信号通路中的JNK又称为应激活化蛋白激酶(Stress activatedprotein kinase，SAPK)，是丝氨酸/苏氨酸家族的一员，包括JNK1、JNK2、JNK3等3种亚型。因其能够结合c-jun的氨基末端活性区域，在丝氨酸-63和丝氨酸-73位点磷酸化c-jun启动细胞凋亡而被命名[21]。SAPK/JNK途径多在应激条件下被激活，主要介导增殖、细胞凋亡、细胞分化、生长因子信号及炎症反应。
在细胞受到应激时，JNK通过氨基酸残基磷酸化被激活，一旦活化，胞浆中的JNK可移位到细胞核，将胞外信号传导至核转录因子，增强其转录能力或通过Fas/TNF途径使FasL表达增强及促进线粒体释放细胞色素C，激活Caspase级联反应，从而导致细胞凋亡。JNK1通过其下游效应物c-Jun的活化来促进细胞增殖，而JNK2通过促进c-Jun降解来抑制细胞增殖。JNK磷酸化BH3仅亚型的Bcl2相关蛋白(Bim和 Bmf)诱导Bax依赖性细胞凋亡，但它们也可以磷酸化促凋亡Bcl-2家族BAD蛋白以抑制细胞凋亡[22]。
热应激时产生ROS，并诱导ROS的积累。当ROS产生量超过细胞的抗氧化能力时，即可使细胞处于氧化应激状态，ROS 既可直接损伤细胞生物膜中多不饱和脂肪酸及胞内蛋白质、DNA 等生物大分子，诱导细胞凋亡，也可通过激活应激敏感性信号通路，启动细胞凋亡进程。ROS能激活MAPK信号转导，还能直接或间接激活JNK信号通路，引起附植前胚胎内相关凋亡因子的表达，从而调控细胞生长阻滞和凋亡反应[23]，影响胚胎发育以及存活，降低了奶牛的妊娠率。
热应激时，HSPs家族含量上升，MAPK信号通路激活。HSP72抑制热诱导的JNK激活，热休克和其他蛋白质损伤应激通过阻断JNK去磷酸化激活JNK，并且HSP72能缓解该JNK磷酸酶的抑制。HSP72既可以保护胚胎免受热诱导的细胞凋亡，并激活热休克细胞中的JNK去磷酸化[24]。
热应激产生的ROS间接或直接激活SAPK/JNK信号通路后，HSP72的表达也会迅速上升，并对SAPK/JNK信号通路有阻断和抑制作用，但HSP72是否直接还是通过其他信号通路来作用于SAPK/JNK信号通路，抑制JNK的磷酸化尚不清楚。热应激对SAPK/JNK信号通路的调控极其复杂，SAPK/JNK可能会因细胞种类、强度的不同而发挥促进或抑制凋亡的作用，SAPK/JNK在胚胎热应激后多长时间内、哪个发育时期激活以及SAPK/JNK对附植前胚胎发育的影响仍需要进一步研究。
作为MAPK 信号通路的一个重要分支，p38 MAPK是Han等 [25]在1993年首次用脂多糖刺激白细胞而分泌的一种磷酸化蛋白激酶，存在6种异构形式：即p38MAPKal/a2、p38MAPKBl/132、p38MAPK7 和p38MAPK8。激活后的p38MAPK由细胞质进入细胞核或转移到其他部位，控制多种转录因子(如核因子2xB、热休克转录因子等)的基因表达活性，产生一系列的生物学功能，参与胚胎的生长发育、细胞的转录、蛋白合成和凋亡等过程。
MAPK信号通路的表达形式和其成员在附植前胚胎中起重要作用。p38MAPK的活化在促进胚胎细胞的有丝分裂、囊胚形成及增加囊胚的体积，使其从透明带中孵出等过程作用重大。还可能会进一步诱导滋养层细胞分化。热应激能刺激胚胎产生活性氧(ROS)，且ROS能激活p38MAPK信号通路[26]，上调HSP70及MnSOD表达。p38MAPK调控细胞凋亡可以增强c-myc表达、磷酸化p53、诱导Bax转位及激活c-jun和c-fos，并且参与了Fas/Fas-L介导的细胞凋亡。此外，p38MAPK促进凋亡或抑制凋亡与p38MAPK激活的性质有关。p38磷酸化能上调HSP70和HSP27表达，HSP70增加抗氧化酶活性，降低ROS自由基含量[27]。热休克可激活p38MAPK。并过量表达HSP70 ，而p38MAPK 的激活被HSP70抑制，从而阻断了凋亡的发生。
热应激可以通过刺激机体产生活性氧来激活p38MAPK，但激活后的p38MAPK对附植前胚胎的凋亡调控机制和生殖发育影响机制尚不清楚。p38MAPK能上调HSPs家族的表达，而HSPs是否对p38MAPK存在负反馈调控机制，且p38MAPK和HSPs家族在应对附植前胚胎的耐热损伤时存在怎样的相互调控机制仍然需要进一步研究。
热应激是影响附植前胚胎氧化应激、凋亡发生以及胚胎发育的重要因素，而MAPKs信号通路能对附植前胚胎的自身耐热能力及胚胎生存环境进行精细调控，调控胚胎的存亡。热应激时，MAPKs信号通路可被激活，参与胚胎的分化、凋亡等过程，转导刺激信号，参与机体内的反应。附植前胚胎在高温环境下，可激活MAPKs信号通路且通路中的各家族成员可相互协调并能与胚胎因子和HSPs家族相互作用，共同调节高温对附植前胚胎带来的损害，为家畜体外胚胎培养和胚胎移植及家畜不孕提供理论依据，但是HSPs家族和MAPKs信号通路之间的相互调控机制仍需进一步研究。
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