奶牛酪蛋白和β-乳球蛋白基因多态及其对泌乳性状的影响

赖淑静，齐瑞利，袁陶燕，何 俊，吴兵兵，傅 衍，牛 冬

(浙江大学动物科学学院，浙江杭州310058)

牛乳蛋白主要包括酪蛋白和乳清蛋白，其中酪蛋白基因和β-乳球蛋白基因是对奶牛产奶性能有较大影响的两种基因。牛乳蛋白基因多态性与泌乳性状，如泌乳量、乳脂率、乳蛋白量及乳蛋白率有很强的相关性。本文主要对酪蛋白和β-乳球蛋白基因的结构及功能进行综述，以期为提高奶牛生产性能的研究工作提供基础资料。

泌乳性状是奶牛的一个重要经济性状，是一种典型的由多基因控制的数量性状，其遗传力一般为中等偏下，受环境影响较大，而乳蛋白基因则是对泌乳性状有较大影响的一类基因［1］。牛奶主要由蛋白质、脂肪、维生素、乳糖、无机盐和水分等组成。牛奶中的乳蛋白包括酪蛋白和乳清蛋白，分别约占牛奶总蛋白的80%和20%。酪蛋白(casein，CN)包括αs1-CN、αs2-CN、β-CN 和κ-CN，每类蛋白又有多种变构体。乳清蛋白(whey protein)包括α-乳白蛋白(α-lactalbumin，α-LA)和β-乳球蛋白(βlactoglobulin，β-LG)［2］。β-LG 是由乳腺上皮细胞合成的反刍类动物特有的乳蛋白，是构成乳清蛋白的主要成分，占总乳清蛋白的43.6%～50%［3］，因其具有多种生物学活性，成为近年来的研究热点。牛乳蛋白类型及其基因多型性对奶牛泌乳性状，如泌乳量、乳蛋白量、乳蛋白率及乳脂率等有较大的影响。

1 牛乳蛋白的主要功能

牛乳蛋白质具有优良的乳化特性和乳状液稳定作用，在食品溶胶中通常用作稳定剂，用于稳定乳状液及泡沫体系。牛乳蛋白中，约80%为酪蛋白，即其乳化功能主要由酪蛋白来体现［4］。酪蛋白在冰淇淋、搅打奶油、人造奶油、乳制品等生产中都有广泛应用，酪蛋白还可作为酒和啤酒的澄清剂、苹果汁的脱色剂使用［5］。在自然状态下，κ-CN 是使牛奶保持稳定的乳浊液状态的重要因子。此外，κ-CN 还可作为生化试剂应用于各研究领域［6］。β-LG 在牛奶中主要以二聚体的形式存在，有很强的与维生素和脂肪酸结合的能力，同时是一种生物活性物质，在生产实践中应用广泛。β-LG 还有提高机体抗氧化能力的功能，随着对β-LG 的深入研究，发现它是婴儿牛乳过敏症的主要致敏原。现在常见的去除其致敏的方法有热处理、糖基化作用、乳酸发酵和脂肪酸结合等［7，8］。

2 乳蛋白基因的分子结构

牛乳的6 种主要乳蛋白基因位于其3 条独立的染色体上，其中酪蛋白基因位于第6 号染色体上。不同类型的酪蛋白基因在染色体上的排布依次为:αS1-CN、β-CN、αS2-CN 和κ-CN 基因，分布跨度约为200 kb。α-LA 位于3 号染色体上，β-LG 则位于11号染色体上［2］。编码酪蛋白的基因被命名为CSN基因，牛中有多种类型的CSN 基因。就结构而言，CSN1S1 (αS1-CN 基因)有5 种变构体:A 、B 、C 、D、E，而CSN2(β-CN 基因)则有7 种变构体:A1、A2、A3、B、C、D、E［4］。β-CN 是牛奶中含量最多的酪蛋白，在泌乳激素的作用下，CSN2 基因具有很强的表达活性，在乳蛋白基因表达过程中处于一种绝对的优势地位［9］。CSN3 (κ-CN 基因)则与奶牛泌乳性状有着密切关系［6］。

编码β-LG 蛋白的基因被称为BLG 基因。目前牛属动物的BLG 基因发现共有11 种变构体，其中A 和B 是最主要的两种，导致这两处碱基替换的位点分别位于BLG 基因的第3 和第4 外显子［10］。不同变构体对奶牛乳汁的组分、性质和产量均有不同的影响。

3 酪蛋白基因单倍型对奶牛泌乳性状的影响

大量研究证明，酪蛋白基因单倍型与奶牛的泌乳性状相关。Ikonen 等(1999)［11］对芬兰埃尔夏牛研究发现，β-κ-CN 基因单倍型与高产乳量、高乳蛋白和低脂肪含量相关。Aleandri 等(1990)［12］对2000 多头黑白花奶牛研究发现，CSN1S1 显著影响产奶量、乳蛋白和乳脂量，该基因的C 等位基因与乳蛋白产量有关。祝香梅等(2000)［13］研究发现，CSN3 位点的B 基因或其连锁基因对乳蛋白和乳脂肪率有显著影响。CN 基因对产奶性能的影响，实验结果因实验动物不同而不尽相同［14，15］。Bovenhuis 等(1992)［16］认为，CN 基因与泌乳性状之间的相关性是由于基因连锁效应而不是其直接作用。在这种假设前提下，不同的品种和公畜家系中，乳蛋白基因与连锁的QTL 位点之间的相互作用可能存在差异，这也许可以用来解释不同研究结果的差异性。也有研究认为，潜在的QTL 位点可能定位于乳蛋白基因的非编码区，如调控区，也可能定位于牛第6 号染色体的不同位置，例如骨桥蛋白(OPN)或ATP 结合盒转运蛋白G2(ABCG2)位点，这些位点都被证明与乳蛋白的表达有关［17，18］。

通过研究酪蛋白单倍型对乳蛋白成分的影响，发现酪蛋白单倍型对酪蛋白的含量具有显著影响，对乳清蛋白的作用较小。总酪蛋白的含量变化同时受到CSN2 和CSN3 两种基因影响［19，20］。

Bonfatti 等(2010)［19］发现，CSN2 B 具有增加总酪蛋白和β-CN 含量的作用，其他CSN2 等位基因同样对此性状具有显著的影响，只是作用程度比CSN2 B 小。CSN2 B 也有利于κ-CN 含量增加，但对乳清蛋白含量影响甚微。这和 Ng-Kwai-Hang 等(1987)［21］的研究结果一致。但Bobe 等(1999)［22］发现，携带有CSN2B 的单倍型也能导致一些乳清蛋白组分的变化，例如β-LG 相对含量的增加。就各种酪蛋白的含量而言，Bonfatti 等(2010)［19］发现，受CSN2 单倍型影响的β-CN 百分率显著增加主要是以消耗αS1-CN 为前提，也消耗相对较少的αS2-CN，对κ-CN 相对含量则无明显影响。αS1-CN 和β-CN在总CN 中的含量呈现负相关，预示这些蛋白质的表达是互相竞争的。因此，对β-CN 百分率有提高作用的单倍型对αS1-CN 百分率则有降低作用。这些乳蛋白即αS1-和β-CN，很有可能受共同的调控。与CSN2 A2单倍型相比，CSN2 A1单倍型显示了较低水平的β-和αS2-CN ，以及较高水平的αS1-和κ-CN 含量。Heck 等(2009)［23］发现，携带有CSN2A1单倍型与αS1-CN 和κ-CN 百分率的增加相关，且αS1-CN 和β-CN 百分率的降低与携带有CSN2 A2单倍型有关。Bonfatti 等(2010)［19］发现不同于CSN A1和A2，CSN2 I 对β-CN 的表达有促进作用，β-CN百分率的增加与αS1-CN 百分率的减少相关。

CSN3 等位基因被证明对κ-CN 占总CN 的比率有显著影响。相对于单倍型CSN3 A，所有携带CSN3 B 的单倍型个体均能显著增加κ-CN 百分率［24］。Heck 等(2009)［23］发现与CSN3 B 相关的κ-CN 百分率的显著增加是以消耗除β-CN 外其他CN组分为基础的，与CSN3 B 有关的αS1-CN 在CN 中相对含量明显减少。McClenaghan 等(1995)［25］发现，κ-CN 百分率和αS1-CN 百分率之间存在负相关，认为这些蛋白在乳腺中的表达存在着竞争。Bonfatti 等(2010)［19］发现CSN3 B 单倍型与更高的总酪蛋白和酪蛋白指数相关，CSN3 B 和CSN3 A 单倍型对乳清蛋白的影响不大。许多类似研究也报道了由CSN3 等位基因特异性决定了特定蛋白的表达［26］。但Hallén 等(2008)［20］在CSN3 A 和B 之间没有发现明显的差别。

酪蛋白单倍型对乳清蛋白含量有一定的作用。Ng-Kwai-Hang 等(1987)［21］和Heck 等(2009)［23］观察到CSN3 B 使α-LA 含量轻微减少，但Bobe 等(1999)［22］报道，该等位基因对α-LA 含量没有影响。Bonfatti 等(2010)［19］发现CSNIB 单倍型对β-LG 含量有适度的促进作用。Bobe 等(1999)［22］发现CSN3 B 能增加β-LG 在总蛋白中的比率。

4 BLG 基因型对奶牛泌乳性状的影响

β-乳球蛋白是牛乳中乳清蛋白的重要成分。研究者关于BLG 对产奶性能影响的看法并不一致。有研究报道BLG 基因型与泌乳性状不存在相关性［23，27］;但Ikonen 等(1999)［11］却报道了BLG 基因型AA 对牛奶和乳蛋白的产量有促进作用，基因型BB 对乳脂量有促进作用。Tsiaras 等(2005)［28］发现，BLG A 型倾向于影响乳蛋白产量，而B 型则倾向于影响乳脂含量。Auldist 等(2000)［29］也得到了类似结果，发现与BLG BB 基因型相比，AA 基因型控制表达的乳球蛋白在乳清蛋白中的比率更高。Lin 等(1986)［30］发现，BLG B 等位基因与奶牛的高产奶性能相关，同时也影响其乳蛋白及乳脂含量。而Robitaille 等(2002)［24］发现，BLG A 等位基因对乳蛋白产量及其成分的影响要高于BLG B。Bobe等(2007)［31］发现，不同产奶量的奶牛，其乳蛋白组分差异不大，因此增加产奶量的选择育种不会影响乳蛋白的组成。Schopen 等(2009)［32］报道，总乳蛋白产量与主要乳蛋白成分含量之间的遗传相关很低，表明对高乳蛋白产量的选择也不会影响乳蛋白的组分。

Bonfatti 等(2010)［19］研究了BLG 基因型与总乳蛋白、酪蛋白、乳清蛋白含量及蛋白组分的关系，发现BLG 基因型对乳蛋白各成分的含量特别是乳清蛋白的组成和含量具有显著影响。BLG B 等位基因与增加的总蛋白和CN 含量及降低的乳清蛋白含量相关。Braunschweig 等(2000)［33］得到了相同的结果。但Hallén 等(2008)［20］发现，BLG B 与总蛋白含量呈负相关。Bobe 等(1999)［22］报道，BLG 基因型对总蛋白含量没有影响。这些不一致的结论可能是由于所研究奶牛品种的不同及样本数量有限等因素有关。

BLG 基因型对总CN 含量和CN 指数有一定影响，对CN 的组成影响甚微，但对乳清蛋白的组成及含量影响却很大。Bonfatti 等(2010)［19］发现，与BLG A 相比，BLG B 能增加CN 各成分及α-LA 的含量，降低β-LG 的含量，BLG 等位基因B 与β-LG 百分率呈负相关。也有研究认为，这可能是位于BLG基因启动子区域的变异影响了BLG 的表达［35，36］。上述研究表明，在奶牛育种中增加BLG B 的频率将会影响乳清蛋白的组成(即增加α-LA 和降低β-LG的含量)、增加CN 的含量，但对CN 的组成影响甚微。这样能使提高BLG B 基因频率的选择育种不会影响奶酪的品质，在不影响奶酪特性的情况下增加奶酪的产量。

CN 单倍型和BLG 基因型对乳蛋白组分的作用明显，而对产奶特性影响不大，可以确保在不影响产奶特性的前提下改变乳蛋白组分。除了乳蛋白基因外，还有多个基因参与影响乳蛋白各成分的含量。育种方面，可通过探索改变某种乳蛋白基因来加强牛奶的凝乳特性、奶酪产量或获得含有更多的某种特定蛋白成分的牛奶。

目前，关于乳蛋白组分、CN 单倍型和BLG 基因型对牛奶工艺特性的影响，以及对蛋白组分遗传参数的估计报道甚少，需要进一步研究。

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