β-胡萝卜素-15，15＇-加氧酶在动物营养及遗传领域的研究进展

魏巧丽 成海建 游 伟 崔秀梅 林雪彦 谭秀文刘桂芬 刘晓牧 宋恩亮 万发春*

(1.山东省农业科学院畜牧兽医研究所，济南 250100;2.山东省畜禽疫病防治与繁育重点实验室，济南 250100;3.山东农业大学动物科技学院，泰安 271018)

维生素A及其衍生物在正常胚胎发育和维持细胞代谢等方面发挥着极其重要的作用，然而动物和人不能从头合成维生素A，它们必须采食一些含有维生素A原(主要有视黄醛、具有维生素A原活性的类胡萝卜素等)的食物，然后通过一些代谢过程合成所需要的维生素A。这过程中有大量的氧化酶和非氧化酶参与，其中研究较多的是β-胡萝卜素 -15，15＇- 加氧酶(β-carotene-15，15＇-momoxygenase 1，BCMO1)。

BCMO1是一种可溶于细胞溶质中的酶，其活性在肠黏膜特别是空肠黏膜细胞中最大［1］，在人、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、猴子和兔子的小肠黏膜中均检测到了该酶的活性［2-8］。BCMO1虽已经发现了近 40 年，但最近才在鸡［3，9］、小鼠［9-10］、果蝇［11］和人［12］上成功克隆到编码此酶的 cDNA，然后才纯化得到此酶。在1个小鼠敲除BCMO1基因的研究中进一步证明了该酶在类胡萝卜素转化为维生素A过程中的重要性［13］。本文从BCMO1在体内的分布、作用机制、调控因素等方面探讨BCMO1在体内维生素A转化过程中的作用及其重要性，以期为相关研究提供一定的参考。

1 BCMO1在体内的分布

BCMO1的表达主要在胃、小肠、结肠、前列腺腺体和子宫内膜的一些组织的上皮细胞内，在肾脏该酶的表达被局限在远端末梢和邻近中心的结构。此外，免疫组织化学分析显示BCMO1在胰腺的外分泌部分、皮肤表皮以及眼的睫状体色素上皮细胞和视网膜色素上皮中也有表达;在产生雄性激素的睾丸间质和睾丸的支持细胞中有该酶的适度表达;在肾上腺腺体的皮质层、骨骼肌以及卵巢中产生雌性激素的颗粒细胞和产生胆固醇的卵泡内膜内也发现了BCMO1基因mRNA的表达［5］。随着对BCMO1的不断研究，在鸡胚胎中发现了BCMO1的活性，且在孵化过程中显著增加，一直持续到出生后第7天［14］。用5日龄的鸡组织做原位荧光杂交，结果发现在中枢神经系统、肺脏、四肢、心脏、肾脏和心血管系统中都有BCMO1的存在［15］。

在BCMO1调控类胡萝卜素转化为维生素A方面，人类和各种啮齿类动物不同。草食性啮齿类动物主要需要由β-胡萝卜素等具有维生素A原活性的类胡萝卜素产生的维生素A，因此它们体内的BCMO1活性比人类的要高。BCMO1基因在鸡的十二指肠中的表达最强，其次是肝脏、肾脏、脾脏和肺脏［6］。但是小鼠中BCMO1基因mRNA表达最高水平出现在睾丸、肝脏和肾脏，皮肤和肠中也有所表达［12］。核酸免疫印迹(Northern blotting)显示证明BCMO1基因在人的空肠和回肠表达最强，其次是肾脏、肝脏、睾丸、卵巢、结肠、前列腺和骨骼肌［2］。人类组织的组织化学分析结果也已经证明BCMO1基因除了在小肠和肝脏之外，在肾脏、肺脏、皮肤、睾丸以及视网膜色素上皮细胞中都有所表达［9，16］。

现已经发现BCMO1基因在鼠和小鸡的肺脏中 有 表 达［6，15-16］，但 还 没 在 人 的 肺 脏 中 发现［4，10，12］。关于 BCMO1 活性的研究显示，鼠肺脏组织中的米氏常数(Km)值比肝脏和小肠中的都要低［1］，但数据也足以能证明BCMO1在鼠肺脏中的存在。但是BCMO1基因在物种间肺脏中表达的差异的原因至今还不清楚。并且在鼠肺脏中是视黄酸调控酶代谢维生素A原，没有确定其中BCMO1的作用，因此还需要进一步的研究来明确BCMO1在肺脏中的生理作用以及物种间基因表达差异的原因。

Morales等［17］分析了黄脂牛和白脂牛十二指肠和肝脏中BCMO1活性及基因表达差异，发现黄脂牛和白脂牛十二指肠中的BCMO1活性及基因表达差异不显著，而黄脂牛肝脏中的BCMO1活性及基因表达均高于白脂牛，但还不足以能抑制β-胡萝卜素贮存在脂肪组织中。Arias等［18］首次检测到BCMO1基因在牛肾脂肪中的表达，并认为离体培养脂肪细胞是体外研究β-胡萝卜素在脂肪组织沉积的理想模型。

2 BCMO1的作用机制

BCMO1是类胡萝卜素转化成视黄醛过程中的一个关键酶，它可以将β-胡萝卜素裂解成视黄醛，而不产生阿朴胡萝卜醛［19］。在 BCMO1和分子氧的作用下，β-胡萝卜素从15，15＇双键位置断裂，生成2分子的视黄醛［20-21］，视黄醛还原酶可将视黄醛还原为维生素A。BCMO1对于类胡萝卜素中15，15＇位置的双键有高度的特异性，但对于至少含有1个β-紫罗酮环的类胡萝卜素具有相当广泛的特异性［2，22-23］。Paik 等［24］研究表明，在大鼠上β-胡萝卜素的这种中心裂解是产生维生素A的主要途径。最近研究证明，鼠BCMO1中酪氨酸Y235和Y326能够固定基底物在15，15＇双键两端位置的结合，这很可能是由于π-阳离子稳定机制的作用［25］。人类吸收的35% ～90%全反式β-胡萝卜素是经过BCMO1的中心裂解这一过程进一步合成维生素A。早期研究者以为这种中心裂解酶的生化特性是一种双氧酶反应机制，然而近年来的研究证明，β-胡萝卜素的中心裂解是一种单氧酶机理［19］。

在小鼠上，BCMO1是过氧化物酶体增殖激活受体(PPAR)的靶基因，过氧化物酶体增殖反应元件(PPRE)位于BCMO1基因的启动子区域，PPRE是PPAR的识别位点，也是BCMO1基因的重要调控器。此外，维甲酸X受体(RXRs)的同源二聚体或PPAR/RXRs异源二聚体对于BCMO1的转录是必需的［26］。

在BCMO1调节类胡萝卜素生成维生素A的过程中，重要转录因子PPAR通过调节控制BCMO1基因mRNA表达和蛋白合成来影响脂肪细胞分化以及脂肪代谢。有研究表明，在适当范围内类胡萝卜素量的增加可以降低PPAR mRNA表达和蛋白合成，从而减少脂肪的生成［27］。此外，BCMO1对脂肪细胞内视黄酸的生成以及视黄酸受体(RAR)表达非常重要，视黄酸能影响脂肪细胞分化、脂肪沉积以及一些脂肪因子的表达。研究表明低维生素A饲粮在不影响皮下脂肪组成的情况下能提高肌内脂肪，并且类胡萝卜素在2种牛脂肪组织中的调控机制不同［26］。Lobo 等［28］研究发现，β-胡萝卜素减少了过氧化物酶体增殖激活受体γ(PPARγ)的表达且减少了成熟脂肪细胞中的脂肪储存量。

3 影响BCMO1的调控因素

3.1 视黄酸的负反馈调节

小肠中BCMO1基因表达受负反馈机制的调控，动物模型试验提供了一些有力证据［16］。现已证实至少β-胡萝卜素的部分转化效率与机体维生素A状态相关［29］，这可能与视黄酸对BCMO1基因mRNA表达的负反馈调节有关［6，30］。维生素A生成的视黄酸对BCMO1基因mRNA表达水平的抑制率能达到90%，这个反馈机制可能涉及小肠特定同源框转录因子(Isx)［31］。Isx的表达是通过结合在BCMO1基因启动子区域的视黄酸的特定反应元件(RARE)上的RAR所激活的。一经激活，Isx就抑制BCMO1基因的表达，这就表明小肠中维生素A的吸收和产生是通过Isx的表达负反馈调节的［28］。通过β-半乳糖苷酶(LacZ)基因敲入构建Isx缺陷(IsxLacZ/LacZ)成年老鼠，小肠β-胡萝卜素的吸收不足或小肠维生素A合成受损可能引诱BCMO1基因表达的补偿性增加，理论上17.5 d的IsxLacZ/LacZ胎儿的 BCMO1基因表达应该不会增加，但是实际发现17.5 d的IsxLacZ/LacZ胎儿的十二指肠和空肠中BCMO1基因表达像成年鼠一样剧增，这就表明Isx直接抑制BCMO1基因表达，同时发现LacZ染色的杂合型(sxLacZ/+)胎儿的十二指肠和空肠中BCMO1基因表达比野生型(Isx+/+)胎儿的要高很多，这也证明Isx抑制BCMO1基因的转录［31］。在鸡和大鼠的研究中，添加视黄酸可以降低肠道BCMO1的活性，并下调BCMO1基因 mRNA 的表达水平［19］。同样，Bachmann等［30］最近研究发现，鸡小肠中BCMO1基因mRNA的表达水平受视黄酸的负反馈调节，鼠小肠中BCMO1活性也受到视黄酸的抑制。此外，给大鼠饲喂甲酸受体X(RARX)的拮抗剂会导致BCMO1 活性有所增加［32］。

3.2 脂肪和脂肪酸

脂肪摄入量能影响BCMO1的活性，肝脏中较高的脂肪摄入量可能会提高吸收后的类胡萝卜素向维生素A的转化量。饲喂含有30%脂肪饲粮的沙鼠肝脏中维生素A含量显著高于饲喂含有10%脂肪饲粮的沙鼠［33］;Lakshman 等［34］发现饲喂含有23%脂肪饲粮的雪貂肝脏、肺脏、肾脏、脂肪组织以及睾丸等多处组织中维生素A水平，特别是视黄酯水平要显著高于饲喂含有6%脂肪饲粮的雪貂。然而，Hosotani等［35］在试验中给小鼠饲喂含2%或10%亚麻油酸和α-亚麻油酸的豆油的饲粮，结果并没有发现肠中BCMO1活性有显著提高。再结合许多其他相关研究结果，发现并不只是脂肪含量影响BCMO1的活性，还涉及到脂肪酸化合物对其的影响［2，21，30］。

3.3 蛋白质

饲粮中蛋白质的质量和数量影响BCMO1的活性。蛋白质缺乏的小鼠肠中的BCMO1活性显著低于蛋白质充足的小鼠［36］，也有试验对维生素A缺乏小鼠饲喂含有20%蛋白质饲粮与含有5%蛋白质饲粮进行比较，前者比后者的BCMO1活性要高出2.8倍［35］;饲喂含有40%蛋白质饲粮的雪貂比饲喂含有10%或20%蛋白质饲粮的雪貂肝脏中维生素A含量高出2倍、肺脏中3倍、脂肪组织中1.8倍［34］。更重要的是，饲喂酪蛋白的小鼠比饲喂谷蛋白或乳白蛋白的小鼠的肝脏中维生素A含量高出 5 倍［37］。

3.4 二价Fe离子(Fe2+)

Fe2+能抑制BCMO1的活性，也可能会被乙二胺四乙酸(EDTA)所抑制，二苯胺在生理pH下也能抑制其活性。另外，该酶还对含巯基的烷基化剂(N-乙基马来酰亚胺、对氯高汞苯甲酸、碘乙酰胺、亚砷酸钠等)很敏感［2，25，38］。巯基乙醇、谷胱甘肽等含巯基的还原剂的添加也可以增加BCMO1的活性［38］。

3.5 肌细胞增强因子2(MEF2)/PPAR亚型

BCMO1基因在其他各组织中的表达调控不确定，但在肝脏和外围组织，一些额外因素可能会通过与BCMO1启动子区域的2个调控元件(MEF2/PPAR亚型)的相互作用来影响这个基因的 mRNA 表达［29，39］。人类 BCMO1 启动子上存在几个在小鼠上缺失的功能性转录因子结合位点，并且证明了人类肠细胞的BCMO1基因表达是依靠MEF2和PPAR亚型的共同作用［39］。

3.6 其他因素

视黄醛、视黄醇、棕榈酸视黄酯等部分中间代谢产物以及胰岛素、瘦素等一些激素对BCMO1基因的表达也有一定的影响［14］。

4 小结

在各种动物机体内的具有维生素A原活性的类胡萝卜素转化为维生素A这一过程中，BCMO1所发挥的主要功能已基本明确，但在敲除BCMO1基因小鼠体内发现了脂肪肝［40］，所以初步猜测该酶可能与类脂化合物代谢作用有关，这还需要进一步的调查研究。此外，也可以利用基因敲除小鼠来进一步研究BCMO1除了用于维生素A形成之外的一些其他组织特异性功能。BCMO1分子结构的更详细分析以及基因表达调控的更进一步研究对调控酶活性的基因变异机制的研究有很大帮助。

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