脂肪量和肥胖相关基因对猪肉品质的影响及机制

陈小玲 黄志清 周 波 贾 刚

(四川农业大学动物营养研究所，动物抗病营养教育部重点实验室，成都 611130)

随着人们生活水平的提高，消费者对猪肉品质提出更高的要求，因此猪肉肉质也越来越被养猪业者所关注。肌内脂肪(IMF)含量是影响肉品质的重要因素，与肉的色泽、嫩度和风味等有关。猪的肉质性状是由多基因控制的，因此深入挖掘影响肌内脂肪沉积的基因将成为今后肉品质性状研究的热点。

脂肪量和肥胖相关(fat mass and obesity associated，FTO)基因是2007年首次从小鼠上克隆出来的，是一种与肥胖相关的等位基因［1］。在人和鼠上的研究发现，该基因在控制食欲和能量消耗方面具有重要作用［2］。FTO基因敲除小鼠(FTO-/-与FTOI367F)与野生型小鼠相比，体重和脂肪含量均显著降低，表明FTO基因与脂肪沉积密切相关［3］。FTO基因也被认为能增加脂肪细胞的合成能力，进而调节人类肥胖的发生［4］。FTO基因在猪上的研究起步较晚，猪FTO基因定位在6号染色体上［5］，这一染色体区域被认为是调控许多脂肪性状的数量性状位点的区域［6］。国外有研究报道表明，猪FTO基因的单核苷酸多态性(SNP)与肌内脂肪沉积、瘦肉率、大理石纹评分等有关［7-11］。国内就猪FTO基因的遗传变异在不同品种猪群中的多态性分布也有零星报道［12］。这些研究结果提示FTO基因可能与猪肉品质有关。因此，深入研究猪FTO基因的功能及其作用机理，对阐明其与肌内脂肪沉积的关系具有重要意义，也将为今后改善猪肉品质研究提供新的研究思路。

1 FTO基因的概述

1.1 发现

FTO基因是首次通过外显子捕获分析方法从患有脚趾融合(fused toes，FT)的小鼠中克隆而来，当时命名为Fatso，其编码的蛋白质分子质量为58 ku［1］。直到2007年，通过全基因组扫描技术发现首个与普通人群肥胖相关的候选基因，因此正式将该基因命名为FTO基因，即脂肪量和肥胖相关基因［13］。猪FTO基因的研究起步较晚，该基因定位在6号染色体上［5］，这一染色体区域被认为是调控许多脂肪性状的数量性状位点的区域［6］。猪FTO基因cDNA全长为1 542 bp，其中开放阅读框(ORF)为1 518 bp，编码1个含505个氨基酸的蛋白质［14］，经生物信息学方法分析该基因的核苷酸序列和氨基酸序列在人、鼠、猪以及其他哺乳动物之间高度保守［7，13］。

1.2 分布

研究发现，FTO基因在不同动物的各组织中均有分布。在人上，FTO基因广泛表达于人体组织的各发育阶段，且在下丘脑、骨骼肌及脂肪等组织中高表达［13］。在啮齿动物上，研究表明，FTO基因mRNA在脑部尤其在丘脑及下丘脑区域有着丰富的表达，外周的分布主要集中在骨骼肌、内脏脂肪、肝脏、皮下脂肪以及肾脏［2］。在猪上，付言峰等［14］以苏钟猪为试验对象，利用反转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)方法，分析了该基因在苏钟猪5种不同组织(肺、肝脏、心脏、背膘和背最长肌)mRNA水平的表达谱，结果表明，FTO基因在苏钟猪各组织中的mRNA表达水平表现为:背膘＞心脏＞肺＞肝脏＞背最长肌，其中背膘中的表达水平显著高于其他组织，表明FTO基因对脂肪的影响大于对肌肉的影响，且其对皮下脂肪的影响最大。Madsen等［15］采用实时荧光定量PCR方法分析了FTO基因在哥廷根小型猪组织中的表达，结果表明，该基因在肌肉、肝脏、肾脏、心脏等中均有较高水平的表达，但在脑(大脑皮层、小脑和海马)中表达呈现最高水平，且在大脑皮层和小脑中FTO基因的表达会发生改变。郭兵［16］研究也发现 FTO基因mRNA在梅山猪海马的锥体细胞层中有着广泛的分布。以上结果表明，FTO基因在不同动物的各组织中呈广泛分布，提示它是一个多功能基因。

2 FTO基因与猪肉品质性状关系的研究

FTO基因组关联分析发现，FTO基因序列中含有大量单核苷酸多态性位点(SNPs)［17］。研究发现，FTO基因的SNP与人肥胖有很强的相关性［18］。肌内脂肪已成为评价猪肉品质的重要指标，与肉品质呈正相关。Tao等［11］研究了品种、出生后发育对猪背最长肌中FTO基因mRNA表达的影响以及FTO基因与肌内脂肪沉积的关系，结果表明，FTO基因mRNA表达和肌内脂肪含量均随着年龄增长而增加，且背最长肌中FTO基因mRNA的表达受品种和生长阶段显著影响，但FTO基因mRNA表达和肌内脂肪含量在不同品种和不同生长阶段猪中呈现不一致的规律。上述结果提示，在不同品种和不同生长发育阶段，FTO基因通过不同的机制影响肌内脂肪含量，或者FTO蛋白可能具有不同的剪切变异体，并与不同品种猪的肌内脂肪含量相关性不同。另外，在猪上的研究也发现，FTO 基因存在多态性位点［14，19］，且其多态性与不同猪种的肉质性状指标有密切的关系［7-10，12］。Huang 等［19］对 22 个不同猪种 FTO 基因的编码区和调节区的多态性进行研究，发现了39个新的 SNPs。付言峰等［14］通过克隆苏钟猪FTO基因cDNA序列，发现了8个SNPs，并推测这些突变可能与猪的肌内/间脂肪含量等脂肪沉积性状有关。另有研究表明，在巴克夏猪和约克夏猪杂交的后代中，FTO基因的1号内含子中的SNPc.46-139A＞T和其同义突变的 3号外显子c.594C＞G(Alal98Ala)的 SNP 与猪肌内脂肪性状指标有非常密切的关系［7］。在杜洛克猪群上也发现，FTO基因的第4内含子的g.276T＞G等位基因类型与肌内脂肪含量、背膘厚和瘦肉率等猪肉质性状指标有密切的关系［8-9］。在 FTO基因的g.276T＞G位点上，大约克、长白、大白、汉普夏和皮特兰等猪种群体中呈现多态，而在地方品种梅山猪上只表现为单态 GG 型［8］。同年，Zhang等［10］研究也发现，金华猪×皮特兰猪群体FTO基因的g.1191A＞G的SNP与肌内脂肪含量呈显著正相关，但与平均背膘厚和腹脂重等不相关。另外，在研究不同品种猪FTO基因的g.1191A＞G突变的基因频率时发现，G等位基因主要出现在我国地方猪品种中［10］，这与国内的研究结果一致。陶新等［12］以大约克、长白、杜洛克和金华猪等猪种群体为研究对象，应用聚合酶链式反应-限制性片段长度多态性(PCR-RFLP)分析技术分别检测了FTO基因的多态性，并分析了FTO基因上2个多态位点 g.276G＞T 和 c.594C＞G 的遗传变异情况，结果表明，在FTO基因的 g.276G＞T位点上，大约克、长白和杜洛克猪种群体均呈现多态，而我国地方猪种金华猪呈现单态GG型。在FTO基因的c.594C＞G位点上，3个外来猪种大约克、长白和杜洛克猪及中国地方猪种金华猪均呈现多态，但3个外来猪种群体均以CC型频率较高，而我国地方猪种金华猪则以GG型频率较高［12］。以上研究结果提示，FTO基因在不同品种猪群体间的这种差异极有可能是其肉质性状形成的遗传背景之一，并可将其作为影响猪肉质性状的候选基因。但今后仍需开展研究证实FTO基因与脂肪沉积的关系及其影响脂肪沉积的分子机制。

3 FTO基因影响猪肉品质的可能作用机制

3.1 FTO基因与脂肪细胞分化

3T3-L1前体脂肪细胞具有自发分化为成熟脂肪细胞的能力，已成为研究脂肪细胞分化的一个常用工具［20］。徐新祥等［21］研究发现，FTO 基因随3T3-L1前体脂肪细胞成脂分化呈上调趋势。同时在人上的研究发现，FTO基因能影响脂肪细胞的成脂能力，从而调节人类肥胖的发生［4］。FTO基因缺失能导致人脂肪细胞脂肪生成的从头合成能力下降［22］。在人肌管中过表达FTO基因增加脂肪生成，上调脂肪合成相关基因如脂肪合成酶(FAS)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC1)基因的表达［23］。上述结果表明FTO基因通过影响脂肪细胞的分化而达到影响脂肪沉积的作用。

KLFs属于锌指蛋白超家族的一个亚家族，是调节脂肪细胞分化、脂肪形成及肥胖的重要转录因子［24］。牛丛丛［25］克隆了猪 FTO 基因 2 160 bp的启动子序列，通过在线预测发现该序列中包含KLF6和KLF15等转录因子的结合位点，通过荧光素酶报告基因分析试验证实了KLF6和KLF15能与猪FTO基因启动子结合从而调节猪FTO基因启动子活性。同时，在HepG2细胞内过表达FTO基因能极显著增加细胞内甘油三酯的含量。进一步采用实时荧光定量PCR分析了在HepG2细胞内过表达FTO基因对脂肪合成相关基因［FAS、硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)、二酰基甘油酰基转移酶(DGAT2)］、脂肪分解相关基因［直链脂酰辅酶A氧化酶(ACOX1)、肉毒碱棕榈酰转移酶1α(CPT1α)］和脂滴结合相关蛋白基因［围脂滴蛋白(PLIN)、脂肪分化相关蛋白(ADRP)、尾部相互作用蛋白(TIP47)、S3-12］表达的影响，结果表明，脂肪合成相关基因表达水平显著上升，脂肪分解相关基因表达水平呈现下降，但并未达显著水平，脂滴结合相关蛋白基因PLIN、ADRP的表达水平呈显著上调，而TIP47和S3-12的基因表达水平增加，但并未达显著水平。以上研究结果表明，FTO基因可能通过抑制脂肪分解相关基因和促进脂肪合成相关基因的表达而影响细胞内甘油三酯的积累，最终导致细胞内脂肪沉积增加。

3.2 FTO基因与甲基化

目前有关FTO基因去甲基化功能的研究也正在开展。生物信息学分析发现，FTO蛋白隶属于二价铁离子和α-酮戊二酸的一种双加氧酶［26-27］，参与DNA修复、脂肪酸代谢和翻译后修饰，且与ALKB家族拥有同样的核酸去甲基化功能［28-29］。随后研究发现，FTO基因能催化单链寡核苷酸上的 3-甲基胸腺嘧啶的去甲基化［27，30］，并对单链RNA上3-甲基尿嘧啶的去甲基化的催化活性更强［30］，且其去甲基化的优选底物是单链RNA上的N6-甲基腺苷［31］。此外，对FTO蛋白结构进行解析，进一步证实了该蛋白是一类脱氧核糖核酸去甲基化酶，且该蛋白的N末端具有典型的依赖二价铁和酮戊二酸的一种双加氧酶特征，结构与生化试验显示FTO对3-甲基化修饰的尿嘧啶比胸腺嘧啶活性更强，提示在体内的生理条件下，甲基化的单链RNA可能是FTO的生理底物，同时提示FTO在体内可能通过影响修饰的核糖体的稳定性等来影响脂肪代谢，从而引起肥胖［32］。

Fawcett等［33］认为FTO基因所具有的这种去甲基化作用可能影响了某些脂肪代谢相关基因的表达。Huang等［19］克隆了猪FTO基因的编码区和5'上游5 kb左右的启动子序列，通过比较基因组学和生物信息学分析发现它含有多个涉及脂肪积累的转录因子的结合位点。国内的研究也得出相似的结果［25］。转录因子CCAAT增强子结合蛋白(C/EBP)家族成员包括 C/EBPα、C/EBPβ 和C/EBPδ，其被认为是主要的成脂相关转录因子［34］。Wu 等［35］研究报道 FTO 基因是 C/EBP 家族的转录辅助活化因子，能促进未甲基化和受甲基化抑制的基因启动子转录，并增强C/EBP与启动子序列的结合。RNA甲基化是在转录后水平调控基因表达。那么，FTO基因对猪脂肪沉积的影响是否与其RNA去甲基化酶的功能有关需开展试验进行证实。

4 小结

FTO基因是最近被发现的新基因，人和鼠的研究表明该基因能影响食欲和能量平衡，会影响机体的脂肪沉积。研究也发现FTO基因在不同动物体内的多种组织呈广泛表达，提示其可能是多功能基因。另外，国内外研究发现FTO基因的启动子区域含有多个与脂肪形成相关的转录因子的结合位点，其单核苷酸的多态性位点与猪肉质性状指标呈相关性，同时过表达FTO基因能影响脂肪分化相关基因的表达而影响脂肪细胞的成脂能力。另外，FTO是一种单链RNA去甲基化酶，能增强成脂相关转录因子C/EBP在未甲基化和受甲基化抑制状态时与启动子的结合。FTO基因可能通过影响脂肪细胞分化或发挥其去甲基化功能而影响脂肪沉积，提示其可作为潜在的影响猪脂肪沉积性状的候选基因用于分子育种和猪肉品质改良。因此，今后将深入研究FTO基因的功能，开展体内和体外试验研究其对猪肌内脂肪沉积的影响及其机理，将为进一步改善猪肉品质提供新的思路。

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