牛乳蛋白合成调控研究进展

周苗苗+崔景香

摘要：乳蛋白的氨基酸（AA）含量和比例比较理想，是一种营养价值很高的蛋白质。除小部分来源于血液外，乳中绝大部分的蛋白质由乳腺上皮细胞利用血液中的氨基酸或小肽从头合成。乳中的蛋白质含量和组成直接影响乳蛋白的营养和生理特性以及乳制品的产量。只有清楚地了解乳蛋白合成的调控机制，才能更好地通过营养策略来提高乳蛋白含量。因此，对奶牛乳腺细胞内乳蛋白的合成调控进行了简要综述。

关键词：乳蛋白；合成；调控

中图分类号：S879.1；S852.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-4929-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.001

Research Progress of Dairy Cow Milk Protein Synthesis Regulation

ZHOU Miao-miao，CUI Jing-xiang

（Institute of Animal Science， Weifang University of Science and Technology， Shouguang 262700， Shandong， China）

Abstract： Because the ideal amino acid content and composition，nutritional value of milk protein is very high.In addition to a small part from the blood，most of the protein in milk are synthesized in the mammary epithelial cells using amino acid or small peptide from the blood.Content and composition of milk protein will affect the milk nutritional and physiological characteristics and dairy production. Better understand the regulation mechanism of milk protein synthesis could help us to raise the protein content in milk by nutrition strategies.Therefore，the regulation of milk protein synthesis in bovine mammary epithelial cells is reviewed.

Key words： milk protein； synthesis； regulation

乳蛋白的氨基酸（Amino acids，AA）含量和比例比较理想，是一种营养价值很高的蛋白质。此外，某些乳蛋白成分还可以分解产生一些有特定生理功能的活性肽类物质。乳蛋白是由乳腺组织的上皮细胞利用来自血液的游离AA或小肽从头合成的。总体而言，乳腺合成蛋白质的过程与其他组织相同，但乳腺上皮细胞合成的大部分蛋白质最终要分泌出去。

乳腺组织具有很高的代谢活性，乳腺中的蛋白质合成量占奶牛身体总蛋白质合成量的43%[1]。乳蛋白含量及组成对其营养价值、生理特性及其制品的产量影响很大，因此受到广大制造商和消费者的重视。乳蛋白含量的变化主要受营养水平（AA和能量）、内分泌系统以及乳腺中众多参与蛋白质代谢的调控因子的调控[2]。研究表明，蛋白质翻译调控对奶牛乳蛋白合成影响重大[3，4]。因此，只有更全面地了解乳蛋白合成的调控机制，才能更好地通过营养策略来提高乳蛋白产量。已有研究显示，乳蛋白的合成调控很可能是通过调节其基因翻译起始因子和延长因子实现的[4]。有试验表明，泌乳奶牛乳腺中核糖体蛋白S6的生理活性高于非泌乳奶牛[3]，而翻译起始因子eIF4E则同乳腺的发育和泌乳的起始有关[5]。尽管翻译相关因子调控蛋白质代谢的机理在很多组织中得到广泛研究，然而这些翻译因子在乳腺中的作用最近才引起关注。

1 内分泌调控

同机体任何其他生理系统相比，内分泌系统在调控乳腺发育、泌乳起始和维持泌乳过程中起主导作用[6]。

1.1 泌乳激素

泌乳相关激素（即：催乳素、氢化可的松和胰岛素）对乳腺上皮细胞的功能分化及启动和维持泌乳来说是必不可少的[7，8]。这三种泌乳激素联合作用诱导乳蛋白的基因表达。催乳素在推动妊娠期乳腺分化和启动产后乳腺泌乳方面发挥着主要作用[9]，并它能在转录水平促进乳蛋白的合成[10]。而氢化可的松和胰岛素能增强催乳素对酪蛋白mRNAs累积的促进作用[11，12]。此外，Menzies等[13]证实，胰岛素能促进乳腺氨基酸摄取、乳蛋白基因表达以及酪蛋白合成。研究证实，这些泌乳激素可能通过雷帕霉素靶蛋白（The mammalian target of rapamycin，mTOR）信号途径调控乳蛋白合成。有报道称，泌乳激素能增强AA对乳蛋白合成的促进作用[2]。泌乳激素对乳蛋白合成的促进作用伴随着mTOR、核糖体S6激酶1 （Ribosomal S6 kinase 1，S6K1）以及起始因子eIF4E结合蛋白1（4E-BP1）的磷酸化。4E-BP1的磷酸化可以使其与eIF4E分离，进而有助于eIF4E结合eIF4G来形成复合物启动翻译起始[2]；而S6K1的磷酸化则能活化多种蛋白质翻译元件[14]。

1.2 生长激素

生长激素（Growth hormone，GH）对奶牛乳腺具有明确的催乳作用[15]。但是，GH调控奶牛乳腺中蛋白质合成的分子机制仍不十分清楚。Hayashi等[4]试验结果表明，GH能促进mTOR信号途径中S6K1磷酸化，上调乳蛋白翻译起始和延长，进而增加乳蛋白的合成[4]。而Sciascia等[16]研究则表明，GH通过胰岛素样生长因子1-胰岛素样生长因子1受体——丝裂原活化蛋白激酶（Insulin-like growth factor 1—insulin-like growth factor 1 receptor-mitogen-activated protein kinase，IGF1-IGF1R-MAPK）信号级联调节eIF4E介导的核质输出和mRNA翻译来增加乳蛋白含量。

2 营养元素

泌乳期奶牛乳腺营养代谢加剧，需要合成大量乳汁。乳蛋白合成需要消耗大量的AA和ATP，二者供应充足时才能保证奶牛泌乳的需要。

2.1 氨基酸

牛乳中绝大部分的蛋白质都是由乳腺上皮细胞利用血液中的AA或小肽从头合成的，可利用AA的数量和质量直接影响乳蛋白的品质。一般而言，提高乳腺必需AA的摄取能增加乳蛋白合成量[17]。 Raggio等[18]研究发现，给奶牛补充酪蛋白能提高奶牛乳蛋白浓度和产量。Burgos等[2]试验结果也表明，提高培养液中AA浓度增加了乳蛋白的合成量。近年来，研究发现除作为蛋白质合成的前体物质之外，AA也可作为信号分子调控蛋白质的合成[19]。AA可以通过调控翻译起始因子和延长因子的功能，进而全面调控蛋白质基因mRNA的翻译[4]。AA的这一调控作用是通过传统激素信号通路介导的信号传导来实现。目前了解比较清楚的一个AA诱导的信号传导途径是mTOR信号通路[20]。AA通过活化mTOR来调控4E-BP1和S6K1等蛋白质的磷酸化状态，进而参与蛋白质的合成调控。

尽管AA通过翻译相关因子调控蛋白质代谢的机理在很多组织中得到广泛研究，然而其在乳腺中的这种作用最近才引起关注。Moshel等[21]利用体外培养的泌乳乳腺上皮细胞模型研究了AA对翻译过程的调控作用，结果发现，AA经由mTOR信号途径调控mRNA翻译，进而影响乳腺上皮细胞中乳蛋白的合成速率。Prizant等[22]研究了体外培养的泌乳鼠乳腺上皮细胞中必需AA通过mTOR通路在蛋白合成中的作用，结果发现，来自于AA的正负调控信号通过mTOR信号传导通路结合胰岛素调控来调节总蛋白和乳腺上皮细胞中特殊乳蛋白的合成速率。支链AA，尤其是异亮氨酸（Ile）和亮氨酸（Leu）通过该通路调控乳蛋白的合成[23，24]。研究发现，清除细胞外AA或Leu能抑制从mTOR到p70 S6激酶和4E-BP的信号传导活性，AA尤其是Leu通过控制Rheb-GTP来调控mTOR[25，26]。Arriola等[24]研究发现，Ile可作为信号因子正调控mTOR信号通路，进而增加乳蛋白的合成。Appuhamy等[27]在MAC-T细胞培养液中添加必需氨基酸（Essential amino acid，EAA），结果发现EAA通过增强mTOR和4EBP1磷酸化，降低eEF2磷酸化，提高了乳腺组织中酪蛋白合成率。有报道称，泌乳相关激素能增强AA对乳蛋白合成的促进作用[2]。mTOR似乎是AA、胰岛素等生长因子诱导产生的信号传导的综合位点，这两种信号传导结合才能最大地刺激蛋白质合成[19]。

2.2 能量

泌乳期乳腺需要大量的能量供应来维持其旺盛的代谢活动。Hanigan等[28]估测，乳腺中所产生的ATP几乎有一半用于蛋白质的合成。一般来说，增加非结构性碳水化合物的摄取能提高奶产量、乳蛋白产量和氮利用效率[17，29]。体内外试验结果均显示，除作为底物参与细胞内乳蛋白的合成外，能量状态也可直接通过信号传导参与蛋白质合成[30]。Appuhamy等[31]利用奶牛乳腺细胞体外培养模型研究发现，提高能量水平能增加S6K和mTOR的磷酸化。Rius等[32]证实，给奶牛灌注淀粉增加了S6K和mTOR的磷酸化，同时也提高了乳蛋白产量。

3 乳腺

乳腺自身有能力调控其营养摄取来维持乳汁的合成。这一调控作用主要是通过调节乳腺血流量及乳腺对动脉血中乳汁前体物的摄取量实现的[1，33]。此外，乳腺还具有细胞内调控乳汁合成的能力，例如上皮细胞内产生的泌乳反馈抑制蛋白能影响奶产量[34]。这种反馈抑制蛋白通过降低蛋白质合成，或增加新合成酪蛋白的降解来调控乳蛋白的分泌[35]。

4 小结

综上所述，奶牛乳腺细胞中乳蛋白的合成受内分泌（催乳素、胰岛素、氢化可的松、生长激素等）、营养元素（氨基酸和能量）以及乳腺本身等方面的调控。这些因素对乳蛋白的合成调控很可能是通过调节基因翻译起始和延长因子实现的。但是，这些翻译相关因子在乳腺蛋白质合成过程中的作用机理研究并不透彻。因此，乳蛋白合成调控机理方面的研究将是今后奶牛泌乳生理研究的重点和热点。

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