日粮中营养元素对动物基因表达的调控

2020-01-10赵万乐邹淑琴朱松波李艳玲杨玉荣

河南畜牧兽医 2020年23期

赵万乐，邹淑琴，朱松波，李艳玲，杨玉荣

（1.郑州市农林科学研究所，河南郑州450005；2.河南省畜牧总站）

DNA 携带着生物体全部的遗传信息，决定着物种的特异性、性别、寿命、代谢、动物的生长、发育、健康状况及寿命、外部特征以及机体对外部环境的适应能力等。营养素是生物进行新陈代谢的物质基础，只有获得平衡充足的营养物质，生物才能正常生长发育，顺利完成繁衍后代的生命过程。随着分子生物学的发展及其在营养学中的应用，从分子水平上弄清养分的代谢过程和规律，确定动物群体及个体的营养需要，掌握养分摄入过量及缺乏的后果，预防和治疗营养代谢疾病以及解决其他营养问题已成为可能，人们从分子水平逐步认识到营养素与动物的基因表达存在密切关系。也就是说营养素对动物生长、发育、繁殖、健康等影响的众多途径中，有些是通过影响基因表达来实现的，可以通过对营养素的适当摄取来促进有利于动物健康的基因表达，而抑制与疾病相关基因的表达。如低密度脂蛋白的氧化损伤是引起淋巴细胞泡沫化和动脉粥样化转变过程的主要因素之一，据报道淋巴细胞特殊生长因子-淋巴克隆刺激因子和多糖蛋白激酶（PSK）能够防止动脉粥样化。营养素也许并不能完全消除某一遗传缺陷，但是它能改变这种缺陷的出现时间以及表现程度。

近年来，随着分子生物学技术不断发展，越来越多与代谢有关的动物基因被克隆和鉴定，人们对营养与基因调控的关系越来越感兴趣。营养与动物基因表达调控的研究已成为当今动物营养学研究的一个热点领域；如何通过改变饲粮组成成分来调节体内相关基因的表达，从而使动物处于最佳生长状况已成为动物营养学研究的重点；通过营养对动物基因表达的调控途径及其机制的研究，将为人们如何更有效地对某些特定有益基因的表达提供理论依据。

营养和基因表达的一般关系表现为两个方面：一是养分的摄入量影响基因表达；二是基因表达的结果影响养分的代谢途径和代谢效率，并决定营养需要量。

1 营养对基因表达的调控

基因表达包括转录和翻译两个过程，是指编码某种蛋白质的基因从转录、mRNA的加工与成熟、RNA的翻译、蛋白质的加工，到活性（功能）蛋白质的形成的过程。基因表达受到严格的调控，而养分——核酸、蛋白质的合成原料、能量物质、辅酶等，或者是某一环节的激活剂或抑制剂，对每一个基因调控点都起着直接或间接的调控作用。这种调控作用最初认为主要是在基因转录水平上的调节，已有研究表明转录后也有一定控制作用。大量证据表明，饲粮中主要营养物质如糖、脂肪酸、氨基酸以及一些微量元素（如锌）对动物体内许多基因的表达都有影响。

1.1 饲粮中碳水化合物对某些基因表达的调控

高碳水化合物饲粮对葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PD）基因表达的影响：脂肪和脂肪酸的生物合成需要来自糖代谢的能量，也需要NADPH，因而提供NADPH的磷酸戊糖途径中的G-6-PD的含量、活力均会对脂肪的合成产生影响。有关研究报道，高碳水化合物饲粮能促进G-6-PD基因在大鼠肝实质细胞中表达。

高碳水化合物饲粮对肝脏中脂肪酸合成酶（FAS）基因表达的影响：有关学者对大鼠禁食24 h后，喂给高碳水化合物饲粮，测定肝脏中FAS mRNA 的量。结果发现，大鼠禁食24 h后喂高碳水化合物饲粮，肝脏中的FAS mRNA量接近禁食48 h的100倍。

葡萄糖对3T3-F442A 脂肪细胞中瘦蛋白（Leptin）表达的影响：Leptin是一种在脂肪细胞中产生与机体的能量平衡及脂肪贮存调节有关的激素，是肥胖基因表达的产物。Leptin 可使神经肽（NPY）分泌减少，引起采食量减少。因体内受到胰岛素影响，王方年（1999）［1］用不同葡萄糖浓度培养3T3-F441A脂肪细胞，研究葡萄糖对Leptin表达的影响：当葡萄糖浓度由5 mmol/L 增至10 mmol/L 时，Leptin表达有十分明显的升高（约7倍）。继续增加葡萄糖的浓度，Leptin 的表达未见升高，表现出饱和性特点。葡萄糖浓度增至25 mmol/L时，Leptin的表达有明显下降，这种抑制作用很可能是由于“葡萄糖毒性作用”造成的。

1.2 饲粮中微量元素对基因表达的调控

锌对基因表达的调控：锌作为动物体的一种必需微量元素，具有可以增强机体免疫功能、促进细胞增殖分化、参与核酸蛋白质代谢、维持细胞周期正常进行等生物学功能。有关专家认为，锌离子是DNA 聚合酶的一个重要组成成分，锌对于维持DNA 聚合酶的活性具有相当的重要性；另外锌通过影响RNA聚合酶活性及转录因子的作用，能够导致基因转录异常，从而使蛋白质表达也发生变化。有关试验发现低锌饲粮限制动物生长的直接原因是低锌抑制了体内IGF-I、HG受体、GH结合蛋白等基因的表达。

铁对动物基因表达的调控：有关专家在肉鸡试验中发现，饲粮中缺铁将导致血清中转铁蛋白含量迅速增加，肝脏中转铁蛋白基因的mRNA 含量增加到正常水平的2.5倍。当饲料中缺乏铁元素时，血红蛋白的合成不足，额外的转铁蛋白需要被合成从而能加快铁的运输。可以认为缺铁引起转铁蛋白基因表达的加强是通过增加转录水平来实现的。当饲粮中补铁以后，转铁蛋白基因的mRNA含量和蛋白质合成量在3 d内恢复至正常水平，鸡肝脏中铁的贮存量也同时增加。另外，铁可以调控铁蛋白基因表达，铁含量越高铁蛋白基因表达就越强，并且这种调控并非发生在转录水平，因为放线菌D 不能抑制高铁的这种诱导作用，因此这种调控应该发生在转录后水平。

其他金属元素对动物基因表达的调控：缺铜会阻止IL-2（白细胞介素-2）基因的转录而减少IL-2 在T 淋巴细胞中的合成。铜是诱导酵母MT基因表达的有效金属，促使MT基因中CUP1启动子结合调节蛋白ACE1，铜元素的增加将显著提高MT基因的表达量。这表明缺铜可在转录水平上调控脂肪酸合成酶基因的表达。

1.3 饲粮中蛋白质含量对基因表达的影响

高蛋白饲粮对FAS基因表达的影响：脂肪酸合成酶是催化机体内脂肪酸合成途径中最后一步的关键酶，其活性高低将影响整体脂肪含量。

低蛋白饲粮对下丘脑神经肽（NPY）基因表达的影响：NPY 是由36 个氨基酸组成的肽，在中枢和外周神经系统含量丰富，可以刺激动物采食，注射NPY会导致动物饮食过度和体内脂肪堆积增加。

氨基酸对动物基因表达的影响：有关专家研究了氨基酸限制对胰岛素样生长因子结合蛋白（IGFBP-Ⅰ）表达的影响，即营养变化导致血液氨基酸的变化对IGFBP-Ⅰ的影响。有关专家研究了亮氨酸对人Hela 细胞IGFBP-ⅠmRNA 和蛋白质表达的影响，结果表明IGFBP-ⅠmRNA 和蛋白质在细胞中的基础水平很低，当培养基中亮氨酸浓度下降时，其浓度迅速上升。用分离的大鼠肝细胞也得到了相似的结果，表明氨基酸调控IGFBP-Ⅰ表达不只限于肝原细胞，对已分化的肝细胞也适用。值得注意的是，血浆浓度受营养状态影响大的氨基酸正是对IGFBP-Ⅰ调控起主要作用的氨基酸。有关专家设计了一种培养液，其氨基酸浓度与大鼠饲喂不同饲粮时静脉血中氨基酸浓度相同，发现当培养液中氨基酸浓度与喂低蛋白饲粮时大鼠静脉血中浓度相同时，培养的Hale细胞中IGFBP-Ⅰ高度表达，表明模拟体内营养状态的氨基酸浓度能显著调节IGFBP-Ⅰ的表达。

1.4 脂类对动物基因表达的调控

脂类物质特别是脂肪酸对一些与脂肪代谢相关的基因表达有密切关系。多不饱和脂肪酸（PUFA）是一种重要的基因表达调节因子。迄今为止，人们已经发现多种肝脏基因与脂肪组织基因的表达受饲粮PUFA调节。

长链脂肪酸（LCFA）对棕榈酰转移酶（CPT）和HMG-COA 合成酶基因表达的影响：应用20 日龄大鼠肝细胞做的体外培养试验表明，中链脂肪酸不能增加CPT-1 mRNA 水平，而长链脂肪酸能将CPT-1 的mRNA水平提高2～4 倍。这些LCFA 包括饱和的（棕榈酸）、单不饱和的（油酸）和多不饱和的（亚麻酸）脂肪酸，其中亚麻酸不仅能将CTP-1 的mRNA 水平提高2 倍，还能使其半衰期延长50%。有关专家认为中长链脂肪酸能够调节鸡胚胎肝细胞中乙酰辅酶A 羧化酶α-基因的启动子的转录起始［2］。

1.5 维生素对动物基因表达的调控

VA作为一种微量营养素一直都是营养学界研究的热点，它在机体发育及维持机体正常功能方面起着重要作用，特别是在胚胎发育时期，怀孕母体缺乏VA会严重影响子代正常发育。近些年发现VA影响生长发育是通过它对同源异型蛋白（HOX）基因表达进行调控实现的。有关专家观察到VA缺乏引起HOX 3.5 和HOX 4.5 基因表达量下降，表现在VA缺乏组小鼠胎儿HOX 3.5和HOX 4.5 mRNA含量明显低于正常对照组。当母鼠处在严重的VA 缺乏状态时受孕，其子代子鼠胚胎中HOX 3.5和HOX 4.5基因表达明显减少。孙秀发等［3］也发现小鼠机体VA和锌营养水平与胎鼠HOX（3.5）基因表达呈高度正相关，各项相关系数为0.78～0.99。对于其机制，是直接作用于HOX基因还是通过旁路系统来调控HOX 基因表达目前还不清楚。有关专家研究了VC对阿朴蛋白A-Ⅰ基因表达的影响。结果表明VC缺乏组阿朴蛋白A-Ⅰ浓度降低，肝脏中阿朴蛋白A-ⅠmRNA 水平在缺乏组中比正常组降低了40%，其转录速率没有明显改变，看来VC是在转录后水平影响阿朴蛋白A-Ⅰ基因表达的。庞智等［4］报道了VD3对载体荧光素酶表达的作用，1，25-二羟VD3是VD的主要或新代谢产物，在体内它可以通过VD受体与VD应答元件的相互作用而激活或抑制靶基因的转录表达。此外，生物素、抗坏血酸等也对一些基因表达产生影响，生育酚对心肌肌球蛋白重链基因表达的作用也有报道［5］。

2 基因表达对营养需求的影响

分子生物学技术在动物营养学中的应用主要包括：利用分子生物学技术改造或生产动物性营养物质；如从基因水平上研究如何提高肉用动物的瘦肉率；在分子水平上研究营养与基因表达、调控的关系，以从根本上阐明营养对机体的作用机制；利用基因工程技术开发饲料资源［6］。

利用分子生物学技术改造或生产营养物质：某些天然物质营养价值不高，或存在某种缺陷，均可利用分子生物学技术进行改造：而某些营养价值较高的物质，其来源非常有限，远远不能满足生产实际的需要，这时我们可以利用分子生物学技术进行大量生产。通过转基因技术可提高动物的生长速度、产毛量、改变乳成分、改善肉质。多年来，科学家们致力于以下几个方面的研究：改善生产性状，提高生产性能；增强抗病力；建立遗传性疾病、肿瘤和其他疾病的实验动物模型。