家畜DGAT1基因的生物学功能及其在遗传育种中的应用研究

宋 天， 王大会， 刘 贤， 安清明， 王献伟， 茹宝瑞， 徐泽君， 雷初朝， 陈 宏， 黄永震*

(1.西北农林科技大学动物科技学院,陕西 杨凌 712100;2.铜仁学院农林工程与规划学院,贵州 铜仁 554300;3.河南省畜牧总站，郑州 450008)

三酰甘油(triacylglycerol，TAG)是一种高还原性碳分子，在细胞液中形成不溶于水的脂滴，并提供高能量的还原碳储存。TAG作为脂质的组成成分之一，是真核细胞生物体代谢能储存的主要形式[1]。三酰甘油主要由肝脏、乳腺、小肠黏膜及其它脂肪组织储存或分泌,若在脂肪组织中过量储存会导致肥胖，在非脂肪型组织中，三酰甘油则与组织功能障碍有关。TAG参与脂蛋白运输和细胞膜合成，且当机体营养物质缺少或者处于应激状态时，TAG作为储能的主要分子以提供机体所必需的能量。

酰基辅酶A：二酰甘油酰基转移酶(acyl CoA：diacyiglycerol acyltransferase，DGAT)是催化三酰甘油合成最后一步反应的关键酶和微粒体酶，对乳用动物乳脂含量的高低有显著影响，同时也影响脂肪在相关组织的沉积量、肠道中的脂肪吸收、血浆中三酰甘油浓度的调节、体内物质能量代谢、禽蛋和其卵母细胞的合成等过程;除此以外，DGAT1也催化甘油二酯、蜡和视黄酯的形成。

脂酰基部分酯化成二酰基甘油，以形成三酰基甘油(TAG)，并由两种二酰基甘油酰基转移酶(DGAT)催化，且两种酶被2个不同基因家族的基因所编码，分别称为二酰基甘油O-酰基转移酶1(diacylglycerol O-acyltransferase 1，DGAT1)和二酰基甘油O-酰基转移酶2(diacylglycerol O-acyltransferase 2，DGAT2)，这两种蛋白都是位于内质网的跨膜蛋白，二者各自的膜拓扑结构存在显著的不同[2]，但在哺乳动物全身组织内均广泛表达，并发挥着各自的作用[3]。其中DGAT1催化的反应底物为二酰甘油和乙酰辅酶A(fatty acyl CoAs)，该基因一方面参与脂肪合成、储存及脂蛋白组装等过程[4]，在细胞中起到重要的中心代谢作用，另一方面作为影响家畜泌乳性状和脂肪沉积等其他性状的重要候选基因，且被认为对家畜乳脂合成、脂肪含量和食用价值均有显著影响[5]。本文通过对DGAT1的分子结构和定位、生物学功能、其遗传多态性对多种家畜各方面性状的影响进行综述，并对DGAT1基因在家畜育种研究方面的应用前景做出展望。

1 家畜DGAT1基因分子结构和定位

人的DGAT1基因定位于8q24.3，含有18个外显子；家鼠的DGAT1基因位于第15号染色体D3区，共计含18个外显子；牛DGAT1基因位于第14号染色体19 cm处，共计含有15个外显子；绵羊的DGAT1基因位于第9号染色体上，共计16个外显子；Nonneman等[6]研究发现等猪DGAT1基因定位于SSC4p15，与微卫星SW2404紧密连锁，cDNA全长1 935 bp，共计16个外显子；猕猴的DGAT1基因定位于第8号染色体上。

2 DGAT1基因的生物学功能

2.1 DGAT1基因对脂肪代谢的影响

DGAT1基因参与哺乳动物体组织中三酰甘油的合成，参与调节机体的能量代谢，但对生命并非必需，DGAT1缺失的小鼠在长期喂食高脂肪食物后，吸收后乳糜微粒血症有所减缓，并在肠细胞细胞质中积累中性脂滴，此种现象表明DGAT1基因缺失的小鼠对三酰甘油的吸收率降低[7]；研究发现，缺少DGAT1的小鼠可通过降低脂肪中贮存的三酰甘油含量而存活，而敲除DGAT2基因的小鼠出生后即死亡，其体内三酰甘油含量降低了90%以上，这表明DGAT2是主要的三酰甘油储存酶。进一步研究得出，脂肪细胞中缺少DGAT2的小鼠在常规或高脂饮食中三酰甘油储存和葡萄糖代谢均正常，说明DGAT2对脂肪的储存并非必需。相比之下，脂肪细胞中缺少DGAT1的老鼠在进食鼠粮时体内的三酰甘油储存正常，但在进食高脂肪食物时，体内脂肪会适度减少，并伴有葡萄糖的不良耐受。后者的变化与内质网应激通路的激活有关。由此得出结论，DGAT1和DGAT2可在很大程度上补偿三酰甘油在体内的储存，且DGAT1基因在保护内质网免受高脂肪饮食的脂毒侵害方面具有更重要作用[1]。另有研究发现，敲除小鼠DGAT1基因后，皮脂腺功能发生紊乱，导致皮毛受损，皮肤含水量下降，乳腺中的三酰甘油合成量有所减少，泌乳量也随之降低[9]。

2.2 DGAT1基因对胰岛素和瘦素的影响

作为催化哺乳动物三酰甘油合成最后一步的关键酶之一，DGAT1基因缺乏的小鼠能通过增加能量消耗的机制，而对饮食引起的肥胖具有一定的抵抗力[10]。Yu等[11]研究报道了DGAT1敲除小鼠可存活，餐后血浆三酰甘油升高的程度有所降低，胰岛素和瘦素敏感性增加。

DGAT1缺乏症对严重瘦素抵抗小鼠的胰岛素抵抗和肥胖具有保护作用。相比之下，DGAT1缺乏并不影响瘦素缺乏小鼠的能量和葡萄糖代谢，造成这类情况的部分原因可能是在瘦素缺乏的情况下，DGAT2表达代偿性上调。在此得出初步结论，随着相关研究的深入，抑制DGAT1基因表达有可能有助于治疗人类肥胖患者的胰岛素抵抗和瘦素抵抗[10]。

Meegalla等[12]研究发现，葡萄糖和胰岛素是一种合成代谢信号，它能上调一系列脂肪生成酶的转录，将多余的碳水化合物转化为三酰甘油，从而有效地储存能量。其中葡萄糖优先增强DGAT1基因mRNA的表达，而胰岛素则特异性地增加DGAT2 mRNA的表达。葡萄糖和胰岛素同时作用于脂肪细胞，脂肪细胞的细胞膜中DGAT活性高于分别单独作用于葡萄糖和胰岛素的脂肪细胞，说明葡萄糖和胰岛素对DGAT的活化具有加性作用。由于肝脏中DGAT1 mRNA的含量较少，可初步认为DGAT1更多地参与了肠道脂肪吸收和脂肪组织中三酰甘油的基础水平合成，而在脂肪组织中，DGAT1表达较高。

3 DGAT1基因遗传多态性与家畜遗传育种应用

3.1 DGAT1基因多态性对牛相关性状的影响

编码DGAT1的基因处于牛第14号染色体上，被认为是影响乳脂含量的重要位置和功能候选基因。Thaller等[13]研究利用德国法兰克福牛和荷斯坦牛两种奶牛品种，研究了DGAT1中非保守赖氨酸(K232A)取代丙氨酸(K2326A)对牛奶生产性状的影响。通过多种数量性状基因座(quantitative trait locus，QTL)定位试验，在牛第14号染色体的着丝粒区域检测到1个QTL，该QTL对牛奶的脂肪含量有着重要影响。通过对DGAT1 K232A突变中K与A两种等位基因的对比研究分析可得出，德国法兰克福牛和荷斯坦牛的乳脂率、蛋白质含量、1～3泌乳期乳脂总量均有所提高，泌乳量和乳蛋白总量则有所减少。Dokso等[8]研究了DGAT1 K232A多态性位点及等位基因K和A变异对克罗地亚荷斯坦、西门塔尔和瑞士褐牛泌乳性状的影响，从371头奶牛的毛发中提取DNA，并对K232A位点进行扩增，结果显示，荷斯坦和瑞士褐牛的KK基因型对泌乳量存在显著影响，而在西门塔尔品种中KA和AA基因型呈阴性。在乳脂含量方面，荷斯坦品种KK基因型、西门塔尔牛的KA基因型和瑞士褐牛的AA基因型影响较为显著，且3个品种的AA基因型奶牛所分泌牛乳均具有较高的乳蛋白含量。但DGAT1基因对泌乳量和乳品质影响不显著(P>0.05),且DGAT1多态性对牛奶脂肪酸和矿物质组成存在实质性的影响，与牛奶质量有关[14]。Vanbergue等[15]研究了DGAT1 K232A多态性与随泌乳频率变化而产生的自发脂解作用(spontaneous lipolysis，SL)的相关性，认为DGAT1基因型与牛奶中三酰甘油的SL之间存在相关性，并与环境因素(挤奶频率)相互作用，但目前尚未阐明这一阶段的致病机制。另有研究认为，瘤胃微生物群、奶牛遗传和饮食结构之间可能存在复杂的相互作用。Van等[16]研究了亚麻籽油、DGAT1基因K232A多态性以及亚麻籽油与DGAT1之间的相互作用，是否对瘤胃气体排放、能量和氮代谢、以及泌乳性能等产生影响。采用交叉设计方法，对24头泌乳期荷斯坦—弗里斯奶牛分别饲喂两种饲料：对照饲料和亚麻籽油饲料，并在测定相关数值后采用胃管法采集瘤胃液样本。结果表明，DGAT1对瘤胃气体排放、能量代谢、奶牛产奶量和组成等均无影响。但DGAT1 KK基因型的代谢率较低，且与DGAT1 AA基因型相比，牛奶氮效率有降低趋势。此外，DGAT1基因不影响肠内甲烷的排放和生产途径，但影响泌乳性状以外的其他性状，包括代谢情况、氮循环效率和双歧杆菌的相对丰度。且本研究中的亚麻仁油在不依赖于DGAT1的前提下会降低甲烷排放，并影响瘤胃微生物群及其发酵活性。

3.2 DGAT1基因对羊相关性状的影响

余刚等[17]对陕北白绒山羊DGAT1基因的第14外显子进行PCR扩增，结果显示，在该位点存在由鸟嘌呤到腺嘌呤的突变位点，导致甘氨酸突变为谷氨酸，该位点存在1对等位基因A和B，并存在AA、BB、AB 3种基因型。经分析，在初生重、断奶重、体高、管围等多个性状上，BB基因型均优于其他2个基因型。Mohammadi等[18]研究了洛瑞—巴赫蒂亚羊和泽尔羊DGAT1基因16～17外显子的单核苷酸多态性(SNPs)，为研究DGAT1基因与部分胴体性状的关系及2个绵羊品种间的亲缘关系提供了基础。共屠宰309只绵羊，测定胴体重、背膘厚、肥尾重、肥尾百分率、屠宰百分率和调整后的肥尾百分率。PCR-RFLP分析结果表明，SNP有TT(272，37 bp)、TC(309，272，37 bp)、CC(309 bp) 3种基因型，其中TT为优势基因型，T等位基因为优势等位基因。在DGAT1位点，CC羊的脂肪尾重(P<0.05)和背膘厚(P<0.01)显著增加。本研究结果表明，C等位基因对肥尾羊的脂肪尾重和背膘厚有显著影响。Sun等[19]研究了短链脂肪酸(SCFAs)在反刍动物乳脂代谢中的作用，以山羊乳腺上皮细胞(GMECs)为研究对象，分别用3 mmol/L乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐处理24 h，观察其对脂肪生成的影响。数据显示，丙酸酯和丁酸酯对三酰甘油(TAG)的含量和脂滴的形成有明显的促进作用，且丙酸和丁酸盐处理均可上调DGAT1等其他6种基因的表达。可进一步推测，DGAT1的表达量提高，可促使山羊乳脂中的三酰甘油和脂滴合成量增加。Armstrong等[20]报道了纯种特克塞尔羔羊的几种与脂质代谢、生长相关的基因中存在的SNP与几种胴体性状之间的关系，经检测分析得出，DGAT1基因对羔羊的活重、脂肪厚度、肋眼面积和肩重均有一定的相关性。

3.3 DGAT1基因对猪的影响

猪的脂肪沉积是一个重要的经济性状，与猪背膘厚和肌间脂质量关系密切。当猪从日粮中摄取营养成分以满足机体的生长需求时，若能量供给大于机体所消耗能量，余下的能量则以三酰甘油的形式富集在体内，导致猪背膘厚及体内其他组织的脂肪含量增加。因此，限制三酰甘油的合成量可降低猪背膘的形成。肌内脂肪含量(IMF)和背膘厚(BFT)则是影响猪肉品质的重要因素。Cui等[21]研究DGATmRNA表达与肌内脂肪、背膘厚度的关系，利用实时荧光定量PCR对3个猪品种(莱芜猪、鲁莱黑猪和大白猪)共36头去势公猪(114±2 kg)进行检测，样本分别取自背长肌、背脂肪和肝脏。结果表明，莱芜猪组DGATmRNA水平最高，大白猪组最低。进一步得出结论，DGAT1基因表达与BFT呈正相关，与IMF无关。

3.4 DGAT1基因对兔的影响

对齐兴肉兔DGAT1部分基因片段进行克隆，并对不同组织中的表达谱进行检测和分析。结果得到DGAT1基因为长960 bp的编码序列，共编码320个氨基酸。进行序列比对分析后，发现家兔DGAT1基因与其他物种的相似性在80%以上；且家兔与人的亲缘关系最近，与牛的最远。组织表达谱分析表明，DGAT1基因在心脏、肝脏、背最长肌、皮下脂肪等多种组织中均有表达，且在皮下脂肪中表达量最高，肺脏组织中表达量最低。该研究为DGAT1基因对家兔的多方面性状改良、促进生理代谢提供试验依据和理论基础[22]。

4 展 望

脂肪组织中的三酰甘油是哺乳动物能量代谢的主要贮存体。脂肪分解过程中，脂肪酸从脂肪细胞三酰甘油储存中水解出来，运送到其他组织中作为能耗。DGAT1合成三酰甘油的过程中，可以保护脂肪细胞在脂肪分解过程中免受脂质诱导的内质网络应激。且DGAT1依赖性脂滴生物在饥饿所诱导的自噬过程中，能够在一定程度保护线粒体。DGAT1缺乏症患者患有先天性腹泻，患者的肠功能衰竭及脂质代谢会发生异常，以顽固性腹泻和营养吸收不良为特征，有时甚至危及生命，其中一部分与DGAT1的突变有关。引起人类肥胖及与之相关的代谢疾病，如二型糖尿病、高血脂症等严重威胁人类健康。由于机体内白色脂肪组织异常肥大和増生，若三酰甘油的代谢发生不良变化，导致血浆中脂肪酸含量未经酯化而升高，三酰甘油在多种脂肪组织中蓄积量发生异常，从而导致多种代谢相关疾病。DGAT1作为脂肪细胞中控制TAG合成的关键酶，在细胞甘油脂类的代谢中起重要作用，为此研究DGAT1的药理学抑制作用，可用于研制治疗人类肥胖和脂肪代谢异常相关疾病的靶向药物。DGAT1基因在哺乳动物中同样有着至关重要的作用，根据相关报道可知，DGAT1基因多态性在牛、羊、猪、兔等家畜育种方面均有不同程度的贡献。在牛上，DGAT1基因第8外显子的K232A突变显著影响牛的泌乳性状[3，8]，且对胴体性状和肉质嫩度均有显著影响[23]，可有望利用该突变在牛的育种改良方向上取得新的突破。在羊上，DGAT1基因第14外显子存在由鸟嘌呤到腺嘌呤的突变位点，其优势基因型在多个性状上均有显著表现，有望对羊的生长和胴体性状方面做出进一步的改进。DGAT1基因同样影响猪的脂肪沉积，有望用于改善猪的肉质性状。目前，国内外针对牛DGAT1基因与多个性状的关联性研究较多，禽类方面研究较少，而综上DGAT1基因对家畜的影响来看，针对该基因开展后续的分子标记辅助育种是十分有必要的。