调控乳蛋白合成信号通路的研究进展

（华南农业大学动物科学学院，国家生猪种业工程技术研究中心，广州 510642）

随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对膳食营养的要求也不断上升。牛奶作为天然的食品，一直以来都是人们摄取营养物质的首选[1]。乳蛋白作为牛奶中重要的营养物质，不仅含有各种必需氨基酸，还可以调节生理平衡，抵抗高血压并增加机体自身免疫力，其在牛乳中的含量已成为衡量乳品质的重要指标[2]。

如何有效提高乳品中的蛋白含量一直是当前的研究热点。在研究的早期，认为通过增加奶牛日粮中的蛋白质含量包括过瘤胃蛋白的水平，可以增加小肠中的可利用氨基酸的含量，最终达到提高乳蛋白的目的[3,4]。但是日粮中的蛋白质含量不可能无损耗，而且随着日粮中蛋白质含量的增加，机体吸收的效率反而会降低，过量地添加日粮蛋白质大部分都会随着粪尿排放掉[5]，并不能有效地提升乳品质。关于如何提高乳品质，在动物体内外已经开展了大量的研究，但是关于细胞分子方面的产生机制依旧不太清楚。

伴随着细胞生物学和分子生物学的迅猛发展，对如何调控乳蛋白合成的研究已逐步转移到相关基因的表达和联系上[6]。如今已经可以通过对细胞分子水平的研究从一定程度上阐述奶牛的营养调控机制，为提高奶牛产乳量和乳品质提供理论依据。目前，利用分子生物学手段对与乳蛋白合成相关的信号通路进行研究已经成为乳品研究领域的一个重要方向。而且关于乳蛋白合成机制的研究已经取得了一定的进展，但关于信号通路如何具体影响乳蛋白合成的机制仍在进一步研究中。本文综合乳蛋白合成的信号通路，综述了其对乳蛋白合成的调节作用及最新研究进展，旨在为提高奶牛生产效率提供理论基础。

1 乳蛋白合成信号通路

随着研究的深入，发现关于乳蛋白的合成通路主要有以下三条：在基因水平上调控转录的JAK-STAT信号通路；调控蛋白质翻译的mTOR信号通路；检测体内氨基酸水平的GCN2-eIF2a信号通路。

1.1 JAK-STAT信号通路

JAK作为一种与细胞因子受体相连的酪氨酸蛋白激酶，在生物体内信号传递中发挥重要作用[7]。在哺乳动物体内，目前为止共发现其有四个家族成员（JAK1～3和TYK2），他们都具有相似的JAK分子结构[8]。JAK分子内包含了7个结构域：JH1是位于羧基末尾的激酶区，其具有催化作用，且序列呈现高度保守；JH2与激酶的功能相关，其是可以抑制活性的假激酶区，具有间接的催化作用；JH6和JH7是受体结合区；其他区域也在细胞因子与其受体结合时发挥了一定的作用[9]。

STAT是重要的泌乳信号传导及转录激活因子，其共有6个家族成员（STAT1～6），作为JAK的靶蛋白，被JAK活化后的STAT蛋白会形成二聚体，并将信号传递进细胞核，从而调控特定基因的表达。STAT蛋白一般包括一个与其活化密切相关的酪氨酸残基、可以与细胞因子受体相结合的SH2结构域、与DNA相结合的结构域、转录激活区等重要功能片段[10]。

信号传导从细胞外因子与对应的跨膜受体的结合时开始，受体上含有JAK，当配体与受体相结合后会使JAK空间结构发生变化，JH1远离具有抑制活性能力的JH2，JAK被激活，随后具有酪氨酸激酶活性的JAK会磷酸化STAT上的酪氨酸残基和SH2结构域，活化的STAT蛋白立即形成二聚体，然后进入细胞核与靶基因相结合，调节其转录[11]。

当前在乳腺组织中研究最多的还是JAK2-STAT5，这是蛋白合成在转录水平的重要信号通路[12]。通过对小鼠乳腺的研究也证实了催乳素确实可以激活JAK2，继而磷酸化STAT5，进而调控体内多种乳蛋白基因转录，最终提高了乳蛋白的分泌量[13]。有研究对乳腺上皮细胞中的STAT5a基因的表达进行抑制，发现这会导致细胞内酪蛋白基因转录mRNA丰度的下降，若对STAT5a基因进行过表达则会提高酪蛋白基因转录mRNA丰度[14]。通过对转基因动物的试验发现，在乳清酸性蛋白基因和乳球蛋白基因的启动子附近发现含有STAT5的GAS特异序列，其是促进这些乳蛋白分泌所必需的位点[15]。

通过研究发现，同一种或者不同种细胞外因子都可能会产生不同效果，其可能激活不同的JAK激酶，并磷酸化不同的STAT蛋白，导致乳蛋白组成和其含量的变化[16]。有报道发现，其他激素也可作用于JAK-STAT通路，进而调控乳蛋白的合成[17]。通过对泌乳早期的奶牛进行试验，发现通过注射胰岛素可增加其产奶量和乳蛋白水平[18]。同时发现，生长激素、胰岛素样生长因子等其他泌乳因子也会对奶牛乳腺中乳蛋白基因的表达产生调控作用[19]。

细胞因子信号抑制因子（SOCS）是JAK-STAT信号通路的负调控子[20]。SOCS3作为一个关键性调节细胞因子的信号分子，可能参与各种细胞过程。通过试验发现，对SOCS3的过表达和抑制都可以调控JAK-STAT信号通路的活性并显著改变乳蛋白的合成，SOCS3是JAK-STAT信号通路的抑制剂[21]。在乳腺细胞中，SCOS3不仅可以抑制STAT5，还可以封闭酪蛋白基因的表达[22]。

JAK-STAT信号通路是一条复杂的信号传导途径，即使最近这些年在JAK-STAT分子结构、调控机制和机理上的研究已产生了丰硕的成果，但仍有许多方面需进一步研究，正确认识JAK-STAT信号通路对生产优质奶方面起着极为重要的基础作用。

1.2 mTOR信号通路

mTOR作为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白，属于磷酸肌醇激酶，在机体细胞中广泛分布，其不仅仅是一种重要的信号传递因子，更在细胞生长和蛋白质的合成过程中发挥重要的作用[23]。mTOR包含有两种复合物：mTORC1和mTORC2[24]，其结构和功能各不相同。mTORC1在激素和生长因子的作用下，对蛋白质的合成、细胞生长增殖等过程进行调控[25]；而mTORC2则主要对肌动蛋白骨架结构的构建功能进行调控。

1.2.1 mTOR上游信号通路

1.2.1.1 PI3K-Akt

磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）包含一个p85调节亚基和一个p110催化亚基。P85亚基氨基端不仅包含一个SH3结构域，而且还有能与SH3结构域结合的脯氨酸富集区；P110亚基具有和蛋白激酶相似的序列，且其本身含有Ser/Thr蛋白激酶的特征，还具有磷脂酰肌醇激酶的特征[16]。AKT又被称为蛋白激酶B（PKB)，其也是属于Ser/Thr蛋白激酶的一种[26]。AKT由氨基末端的调节区（PH）、中间的酶活性区、羧基末端的调节区（HM）以及负责将PH区与激酶活性区相连接的铰链区组成[27]。激素、生长因子等通过其与受体的结合，可以将细胞内的胰岛素受体酶解物（IRSI）激活，从而将PI3K激活，然后进一步作用于Akt，活化后的Akt可以直接作用于mTOR。

1.2.1.2 LKB1-AMPK

LKB1是一种Ser/Thr蛋白激酶，其结构包括氨基调节区、羧基调节区以及激酶区。氨基调节区含有一个核定位序列，使LKB1定位于细胞核中[28]。LKB1可以通过磷酸化增强AMPK的活性，进而负反馈调控乳蛋白翻译的启动过程[29]。

AMPK为异源三聚体复合物，由α、β、γ三个亚基组成，α亚基包含催化域和上游激酶结合域，主要负责催化功能；γ亚基含有和ATP、ADP和AMP的结合位点，主要负责与核苷酸的结合；β亚基上含有α亚基和γ亚基的结合位点，主要负责AMPK信号通路的组合连接[30]。

AMPK作为机体内部的能量感受器，可以准确感受细胞内能量和营养物质的变化，能在细胞水平，甚至机体整体水平上调控代谢能量平衡[31,32]。AMPK对细胞内AMP浓度的变化较为敏感，当感受到细胞内AMP的浓度升高时，促使其被磷酸化，从而被激活[33]。激活的AMPK不仅能抑制ATP的消耗，储存能量，而且还能刺激产能的分解代谢，生成更多的ATP。泌乳时，乳腺需要提供大量能量，AMPK信号通路此时便发挥重要的作用。当AMPK感受到体内能量不足时，即开启生成ATP的代谢途径，同时活化的AMPK可对mTOR及其效应器进行抑制[34]，并激活eEF2激酶，增加eEF2的磷酸化，进而抑制蛋白质的合成，降低ATP的损耗，维持能量平衡[35]；当体内的能量充足时，ATP即可转化为ADP促进乳蛋白的生成[36]。

AMPK作为应激性蛋白激酶，其被激活大多发生在应激条件下，除AMP/ATP以外，瘦素、氨基酸等对AMPK均有调节作用[37]。研究发现，将必需氨基酸添加到奶牛乳腺上皮细胞中可增加ATP水平，抑制AMPK的激活[38]。在乳腺上皮细胞中添加乙酸、葡萄糖等能量物质可影响AMPK信号通路进而调控乳蛋白的合成[39]。

1.2.2 mTOR下游信号通路

mTOR下游信号通路的直接作用底物是真核细胞翻译起始因子结合蛋白-1（4EBP1）和核糖体蛋白S6激酶（S6K）[40]，它们在蛋白质翻译过程中发挥着重要作用。mTOR被激活后，可通过磷酸化4EBP1和S6K1使其活化，S6K1是一种能控制核糖体转录的激酶，活化后可以促进蛋白质的翻译及表达[41]，eIF4E可特异性识别并夹住mRNA5’端的帽子结构，促进翻译的起始，而4EBP1是一种翻译起始抑制子，未磷酸化的4EBP1易与eIF4E结合，并抑制其活性，当4EBP1被磷酸化后，活化的4EBP1从eIF4E脱离下来，翻译起始正常形成[42,43]。mTOR可通过抑制4EBP1的同时激活S6K[44]，调控翻译的起始和蛋白质的合成[45]。

研究发现，mTOR信号通路协调乳蛋白合成翻译过程，且氨基酸在其中发挥着重要的作用[46]。将适量的氨基酸混合物添加到乳腺组织培养液中可提升50%左右的乳蛋白含量[47]。Moshel等[48]和Appuhany等[49]通过对乳腺上皮细胞的培养试验发现，亮氨酸和异亮氨酸可以通过mTOR信号通路磷酸化S6K1和4EBP1，从而促进乳蛋白的合成。Mahmood等[50]发现，通过向培养的奶牛乳腺上皮细胞中添加一定浓度的赖氨酸和蛋氨酸后，可以激活mTOR信号通路的表达[51]。除氨基酸以外，小肽也可以通过mTOR信号通路调控乳蛋白的合成。Yang等[52]将蛋氨酸替换成蛋氨酸-蛋氨酸二肽添加到奶牛乳腺组织中，发现mTOR通路上的关键基因表达显著增加，从而促进乳蛋白的合成。Menzies等[53]的试验结果表明，胰岛素作用于mTOR信号通路后，通过4EBP1加快了调节翻译的速度，进而协调乳蛋白合成速度。Hayashi等[54]将生长激素注射到奶牛乳腺组织中，发现生长激素可以通过mTOR途径改变酪蛋白mRNA的起始和翻译，显著增加牛奶的产量。

1.3 GCN2-eIF2a信号通路

蛋白质合成的过程中其所需氨基酸不可替代，并必不可少，因此动物体内必须要有一个监管机制，有效地监督是否缺乏某种氨基酸[55]，以避免合成肽链过程中的失败[56]。在一般性调控中，阻遏蛋白激酶2（GCN2）发挥着重要的作用，它对空载tRNA具有极高的结合性[57]，能有效感知各种氨基酸的缺乏和不足[58]。当氨基酸的含量充足时，氨基酸与特定的tRNA相连接，当氨基酸含量不足时，则GCN2易与空载tRNA相结合从而被激活[59]。

活化后的GCN2可以磷酸化真核翻译起始抑制因子eIF2a[60]，通过eIF2a磷酸化引起的翻译起始阻碍来抑制全局蛋白翻译的速率[61]，从而降低细胞内氨基酸的消耗量。GCN2还会激活转录因子4（ATF4），其是机体中控制适应性功能的相关基因的重要调控子，通过增强某些特定基因的转录，同时促进多巴胺的释放、抑制采食氨基酸失衡饲料[62]，进而缓解氨基酸缺乏的危害。Timosenko等[63]发现，营养均衡的培养基细胞中几乎无ATF4，然而当色氨酸或谷氨酰胺缺乏时，ATF4的表达显著增加，且氨基酸转运体的表达也增加，此时再把细胞的ATF4敲除后，也不会影响氨基酸转运体的变化。当敲除肠上皮细胞中的GCN2基因，则会降低氨基酸缺乏时的自噬反应[64]。缺乏氨基酸会导致GCN2的激活进而引起自噬基因的转录，机体内部通过自噬反应循环利用体内的氨基酸，以弥补氨基酸总量上的不足。

2 展望

提高乳产量和乳质量是奶牛行业一直追求的目标，但仅靠简单地引进高产品种，提升日粮蛋白质水平已不能满足要求。随着细胞分子学的发展，乳蛋白合成信号通路已经成为当前泌乳生物学研究的重点。在乳腺中蛋白质的合成极其复杂，不同环境、不同生理状态下，JAK-STAT、mTOR和GCN2-eIF2a等信号通路在乳蛋白合成过程中均发挥重要作用。全面了解奶牛乳腺蛋白质合成信号通路分子的机理，有助于对奶牛乳腺中乳蛋白的合成进行分析，可为合理调控营养供给、为提高家畜的生产效率提供一定的依据。本文对与乳蛋白合成相关的信号通路进行了综述，希望能为后续的相关研究有一些参考作用，对奶牛的生产产生一定的影响。