胆碱对奶牛肝脏脂肪代谢的调控作用及机制

刘喆佳，王弘浩，姚军虎，曹阳春

（西北农林科技大学动物科技学院, 陕西 杨凌 712100）

随着科学技术在畜牧业领域的不断创新和发展应用，集约化、现代化、规模化养殖已十分普遍，畜禽生产周期大幅度缩短，生产效率快速提高，而动物疾病的发生制约着畜牧业生产的进一步发展，因此，动物常见疾病的防控与治疗对于进一步提高畜牧业生产效益十分重要，仍是畜牧业生产过程中急需解决的问题[1]。在奶牛生产养殖过程中，处于围产期的奶牛易发生酮病和脂肪肝等肝脏脂肪代谢疾病[2]，导致肝脏功能受损，极大地降低了奶产品品质和生产效益，严重制约我国奶业的高速发展[3]。

胆碱作为动物生长发育所必需的营养素，在动物体内可构成多种生理活性物质，参与机体代谢。一般情况下，奶牛体内可以自身合成一定量的胆碱满足基础需要，但对于高产奶牛尤其是在泌乳高峰期，需要更多的胆碱维持其生产性能，因此，奶牛生产往往需要额外补充适量胆碱[4]。由于胆碱在瘤胃的易降解性，市场上主要以过瘤胃胆碱(rumen-protected choline，RPC)的形式添加到奶牛饲料中[5]，饲粮中补充胆碱能够有效降低奶牛肝脏脂肪沉积，达到治疗和预防脂肪肝的效果，从而提高生产性能[6]。大量研究已证明胆碱在调节奶牛肝脏脂肪代谢方面具有重要作用，对其作用机制的探索也受到越来越多的关注，主要集中在AMPKα (adenosine monophosphateactivated protein kinase α)信号通路的激活和胆碱的一碳单位循环两种途径。本研究阐述了胆碱的基本性质及生理功能，围绕胆碱在奶牛肝脏脂肪代谢中的调控作用及机制进行综述。

1 胆碱的基本性质和生理功能

胆碱(三甲基乙醇胺)，分子式为(CH3)3N(CH2)2OH，是一种吸湿性较强的季胺碱，质地是无色粘稠，并略带鱼腥味的白色易潮解的针状晶体。胆碱在动植体内多以种不同的形式存在，主要有乙酰胆碱、磷脂酰胆碱、神经鞘磷脂等形式。在饲料中也包含多种形式的胆碱，主要以磷脂酰胆碱的形式存在[7]，以衍生物和游离态形式存在的胆碱比较少[8]。正常情况下，动物体内可自身合成胆碱，在一些特殊的生理状态下，如奶牛围产期能量负平衡状态，需要在饲料中额外补充适量胆碱，以保证奶牛生理功能正常。为保证稳定性，动物生产上通常以氯化胆碱的形式作为添加剂添加到日粮中[9]。

胆碱是动物生长发育所必需的营养素，在动物体内以多种形式存在并发挥不同的作用，其在代谢中的主要生理功能包括[10-12]：1) 维持生物膜组成结构完整。胆碱能够在机体内合成卵磷脂和神经鞘磷脂，参与构成细胞膜结构和脂蛋白，维持细胞正常生理功能和结构完整性；2) 促进体内甲基代谢。胆碱作为甲基供体，可提供不稳态甲基，与胍基乙酸生成肌酸，还可生成肉碱、肾上腺素等活性物质，参与机体甲基代谢。胆碱在机体内，能够氧化转化为甜菜碱，甜菜碱作为甲基供体可通过甲基化反应生成蛋氨酸，蛋氨酸可以继续将甲基传递给S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM-e)，在机体内参与一碳单位的代谢循环。胆碱、甜菜碱和蛋氨酸作为主要的甲基供体，三者多数情况下能够在体内进行补充或替代；3) 保证信号分子的传递。胆碱参与乙酰胆碱和磷脂酰胆碱的合成，作为神经递质维持基本的神经信号传递过程；4) 促进脑部正常生长发育和提高记忆力；5) 促进脂肪代谢。胆碱能够通过促进载脂蛋白的合成，加快肝脏脂肪向外周转运，进而降低脂肪在肝脏的沉积；6) 调控细胞凋亡[11]。

2 胆碱对奶牛肝脏脂肪代谢的调控作用

围产期奶牛受特殊生理阶段的生理应激影响，干物质采食量明显下降，而围产前期胎儿的快速发育和围产后期奶牛的泌乳均需要大量的能量。为满足围产期的能量需求，奶牛主要通过动员体脂来进行自身代谢的调控，采食量的严重不足和过量的体脂动员极易使奶牛处于能量负平衡(negative energy balance，NEB)状态[13]。奶牛体脂动员会分解产生的大量非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acids，NEFA)通过血液进入到肝脏进行代谢，主要有以下3 条途径：1) 完全氧化进行供能，生成二氧化碳和水；2) 当生成的NEFA 的量超出肝脏的氧化能力时，一部分NEFA 会不完全氧化生成酮体，包括β-羟丁酸(βhydroxybutyric acid，BHBA)、丙酮和乙酰乙酸，酮体积累过多易引发酮病；3) 再酯化生成甘油三酯(triglycerides, TG)，与载脂蛋白结合以极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)形式转运出肝脏，由于肝脏转运TG 能力有限，导致过量的TG 积累在肝脏，易形成脂肪肝。酮病和脂肪肝等肝脏代谢性疾病会造成肝脏功能受损，加剧奶牛NEB，直接影响奶牛的生产性能，降低奶牛的生产效率和奶产品品质，增加了饲养成本，减少了企业生产效益[14]。

许多研究表明，饲粮中补充RPC 对奶牛有益，能够增加奶牛围产期采食量[15]，降低肝脏脂肪沉积[16]，调控能量代谢[17]，增强机体抗氧化应激能力[18]，提高生产性能[19]。Cooke 等[20]在诱导奶牛脂肪肝过程中每天补充15 g RPC，处理组血液中NEFA 浓度降低，肝脏中TG 含量降低；马晨等[21]发现，围产期奶牛基础日粮中添加25 g·d-1胆碱效果最好，显著提高了奶牛产奶量，降低了血液中NEFA 和BHBA 的含量，提高奶牛繁殖性能；其他研究人员[22-23]也证实补充RPC 一定程度上可以提高产奶量，降低肝脏脂肪沉积。最新研究发现，饲喂RPC 的起始时间和持续时间对泌乳奶牛的生产性能会产生不同的影响，当RPC 补充发生在围产期时，提供12.9 g·d-1的胆碱有利于奶牛的生产性能，但在产后22 d 后补充RPC 没有观察到额外的益处[24]。以上研究均表明胆碱对奶牛肝脏脂肪代谢有调控作用，能够缓解能量负平衡状态，达到预防和治疗脂肪肝的效果，但对于胆碱的最适添加量和最佳饲喂时间还需要进一步研究。

胆碱主要通过上调脂肪分解和下调脂肪生成途径的基因和蛋白的表达水平来调节脂肪代谢，降低奶牛肝脏脂肪沉积，分别从脂肪代谢的3 个方面进行，包括减少脂肪合成，促进脂肪氧化，促进脂肪转运。

2.1 对脂肪合成的调控

胆碱可能通过调节脂肪分解基因减少脂肪合成。过氧化物酶体增殖物激活受体γ (peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)是与脂肪生成有关的转录因子，已知脂蛋白酯酶(lipoprotein lipase，LPL)基因是其下游基因[25]，LPL能够水解乳糜微粒和极低密度脂蛋白中甘油三酯的生成脂肪酸和甘油的关键限速酶，促进细胞从极低密度脂蛋白中摄取脂肪，Goselink 等[26]在奶牛活体采样试验中发现，由于没有观察到LPL 基因表达的变化，补充RPC 诱导的肝脂质沉积减少不能归因于在脂肪组织中改变脂肪分解。硬脂酰辅酶A 去饱和酶(stearyl coenzyme A dehydrogenase，SCD)是催化饱和脂肪酸向单不饱和脂肪酸转化的重要限速酶，在脂肪合成和分解及能量代谢中起重要的调控作用，在王艳辉[27]的试验中证明了添加胆碱组相对于对照组硬脂酸含量下调，说明胆碱以通过调控SCD 基因表达，减少脂肪沉积。胆碱还可下调脂肪合成，减少脂肪沉积。乙酰辅酶A 羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACCα)和脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，FAS)参与脂肪酸的合成过程，是脂肪酸合成的关键酶[28]。孙菲菲[29]在研究中发现，添加胆碱可以明显抑制ACC和FAS 的基因表达量，减少肝细胞脂肪蓄积。

2.2 对脂肪氧化的调控

脂肪酸氧化主要是在线粒体中进行β-氧化，游离脂肪酸进入线粒体基质的过程是脂肪酸进行β-氧化的限速环节，而肉碱棕榈酰转移酶1A(carnitine palmitoyltransferase，CPT1A)是脂肪酸进行β-氧化的关键限速酶，能够催化细胞内脂肪酰辅酶A 转化为脂肪酰肉碱进入线粒体[30-31]。肉碱是重要跨膜转运载体，在脂肪酸氧化过程中起关键作用，能够帮助长链脂肪酸进入到细胞线粒体内。Coleman 等[32]在奶牛能量负平衡状态期间，给奶牛补充胆碱发现肝脏TG 含量降低，CPT1A 显著增加，表明线粒体β-氧化能力增加。在日粮中添加胆碱，可通过增加肉碱转运蛋白SLC22A5 的表达[26]，促进肉碱转运输送，增加动物肝脏中肉碱水平[33]，进而促进脂肪酸转运到线粒体进行氧化分解[34]。

2.3 对脂肪转运的调控

肝脏中的脂肪主要以VLDL 的形式向外周转运[35]，磷脂酰胆碱是合成VLDL 的重要成分[36]，对脂肪转运过程起重要作用。胆碱通过两种途径生成磷脂酰胆碱：肝脏中70% 的胆碱通过CDP 这一途径合成，30% 通过PEMT 体内生成途径合成，当胆碱外源摄入不足时，PEMT 途径供应肝脏内的磷脂酰胆碱发挥主要作用，但同时需要SAM-e 的参与[37]。而VLDL 的合成、组装与分泌还需要载脂蛋白B(apolipoprotein B100，Apo B)[38]和微粒体甘油三酯转运蛋白(microsomal triglyceride transfer protein，MTTP)[39]的协助完成。ApoB 是合成VLDL 所必需的蛋白质，MTTP 能够帮助脂质转移到内质网中，使新生的ApoB 与其结合，并通过形成原始脂蛋白颗粒运输到胞外。有研究发现，增加胆碱的添加量可以通过调节PPARα 通路上调MTTP 和ApoB-100 的表达水平，进而增加VLDL 的合成、组装与分泌，促进脂肪转运，减少肝脏脂肪沉积[40]。载脂蛋白A5 (apolipoprotein A5，ApoA5)与VLDL 和高密度脂蛋白相关，并且参与降低肝脏脂肪含量的过程[41]。已有研究表明，随着胆碱供应增加，ApoA5 也随之线性增加，说明胆碱可能通过提高ApoA5 的表达来减少肝脏脂肪沉积[32]。脂肪酸转运蛋白(fatty acid transport protein，FATP)是参与调控脂肪酸的转运和脂肪代谢的关键因子，能够协助长链脂肪酸跨膜转运，调节脂肪沉积。Goselink 等[26]发现补充胆碱可提高FATP5 的表达量，缓解奶牛产后能量负平衡，证明了添加胆碱能够促进脂肪从肝脏向外周转运，调节脂肪代谢。

3 胆碱对奶牛肝脏脂肪代谢的调控机制

胆碱具有很好地调节肝细胞脂代谢的作用，能够显著降低肝脏脂肪沉积，达到缓解奶牛能量负平衡的效果。目前，对胆碱调节奶牛肝细胞脂代谢机制的研究有限，主要通过激活AMPK 信号通路和胆碱的一碳单位循环两个途径(图1)。

3.1 AMPKα 介导的胆碱调控脂肪代谢

AMPK 是重要的细胞能量代谢调控元件，激活AMPK 通路可通过磷酸化或去磷酸化调节下游分解和合成代谢相关的调节因子或蛋白的表达，进而实现对细胞能量代谢的调控[42]，PPARα、LXRα 和SREBP-1c 的表达均受到AMPKα 的调控[43]。有研究发 现，1.5 mmol·L-1的NEFA 诱 导 的LO2 肝 细 胞 损伤模型可抑制细胞能量和脂质代谢，增加细胞内TG 的沉积，降低CPT-1α、ACC、FAS 的mRNA 表达量，并且能够抑制AMPKα 的表达[44]，当在此模型中添加胆碱后，促进了AMPKα 磷酸化，该作用能被BML-275 (一种AMPKα 抑制剂) 阻断，并能够增加PPARα、CPT-1α 和ApoB-100 的基因表达水平，降低LXRα 和SREBP-1c 的表达，同时抑制ACCα 和FAS的表达，而BML 只阻断了LXRα 的表达，说明胆碱可以通过激活AMPKα 磷酸化调节PPARα 和LXRα的转录活性，并独立于AMPKα 调节SREBP-1c，以促进NEFA 处理的肝细胞中脂质氧化和转运，实现对肝脏细胞脂代谢调控作用[45](图2)。以上研究证明AMPKα 可通过调节其下游PPARα、LXRα和SREBP-1c的表达水平介导胆碱调控肝脏细胞脂肪代谢。

图 1 胆碱对奶牛肝脏脂肪代谢的调控途径Figure 1 The regulation of choline on fat metabolism in dairy cow livers

图 2 胆碱和蛋氨酸对肝脏代谢的调节机制Figure 2 The regulatory mechanism of hepatic metabolism by choline and methionine

还有其他研究发现，胆碱对肝脏脂代谢的调节不能通过影响PPARα 激活来实现，而是通过提高PPARδ 的表达来降低脂肪在肝脏的沉积[26]。胆碱调控下游调控因子可能还存在其他途径，LXRα-SREBP-1c通路可以不依赖 AMPKα 来调控肝细胞脂肪代谢和缓解脂肪肝[46-47]。胆碱通过PPAR、LXRα和SREBP-1c调控肝脏细胞脂代谢是否仅依赖AMPK 信号通路以及是否还有其他调节途径还需进一步研究验证。

3.2 胆碱的一碳单位循环

胆碱在体内可以被氧化，转化生成甜菜碱，甜菜碱作为甲基供体在甲基转移酶的作用下，通过甲基化反应给同型半胱氨酸提供一个甲基生成蛋氨酸[48-49]。有研究发现，蛋氨酸还能在肝脏内各种酶的参与下合成肉碱，刺激 CPT-1A 的表达[50-51]，进而能够促进脂肪酸进入到线粒体进行β-氧化，减少脂肪沉积。蛋氨酸还能转化为SAM-e[52]，SAM-e 给磷脂酰乙醇胺提供游离甲基参与体内磷脂酰胆碱的合成[53]，构成VLDL，帮助脂肪转运出肝脏，降低肝脏脂肪沉积(图3)。还有研究表明，胆碱通过一碳单位循环生成一些非酶抗氧化物质，如谷胱甘肽[54-55]，提高细胞抗氧化能力，减少氧化应激和炎性损伤的发生，维持肝细胞代谢功能正常进而缓解能量负平衡，间接促进肝细胞脂质代谢，此结论还需要更多试验验证。

3.3 其他途径

研究表明，补充了过瘤胃胆碱的母牛在产犊后，表现出肝脏葡萄糖转运载体2 (GLUT2)的mRNA表达量显著提高[26]，并且丙酮酸羧化酶 (PC)的mRNA 表达水平降低，说明胆碱的补充很可能促进了肝脏的糖异生能力[56]，促进碳水化合物在奶牛体内的代谢利用，减少脂肪过度动员，进而促进能量平衡，缓解奶牛的能量负平衡状态，维持了肝细胞正常的脂代谢功能。试验中还发现，胆碱提高了高浓度NEFA 模型下肝细胞氧化应激关键因子Nrf2[57]的表达量，并且降低了炎症因子TNF-α 的表达[29]，说明胆碱可能增强了肝细胞的氧化能力，缓解了能量负平衡状态下的氧化应激和炎症反应，减少肝细胞损伤，促进了肝细胞脂代谢作用。

图 3 转甲基化循环中胆碱和蛋氨酸代谢途径与控制甲基转移的关键酶之间的交叉Figure 3 Intersection between pathways of choline and methionine metabolism in the transmethylation cycle and key enzymes that control methyl group transfer

4 小结

奶牛在能量负平衡状态时，是脂肪肝等营养代谢性疾病的高发期，胆碱作为一种营养素，对调节奶牛肝脏脂肪代谢具有重要作用，补充胆碱可有效改善奶牛脂肪肝。胆碱主要是通过上调脂肪分解和下调脂肪生成途径基因和蛋白的表达水平来调节脂肪代谢，其具体的调节机制已有研究，主要集中在AMPK 信号通路的激活和胆碱的一碳单位循环途径(图3)，各调节因子的效应次序和模式还有待进一步研究确认，明晰胆碱调控奶牛肝脏脂代谢的核心关键通路及机制，从而确定合适的胆碱添加量及添加方式，对奶牛有效营养调控和提高生产效益具有重要价值。