蛋壳形成及其调控机制的研究进展

沈涛涛，张佳兰，吴 艳，皮劲松，姜 贤，张 昊，程诗彬，李先强

（1.长江大学动物科学学院，湖北荆州 434025；2.湖北省农业科学院畜牧兽医研究所，动物胚胎工程与分子育种湖北省重点实验室，湖北武汉 430064；3.湖北省畜牧技术推广总站，湖北武汉 430070）

鸡蛋含有丰富的蛋白质、矿物质、维生素以及其他微量元素，是人类日常生活中重要的蛋白来源之一。蛋壳质量与种蛋的入孵率、孵化率、种鸡仔质量等密切相关；高质量蛋壳可对鸡蛋内容物提供更好的保护，降低生产过程中的无效损失、提高蛋产品品质以及消费者的消费热情，保证鸡蛋市场的经济效益[1-2]。在鸡蛋加工过程中偏厚、强度较大的蛋壳可以降低破损率，降低因蛋壳出现细小裂纹被细菌感染的风险。蛋壳质量作为鸡蛋品质的重要评价指标之一[3]，对蛋鸡产业的经济效益有直接影响。因此，深入了解鸡蛋蛋壳的形成过程及其调控机制，对于选育出蛋壳品质优良的蛋鸡新品种具有重要意义。本文综述了鸡蛋蛋壳形成的过程、蛋壳钙化相关的钙转运通路蛋白及基质蛋白的种类、蛋壳形成相关功能基因的研究现状，为进一步开展蛋鸡新品种选育提供一定的理论参考。

1 鸡蛋蛋壳及其形成过程

鸡蛋包括蛋黄、蛋黄膜、胚胎、系带、蛋白、蛋壳膜、蛋壳等。鸡蛋的形成是从输卵管中的卵细胞开始，在输卵管中形成蛋黄膜和系带；随后进入膨大部形成蛋清；再进入峡部与子宫的交界处，于一段时间内形成蛋壳膜，并伴随着大量的有机物沉积形成乳突；最后进入子宫经过矿化过程形成蛋壳，于产蛋前约1.5 h 形成表皮层[4]，具体过程如图1 所示。

图1 鸡蛋在蛋鸡生殖道中的形成过程[5]

鸡蛋蛋壳的形成由卵黄在峡部进入子宫部交接处后开始进行，有机物随机沉积外壳膜上；卵黄进入子宫后，蛋壳腺分泌钙质、色素、角质层等物质，经过蛋壳矿化过程后，最终形成蛋壳。蛋壳矿化过程是碳酸钙在各种功能基因表达产物的共同调控下，于内外蛋壳膜上按一定规律聚合沉淀[4]，其中蛋鸡对钙的消化、吸收、运输及蛋壳腺中钙离子的沉积是蛋壳形成过程中的关键环节。子宫是鸡蛋壳形成过程中重要部位，子宫部位的时钟基因保证了蛋鸡的产蛋节律，是重要的功能基因[6]。

在微观结构上，鸡蛋蛋壳可以分为壳膜、乳突层、栅栏层、晶体层以及表皮层（又称胶护膜）。蛋壳膜是由网状纤维构成，直接包裹蛋清；乳突层则由一系列不规则排列的锥体和结点组成，其主要成分是中性黏蛋白和硫酸角质素；栅栏层位于乳突体和垂直晶体层之间，由一系列柱状晶体构成；晶体层是由较大晶体构成的坚硬区域，晶体层中晶体排列整齐且垂直于蛋壳表面[7]；蛋壳胶护膜是蛋壳最外面的一层膜，在蛋产出前1.5 h于子宫部开始形成，一般覆盖或嵌入蛋壳表面气孔[8]，在抵御细菌跨壳入侵和保证鸡蛋新鲜度等方面具有重要作用[9]。已有研究表明，鸡蛋壳主要是由方解石晶体（CaCO3）有序地在蛋壳膜上沉积形成，此过程称为生物的矿化过程[10]。蛋壳形成主要包括壳膜形成期、蛋壳矿化期。生物矿化是蛋壳矿化期的主要模型。矿化的过程又可以分为初始形成期、快速矿化期和终末形成期[11]，在此过程中形成蛋壳的栅栏层和垂直晶体层。

2 蛋壳钙化相关的钙转运通路蛋白及基质蛋白的种类

蛋鸡在产蛋阶段需要大量钙离子，主要经过小肠的消化、吸收，通过体液被运输到蛋壳腺部位，再经过矿化过程沉积到壳膜上形成蛋壳。钙离子在鸡体内的运输方式主要有主动运输和被动运输。钙离子的被动运输主要是靠膜两侧的离子浓度差，是非主动性的、无需耗能的扩散过程[12]。钙离子的主动运输主要包含3 个过程（图2）：①钙离子通过钙离子通道或钙离子运转体进入细胞的顶膜，②钙离子与钙离子蛋白结合运转到基层侧膜，③钙离子排出细胞进入子宫液中。在钙离子的运输过程中，有多种蛋壳钙化相关的钙转运通路蛋白参与并发挥重要的调控作用。此外，在鸡蛋蛋壳的生物矿化过程中，许多蛋壳特异性蛋白具有较高的活性，在蛋壳的防菌、抑菌等方面起重要作用，对蛋壳的矿化过程有着重要的调控作用[13]。

图2 鸡蛋蛋壳形成的离子转运过程[14]

2.1 蛋壳钙化相关的钙转运通路蛋白 瞬时受体电位（Transient Receptor Potential，TRP）离子通道超家族，其上皮钙离子通道是钙离子进入细胞内的主要途径，其中在小肠部位对钙离子的吸收过程中，TRPV5和TEPV6 是主要的通路蛋白[15]，在钙离子从血液中进入细胞中起着重要作用；钙结合蛋白（Calcium-Binding Protein，CaBP）也是钙离子运转的重要通道蛋白，钙结合蛋白d28k 是其中的一员。有研究表明，钙结合蛋白d28k 可直接影响钙离子的运转，其含量越多则吸收的钙离子越多，且钙结合蛋白d28k 在蛋壳形成过程中与钙沉积也有关系[16]。细胞膜钙ATP 酶是钙离子主动运输中的一个关键蛋白，在钙离子运输过程中与细胞产生的能量有关，并且对维持细胞膜内外的钙离子浓度有积极作用[17]。碳酸酐酶（CA）可以催化CO2和水反应，可通过呼吸作用为子宫液中提供大量CO32-，也是子宫液中CO32-的主要获得途径[18-19]。

2.2 基质蛋白 基质蛋白一般分为普通蛋白质、蛋清蛋白质和蛋壳特有蛋白质。蛋壳特有蛋白质与蛋壳品质关系最为密切，包括Ovocleididin-17（OC-17）、Ovocleididin-116（OC-116）、Ovocalyxin-21（OCX-21）、Ovocalyxin-25（OCX-25）、Ovocalyxin-32（OCX-32）、Ovocalyxin-36（OCX-32）等，其中OC-116 是蛋壳中含量最高的蛋白质，在子宫上皮管状细胞分泌，在蛋壳矿化的过程中其重要作用；OCX-36 是控制蛋壳矿化的重要蛋白之一，在蛋壳和子宫液中含量极高；OCX-32主要存在于蛋壳的晶体层，作用于蛋壳矿化的最后阶段，可能与蛋壳矿化的结束有关；OC-17 在蛋壳的矿化和抗菌方面起重要作用，主要是其在矿化的过程中会影响方解石晶体的结晶[10]，达到调节钙离子沉积的目的[20]。

3 鸡蛋蛋壳形成相关基因的研究现状

3.1 TRP 超家族TRPV5和TRPV6是TRP超级家族的成员，在维持血钙中起主要作用[21]，对钙离子具有高度的选择性，作为细胞外转运钙离子的第一步通道，参与钙离子的肠道吸收、肾脏吸收、胎盘转运至胎儿等过程[22]，在胚胎和胎儿发育过程中发挥着钙稳态的作用[23]。TRPV6是瞬时受体电位（TRP）通道超家族的一个高钙选择性成员，是胎儿和成人体内钙吸收的主要途径[24]；而TRPV5是一种独特的钙选择性色氨酸通道，是钙稳态所必需的。近年来研究表明，TRPV6在钙离子进入上皮细胞的过程中起到促进作用[25]，在蛋鸡的肠道和肾脏中也有表达[26]。Yang 等[27]研究发现TRPV6在子宫的表达与产蛋周期相关。

3.2 钙结合蛋白d28k基因 钙结合蛋白d28k 属于钙结合蛋白（CaBP）家族中的一员，主要在细胞内发挥作用，且受维生素D 的调控[28]。已有研究表明，钙结合蛋白d28k 主要存在于肾脏、肠道和神经系统中[29]，可以调节胞内的钙离子浓度，促进肾远曲小管对钙的重吸收[30]，在脑中钙结合蛋白d28k 的过量表达对某些神经细胞有保护作用[28]。此外，钙结合蛋白d28k 是蛋鸡肠道内主要的钙运转蛋白，参与钙的运转和代谢[31]，并在蛋壳腺部位参与蛋壳的矿化过程，是蛋壳质量的重要功能基因。

3.3 质膜钙离子ATP 酶 质膜钙离子ATP 酶（PMCA）是一种广泛表达、ATP 驱动的钙离子泵，对于维持所有真核细胞内的细胞质钙离子平衡至关重要。已有研究表明，在参与钙转运的多种蛋白中，PMCA 是控制钙稳态最敏感的钙检测器[32]。PMCA 是维持细胞内最佳细胞质钙离子水平的关键酶。

3.4 CA CA 是一种依赖锌离子的金属酶，是一种逆水合反应的催化剂[33]，为生物体内提供碳酸氢盐[34]。蛋鸡体内蛋壳的矿化过程需要大量HCO3-，主要由碳酸酐酶来满足，在蛋壳腺部位生成碳酸钙，碳酸酐酶是蛋壳的重要功能基因[35]。已有研究表明，碳酸酐酶（CAs）的家族成员可参与细胞的pH 调节[36]，血液中的CA III可影响糖脂代谢，可引起老年糖尿病的发生[37]；在小鼠体内可减轻小鼠的肌无力症状[38]。

3.5 蛋壳特有的蛋白质相关基因 已有研究表明，OC-17是最早被发现的蛋壳基质特异性蛋白，是调节蛋壳矿化的主要蛋白质之一，在鸡蛋蛋壳生物矿化过程中发挥重要功能[39-40]；OC-17 对蛋壳的抗菌防污染也有一定作用[16]。OC-116 是蛋壳基质蛋白中表达量最多的蛋白质，其表达产物可调控碳酸钙晶体的生长和形态，影响蛋壳表面的有机层的形成，促进蛋壳钙的沉积[41]；单核苷酸多态研究发现OC-116基因与鸡蛋的蛋形指数、蛋壳厚度以及蛋壳强度密切相关[42]。OCX-36 是一种在蛋壳高效钙化时表达的蛋白，主要位于蛋壳的内层和壳膜，在矿化过程中起正调节作用[43]。OCX-32 是由子宫分泌的一种蛋白，可有效抑制晶体生长和碳酸钙的沉淀，可能具有抗菌和终止蛋壳矿化的能力[44-45]，与灵尾鸡的生产性能相关，可作为选育的辅助候选因子[46]；OCX-32基因的多态性与蛋壳厚度、蛋白高度、哈氏单位等蛋壳品质性状存在密切的关联[47-49]。

3.6 其他相关基因 卵清蛋白（Ovalbumin，OVA）是鸡蛋清中的主要蛋白质，主要存在于蛋壳乳突层，对碳酸钙的沉积具有调节作用，尤其在蛋壳形成的过程中发挥重要作用[50]。已有研究表明，卵清蛋白参与蛋壳乳头层椎体核的形成，而乳突层有效厚度与蛋壳质量呈正相关[51]；张蕾等[52]研究发现，卵清蛋白基因多态性与蛋白高度、哈氏单位等显著相关。综上，卵清蛋白基因对蛋壳形成和蛋品质性状有一定影响。

骨桥蛋白（Osteopontin，OPN）是一种多功能蛋白。已有研究表明，骨桥蛋白参与细胞募集、细胞免疫，刺激骨的钙化，参与细胞的移动等多个代谢过程[53-54]。近年来研究发现，骨桥蛋白基因与蛋鸭的蛋壳品质具有一定相关性[55]，尤其是对鸭蛋蛋壳的厚度和蛋壳强度具有显著影响[56]。

4 展 望

随着鸡蛋蛋壳形成相关研究的不断深入，将有越来越多的相关功能基因被发现和验证，将会为鸡蛋蛋壳品质性状的选择奠定一定的理论基础。目前关于鸡蛋蛋壳形成的很多研究主要是针对蛋壳形成的理论及其调控原理，而影响鸡蛋蛋壳形成的关键基因及其如何调控蛋壳形成的机制尚不清楚，是今后开展蛋壳质量调控研究的主要研究方向之一。