乳腺对氨基酸的摄取及其调控机制研究进展

孙 梅 邢媛媛 李大彪

(内蒙古农业大学动物科学学院，动物营养与饲料科学自治区高等学校重点实验室，呼和浩特010018)

乳蛋白是乳中重要的营养物质，乳蛋白含量的高低直接决定了乳品质的优劣。如何通过合理调配饲料配方有效提高乳蛋白产量是动物营养学界关注的重点工作之一。由于90%的乳蛋白是乳腺利用从血液中摄取的氨基酸合成，因此，乳腺对氨基酸的摄取量的高低是影响乳蛋白合成的首要因素。深入了解乳腺氨基酸的摄取规律有助于精准预测动物的氨基酸需要量，从而科学地指导动物饲粮配制。为此，本文从影响氨基酸摄取的主要因素及其调控机制等方面综述了近几年的相关研究进展，旨在从氨基酸摄取的角度为提高乳蛋白合成提供参考。

1 乳腺对氨基酸的摄取

氨基酸摄取是乳蛋白合成过程中的一个关键步骤。血液中的氨基酸不能自由扩散进出乳腺，需要由乳腺细胞膜上特异的氨基酸转运载体(amino acid transporters，AAT)协助完成。AAT是广泛存在于哺乳动物细胞膜上的介导氨基酸跨膜转运的一类功能性蛋白质。AAT既是氨基酸作为营养物质从胞外进入胞内的通道，也是氨基酸作为信号物质进出细胞完成神经兴奋、抑制等重要功能的通道。AAT一般根据其底物特性的不同简单分为中性、酸性和碱性氨基酸转运系统，或者以对钠离子(Na+)的依赖性分为Na+依赖性和非Na+依赖性氨基酸转运系统[1]。此外，还可以按照AAT底物的特异性及其亲和力将其归类，目前发现在乳腺中表达的氨基酸转运系统主要包括L系统、A系统、ASC系统、y+系统、y+L系统和B0,+系统[2-3]。

L系统是一种非Na+依赖的中性氨基酸转运系统，目前已确定4种L型氨基酸转运载体(L type amino acid transporter，LAT)，分别为LAT1、LAT2、LAT3和LAT4。其中，LAT1在乳腺中表达最多，它需要通过二硫键与一个重链CD98hc连接，才能形成有活性的转运载体[4]。研究表明，LAT1在荷斯坦奶牛乳腺腺泡上皮细胞基底侧膜上和乳腺导管上皮细胞外侧的肌上皮细胞膜上均有表达[5]，主要负责转运芳香族氨基酸和支链氨基酸，如亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)和缬氨酸(Val)等。

ASC系统是一种Na+依赖性的中性氨基酸转运系统，目前已经确定2种ASC系统转运载体(sodium-dependent neutral amino acid transporter，ASCT)，分别为ASCT1和ASCT2。主要负责转运谷氨酰胺(Gln)、丙氨酸(Ala)、丝氨酸(Ser)和半胱氨酸(Cys)等[6]。研究表明，LAT1对Leu的转运受到ASC系统的制约，由于LAT1向细胞内摄取Leu的同时，需要反向转运Gln，而Gln主要由ASCT转运，ASCT将Gln转入细胞是Leu跨膜转运的先决条件[7]。由此可见，氨基酸转运系统之间存在互相协同或相互制约的关系。

A系统也是乳腺中重要的氨基酸转运系统之一，是一个Na+依赖性的中性氨基酸转运系统。目前已发现4种A系统转运载体(sodium coupled neutral amino acid transporter，SNAT)，分别为SNAT1、SNAT2、SNAT3和SNAT4。Verma等[8]检测到SNAT在小鼠乳腺组织中表达，并发现蛋氨酸(Met)可以通过SNAT转运。Neville等[9]研究发现，小鼠乳腺外植体白蛋白的摄取也是借助SNAT的转运实现的。

y+系统是一种非Na+依赖性的阳离子氨基酸转运系统，包括4种阳离子氨基酸转运载体(cationic amino acid transporters，CAT)，分别为CAT1、CAT2、CAT3和CAT4，主要负责转运精氨酸(Arg)和赖氨酸(Lys)等[10]。有研究报道称在小鼠乳腺组织中可检测到CAT的表达，并且胰岛素能够增强其活性，在胰岛素、氢化可的松和催乳素的共同作用下效果更加显著[11]。

y+L系统是一种对其底物有高度亲和力的氨基酸转运系统，能够介导阳离子氨基酸和中性氨基酸连同Na+的交换。因此，中性氨基酸通过该系统转运依赖于Na+的存在[12]。Shennan等[13]研究发现，泌乳大鼠乳腺组织对L-Lys的摄取会受到中性氨基酸连同Na+的抑制。y+L系统的表达在小鼠乳腺中也有报道，小鼠乳腺组织外植体L-Arg的吸收会受到胞外L-Leu的抑制，同时Na+的存在增强了L-Leu的抑制作用。与y+系统不同的是，y+L系统可能不受泌乳激素的影响[12]。

B0,+系统是一种依赖Na+和氯离子(Cl-)的氨基酸转运系统，它能够转运中性和阳离子氨基酸。与B0,+系统相对应的转运载体蛋白为B0,+氨基酸转运载体(B0,+amino acid transporter，ATB0,+)，最初是在人类乳腺中发现，尽管检测到了编码ATB0,+的基因溶质载体家族6成员14(SLC6A14)的表达，但在乳腺组织中尚缺乏氨基酸通过ATB0,+转运的报道[14]。

2 影响乳腺摄取氨基酸的因素

2.1 血浆氨基酸水平

血浆氨基酸水平是影响乳腺摄取氨基酸的主要因素之一，氨基酸水平的变化会导致乳腺对氨基酸的摄取率发生改变。例如，降低血液中某些氨基酸的供给量，乳腺为保证摄取足够量的氨基酸，会反馈性地提高对这些氨基酸的摄取率。Bequette等[15]研究发现，在饲喂低蛋白质饲粮的基础上，给泌乳奶山羊真胃灌注不含组氨酸(His)的氨基酸混合溶液，使血浆His水平降低了90%，导致乳腺对His的摄取率提高了43倍，同时乳腺血流量增加了33%，而乳腺对其他氨基酸的摄取率则降低了2～3倍，最终乳蛋白产量仅降低了18%。Lin等[16]通过给奶山羊灌注缺乏Met的氨基酸混合溶液也得到了相似的结果，乳腺对Met的摄取率提高了15倍，而对其他氨基酸的摄取率显著下降。此外，也有研究反向证明过量供给某些氨基酸会导致乳腺对其摄取率降低。Yoder等[17]通过颈静脉灌注的方式给泌乳奶牛提供过量的Met、Lys和His，虽然提高了乳蛋白产量，但乳腺对His和Met的摄取率分别下降了30%和70%。然而同一个研究表明，增加某些特定氨基酸的供给，能提高乳腺对其他氨基酸的摄取率，通过奶牛颈静脉灌注Leu和Ile混合液使血浆Leu和Ile水平增加，显著提高了乳腺对His和Arg的摄取率，同时显著提高了乳蛋白产量[17]。

以上研究结果表明，血浆氨基酸水平的改变会导致乳腺氨基酸摄取率的变化。然而，当前泌乳动物的营养需要体系是将乳腺对氨基酸的摄取率作为一个恒定值来计算动物的氨基酸需要量，忽视了乳腺本身能够根据合成乳蛋白的需要量调节其对氨基酸的摄取能力，这使某些氨基酸的需要量被高估，导致蛋白质饲料资源的浪费和氮利用效率低下[18]。因此，随着对乳腺氨基酸摄取规律的深入研究将有利于精准预测动物的氨基酸需求，从而科学地指导饲粮配制，有效提高乳蛋白的合成。

2.2 泌乳相关激素

泌乳相关激素在影响乳腺氨基酸摄取方面也发挥着至关重要的作用。对于泌乳动物而言，胰岛素是一种十分关键的激素，它不仅起到平衡机体血糖的作用，还具有启动和维持泌乳以及促进乳蛋白合成的作用[19]。胰岛素促进乳蛋白合成的一部分原因可能是由于其能够提高乳腺对氨基酸的摄取率。研究发现，连续2周给奶牛真胃灌注1.5 kg/d葡萄糖使血液胰岛素水平增加，导致乳腺对Arg、Lys、Leu、Ile、Val和苏氨酸(Thr)的摄取率及其转化为乳蛋白的效率显著提高，从而提高乳蛋白产量[20]。此外，真胃灌注淀粉或在饲粮中增加淀粉的比例也能通过提高奶牛动脉血液中胰岛素水平，从而提高乳腺对大多数氨基酸的摄取率及其转化为乳蛋白的效率[21-22]。在体外分离培养的妊娠中期小鼠乳腺组织和小鼠乳腺外植体中也发现氢化可的松和胰岛素无论单独或组合添加均能提高L系统和y+系统的活性[11, 23]。

不仅胰岛素和氢化可的松能影响氨基酸摄取，有相关报道证实，雌激素和催乳素也能通过调节AAT活性进而影响氨基酸的摄取。有研究指出，妊娠期小鼠机体雌二醇水平升高的同时乳腺组织中A系统活性也显著上升，随后研究人员通过体外研究进一步证实，雌二醇确实能够显著促进大鼠乳腺组织外植体中编码SNAT2的mRNA表达[24]。在泌乳大鼠乳腺外植体中，通过溴隐亭抑制催乳素分泌能够显著抑制L系统对氨基酸的转运以及A系统对白蛋白的转运[25]。Zhou等[26]在体外培养的奶牛乳腺上皮细胞中开展的研究发现，催乳素能通过与其受体结合促进LAT1的表达。也有研究者在泌乳小鼠的乳腺中观察到催乳素能够通过激活CAT1提高Arg的摄取率[11]。在泌乳的大鼠乳腺中催乳素也能促进SNAT2的表达[27]。这些结果均说明乳腺对氨基酸的摄取受到泌乳相关激素的调节。

胰岛素水平可以反映机体的能量代谢状态，因此可以通过控制饲粮的能量水平调节血浆胰岛素水平，达到提高乳腺氨基酸的摄取效率的目的。然而，血浆其他激素水平虽然在一定程度上受到饲粮的影响，但通过饲粮控制动物激素水平以提高乳腺氨基酸摄取效率的策略是否可行尚存疑。

3 调控乳腺氨基酸摄取的信号通路机制

乳腺能够根据氨基酸供应水平、血浆激素水平以及合成乳蛋白的实际需要量来调节其对氨基酸的摄取，这是由于乳腺中存在感知营养物质和激素信号的通路机制。哺乳动物主要通过以哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)和一般性调控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2 kinase，GCN2)为核心的2条关键的信号转导途径感应和适应细胞内营养物质和激素水平的波动[28-29]。mTORC1信号通路能够感知多种泌乳激素和氨基酸充足的信号，因此，泌乳激素和特定的氨基酸(Leu和Arg等)能够激活mTORC1，活化的mTORC1可通过其下游信号级联反应调节氨基酸的摄取和蛋白质的合成[30-31]。在乳腺组织中，mTORC1能够调控多种AAT表达，包括支链氨基酸转运载体LAT1、阳离子氨基酸转运载体CAT1以及中性氨基酸转运载体SNAT2的表达[32-33]。GCN2是真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α)的激酶，其最主要的功能之一是感知细胞内氨基酸的缺乏，当细胞内可利用的氨基酸减少时，空载tRNA(未结合氨基酸的tRNA)增多，GCN2通过与空载的tRNA结合被激活，进而磷酸化eIF2α[28]。一方面，活化的eIF2α控制mRNA的整体翻译速率减少氨基酸的消耗[34]；另一方面，eIF2α也能通过刺激转录活化因子ATF4的表达介导氨基酸缺乏的适应性反应，包括刺激氨基酸转运载体CAT1和SNAT2表达以及参与调节天冬酰胺合成酶的活性，以维持细胞的稳态[35]。

3.1 氨基酸调控乳腺氨基酸摄取的分子机制

氨基酸不仅是蛋白质合成的底物，某些氨基酸还能作为信号物质，激活相关信号通路从而调节其自身的摄取和利用，维持机体稳态。Met是奶牛饲粮中的第一限制性氨基酸，能刺激多种氨基酸转运系统的表达。在体外培养的奶牛乳腺上皮细胞的研究中发现，高水平的Met能够通过mTORC1信号通路的介导作用，促进LAT1蛋白表达[5]，而活化的LAT1又能将胞内的Leu转移至溶酶体膜进一步激活mTORC1[36]。另一项在奶牛乳腺上皮细胞中的研究表明，Met还能通过mTORC1信号通路调控2种中性氨基酸转运载体的表达，即SNAT2(负责转运小分子中性氨基酸，例如Ala、Ser和Gln等)和ASCT2(负责转运Ala、Ser、Cys、Thr和Glu等)[33,37]。然而，在体内的研究并未证实增加Met的供给量可以提高其他氨基酸摄取率。在泌乳初期，给奶牛灌注Met未观察到其对乳腺氨基酸摄取的影响，而泌乳中期灌注Met则显著降低了奶牛乳腺对大多数必需氨基酸的摄取[38]。

除了mTORC1信号通路，GCN2信号通路在调节氨基酸摄取方面也发挥着重要的作用。Appuhamy等[39]通过研究必需氨基酸缺失对乳腺组织和奶牛乳腺永生细胞系中蛋白质合成的影响，结果表明大多数必需氨基酸缺失均能激活GCN2，提高其下游eIF2α的表达，活化的eIF2α能刺激胱氨酸-谷氨酸转运载体(cystine-glutamate exchanger，xCT)和CAT1的表达[40-41]。Edick等[42]在离体培养的奶牛乳腺上皮细胞中研究发现，Arg的缺失，或Arg、Leu和Lys同时缺失，能激活细胞GCN2信号通路，并显著提高了编码CAT1的基因溶质载体家族7成员1(SLC7A1)的表达。

3.2 泌乳相关激素调节乳腺氨基酸摄取的分子机制

目前在乳腺中尚未发现泌乳相关激素调节氨基酸摄取的直接信号通路机制。但在人类滋养层细胞中，胰岛素能够通过激活mTORC1信号通路刺激L系统活性[43]。研究发现，乳腺组织中受胰岛素影响最大的是转运支链氨基酸的L系统和转运阳离子氨基酸的y+系统。在奶牛乳腺外植体中，胰岛素能够提高编码LAT1的基因溶质载体家族7成员5(SLC7A5)的表达，进而提高Lys的摄取[44]。在小鼠乳腺中，胰岛素能够通过激活CAT1，进而提高Arg的摄取[11]。在奶牛乳腺上皮细胞中催乳素可能通过与其受体结合，激活mTOR信号通路进而促进了LAT1表达[26]。有研究对奶牛乳腺上皮细胞中的LAT1进行过表达后发现，β-酪蛋白含量显著升高，而当使用雷帕霉素抑制剂对mTORC1通路进行抑制后，LAT1的表达显著降低[5]，表明LAT1活性可能受到mTORC1信号通路的调控。

尽管已有大量体外研究表明mTORC1和GCN2信号通路能够介导氨基酸和泌乳相关激素的信号调控乳腺AAT活性和乳腺对氨基酸的摄取，但目前在解释乳腺调控氨基酸摄取的机理方面仍然缺乏应用活体动物作为试验对象的相关研究。

4 小 结

目前，在乳腺摄取氨基酸方面的研究已取得一些进展，我们已知一些AAT的底物特异性和转运方式、影响乳腺氨基酸摄取的因素以及调控乳腺氨基酸摄取的可能信号转导途径。但对于AAT发挥信号识别及转运功能的分子机制方面的研究仍处于探索初期。由于多种转运系统以及不同氨基酸转运体之间在识别和转运功能上存在相互促进或制约关系，未来的研究不仅要关注单一AAT的作用，更要系统地研究不同转运载体和转运系统之间的互作关系。关于氨基酸转运系统的详细转运机制的探讨仍然需要大量基础研究的数据支持。随着对乳腺氨基酸摄取规律越来越清晰的认识，将有助于进一步优化和完善泌乳动物的营养需要体系。