家禽营养表观遗传学研究进展

曾文惠 曾庆节 殷 超 黄建珍

(江西农业大学动物科学技术学院，南昌330045)

随着现代家禽养殖业的迅速发展，生产经营模式不断朝规模化、集约化方向发展。新的生产形势下，切实提高家禽养殖的健康标准，增强家禽对外界环境的抗逆能力，从根源上预防疾病的发生，提高家禽存活率，改善其生产性能，并降低生产成本，实现高效生产，已成为家禽养殖业的重要课题之一。

近年来，一些常量、微量营养素及天然生物活性化学物等对家禽生长发育及健康的影响已在多项研究中得到证实。营养表观遗传学作为营养学与表观遗传学交叉形成的一门新兴学科，可应用现代生命科学技术来研究营养素对染色体修饰的影响，并从分子水平解释早期营养及其他环境因素的变化对后期健康的影响机制[1]。某些营养素主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等多种表观遗传调控机制来调控基因的表达，影响转录，从而导致家禽表型改变。目前，国际上有关营养表观遗传学的研究非常活跃，鉴于表观遗传的可逆性，通过营养干预等途径改变表观遗传方式，进而可对改善家禽生产性能及各种疾病的防治提供重要手段。下面本文将对一些营养素影响家禽表观遗传修饰及其可能机制进行综述。

1 表观遗传对家禽表型的影响

表观遗传是一种在不改变DNA序列的情况下，通过对DNA进行修饰来影响基因表达的可遗传改变。其机制主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控，这3种机制相互独立又相互作用，在胚胎期及出生后的整个生命周期中共同调节着基因的表达，影响表型变化[2]。目前，表观遗传调控与营养表型间的关联也已经在动物的个体基因和全基因组营养表观基因组研究中得到证实[3-4]。众多研究发现，DNA甲基化在动物脂肪组织发育中发挥重要作用，并调控着脂肪生长发育相关基因的表达[5]。Sun等[6]研究表明，低脂肉鸡腹脂中的氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)启动子区域的甲基化水平显著高于高脂肉鸡，且PPARγ基因的表达与其启动子区甲基化呈负相关。宋鹤等[7]体外利用甲基化酶抑制剂对鸡原代前脂肪细胞进行处理，发现PPARγ基因的表达也随之上调。此外，孙长花[8]研究了表观遗传修饰在性别决定过程中的作用，结果表明，DNA甲基化抑制剂和组蛋白去乙酰化修饰酶抑制剂处理后的鸡胚卵巢和睾丸中雄性基因Y染色体性别决定区-盒转录因子9(Sox9)、抗穆氏管荷尔蒙(Amh)显著上调，而雌性基因叉头盒蛋白L2(FoxL2)、Wnt4显著下调，表明DNA甲基化和组蛋白乙酰化可促进鸡雄性性别决定过程。薛倩等[9]在狼山鸡高、低近交组间检测到了大量差异甲基化区域，并发现大量差异甲基化基因与繁殖性状相关，推测这些基因CpG岛区DNA甲基化可能在狼山鸡繁殖性能近交衰退调控中发挥重要作用。张少伟[10]通过对高产和低产雷州黑鸭卵巢组织基因组进行DNA甲基化分析，筛选到了与脑神经发育相关的差异性表达基因富含亮氨酸重复跨膜神经元蛋白3(LRRTM3)，且该基因的甲基化与其表达量具有一定的相关性，推测DNA甲基化通过调控LRRTM3基因表达，进而影响下丘脑释放促性腺激素释放激素分泌，导致蛋鸭的生殖轴功能受到抑制，最终引起产蛋量下降。Li等[11]在胚胎期骨骼肌组织中鉴定出高表达的miR-223，体外试验发现其可以靶向抑制胰岛素样生长因子-2(IGF-2)基因的表达，进而影响生长轴通路下游基因，调控肌肉细胞的增殖，从而影响家禽骨骼肌的生长发育。

综上所述，通过对表观遗传修饰差异性变化分析，有利于进一步探讨其影响家禽性状变化的调节机制，同时挖掘出新的影响表观遗传修饰水平的效应物质，或许可作为改善家禽生产性能及预防疾病发生发展的重要手段应用于未来的家禽生产中。

2 家禽营养与表观遗传

当前表观遗传的研究在营养学领域越来越受到重视。营养是动物通过从食物中摄取营养物质，并对其进行消化吸收和利用从而维持机体的正常功能、组织器官的生长发育及细胞的新陈代谢的过程。大量动物试验表明，营养和非营养性添加剂影响着动物生长发育和表型的变化，适当合理的补给可促进动物的生长发育，改善其生产性能；营养物质供应过剩或不足则会导致机体异常的生理变化，并诱导疾病的发生和发展[12-15]。关于沟通营养与表型的桥梁，基于经典生理学和生物化学的合理假设认为，表观遗传调控是饮食改变动物表型的一个潜在因素[16]。Wolff等[17]给小鼠母鼠饲粮补充甜菜碱、胆碱和叶酸，可以改变后代的毛色；这一表型变化后证明与小鼠Avy启动子的DNA甲基化水平相关[18]。Kucharski等[19]通过给予基因相同的蜜蜂幼虫差异性蜂王浆，从而产生了有生育能力的蜂王和不育的工蜂。Liu等[20]研究表明，金星黄鸡相较其他品种的鸡对脂肪肝更易感，且高脂饲粮诱导的鸡脂肪肝具有父系遗传的现象。饲喂高脂饲粮而导致肥胖和葡萄糖耐受不良的公鼠与正常母鼠交配后，子代母鼠同样表现出胰岛素分泌异常和葡萄糖不耐受[21]。这些研究都证实，一些营养素可通过诱导表观遗传效应来改变动物表型。

营养因素与家禽表观基因组的显著变化之间存在密切联系。目前，营养表观遗传学领域主要聚焦于对微量营养素(如维生素、矿物质)与天然生物活性化学物(如白藜芦醇、丁酸、萝卜硫素和大蒜二丙烯硫醚等)作用机制的研究。不同营养成分影响表观遗传修饰的具体机制有所不同。其中，一碳单位代谢是影响表观遗传学研究最深入的营养干预过程，这个过程为DNA、RNA和组蛋白甲基化提供甲基是至关重要的。目前，营养表观遗传学的主要关注点是叶酸循环、蛋氨酸循环和组蛋白甲基化所需的特定前体、底物和酶。Jiménez-Chillarón等[22]总结了以下几点可能影响表观修饰的因素：1)通过直接提供适当的DNA甲基化所需的底物；2)通过提供调节DNA甲基转移酶(DNMT)的酶活性的辅助因子，从而催化甲基基团掺入DNA；3)通过改变调节蛋氨酸循环(也称为单碳循环)的酶的活性，从而反过来影响甲基供体的生物利用度。目前营养表观遗传学在家禽生产中的有效利用尚处于起步阶段，下面将对家禽营养表观遗传学调控机制进展进行介绍，以期为未来的研究方向提供理论依据。

3 家禽营养表观遗传调控机制

当前表观遗传的研究在营养学领域越来越受到重视，一些营养素和功能性饲料添加剂可通过抑制或者激活催化DNA甲基化的酶，或者通过组蛋白修饰作用及非编码RNA的调控，改变表观遗传，从而改变基因表达，甚至影响后代。

3.1 家禽营养与DNA甲基化

DNA甲基化是目前为止研究最深入的一种修饰，也是相对保守的表观遗传修饰机制。基因组上60%～80%的CpG都是被甲基化的，其中基因间区域的CpG二核苷酸是最主要的甲基化位点。DNA的甲基化参与转录抑制，与基因组稳定性的维持密切相关。DNA的甲基化区域通过与甲基CpG结合区(methyl-CpG-binding domain，MBD)蛋白结合，可抑制该段基因的表达[23]。甲基化的缺失使染色质维持在一个开放的状态，在此染色质区域的基因得以转录。低甲基化可能发生在重复序列或转座子中，通常导致基因组不稳定和DNA断裂；同时还可能会导致印迹控制的丧失或使原本沉默的启动子去甲基化[24-27]。相反，基因启动子周围DNA的超甲基化通常会导致基因沉默。这种DNA甲基化水平的不同影响着生物体的表型，且这种影响可通过细胞分裂遗传给后代[28]。

3.1.1 甜菜碱、叶酸等甲基供体对DNA甲基化的影响

如前文所述，DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸胞嘧啶的5＇端，主要受到相关酶DNMT的调控。DNMT作用的发挥需要甲基供体S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的存在[29]，DNMT将从SAM获取的甲基基团转移至特定的甲基化位点从而影响DNA的甲基化进程。甲基供体的可用性降低会导致SAM合成降低，从而引起DNA甲基化改变(高甲基化或低甲基化取决于组织类型和发育阶段)，而甲基供体的可用性增加通常与DNA高甲基化有关[30-31]。SAM的组成成分可从饮食中(如蛋氨酸、维生素B2、维生素B6、维生素B12和叶酸)摄取，缺乏这些成分会促使一碳单位代谢发生变化，从而削弱DNA甲基化。叶酸、胆碱和甜菜碱都属于一碳基团，可直接或间接地提供甲基将同型半胱氨酸转化为蛋氨酸[32-33]；而来自蛋氨酸的甲基用于形成SAM，从而参与DNA的甲基化。近年来，在禽类(鸽子、火鸡和肉用种鸡等)的多项研究也表明，甜菜碱可通过一碳代谢和DNA甲基化从而影响子代体内(包括肝脏、下丘脑等组织)的胆固醇代谢[34-36]。Hu等[37]研究表明，甜菜碱补充剂的添加可显著上调母体子代青年鸡(56日龄)肝脏中蛋氨酸代谢及甲基转移相关基因高半胱氨酸甲基转移酶(BHMT)、腺苷高半胱氨酸酶样蛋白(AHCYL)和DNMT1的表达，同时固醇调节元件结合蛋白2(SREBP2)基因启动子区出现了显著的超甲基化，细胞色素P450家族7亚家族A成员1(CYP7A1)基因启动子区出现了显著的去甲基化，从而减缓子代鸡肝脏的胆固醇沉积。目前甜菜碱作为饲料添加剂在家禽生产中已得到大量推广和应用。Elad等[38]通过向鸡B细胞添加不同水平的叶酸发现，叶酸的添加使得Toll样受体4(TLR4)、免疫球蛋白β(Igβ)、主要组织相容性复合体β链(MHCⅡβ)近启动子区的甲基化模式发生改变，从而增强了B细胞抗原递呈的能力，这进一步证明了叶酸可作为饲粮中的免疫调节剂而发挥作用。

3.1.2 维生素、矿物质对DNA甲基化的影响

近年来，有关矿物质对表观遗传调控的影响也是新的研究热点。多项研究表明，锌(Zn)、硒(Se)、砷(As)和镉(Cd)等微量营养素与DNA甲基化的相关性。Zn缺乏可能会限制甜菜碱-同型半胱氨酸-S-甲基转移酶(BMHT)的产生。BMHT催化甲基从甜菜碱转移到同型半胱氨酸，这是一碳代谢的关键成分[32]，也是SAM的前体。缺Zn饮食可能会阻碍SAM的产生，进而限制SAM的甲基供体功能。Zhu等[39]研究表明，针对暴露在不同环境温度下的肉种鸡，给予不同浓度Zn，发现Zn缺乏导致子代胚胎肝脏全局DNA低甲基化从而阻碍胚胎发育；而饲粮中Zn补充剂的添加，可以促进抗氧化损伤相关基因金属硫蛋白4(MT4)启动子区DNA的低甲基化从而上调MT4基因的表达，保护子代鸡的胚胎发育免受母体热应激的影响。Se也与DNA甲基化的异常变化有关。Zhang等[40]研究表明，低Se饲粮会造成鸡肌肉组织、大脑、免疫组织和肝脏的总DNA甲基化水平不同程度降低，其中肝脏中DNA甲基化下降最为明显。此前低Se对鸟类组织中DNA甲基化的影响尚未有报道，该研究为Se和DNA甲基化的研究提供了新的理论基础。此外，B族维生素，如维生素B2、维生素B6和维生素B12等可作为辅助因子在甲基化的过程中参与作用[41-42]。维生素D通过改变甲基化转移酶活性，从而影响基因启动子甲基化水平。维生素C是10-11易位(TET)酶家族的辅助因子，可介导羟甲基化的形成和最终DNA的去甲基化。Cho[43]研究发现，饲喂25-羟基维生素D3(25-OHD3)的种鸡，子代雏鸡相比对照组其料重比显著下降，雏鸡对饲料的利用得到明显提升，推测这可能与25-OHD3促进鸡肠道上皮细胞中肽转运蛋白1(PepT1)或其他营养素转运蛋白启动子区CpG岛的甲基化有关，能够通过上调相关基因表达，促进肠道对营养素的吸收。

3.2 家禽营养与组蛋白修饰

组蛋白修饰是表观调控最基础最重要的方式和途径之一。染色质的结构单元核小体的结构除了缠绕在外面的DNA外，还包括构成核小体核心的组蛋白。组蛋白包括H2A、H2B、H3和H4 4种核心组蛋白以及用以连接相邻核小体的连接组蛋白H1。核心组蛋白以八聚体形式存在，各亚基的N端氨基酸残基暴露在核小体外，被称为“组蛋白尾巴”，“组蛋白尾巴”发生着各种翻译后修饰，包括甲基化(单甲基化、二甲基化和三甲基化)、乙酰化、磷酸化、泛素化和糖基化等。目前研究最为广泛的是甲基化和乙酰化修饰，这些修饰的存在影响着染色质的紧密程度，从而引起DNA可及性的变化，调控基因的表达。由于组蛋白拥有比DNA更广泛的修饰类型，因此组蛋白修饰也更容易受到营养因素的影响。组蛋白的修饰受到各种酶之间的相互作用来共同影响，如组蛋白乙酰转移酶(HAT)与组蛋白去乙酰基酶(HDAC)、组蛋白甲基转移酶(HMT)与组蛋白去甲基酶(HDM)，这些修饰酶的活性(或蛋白质表达)的改变对组蛋白的表观状态有直接影响。

3.2.1 叶酸、矿物质等对组蛋白修饰的影响

许多研究都表明，营养物质在家禽组蛋白表观遗传修饰中的作用。Ye等[44]在研究饲粮叶酸补充剂对老年肉种鸡繁殖性能的影响时发现，饲粮中的叶酸通过提高H3K9me2及降低H3K27me2蛋白的表达，从而改善老年公鸡的精液质量和精子发生。有研究表明，通过向胚蛋注射叶酸可引起肉鸡脾脏细胞中白细胞介素-2(IL-2)、白细胞介素-4(IL-4)及白细胞介素-6(IL-6)启动子周围H3K4me2和H3K9me2修饰水平改变，导致脾脏中IL-2、IL-4的表达上调，IL-6表达下调，同时一些免疫效应分子也出现差异表达，从而增强肉鸡的免疫功能，改善肉鸡的生长性能[45]。一些研究还表明，矿物质对组蛋白修饰的影响，如As、Cd等可通过组蛋白甲基化影响表观遗传修饰[46]。Zn作为DNA甲基化酶、甲基结合蛋白和脱乙酰酶结构和功能所必需，Zhu等[39]研究发现，饲粮中Zn的缺乏不仅可引起DNA的低甲基化，还会显著上调H3K9ac的水平，进一步促进MT4基因的表达，激活抗氧化能力，从而保护子代鸡的胚胎发育。Sun等[47]针对胚蛋注射Zn对鸡胚发育的影响也得出了一致的表观遗传学变化，且相比无机Zn，有机Zn对DNA甲基化和组蛋白乙酰化的影响更为明显。Zhu等[48]通过研究母体饲粮中锰(Mn)补充剂的添加对子代胚胎发育的影响，结果表明，母体饲粮添加Mn可减少DNA甲基化和增加H3K9ac来上调锰超氧化物歧化酶(MnSOD)mRNA表达，从而增强抗氧化和抗凋亡能力，保护鸡胚发育免受母体热应激。

3.2.2 天然生物活性化学物对组蛋白修饰的影响

目前，膳食多酚类[表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、染料木黄酮(GEN)、白藜芦醇和姜黄素等]被应用于多种疾病和癌症的预防。已有研究发现，膳食多酚通过多种不同的表观调控机制影响基因表达，包括染色质重塑和诱导基因沉默，这被认为与修饰组蛋白和抑制DNA甲基转移酶的作用有关[49]。Lv等[50]研究发现，给蛋鸡种鸡(LBB)母鸡添加GEN可上调组蛋白乙酰转移酶MYST2和特定的组蛋白甲基化转移酶如SET结构域蛋白2(SETD2)、核受体结合SET结构域蛋白1(NSD1)等的表达，从而在氧化物酶体增殖物激活受体δ(PPARδ)基因的启动子区域诱导组蛋白H4K12ac和H3K36me3，激活鸡肝脏中的PPAR信号通路，改变后代雏鸡的脂质代谢，提高抗氧化能力和生长性能。研究表明，丁酸盐、蜂王浆、有机硫化物或某些十字花科蔬菜提取物(异硫氰酸酯、萝卜硫素)和绿茶提取物等化学物质具有抑制组蛋白去乙酰化酶的作用，从而诱导表观遗传效应[51-52]。目前，蜂王浆、丁酸盐已被用作人类的膳食补充剂。Mátis等[53]研究表明，饲粮中添加丁酸盐可引起雏鸡肝脏中核心组蛋白H2A的高乙酰化，推测这种变化可能与参与生物转化的微粒细胞色素P450酶的表达相关。Kulcsár等[54]研究表明，饲粮添加丁酸盐能够改变细胞色素P450酶的活性，从而影响到鸡肠胃功能，表明饲粮添加丁酸盐或许可促进鸡胃肠功能的改善。此外，丁酸盐还作为动物体内的信号代谢物发挥作用[55]。

3.3 家禽营养与非编码RNA调控

非编码RNA是基因组上不编码蛋白质的功能性RNA分子，包括微小RNA(microRNA，miRNA)、PIWI相互作用RNA(PIWI interacting RNA，piRNA)、小干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)、核小RNA(small nuclear RNA，snRNA)、长链非编码RNA(long non-coding RNA，lncRNA)等。非编码RNA调控基因表达的方式有多种，包括参与异染色质的形成和抑制翻译。其中miRNA是主要发挥作用的一类非编码RNA，miRNA通过与靶向mRNA的3＇非编码区结合，识别mRNA的靶位点来抑制翻译过程或参与mRNA的降解，从而达到诱导基因沉默的效果。

近期研究报道了一些家禽中的跨代遗传效应，并暗示了表观遗传修饰在其中所起的作用。而早期已有研究表明，非编码RNA与表观遗传修饰间存在相互作用，营养可通过非编码RNA调控介导DNA甲基化、组蛋白修饰和mRNA的表达从而诱导动物中的非孟德尔跨代遗传[56]。Dunislawska等[57]通过给鸡胚内递送含有棉子糖家族寡糖的合生素和植物乳杆菌，导致肝脏中参与脂质代谢、胰岛素敏感性和葡萄糖稳态的血管生成素样蛋白4(ANGPTL4)基因出现高甲基化，并推测这可能与miRNA的调控有关。已有研究证实了动物中的主要甲基转移酶与miRNA的相关性，miRNA通过与特定靶基因相互作用将miRNA活性与DNA甲基化修饰联系起来[58]。miRNA也是生物体与其肠道微生物群相互作用的重要介质，在免疫系统和调控宿主炎症反应的过程中发挥重要作用。Chen等[59]研究发现，饲粮中添加益生菌可通过调节miRNA的表达有效缓解新生肉雏鸡体内沙门氏菌感染引起的炎症反应。Sikorska等[60]给孵化卵内递送益生菌和合生元后发现，鸡肝脏中的miRNA活性出现显著上升，暗示miRNAs是在肝脏的宿主-益生菌相互作用中的重要组成部分，通过在胚期给予合适的生物活性物质或许可促成年肉鸡的进一步生长和发育。

此外，对于某些还未阐明清楚的跨代遗传效应，如父系跨代效应等，通过研究家禽营养对非编码RNA表达的影响，可以更加明晰地阐述其潜在的表观遗传调控机制。Grivna等[61]首次观察到piRNA在精子发生中的潜在作用。有关小鼠、猪和鸡的多项研究也表明，piRNA在调节与精子发生及子代发育相关的靶蛋白编码基因的表达中发挥重要作用[62-65]。Wu等[66]通过给种公鸡终生饲喂不同浓度的叶酸补充剂改变了piRNA图谱，叶酸的添加可以改变精子piRNA的表达，从而改善子代肉鸡的生长和器官发育。Wu等[67]通过进一步分析发现，种公鸡和子代肉鸡肝脏和精子中差异表达的miRNA和lncRNA可调节一些参与糖酵解或糖异生及PPAR信号通路的关键基因包括磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)、ANGPTL4和甲状腺激素应答基因(THRSP)。这一研究进一步扩宽对叶酸与种鸡精子表观遗传模式之间关系的理解，同时表明叶酸对父本的影响可以跨代调节肉鸡后代的脂质和葡萄糖代谢。Lv等[68]给蛋鸡种鸡饲喂不同浓度GEN，结果显示，40 mg/kg GEN对提高免疫功能和产蛋性能有良好效果；且高浓度(400 mg/kg)的GEN可通过调控邻近基因(lncRNA_XLOC_018890和XLOC_024242)上调外异蛋白A2受体(EDA2R)和富含半胱氨酸血管生成诱导因子61(CYR61)基因的表达，激活核因子-κB(NF-κB)和免疫相关信号通路，表明GEN的添加可以改善家禽脂质代谢和免疫功能，但同时也要注意大剂量GEN对免疫功能的副作用，这一发现为植物雌激素在动物饲粮中的应用提供了科学依据。

4 小 结

目前，营养素改变家禽表观遗传修饰和随后的表型变化的能力已得到充分证明。通过改变环境因素，例如营养物质，可影响表观遗传机制从而获得所需要的表型特征。胆碱、甜菜碱、叶酸和Zn等在饲粮中添加或限制，在诱导表观遗传修饰方面都取得了一定程度的成功，已经观察到使用营养表观遗传学改善或增加家禽生产力的实例。未来，需要进行进一步研究去探明环境因素如营养物质与基因组序列，特别是在关键发育节点的表观遗传调控作用。通过对家禽营养表观遗传机理的深入研究，不仅能更好地理解营养对健康的影响，为营养方案提供指导，而且还能为家禽育种提供新的思路。营养不仅可在亲本发挥表观遗传调控作用，其还可影响到子代的生产性能，由于家禽的繁殖周期短、后代产出多，因此根据家禽种类、性别、发育阶段等的不同，科学合理地制定饲粮方案，如改变饲粮成分或使用合理的饲粮添加剂或许可成为提高家禽生产力的措施之一。