影响奶牛乳蛋白合成的主要营养因素分析

■仝钰洁魏 勇马晓姣施炜涛蒋 文谢乐文邵 伟*

（1.新疆农业大学动物科学学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆天润乳业股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830023）

血中的氨基酸经乳腺细胞吸收后，仅30%被利用合成乳蛋白，剩余70%以粪氮和尿氮形式排出体外，不仅会造成饲料资源的浪费，还会对环境产生不良影响（王笑笑等，2016）。因此，尽管血中氨基酸含量丰富，但真正被乳腺利用合成乳蛋白的氨基酸却很少，大部分氨基酸并未得到有效利用，而造成奶牛乳蛋白合成效率低下。这可能与日粮营养水平、胃肠道微生物、乳腺血流量及血中氨基酸浓度、血中可利用氨基酸比例、氨基酸载体转运效率等因素有关。因此，明确乳蛋白的合成途径、了解影响乳蛋白合成的因素、掌握氨基酸对乳蛋白合成相关基因表达及信号通路的调控机制，对于提高乳蛋白合成效率、改善乳品质、保障奶牛健康及促进经济效益的提升均具有重要意义。本文主要从乳蛋白合成途径、影响乳蛋白的合成因素、乳蛋白合成相关基因表达及乳蛋白合成信号通路的调理四个方面进行了综述。

1 乳蛋白的合成途径

乳腺是合成乳蛋白的重要场所。乳蛋白在乳腺中的合成途径主要有两条。其中，主要途径是乳腺细胞吸收血中游离的氨基酸从头合成约90%的乳蛋白。在该途径中，瘤胃内的蛋白质分解菌将从日粮中获得的蛋白质消化分解，以小分子氨基酸、小肽和氨的形式进一步被瘤胃中其他微生物吸收利用合成菌体蛋白（MCP）（谢云怡，2021）。而未被利用的过瘤胃蛋白与MCP 一同进入皱胃和小肠中，在小肠消化酶作用下，被分解为小肽和氨基酸后经小肠毛细血管释放入血，流经乳腺组织时可作为乳蛋白合成的底物（甘家付等，2016）。氨基酸被乳腺细胞摄取后，转移至胞内参与乳蛋白的合成过程，该过程与机体其他组织合成蛋白质的过程相似（Wullschleger 等，2006）。首先经历由DNA 转录为mRNA 的过程；随后mRNA会由细胞核进入细胞质中与粗面内质网上的核糖体进行结合，在酶与三磷酸腺苷（ATP）的共同作用下，使进入乳腺细胞的氨基酸被活化，在核糖体上翻译完成后合成肽链；再由信号肽将其带入内质网中进行初步加工，由囊泡将其运送至高尔基体进一步加工修饰；合成成熟的乳蛋白后，被高尔基体上的分泌泡运送到细胞顶膜并以胞吐的方式分泌到腺泡腔中（陈娇，2022；Hayashi 等，2007）。其次，乳腺细胞还可通过直接从血中吸收小分子蛋白质及免疫活性蛋白的途径合成剩余10%左右的乳蛋白。最终奶牛乳蛋白的合成通过这两条途径共同作用完成。

2 影响乳蛋白合成的因素

2.1 日粮营养水平

奶牛乳蛋白合成所需的营养物质主要从日粮中获取，因此，日粮中的粗蛋白、氨基酸及能量水平的高低均会在不同程度上影响奶牛乳蛋白的合成效率。

2.1.1 日粮粗蛋白水平

日粮中的粗蛋白是奶牛乳蛋白合成前体物的主要来源，它可经瘤胃转化为瘤胃降解蛋白（RDP）和非蛋白氮（NPN）来合成MCP；而未被利用的过瘤胃蛋白（RUP）会与MCP一同进入小肠，消化产生乳蛋白合成的前体物（周小乔，2015）。说明日粮中恰当的粗蛋白水平有助于瘤胃中MCP 的合成，同时可为小肠提供更多的RUP，从而促进乳蛋白的合成。Liu 等（2020）给泌乳后期的奶牛分别饲喂18%与16%蛋白质水平的日粮，发现日粮中较高的蛋白质水平可显著提高其泌乳量及乳蛋白合成量。这是由于奶牛从日粮中获得的蛋白质含量越高，瘤胃内转化的MCP就越多，可为乳蛋白合成提供更多的前体物，使其产量增加。因此，为满足奶牛乳蛋白合成的需要，一般为其提供含粗蛋白为18%左右的日粮是较为合适的选择。

2.1.2 日粮氨基酸水平

日粮中适宜的氨基酸水平能够促进乳蛋白合成和泌乳量的提升。在满足奶牛对单个氨基酸需要的基础上，日粮中赖氨酸（Lys）与蛋氨酸（Met）浓度比接近3∶1 时，其泌乳量及乳蛋白产量最佳（Wang 等，2014）。说明氨基酸作为乳蛋白合成的前体物在促进乳蛋白合成的过程中是存在适宜浓度比例的，当二者比例达到较为理想的状态时，可有效提高奶牛的泌乳量及乳蛋白产量。

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2.1.3 日粮能量水平

奶牛从日粮中获得的能量主要来源于其中的碳水化合物，它经瘤胃内消化分解后产生的降解产物可为瘤胃中的微生物提供能量，促进MCP的合成（刘桂瑞等，2012）。当奶牛能量不足时，体内的氨基酸会优先被氧化分解用于能量供应，使乳腺可利用氨基酸含量减少，从而造成乳蛋白合成受阻（谢云怡，2021）。因此，在实际生产中以调整日粮精粗比的方式适当增加精料所占比例来提高日粮能量水平，可使奶牛从中获得更多的能量，以减少体内氨基酸的消耗。但需要注意的是，过量的精料会增加奶牛瘤胃酸中毒的风险。研究发现，在奶牛日粮中添加高淀粉可使其获得大量葡萄糖以满足机体的能量需要，使乳腺可利用氨基酸含量增加，促进乳蛋白产量及泌乳量的提高（Potts等，2015）。表明日粮能量水平与奶牛泌乳量及乳蛋白合成量之间也存在显著相关性，在奶牛日粮配制过程中，适当补充一些淀粉类精料有利于乳蛋白的合成。

2.2 胃肠道微生物

胃肠道作为奶牛对营养物质消化吸收的主要场所，其内部的微生物发挥着重要作用。其中，瘤胃内丰富的蛋白质降解菌可将日粮中的蛋白质降解用于MCP 的合成（朱寿谦，2021）。而MCP 既是小肠吸收氨基酸的重要来源，也是奶牛乳蛋白合成的主要来源。

Brock等（1982）研究发现，瘤胃中拟杆菌、丁酸弧菌等蛋白质降解菌的数量与MCP 的合成量成正比。说明蛋白质降解菌的数量决定了瘤胃内蛋白质的利用效率，当此类菌群数量增加时，使瘤胃内降解产生的氨基酸浓度增加，促进MCP 的合成，同时可提高小肠中可消化蛋白与氨基酸的含量，为乳蛋白合成提供充足的前体物。此外，瘤胃中丙酸产量与奶牛肠道中毛螺菌属的丰度呈正相关性，该菌群数量越多，丙酸含量越高，促使乳蛋白率和泌乳量增加（郭冬生等，2007）。这是由于丙酸作为生糖前体物可为泌乳高峰期的奶牛提供大量葡萄糖，以满足乳蛋白合成的能量需求。吴建民等（2020）提出，处于相同日粮水平及饲养环境的奶牛，瘤胃中反刍瘤胃亚菌（Prevotella ruminicola）和三角酵母属（Trigonopsis）的相对含量较高时，可提高乳蛋白产量，这可能是二者均可促进瘤胃内氨基酸代谢所引起。因此，胃肠道微生物可通过提高瘤胃内氨基酸的利用效率、增加乳蛋白合成过程中的能量供应来促进乳蛋白的合成。

2.3 乳腺血流量及血中氨基酸浓度

乳腺血流量是评估乳腺组织对血中游离氨基酸吸收与利用程度的重要指标之一（刘桂梅，2016）。Cieslar等（2014）研究指出，乳腺血流量与氨基酸转运存在协同作用，当血中缺乏单一氨基酸时，会引起乳腺血流量升高，这可能是乳腺细胞分泌局部血管扩张因子引起的。表明奶牛的乳腺组织可根据内部氨基酸的代谢活动产生一定调节自身血流量的能力，使乳腺内血管扩张，从而增加其对营养物质的摄入，以减少因单一氨基酸缺乏而引起的乳蛋白合成效率低下。此时，可通过提高乳腺对氨基酸的清除率来增加其对氨基酸的利用效率，以维持乳蛋白合成的需要（Grala等，2011）。研究发现，奶牛动脉血中缺乏组氨酸（His）或蛋氨酸（Met）时，乳腺血流量显著升高，使乳腺对这两种氨基酸的吸收和转运能力增强，提高其对氨基酸的利用效率（夏芳，2014）。表明增加乳腺血流量可增加血中氨基酸浓度，使单位时间内流经乳腺组织的乳蛋白合成前体物浓度升高，能够有效提高乳蛋白合成率。

此外，血中氨基酸浓度也会影响乳蛋白的合成。在实际生产中，给奶牛补充过瘤胃氨基酸（RPAA）、亮氨酸（Leu）及精氨酸（Arg）后，可增加血中氨基酸浓度。姜富贵等（2021）分别为高产奶牛补饲18、35 g/d的过瘤胃蛋氨酸和赖氨酸混合物后，可提高小肠对氨基酸的吸收效率，促使乳蛋白产量增加。这是由于RPAA 能够减少在瘤胃中的降解，使到达小肠后被吸收并释放入血的氨基酸总量增加，从而增加流经乳腺组织的氨基酸含量，为乳蛋白合成提供充足前体物。研究发现，给奶牛每日灌注含Leu 30.2 g 的必需氨基酸混合物后，其血中氨基酸浓度得到提升，其中Leu浓度提高65.9%，His、异亮氨酸（Ile）及赖氨酸（Lys）浓度分别提高40.1%、31.5%和36.9%。与此同时，乳蛋白产量比灌注前提高约7%（田雯，2017）。证明乳蛋白合成与血中氨基酸浓度密切相关。周刚等（2019）发现给泌乳中期奶牛颈静脉灌注37.66 g/d Arg后，不仅可提高泌乳量，还使乳蛋白率上调3.0%～3.7%。这是由于血中Arg 浓度增加使JAK-STAT5 信号通路被激活，显著提高了CSN1S1、CSN1S2基因的表达引起的，说明增加血中氨基酸浓度可有效提高乳蛋白水平和泌乳量。

2.4 血中可利用氨基酸比例

在乳蛋白合成过程中，血中可利用氨基酸比例的改变会对乳蛋白合成产生积极影响。赵圣国等（2016）给乳腺细胞外源补充Lys与Met比例接近3∶1的氨基酸混合液后，酪蛋白合成量显著提高。说明Lys 与Met 作为影响乳蛋白合成的主要限制性氨基酸，可通过改善乳腺细胞吸收的氨基酸比例来提高乳蛋白的合成效率。此外，向乳腺细胞中添加浓度接近15∶5∶9∶1 的Lys、Met、苏氨酸（Thr）及苯丙氨酸（Phe）后，也可促进酪蛋白的合成（吴慧慧，2007）。这是由于4 种氨基酸的适宜比例可提高乳腺细胞的活力，促进其增殖，使合成乳蛋白的细胞数量增加，从而提高乳蛋白产量。表明当流经乳腺组织的血中可利用氨基酸达到最适比例时是可以有效提高乳蛋白合成效率的。

2.5 氨基酸载体的转运效率

氨基酸作为乳蛋白合成的基础，是通过乳腺细胞膜上丰富的氨基酸转运载体实现跨膜转运的。当血中氨基酸供应充足时，氨基酸载体的转运效率就是影响乳蛋白合成的重要因素。研究发现，Leu、Arg 及Met 主要是通过乳腺细胞膜上LAT1/4F2hc、LAT2/4F2hc、CAT1/2等氨基酸转运载体进入细胞的（Lopez等，2007）。田雯（2017）在缺乏Leu 条件下培养奶牛乳腺上皮细胞，其LAT1基因的表达显著下调，并使LAT1和亮氨酰-tRNA 合成酶介导的mTOR 信号通路表达受到抑制，最终影响酪蛋白的合成。证明Leu缺乏可降低乳腺细胞膜上相应载体的活力，进而影响细胞中Leu 的转运效率，减少乳蛋白的合成。因此，可通过补充适宜浓度的Leu 来激活乳腺细胞膜上相应载体的转运活力，增加进入胞内的氨基酸浓度，实现对乳蛋白合成的正向调控。研究发现，Arg 可通过CAT1/2 转运载体实现向乳腺细胞中的单向转运，当二者结合后进入细胞，可参与乳蛋白的合成过程（Manjarin等，2014）。说明CAT1/2载体的转运效率可直接影响进入乳腺细胞中的Arg 浓度，从而影响乳蛋白的合成。同时，Met作为奶牛第一限制性氨基酸，对乳蛋白合成具有重要影响。有研究报道，添加Met后，可促进乳腺细胞膜上多种氨基酸转运载体的表达，提高氨基酸转运效率，从而增加乳蛋白的合成（Lin 等，2018；Qi 等，2018；Dai 等，2019））。说明氨基酸载体的转运效率对于乳蛋白合成具有显著影响。

3 乳蛋白合成相关基因表达的研究进展

奶牛乳蛋白合成效率的提升可通过调控与其相关基因的表达来实现。其中，GPIHBP1、ACSL1及LTF基因与奶牛生产性能有关，是乳蛋白合成的潜在功能基 因（Dong 等，2020；Liang 等，2020；Raschia 等，2018）。通过上调或下调这3种基因的表达可有效改善乳成分并提高奶牛的泌乳性能。

其中，GPIHBP1是一种分子量为28 ku 的糖蛋白，主要由信号肽、氨基末端的酸性域、淋巴细胞抗原6 结构域及GPI 锚定结构域组成（Beigneux 等，2009）。研究发现，在泌乳奶牛乳腺组织中GPIHBP1mRNA的表达量较高，表明该基因的蛋白质产量性状较高（Jiang 等，2014）。说明GPIHBP1基因可能具有提高产奶量、调控乳蛋白合成及代谢的相关功能，这与该基因的启动子区C/A 突变有关（李永青等，2022）。当其发生突变后，可抑制启动子活性，使转录因子的结合位点发生改变，进而下调GPIHBP1基因的表达，使基因型突变为AAAG型的奶牛在乳蛋白合成量及乳蛋白率方面呈现出较大优势（杨洁，2014）。

ACSL1是长链脂酞辅酶A合成酶家族中的一员，编码该合成酶的ACSL1基因主要存在于脂肪组织及肝脏细胞内膜中，通过对该基因在转录水平的调控可在奶牛乳脂合成与代谢过程中发挥重要作用（梁莎莎等，2020）。对泌乳牛进行基因组关联分析发现，ACSL1基因的表达显著上调，表明该基因与脂质代谢密切相关，能够增加乳中蛋白质及脂肪含量，从而改善乳品质（Bionaz 等，2011）。这是由ACSL1基因5'端非翻译区的单核苷酸多态性决定的，当其内部包含的核糖体进入位点被激活后，会引起mRNA 翻译起始，最终影响乳蛋白的合成过程（Cullen 等，2000）。Bionaz等（2008）研究指出，泌乳高峰期的奶牛乳腺中ACSL1基因的表达量增加且显著高于其他组织，同时可与溶质载体家族转运蛋白6（SLC27A6）、脂肪酸结合蛋白3（FABP3）、1-酰基甘油-3-磷酸O-酰基转移酶6（AGPAT6）等基因共同作用，提高乳中三酰甘油的水平，显著增加乳汁中的脂肪含量并有效改善乳成分。证明ACSL1基因对于乳脂合成具有重要的调控作用。

乳铁转运蛋白（LTF）是由乳腺上皮细胞表达和分泌的具有抗菌及免疫调节功能的糖蛋白，编码该蛋白的LTF基因位于牛的第22 号染色体上，包含17 个外显子，基因长度约为34.5 kb（李强子等，2016）。研究发现，当荷斯坦牛LTF基因的启动子第32 位点（G/C）发生突变时，基因型为CC的奶牛乳蛋白含量较高（Muhaghegh 等，2014 等）。表明LTF基因突变后，C 等位基因使奶牛乳腺组织中乳铁蛋白浓度增加，促使乳汁中的乳蛋白含量升高并有效提高乳产量。Pawlik 等（2014）研究发现，LTF基因的单核苷酸多态性也会影响奶牛的产奶量及乳成分，其中，c.+33G＞A、c.-926G＞A和g.109741625A＞G位点发挥了主要作用，通过基因位点的突变实现对奶牛泌乳性能的调控，进一步证实LTF基因在奶牛泌乳及乳成分变化过程中的重要作用。

4 氨基酸调控乳蛋白合成的主要信号通路

氨基酸不仅是乳蛋白合成的前体物，还可作为信号分子在转录和翻译水平上调控与乳蛋白合成相关的mTOR、JAK-STAT 及GCN2-eIF2α信号通路的表达，以促进乳蛋白的合成。因此，明确氨基酸调控乳蛋白合成的机制有利于乳蛋白合成效率的提升。

4.1 氨基酸对mTOR信号通路的调控

mTOR是PI3K相关激酶家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，由mTORC1和mTORC2两种不同的复合物组成（高海娜等，2014）。Avruch 等（2009）研究发现，mTORC1 是通过磷酸化p70S6 激酶1（S6K1）和eIF4E结合蛋白（4EBP）来促进蛋白质合成的；而mTORC2可磷酸化PKCa、PKCd和PKCg等因子，实现对细胞活性及增殖的调控。其中，mTOR信号通路影响蛋白质的翻译过程，使氨基酸及小肽均可通过G蛋白偶联受体或细胞膜上的氨基酸转运载体激活该信号通路的表达，实现对乳蛋白合成的调控（Qi等，2022）。

同时，乳腺细胞对血中游离氨基酸的摄取可通过调控mTOR 信号通路来增强下游因子4EBP1 和S6K1的磷酸化程度，使细胞中mRNA 的翻译进程加快，以促进乳蛋白的合成（郑森等，2019）。研究发现，必需氨基酸可作为信号分子刺激乳腺细胞中mTORC1 的活性，在增加mRNA翻译速度的同时使mTOR磷酸化程度提高60%以上，从而促进乳蛋白基因的高表达，其中Leu的效果最为显著（Appuhamy等，2012）。这是由于必需氨基酸可激活mTORC1上游的磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/PKB），使下游因子4EBP1 和S6K1 的磷酸化状态增强（Cossette 等，2010）。此外，仅提高单一氨基酸的浓度并不会对乳蛋白的合成造成显著影响，但通过优化乳腺组织中可利用氨基酸的比例，可提高mTOR 信号通路的磷酸化水平，进一步调控乳蛋白的合成（Nan 等，2014）。Li 等（2017）研究证实，当乳腺细胞中Lys 与Met、Thr、Pro、His 和Val 的比例分别达到2.9∶1、1.8∶1、1.89∶1、2.38∶1 和1.23∶1 时，mTOR 信号通路的磷酸化水平增强，促进乳中β-酪蛋白的合成。同时，给乳腺细胞补充适宜比例（Met∶Phe∶Leu∶Thr∶Trp=158∶95∶1341∶427∶228）的氨基酸后，β-酪蛋白基因的表达量显著提高，这是由于氨基酸激活细胞中mTOR信号通路引起的（王立娜，2014），表明氨基酸对mTOR 信号通路的调控可提高乳蛋白产量。

4.2 氨基酸对JAK-STAT信号通路的调控

JAK-STAT 信号通路是由各种细胞因子、激素与生长因子激活而发挥作用的一条较为简单的信号通路，它由受体、Janus 激酶（JAKs）、信号转导及转录活化因子（STATs）组成（黄田英等，2010）。在乳腺细胞中该通路主要从转录水平调控乳腺发育、产奶量及乳蛋白合成（黄玉玲，2014）。

在泌乳过程中，JAK2-STAT5 信号通路是通过催乳素与受体结合使其发生二聚化，激活JAK2 并促进STAT5 的磷酸化，最终形成完整的催乳素与JAK2-STAT5 信号通路来实现对乳蛋白合成的调控（Khan等，2020）。其中，磷酸化的STAT5与受体分离后进入核内，完成膜内外信号的转递，最终与乳蛋白基因启动子位点结合，启动基因的转录，达到提高乳蛋白合成量的目的（Zhang等，2018）。徐柏林（2012）研究提出，给乳腺细胞中添加556 mg/L Arg后，细胞的生长和增殖状态良好，且激活了细胞内JAK2-STAT5信号通路的表达，促进α-酪蛋白和β-酪蛋白的合成。表明Arg可通过调控该信号通路促使合成乳蛋白的细胞数量增加，从而提高乳蛋白产量。此外，肽结合氨基酸对于JAK2-STAT5 信号通路的调控、乳腺发育及乳蛋白的合成也具有重要意义。Yang 等（2015）研究发现，增加奶牛乳腺细胞中Met-Met二肽的浓度，可提高JAK2和STAT5基因的表达丰度，介导α-酪蛋白和β-酪蛋白基因的表达；相同条件下，若抑制JAK2 的活性，会引起乳蛋白合成量降低（王彩红，2018）。表明肽结合氨基酸是激活JAK2-STAT5信号通路的关键因子，且有助于乳蛋白合成效率的提高。

4.3 氨基酸对GCN2-eIF2α信号通路的调控

GCN2 是翻译起始因子2（eIF2）激酶家族中的一般性调控阻遏蛋白激酶2，它能够激活真核翻译启动因子2α（eIF2α）而感知细胞中任何一种氨基酸水平的高低，当胞内氨基酸缺乏时，GCN2 信号通路被激活，抑制mRNA编码的蛋白质翻译过程，减少蛋白质的合成，为机体提供更多的能量，从而降低细胞中因氨基酸缺乏而产生的危害（刘兰等，2016）。

Bretin等（2015）研究指出，GCN2-eIF2α信号通路可实现对胞内氨基酸缺乏的有效监管，但过程较为复杂。首先，该通路借助空载tRNA 去感知并与GCN2含有的组氨酰tRNA 合成酶结合，使GCN2 磷酸化被激活；其次，磷酸化eIF2α促使与eIF2β结合的亲和力增加，抑制eIF2β的活性，从而减少细胞中蛋白质的合成（Deval 等，2008）。但通过研究发现，GCN2-eIF2α信号通路的激活可促进含有上游开放阅读框（uORF）特定mRNA的有效翻译，增加转录因子ATF4的产生，使其在许多基因的调节区中具有相应的结合位点，增加细胞中非必需氨基酸的合成，促进氨基酸转运载体及合成酶基因的表达，从而恢复细胞内各种氨基酸的水平（Bröer 等，2017）。Guo 等（2018）研究提出，奶牛乳腺细胞中Leu 的缺乏能够激活GCN2 信号通路的表达，抑制蛋白质的翻译过程，最终导致细胞中蛋白质合成的普遍抑制，从而减少胞内氨基酸的消耗。这是由于Leu 作为GCN2 信号通路中的重要调节因子，当胞内Leu缺乏时，会引起下游因子eIF2α的磷酸化，从而激活GCN2 信号通路的表达。表明单一氨基酸的缺乏可通过对GCN2 信号通路的调控来促进机体蛋白质的产生。

5 小结与展望

奶牛乳蛋白的合成主要受日粮营养水平、胃肠道微生物、乳腺血流量及血中氨基酸浓度、血中可利用氨基酸比例等因素的影响。为提高乳蛋白合成效率可通过改善日粮营养水平、提高乳腺对氨基酸的利用效率、调控乳蛋白合成相关基因表达及信号通路的方式来实现。但尚未明确可有效提高乳蛋白合成量的最佳氨基酸配比模式。因此，对于促进乳蛋白合成的最佳氨基酸配比模式及相关机制的研究仍需进行深入探讨。