奶牛酪蛋白和β-乳球蛋白基因多態(tài)及其對泌乳性狀的影響

賴淑靜，齊瑞利，袁陶燕，何 俊，吳兵兵，傅 衍，牛 冬

(浙江大學動物科學學院，浙江杭州310058)

牛乳蛋白主要包括酪蛋白和乳清蛋白，其中酪蛋白基因和β-乳球蛋白基因是對奶牛產(chǎn)奶性能有較大影響的兩種基因。牛乳蛋白基因多態(tài)性與泌乳性狀，如泌乳量、乳脂率、乳蛋白量及乳蛋白率有很強的相關性。本文主要對酪蛋白和β-乳球蛋白基因的結構及功能進行綜述，以期為提高奶牛生產(chǎn)性能的研究工作提供基礎資料。

泌乳性狀是奶牛的一個重要經(jīng)濟性狀，是一種典型的由多基因控制的數(shù)量性狀，其遺傳力一般為中等偏下，受環(huán)境影響較大，而乳蛋白基因則是對泌乳性狀有較大影響的一類基因［1］。牛奶主要由蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、乳糖、無機鹽和水分等組成。牛奶中的乳蛋白包括酪蛋白和乳清蛋白，分別約占牛奶總蛋白的80%和20%。酪蛋白(casein，CN)包括αs1-CN、αs2-CN、β-CN 和κ-CN，每類蛋白又有多種變構體。乳清蛋白(whey protein)包括α-乳白蛋白(α-lactalbumin，α-LA)和β-乳球蛋白(βlactoglobulin，β-LG)［2］。β-LG 是由乳腺上皮細胞合成的反芻類動物特有的乳蛋白，是構成乳清蛋白的主要成分，占總?cè)榍宓鞍椎?3.6%～50%［3］，因其具有多種生物學活性，成為近年來的研究熱點。牛乳蛋白類型及其基因多型性對奶牛泌乳性狀，如泌乳量、乳蛋白量、乳蛋白率及乳脂率等有較大的影響。

1 牛乳蛋白的主要功能

牛乳蛋白質(zhì)具有優(yōu)良的乳化特性和乳狀液穩(wěn)定作用，在食品溶膠中通常用作穩(wěn)定劑，用于穩(wěn)定乳狀液及泡沫體系。牛乳蛋白中，約80%為酪蛋白，即其乳化功能主要由酪蛋白來體現(xiàn)［4］。酪蛋白在冰淇淋、攪打奶油、人造奶油、乳制品等生產(chǎn)中都有廣泛應用，酪蛋白還可作為酒和啤酒的澄清劑、蘋果汁的脫色劑使用［5］。在自然狀態(tài)下，κ-CN 是使牛奶保持穩(wěn)定的乳濁液狀態(tài)的重要因子。此外，κ-CN 還可作為生化試劑應用于各研究領域［6］。β-LG 在牛奶中主要以二聚體的形式存在，有很強的與維生素和脂肪酸結合的能力，同時是一種生物活性物質(zhì)，在生產(chǎn)實踐中應用廣泛。β-LG 還有提高機體抗氧化能力的功能，隨著對β-LG 的深入研究，發(fā)現(xiàn)它是嬰兒牛乳過敏癥的主要致敏原?，F(xiàn)在常見的去除其致敏的方法有熱處理、糖基化作用、乳酸發(fā)酵和脂肪酸結合等［7，8］。

2 乳蛋白基因的分子結構

牛乳的6 種主要乳蛋白基因位于其3 條獨立的染色體上，其中酪蛋白基因位于第6 號染色體上。不同類型的酪蛋白基因在染色體上的排布依次為:αS1-CN、β-CN、αS2-CN 和κ-CN 基因，分布跨度約為200 kb。α-LA 位于3 號染色體上，β-LG 則位于11號染色體上［2］。編碼酪蛋白的基因被命名為CSN基因，牛中有多種類型的CSN 基因。就結構而言，CSN1S1 (αS1-CN 基因)有5 種變構體:A 、B 、C 、D、E，而CSN2(β-CN 基因)則有7 種變構體:A1、A2、A3、B、C、D、E［4］。β-CN 是牛奶中含量最多的酪蛋白，在泌乳激素的作用下，CSN2 基因具有很強的表達活性，在乳蛋白基因表達過程中處于一種絕對的優(yōu)勢地位［9］。CSN3 (κ-CN 基因)則與奶牛泌乳性狀有著密切關系［6］。

編碼β-LG 蛋白的基因被稱為BLG 基因。目前牛屬動物的BLG 基因發(fā)現(xiàn)共有11 種變構體，其中A 和B 是最主要的兩種，導致這兩處堿基替換的位點分別位于BLG 基因的第3 和第4 外顯子［10］。不同變構體對奶牛乳汁的組分、性質(zhì)和產(chǎn)量均有不同的影響。

3 酪蛋白基因單倍型對奶牛泌乳性狀的影響

大量研究證明，酪蛋白基因單倍型與奶牛的泌乳性狀相關。Ikonen 等(1999)［11］對芬蘭埃爾夏牛研究發(fā)現(xiàn)，β-κ-CN 基因單倍型與高產(chǎn)乳量、高乳蛋白和低脂肪含量相關。Aleandri 等(1990)［12］對2000 多頭黑白花奶牛研究發(fā)現(xiàn)，CSN1S1 顯著影響產(chǎn)奶量、乳蛋白和乳脂量，該基因的C 等位基因與乳蛋白產(chǎn)量有關。祝香梅等(2000)［13］研究發(fā)現(xiàn)，CSN3 位點的B 基因或其連鎖基因?qū)θ榈鞍缀腿橹韭视酗@著影響。CN 基因?qū)Ξa(chǎn)奶性能的影響，實驗結果因?qū)嶒瀯游锊煌槐M相同［14，15］。Bovenhuis 等(1992)［16］認為，CN 基因與泌乳性狀之間的相關性是由于基因連鎖效應而不是其直接作用。在這種假設前提下，不同的品種和公畜家系中，乳蛋白基因與連鎖的QTL 位點之間的相互作用可能存在差異，這也許可以用來解釋不同研究結果的差異性。也有研究認為，潛在的QTL 位點可能定位于乳蛋白基因的非編碼區(qū)，如調(diào)控區(qū)，也可能定位于牛第6 號染色體的不同位置，例如骨橋蛋白(OPN)或ATP 結合盒轉(zhuǎn)運蛋白G2(ABCG2)位點，這些位點都被證明與乳蛋白的表達有關［17，18］。

通過研究酪蛋白單倍型對乳蛋白成分的影響，發(fā)現(xiàn)酪蛋白單倍型對酪蛋白的含量具有顯著影響，對乳清蛋白的作用較小?？偫业鞍椎暮孔兓瑫r受到CSN2 和CSN3 兩種基因影響［19，20］。

Bonfatti 等(2010)［19］發(fā)現(xiàn)，CSN2 B 具有增加總酪蛋白和β-CN 含量的作用，其他CSN2 等位基因同樣對此性狀具有顯著的影響，只是作用程度比CSN2 B 小。CSN2 B 也有利于κ-CN 含量增加，但對乳清蛋白含量影響甚微。這和 Ng-Kwai-Hang 等(1987)［21］的研究結果一致。但Bobe 等(1999)［22］發(fā)現(xiàn)，攜帶有CSN2B 的單倍型也能導致一些乳清蛋白組分的變化，例如β-LG 相對含量的增加。就各種酪蛋白的含量而言，Bonfatti 等(2010)［19］發(fā)現(xiàn)，受CSN2 單倍型影響的β-CN 百分率顯著增加主要是以消耗αS1-CN 為前提，也消耗相對較少的αS2-CN，對κ-CN 相對含量則無明顯影響。αS1-CN 和β-CN在總CN 中的含量呈現(xiàn)負相關，預示這些蛋白質(zhì)的表達是互相競爭的。因此，對β-CN 百分率有提高作用的單倍型對αS1-CN 百分率則有降低作用。這些乳蛋白即αS1-和β-CN，很有可能受共同的調(diào)控。與CSN2 A2單倍型相比，CSN2 A1單倍型顯示了較低水平的β-和αS2-CN ，以及較高水平的αS1-和κ-CN 含量。Heck 等(2009)［23］發(fā)現(xiàn)，攜帶有CSN2A1單倍型與αS1-CN 和κ-CN 百分率的增加相關，且αS1-CN 和β-CN 百分率的降低與攜帶有CSN2 A2單倍型有關。Bonfatti 等(2010)［19］發(fā)現(xiàn)不同于CSN A1和A2，CSN2 I 對β-CN 的表達有促進作用，β-CN百分率的增加與αS1-CN 百分率的減少相關。

CSN3 等位基因被證明對κ-CN 占總CN 的比率有顯著影響。相對于單倍型CSN3 A，所有攜帶CSN3 B 的單倍型個體均能顯著增加κ-CN 百分率［24］。Heck 等(2009)［23］發(fā)現(xiàn)與CSN3 B 相關的κ-CN 百分率的顯著增加是以消耗除β-CN 外其他CN組分為基礎的，與CSN3 B 有關的αS1-CN 在CN 中相對含量明顯減少。McClenaghan 等(1995)［25］發(fā)現(xiàn)，κ-CN 百分率和αS1-CN 百分率之間存在負相關，認為這些蛋白在乳腺中的表達存在著競爭。Bonfatti 等(2010)［19］發(fā)現(xiàn)CSN3 B 單倍型與更高的總酪蛋白和酪蛋白指數(shù)相關，CSN3 B 和CSN3 A 單倍型對乳清蛋白的影響不大。許多類似研究也報道了由CSN3 等位基因特異性決定了特定蛋白的表達［26］。但Hallén 等(2008)［20］在CSN3 A 和B 之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差別。

酪蛋白單倍型對乳清蛋白含量有一定的作用。Ng-Kwai-Hang 等(1987)［21］和Heck 等(2009)［23］觀察到CSN3 B 使α-LA 含量輕微減少，但Bobe 等(1999)［22］報道，該等位基因?qū)Ζ?LA 含量沒有影響。Bonfatti 等(2010)［19］發(fā)現(xiàn)CSNIB 單倍型對β-LG 含量有適度的促進作用。Bobe 等(1999)［22］發(fā)現(xiàn)CSN3 B 能增加β-LG 在總蛋白中的比率。

4 BLG 基因型對奶牛泌乳性狀的影響

β-乳球蛋白是牛乳中乳清蛋白的重要成分。研究者關于BLG 對產(chǎn)奶性能影響的看法并不一致。有研究報道BLG 基因型與泌乳性狀不存在相關性［23，27］;但Ikonen 等(1999)［11］卻報道了BLG 基因型AA 對牛奶和乳蛋白的產(chǎn)量有促進作用，基因型BB 對乳脂量有促進作用。Tsiaras 等(2005)［28］發(fā)現(xiàn)，BLG A 型傾向于影響乳蛋白產(chǎn)量，而B 型則傾向于影響乳脂含量。Auldist 等(2000)［29］也得到了類似結果，發(fā)現(xiàn)與BLG BB 基因型相比，AA 基因型控制表達的乳球蛋白在乳清蛋白中的比率更高。Lin 等(1986)［30］發(fā)現(xiàn)，BLG B 等位基因與奶牛的高產(chǎn)奶性能相關，同時也影響其乳蛋白及乳脂含量。而Robitaille 等(2002)［24］發(fā)現(xiàn)，BLG A 等位基因?qū)θ榈鞍桩a(chǎn)量及其成分的影響要高于BLG B。Bobe等(2007)［31］發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)奶量的奶牛，其乳蛋白組分差異不大，因此增加產(chǎn)奶量的選擇育種不會影響乳蛋白的組成。Schopen 等(2009)［32］報道，總?cè)榈鞍桩a(chǎn)量與主要乳蛋白成分含量之間的遺傳相關很低，表明對高乳蛋白產(chǎn)量的選擇也不會影響乳蛋白的組分。

Bonfatti 等(2010)［19］研究了BLG 基因型與總?cè)榈鞍?、酪蛋白、乳清蛋白含量及蛋白組分的關系，發(fā)現(xiàn)BLG 基因型對乳蛋白各成分的含量特別是乳清蛋白的組成和含量具有顯著影響。BLG B 等位基因與增加的總蛋白和CN 含量及降低的乳清蛋白含量相關。Braunschweig 等(2000)［33］得到了相同的結果。但Hallén 等(2008)［20］發(fā)現(xiàn)，BLG B 與總蛋白含量呈負相關。Bobe 等(1999)［22］報道，BLG 基因型對總蛋白含量沒有影響。這些不一致的結論可能是由于所研究奶牛品種的不同及樣本數(shù)量有限等因素有關。

BLG 基因型對總CN 含量和CN 指數(shù)有一定影響，對CN 的組成影響甚微，但對乳清蛋白的組成及含量影響卻很大。Bonfatti 等(2010)［19］發(fā)現(xiàn)，與BLG A 相比，BLG B 能增加CN 各成分及α-LA 的含量，降低β-LG 的含量，BLG 等位基因B 與β-LG 百分率呈負相關。也有研究認為，這可能是位于BLG基因啟動子區(qū)域的變異影響了BLG 的表達［35，36］。上述研究表明，在奶牛育種中增加BLG B 的頻率將會影響乳清蛋白的組成(即增加α-LA 和降低β-LG的含量)、增加CN 的含量，但對CN 的組成影響甚微。這樣能使提高BLG B 基因頻率的選擇育種不會影響奶酪的品質(zhì)，在不影響奶酪特性的情況下增加奶酪的產(chǎn)量。

CN 單倍型和BLG 基因型對乳蛋白組分的作用明顯，而對產(chǎn)奶特性影響不大，可以確保在不影響產(chǎn)奶特性的前提下改變?nèi)榈鞍捉M分。除了乳蛋白基因外，還有多個基因參與影響乳蛋白各成分的含量。育種方面，可通過探索改變某種乳蛋白基因來加強牛奶的凝乳特性、奶酪產(chǎn)量或獲得含有更多的某種特定蛋白成分的牛奶。

目前，關于乳蛋白組分、CN 單倍型和BLG 基因型對牛奶工藝特性的影響，以及對蛋白組分遺傳參數(shù)的估計報道甚少，需要進一步研究。

［1］周美，張夫千.奶牛泌乳性狀相關基因的研究進展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36(18):7657－7765.

［2］田錦，阮暉，牛冬，等.乳蛋白基因及其應用的研究進展［J］.中國奶牛，2003，1:33－36.

［3］蘭欣怡，王加啟.牛奶β-乳球蛋白研究進展［J］.中國畜牧獸醫(yī)，2009，36(6):109－112.

［4］任嬌艷，趙謀明.乳狀液中αs1-酪蛋白和β -酪蛋白的結構特點及吸附行為［J］.食品科學，2003，24(6):154－157.

［5］李曉暉.牛乳中酪蛋白的結構特性及其應用［J］.食品工業(yè)，2002，1:29－31.

［6］鞠志花，楊桂文.κ-酪蛋白基因及其功能研究進展［J］.中國畜牧獸醫(yī)，2008，35(10):58－60.

［7］章玉濤.牛奶中β-乳球蛋白的生物學活性及其影響因素［J］.中國奶牛，2010，2:43－45.

［8］高學飛，王志耕.β-乳球蛋白應用研究進展［J］.乳品工業(yè)，2005，5:41－44.

［9］周明亮，吳登俊.β-酪蛋白基因的研究進展［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2005，2:12－14.

［10］Wilkins R J，Kuys Y M.Rapid beta-lactoglobulin genotyping of cattle using the polymerase chain reaction［J］.Anim Genet，1992，23(2):175－178.

［11］Ikonen T，Ojala M，Ruottinen O.Associations between milk protein polymorphism and first lactation milk production traits in Finnish Ayrshire cows ［J］.J Dairy Sci，1999，82:1026－1033.

［12］Aleandri R，Buttazzoni G，Schneider J C，et al.The effects of milk protein polymorphisms on milk components and cheese-producing ability［J］.J Dairy Sci，1990，73:241－255.

［13］祝香梅，張沅.北京地區(qū)荷斯坦牛乳蛋白遺傳標記應用研究［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，2000，5(5):74－80.

［14］Boettcher P J，Caroli A，Stella A，et al.Effects of casein haplotypes on milk production traits in Italian Holstein and Brown Swiss cattle ［J］.J Dairy Sci，2004，87:4311－4317.

［15］Ikonen T，Bovenhuis H，Ojala M，et al.Associations between casein haplotypes and first lactation milk production traits in Finnish Ayrshire cows ［J］.J Dairy Sci，2001，84:507－514.

［16］Bovenhuis H， van Arendonk J A M， Korver S.Associations between milk protein polymorphisms and milk production traits ［J］.J Dairy Sci，1992，75:2549－2559.

［17］Schnabel R D，Kim J J，Ashwell M S，et al.Finemapping milk production quantitative trait loci on BTA6:Analysis of the bovine osteopontin gene ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2005，102:6896－6901.

［18］Olsen H G，Nilsen H，Hayes B，et al.Genetic support for a quantitative trait nucleotide in the ABCG2 gene affecting milk composition of dairy cattle ［J］.BMC Genet，2007，8:32－40.

［19］Bonfatti V，Di Martino G，Cecchinato A，et al.Effects of β-κ-casein (CSN2-CSN3)haplotypes and β-lactoglobulin(BLG)genotypes on milk production traits and detailed protein composition of individual milk of Simmental cows［J］.J Dairy Sci，2010，93 :3797－3808.

［20］Hallén E，Wedholm A，Andrén A，et al.Effect of βcasein， κ-casein and β-lactoglobulin genotypes on concentration of milk protein variants［J］.J Anim Breed Genet，2008，17:791－799.

［21］Ng-Kwai-Hang K F，Hayes J F，Moxley J E，et al.Variation in milk protein concentrations associated with genetic polymorphism and environmental factors ［J］.J Dairy Sci，1987，70:563－570.

［22］Bobe G，Beitz D C，F(xiàn)reeman A E，et al.Effect of milk protein genotypes on milk protein composition and its genetic parameter estimates［J］.J Dairy Sci，1999，82:2797－2804.

［23］Heck J M L，Schennink A，van Valenberg H J F，et al.Effects of milk protein variants on the protein composition of bovine milk［J］.J Dairy Sci，2009，92:1192－1209.

［24］Robitaille G，Britten M，Morisset J，et al.Quantitative analysis of beta-lactoglobulin A and B genetic variants in milk of cows beta-lactoglobulin AB throughout lactation［J］.J Dairy Res，2002，69:651－654.

［25］McClenaghan M，Springbett A，Wallace R M，et al.Secretory proteins compete for production in the mammary gland of transgenic mice［J］.Biochem J，1995，310:637－664.

［26］Robitaille G，Petitclerc D.Expression polymorphism of κcasein gene in Holstein cows ［J］.J Dairy Res，2000，67:107－111.

［27］Lunden A，Nilsson M，Janson L.Marked effect of betalactoglobulin polymorphism on the ratio of casein to total protein in milk ［J］.J Dairy Sc，1997，80:2996－3005.

［28］Tsiaras A M，Bargouli G G，Banos G，et al.Effect of kappa-casein and beta-lactoglobulin loci on milk production traits and reproductive performance of Holstein cows［J］.J Dairy Sci，2005，88(1):327－334.

［29］Auldist M J，Thomson N A，Mackle T R，et al.Effects of Pasture Allowance on the Yield and Composition of Milk from Cows of Different ［beta］-Lactoglobulin Phenotypes［J］.J Dairy Sci，2000，83(9):2069－2074.

［30］Lin C Y，McAllister A J，Ng-Kwai-Hang K F，et al.Effects of milk protein loci on first lactation production in dairy cattle［J］.J Dairy Sci，1986，69(3):704－712.

［31］Bobe G，Lindberg G L，F(xiàn)reeman A E，et al.Short communication:Composition of milk protein and milk fatty acids is stable for cows differing in genetic merit for milk production［J］.J Dairy Sci，2007，90:3955－3960.

［32］Schopen G C B，Heck J M L，Bovenhuis H，et al.Genetic parameters for major milk proteins in Dutch Holstein-Friesians ［J］.J Dairy Sci，2009，92:1182－1191.

［33］Braunschweig M，Hagger C，Stranzinger G，et al.Associations between casein haplotypes and milk production traits of Swiss Brown cattle［J］.J Dairy Sci，2000，83:1387－1395.

［34］Wagner V A，Schild T A，Geldermann H.DNA variants within the 5'-flanking region of milk-protein-encoding genes.Ⅱ.The beta-lactoglobulin-encoding gene ［J］.Theor Appl Genet，1994，89:121－126.

［35］Lum L S，Dovc P，Medrano J F.Polymorphisms of bovine beta-lactoglobulin promoter and differences in the binding affinity of activator protein-2 transcription factor ［J］.J Dairy Sci，1997，80:1389－1397.