家禽營養(yǎng)與表觀遺傳學(xué)

喻小瓊 趙桂蘋 劉冉冉 鄭麥青 文 杰

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

哺乳動(dòng)物中，母體“營養(yǎng)程序化”(nutritional programming)的概念普遍被人們所接受，對(duì)于禽類，母雞可以通過蛋的成分變化來調(diào)控后代的表型，并且可能對(duì)后代的個(gè)體形態(tài)和生產(chǎn)性能產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。家禽被認(rèn)為是研究營養(yǎng)程序化作用的模式動(dòng)物，飼糧中能量水平、蛋白質(zhì)水平、氨基酸組分的變化會(huì)影響母雞的產(chǎn)蛋率、孵化率、后代的生長(zhǎng)速度、脂質(zhì)沉積等表型性狀。在分子水平上，營養(yǎng)物質(zhì)可以通過改變表觀基因組從而改變基因的表達(dá)和誘發(fā)表型變化。在有機(jī)體的生命過程中，可出現(xiàn)多種表觀遺傳變化，其中生殖細(xì)胞的表觀遺傳改變可以永久地改變生命活動(dòng)進(jìn)程，并且某些信息可遺傳給下一代，從而產(chǎn)生表觀表現(xiàn)型遺傳傳代現(xiàn)象。

1 表觀遺傳學(xué)概念、特征及作用

Waddington［1］于 1957 年提出表觀遺傳學(xué)(epigenetics)的概念，它是指在DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)和功能發(fā)生改變，并且產(chǎn)生可遺傳的表型的現(xiàn)象。表觀遺傳學(xué)主要包括2方面的內(nèi)容，分別為研究親代營養(yǎng)環(huán)境因素導(dǎo)致子代基因表達(dá)改變的基因轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控和基因轉(zhuǎn)錄后的RNA調(diào)控［2］。但是近年來研究又主要集中在DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA等調(diào)控方式來控制表型從而影響基因表達(dá)等方面。表觀遺傳是漸變的而非突變的遺傳過程，這正是它與傳統(tǒng)的遺傳學(xué)特征相比具有的不同之處。另外，它還具有細(xì)胞記憶傳播能力(或隔代遺傳力)及多能細(xì)胞空間和時(shí)間分化的顯著特征［3］。

表觀遺傳學(xué)彌補(bǔ)了經(jīng)典遺傳學(xué)的不足，成為生命科學(xué)研究的焦點(diǎn)之一，隨著研究的深入，研究者逐漸認(rèn)識(shí)到表觀遺傳性狀往往都和營養(yǎng)、發(fā)育、分化、進(jìn)化等生命過程密切相關(guān)?；虻谋磉_(dá)決定表型，而營養(yǎng)可以對(duì)基因的表達(dá)起調(diào)節(jié)作用。表觀遺傳學(xué)研究有助于解釋攜帶相同核苷酸序列的細(xì)胞或有機(jī)體在不同營養(yǎng)物暴露下產(chǎn)生不同反應(yīng)的現(xiàn)象。在家禽中，營養(yǎng)的改變作用于基因，從而引起細(xì)胞中DNA甲基化、組蛋白修飾或者染色質(zhì)重塑等表觀遺傳的變化。邢晉祎［4］研究表明，不管對(duì)肉雞還是蛋雞飼喂大量甜菜堿后，雞脂肪代謝相關(guān)基因脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase，LPL)和過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的啟動(dòng)子區(qū)和編碼區(qū)的DNA甲基化水平發(fā)生改變，且這種變化與mRNA表達(dá)量存在一定關(guān)系，但是這種改變機(jī)制是否與甜菜堿參與甲基化反應(yīng)有關(guān)還需要進(jìn)一步探索。

劉靜波等［5］研究表明，妊娠期間母體蛋白質(zhì)攝入不足可通過改變后代肝臟糖皮質(zhì)激素受體(glicocorticoid receptor，GR)、PPAR 和?；o酶 A氧化酶(acyl-coaoxidase，AOX)基因啟動(dòng)子甲基化模式來調(diào)控它們的mRNA水平，在蛋白質(zhì)攝入缺乏組添加葉酸后可維持基因啟動(dòng)子甲基化模式與正常組基本一致，從而緩解母體營養(yǎng)不良對(duì)后代個(gè)體肝臟基因mRNA表達(dá)的影響，該試驗(yàn)闡明了母體添加葉酸是預(yù)防胎兒后天生長(zhǎng)發(fā)育不良的分子機(jī)制。

2 營養(yǎng)物質(zhì)與表觀遺傳學(xué)之間的關(guān)系

2.1 飼糧營養(yǎng)素種類影響基因表達(dá)以及DNA甲基化

在營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域，表觀遺傳研究已經(jīng)變得非常重要，因?yàn)闋I養(yǎng)和功能性飼糧可以通過抑制或者激活催化DNA甲基化的酶，或者通過組蛋白修飾作用，改變基因表達(dá)，改變表觀遺傳，從而影響傳代。大量動(dòng)物試驗(yàn)研究表明，常量營養(yǎng)素(如脂肪和蛋白質(zhì))、微量營養(yǎng)素(如維生素)和天然生物活性化學(xué)物(如白藜蘆醇、丁酸、蘿卜硫素和大蒜二丙烯硫醚)都參與調(diào)控表觀遺傳。飼糧中某些生化物質(zhì)，如S-腺苷甲硫胺酸(S-adenosyl-L-methionine，SAM)是一種甲基化反應(yīng)的供體，S-腺苷高半胱氨酸(S-adenosyl-L-homocysteine，SAH)則是甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyl-transferase，DNMT)的產(chǎn)物抑制劑，通過作用于SAM或SAH，從而改變DNA和組蛋白的甲基化水平［6］。另一些物質(zhì)，如膽堿參與一碳單位代謝，則改變信號(hào)傳導(dǎo)途徑和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而間接影響基因的表達(dá)。一個(gè)研究毛色的試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過調(diào)控母鼠甲基營養(yǎng)供給(甜菜堿、膽堿、葉酸和維生素B12)，可使雄性隱形純合子與雌性雜合子交配所生后代個(gè)體出現(xiàn)不同的毛色［7］。飼糧成分與后代個(gè)體毛色以及Avy基因甲基化模式之間的關(guān)系證明母體甲基營養(yǎng)代謝狀況會(huì)影響個(gè)體的表現(xiàn)型。上述試驗(yàn)表明飼糧是調(diào)節(jié)Avy基因甲基化程度進(jìn)而影響毛色的直接媒介。Waterland等［8］報(bào)道斷奶后小鼠的飲食影響胰島素樣生長(zhǎng)因子2(insulin-like growth factor-2，IGF2)基因的甲基化狀態(tài)及永久性影響IGF2基因的表達(dá)，飲食中缺乏葉酸、維生素B12等甲基供體時(shí)可導(dǎo)致成年鼠IGF2的基因印跡(gene imprinting)丟失，所以早期甲基供體的補(bǔ)充對(duì)IGF2的基因表達(dá)至關(guān)重要。

2.2 飼糧營養(yǎng)水平影響基因表達(dá)以及DNA甲基化

2.2.1 一碳單位代謝對(duì)DNA甲基化的影響

動(dòng)物機(jī)體不能合成甲基，必須由飼糧供給。DNA甲基化過程取決于飼料中的甲基基團(tuán)及輔酶，它們參與蛋氨酸及葉酸代謝［9-10］。蛋氨酸是一種必需氨基酸，而且是家禽的第一限制性氨基酸，必須由飼糧提供，因此對(duì)畜禽非常重要［11］。其循環(huán)過程為:蛋氨酸首先轉(zhuǎn)化為SAM，在提供甲基基團(tuán)后轉(zhuǎn)化為SAH，最后再轉(zhuǎn)變?yōu)橥透甙腚装彼?homocysteine，Hcy)。一方面，Hcy可以與絲氨酸在維生素B6依賴的β-胱硫醚合成酶催化下形成胱硫醚，經(jīng)轉(zhuǎn)硫反應(yīng)生成半胱氨酸;另一方面，Hcy在蛋氨酸合成酶(methionine synthase，MS)的作用下可被重新甲基化形成蛋氨酸。在該反應(yīng)中，維生素B12作為輔因子，促使5-甲基四氫葉酸(N5-methyltetrahydrofolic acid，5-CH3THF)轉(zhuǎn)換為四氫葉酸(tetrahydrofolic acid，THF)，提供甲基。亞甲基四氫葉酸還原酶(methylenetetrahydrofolate reduetase，MTHFR)催化輔因子循環(huán)利用的反應(yīng)存在于大多數(shù)細(xì)胞中并影響DNA甲基化，在一碳單位代謝中具有重要意義(圖1)。

2.2.2 葉酸等相關(guān)B族維生素與DNA甲基化的關(guān)系

葉酸是一種重要的B族維生素，它參與調(diào)控蛋白質(zhì)、DNA的合成、生物甲基化和基因表達(dá)等相關(guān)的一碳單位轉(zhuǎn)運(yùn)［12］。它在體內(nèi)的代謝受DNMT、MTHFR和甜菜堿高半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(betaine-homocysteine methyltransferase，BHMT)等的影響。DNMT是DNA甲基化的關(guān)鍵酶，其表達(dá)直接影響DNA甲基化狀態(tài)。Engeham等［13］的研究表明，母體補(bǔ)充葉酸時(shí)，DNMT、MTHFR和 MS的基因表達(dá)均未受影響。這一現(xiàn)象說明葉酸介導(dǎo)的一碳單位代謝是一個(gè)復(fù)雜相互作用的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)大范圍的調(diào)節(jié)機(jī)制使機(jī)體整體的葉酸和蛋氨酸循環(huán)處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。另外，純合子和雜合子小鼠的MTHFR基因敲除試驗(yàn)證明，該基因缺失會(huì)顯著降低血漿SAM含量或提高SAH含量，都能夠?qū)е驴?DNA甲基化程度降低［14］。同時(shí)，還有研究表明，雜合子個(gè)體小鼠在飼喂低葉酸飼糧時(shí)更容易受到血漿Hcy含量偏高的影響，從而導(dǎo)致在改變組織DNA甲基化模式的同時(shí)也會(huì)削弱大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮的功能［15］。

圖1 一碳單位代謝和DNA甲基化Fig.1 One-carbon metabolism and DNA methylation［11］

除葉酸外，其他B族維生素如維生素B2、維生素B6、維生素B12也會(huì)間接影響DNA甲基化(表1)。一碳單位代謝中，5，10-亞甲基四氫葉酸(5，10-CH2THF)經(jīng)過 MTHFR的催化轉(zhuǎn)變?yōu)?-CH3THF的同時(shí)，MS催化Hcy再甲基化形成蛋氨酸，該反應(yīng)需要維生素B12作為葉酸轉(zhuǎn)運(yùn)甲基作為主要輔因子。此外，飼糧中葉酸缺乏可導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體廣泛低甲基化。大量研究表明，長(zhǎng)期慢性維生素B12缺乏，可引發(fā)基因組DNA低甲基化，與食管鱗狀細(xì)胞癌和胃賁門腺癌的高發(fā)也密切相關(guān)［16］。短期維生素B12缺乏可引起甲基化水平降低而導(dǎo)致DNA損傷。缺乏維生素B12和葉酸缺乏癥類似，也減少SAM可利用量，影響MS的活性及基因表達(dá)，并在一定程度上改變DNA的甲基化模式［17］。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，維生素B12適度缺乏10周后，大鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞DNA中胞嘧啶的甲基化程度下降35%［18］。如圖1所示，Hcy轉(zhuǎn)變?yōu)殡琢蛎淹ㄟ^轉(zhuǎn)硫途徑形成半胱氨酸的過程需2個(gè)磷酸吡哆醛(維生素B6主要的活性形式)依賴酶，即β-胱硫醚合成酶及γ-胱硫醚酶催化。而維生素B2主要是作為輔酶黃素單核苷酸(flavin mononucleotide，F(xiàn)MN)和黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)以及共價(jià)結(jié)合黃素的前體物質(zhì)，這些輔酶參與葉酸和維生素B6的代謝;維生素B2缺乏時(shí)，維生素B6轉(zhuǎn)化為其輔酶衍生物的過程可能受到損傷。作為DNA正常復(fù)制的主要輔酶，B族維生素促使5-CH3THF去甲基，轉(zhuǎn)變?yōu)門HF和5，10-CH2THF，以保證DNA正常甲基化和維持穩(wěn)定所必需。其他水溶性的B族維生素，如生物素、泛酸及尼克酸則主要參與組蛋白的表觀修飾。生物素是組蛋白生物素?；囊环N底物，泛酸是輔酶A的一部分。尼克酸不僅參與組蛋白ADP-核糖基化作用，并且作為多聚(ADP-核糖)聚合酶［poly(ADP-ribose)polymerase，PARP］的底物，還作為Sirt1(一種具有NAD-依賴的蛋白質(zhì)去乙?；富钚缘亩喙δ苻D(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子)的底物參與組蛋白的去乙?；?histone deacetylase，HDAC)［19］。以上論述表明，葉酸是甲基的供體，維生素B2、維生素B6、維生素B12起著調(diào)節(jié)甲基團(tuán)生物學(xué)活性的作用。DNA、組蛋白修飾、中心代謝途徑和重要的營養(yǎng)代謝聯(lián)系在一起共同構(gòu)成了生物活性飼料成分直接影響表觀遺傳機(jī)制。

表1 營養(yǎng)素和生物活性成分的表觀遺傳生理過程Table 1 Epigenetic roles of nutrients and bioactive components in physiological processes［16］

2.2.3 氨基酸營養(yǎng)對(duì)肉雞基因組DNA甲基化的影響

氨基酸的缺乏可能會(huì)破壞基因組的完整性并影響DNA甲基化水平，將飼糧氨基酸水平與基因表達(dá)以及DNA甲基化聯(lián)系起來，有利于對(duì)基因與營養(yǎng)的交互作用機(jī)制產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)。這使得氨基酸參與基因表達(dá)調(diào)控及DNA甲基化的研究成為當(dāng)前營養(yǎng)研究中的熱點(diǎn)。Park等［20-21］短期內(nèi)給肉仔雞飼喂蛋氨酸缺乏的飼糧，其肝臟中BHMT的活性相對(duì)于采食充足蛋氨酸組有顯著的提升，同時(shí)BHMT mRNA表達(dá)水平也顯著升高。這表明在蛋氨酸缺乏的條件下，BHMT活性與mRNA表達(dá)正相關(guān)，這種方式增強(qiáng)了Hcy再甲基化轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍彼岬哪芰Γ瑥亩岣吡说鞍彼嶙鳛榛钚约谆w的有效利用率。Liu等［22］長(zhǎng)期給予大鼠蛋氨酸缺乏的膳食試驗(yàn)導(dǎo)致了大鼠肝DNA整體的低甲基化和自發(fā)性腫瘤的形成。Waterland［23］研究得出了在小鼠膳食中添加或補(bǔ)充蛋氨酸可能會(huì)導(dǎo)致特定基因區(qū)域DNA高度甲基化的結(jié)論。宗凱［24］研究表明，飼糧中氨基酸水平的高低不僅會(huì)影響肉雞的生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)影響肉雞組織基因組DNA甲基化的程度，飼糧中長(zhǎng)期缺乏蛋氨酸可能會(huì)導(dǎo)致肌肉、肝臟等組織DNA低甲基化。而飼糧中蛋氨酸過量時(shí)會(huì)導(dǎo)致肌肉、肝臟等組織DNA高甲基化，從而影響肉雞的生長(zhǎng)和屠宰性能。所有這些研究證實(shí)了氨基酸可以通過組織DNA甲基化變化影響特定基因的表達(dá)，進(jìn)而影響動(dòng)物的生產(chǎn)性能，為研究氨基酸分子的調(diào)控機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。

2.2.4 微量營養(yǎng)素對(duì)DNA甲基化的影響

近年來從DNA甲基化角度研究微量營養(yǎng)素代謝病機(jī)理已成為新的研究熱點(diǎn)。曹哲明等［25］發(fā)現(xiàn)低濃度鎘離子(Cd2+)條件下，鯉魚主要通過甲基化區(qū)域的微調(diào)減少Cd2+的生理毒性。高濃度Cd2+處理下，利于基因組DNA甲基化區(qū)域發(fā)生一定的變化，可能導(dǎo)致一些沉默基因的異常表達(dá)［25］。硒作為一種必需微量元素，也能影響DNA的甲基化水平。小鼠中硒缺乏導(dǎo)致結(jié)腸普遍性的低甲基化和p53、p16基因啟動(dòng)子區(qū)的高甲基化［26］。飲食硒缺乏能夠降低雞肌肉組織DNA甲基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)的減少，基因組DNA總甲基化水平降低，從而增加家禽骨骼肌疾病發(fā)生的概率［27］。鋅會(huì)增加生物體內(nèi)金屬硫蛋白的含量，金屬硫蛋白與半胱氨酸作用形成復(fù)合物，降低游離半胱氨酸的含量，而游離的半胱氨酸又是SAM的底物，因此微量元素鋅可能通過此途徑間接影響生物體內(nèi)DNA甲基化的修飾水平［28］。郭欣欣等［29］通過探究微量元素鋅對(duì)不同發(fā)育階段子代果蠅基因組DNA甲基化的影響，表明鋅的長(zhǎng)期暴露可以導(dǎo)致不同發(fā)育時(shí)期的子代果蠅基因組DNA甲基化多態(tài)性發(fā)生改變。微量元素砷、鎳對(duì)DNA甲基化的影響在國內(nèi)外也有諸多報(bào)道。Sciandrello等［30］研究發(fā)現(xiàn)，短期的砷暴露將對(duì)DNA有長(zhǎng)期的影響，造成整個(gè)基因組的低甲基化，這是造成基因不穩(wěn)定的重要原因。Chen等［31］研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期砷暴露下能影響機(jī)體的DNA甲基化水平。磷作為家禽飼料常用的礦物質(zhì)元素，對(duì)雞的生長(zhǎng)發(fā)育、脂肪的代謝有重要的作用。Ashwell等［32］闡述了早期肉雞磷的供給受限時(shí)，育成肉雞就會(huì)增強(qiáng)磷(P)的吸收率，并且發(fā)現(xiàn)家禽腸道中與P代謝吸收相關(guān)基因的mRNA的表達(dá)量顯著增加，這也為營養(yǎng)素改變表觀遺傳的修飾提供可能的現(xiàn)象支持。

2.2.5 其他因素對(duì)表觀遺傳的影響

通過限制飼料能量和控制蛋白質(zhì)水平來影響組蛋白乙?；潜碛^遺傳的普遍機(jī)制。Shimazu等［33］發(fā)現(xiàn)碳水化合物含量低的飼糧會(huì)誘導(dǎo)β-羥基丁酸鹽(βOHB)即酮體生成，βOHB是 HDAC的內(nèi)源抑制子，會(huì)增加組蛋白乙?；?，從而改變機(jī)體細(xì)胞生命活力。Romero等［34］以不同的能量飼料飼喂羅斯(Ross)344公雞，生長(zhǎng)至22周齡已出現(xiàn)顯著的體重差異，并且體重低的公雞后代于42日齡時(shí)的體重顯著高于體重高的后代。表明體重過高的公雞具有低的繁殖力，進(jìn)而降低了自身遺傳物質(zhì)傳遞給下一代的潛力。該試驗(yàn)闡明表觀遺傳效應(yīng)與種雞飼料能量相關(guān)聯(lián)，并通過受精卵營養(yǎng)傳遞給后代。

另外，母雞的飼料特別是滿足基本營養(yǎng)需要的飼料配方邊際成本時(shí)，引起的某些營養(yǎng)物質(zhì)的限制，對(duì)雞蛋的營養(yǎng)狀況產(chǎn)生顯著的影響。Kidd［35］報(bào)道了母雞礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、能量和維生素營養(yǎng)的添加能改善雛雞生長(zhǎng)階段各個(gè)方面的性能。Peebles等［36］觀察到給種雞飼喂玉米油與等量的家禽脂肪或豬油相比，能顯著提高子代21日齡的體重，同時(shí)也增加屠宰體重，提高養(yǎng)雞效益和肉質(zhì)［37］。該研究表明飼糧中多不飽和脂肪酸(如亞油酸)對(duì)肉種雞后代的生長(zhǎng)和胴體性狀產(chǎn)生可遺傳的基因表達(dá)改變的影響。Kidd［35］對(duì)21周齡種母雞分別飼喂添加0、25 mg/kg L-肉堿的試驗(yàn)飼糧，根據(jù)3個(gè)孵化階段(30、35、37周齡)雛雞來評(píng)估親代攝食不同肉堿量對(duì)子代生產(chǎn)性能和胴體性狀的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不論子代飼糧如何，母雞飼糧中添加L-肉堿能減少子代腹部脂肪沉積。該試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)母體富集的營養(yǎng)物質(zhì)可作為直接的環(huán)境因子調(diào)控脂質(zhì)代也謝，改變表觀基因組，可以進(jìn)行表觀表現(xiàn)型的遺傳傳代。

3 禽類胚胎發(fā)生發(fā)育與表觀遺傳修飾

家禽孵化期間胚胎的發(fā)生發(fā)育是細(xì)胞分裂與分化最為活躍的時(shí)期，也是改善并提高受精卵利用率的關(guān)鍵時(shí)期，相應(yīng)基因表觀修飾也顯示出動(dòng)態(tài)學(xué)的變化，基因的表達(dá)調(diào)控也十分復(fù)雜。營養(yǎng)物對(duì)表觀遺傳修飾和遺傳學(xué)修飾共同調(diào)控早期胚胎發(fā)生和發(fā)育。

3.1 禽類胚胎發(fā)生發(fā)育與DNA甲基化

在配子發(fā)生過程中，原始生殖細(xì)胞(PGCs)的形成觸發(fā)了全基因組范圍的去甲基化。當(dāng)原始生殖細(xì)胞遷移到生殖嵴后，隨即發(fā)生了全基因組范圍的全新甲基化［38］。雌原核和雄原核表觀修飾存在顯著差異，但它們確保將優(yōu)勢(shì)個(gè)體的有利基因傳遞給后代。雖然卵母細(xì)胞基因組的甲基化程度較精子的相對(duì)要低，但就總體而言，受精前成熟配子均是高度甲基化的［39］，雄原核的大部分基因利于細(xì)胞增殖和胚胎增大，相比之下，雌原核基因傾向于抵抗父源基因來限制胚胎或后代的大小，從而維持母體的繁殖力和健康狀況。DNA甲基化修飾(基因組印記)主要發(fā)生在配子形成和分化中，精子和卵子在融合成受精卵前，都攜帶有來自父母方印記的不同的甲基化模式，受精后，DNA開始去甲基化。在囊胚早期，大部分甲基化印跡被擦除，在胚胎發(fā)育過程中通過重新甲基化又獲得印跡，并被保護(hù)以維持其正確的劑量效應(yīng)(圖2)。上述細(xì)胞周期依賴的動(dòng)態(tài)甲基化重新編程，不僅在植入前胚胎發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，而且在印記、基因表達(dá)控制以及全能性核的構(gòu)建中也有重要的作用。

圖2 不同發(fā)育階段DNA甲基化程度Fig.2 Degree of DNA methylation during various stages of development［40］

3.2 外源營養(yǎng)物對(duì)胚胎發(fā)育的影響

禽類胚胎正常的生長(zhǎng)和發(fā)育有賴于蛋內(nèi)充足的必需營養(yǎng)物質(zhì)［41］。甲基供體和輔助因子不僅是植入后胚胎胞嘧啶重新建立甲基化模式所需，而且也是胚胎在細(xì)胞增殖周期和出生早期維持這種甲基化模式所需。

禽類中，沉積在蛋中的營養(yǎng)是胚胎發(fā)育的唯一營養(yǎng)來源，并且也是母體將表觀遺傳信息傳遞給后代的媒介。母雞在產(chǎn)卵前7 d將大部分脂溶性營養(yǎng)沉積在蛋黃中，水溶性營養(yǎng)沉積在蛋白中，并持續(xù)到開產(chǎn)前。蛋白作為胚胎的營養(yǎng)供給物，就如哺乳動(dòng)物胚胎中的羊水的養(yǎng)分，包含豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、生長(zhǎng)因子及激素物質(zhì)，因而蛋白營養(yǎng)的吸收便是關(guān)鍵的表觀遺傳修飾過程。雛雞出殼之前，蛋白質(zhì)是孵化初期的重要營養(yǎng)來源。人們通過胚體對(duì)表觀遺傳編程敏感時(shí)期——即蛋白輸送胚體營養(yǎng)時(shí)，向受精蛋中注入外源營養(yǎng)，可以調(diào)控表觀應(yīng)答反應(yīng)。Ferket等［42］通過向胚胎的羊膜腔中注射等壓的雞胚給養(yǎng)(in ovo feeding，IOF)溶液，發(fā)現(xiàn)胚體在孵化前自發(fā)的吸收外源過量的營養(yǎng)。大量試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了IOF營養(yǎng)液對(duì)肉仔雞生長(zhǎng)代謝等表型性狀的改變。Tako等［43］相比對(duì)照組，IOF增加了初生仔雞3% ～7%的重量，并且這種優(yōu)勢(shì)至少一直持續(xù)到孵化后期的14 d。另外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含有鹽、蔗糖、葡聚糖、β-羥基乙甲基丁酸、碳水化合物、精氨酸及鋅指蛋白的IOF營養(yǎng)液除了能增加雛雞的體重，提高孵化率，改善腸道形態(tài)發(fā)育之外還顯著增加了黏蛋白屏障刷狀緣酶、營養(yǎng)物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)及其生物學(xué)活性，甚至提高了小雞的采食量等表觀性狀［44］。綜上所述，雞胚的營養(yǎng)狀態(tài)改善成年代謝與表觀遺傳緊密關(guān)聯(lián)，雞胚給養(yǎng)技術(shù)為家禽可持續(xù)生產(chǎn)和福利帶來希望［45］。

4 親代應(yīng)激影響后代行為的表觀遺傳機(jī)制

應(yīng)激影響動(dòng)物行為，是驅(qū)動(dòng)種群適應(yīng)已改變生活環(huán)境的一個(gè)主要因素，比如馴化。飼糧養(yǎng)分、行為、生理生化、免疫，激素和信息環(huán)境影響表觀基因組，包括DNA甲基化和染色質(zhì)的共價(jià)修飾。表觀遺傳的動(dòng)態(tài)修飾是在應(yīng)激不斷增加的情況下最可能的促使行為和心理健康迅速發(fā)生改變的遺傳機(jī)制。大量研究表明，不同的環(huán)境因素，包括家禽的抱窩性、就巢性、飼糧及光照周期等都會(huì)通過表觀遺傳模式對(duì)整個(gè)生命進(jìn)程及后代行為產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。雖然對(duì)于母雞母性行為和表觀遺傳編程對(duì)后代表觀遺傳的修飾鮮有報(bào)道，但關(guān)于這一主題的研究正受到人們的廣泛關(guān)注。為了解白來航雞和紅原雞在不同應(yīng)激下攝食差別對(duì)后代的學(xué)習(xí)能力差異及從表觀遺傳學(xué)的角度探索這種影響的深層次機(jī)制，Lindqvist等［46］選取相同日齡的白來航雞和紅原雞公母雞各15只，對(duì)照組采用12 h/12 h明暗交替光照節(jié)律，而試驗(yàn)組采用不可預(yù)知的光照節(jié)律，但保證2組每周總的光照時(shí)長(zhǎng)一致。實(shí)際上，試驗(yàn)組個(gè)體無法預(yù)測(cè)食物和水的可獲得性，而對(duì)照組能正常攝食。通過觀察記錄其后代采食行為、群體行為及空間學(xué)習(xí)能力，并進(jìn)行簡(jiǎn)單地描述分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，親代的應(yīng)激能迫使后代空間學(xué)習(xí)能力的降低，且與紅原雞相比，白萊航在2種應(yīng)激條件下的空間學(xué)習(xí)能力都較差。同時(shí)隔離親代的接觸的情況下，受激的白萊航的后代顯著降低了空間學(xué)習(xí)能力，但受激的白萊航后代顯著增加早期及種蛋的重量，采食量增強(qiáng)，生長(zhǎng)更快且更有競(jìng)爭(zhēng)力。由此可見，生產(chǎn)能力的遺傳選擇造成后代對(duì)父母的“應(yīng)激”反應(yīng)更敏感的表觀遺傳。

行為表觀遺傳學(xué)是一個(gè)新興的迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域，對(duì)龐大的行為系統(tǒng)起著始料未及的作用［47］。表觀遺傳學(xué)對(duì)動(dòng)物福利的可能性依賴于可能的相對(duì)穩(wěn)定的遺傳標(biāo)記的發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物福利的影響及疾病易感性和許多生產(chǎn)特性，并且在很大程度上這些發(fā)現(xiàn)能夠廣泛應(yīng)用于家禽行業(yè)的管理之中。

5 表觀遺傳標(biāo)記改變的可遺傳性

對(duì)于表觀遺傳信息傳遞(epigenetic inheritance)，現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了證明，他們觀察到后代有可能遺傳父母過往經(jīng)歷導(dǎo)致的性狀改變。例如，歷史饑荒事件可對(duì)曾經(jīng)限制飲食的個(gè)體的孩子和孫輩造成健康影響，這或許是因?yàn)橄拗骑嬍硨?dǎo)致的表觀遺傳標(biāo)記改變從而遺傳給了后代。作為對(duì)化學(xué)接觸或是營養(yǎng)物等環(huán)境因子的響應(yīng)，一些基因可能會(huì)累積異常的甲基化，這可以引起基因異常。如果將這些標(biāo)記遺傳給后代，他們的基因也可能會(huì)受到影響。禽類中，由表觀遺傳機(jī)制介導(dǎo)的基因表達(dá)的差異會(huì)引起表型的大范圍變化。通過食性的訓(xùn)練、克服就巢性、人工環(huán)境的創(chuàng)造等馴化方式來影響表觀遺傳修飾，及這種變化是如何通過DNA甲基化來影響下一代的還知之甚少。傳統(tǒng)的達(dá)爾文進(jìn)化學(xué)說認(rèn)為幾千年的時(shí)間中，人們通過在雞的基因中發(fā)生的隨機(jī)、自發(fā)的突變來選育不同品種。而最近瑞典林雪平大學(xué)N?tt等［48］通過對(duì)比家養(yǎng)蛋雞與它的起源紅原雞之間在大腦中基因活性及其DNA甲基化程度的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)基因的活性及DNA甲基化存在顯著的差異。同時(shí)檢測(cè)這些表觀遺傳差異是否具有遺傳性時(shí)，發(fā)現(xiàn)雛雞從它們的父代中遺傳獲得了相同的基因活性和甲基化修飾，即便對(duì)2種類型的雞進(jìn)行8代交叉繁殖，這些差異依然明顯。這些研究結(jié)果充分表明，家雞馴養(yǎng)導(dǎo)致了表觀遺傳的變化，并且這種變化可以被遺傳下去。

與隨機(jī)突變相比，這種不改變核苷酸序列，卻影響DNA編碼遺傳信息的表觀隔代遺傳現(xiàn)象，在動(dòng)物育種中可以闡明很多現(xiàn)象，例如長(zhǎng)期引種以后發(fā)生退化，很可能是引種時(shí)的營養(yǎng)、飼料、環(huán)境等表觀因素的隔代遺傳，或者由環(huán)境或營養(yǎng)改變引發(fā)，從而使得在短時(shí)間內(nèi)一個(gè)品種中的變種數(shù)量急劇上升。

6 小結(jié)

家禽營養(yǎng)與表觀遺傳學(xué)是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，相信在不久的將來將會(huì)獲得更多的關(guān)注。表觀遺傳的研究帶給家禽及其附屬產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也是顯而易見的，涉及到管理、孵化、幼雛管理、早期營養(yǎng)、疾病防御、繁殖性能、動(dòng)物行為、肉產(chǎn)量和肉品質(zhì)等各個(gè)方面。對(duì)于家禽業(yè)，雞胚營養(yǎng)專門用于修飾禽類表觀遺傳程序并表達(dá)出特定的生長(zhǎng)特性，這種“個(gè)性化營養(yǎng)套餐”即是基于表觀遺傳研究提出來的。遺憾的是營養(yǎng)程序化的產(chǎn)生是一個(gè)多因子共同作用的結(jié)果，其程序性形成的機(jī)制還未完全明確。但是，致力于家禽工作的科研者將最終體會(huì)到拉馬克理論的巧妙之處——表觀遺傳是基于遺傳密碼和營養(yǎng)環(huán)境共同作用的。盡管這個(gè)領(lǐng)域的研究還充滿荊棘和未知，但家禽營養(yǎng)的表觀遺傳學(xué)已現(xiàn)雛形，并激勵(lì)我們?nèi)ヌ剿鬟@片有著巨大潛力的前沿領(lǐng)域。

［1］WADDINGTON C H.The strategy of the genes［M］.London:Allen ＆ Unwin，1958:470-471.

［2］薛京倫.表觀遺傳學(xué)——原理、技術(shù)與實(shí)踐［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006:10-12.

［3］RIGGS A D，MARTIENSSEN R A，RUSSO V E A.Epigenetic mechanisms of gene regulation［M］.New York:Cold Spring Harbor Laboratory Press，1996:507-528.

［4］邢晉祎.豬、雞脂肪代謝相關(guān)基因的分子特征及表觀遺傳調(diào)控［D］.博士學(xué)位論文.泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008:92-94.

［5］劉靜波.葉酸對(duì)母豬繁殖性能、宮內(nèi)發(fā)育遲緩仔豬肝臟基因表達(dá)和蛋白質(zhì)組學(xué)影響研究［D］.碩士學(xué)位論文.雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010:29-31.

［6］JIN S G，KADAM S，PFEIFER G P.Examination of the specificity of DNA methylation profiling techniques towards 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine［J］.Nucleic Acids Research，2010，38(11):e125.

［7］WATERLAND R A，JIRTLE R L.Transposable elements:targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation［J］.Molecular and Cellular Biology，2003，23(15):5293-5300.

［8］WATERLAND R A，LIN J R，SMITH C A，et al.Post-weaning diet affects genomic imprinting at the insulin-like growth factor 2(Igf2)locus［J］.Humman Molecular Genetics，2006，15(5):705-716.

［9］LOWRY K R，ROSEBROUGH N J，F(xiàn)ARR A L，et al.Efficacy of betaine relative to choline as a dietary methyl donor［J］.Poultry Science，1987，66:135-140.

［10］CAMPBELL R G，CADOGAN D J，MORLEY W C，et al.Interrelationships between dietary methionine and betaine on the growth performance of pigs from 65 to 100 kg［J］.Journal of Animal Science，1995，73(Suppl.1):82.

［11］楊鳳.動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)［M］.2版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1993:194-195.

［12］BAILEY L B，GREGORYJ F，3rd.Folate metabolism and requirements［J］.The Journal of Nutrition，1999，129(4):779-782.

［13］ENGEHAM S F，HAASE A.Supplementation of a maternal low-protein diet in rat pregnancy with folic acid ameliorates programming effects upon feeding behaviour in the absence of disturbances to the methionine-homocysteine cycle［J］.British Journal of Nutrition，2010，103(7):996-1007.

［14］CHEN Z T，KARAPLIS A C，ACKERMAN S L.Mice deficient in methylenetetrahydrofolate reductase exhibit hyperhomocysteinemia and decreased methylation capacity，with neuropathology and aortic lipid deposition［J］.Human Molecular Genetics，2001，10(5):433-443.

［15］DEVLIN A M，ARNING E，BOTTIGLIERI T，et al.Effect of Mthfr genotype on diet-induced hyperhomocysteinemia and vascular function in mice［J］.Blood，2004，103(7):2624-2629.

［16］WEATHERSPOON L J，WORTHEN H D，HANDU D.Nutrition risk and associated factors in congregate meal participants in northern Florida role of Elder Care Services(ECS)［J］.Journal of Nutrition for the Elder，2004，24(2):37-45.

［17］BRUNAUD L，ALBERTO JM，AYAV A，et al.Vitamin B12is a strong determinant of low methionine synthase activity and DNA hypomethylation in gastrectomized rats［J］.Digestion，2003，68(2/3):133-140.

［18］CHOI SW，F(xiàn)RISO S，GHANDOUR H，et al.Vitamin B-12 deficiency induces anomalies of base substitution and methylation in the DNA of rat colonic epithelium［J］.The Journal of Nutrition，2004，134(4):750-755.

［19］KIRKLAND J B.Niacin status impacts chromatin structure［J］.The Journal of Nutrition，2009，139(12):2397-2401.

［20］PARK E I，RENDUCHINTALA M S，GARROW T A，et al.Diet-induced changes in hepatic betaine-homocysteine methyltransferase activity are mediated by changes in the steady-state level of its mRNA［J］.The Journal of Nutritional Biochemistry，1997，8(9):541-545.

［21］PARK E I，GARROW T A.Interaction between dietary methionine and methyl donor intake on rat liver betaine-homocysteine methyltransferase gene expression and organization of the human gene［J］.Journal of Biological Chemistry，1999，274(12):7816-7824.

［22］LIU L，WYLIE R C，ANDREWS L G，et al.Aging，cancer and nutrition:the DNA methylation connection［J］.Mechanisms of Ageing and Development，2003，124(10/11/12):989-998.1

［23］WATERLAND R A.Assessing the effects of high methionine intake on DNA methylation［J］.The Journal of Nutrition，2006，136(Suppl.):1706S-1710S.

［24］宗凱.日糧中蛋氨酸和賴氨酸水平對(duì)肉雞生產(chǎn)性能及基因組甲基化的影響［D］.碩士學(xué)位論文.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010:42.

［25］曹哲明，楊健.不同濃度Cd2+對(duì)鯉魚基因組DNA的影響［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2010，16(4):457-461.

［26］DAVIS C D，UTHUS E O，F(xiàn)INLEY J W.Dietary se-lenium and arsenic affect DNA methylation in vitro in caco-2 cells and in vivo in rat liver and colon［J］.The Journal of Nutrition，2000，130(120):2903-2909.

［27］徐世文，蔣智慧，王超，等.硒缺乏對(duì)雞肌肉組織DNA甲基化水平的影響［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(9):42-46.

［28］FAN W H，TANG G，ZHAO C M，et al.Metal accumulation and biomarker responses in Daphnia magna following cadmium and zinc exposure［J］.Environmental Toxicology and Chemistry，2009，28(2):305-310.

［29］郭欣欣，毛雪，張敏.鋅對(duì)不同發(fā)育時(shí)期子代果蠅基因組DNA甲基化的影響［J］.生物多樣性，2012，20(6):710-715.

［30］SCIANDRELO G，CARADONNA F，MAURO M，et al.Arsenic-induced DNA hypomethylation affects chromosomal instability in mammalian cells［J］.Carcinogenesis，2004，25:413-417.

［31］ChEN H，LI S F，JIE U，et al.Chronic inorganic arsenic exposure induces hepatic global and individual gene hypomethylation:implications for arsenic hepatocarcinogenesis［J］.Carcinogenesis，2004，25(9):1779-1786.

［32］ASHWELL C M，ANGEL R.Nutritional genomics:a practical approach by early life conditioning with dietary phosphorus［J］.Revista Brasileira de Zootecnia，2010，39(Suppl.):268-278.

［33］SHIMAZU T，HIRSCHEY M D，NEWMAN J，et al.Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate，an endogenous histone deacetylase inhibitor［J］.Science，2013，339(6116):211-214.

［34］ROMERO-SANCHEZ H，PLUMSTEAD P W，BRAKE J.Feeding broiler breeder males.1.Effect of feeding program and dietary crude protein during rearing on body weight and fertility of broiler breeder males［J］.Poultry Science，2007，86(1):168-174.

［35］KIDD M T.Maternal nutrition effects on progeny development and performance［C］//Proceedings 33rd annual carolina poultry nutrition conference.［s.l.］:［S.n.］，2006:1-15.

［36］PEEBLES E D，DOYLE S M，PANSKY T，et al.Effects of breeder age and dietary fat on subsequent broiler performance.1.Growth，mortality，and feed conversion［J］.Poultry Science，1999，78(4):510-511.

［37］PEEBLES E D，ZUMWALT C D，GERARD P D，et al.Market age live weight，carcass yield，and liver characteristics of broiler offspring from breeder hens fed diets differing in fat and energy contents［J］.Poultry Science，2002，81(1):23-29.

［38］HAJKOVA P，ERHARDT S，LANE N，et al.Epigenetic reprogramming in mouse primordial germ cells［J］.Mechanisms of Development，2002，117(1/2):15-23.

［39］ROUGIER N，BOURC＇HIS D，GOMES D M，et al.Chromosome methylation patterns during mammalian preimplantation development［J］.Genes ＆ Development，1998，12(14):2108-2113.

［40］FALLS J G，PULFORD D J，WYLIE A A，et al.Genomic imprinting:implications for human diseases［J］.The American Journal of Pathology，1999，154(3):35-647.

［41］KENNY M，KEMP C.Breeder nutrition and chick quality［J］.Interna-Tional Hatchery Practice，2005，19(4):7-11.

［42］UNI Z，F(xiàn)ERKET P R.Enhancement of development of oviparous species by in ovo feeding［P］.EP 1307230，2003-05-07.

［43］TAKO E，F(xiàn)erke P.Effects of in ovo feeding of carbohydrates and beta-hydroxy-beta-methylbutyrate on the development of chicken intestine［J］.Poultry Science，2004，83(12):2023-2028.

［44］TAKO E，F(xiàn)ERKET P R，UNI Z.Changes in chicken intestinal zinc exporter mRNA expression and small intestinal functionality following intra-amniotic zincmethionine administration［J］.The Journal of Nutritional Biochemistry，2005，16(6):339-346.

［45］GALLOU K C，JUNIEN C.Nutritional epigenomics of metabolic syndrome:new perspective against the epidemic［J］.Diabetes，2005，54(7):1899-1906.

［46］LINDQVIST C，JANCZAK A M，N?TT D，et al.Transmission of stress-induced learning impairment and associated brain gene expression from parents to offspring in chickens［J］.PLoS One，2007，2(4):e364.

［47］CHAMPAGNE F A，RISSMAN E F.Behavioral epigenetics:a new frontier in the study of hormones and behavior［J］.Hormones and Behavior，2011，59(3):277-278.

［48］N?TT D，RUBIN C J，WRIGHT D，et al.Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens［J］.BMC Genomics，2012，13(1):59.