蛋白質(zhì)組學(xué)及其在奶牛乏情研究中的應(yīng)用前景

許楚楚，夏 成，王朋賢，孫雨航，舒 適，李昌盛

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

近十多年來(lái)，我國(guó)奶牛集約化規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)不斷增加，單產(chǎn)水平不斷提高，繁殖障礙疾病發(fā)生率呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)奶牛繁殖障礙發(fā)生率達(dá)20%～40%，其中產(chǎn)后乏情奶牛占繁殖障礙的26.68%；美國(guó)約有38%奶牛產(chǎn)后60～80 d不表現(xiàn)發(fā)情[1]。集約化牛場(chǎng)高產(chǎn)奶牛產(chǎn)后乏情的現(xiàn)象更為普遍，乏情率可高達(dá)50%以上。據(jù)報(bào)道，1頭奶?？s短一個(gè)空懷期可節(jié)約飼養(yǎng)費(fèi)600多元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。因此，乏情是高產(chǎn)奶牛產(chǎn)后亟待解決的一個(gè)重要的繁殖障礙問(wèn)題[2]。

奶牛乏情是指產(chǎn)后60～90 d未能發(fā)情配種的經(jīng)產(chǎn)母牛[3]。奶牛產(chǎn)后乏情主要分為兩種類(lèi)型：（1）功能性不發(fā)情（也稱(chēng)暗發(fā)情或隱性發(fā)情），即90%有發(fā)情周期而無(wú)外部表現(xiàn)；（2）真正的不發(fā)情（卵巢靜止），即無(wú)發(fā)情表現(xiàn)又無(wú)卵巢周期和排卵[4]。目前，卵巢靜止所致的乏情已成為高產(chǎn)母牛產(chǎn)后不孕的主要原因。非傳染性因素已成為其重要病因，主要涉及營(yíng)養(yǎng)因素、體況、內(nèi)分泌、生殖器官等因素。實(shí)踐中單一因素致病的情況較少，往往是多種病因共同作用或協(xié)同作用的結(jié)果[5]。這些因素通過(guò)神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)傳遞信號(hào)到生殖系統(tǒng)，最終導(dǎo)致生殖激素紊亂,引起奶牛乏情。

1 奶牛產(chǎn)后乏情的研究現(xiàn)狀

1.1 奶牛產(chǎn)后乏情的原因（1）能量平衡因素：日糧中蛋白、能量、維生素、礦物元素等營(yíng)養(yǎng)成分的均衡搭配是機(jī)體維持生殖機(jī)能正常的必要條件。其中日糧能量水平對(duì)發(fā)情周期、胚胎質(zhì)量和受胎率的影響較大[6]。奶牛在能量負(fù)平衡，體重下降期間，促卵泡素分泌頻率降低，活動(dòng)卵泡直徑減少，乏情比率高，配種受胎率低。研究顯示，產(chǎn)后發(fā)情周期的開(kāi)始與產(chǎn)后能量負(fù)平衡最低點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間密切相關(guān)[7]。產(chǎn)后能量負(fù)平衡很快回到正平衡的母牛，發(fā)情及受胎較快較早，反之較晚。飼料攝入是影響產(chǎn)后能量平衡的一個(gè)主要因素。產(chǎn)后能量平衡變化主要與干物質(zhì)攝入量有關(guān)，而與泌乳量關(guān)系尚不確定[8]。然而，高產(chǎn)奶牛乏情比率高是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，探討泌乳量、干物質(zhì)攝入對(duì)產(chǎn)后奶牛代謝和生殖機(jī)能的調(diào)控作用，對(duì)闡明奶牛產(chǎn)后乏情的發(fā)生機(jī)制是十分必要的；（2）體況因素：它是指其體內(nèi)所貯備的脂肪量或能量的水平，是奶牛健康、高產(chǎn)和高繁的標(biāo)志之一。體況評(píng)分（Body Condition Score，BCS）是衡量奶牛體組織儲(chǔ)存狀況及監(jiān)控奶牛能量平衡的一種數(shù)字化評(píng)定方法。最常用的是美國(guó)5分制體系[9]。研究表明，懷孕后期、產(chǎn)犢及泌乳早期的能量?jī)?chǔ)備會(huì)影響產(chǎn)后發(fā)情周期和懷孕的成功率。產(chǎn)犢時(shí)BCS接近3.5的牛，產(chǎn)后頭5周體況分下降不到0.5分的母牛產(chǎn)奶量、健康狀況及繁殖力較好[10]。研究顯示，胰島素和胰島素樣生長(zhǎng)因子（Insulin-like Growth Factor IGF）；IGF可直接作用于卵巢，同時(shí)也能直接作用于子宮和胚胎。胰島素和IGF可能是影響體況形成的因素。這些體況涉及子宮、胚胎、卵泡的發(fā)育和排卵[11]。體況降低較多的牛黃體分泌的孕酮少。低體況分總是與卵巢活性延遲，垂體激素釋放不明顯，卵泡對(duì)促性腺激素的反應(yīng)低及卵泡活力下降相聯(lián)系。奶牛產(chǎn)后出現(xiàn)乏情是正常的生理調(diào)節(jié)，但當(dāng)它延長(zhǎng)到繁殖期時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致繁殖障礙[12]。盡管增加日糧能量可改善能量平衡與繁殖力之間的關(guān)系，但其作用方式尚不明了。并且體況不能直接的反映產(chǎn)后乏情奶牛代謝和生殖機(jī)能異常的信息，難以為現(xiàn)場(chǎng)早期預(yù)防乏情提供更科學(xué)的、有效的策略；（3）內(nèi)分泌異常：在維持代謝與生殖機(jī)能之間存在著許多起連接作用的物質(zhì)，包括內(nèi)分泌系統(tǒng)復(fù)雜的綜合作用以及控制新陳代謝和生殖機(jī)能的代謝信號(hào)和激素等。這些信號(hào)分子都屬于調(diào)節(jié)能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分配及生殖機(jī)能的控制系統(tǒng)。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物在體內(nèi)被識(shí)別后許多位點(diǎn)、器官，會(huì)產(chǎn)生這些信號(hào)分子。為了確保能量調(diào)節(jié)，蛋白質(zhì)分配，繁殖過(guò)程中的綜合作用的精確進(jìn)行，任何一種信號(hào)都很可能會(huì)與其他信號(hào)存在相互作用。前視覺(jué)-下丘腦連續(xù)體涉及食物、發(fā)情行為、營(yíng)養(yǎng)感覺(jué)的綜合作用，可以釋放激素。這些激素可以控制促性腺激素和生長(zhǎng)激素的分泌，促性腺系統(tǒng)是在繁殖中起關(guān)鍵作用，而生長(zhǎng)激素系統(tǒng)在泌乳、脂解作用、組織維持中起關(guān)鍵作用[15]。另外，促性腺激素、生長(zhǎng)激素與其他的激素如類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子（IGF）、胰島素等相互作用，促進(jìn)激素和代謝物的釋放，這些激素能回流到控制食欲和繁殖的中樞。它們也會(huì)直接作用于乳腺和生殖器官。另外，卵泡的敏感性與外周的代謝激素濃度變化是協(xié)同的。這些代謝激素包括生長(zhǎng)激素、胰島素、IGF-1和生物堿，可影響體內(nèi)脂肪酸、氨基酸、葡萄糖等代謝物的變化[16]。相關(guān)研究表明，在反芻動(dòng)物中某些代謝激素能直接地明顯地調(diào)節(jié)卵巢中雌二醇的分泌。卵巢對(duì)刺激生殖腺的作用有一定程度的獨(dú)立性，并能對(duì)代謝物做出直接的反應(yīng)[11]。這些都會(huì)受到奶牛產(chǎn)后營(yíng)養(yǎng)和代謝物質(zhì)及泌乳量等多種因素的影響，導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)，造成奶牛乏情。由于參與奶牛產(chǎn)后發(fā)情調(diào)控的因子眾多、途徑復(fù)雜，因此明確奶牛發(fā)情和乏情之間體內(nèi)能量代謝和生殖機(jī)能的主要差異變化，對(duì)闡明奶牛產(chǎn)后乏情的能量代謝調(diào)控作用機(jī)制具有重要的理論意義。

1.2 奶牛乏情的檢測(cè)方法 在奶牛養(yǎng)殖中，為增加牛奶產(chǎn)量，使奶牛及時(shí)受孕、產(chǎn)犢并提高泌乳是非常重要的，而要達(dá)到上述目的，正確高效地預(yù)測(cè)以及檢測(cè)奶牛的發(fā)情，并適時(shí)配種尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的奶牛發(fā)情行為檢測(cè)方法包括：外部觀察法，試情法，直腸檢查法和B超檢查[17]。以上各種方法都具有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是都需要大量的勞動(dòng)力來(lái)實(shí)際操作，并且會(huì)影響到奶牛的正?；顒?dòng)，效率低，且要求管理人員技術(shù)嫻熟，工作量大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，負(fù)擔(dān)較重，且準(zhǔn)確度較低，因而時(shí)常錯(cuò)過(guò)奶牛的發(fā)情期而不能及時(shí)配種。因此，傳統(tǒng)的奶牛發(fā)情檢測(cè)方法愈加不能滿足現(xiàn)代化奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的需求，基于微機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化電子檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到奶牛發(fā)情檢測(cè)。這些技術(shù)主要是傳感器技術(shù)包括角度傳感器、計(jì)步器、加速度傳感器、自動(dòng)圖像處理技術(shù)、激光技術(shù)、位置控制技術(shù)以及磁場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)等，結(jié)合專(zhuān)家分析平臺(tái)。數(shù)字化檢測(cè)儀器不僅大大減少了勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，對(duì)奶牛的繁殖性能測(cè)定比傳統(tǒng)方法更精確，大大提高奶牛繁殖效率[18-19]。然而，這些數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)僅能檢測(cè)奶牛發(fā)情行為和某些生理指標(biāo)（心跳、脈搏和體溫等），甚至孕酮等，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)情和乏情奶牛，卻無(wú)法獲知乏情奶牛體內(nèi)代謝和生殖機(jī)能異常的變化，查明奶牛乏情的真正病因，為奶牛乏情提供有效的防治策略。究其原因是至今缺乏可用于監(jiān)測(cè)奶牛產(chǎn)后乏情的有效的、實(shí)用的特征性生物標(biāo)示物，這已成為當(dāng)前高產(chǎn)奶牛產(chǎn)后繁殖障礙亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究現(xiàn)狀

2.1 蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）的研究?jī)?nèi)容 1994年，澳大利亞Wilkins等首先提出了蛋白質(zhì)組學(xué)的概念[20]。蛋白質(zhì)組學(xué)指由一個(gè)基因組或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)。它是對(duì)應(yīng)于一個(gè)基因組的所有蛋白質(zhì)構(gòu)成的整體，而不是局限于一個(gè)或幾個(gè)蛋白質(zhì)。由于同一基因組在不同細(xì)胞、不同組織的表達(dá)情況各不相同，即使是同一細(xì)胞，在不同的發(fā)育階段和不同的生理?xiàng)l件甚至不同的環(huán)境影響下，其蛋白質(zhì)的存在狀態(tài)也不盡相同。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)是一個(gè)在空間和時(shí)間上動(dòng)態(tài)變化著的整體[21]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要內(nèi)容包括蛋白質(zhì)的表達(dá)模式和蛋白質(zhì)的功能模式兩個(gè)方面。蛋白質(zhì)表達(dá)模式的研究是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的基礎(chǔ)內(nèi)容，主要研究特定條件下某一細(xì)胞或組織的所有蛋白質(zhì)的表征問(wèn)題[22]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要有3方面內(nèi)容：（1）功能蛋白質(zhì)組學(xué)：對(duì)某個(gè)體系的蛋白質(zhì)組進(jìn)行鑒定并詳細(xì)闡述其翻譯后修飾的特性及其功能；（2）差異蛋白質(zhì)組學(xué)，即比較蛋白質(zhì)組學(xué)：以重要生命過(guò)程或重大疾病為對(duì)象，比較細(xì)胞或機(jī)體在生理和病理過(guò)程中的蛋白質(zhì)表達(dá)變化；（3）相互作用蛋白質(zhì)組學(xué)：通過(guò)多種先進(jìn)技術(shù)研究蛋白質(zhì)之間的相互作用，繪制某個(gè)體系的蛋白質(zhì)間相互作用和聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)圖譜[23]。

2.2 蛋白質(zhì)組學(xué)的主要研究技術(shù) 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究技術(shù)一般分為樣品制備技術(shù)、蛋白質(zhì)分離技術(shù)、蛋白質(zhì)定量分析技術(shù)、蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)、蛋白質(zhì)之間的相互作用技術(shù)和生物信息學(xué)分析[24]。蛋白質(zhì)分離技術(shù)包括雙向凝膠電泳（two-dimensionaldifferential gelelectrophoresis，2-DE）、高效液相色譜技術(shù)（high performance liquid chromatography，HPLC）和毛細(xì)管電泳（capillary electrophoresis，CE）。蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)主要是質(zhì)譜（mass spectrometry，MS），傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)一般是應(yīng)用熒光雙向差異凝膠電泳（fluorescence two-dimensional differential gel electrophoresis，2D-DIGE）與基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)（matrix associated laserdesorption ionization time of flightmass spectrometry，MALDI-TOF-MS）相結(jié)合的方法分離和鑒定蛋白質(zhì)的。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的研究技術(shù)平臺(tái)的發(fā)展，同位素標(biāo)記蛋白質(zhì)相對(duì)和絕對(duì)定量分析（Isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation，iTRAQ）技術(shù)、表面增強(qiáng)激光解吸離子化飛行時(shí)間質(zhì)譜（surface-enhanced laser desorption/ionization time of flightmass spectrometry，SELDI-TOFMS）和電噴霧質(zhì)譜技術(shù)也憑借其操作簡(jiǎn)單和樣品選擇范圍廣等優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多的應(yīng)用[25]。

2.3 蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究雖起步較晚，但進(jìn)展迅速。越來(lái)越多對(duì)動(dòng)物方面的研究也應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的思維方向，以及蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)平臺(tái)，對(duì)其動(dòng)物研究方向進(jìn)行分子水平的研究。蛋白組學(xué)可用于監(jiān)測(cè)疾病發(fā)生的機(jī)制。Kerstin N Euler等人[26]利用2-DE結(jié)合MS技術(shù)研究牛新生兒全血細(xì)胞減少癥，檢測(cè)到幾個(gè)與凝血相關(guān)和免疫調(diào)節(jié)的蛋白，縮小了引起其發(fā)生的蛋白質(zhì)的范圍，為該病免疫機(jī)制的研究奠定了基礎(chǔ)。Zhou D H等人[27]利用2-DE結(jié)合MALDI-TOF/TOF技術(shù)發(fā)現(xiàn)了鼠腦部早期形成弓形蟲(chóng)囊蚴時(shí)腦部蛋白的變化，尋找出了60個(gè)差異表達(dá)蛋白，顯示了弓形蟲(chóng)囊蚴蛋白和正常腦部蛋白的差異，闡明了弓形蟲(chóng)腦炎的發(fā)病機(jī)制。舒適等人[25]應(yīng)用2D-DIGE/MALDI-TOF-MS技術(shù)分離和鑒定了13種差異表達(dá)蛋白，應(yīng)用生物信息學(xué)技術(shù)探究了這些差異蛋白與疾病可能存在的關(guān)系，闡明奶牛乳熱發(fā)生機(jī)制和判定病情與防治效果提供了新的方向。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)還可以用來(lái)尋找疾病早期的蛋白標(biāo)記物，為疾病的早期診斷提供依據(jù)。George J等人[28]利用2-DE結(jié)合MS尋找到哺乳動(dòng)物溴氰菊酯中毒引起的潛在的皮膚腫瘤早期的蛋白標(biāo)記物，為腫瘤發(fā)生的早期診斷提供了依據(jù)。

3 蛋白質(zhì)組學(xué)在奶牛產(chǎn)后乏情研究中的應(yīng)用

為了更好的理解奶牛產(chǎn)后乏情的機(jī)制以及其預(yù)防，需要從以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：分娩前后疾病對(duì)繁殖的影響；影響排卵的基因；在代謝信號(hào)和內(nèi)分泌軸及生殖器官之間起重要連接作用的蛋白的影響[29]。S.Z.El-Zarkouny[30]等人研究了乏情奶牛的血清代謝物和激素的變化，檢測(cè)了多種生化指標(biāo)和激素，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)后不發(fā)情與低鉀、低體況評(píng)分和血清尿素氮升高密切相關(guān)。R.J.Hawken[31]等也研究了與肉牛生殖系統(tǒng)有關(guān)的基因，發(fā)現(xiàn)SNP（single nucleotide polymorphisms）與牛的生殖系統(tǒng)密切相關(guān)。但有關(guān)能量負(fù)平衡引起蛋白改變從而使代謝信號(hào)改變的相關(guān)研究尚未涉及。

大量文獻(xiàn)證實(shí)，能量代謝障礙不僅是酮病、脂肪肝、糖尿病等奶牛主要代謝病的主要危險(xiǎn)因素，而且與機(jī)體其他各系統(tǒng)如生殖系統(tǒng)許多重要疾病如乏情、胎衣不下、子宮內(nèi)膜炎等有密切關(guān)系，已成為奶牛圍產(chǎn)期健康的主要威脅之一。雖經(jīng)長(zhǎng)期的探索，因能量負(fù)平衡所致的奶牛產(chǎn)后乏情發(fā)病機(jī)理仍不十分清楚，但現(xiàn)已公認(rèn)它是由多基因、多因素導(dǎo)致的一類(lèi)復(fù)雜性生理異常過(guò)程[32]。因此，需要從不同角度、不同層次進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究并通過(guò)綜合分析才能對(duì)其有一個(gè)較為全面的了解。隨著功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)理論和研究技術(shù)的興起和發(fā)展，我們可以利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究與能量負(fù)平衡密切相關(guān)的奶牛產(chǎn)后乏情，以尋找特異性生物標(biāo)志物群及其代謝過(guò)程為目標(biāo)，深入探討和全面了解其發(fā)生、發(fā)展機(jī)制和生理、病理狀態(tài)，為疾病診斷和發(fā)現(xiàn)更有效的綜合治療方法提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4 展望

近10年來(lái)，蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，給研究者提供了全景式、全面系統(tǒng)的方法揭示疾病發(fā)生發(fā)展的平臺(tái)，為探究更多的、新的生物標(biāo)識(shí)物提供了方法學(xué)基礎(chǔ)。集成蛋白質(zhì)組學(xué)多項(xiàng)技術(shù)深入系統(tǒng)的探討泌乳早期能量負(fù)平衡對(duì)奶牛乏情的調(diào)控作用機(jī)制，對(duì)豐富和發(fā)展奶牛發(fā)情期能量調(diào)控作用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，為奶牛乏情的早期診斷提供理論依據(jù)。相信未來(lái)我們會(huì)運(yùn)用這些科學(xué)技術(shù)解決奶牛乏情這一養(yǎng)殖業(yè)重要問(wèn)題，從而更有效的提高奶牛繁殖效率，進(jìn)而促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。

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