碳水化合物對動物脂肪代謝相關(guān)基因表達的調(diào)控

■張英杰

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，河北保定 071000）

近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，眾多與營養(yǎng)代謝有關(guān)的動物基因被克隆和鑒定，日糧營養(yǎng)對動物代謝調(diào)控的影響機制方面的研究已經(jīng)逐步深入到分子水平，人們對營養(yǎng)與基因調(diào)控的關(guān)系越來越感興趣。主要集中于日糧營養(yǎng)影響動物基因表達和動物基因表達對日糧營養(yǎng)素利用效率的影響兩個方面。通過對日糧營養(yǎng)對動物關(guān)鍵代謝酶基因表達調(diào)控的分子生物學(xué)基礎(chǔ)的研究，將有助于揭示動物生長規(guī)律、營養(yǎng)代謝規(guī)律和機體的生理病理變化，并為通過營養(yǎng)手段調(diào)控動物健康、生長、代謝提供理論基礎(chǔ)。

碳水化合物是多羥基的醛類和多羥基酮類化合物及其縮合物和某些衍生物的總稱。植物性飼料中的碳水化合物按其結(jié)構(gòu)性質(zhì)可以分為兩類：一類為可溶性碳水化合物，主要包括單糖、雙糖和多糖（淀粉），這類可溶性碳水化合物又叫無氮浸出物，是易被動物消化的碳水化合物；另一類為粗纖維，是較難被動物消化的碳水化合物，主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。

碳水化合物對動物脂肪代謝相關(guān)基因的表達有調(diào)控作用，主要表現(xiàn)在碳水化合物在胃腸道被消化成葡萄糖及吸收入血以后，葡萄糖能刺激脂肪組織、肝臟和胰島β細(xì)胞中脂肪合成酶系基因的轉(zhuǎn)錄。

1 碳水化合物對FAS基因的調(diào)控

脂肪酸合成酶（FAS）是脂肪酸合成的主要限速酶，存在于脂肪、肝臟及肺等組織中，在動物體內(nèi)催化丙二酰輔酶A連續(xù)縮合成長鏈脂肪酸的反應(yīng)。動物體脂肪沉積所需要的脂肪酸大多來自脂肪酸的體內(nèi)合成，即由脂肪酸合成酶催化乙酰輔酶A和丙二酸單酰輔酶A合成脂肪酸。因此，脂肪酸合成酶蛋白的多少、活性的高低將直接控制著體內(nèi)脂肪合成的強弱，從而影響整個機體脂肪的含量。目前已有證據(jù)表明，肝臟和脂肪組織中脂肪酸合成酶的活性及其基因表達受多種激素和飼糧營養(yǎng)成分的影響。飼糧碳水化合物等對脂肪酸合成酶基因的表達都有重要影響。

Coupe等（1990）給哺乳的仔鼠飼喂碳水化合物，能在幾小時后誘發(fā)肝臟和白脂肪組織中FAS和乙酰CoA羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）mRNA的出現(xiàn)[1]。FAS、ACC和ATP-檸檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase,ATP-CL）是脂肪合成途徑中三個主要的代謝酶，高碳水化合物、低脂肪的日糧使這些酶的基因轉(zhuǎn)錄得到加強，已有大量的試驗證實了這一點。Maury等（1993）研究表明，如果在正常斷奶仔鼠飼料中加入腸道α-葡萄糖苷酶阻斷劑，將減少采食后腸道中葡萄糖的產(chǎn)量，從而顯著降低FAS和ACC的表達[2]。Girard等（1994）給斷奶后的仔鼠飼喂高脂肪、低碳水化合物的飼糧，發(fā)現(xiàn)肝臟中FAS、ACC和ATP-CL mRNA含量的提高和酶活的增強都受到了抑制[3]。Foufelle等(1992)的試驗表明，2-脫氧葡萄糖在脂肪組織中有類似葡萄糖的作用，能激發(fā)FAS等基因的表達，并且其1 mM的功效相當(dāng)于20 mM葡萄糖的作用。這提示脂肪組織中6-磷酸-2-脫氧葡萄糖可能是信號源，6-磷酸-葡萄糖應(yīng)該是誘導(dǎo)脂肪酸合成酶表達的天然信號；將19日齡哺乳仔鼠的脂肪組織在無血清培養(yǎng)基中培養(yǎng)6～24 h后，加入葡萄糖和胰島素能顯著提高培養(yǎng)液中FAS和ACC mRNA的含量，其水平與已斷奶并采食高碳水化合物的30日齡仔鼠體內(nèi)的含量相當(dāng)。葡萄糖、胰島素的這一作用能被放線菌素D抑制，表明它們是通過加強基因轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)其功效的。試驗還表明，單獨添加葡萄糖能提高FAS和ACC mRNA的含量，并在一定范圍內(nèi)與劑量成正比，葡萄糖的最佳作用劑量為20 mM，而單獨添加胰島素則沒有效果[4]。

Kim等(1996)分別測定了大鼠在飼喂高碳水化合物日糧、饑餓狀態(tài)、禁食后再飼喂高碳水化合物三種情況下FAS mRNA的豐度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飼喂高碳水化合物日糧的大鼠，肝FAS mRNA豐度增加3～5倍，而饑餓顯著降低FAS mRNA的豐度，禁食后再飼喂高碳水化合物，F(xiàn)AS mRNA豐度比禁食組增加20～30倍[5]。張英杰等（2010）通過半定量RT-PCR的方法研究了不同能量水平（能量攝入分別為營養(yǎng)需要量的75%、100%、125%）條件下綿羊尾部脂肪組織中FAS基因的表達規(guī)律，表明FAS基因在綿羊尾部組織中的相對表達量隨日糧中能量水平的增加而呈升高的趨勢，相對表達量在低能量組中最低，高能量組中最高，三組之間的差異極顯著[6]。

舒常平等（2012）研究表明，不同填飼期鵝肝臟組織中FAS基因mRNA表達豐度隨填飼日齡的變化呈現(xiàn)出先升高后迅速降低的趨勢。填飼0、6、30 d之間、12 d與18 d之間差異不顯著；填飼24 d的表達量極顯著高于其它各組，表明在填飼12～18 d和18～24 d是肝臟增重和脂肪酸沉積最關(guān)鍵的兩個階段，F(xiàn)AS基因mRNA的表達豐度也隨之相應(yīng)增加，促進了肝中脂肪酸的沉積和鵝肥肝的快速形成[7]。黃英等(2012)就日糧水平對烏金豬肝臟組織中FAS基因表達水平影響進行了研究，結(jié)果表明，烏金豬肝臟組織中FAS基因表達水平隨能量水平的升高而升高，其中30、100 kg體重時，與中能量和高能量組相比，低能量組顯著降低，但中能量與高能量組間差異不顯著；60 kg體重時，與高能量組相比，低能量組顯著下調(diào)，但中能量組與低能量組及中能量組與高能量組差異不顯著[8]。

2 碳水化合物對HSL基因的調(diào)控

已有試驗研究證實激素敏感脂肪酶（hormonesensitive lipase，HSL）在骨骼肌、心肌和肝臟中發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用，HSL在骨骼肌中的活性主要是由腎上腺素來調(diào)節(jié)的，并通過腺苷-3'，5'-環(huán)化一磷酸(cyclic ade-nosine monophosphate，cAMP)水平來調(diào)節(jié)[9]。細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular mitogen-activated protein kinases，EPK)的活性也與HSL的活性有關(guān)[10]。Hansson等(2005)在缺失HSL的鼠肌肉中發(fā)現(xiàn)，其糖原利用相關(guān)的酶表達增加，表明缺失HSL鼠通過增加利用糖來彌補脂肪利用的降低，說明HSL在肌內(nèi)脂肪代謝中有重要的作用[11]。Holm等（1988）用RNA雜交分析法檢測不同組織中的HSL基因mRNA水平，發(fā)現(xiàn)脂肪組織和一些膽固醇生成組織mRNA較豐富，而心肌和骨骼肌HSL基因mRNA含量很少，認(rèn)為不同組織轉(zhuǎn)錄起始位點的不同可能是造成HSL mRNA表達差異的主要原因[12]。Qiao等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，在哈薩克羊背最長肌肌肉HSL mRNA水平與肌內(nèi)脂肪含量有顯著的負(fù)相關(guān)，在新疆細(xì)毛羊肌肉中，肌肉HSL mRNA水平與肌內(nèi)脂肪含量沒有明顯的相關(guān)性，表明HSL基因表達水平呈現(xiàn)一定的品種差異性[13]。

劉作華等（2007）以葡萄糖作為能量來源，通過豬前體脂肪細(xì)胞的體外培養(yǎng)，研究能量水平對脂肪細(xì)胞HSL基因表達的直接作用。研究結(jié)果表明:隨著葡萄糖濃度的增加，前體脂肪細(xì)胞中HSL mRNA表達量均明顯提高；在相同葡萄糖濃度下，隨著培養(yǎng)時間的增加前體脂肪細(xì)胞中HSL mRNA的表達量略有降低；在研究長白×榮昌雜交豬日糧能量水平、肌內(nèi)脂肪含量（intramuscular fat，IMF）與HSL mRNA豐度三者之間的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，HSL mRNA在背最長肌的表達量與能量水平呈極顯著負(fù)相關(guān)，與肌內(nèi)脂肪含量呈顯著負(fù)相關(guān)[14]。Zhang等(2012)研究表明，日糧能量水平影響綿羊不同組織HSL mRNA表達量。隨著日糧能量水平的升高，綿羊皮下脂肪、背最長肌、股二頭肌和心臟組織HSL mRNA豐度逐漸減少，且HSL基因在綿羊不同組織中的表達具有組織特異性，HSL基因在皮下脂肪組織表達量極顯著高于背最長肌、股二頭肌和心臟[15]。

3 碳水化合物對ob基因表達的調(diào)控

肥胖基因（obese gene，ob）編碼的瘦蛋白(Leptin)是脂肪細(xì)胞分泌的一種激素，是肥胖基因表達的產(chǎn)物，具有調(diào)節(jié)攝食行為，減少能量消耗和降低動物采食量的作用。Leptin是一種在脂肪細(xì)胞中產(chǎn)生與機體的能量平衡及脂肪貯存調(diào)節(jié)有關(guān)的激素，可使神經(jīng)肽(NPY)分泌減少，引起采食量減少。

Kolaczynski等（1996）研究發(fā)現(xiàn)，人在禁食狀態(tài)下會引起脂肪組織肥胖基因的表達及血漿Leptin水平的降低，再度飲食又可迅速恢復(fù)[16]。能量攝入水平對ob基因表達有重要的調(diào)節(jié)作用，這種調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)在翻譯水平。Leptin水平增高，是機體對能量攝入增加，體重增加作出的反饋調(diào)節(jié)，其目的是降低能量攝入，增加能量消耗，維持體重在一個相對平衡的范圍。Spurlock等(1998)報道，禁食減少豬肥胖基因的表達，但維持狀態(tài)或低于維持狀態(tài)較自由采食狀態(tài)對肥胖基因的表達無差異，肥胖基因的表達只與豬脂肪的沉積量和脂肪占體重的百分比有關(guān)[17]。王方年等(1999)用不同葡萄糖濃度培養(yǎng)3T3-F442A脂肪細(xì)胞，研究葡萄糖對Leptin表達的影響，當(dāng)葡萄糖濃度由5～10 mmol/l時，Leptin表達有十分明顯的升高(約7倍)。繼續(xù)升高葡萄糖的濃度，Leptin的表達未見升高，表現(xiàn)出飽和性特點。葡萄糖濃度升至25 mmol/l時，Leptin的表達有明顯下降，這種抑制作用很可能是由于“葡萄糖毒性作用”造成的[18]。

張濤（2007）通過半定量RT-PCR的方法研究了不同能量水平（能量攝入分別為營養(yǎng)需要量的75%、100%、125%）條件下綿羊尾部脂肪組織中ob基因的表達規(guī)律，表明ob基因在綿羊尾部組織中的相對表達量隨日糧當(dāng)中能量水平的增加而呈升高的趨勢，相對表達量在低能量組中最低，高能量組中最高，三組之間的差異極顯著[19]。牛淑玲等(2007)采用熒光RTPCR法研究了不同能量攝入水平對圍產(chǎn)期奶牛脂肪組織Leptin表達的影響，表明不同能量攝入水平顯著影響脂肪組織Leptin的表達。低能飼喂（標(biāo)準(zhǔn)日糧減少20%，能量攝入80%組）明顯提高了脂肪組織中Leptin表達；而高能飼喂(標(biāo)準(zhǔn)日糧增加20%，能量攝入120%組)明顯降低了脂肪組織中Leptin表達[20]。

4 小結(jié)

動物日糧碳水化合物水平影響參與脂肪代謝相關(guān)的FAS、HSL和ob基因的表達，因此，可通過調(diào)控日糧的碳水化合物水平來調(diào)節(jié)動物體內(nèi)脂肪的合成與分解，進而影響到畜產(chǎn)品品質(zhì)。