維生素A對動(dòng)物基因表達(dá)的調(diào)控

■ 趙向利 張英杰

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

維生素A又名視黃醇或抗干眼病醇，是一種脂溶性維生素，是動(dòng)物機(jī)體內(nèi)所必需的微量營養(yǎng)物質(zhì)之一。維生素A不僅在動(dòng)物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)，還可以作為激素參與動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的生長代謝。隨著研究的不斷地深入，人們還發(fā)現(xiàn)維生素A具有某些特定的生理功能。目前，有很多關(guān)于維生素A及其衍生物影響動(dòng)物基因表達(dá)的研究，其可以通過多種途徑來調(diào)控動(dòng)物基因的表達(dá)，從而影響動(dòng)物機(jī)體的免疫、生長發(fā)育以及代謝。文章就維生素A的生物學(xué)功能、在體內(nèi)的代謝途徑和對幾種基因表達(dá)的調(diào)控進(jìn)行了闡述。

1 維生素A的生物學(xué)功能

維生素A是由β-白芷酮環(huán)和兩分子2-甲基丁二烯構(gòu)成的不飽和一元醇，它有三種衍生物，分別是視黃酸、視黃醛和視黃醇，并且每種都有順、反兩種構(gòu)型，其中反式視黃醇有最高的效價(jià)[1]。

維生素A作為動(dòng)物機(jī)體內(nèi)所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，在體內(nèi)有著極其重要的營養(yǎng)生理功能。維生素A可以維持動(dòng)物的正常視覺功能，保護(hù)上皮組織細(xì)胞的完整性，通過促進(jìn)合成免疫球蛋白來提高機(jī)體免疫力，維持骨骼的正常生長，促進(jìn)機(jī)體生長發(fā)育，影響動(dòng)物的繁殖機(jī)能、抑制腫瘤生長等。

缺乏維生素A，可導(dǎo)致暗適應(yīng)力下降、夜盲癥及干眼病，還可引起動(dòng)物機(jī)體的免疫力下降，增加感染疾病的概率，還會(huì)對造血系統(tǒng)造成一定的影響等。動(dòng)物在缺乏維生素A的狀態(tài)下懷孕，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)胚胎畸形，影響的主要系統(tǒng)和器官包括眼、泌尿生殖道、膈、肺、神經(jīng)系統(tǒng)等[2]。視黃酸是維生素A最重要的生理活性衍生物，有促進(jìn)動(dòng)物機(jī)體生長發(fā)育和維持正常上皮功能的作用。

2 維生素A的調(diào)控途徑

天然的維生素A包括維生素A1（視黃醇）和維生素A2（脫氫視黃醇）兩種形式。維生素A2在β-白芷酮環(huán)上比維生素A1多一個(gè)雙鍵，但其生理效用僅為維生素A1的40%[3]。由于維生素A2的活性比較低，一般說的維生素A是指維生素A1。

外源性維生素A進(jìn)入體內(nèi)后產(chǎn)生一系列代謝產(chǎn)物，主要有3種形式，其中視黃醛參與視紫質(zhì)合成，與視覺有關(guān)；視黃酸（也稱維甲酸，RA）是維生素A的主要活性產(chǎn)物，參與生物體的胚胎發(fā)育、器官形成等；視黃醇對生殖過程起作用[4]。“受體學(xué)說”是目前大家公認(rèn)的視黃酸作用機(jī)制，即視黃酸與視黃酸受體（RAR）或視黃酸類X受體（RXR）結(jié)合，激活的受體再與體內(nèi)特異性DNA序列結(jié)合，調(diào)節(jié)其鄰近靶基因的表達(dá)。

3 維生素A對基因表達(dá)的調(diào)控

視黃酸是維生素A的主要活性代謝產(chǎn)物，它存在全反式、9-順式（9cisRA）、13-順式（13cisRA）和3，4-雙脫氫異構(gòu)體（ddRA），其中全反式和9-順式更為重要[3]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)，維生素A通過其代謝產(chǎn)物視黃酸介導(dǎo)影響基因的表達(dá)。

3.1 維生素A對Hox基因表達(dá)的調(diào)控

Hox基因（Hox gene）全名同源基因（homeotic gene）或同源異性基因，是一類重要的發(fā)育調(diào)控基因，可以對生物體的生長、發(fā)育基因進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。一旦Hox基因表達(dá)異常，或其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白的功能異常，則將對細(xì)胞的增殖與分化過程造成直接影響，最終可能導(dǎo)致各種畸形。近年發(fā)現(xiàn)維生素A影響生長發(fā)育可能與Hox基因有關(guān)。有研究已經(jīng)證實(shí)，在Hox基因上存在著視黃酸受體反應(yīng)元件，視黃酸與核內(nèi)的視黃酸受體結(jié)合形成復(fù)合物，此復(fù)合物與視黃酸受體反應(yīng)元件結(jié)合，從而調(diào)控Hox基因的轉(zhuǎn)錄[5]。

樊建設(shè)等[6]從Hox基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平著手，研究了其與維生素A缺乏的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：由于缺乏維生素A導(dǎo)致了Hox基因表達(dá)量下降，表現(xiàn)為B組（維生素A缺乏組）小鼠胎兒的Hox3.5和Hox4.5基因mRNA的含量明顯低于A組（正常對照組）（P＜0.01）。當(dāng)母鼠在嚴(yán)重缺乏維生素A的狀態(tài)下懷孕，將明顯的減少其子代胚胎中Hox3.5和Hox4.5基因的表達(dá)量。缺乏維生素A導(dǎo)致Hox3.5和Hox4.5基因的表達(dá)量減少，導(dǎo)致其胚胎的發(fā)育不良與畸形。

劉恭平等[7]研究表明，維生素A缺乏導(dǎo)致Hox3.5表達(dá)量明顯下降，出現(xiàn)胚胎發(fā)育不良與畸形。補(bǔ)充維生素A雖然有一定的補(bǔ)償作用，可以在一定程度上促進(jìn)Hox基因的表達(dá)，但與正常組相比，仍有顯著差異，表現(xiàn)為胚胎發(fā)育不良。

張連生等[8]試驗(yàn)結(jié)果表明：Hox基因?qū)Ω邉┝烤S生素有很高的敏感性，表現(xiàn)為，隨著維生素A劑量的增加，Hox基因（特別是HoxC4（3.5）基因）在胸部（肺、肝）和腹部的表達(dá)增強(qiáng)，肺泡上皮細(xì)胞明顯增生、間質(zhì)變粗，差異顯著（P＜0.05）。說明過量維生素A可引起HoxC4（3.5）基因的表達(dá)異常，導(dǎo)致胚胎發(fā)育畸形。

3.2 維生素A對鈣結(jié)合蛋白（CaBP）基因表達(dá)的調(diào)控

鈣結(jié)合蛋白（CaBP）是與細(xì)胞內(nèi)鈣的轉(zhuǎn)運(yùn)有密切關(guān)系的一種蛋白，其含量高低直接影響鈣、磷的吸收代謝，進(jìn)而影響骨骼的生長。視黃酸與維生素D協(xié)同調(diào)控鈣結(jié)合蛋白的合成，一般情況下，都是由維生素D來調(diào)控鈣結(jié)合蛋白的合成，但是在腦組織中，鈣結(jié)合蛋白的合成主要受視黃酸調(diào)控[1]，同時(shí)，Kirsch等[9]研究也表明，視黃酸與CaBP的基因表達(dá)有關(guān)。

Veltmann等[10]研究發(fā)現(xiàn)，雛雞日糧中添加高劑量維生素A（45 000 IU/kg）時(shí)，對維生素D產(chǎn)生明顯的拮抗作用。說明，也許是因?yàn)楦邉┝康木S生素A減少了維生素D的吸收，進(jìn)而影響了維生素D依賴性CaBP mRNA的表達(dá)，最終影響肉雞鈣磷代謝及骨骼的發(fā)育。

郭曉宇等[11]研究結(jié)果表明，隨著日糧維生素A水平增加（1 500～45 000 IU/kg），肉雞血清CaBP濃度、脛骨組織與十二腸組織的CaBP mRNA表達(dá)量呈線性降低，且差異顯著，說明日糧中過量的維生素A降低了肉雞組織CaBP mRNA的表達(dá)，使血清CaBP含量降低，對十二指腸組織的CaBP mRNA的表達(dá)有顯著的抑制作用；說明，由于日糧中過量的維生素A抑制了肉雞組織的CaBP mRNA表達(dá)，使血清CaBP含量降低，從而改變了鈣磷代謝，導(dǎo)致肉雞的骨骼發(fā)育異常。

3.3 維生素A對磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶基因表達(dá)的調(diào)控

磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）作為肝臟和腎臟中糖元異生的關(guān)鍵酶，它的基因轉(zhuǎn)錄區(qū)起始位點(diǎn)上游500 bp內(nèi)含有許多調(diào)節(jié)單元，可與代謝信號相呼應(yīng)，cAMP和視黃酸調(diào)控該基因的表達(dá)。當(dāng)維生素A缺乏時(shí)，會(huì)抑制PEPCK基因的表達(dá)。若補(bǔ)充全反式或9-順式視黃酸，可逆轉(zhuǎn)這種抑制效果。維生素A通過視黃酸受體進(jìn)行信號傳導(dǎo)來調(diào)控細(xì)胞的生長[12]。

Devine等[13]研究表明，全反式視黃酸和其異構(gòu)體9-順式視黃酸能使小鼠肝細(xì)胞中的PEPCK基因的轉(zhuǎn)錄增加。為了確定維生素A缺乏對肝臟中PEPCK基因表達(dá)的影響，Dong等[14]給小鼠飼喂兩種不同維生素A水平的日糧，12 h后測定血液中維生素A的濃度，并進(jìn)行RNA分析。結(jié)果表明：維生素A充足組的PEPCK mRNA水平增加了3.5倍，而缺乏維生素A組沒有變化。因此，在食物缺乏的條件下，維生素A缺乏組的PEPCK mRNA水平是75%，低于維生素A充足組。如果給維生素A缺乏組補(bǔ)充全反式視黃酸或9-順式視黃酸，一段時(shí)間后，PEPCK的水平恢復(fù)到維生素A充足時(shí)的濃度。說明在肝臟中，維生素A的水平對PEPCK基因的表達(dá)有著至關(guān)重要的決定作用。

3.4 維生素A對△5-去飽和酶基因的表達(dá)調(diào)控

△5-去飽和酶催化日糧中n-3和n-6脂肪酸前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為長鏈多不飽和脂肪酸，包括γ-亞麻酸（20∶3，n-6）向花生四烯酸（20∶4，n-6）和二十碳四烯酸（n-3）向二十碳五烯酸（n-3）的轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）可以調(diào)節(jié)△5-去飽和酶的活性。激活的PPAR與類維生素A的X受體（RXR）形成異源二聚體，然后和靶基因的過氧化物酶體增殖響應(yīng)元件（PPRE）相互作用來調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，而維生素A的代謝產(chǎn)物：9-順式視黃酸，是最有力的RXR配體。

Zhou等[15]分別給兩組公鼠飼喂缺乏維生素A（VAD）和充足維生素A（VAS）的日糧（基礎(chǔ)日糧中含有低亞油酸和高α-亞麻酸），7周后處死大鼠，取結(jié)腸和肝臟組織進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VAD組肝臟和結(jié)腸中的花生四烯酸（AA）含量高于VAS組（P＜0.001），然而，VAS組肝臟和結(jié)腸的二十二碳六烯酸（DHA）含量高于VAD組。這一結(jié)果可能是由于缺乏維生素A和視黃酸引起了△5-去飽和酶基因的表達(dá)量增加造成的。

3.5 維生素A對IGFs基因的表達(dá)調(diào)控

胰島素生長因子（IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ）可以刺激多種細(xì)胞的增殖和分化，它們與高親和力結(jié)合蛋白通過非共價(jià)鍵鏈接，控制生物利用度和他們的行為。動(dòng)物個(gè)體的營養(yǎng)狀況決定著IGFs的水平，當(dāng)營養(yǎng)缺乏時(shí)，會(huì)降低肝臟中IGF-ⅠmRNA水平。已有研究表明，在不同的細(xì)胞系中，視黃酸可引起IGF-Ⅰ和IGF-ⅡmRNA的變化及IGF結(jié)合蛋白（IGFBP）的表達(dá)[16]。

Fu等[17-18]給1日齡的日本公鵪鶉飼喂維生素A缺乏日糧，結(jié)果顯示對其生長無顯著影響，但是比對照組（在維生素A缺乏日糧中補(bǔ)充4.2 mg/kg全反式視黃醇酯）中的血清IGF-I含量減少了22%。同時(shí)，睪丸、肺、肝臟和心臟中的IGF-ⅠmRNA水平下降了2%～21%，但是并沒用對這些組織中IGF-Ⅰ受體（IGF-IR）和胰島素受體（IR）的基因表達(dá)造成影響。繼續(xù)飼喂維生素A缺乏日糧至21 d時(shí)，出現(xiàn)生長受阻，血清IGF-Ⅰ和組織中IGF-ⅠmRNA的水平進(jìn)一步下降；給鵪鶉單獨(dú)注射視黃酸后，IGFBP5 mRNA的表達(dá)顯著減少。很多研究已經(jīng)證實(shí)，在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞系中，視黃酸對IGFBP mRNA水平具有調(diào)節(jié)作用。

3.6 維生素A對視蛋白基因表達(dá)的調(diào)控

視黃醛以11-順型異構(gòu)體的形式存在，和視蛋白一同構(gòu)成視紫紅質(zhì)，它是一種結(jié)合蛋白，是存在于視桿細(xì)胞內(nèi)的感光物質(zhì)。視蛋白基因的表達(dá)與視覺功能的正常表現(xiàn)密切相關(guān)[19]。日糧中維生素A的缺乏或不足可引起機(jī)體的視覺問題。

Wendy等[20]為了測定視蛋白基因mRNA的水平，分別給兩組果蠅加足量維生素A、維生素A缺乏+β-胡蘿卜素，試驗(yàn)結(jié)果表明，足量維生素A組視蛋白基因mRNA的水平高；維生素A缺乏組視蛋白基因mRNA的水平低，且影響了果蠅的視覺，若在1 h內(nèi)補(bǔ)充胡蘿卜汁，視蛋白基因mRNA的水平又增加，視覺有所恢復(fù)。這表明維生素A和β-胡蘿卜素可以在一定程度上調(diào)控視蛋白基因，但調(diào)控機(jī)理尚不清楚。

4 小結(jié)

綜上所述，維生素A可以通過多種途徑來調(diào)控動(dòng)物基因的表達(dá)，從而影響動(dòng)物的生長發(fā)育。但許多功能的調(diào)控機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。雖然維生素A在日糧中的添加量很少，但是作為一種脂溶性維生素，其缺乏會(huì)影響動(dòng)物的生理機(jī)能。因此，開展維生素A對動(dòng)物主要基因表達(dá)調(diào)控的研究，對從分子水平上解釋動(dòng)物體內(nèi)的生理變化具有重要意義，并對發(fā)掘動(dòng)物生產(chǎn)潛力、提高生產(chǎn)效益具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。