乳糖酶及其基因的研究進展

摘要 綜述了動物和人的乳糖酶結(jié)構(gòu)和功能以及乳糖酶基因的結(jié)構(gòu)和表達特點，并探討了乳糖酶基因多態(tài)性與乳糖不耐癥的關系。

關鍵詞 乳糖酶；基因多態(tài)性；乳糖不耐癥

中圖分類號 S813.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05497-03

Abstract The structure and function of lactase and the structure and expression features of lactase gene were reviewed. Meanwhile， the relationship of polymorphism of lactase gene and lactase nonpersistent was discussed.

Key words Lactase； Gene polymorphism； Lactase nonpersistent

乳糖是哺乳動物乳汁及乳制品中存在的主要碳水化合物，約占牛乳等制品的5%，全脂牛奶中約30%的熱量和脫脂牛奶中60%的熱量都是由乳糖提供。乳糖是礦物質(zhì)的載體，能促進鈣、磷吸收及整理腸道，其分解產(chǎn)物半乳糖是嬰兒腦發(fā)育的必需物質(zhì)，參與腦組織及其神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)成。但是，機體卻不能直接利用乳糖，乳糖必須經(jīng)乳糖酶分解為單糖后才能被吸收和利用。

乳糖酶（Lactase，LCT），學名為β半乳糖苷酶，在正常情況下乳糖被乳糖酶水解為半乳糖和葡萄糖才能被吸收利用；當乳糖酶缺乏時未被吸收的乳糖停留在腸道內(nèi)，使腸腔內(nèi)滲透壓升高，導致細胞外液水分流入腸道，腸腔內(nèi)液體量增加，促進腸道蠕動，引起腹瀉等癥狀。同時，當未消化的乳糖到達結(jié)腸時，一部分被腸道細菌分解成乳酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸和氫氣、甲烷、二氧化碳等氣體，引起腹脹、腹鳴、腹痛等癥狀，稱為乳糖不耐受（Lactase nonpersistent，LNP）。研究表明，世界各國人口都存在不同程度的乳糖酶缺乏，我國漢族乳糖酶缺乏在小兒中發(fā)生率為20.5%，成人中發(fā)生率高達86.0%[1]，從而導致乳糖不耐癥的發(fā)生。筆者綜述了動物及人的乳糖酶結(jié)構(gòu)和功能及乳糖酶基因的結(jié)構(gòu)和表達特點，并探討了乳糖酶基因多態(tài)性與乳糖不耐癥的關系。

1 乳糖酶及乳糖不耐癥

1.1 乳糖酶的結(jié)構(gòu)和生化特點 乳糖酶廣泛存在于動物、植物和微生物中，根據(jù)不同來源可分為胞外酶和胞內(nèi)酶。該酶能將乳糖水解為半乳糖與葡萄糖，主要用于生產(chǎn)低聚半乳糖及改良乳制品，還可用于蛋白質(zhì)合成和遺傳因子等方面的研究。對乳糖真正起水解作用的為其中的乳糖酶根皮苷水解酶（Lactacephlorizin hydrolase，LPH）。LPH是一種腸上皮細胞微絨毛膜上的糖蛋白，最適pH為5.5～6.0，具有2種酶活性：乳糖酶（βD半乳糖苷半乳糖水解酶βDgalactoside galacto hydrolase）和根皮苷水解酶（糖基N神經(jīng)酰胺-葡糖糖水解酶。前乳糖酶原由4個部分組成，即氨基末端的信號肽域、胞外域、疏水的跨膜錨定區(qū)、羧基末端的胞內(nèi)段，在信號肽引導下經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)一系列修飾后進入高爾基體后被O糖基化，然后經(jīng)歷細胞內(nèi)和腸腔的2次裂解形成成熟的乳糖酶。在哺乳動物（特別是嬰兒），乳糖酶主要存在于小腸粘膜刷狀緣，呈灶塊狀分布，以空腸內(nèi)活性最高，大多數(shù)哺乳動物斷奶后，即乳糖不再是食物的主要來源，乳糖酶活性逐漸降低，但仍有部分人群乳糖酶活性持續(xù)到成年以后，這部分乳糖酶持續(xù)的人群一般為北歐和中東、非洲的牧民，且這部分人群一般有長期的飲奶生活習慣[2]。

1.2 乳糖不耐癥的診斷和治療 對人類而言，乳糖不耐癥在很大程度上限制了人們對乳及乳制品的食用，產(chǎn)生巨大的衛(wèi)生保健支出。乳糖不耐癥造成兒童缺鈣、患軟骨體病、體重低下、身體和智力發(fā)育遲緩，成年人尤其是絕經(jīng)的中老年婦女易出現(xiàn)骨質(zhì)疏松等癥狀。對養(yǎng)殖業(yè)而言，因乳糖不耐引起的仔豬腹瀉而導致的仔豬死亡，造成的巨大經(jīng)濟損失也不容忽視。

對于乳糖不耐癥的診斷，目前建立的方法主要是臨床上人乳糖不耐癥的診斷，其主要的有效診斷方法有以下幾種：①空腸粘膜活檢與乳糖酶含量的測定。此方法是診斷乳糖酶缺乏最直接的方法，被譽為“金標準”。但是，因為此方法操作難度大且為有創(chuàng)操作，所以很少應用于臨床。②糞便酸度檢測。該方法主要應用于一些特殊患者，如嬰幼兒。正常情況下糞便為中性、弱酸或者弱堿性，在體內(nèi)乳糖酶缺乏的情況下，食用含有乳糖的食物后，糞便的酸性會增強，以此來篩查受檢者乳糖酶是否缺乏。③血葡萄糖測定。受檢者攝入一定劑量乳糖后，每間隔15 min測定血中葡萄糖濃度，若血糖升高較基礎值小于1.1 mmol/L，則說明乳糖酶缺乏，因為該方法受胃排空、腸道蠕動等多種因素的影響，所以個體差異較大。 另外，氫呼氣試驗（HBT）、癥狀評分血和尿半乳糖測定等方法也是臨床上用于診斷人乳糖不耐癥比較常用的方法，但關于其他動物乳糖不耐癥診斷方面的研究較少。

對于大多數(shù)乳糖酶缺乏者而言，仍能耐受小劑量乳糖。避免食用高乳糖奶制品，選擇低乳糖制品，通過多次、少量、間隔進食等方法，進而減少機體對乳糖的接觸，可減輕甚至避免乳糖不耐受癥狀的發(fā)生。通過少量等進食方法若癥狀仍不能緩解，可改食酸奶。乳酸菌作為有效的微生態(tài)制劑，在輔助治療乳糖不耐癥方面涌現(xiàn)出許多產(chǎn)品。在攝入含乳糖食品前，可以補充乳糖酶制劑，也可以達到緩解癥狀的目的。此外，補充外源性益生菌，調(diào)整腸道菌群失調(diào)、積極治療原發(fā)病、防止抗生素濫用、補充鋅等微量元素等促進腸上皮細胞修復等對于繼發(fā)性乳糖酶缺乏也有一定效果。隨著基因工程技術的發(fā)展，關于乳糖不耐癥的診斷和治療方面的研究還在進一步發(fā)展，相信在不久的將來這些技術不僅會造福于人類，而且也能應用于其他動物。

2 乳糖酶基因的研究進展

2.1 乳糖酶基因的結(jié)構(gòu) 人的LCT基因位于2號染色體長臂（2q21）上，與MCM6（Minichromosome maintenance complex component 6）基因相鄰，具有17個外顯子，外顯子全長達到13 352 bp（GenBank：AH002863.1）。小鼠LCT基因位于1號染色體上，具有16個外顯子（NM_001081078），豬LCT基因位于染色體長臂15q13，屬于常染色體隱性遺傳，預測CDS 全長為5 793 bp（XM_003359430）。豬LCT基因的增強子和啟動子均位于5’非編碼區(qū)。增強子序列為146 bp，啟動子序列為317 bp[3]。

2.2 乳糖酶基因的表達 乳糖酶基因表達的調(diào)控機制尚未完全明確，可能受多種因素調(diào)控。Wang等[4]利用轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，乳糖酶基因表達具有特殊的時間和位點特異性，即大多數(shù)哺乳動物，乳糖酶在其新生期達到最大，一直持續(xù)到哺乳期；在斷奶后的生長發(fā)育過程中，乳糖酶的表達量和催化活性都明顯降低。乳糖酶在十二指腸遠端和空腸表達量最大，而在十二指腸近端和回腸遠端表達量最小，而調(diào)控這種表達模式的元件是位于乳糖酶基因轉(zhuǎn)錄起始位點的啟動子片段。另有文獻報道，在近端小腸表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，在小腸中段表現(xiàn)為翻譯水平的調(diào)控，在遠端回腸則表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄后調(diào)控[5]。乳糖酶有多種突變類型，不同的突變類型對乳糖的基因活性產(chǎn)生不同的影響，有些位點甚至可作為特定人群的初步篩查指標。

研究發(fā)現(xiàn)腸道上皮細胞特異轉(zhuǎn)錄因子CDX2（Caudalrelated homeodomain transcription factor 2）、Oct1（Octamer transcription factor 1）、GATA4/6（GATA binding protein 4/6）和HNF1α（Hepatocyte nuclear factor 1 α）與LCT啟動子中的TATA上游區(qū)結(jié)合，并協(xié)同刺激轉(zhuǎn)錄。變異型T13910表現(xiàn)出較高的Oct1的結(jié)合活性，其轉(zhuǎn)錄活性是C13910的3～6倍；利用凝膠電泳遷移分析表明Oct1、HNF1α的結(jié)合位點在-14010附近，試驗表明C14010基因型對Oct1的親和力比G14010強[6]。

2.3 乳糖酶基因的多態(tài)性 已發(fā)現(xiàn)人的乳糖酶基因有188個單核苷酸多態(tài)性（SNP）位點，但已知與乳糖不耐癥相關的位點數(shù)量有限，且該相關性有很大的種族和地理差異。目前研究較多的與乳糖不耐癥相關的位點有-13910C/T、-22018G/A、-13907C/G、-13915T/G和-14010G/C[7-12]，對其他動物的LCT基因多態(tài)性的研究則相對較少。

3 乳糖酶基因多態(tài)性與乳糖不耐癥

3.1 乳糖酶缺乏的遺傳基礎 乳糖酶缺乏（Lactase deficiency，LD）是指小腸粘膜刷狀緣乳糖酶數(shù)量或者活性低下，包括以下幾種情況：①原發(fā)性乳糖酶缺乏。原發(fā)性乳糖酶缺乏在LD中最為常見，哺乳動物出生時乳糖酶活性最高，1年后乳糖酶活性會迅速下降，至成年期幾乎完全消失，其原因一般認為與世代形成的飲食習慣所造成的乳糖酶基因突變而形成的不可逆變化。②繼發(fā)性乳糖酶缺乏。常見于小腸粘膜上皮細胞破損或某些全身性疾病后出現(xiàn)的暫時性乳糖酶活性低下（如克羅恩病、感染性腹瀉及乳糜瀉等），乳糖酶活性會暫時消失1個月或更長。③先天性乳糖酶缺乏。先天性乳糖酶缺乏是一種常染色體隱性遺傳性疾病，即在出生時乳糖酶活性就低下或缺乏，這會導致嚴重的腸胃功能失調(diào)，若不供給無乳糖食品，會有生命危險。該種類型比較罕見。

3.2 乳糖酶基因多態(tài)性與乳糖不耐癥的關系 研究者對不同地區(qū)（如印第安人、南亞人、非洲人等）的人群體內(nèi)LCT表達情況及其多態(tài)性做了大量研究。在歐洲人群體內(nèi)位于乳糖酶基因上游增強子區(qū)域內(nèi)-13910*T的單核苷酸多樣性能夠影響乳糖酶啟動子的激活，基因型C/C13910與乳糖酶活性呈負相關，而基因型C/T13910和T/T13910與乳糖酶活性呈正相關[13]。另外，Sanna Tolonen等研究發(fā)現(xiàn)C/C13910基因型的老年人骨折的發(fā)病率較其他基因型高[14]；北印度兒童中LCT基因為G/G22018 者比基因型為G/A22018和A/A22018者更容易出現(xiàn)乳糖不耐的癥狀[11]；Tishkoff等發(fā)現(xiàn)-14 010*C、-13 915*G和-13 907*G與非洲人群LP有關，且這些多態(tài)性位點位于MCM6（Minichromosome maintenance 6 gene）鄰近的內(nèi)含子13的增強子序列上[15]。羅俊、徐麗丹等研究發(fā)現(xiàn)這些LCT基因多態(tài)性位點與中國人乳糖不耐癥沒有相關性，僅-22018A等位基因在北方漢族、哈薩克族、蒙古族等6個不同民族中的分布頻率有較大差異，與乳糖不耐有相關性[16]。此外，研究者還對不同地區(qū)（如印第安人、歐洲人、非洲人、南亞人等）的人群體內(nèi)LCT表達情況及其分布進行了大量研究。

與對人的LCT廣泛深入的研究相比，關于其他動物這方面的研究則較少。Kelly等研究了哺乳對新生仔豬腸絨毛刷狀緣乳糖酶活性的影響，即延長哺乳期雖能減緩但不能避免乳糖酶活性的衰退。另外有研究發(fā)現(xiàn)，新生仔豬對碳水化合物消化不良可以導致小腸壞死。新生仔豬體內(nèi)的β半乳糖苷酶能調(diào)節(jié)腸道的活性和形態(tài)。將人的LPH基因在小鼠內(nèi)能表達，轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)的乳糖酶可以維持在一定的水平[14，17-18]。Troelsen等曾報道調(diào)節(jié)豬LCT基因空間特異性和時間特異性的基因序列位于轉(zhuǎn)錄起始部位上游約1 kb左右，同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子Cdx2和HNF1α與TATA盒上游的臨近啟動子的順式作用元件結(jié)合，激活啟動子的活性。然而單純的啟動子并不能使已分化的小腸細胞高表達乳糖酶，還需要上游的區(qū)域約-894～-798 bp的增強子序列，增強子區(qū)（-930 ～-785 bp）存在3個順式作用元件CE2a（-894～-875 bp）、CE2b（-833～-814 bp）及nt20（-880～-875 bp），這3個部位通過與轉(zhuǎn)錄因子HNF1、nt20R及nt20Ac等結(jié)合來調(diào)控豬LCT基因的表達[19-21]。杜海廷等研究表明大白豬、長白豬、杜洛克、荷包豬、民豬LCT基因5’非編碼區(qū)-630 bp處及增強子區(qū)-797 bp處出現(xiàn)G/A 2種不同的等位基因，在-539 bp處出現(xiàn)C/T 2種不同的等位基因，在-442 bp處出現(xiàn)C/A 2種不同的等位基因[22]。

4 展望

隨著乳糖的吸收利用問題日益引起人們的關注，關于乳糖酶的添加技術日益成熟。部分腸道菌含有LCT，如雙歧桿菌、乳桿菌、大腸桿菌、酵母菌和霉菌等。所有的雙歧桿菌都含有LCT，可以將乳糖降解成葡萄糖和半乳糖，且活力明顯高于其他腸道菌。因此，對于LCT缺乏或不足的人群，補充適量的雙歧桿菌可以避免乳糖不耐癥的發(fā)生。田玉民和蘇玉虹研究發(fā)現(xiàn)仔豬也可以通過添加LCT和益生菌降低乳糖不耐癥的發(fā)生[23]。隨著基因工程技術的發(fā)展，將會研究清楚LCT基因表達和調(diào)控的機制，不僅解決人類的乳糖不耐癥，同時也有利于診斷動物的乳糖不耐癥，提高動物的生存質(zhì)量，為分子育種和營養(yǎng)調(diào)控奠定基礎。

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