氨基酸影響奶牛乳腺內(nèi)乳脂合成的機理

趙艷麗　陳　璐　史彬林　閆素梅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010018)

氨基酸影響奶牛乳腺內(nèi)乳脂合成的機理

趙艷麗陳璐史彬林閆素梅*

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：乳蛋白前體物主要有游離氨基酸和小肽等。氨基酸不僅能影響乳腺內(nèi)乳蛋白的合成，而且對乳脂的合成起一定的調(diào)控作用。本文主要闡述了氨基酸在乳脂合成過程中的調(diào)節(jié)作用，并從乳腺對乳脂前體物的攝取規(guī)律、乳脂合成相關(guān)基因表達、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白和腺苷酸活化蛋白激酶信號通路的角度綜述了氨基酸對乳脂合成的可能機理，為進一步研究乳脂合成機理及改進牛奶營養(yǎng)品質(zhì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：奶牛；氨基酸；乳脂；乳腺；機理

乳脂和乳蛋白是構(gòu)成牛奶營養(yǎng)品質(zhì)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，乳品質(zhì)及其質(zhì)量安全的研究已經(jīng)成為營養(yǎng)學(xué)家們關(guān)注的熱點[1-3]。影響牛奶營養(yǎng)品質(zhì)的因素有多種，其中，乳成分前體物(milk component precursor,MCP)的形成與利用是調(diào)控牛奶營養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵，其含量和組成直接影響乳腺內(nèi)乳蛋白和乳脂等乳成分的合成，進而影響乳品質(zhì)[4]。氨基酸(amino acid,AA)作為主要的乳蛋白前體物(milk protein precursors,MPP)，許多研究報道了其對乳蛋白合成的影響及其機理[5-7]。然而，研究發(fā)現(xiàn)AA不僅對乳蛋白的合成有影響，也會對乳脂和乳糖的合成產(chǎn)生影響[8]。但關(guān)于AA對乳脂合成影響機理尚不清楚。本文主要綜合國內(nèi)外的研究報道闡述AA對乳脂合成的影響及其可能的影響機理，為深入研究奶牛乳腺內(nèi)的乳脂合成機理和改善乳品質(zhì)提供參考。

1AA對乳腺內(nèi)乳脂合成的影響

AA對動物脂肪代謝的影響研究早有報道，如Ryzhenkov等[9]研究表明，精氨酸降低小鼠血清中膽固醇、甘油三酯(triglyceride,TG)含量的同時抑制高血脂癥的發(fā)展。高脂飼糧中支鏈氨基酸(branch chain amino acid,BCAA)對肥胖和脂肪代謝平衡具有一定影響，在BCAA組中小鼠肝臟和肌肉中甘油三酯的含量顯著降低，這提示BCAA有利于維持脂肪動態(tài)平衡[10]，但是BCAA如何影響與脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的表達及其機理尚不明確。近年來的研究也發(fā)現(xiàn)，AA作為主要的MPP，不僅能夠影響乳腺內(nèi)乳蛋白的合成，而且能夠影響乳腺內(nèi)乳脂的合成，對乳脂的合成具有一定的正向調(diào)控作用。奶牛的飼糧中添加一定量的蛋氨酸羥基類似物，牛奶乳脂的含量呈現(xiàn)出增加的趨勢[11]。Chamberlain等[12]的研究證實，對奶牛進行靜脈灌注蛋氨酸，可以使乳脂肪含量得到提高。當(dāng)飼糧中蛋白質(zhì)的含量增加12%～18%時，乳脂的含量會減少0.5%，而乳蛋白和乳糖的含量不會發(fā)生相應(yīng)的變化，但如果在奶牛的飼糧里添加一定含量的蛋氨酸羥基類似物，會增加牛奶中乳脂的含量[13]。這可能是由于AA的灌注引起能量載體物質(zhì)葡萄糖和乙酸增加[5]，乙酸是乳脂合成的主要底物，進而促進乳脂肪酸的從頭合成。韓慧娜[14]指出以玉米秸稈為唯一粗飼料的秸稈組奶牛由陰外動脈灌注混合AA后，可顯著降低干物質(zhì)進食量，提高乳蛋白含量，并對產(chǎn)奶量、標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量、乳脂含量與乳脂產(chǎn)量和乳蛋白產(chǎn)量均有一定促進效果，其原因可能與AA的灌注引起乳腺對乳脂前體物的攝取規(guī)律發(fā)生改變有關(guān)。奶山羊靜脈灌注必需氨基酸(EAA)后，血液中葡萄糖、甘油三酯、總膽固醇、乳蛋白和乳糖的含量增加，尿素氮含量的變化不顯著，但乳脂和非脂固形物含量有升高的趨勢[15]。血液中乳脂合成底物濃度及血流量的變化是影響乳腺攝取效率的主要因素，AA供給可促進血流量上升，乙酸動靜脈差增加，提高乳腺對乙酸的攝取量與攝取率[14]。不過，盡管一些研究報道了AA對乳脂合成的影響，但尚沒有明確的機理可以說明AA的添加對奶牛乳腺內(nèi)乳脂合成作用。因此，有必要深入研究其調(diào)節(jié)機理，解釋AA對調(diào)節(jié)乳脂合成的影響，進而為改進乳成分的合成和牛奶品質(zhì)提供理論依據(jù)。

2AA對乳脂合成的影響機理

2.1影響乳腺對脂肪酸的攝取與利用

盡管沒有明確的機理能說明蛋白質(zhì)灌注對乳脂合成的促進作用，但有研究發(fā)現(xiàn)灌注AA能增加乳脂合成前體物在動脈中的濃度，或增加其被乳腺組織的攝取效率，如乙酸、非酯化脂肪酸和β-羥丁酸[16-18]。研究發(fā)現(xiàn)灌注EAA后，乳腺對乙酸、丙酸、丁酸和總VFA的攝取量均顯著提高，提示AA的灌注增加乳腺對VFA的攝取量，同時增加其對乳腺組織的氧化供能，有利于乳腺內(nèi)乳汁的形成[19]。孫滿吉[20]的研究指出，在關(guān)中奶山羊的陰外動脈內(nèi)灌注49.2和65.6 g/d的AA混合物后，乳腺血漿內(nèi)的乙酸、丁酸以及總VFA濃度都會被顯著地提高，而且乳腺對乙酸的攝取量也顯著地提高。Weekes等[21]的研究表明，給奶牛皺胃灌注不含賴氨酸和組氨酸的混合AA乳脂產(chǎn)量分別增加258和320 g/d。段斌[15]的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在關(guān)中奶山羊的陰外動脈灌注6.2 g/d的AA混合物后，乳腺對乙酸的攝取量提高了7.2%。王強[22]利用陰外動脈灌注技術(shù)對奶山羊進行灌注不同平衡模式的AA，研究發(fā)現(xiàn)乳腺對乳脂前體物的攝取量提高了50.0%～71.5%。以玉米秸稈為粗飼料的奶牛陰外動脈血中灌注AA后乳靜脈血中乙酸的濃度提高，乙酸的動靜脈濃度差增加，秸稈組奶牛乳腺對乙酸的攝取量和攝取效率與以苜蓿草為粗飼料的苜蓿組奶牛的差異縮小[14]。這些研究說明乳蛋白前體物AA可增加乳腺對乳脂前體物的攝取效率，調(diào)控乳腺內(nèi)VFA的含量，進而影響乳脂的合成。而且，Maxin等[23]采用Meta分析的方法，對7篇關(guān)于瘤胃后灌注蛋白質(zhì)對乳脂合成的影響的研究進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)灌注能增加乳脂產(chǎn)量，其中中短鏈脂肪酸含量有升高的趨勢(C6∶0～C14∶0)，而C16∶0、C18∶0和C18∶2含量則有降低的趨勢。綜合得出，MPP的供給對乳脂合成的促進作用，主要是增加了乳腺對乙酸、丁酸等乳脂前體物的攝取，進而增加了乳腺中從頭合成的脂肪酸，但抑制了乳腺對長鏈脂肪酸的攝取與利用，但目前相關(guān)的研究報道很少，需要進一步探討。

2.2影響進入乳腺尾動脈血的脂肪酸比例

乳蛋白前體物的灌注在一定程度上可以提高尾動脈血中乙酸/丙酸、(乙酸+丁酸)/丙酸和短鏈脂肪酸/長鏈脂肪酸[14]。而脂肪酸之間的比例也是影響乳脂合成的重要因素。體外結(jié)果表明，當(dāng)乙酸/丁酸為1∶1(5 mmol/L∶5 mmol/L)時，乳腺上皮細胞(bovine mammary epithelial cells,BMECs)中乙酰輔酶A羧化酶α(acetyl-coenzyme A carboxylase α,ACACA)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)和硬脂酰輔酶A去飽和酶(stearoyl-CoA desaturase,SCD)1轉(zhuǎn)錄水平顯著增加，但是固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol regulatory element binding protein,SREBP)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma,PPARγ)mRNA表達不受影響[24]。當(dāng)乙酸/β-羥丁酸為2∶1(5.54 mmol/L∶2.27 mmol/L)時，BMECs內(nèi)甘油三酯含量顯著增加，F(xiàn)ASN、ACACA、脂肪酸結(jié)合蛋白3(fatty acid-binding protein 3,FABP3)、脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase,LPL)、PPARγ和SREBF1 mRNA表達顯著上調(diào)[25]。體外培養(yǎng)的BMECs中添加不同比例不飽和脂肪酸(油酸∶亞油酸∶亞麻酸分別為0.75∶4.00∶1.00、1.50∶10.00∶1.00、2.00∶13.30∶1.00、3.00∶20.00∶1.00和4.00∶26.70∶1.00)可抑制BMECs內(nèi)FASN和ACACAmRNA的表達，但上調(diào)FABP3和分化抗原簇36(cluster of differentiation 36,CD36)mRNA的表達[26]。長鏈脂肪酸(棕櫚酸和硬脂酸)可下調(diào)乳脂合成相關(guān)基因FASN、ACACA、FABP3和SCD的表達，上調(diào)CD36的表達[27-28]。短鏈脂肪酸/長鏈脂肪酸為1.0∶2.0、1.0∶3.0和1.0∶4.5時，對BMECs內(nèi)甘油三酯合成的促進效果較好；短鏈脂肪酸/長鏈脂肪酸(1.00∶0.82～1.00∶6.00)對ACACA、FASN、CD36、FABP3、LPL和PPARγ和SREBF1的基因表達均有顯著的促進作用[29]。由此推測，灌注乳蛋白前體物對奶牛乳脂產(chǎn)量的影響可能與其對用于從頭合成的脂肪酸乙酸和丁酸在尾動脈血中的比例增加有關(guān)。這為解釋乳蛋白前體物可以調(diào)控乳脂合成的機理研究提供了理論依據(jù)。這些研究也說明從AA及其與乳脂前體物的互作方面入手研究其對乳脂乳蛋白合成的影響是今后進一步研究的領(lǐng)域之一。

2.3影響乳脂合成相關(guān)酶的基因表達

在乳脂前體物調(diào)控乳脂合成的基因網(wǎng)絡(luò)中，ACACA和FASN是參與奶牛乳脂肪酸從頭合成過程的2個關(guān)鍵基因，脂肪酸從頭合成中必需的乙酰-輔酶A(CoA)和丁酰-CoA是通過FASN和ACACA的作用獲得的[30]。SCD1是脂肪酸合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，主要負責(zé)從頭合成的去飽和作用。FABP、LPL和CD36是參與哺乳動物多種組織中LCFA細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運的3種重要基因[31]。SREBP屬于核轉(zhuǎn)錄因子家族，是脂肪合成基因重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，調(diào)節(jié)脂肪酸合成相關(guān)基因的表達。SREBP1調(diào)節(jié)靶基因眾多，ACACA、FASN、SCD1及FABP3等都受其調(diào)控，進而調(diào)節(jié)脂肪酸的轉(zhuǎn)運、從頭合成以及去飽和過程。PPARγ極有可能可以調(diào)控乳腺組織中SREBP的活性[32]，脂肪酸轉(zhuǎn)運基因如LPL和CD36是PPARγ的標(biāo)靶基因[33]。乳脂前體物通過對以上相關(guān)基因及調(diào)控因子的調(diào)節(jié)完成對乳脂合成的調(diào)控作用。

在乳脂合成過程中，動物脂肪的生物合成與分解受酶活性的直接調(diào)控，由若干酶催化完成。所有影響酶促反應(yīng)的因素，如酶的活性和含量，都會影響脂肪的合成。在體外的研究中發(fā)現(xiàn)，不同AA模式對乳腺細胞培養(yǎng)物中脂肪代謝合成關(guān)鍵酶(FAS、蘋果酸脫氫酶和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶)活性及甘油三酯分泌量產(chǎn)生了顯著的影響，通過提高脂肪酸合成關(guān)鍵酶的活性，提高了甘油三酯的分泌進而影響脂肪的合成[34]。蛋氨酸和賴氨酸在適宜濃度下促進BMECs內(nèi)ACACAmRNA表達[35]。由于過多的AA轉(zhuǎn)化為葡萄糖后，一方面為乳脂合成提供了大量能量，另一方面葡萄糖中間代謝產(chǎn)物是合成乙酰輔酶 A羧化酶(ACC)的底物，導(dǎo)致BMECs內(nèi)甘油三酯含量隨著葡萄糖含量增加而升高[36]。目前，關(guān)于AA對乳腺內(nèi)乳脂合成相關(guān)酶活性及其基因表達的研究甚少，但鑒于其在乳脂合成中的重要作用，所以在探討AA對乳脂合成作用的研究中檢測相關(guān)酶活性及其基因表達具有重要的意義。

2.4通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號通路調(diào)節(jié)乳脂的合成

mTOR是一種非典型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。mTOR分子和不同蛋白質(zhì)結(jié)合后形成2種不同復(fù)合物：mTORC1 和mTORC2[37]。mTOR信號通路能感知和整合多種營養(yǎng)素與環(huán)境信號的刺激，參與動物生長和機體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。乳腺對AA的攝取受動脈血中的營養(yǎng)供給調(diào)控的同時，還受mTOR信號通路的調(diào)控。調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯對于決定產(chǎn)奶量非常重要[38]，AA對蛋白質(zhì)翻譯的影響受mTOR信號途徑的調(diào)控[7]。Proud[39]通過動物及細胞模型試驗指出，AA與細胞內(nèi)可利用能量不僅是蛋白質(zhì)合成的底物同時向蛋白質(zhì)合成組織發(fā)送信號。mTOR通路在調(diào)控乳蛋白合成的同時，也可以調(diào)控乳脂的合成。亮氨酸(Leu)、蛋氨酸(Met)、脯氨酸(Phe)、蘇氨酸(Thr)、色氨酸(Trp)和賴氨酸(Lys)均能上調(diào)奶牛乳腺上皮細胞內(nèi)SREBP1和PPARγ的基因表達[8]。mTORC1通過激活SREBP1來調(diào)節(jié)胰島素對脂肪的從頭合成的影響[40]。同時，mTOR信號通路作為一種調(diào)控手段通過PPARG對調(diào)節(jié)血脂、脂肪累積及脂肪攝取等有促進作用[41]。Luyimbazi等[42]的研究指出，添加100 nmol/L雷帕霉素降低人乳腺癌細胞中SCD1和SREBP1的蛋白表達，但不改變SCD1蛋白穩(wěn)定性。同一試驗中采用小分子干擾RNA手段沉默真核起始因子4E(eukaryotic initiation factor 4E,eIF4E)后，SCD1和SREBP1蛋白合成量顯著降低，說明SCD1可能受到mTOR/eIF4E通路的調(diào)控。生冉[43]提出乙酸作用于mTOR信號通路后，其下游因子eIF4E激活SREBP1，進而調(diào)控乳脂合成相關(guān)基因，例如FASN、ACACA和SCD1，從而實現(xiàn)對乳脂合成的調(diào)控。eIF4E極有可能就是乙酸通過mTOR信號通路調(diào)控乳脂及乳蛋白合成的一個交匯點。因此，AA可能通過mTOR信號通路對乳脂合成產(chǎn)生影響，但目前相關(guān)的研究罕見，還有待于進一步研究。

2.5通過腺苷酸活化蛋白激酶信號通路調(diào)節(jié)乳脂的合成

腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-mono-phpsphate-active protein kinase,AMPK)是由α催化亞基和β、γ調(diào)節(jié)亞基構(gòu)成的異源三聚體蛋白激酶復(fù)合物。AMPK的β和γ亞基與5’-AMP結(jié)合后AMPK被激活，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)性改變。通過上游的激酶轉(zhuǎn)化生長因子-β激活的激酶1(transforming growth factor-β activated kinase 1,TAK1)、絲氨酸/蘇氨酸激酶1(serine/threonine kinase 1,LKB1)和鈣調(diào)蛋白依賴蛋白激激酶(calmodulin dependent protein kinase kinase,CaMKK)，催化AMPK亞基活性中心的Thr172發(fā)生磷酸化[44-46]。在小鼠肝臟中，AMPK磷酸化后使SREBP1c失活，從而引起ACC、FAS、SCD1等脂肪合成基因的表達下調(diào)[47]。高蛋白飼糧能通過依賴Leu的方式抑制AMPK的活性，促進mTOR的激活[48]。EAA的添加可降低乳腺上皮細胞內(nèi)AMPK(Thr172)的磷酸化，提高mTOR(Ser2448)磷酸化水平[49]，活化的AMPK抑制下游的mTOR活性[50]。但在奶牛乳腺細胞內(nèi)AA通過AMPK調(diào)控其下游基因表達的研究主要關(guān)注乳蛋白合成的相關(guān)基因，有關(guān)乳脂合成相關(guān)基因(FASN、ACACA、SCD、SREBP1和PPARG)的研究較少。目前關(guān)于AMPK對脂肪合成機理的研究主要針對脂肪組織與脂肪細胞[51-52]。雞前體脂肪細胞經(jīng)過AMPK激活劑AICAR處理后，PPARα、PPARγ基因表達量有所降低，而經(jīng)過抑制劑Compound C處理后，細胞脂質(zhì)蓄積能力和PPARα、PPARγ基因表達量會增加，因此，AMPK基因?qū)χ境练e具有一定調(diào)控作用[53]。所以，在BMECs內(nèi)AA是否可以通過AMPK/mTOR信號通路調(diào)控脂肪的合成有待于研究。

3小結(jié)

AA不僅影響奶牛乳腺內(nèi)乳蛋白的合成，同時對乳脂的合成有一定的調(diào)節(jié)作用。目前，關(guān)于單一AA或混合AA對乳蛋白合成的研究較多，但關(guān)于AA在乳脂合成中的調(diào)控作用及其機理的研究較少。綜合國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，AA可能從乳腺對乳脂前體物的攝取規(guī)律、乳脂合成相關(guān)基因表達、mTOR和AMPK信號通路等方面對乳脂的合成產(chǎn)生影響，但確切的機理仍然需要進一步探討。

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(責(zé)任編輯王智航)

Mechanism of Amino Acids Affect Milk Fat Synthesis in Mammary Gland of Dairy Cows

ZHAO Yanli CHEN Lu SHI Binlin YAN Sumei*

(Collage of Animal Science, Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010018, China)

Abstract:Amino acids (AA) and small peptides are the milk protein precursors (MPP) regulating the synthesis of milk fat and milk protein in mammary gland of dairy cows. This paper mainly reviewed the regulation of AA in milk fat synthesis, as well as the mechanism from uptake of the milk fat precursors by the mammary gland, the expression of milk fat relating genes, and the regulation of mammalian target of rapamycin and adenosine monophosphate activated protein kinase signaling pathways, which may provide theory evidence for the mechanism of milk fat synthesis and improve the nutritional quality of milk.[Chinese Journal of Animal Nutrition, 2016, 28(5)：1317-1323]

Key words:dairy cow; amino acid; milk fat; mammary gland; mechanism

doi：10.3969/j.issn.1006-267x.2016.05.005

收稿日期：2016-01-22

基金項目：國家奶業(yè)“973計劃”項目(2011CB1008003)

作者簡介：趙艷麗(1986—)，女，陜西榆林人，博士研究生，從事奶牛乳腺上皮細胞內(nèi)乳脂乳蛋白合成調(diào)控。E-mail： ylzhao2010@163.com *通信作者：閆素梅，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail： yansmimau@163.com

中圖分類號：S823

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-267X(2016)05-1317-07

*Corresponding author, professor, E-mail: yansmimau@163.com