營養(yǎng)調(diào)控影響奶牛性狀表現(xiàn)的表觀遺傳機(jī)制

汪 麗，孫會增，劉建新

（浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院奶業(yè)科學(xué)研究所，浙江杭州310058）

在動物個體的生長發(fā)育過程中，遺傳物質(zhì)不斷進(jìn)行著時間和組織特異性的表達(dá)，最終決定特定蛋白質(zhì)的合成與活性。在生物體世代繁殖過程中，遺傳信息隨著核酸的堿基序列傳遞給下一代，這些是中心法則和經(jīng)典遺傳學(xué)的研究內(nèi)容和成果。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)生物體的基因表達(dá)不僅受到遺傳物質(zhì)控制，還受到外界環(huán)境信號的影響；遺傳信息不僅存在于堿基序列上，還以序列之外的形式攜帶遺傳信息，環(huán)境與遺傳物質(zhì)相互作用可影響基因的表達(dá)和遺傳，即表觀遺傳現(xiàn)象。對表觀遺傳有2個定義：一種定義是表觀遺傳是與DNA突變無關(guān)的可遺傳的表型變化；另一種定義是染色質(zhì)調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)錄水平的變化，這種改變不涉及DNA堿基序列的改變。目前，表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾作用（如甲基化、乙酰化作用）、microRNA調(diào)控等。

表觀遺傳性狀往往與機(jī)體代謝、發(fā)育、分化、進(jìn)化等生命過程密切相關(guān)，基因的表達(dá)決定表型，而營養(yǎng)可以對基因表達(dá)起調(diào)節(jié)作用。表觀遺傳學(xué)彌補(bǔ)了經(jīng)典遺傳學(xué)的不足，成為生命科學(xué)研究的重點和熱點，也為動物營養(yǎng)研究提供了新的切入點和研究方法。本文主要從營養(yǎng)調(diào)控角度綜述了奶牛表觀遺傳機(jī)制影響性狀表現(xiàn)的研究進(jìn)展和發(fā)展方向，目前該領(lǐng)域的研究主要集中在泌乳性能、繁殖性能和疾病機(jī)理等方面，通過分析差異代謝物、測定基因表達(dá)量和表觀遺傳修飾程度等解析其表觀遺傳機(jī)制。

1 營養(yǎng)與表觀遺傳

日糧是動物機(jī)體維持生命、生產(chǎn)產(chǎn)品所必需的，它不僅為動物的一切生命活動提供營養(yǎng)物質(zhì)，還參與眾多生命過程的調(diào)節(jié)。常量營養(yǎng)素（如脂肪和蛋白質(zhì)）、微量營養(yǎng)素（如維生素）和天然活性化學(xué)物（如白藜蘆醇、丁酸等）都會參與調(diào)控表觀遺傳。飼糧中某些生化物質(zhì)（如甲基化反應(yīng)供體S-腺苷甲硫胺酸和甲基轉(zhuǎn)移酶產(chǎn)物抑制劑S-腺苷高半胱氨酸等）的供應(yīng)量變化可改變DNA和組蛋白的甲基化水平。另一些物質(zhì)（如參與一碳基團(tuán)代謝的膽堿等）可改變信號傳導(dǎo)途徑和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響基因表達(dá)?？梢?，營養(yǎng)素和飼糧功能性成分可以通過抑制或激活催化DNA甲基化的酶，或者通過組蛋白修飾作用改變基因表達(dá)，調(diào)控表觀遺傳，從而影響自身代謝和傳遞給后代。因此，表觀遺傳研究在營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域已顯得越來越重要，對動物生產(chǎn)、繁殖和疾病方面均具有重要意義[1]。

2 營養(yǎng)影響奶牛生產(chǎn)性能的表觀遺傳機(jī)制

奶牛的泌乳性狀（包括產(chǎn)奶量、乳脂率和乳脂產(chǎn)量、乳蛋白率和乳蛋白產(chǎn)量等）多為數(shù)量性狀，由微效多基因決定[2]，并受其他因素影響，包括環(huán)境（營養(yǎng)、光周期、應(yīng)激等）、乳腺狀態(tài)（自分泌、旁分泌等）、疾病（乳房炎）、管理（擠奶頻率）等。飼料為奶牛泌乳提供營養(yǎng)物質(zhì)，其所含的能量和各種養(yǎng)分直接影響奶牛的生產(chǎn)性能和牛奶品質(zhì)。營養(yǎng)物質(zhì)除了為乳成分合成提供前體物外，還通過各種形式調(diào)節(jié)泌乳過程，表觀遺傳調(diào)控則是其中的重要方式。

飼喂高能量日糧可導(dǎo)致奶牛乳腺中與乳脂合成相關(guān)的基因甲基化程度增加，而與乳蛋白合成相關(guān)的基因甲基化程度降低[3]，表明高能日糧通過表觀遺傳機(jī)制減少乳脂合成而增加乳蛋白合成。日糧中添加5%的亞麻籽油或5%紅花油后乳脂產(chǎn)量分別降低30.4%或32.4%，并伴隨基因表達(dá)和microRNA（miRNA）調(diào)控差異[4]，也表明乳脂降低與表觀遺傳調(diào)控有關(guān)。Li等[5]進(jìn)一步證實，添加亞麻籽油顯著降低5個表觀遺傳修飾基因的表達(dá)。體外研究發(fā)現(xiàn)，牛腎上皮細(xì)胞組蛋白H3的2種乙?；Ｊ剑℉3K9和H3K27）的分配與丁酸鹽誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)，這可能是丁酸鹽影響基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)[6]。Bian等[7]利用乳腺細(xì)胞試驗證實，miRNA-29s 通過降低數(shù)個基因的啟動子甲基化水平促進(jìn)泌乳，抑制miRNA-29s則會引起同樣泌乳相關(guān)基因啟動子甲基化水平的上升，表明miRNA-29s是負(fù)向調(diào)節(jié)泌乳的重要表觀遺傳因子。本團(tuán)隊最新利用大群奶牛檢測發(fā)現(xiàn)，奶牛血液DNA甲基化頻率為12.4%，與奶產(chǎn)量和乳蛋白產(chǎn)量存在顯著負(fù)相關(guān)，高產(chǎn)奶牛組和低產(chǎn)奶牛組的DNA甲基化頻率差異極顯著（Wang等，未發(fā)表）。葉酸、膽堿和甜菜堿等作為一碳基團(tuán)，能夠直接或者間接提供甲基，從而影響DNA和組蛋白的甲基化，調(diào)控基因表達(dá)[8]；維生素B12作為一碳基團(tuán)進(jìn)入一碳循環(huán)，也能對基因表達(dá)和DNA甲基化模式產(chǎn)生影響[9]；維生素C則可通過影響表觀遺傳修飾相關(guān)的組蛋白賴氨酸去甲基化酶和DNA去甲基化酶，參與細(xì)胞的表觀遺傳調(diào)控過程[10]。

近年來，越來越多的證據(jù)表明營養(yǎng)素和生物活性物質(zhì)與表觀遺傳的關(guān)系。因此，從表觀遺傳調(diào)控角度探究營養(yǎng)影響奶牛泌乳性能的機(jī)制，將從全新的視角為奶牛營養(yǎng)調(diào)控提供新的知識，值得深入和系統(tǒng)研究。

3 營養(yǎng)影響奶牛繁殖性能的表觀遺傳機(jī)制

繁殖率是影響母牛生產(chǎn)效率的重要因素，而營養(yǎng)、光照和溫度等環(huán)境因素則是影響繁殖率的要因，其中以營養(yǎng)因素最為重要。母體營養(yǎng)狀況會引起胎兒基因組的表觀遺傳發(fā)生改變，從而影響后代[11]。胎兒早期發(fā)育過程中，葡萄糖代謝與染色質(zhì)修飾和全轉(zhuǎn)錄組調(diào)控有密切關(guān)系[12]；妊娠前3個月的子宮環(huán)境對胎兒肝臟和胰腺內(nèi)平衡機(jī)制的發(fā)育有重要影響，從而影響后代對營養(yǎng)物質(zhì)的代謝能力[13]。母體妊娠時的泌乳狀況以及對母體的甲基供體供應(yīng)都會對子代甲基化產(chǎn)生影響[14]。Wiltbank等[15]提出假設(shè)，母體妊娠時的蛋氨酸供應(yīng)量可能通過表觀遺傳方式影響后代胚胎的DNA甲基化。Storli等[16]總結(jié)大量研究結(jié)果表明，母體的胎次和年齡會影響后代的奶產(chǎn)量，雖然有關(guān)機(jī)理尚需進(jìn)一步探究，但表觀遺傳在其中的作用效果不容忽視。在奶牛圍產(chǎn)期，機(jī)體內(nèi)營養(yǎng)代謝和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)能發(fā)生急劇變化，分娩時的體況以及分娩前后的營養(yǎng)供應(yīng)狀態(tài)都會對母牛的繁殖性能產(chǎn)生重要影響。高產(chǎn)奶牛產(chǎn)后能量負(fù)平衡會導(dǎo)致卵母細(xì)胞難以從母體卵泡中獲得遺傳印記，可能會導(dǎo)致胚胎死亡率增加[17]。

保證母體妊娠期間足夠的營養(yǎng)物質(zhì)和能量供應(yīng)，對子代生長和發(fā)育具有重要作用。母體環(huán)境變化容易通過與基因互作以表觀遺傳方式傳遞給后代，影響后代生長、發(fā)育和代謝，同時影響母牛的繁殖機(jī)能。

4 營養(yǎng)影響奶牛疾病的表觀遺傳機(jī)制

泌乳奶牛是一個精細(xì)調(diào)節(jié)的機(jī)體，適宜的營養(yǎng)是奶牛健康、高產(chǎn)的基礎(chǔ)。高產(chǎn)奶牛由于處于高負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)，易患各種疾病，如營養(yǎng)代謝疾病、乳房炎、繁殖障礙和蹄病等[18]。飼喂高能日糧會引起奶牛全身性炎癥，且會導(dǎo)致奶牛免疫相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，且使與染色質(zhì)疏松有關(guān)的候選免疫基因啟動子區(qū)域發(fā)生去甲基化[19]，可見高能日糧從染色質(zhì)重構(gòu)和DNA甲基化角度調(diào)節(jié)了免疫基因的表達(dá)。相對于飼喂低精料玉米秸日糧，在高精料玉米秸日糧下奶牛乳動脈中脂多糖濃度會增加，乳房組織中的組蛋白乙?；潭冉档?，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[20]。血液脂多糖是飼喂高精料日糧下奶牛瘤胃異常代謝產(chǎn)生的內(nèi)毒素，可通過胃腸道上皮屏障進(jìn)入血液，因此血液脂多糖也是瘤胃酸中毒的重要檢測指標(biāo)，該結(jié)果提示了高精料日糧引起的瘤胃酸中毒與表觀遺傳調(diào)控密切相關(guān)。

奶牛乳房炎為復(fù)雜疾病，營養(yǎng)因素主要通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)影響乳房健康，處于負(fù)能量平衡的奶牛有更高的臨床酮癥患病風(fēng)險，并有2倍患臨床乳房炎的風(fēng)險[21]。Suriyasathaporn等[22]推測，奶牛能量負(fù)平衡會損害乳房的防御機(jī)制，可能是因為能量負(fù)平衡降低了血液中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的吞噬作用，減少了吸引血液白血球轉(zhuǎn)移到受感染腺體的化學(xué)誘導(dǎo)物的產(chǎn)生。在體外趨化試驗中，中性粒細(xì)胞在低β-羥基丁酸（BHBA）含量血清中的遷移速度高于高BHBA含量的血清，如果細(xì)胞移動緩慢，就會被細(xì)菌感染，導(dǎo)致臨床乳房炎[23]。奶牛試驗也證明，血液中BHBA濃度與大腸桿菌引起的乳房炎患病率呈正相關(guān)關(guān)系[24]?！斑z傳-表觀遺傳假說”認(rèn)為，環(huán)境因素（如病原菌、毒物、激素等）致病主要通過DNA甲基化和組蛋白修飾等表觀遺傳基因組起作用[25]。在患乳房炎奶牛中，DNA甲基化可以調(diào)控白細(xì)胞介素6受體α的表達(dá)量[26]；而在由金黃色葡萄球菌感染引起的急性乳房炎奶牛中，機(jī)體可通過調(diào)節(jié)酪蛋白αS1基因上游啟動子區(qū)域STAT5結(jié)合增強(qiáng)子的重甲基化，減少酪蛋白αS1的mRNA和蛋白表達(dá)量[27]。因此，從表觀遺傳角度探究乳房炎對奶牛的影響，可能是找到這一重要慢性疾病調(diào)控策略的創(chuàng)新途徑。

營養(yǎng)與免疫密切相關(guān)，因此營養(yǎng)素對疾病的調(diào)控發(fā)揮著重要作用，目前在人類慢性疾病、神經(jīng)性疾病和癌癥等疾病的表觀遺傳研究取得巨大進(jìn)展。受人類疾病研究進(jìn)展的啟發(fā)，越來越多的畜牧科學(xué)研究者從表觀遺傳調(diào)控角度分析環(huán)境因素對疾病的調(diào)控機(jī)理已取得一些成效，這也是奶牛疾病研究的新思路。

5 展 望

表觀遺傳學(xué)彌補(bǔ)了經(jīng)典遺傳學(xué)的不足，成為動物遺傳學(xué)與營養(yǎng)學(xué)交叉研究的熱點之一。營養(yǎng)物質(zhì)可以對基因的表達(dá)起調(diào)控作用，而表觀遺傳學(xué)研究有助于解釋在核苷酸序列不變的情況下動物機(jī)體及細(xì)胞在不同營養(yǎng)條件下基因表達(dá)的差異。營養(yǎng)對生物體的影響是全身性的，因此其對奶牛生產(chǎn)、繁殖和疾病的影響相互貫通和相互作用。營養(yǎng)素首先被消化系統(tǒng)吸收，隨后通過血液流經(jīng)全身各處，在細(xì)胞中通過不同方式調(diào)控某些特定基因轉(zhuǎn)錄，從而影響蛋白質(zhì)的表達(dá)及小分子代謝，最終引起酶活改變或者炎癥因子變化。值得注意的是，由于奶牛個體較大，生理狀況復(fù)雜，且研究試驗取樣成本高，目前奶牛表觀遺傳研究多為描述性研究，各種營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)不同部位的作用機(jī)理和調(diào)控模式的確切的分子機(jī)制尚不清楚，還需要進(jìn)一步深入的研究。但人們已經(jīng)意識到表觀遺傳對于奶牛泌乳、繁殖和疾病的重要性，有人類疾病研究結(jié)果作為參考和路標(biāo)，小鼠和豬作為模式動物也被研究得較為透徹，同時全基因組甲基化測序技術(shù)的應(yīng)用也推動了相關(guān)研發(fā)的深入。如何運用和探究表觀遺傳機(jī)理解決奶牛生產(chǎn)與健康相關(guān)的問題是今后重要的研究方向。