甜菜堿對(duì)單胃動(dòng)物能量代謝的作用機(jī)制與應(yīng)用

■陳星平 陳 婷 孫加節(jié) 羅君誼 張永亮 習(xí)欠云

（廣東省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510642）

甜菜堿又稱三甲基甘氨酸，甘氨酸甜菜堿是一種穩(wěn)定無毒的天然物質(zhì)，因最初從甜菜中提取而得名。它有三個(gè)活性甲基，化學(xué)名稱為三甲銨乙內(nèi)脂或三甲基甘氨酸，分子式為C5H11NO2，是一種兩性離子季銨鹽化合物，廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)，植物和海鮮是外源性甜菜堿的主要來源，如海鮮（尤其是海洋無脊椎動(dòng)物）、麥麩、麥胚、菠菜、甜菜等都富含這種生物堿[1-2]。甜菜堿最早是在19世紀(jì)從甜菜的糖蜜中分離出來的，但其各種生物學(xué)效應(yīng)直到20 世紀(jì)70 年代后才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。

1 甜菜堿的代謝途徑及其作用機(jī)制

甜菜堿是一種重要的甲基供體，一方面在體內(nèi)可以直接由膽堿氧化產(chǎn)生[3]，也可以被5-甲基四氫葉酸(5-methyl-THF)替代其甲基化的作用。另一方面可以通過去甲基反應(yīng)轉(zhuǎn)化成二甲基甘氨酸(DMG)，最終形成甘氨酸，其主要場(chǎng)所是線粒體；同時(shí)還可以在甜菜堿同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(BHMT)的催化作用下，使同型半胱氨酸重新甲基化形成蛋氨酸，這一作用主要發(fā)生在肝臟和腎臟[4]（見圖1）。

圖1 甜菜堿的分子結(jié)構(gòu)及其代謝途徑[4]

甜菜堿主要通過作為滲透壓調(diào)節(jié)劑和甲基供體來發(fā)揮生物學(xué)作用。在動(dòng)物十二指腸內(nèi)被快速吸收[5]，也可以通過腎臟的重吸收作用重新進(jìn)入血液循環(huán)，并在汗液而非尿液中排出[6]。一方面在轉(zhuǎn)運(yùn)載體的作用下甜菜堿可以分布于腎臟、肝臟和大腦[1]，并作為滲透壓調(diào)節(jié)劑被利用；但另一方面，其最主要的功能是以甲基供體的方式來發(fā)揮生理調(diào)節(jié)作用[7-8]。其活性甲基參與體內(nèi)蛋白質(zhì)[9]、氨基酸、脂類[10]、核酸等物質(zhì)的化學(xué)修飾,并通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制調(diào)節(jié)基因的表達(dá)和物質(zhì)代謝，從而調(diào)節(jié)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育,改善胴體品質(zhì)，提高飼料的轉(zhuǎn)化效率以及緩解應(yīng)激等多種生理功能[11]。例如，蛋氨酸是畜禽的必需氨基酸之一，在玉米-豆粕型日糧中是家禽的第一限制性氨基酸[12]，甜菜堿能夠部分替代蛋氨酸，提高畜禽的生產(chǎn)性能，節(jié)約畜禽生產(chǎn)成本。本文擬從能量代謝，包括糖代謝、脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)代謝的作用機(jī)制方面，概述甜菜堿作為甲基供體參與機(jī)體能量代謝調(diào)節(jié)及其分子機(jī)制。

2 甜菜堿對(duì)豬能量代謝的影響及其機(jī)制

2.1 甜菜堿對(duì)豬糖代謝的影響及其機(jī)制

高能飼料是以糖分為主的飼料，是動(dòng)物生長(zhǎng)和育肥的能量基礎(chǔ)。糖代謝包括分解代謝和合成代謝兩個(gè)方面。其中糖的分解代謝主要有糖原代謝、糖酵解、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途徑等，而合成代謝途徑有糖原合成和糖異生等[13]。Wray-Cahen 等[14]發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)育肥豬日糧中分別添加0、0.125%和0.5%甜菜堿，與添加量為0 組相比，添加甜菜堿組可以提高豬的平均生長(zhǎng)速度20%以上(P＜0.05)，飼料轉(zhuǎn)化率提高25%以上(P＜0.05)。也有研究表明[15]，在母豬妊娠期日糧中添加甜菜堿，可以增加新生仔豬體內(nèi)肝糖原的含量。其主要機(jī)制是通過糖代謝相關(guān)基因的表觀遺傳修飾機(jī)制來調(diào)節(jié)仔豬的糖代謝，如通過調(diào)控胞質(zhì)內(nèi)磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK1)、線粒體內(nèi)磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK2)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBP1)的啟動(dòng)子甲基化水平，組蛋白H3K4me3、H3K27me3 水平以及通過miRNA 的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控上調(diào)PEPCK1、PEPCK2、FBP1 和PC 的表達(dá)來促進(jìn)糖異生途徑。此外，據(jù)報(bào)道[16-19]，甜菜堿能降低蘋果酸脫氫酶(MDH)的活性，抑制糖的有氧氧化。

2.2 甜菜堿對(duì)豬脂肪代謝的影響及其機(jī)制

脂肪是動(dòng)物體內(nèi)的重要貯能物質(zhì)。甜菜堿能調(diào)節(jié)脂肪的動(dòng)員作用，組織特異性的增強(qiáng)脂肪分解代謝，發(fā)揮重新分配體脂的作用。黃其春等[17]根據(jù)對(duì)肥育豬和肝細(xì)胞體外培養(yǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加甜菜堿(1 250 mg/kg)能顯著降低胴體脂肪率和平均背膘厚。同時(shí)結(jié)果顯示，添加甜菜堿能顯著下調(diào)背最長(zhǎng)肌CPT1的表達(dá)及活性，從而增加肌內(nèi)脂肪含量，改善肉品質(zhì)，同時(shí)顯著提高血清游離脂肪酸含量和脂肪酶(LIP)活性，以及皮下脂肪激素敏感脂酶(HSL)活性，降低胴體脂肪率。王敏奇等[20]對(duì)48 頭“杜長(zhǎng)大”仔豬飼喂添加1 000 mg/kg 甜菜堿的飼糧，飼喂62 d 后發(fā)現(xiàn)添加甜菜能顯著降低背膘厚、板油重和肝臟脂肪含量，提高瘦肉率。同時(shí)也顯著提高了脂肪酶活性和肌肉肝臟中游離肉堿的含量，并使更多的長(zhǎng)鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體進(jìn)行β-氧化。余東游等[18]對(duì)不同階段的豬飼喂甜菜堿添加的飼糧發(fā)現(xiàn)，無論是斷奶仔豬，生長(zhǎng)豬，還是肥育豬，添加甜菜堿均能顯著增加其日增重和瘦肉率，并通過降低MDH活性、增加肝臟游離肉堿的含量，降低胴體脂肪率。

此外，資料顯示，甜菜堿降低胴體脂肪含量以及背膘厚的機(jī)制與抑制脂肪的合成代謝有關(guān)[16-18，21-22]。比如甜菜堿能夠抑制皮下脂肪組織中的乙酰輔酶A羧化酶(ACC)、脂肪酸合成酶(FAS)、脂蛋白脂酶(LPL)和蘋果酸脫氫酶（MDH）的活性以及下調(diào)FAS 的mRNA 水平，從而抑制脂肪酸的合成。蔡德敏[15]研究也發(fā)現(xiàn)，在母豬妊娠期日糧中添加甜菜堿，可通過調(diào)控FAS 和硬脂?；o酶A 脫氫酶(SCD)啟動(dòng)子甲基化、組蛋白H3K4me3、H3K27me3 水平以及通過miRNA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制下調(diào)FAS、ACC和SCD的表達(dá)，從而抑制脂肪的合成，降低新生仔豬肝臟甘油三酯含量等。另外，在肥育豬日糧中添加不同甜菜堿水平(0、1 000、1 500 mg/kg)，能降低肥育豬血清中甘油三酯含量，且隨甜菜堿添加量的升高，豬肝臟粗脂肪含量有下降的趨勢(shì)[23]。

2.3 甜菜堿對(duì)豬蛋白質(zhì)代謝的影響及其機(jī)制

蛋白質(zhì)代謝和周轉(zhuǎn)直接影響到機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育和骨骼肌蛋白質(zhì)的沉積[24]。骨骼肌蛋白質(zhì)的沉積量主要取決于蛋白質(zhì)合成和蛋白質(zhì)降解的雙向調(diào)控作用，蛋白質(zhì)合成大于降解時(shí)，蛋白質(zhì)沉積增加，肌肉生長(zhǎng)加快[25-26]。據(jù)報(bào)道[17-18，21-22]，日糧中添加甜菜堿能顯著增加胴體瘦肉率、眼肌面積并降低背膘厚。在限飼條件下，F(xiàn)ernandez-Figares 等[27]通過日糧中分別添加0、0.125%、0.25%和0.5%甜菜堿。結(jié)果顯示，甜菜堿能夠改變生長(zhǎng)豬養(yǎng)分利用和分配，增強(qiáng)胴體蛋白質(zhì)的沉積。同時(shí)，Schrama等[28]研究也認(rèn)為，在特定的能量限制條件下，結(jié)合輕微的環(huán)境壓力的情況下，甜菜堿在生長(zhǎng)豬代謝中發(fā)揮了潛在能量節(jié)約作用，提高飲食的能量?jī)r(jià)值。Schrama 等[29]研究表明，日糧中添加1.29 g/kg甜菜堿能降低豬的產(chǎn)熱量，并影響豬體內(nèi)能量分配，顯著增加蛋白質(zhì)沉積。尿素氮是衡量機(jī)體氮貯留的重要指標(biāo)，血清尿素氮含量降低，直接反應(yīng)了動(dòng)物體內(nèi)氨基酸分解作用減弱，氮貯留增加，蛋白質(zhì)沉積增加[17，30]。有研究表明[17，31-32]，日糧添加甜菜堿肥育豬血清尿素氮含量顯著降低，說明氨基酸分解作用顯著降低，蛋白質(zhì)的沉積顯著增加。

3 甜菜堿對(duì)家禽能量代謝的影響及其機(jī)制

3.1 甜菜堿對(duì)家禽脂肪代謝的影響及其機(jī)制

鄒曉庭等[19]在蛋雞日糧中添加600 mg/kg 甜菜堿，結(jié)果顯示，甜菜堿能顯著提高蛋雞腹脂中激素敏感脂肪酶(HSL)的活性(提高50%，P＜0.02)，顯著下調(diào)腹脂中脂蛋白脂酶(LPL)的活性(下調(diào)44.83%，P＜0.01)；同時(shí)，顯著降低蛋雞的腹脂率和肝脂率，提高產(chǎn)蛋率并降低料蛋比。許梓榮等[33]研究表明甜菜堿通過增加蛋雞肝臟肉堿和肌酸的合成量，增強(qiáng)脂肪酸的運(yùn)載，促進(jìn)脂肪酸的β氧化，從而達(dá)到降低腹脂沉積及預(yù)防脂肪肝的作用。郭玉琴等[34]對(duì)肉仔雞飼喂不同甜菜堿和膽堿水平的飼糧，同樣發(fā)現(xiàn)添加甜菜堿能夠增強(qiáng)脂肪酸的氧化作用，減少脂肪肝。馬建爽等[35]研究表明肉雞日糧中添加0.2%的甜菜堿可提高肉雞的生長(zhǎng)性能，增強(qiáng)脂質(zhì)代謝，改善肌肉中脂肪酸的組成和風(fēng)味氨基酸的含量，改善肌肉風(fēng)味品質(zhì)。同時(shí)可以顯著降低血清中甘油三酯、總膽固醇、胰島素和瘦素的含量，提高脂聯(lián)素和高密度脂蛋白含量。也有研究顯示甜菜堿能促進(jìn)蛋雞肝臟中脂肪的遷移和代謝，降低肝組織中脂質(zhì)的沉積[36-37]。此外，Xing 等[38]在22 日齡的肉雞日糧中添加0.1%的甜菜堿發(fā)現(xiàn)，在56 日齡和66 日齡時(shí)，平均日增重分別提高6.91%和11.94%；腹脂分別降低9.04%和11.9%。對(duì)腹脂進(jìn)行qPCR 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，56日齡時(shí)脂肪合成相關(guān)基因FAS和A-FABP顯著下調(diào)，在66日齡時(shí)脂蛋白脂肪酶LPL和FAS顯著下調(diào)。此外，通過對(duì)LPL啟動(dòng)子CpG島的甲基化檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：添加甜菜堿之后，腹脂LPL 啟動(dòng)子區(qū)域CpG 的甲基化模式發(fā)生了改變。

3.2 甜菜堿對(duì)家禽蛋白質(zhì)代謝的影響及其機(jī)制

研究顯示，在日糧中添加1 000 mg/kg 添加量能顯著提高肉雞胸肌產(chǎn)量和顯著減少腹脂重量，同時(shí)通過影響IGF-1/mTOR 信號(hào)通路顯著提高胸肌中肌分化因子1(MyoD1)和肌肉增強(qiáng)子因子2B(MEF2B)的表達(dá)[39]。王俊東等[40]針對(duì)不同時(shí)期的肉雞進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期添加甜菜堿可促進(jìn)肉雞體增重，降低腹脂率，引起肉雞體內(nèi)脂肪的重新分配，增加肌間脂肪含量，改善肉品質(zhì)。孫華等[41]用甜菜堿替代肉雞日糧中蛋氨酸，研究發(fā)現(xiàn)甜菜堿能夠部分替代蛋氨酸，節(jié)約生產(chǎn)成本。同時(shí)，甜菜堿能促進(jìn)GH 和IGF-1的分泌，進(jìn)而促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，使蛋白質(zhì)的沉積增加，提高胸肌、肝臟粗蛋白含量以及血清總蛋白含量[41-42]。此外，甜菜堿還能通過甲基供體營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)機(jī)體肉堿的合成，增強(qiáng)脂肪酸在線粒體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)脂肪酸的β氧化；同時(shí)抑制脂肪合成相關(guān)酶的活性，從而調(diào)控脂肪代謝，降低腹脂率，從而改善肉雞經(jīng)濟(jì)效益和肌肉品質(zhì)的作用。

4 甜菜堿對(duì)嚙齒類動(dòng)物能量代謝的影響及其機(jī)制

4.1 甜菜堿對(duì)嚙齒類動(dòng)物糖代謝的影響及其機(jī)制

乳酸脫氫酶（LDH）是糖酵解途徑中一種重要的酶[43]。醛縮酶(ALD)也是糖酵解代謝途徑中的關(guān)鍵酶。研究表明[44]，甜菜堿能顯著地降低血清LDH活力和ALD活力，抑制荷瘤小鼠的糖酵解。糖尿病是一種常見的內(nèi)分泌疾病，分為兩種：1型糖尿病和2型糖尿病。1 型糖尿病主要是由于胰島素水平低下導(dǎo)致，可用胰島素治療，而2型糖尿病的病因主要是胰島素抵抗。研究顯示，甜菜堿能改善胰島素耐受，提高葡萄糖的利用率[45]。也許甜菜堿能改善糖尿病，而其中的機(jī)制及是否能作為糖尿病患者的一種藥物，還有待進(jìn)一步的研究來闡明。

4.2 甜菜堿對(duì)嚙齒類動(dòng)物脂肪代謝的影響及其機(jī)制

Du等[45]研究表明，甜菜堿添加可通過下調(diào)細(xì)胞周期蛋白(CyclinD/E)、CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(C/EBPα)、PPARγ以及上調(diào)P21 和P53 的表達(dá)水平來抑制高脂誘導(dǎo)的肥胖小鼠的脂肪前體細(xì)胞的增殖、分化和肥大；并上調(diào)Cd137、Cidea、UCP1 和PGC1α的表達(dá)水平促進(jìn)白色脂肪棕色化及脂肪酸氧化，從而降低白色脂肪的沉積。Wang等[46]在ApoE敲除小鼠日糧中添加2%甜菜堿發(fā)現(xiàn)，甜菜堿添加能逆轉(zhuǎn)由于ApoE缺失導(dǎo)致的肝臟甘油三脂沉積，并提高肝臟中SOD 和GSH-Px 的活性。甜菜堿通過降低PPARα啟動(dòng)子的甲基化水平，顯著上調(diào)PPARα表達(dá)進(jìn)而上調(diào)CPT1 和CYP2E1 的表達(dá)，促進(jìn)甘油三脂的脂解。周靜雅等[47]發(fā)現(xiàn)，在非酒精性脂肪肝模型中，甜菜堿可通過下調(diào)脂質(zhì)代謝關(guān)鍵基因FAS、ACC 等脂肪分化相關(guān)蛋白ADRP、上調(diào)PPARα 和微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MTTP mRNA 水平的表達(dá)水平及活性，降低肝臟甘油三酯的含量，保護(hù)肝臟免受損傷。資料顯示[48]，MTTP表達(dá)水平上調(diào)是由于甜菜堿改變了其啟動(dòng)子的超甲基化狀態(tài)，降低了其甲基化的水平。過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）是一類配體依賴的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，包括三個(gè)亞型，除了PPARα外，還有PPAR β/δ和PPARγ。甜菜堿能抑制PPARγ的轉(zhuǎn)錄活性以及與Foxo1結(jié)合，進(jìn)而抑制ACC 和FAS 表達(dá)來抑制脂肪合成[49]。

4.3 甜菜堿對(duì)嚙齒類動(dòng)物蛋白質(zhì)代謝的影響及其機(jī)制

Du 等[50]在飲水中添加10 mM 的甜菜堿飼喂小鼠133 d 后，研究顯示，甜菜堿能夠增加小鼠的肌肉重量。同時(shí)用10 mM的甜菜堿處理C2C12細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)酪氨酸激酶1(JAK1)、去乙?；?(Sirt2)、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(Runx1)的表達(dá)被上調(diào)，而Kruppel 樣因子10(KLH10)、血清應(yīng)答因子(SRF)和肌肉生長(zhǎng)抑制素(Myostain)等抑制成肌細(xì)胞增殖的基因被下調(diào)。此外，還可通過增加5mC 和m6A 的量及上調(diào)miR-29b-3p的表達(dá)來上調(diào)生肌調(diào)節(jié)因子MyoG、生肌因子4(MRF4)、肌鈣蛋白(Troponin)和肌球蛋白重鏈6(MYH6)的表達(dá)，從而促進(jìn)成肌細(xì)胞的分化。Senesi等[51]用10 mM的甜菜堿處理C2C12 細(xì)胞，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)甜菜堿促進(jìn)IGF-1受體(IGF-1 R)的表達(dá)，改善了IGF-1 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而促進(jìn)肌球蛋白重鏈(MyHC)合成和肌管長(zhǎng)度。

5 結(jié)語

大量的研究結(jié)果表明，甜菜堿通過調(diào)控能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)對(duì)動(dòng)物的能量代謝產(chǎn)生巨大的影響。其最主要的功能是以甲基供體的方式來發(fā)揮表觀修飾調(diào)節(jié)作用，如通過控制關(guān)鍵基因的啟動(dòng)子區(qū)域及組蛋白H3K4me3、H3K27me3的甲基化情況以及靶向關(guān)鍵基因的miRNA 的表達(dá)水平，調(diào)控糖、脂類以及蛋白質(zhì)代謝途徑中關(guān)鍵基因的表達(dá)，從而達(dá)到調(diào)控能量代謝的作用。本實(shí)驗(yàn)室前期也研究發(fā)現(xiàn)，在肌肉萎縮小鼠模型中，甜菜堿具有逆轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)分解，增強(qiáng)蛋白質(zhì)沉積的作用。此外，甜菜堿是否通過翻譯水平來調(diào)控能量代謝關(guān)鍵基因的表達(dá)還未見報(bào)道，這些都有待進(jìn)一步的研究來闡明?？傊S著活雞屠宰模式的強(qiáng)制要求以及豬肉胴體品質(zhì)的極大關(guān)注，甜菜堿作為一種飼料添加劑將具有更好的應(yīng)用前景，其對(duì)豬雞能量代謝的作用機(jī)制研究也將更為深入。