日糧中營養(yǎng)元素對動物基因表達(dá)的調(diào)控

趙萬樂，鄒淑琴，朱松波，李艷玲，楊玉榮

（1.鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所，河南 鄭州450005；2.河南省畜牧總站）

DNA 攜帶著生物體全部的遺傳信息，決定著物種的特異性、性別、壽命、代謝、動物的生長、發(fā)育、健康狀況及壽命、外部特征以及機(jī)體對外部環(huán)境的適應(yīng)能力等。營養(yǎng)素是生物進(jìn)行新陳代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有獲得平衡充足的營養(yǎng)物質(zhì)，生物才能正常生長發(fā)育，順利完成繁衍后代的生命過程。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展及其在營養(yǎng)學(xué)中的應(yīng)用，從分子水平上弄清養(yǎng)分的代謝過程和規(guī)律，確定動物群體及個(gè)體的營養(yǎng)需要，掌握養(yǎng)分?jǐn)z入過量及缺乏的后果，預(yù)防和治療營養(yǎng)代謝疾病以及解決其他營養(yǎng)問題已成為可能，人們從分子水平逐步認(rèn)識到營養(yǎng)素與動物的基因表達(dá)存在密切關(guān)系。也就是說營養(yǎng)素對動物生長、發(fā)育、繁殖、健康等影響的眾多途徑中，有些是通過影響基因表達(dá)來實(shí)現(xiàn)的，可以通過對營養(yǎng)素的適當(dāng)攝取來促進(jìn)有利于動物健康的基因表達(dá)，而抑制與疾病相關(guān)基因的表達(dá)。如低密度脂蛋白的氧化損傷是引起淋巴細(xì)胞泡沫化和動脈粥樣化轉(zhuǎn)變過程的主要因素之一，據(jù)報(bào)道淋巴細(xì)胞特殊生長因子-淋巴克隆刺激因子和多糖蛋白激酶（PSK）能夠防止動脈粥樣化。營養(yǎng)素也許并不能完全消除某一遺傳缺陷，但是它能改變這種缺陷的出現(xiàn)時(shí)間以及表現(xiàn)程度。

近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多與代謝有關(guān)的動物基因被克隆和鑒定，人們對營養(yǎng)與基因調(diào)控的關(guān)系越來越感興趣。營養(yǎng)與動物基因表達(dá)調(diào)控的研究已成為當(dāng)今動物營養(yǎng)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域；如何通過改變飼糧組成成分來調(diào)節(jié)體內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)，從而使動物處于最佳生長狀況已成為動物營養(yǎng)學(xué)研究的重點(diǎn)；通過營養(yǎng)對動物基因表達(dá)的調(diào)控途徑及其機(jī)制的研究，將為人們?nèi)绾胃行У貙δ承┨囟ㄓ幸婊虻谋磉_(dá)提供理論依據(jù)。

營養(yǎng)和基因表達(dá)的一般關(guān)系表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是養(yǎng)分的攝入量影響基因表達(dá)；二是基因表達(dá)的結(jié)果影響?zhàn)B分的代謝途徑和代謝效率，并決定營養(yǎng)需要量。

1 營養(yǎng)對基因表達(dá)的調(diào)控

基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程，是指編碼某種蛋白質(zhì)的基因從轉(zhuǎn)錄、mRNA的加工與成熟、RNA的翻譯、蛋白質(zhì)的加工，到活性（功能）蛋白質(zhì)的形成的過程?；虮磉_(dá)受到嚴(yán)格的調(diào)控，而養(yǎng)分——核酸、蛋白質(zhì)的合成原料、能量物質(zhì)、輔酶等，或者是某一環(huán)節(jié)的激活劑或抑制劑，對每一個(gè)基因調(diào)控點(diǎn)都起著直接或間接的調(diào)控作用。這種調(diào)控作用最初認(rèn)為主要是在基因轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)，已有研究表明轉(zhuǎn)錄后也有一定控制作用。大量證據(jù)表明，飼糧中主要營養(yǎng)物質(zhì)如糖、脂肪酸、氨基酸以及一些微量元素（如鋅）對動物體內(nèi)許多基因的表達(dá)都有影響。

1.1 飼糧中碳水化合物對某些基因表達(dá)的調(diào)控

高碳水化合物飼糧對葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G-6-PD）基因表達(dá)的影響：脂肪和脂肪酸的生物合成需要來自糖代謝的能量，也需要NADPH，因而提供NADPH的磷酸戊糖途徑中的G-6-PD的含量、活力均會對脂肪的合成產(chǎn)生影響。有關(guān)研究報(bào)道，高碳水化合物飼糧能促進(jìn)G-6-PD基因在大鼠肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)。

高碳水化合物飼糧對肝臟中脂肪酸合成酶（FAS）基因表達(dá)的影響：有關(guān)學(xué)者對大鼠禁食24 h后，喂給高碳水化合物飼糧，測定肝臟中FAS mRNA 的量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大鼠禁食24 h后喂高碳水化合物飼糧，肝臟中的FAS mRNA量接近禁食48 h的100倍。

葡萄糖對3T3-F442A 脂肪細(xì)胞中瘦蛋白（Leptin）表達(dá)的影響：Leptin是一種在脂肪細(xì)胞中產(chǎn)生與機(jī)體的能量平衡及脂肪貯存調(diào)節(jié)有關(guān)的激素，是肥胖基因表達(dá)的產(chǎn)物。Leptin 可使神經(jīng)肽（NPY）分泌減少，引起采食量減少。因體內(nèi)受到胰島素影響，王方年（1999）［1］用不同葡萄糖濃度培養(yǎng)3T3-F441A脂肪細(xì)胞，研究葡萄糖對Leptin表達(dá)的影響：當(dāng)葡萄糖濃度由5 mmol/L 增至10 mmol/L 時(shí)，Leptin表達(dá)有十分明顯的升高（約7倍）。繼續(xù)增加葡萄糖的濃度，Leptin 的表達(dá)未見升高，表現(xiàn)出飽和性特點(diǎn)。葡萄糖濃度增至25 mmol/L時(shí)，Leptin的表達(dá)有明顯下降，這種抑制作用很可能是由于“葡萄糖毒性作用”造成的。

1.2 飼糧中微量元素對基因表達(dá)的調(diào)控

鋅對基因表達(dá)的調(diào)控：鋅作為動物體的一種必需微量元素，具有可以增強(qiáng)機(jī)體免疫功能、促進(jìn)細(xì)胞增殖分化、參與核酸蛋白質(zhì)代謝、維持細(xì)胞周期正常進(jìn)行等生物學(xué)功能。有關(guān)專家認(rèn)為，鋅離子是DNA 聚合酶的一個(gè)重要組成成分，鋅對于維持DNA 聚合酶的活性具有相當(dāng)?shù)闹匾?；另外鋅通過影響RNA聚合酶活性及轉(zhuǎn)錄因子的作用，能夠?qū)е禄蜣D(zhuǎn)錄異常，從而使蛋白質(zhì)表達(dá)也發(fā)生變化。有關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低鋅飼糧限制動物生長的直接原因是低鋅抑制了體內(nèi)IGF-I、HG受體、GH結(jié)合蛋白等基因的表達(dá)。

鐵對動物基因表達(dá)的調(diào)控：有關(guān)專家在肉雞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飼糧中缺鐵將導(dǎo)致血清中轉(zhuǎn)鐵蛋白含量迅速增加，肝臟中轉(zhuǎn)鐵蛋白基因的mRNA 含量增加到正常水平的2.5倍。當(dāng)飼料中缺乏鐵元素時(shí)，血紅蛋白的合成不足，額外的轉(zhuǎn)鐵蛋白需要被合成從而能加快鐵的運(yùn)輸?？梢哉J(rèn)為缺鐵引起轉(zhuǎn)鐵蛋白基因表達(dá)的加強(qiáng)是通過增加轉(zhuǎn)錄水平來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)飼糧中補(bǔ)鐵以后，轉(zhuǎn)鐵蛋白基因的mRNA含量和蛋白質(zhì)合成量在3 d內(nèi)恢復(fù)至正常水平，雞肝臟中鐵的貯存量也同時(shí)增加。另外，鐵可以調(diào)控鐵蛋白基因表達(dá)，鐵含量越高鐵蛋白基因表達(dá)就越強(qiáng)，并且這種調(diào)控并非發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，因?yàn)榉啪€菌D 不能抑制高鐵的這種誘導(dǎo)作用，因此這種調(diào)控應(yīng)該發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平。

其他金屬元素對動物基因表達(dá)的調(diào)控：缺銅會阻止IL-2（白細(xì)胞介素-2）基因的轉(zhuǎn)錄而減少IL-2 在T 淋巴細(xì)胞中的合成。銅是誘導(dǎo)酵母MT基因表達(dá)的有效金屬，促使MT基因中CUP1啟動子結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白ACE1，銅元素的增加將顯著提高M(jìn)T基因的表達(dá)量。這表明缺銅可在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控脂肪酸合成酶基因的表達(dá)。

1.3 飼糧中蛋白質(zhì)含量對基因表達(dá)的影響

高蛋白飼糧對FAS基因表達(dá)的影響：脂肪酸合成酶是催化機(jī)體內(nèi)脂肪酸合成途徑中最后一步的關(guān)鍵酶，其活性高低將影響整體脂肪含量。

低蛋白飼糧對下丘腦神經(jīng)肽（NPY）基因表達(dá)的影響：NPY 是由36 個(gè)氨基酸組成的肽，在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)含量豐富，可以刺激動物采食，注射NPY會導(dǎo)致動物飲食過度和體內(nèi)脂肪堆積增加。

氨基酸對動物基因表達(dá)的影響：有關(guān)專家研究了氨基酸限制對胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白（IGFBP-Ⅰ）表達(dá)的影響，即營養(yǎng)變化導(dǎo)致血液氨基酸的變化對IGFBP-Ⅰ的影響。有關(guān)專家研究了亮氨酸對人Hela 細(xì)胞IGFBP-ⅠmRNA 和蛋白質(zhì)表達(dá)的影響，結(jié)果表明IGFBP-ⅠmRNA 和蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的基礎(chǔ)水平很低，當(dāng)培養(yǎng)基中亮氨酸濃度下降時(shí)，其濃度迅速上升。用分離的大鼠肝細(xì)胞也得到了相似的結(jié)果，表明氨基酸調(diào)控IGFBP-Ⅰ表達(dá)不只限于肝原細(xì)胞，對已分化的肝細(xì)胞也適用。值得注意的是，血漿濃度受營養(yǎng)狀態(tài)影響大的氨基酸正是對IGFBP-Ⅰ調(diào)控起主要作用的氨基酸。有關(guān)專家設(shè)計(jì)了一種培養(yǎng)液，其氨基酸濃度與大鼠飼喂不同飼糧時(shí)靜脈血中氨基酸濃度相同，發(fā)現(xiàn)當(dāng)培養(yǎng)液中氨基酸濃度與喂低蛋白飼糧時(shí)大鼠靜脈血中濃度相同時(shí)，培養(yǎng)的Hale細(xì)胞中IGFBP-Ⅰ高度表達(dá)，表明模擬體內(nèi)營養(yǎng)狀態(tài)的氨基酸濃度能顯著調(diào)節(jié)IGFBP-Ⅰ的表達(dá)。

1.4 脂類對動物基因表達(dá)的調(diào)控

脂類物質(zhì)特別是脂肪酸對一些與脂肪代謝相關(guān)的基因表達(dá)有密切關(guān)系。多不飽和脂肪酸（PUFA）是一種重要的基因表達(dá)調(diào)節(jié)因子。迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種肝臟基因與脂肪組織基因的表達(dá)受飼糧PUFA調(diào)節(jié)。

長鏈脂肪酸（LCFA）對棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶（CPT）和HMG-COA 合成酶基因表達(dá)的影響：應(yīng)用20 日齡大鼠肝細(xì)胞做的體外培養(yǎng)試驗(yàn)表明，中鏈脂肪酸不能增加CPT-1 mRNA 水平，而長鏈脂肪酸能將CPT-1 的mRNA水平提高2～4 倍。這些LCFA 包括飽和的（棕櫚酸）、單不飽和的（油酸）和多不飽和的（亞麻酸）脂肪酸，其中亞麻酸不僅能將CTP-1 的mRNA 水平提高2 倍，還能使其半衰期延長50%。有關(guān)專家認(rèn)為中長鏈脂肪酸能夠調(diào)節(jié)雞胚胎肝細(xì)胞中乙酰輔酶A 羧化酶α-基因的啟動子的轉(zhuǎn)錄起始［2］。

1.5 維生素對動物基因表達(dá)的調(diào)控

VA作為一種微量營養(yǎng)素一直都是營養(yǎng)學(xué)界研究的熱點(diǎn)，它在機(jī)體發(fā)育及維持機(jī)體正常功能方面起著重要作用，特別是在胚胎發(fā)育時(shí)期，懷孕母體缺乏VA會嚴(yán)重影響子代正常發(fā)育。近些年發(fā)現(xiàn)VA影響生長發(fā)育是通過它對同源異型蛋白（HOX）基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控實(shí)現(xiàn)的。有關(guān)專家觀察到VA缺乏引起HOX 3.5 和HOX 4.5 基因表達(dá)量下降，表現(xiàn)在VA缺乏組小鼠胎兒HOX 3.5和HOX 4.5 mRNA含量明顯低于正常對照組。當(dāng)母鼠處在嚴(yán)重的VA 缺乏狀態(tài)時(shí)受孕，其子代子鼠胚胎中HOX 3.5和HOX 4.5基因表達(dá)明顯減少。孫秀發(fā)等［3］也發(fā)現(xiàn)小鼠機(jī)體VA和鋅營養(yǎng)水平與胎鼠HOX（3.5）基因表達(dá)呈高度正相關(guān)，各項(xiàng)相關(guān)系數(shù)為0.78～0.99。對于其機(jī)制，是直接作用于HOX基因還是通過旁路系統(tǒng)來調(diào)控HOX 基因表達(dá)目前還不清楚。有關(guān)專家研究了VC對阿樸蛋白A-Ⅰ基因表達(dá)的影響。結(jié)果表明VC缺乏組阿樸蛋白A-Ⅰ濃度降低，肝臟中阿樸蛋白A-ⅠmRNA 水平在缺乏組中比正常組降低了40%，其轉(zhuǎn)錄速率沒有明顯改變，看來VC是在轉(zhuǎn)錄后水平影響阿樸蛋白A-Ⅰ基因表達(dá)的。龐智等［4］報(bào)道了VD3對載體熒光素酶表達(dá)的作用，1，25-二羥VD3是VD的主要或新代謝產(chǎn)物，在體內(nèi)它可以通過VD受體與VD應(yīng)答元件的相互作用而激活或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。此外，生物素、抗壞血酸等也對一些基因表達(dá)產(chǎn)生影響，生育酚對心肌肌球蛋白重鏈基因表達(dá)的作用也有報(bào)道［5］。

2 基因表達(dá)對營養(yǎng)需求的影響

分子生物學(xué)技術(shù)在動物營養(yǎng)學(xué)中的應(yīng)用主要包括：利用分子生物學(xué)技術(shù)改造或生產(chǎn)動物性營養(yǎng)物質(zhì)；如從基因水平上研究如何提高肉用動物的瘦肉率；在分子水平上研究營養(yǎng)與基因表達(dá)、調(diào)控的關(guān)系，以從根本上闡明營養(yǎng)對機(jī)體的作用機(jī)制；利用基因工程技術(shù)開發(fā)飼料資源［6］。

利用分子生物學(xué)技術(shù)改造或生產(chǎn)營養(yǎng)物質(zhì)：某些天然物質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值不高，或存在某種缺陷，均可利用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行改造：而某些營養(yǎng)價(jià)值較高的物質(zhì)，其來源非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，這時(shí)我們可以利用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行大量生產(chǎn)。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)可提高動物的生長速度、產(chǎn)毛量、改變?nèi)槌煞?、改善肉質(zhì)。多年來，科學(xué)家們致力于以下幾個(gè)方面的研究：改善生產(chǎn)性狀，提高生產(chǎn)性能；增強(qiáng)抗病力；建立遺傳性疾病、腫瘤和其他疾病的實(shí)驗(yàn)動物模型。

3 展望

隨著營養(yǎng)與基因相互作用的深入研究，利用分子生物學(xué)技術(shù)改造或生產(chǎn)動物性營養(yǎng)物質(zhì)；從基因水平上研究如何提高肉用動物瘦肉率；在分子水平上研究營養(yǎng)與基因表達(dá)、調(diào)控的關(guān)系，利用基因工程技術(shù)開發(fā)飼料資源；通過食物調(diào)控基因表達(dá)和通過改良環(huán)境條件以達(dá)到提高動物生產(chǎn)性能的目的，已成為當(dāng)前營養(yǎng)學(xué)的重要研究領(lǐng)域。