家畜DGAT1基因的生物學(xué)功能及其在遺傳育種中的應(yīng)用研究

宋 天， 王大會(huì)， 劉 賢， 安清明， 王獻(xiàn)偉， 茹寶瑞， 徐澤君， 雷初朝， 陳 宏， 黃永震*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院,貴州 銅仁 554300;3.河南省畜牧總站，鄭州 450008)

三酰甘油(triacylglycerol，TAG)是一種高還原性碳分子，在細(xì)胞液中形成不溶于水的脂滴，并提供高能量的還原碳儲(chǔ)存。TAG作為脂質(zhì)的組成成分之一，是真核細(xì)胞生物體代謝能儲(chǔ)存的主要形式[1]。三酰甘油主要由肝臟、乳腺、小腸黏膜及其它脂肪組織儲(chǔ)存或分泌,若在脂肪組織中過(guò)量?jī)?chǔ)存會(huì)導(dǎo)致肥胖，在非脂肪型組織中，三酰甘油則與組織功能障礙有關(guān)。TAG參與脂蛋白運(yùn)輸和細(xì)胞膜合成，且當(dāng)機(jī)體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺少或者處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，TAG作為儲(chǔ)能的主要分子以提供機(jī)體所必需的能量。

?；o酶A：二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶(acyl CoA：diacyiglycerol acyltransferase，DGAT)是催化三酰甘油合成最后一步反應(yīng)的關(guān)鍵酶和微粒體酶，對(duì)乳用動(dòng)物乳脂含量的高低有顯著影響，同時(shí)也影響脂肪在相關(guān)組織的沉積量、腸道中的脂肪吸收、血漿中三酰甘油濃度的調(diào)節(jié)、體內(nèi)物質(zhì)能量代謝、禽蛋和其卵母細(xì)胞的合成等過(guò)程;除此以外，DGAT1也催化甘油二酯、蠟和視黃酯的形成。

脂?；糠瞩セ啥；视?，以形成三?；视?TAG)，并由兩種二?；视王；D(zhuǎn)移酶(DGAT)催化，且兩種酶被2個(gè)不同基因家族的基因所編碼，分別稱為二?；视蚈-酰基轉(zhuǎn)移酶1(diacylglycerol O-acyltransferase 1，DGAT1)和二?；视蚈-?；D(zhuǎn)移酶2(diacylglycerol O-acyltransferase 2，DGAT2)，這兩種蛋白都是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的跨膜蛋白，二者各自的膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在顯著的不同[2]，但在哺乳動(dòng)物全身組織內(nèi)均廣泛表達(dá)，并發(fā)揮著各自的作用[3]。其中DGAT1催化的反應(yīng)底物為二酰甘油和乙酰輔酶A(fatty acyl CoAs)，該基因一方面參與脂肪合成、儲(chǔ)存及脂蛋白組裝等過(guò)程[4]，在細(xì)胞中起到重要的中心代謝作用，另一方面作為影響家畜泌乳性狀和脂肪沉積等其他性狀的重要候選基因，且被認(rèn)為對(duì)家畜乳脂合成、脂肪含量和食用價(jià)值均有顯著影響[5]。本文通過(guò)對(duì)DGAT1的分子結(jié)構(gòu)和定位、生物學(xué)功能、其遺傳多態(tài)性對(duì)多種家畜各方面性狀的影響進(jìn)行綜述，并對(duì)DGAT1基因在家畜育種研究方面的應(yīng)用前景做出展望。

1 家畜DGAT1基因分子結(jié)構(gòu)和定位

人的DGAT1基因定位于8q24.3，含有18個(gè)外顯子；家鼠的DGAT1基因位于第15號(hào)染色體D3區(qū)，共計(jì)含18個(gè)外顯子；牛DGAT1基因位于第14號(hào)染色體19 cm處，共計(jì)含有15個(gè)外顯子；綿羊的DGAT1基因位于第9號(hào)染色體上，共計(jì)16個(gè)外顯子；Nonneman等[6]研究發(fā)現(xiàn)等豬DGAT1基因定位于SSC4p15，與微衛(wèi)星SW2404緊密連鎖，cDNA全長(zhǎng)1 935 bp，共計(jì)16個(gè)外顯子；獼猴的DGAT1基因定位于第8號(hào)染色體上。

2 DGAT1基因的生物學(xué)功能

2.1 DGAT1基因?qū)χ敬x的影響

DGAT1基因參與哺乳動(dòng)物體組織中三酰甘油的合成，參與調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝，但對(duì)生命并非必需，DGAT1缺失的小鼠在長(zhǎng)期喂食高脂肪食物后，吸收后乳糜微粒血癥有所減緩，并在腸細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中積累中性脂滴，此種現(xiàn)象表明DGAT1基因缺失的小鼠對(duì)三酰甘油的吸收率降低[7]；研究發(fā)現(xiàn)，缺少DGAT1的小鼠可通過(guò)降低脂肪中貯存的三酰甘油含量而存活，而敲除DGAT2基因的小鼠出生后即死亡，其體內(nèi)三酰甘油含量降低了90%以上，這表明DGAT2是主要的三酰甘油儲(chǔ)存酶。進(jìn)一步研究得出，脂肪細(xì)胞中缺少DGAT2的小鼠在常規(guī)或高脂飲食中三酰甘油儲(chǔ)存和葡萄糖代謝均正常，說(shuō)明DGAT2對(duì)脂肪的儲(chǔ)存并非必需。相比之下，脂肪細(xì)胞中缺少DGAT1的老鼠在進(jìn)食鼠糧時(shí)體內(nèi)的三酰甘油儲(chǔ)存正常，但在進(jìn)食高脂肪食物時(shí)，體內(nèi)脂肪會(huì)適度減少，并伴有葡萄糖的不良耐受。后者的變化與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通路的激活有關(guān)。由此得出結(jié)論，DGAT1和DGAT2可在很大程度上補(bǔ)償三酰甘油在體內(nèi)的儲(chǔ)存，且DGAT1基因在保護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)免受高脂肪飲食的脂毒侵害方面具有更重要作用[1]。另有研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠DGAT1基因后，皮脂腺功能發(fā)生紊亂，導(dǎo)致皮毛受損，皮膚含水量下降，乳腺中的三酰甘油合成量有所減少，泌乳量也隨之降低[9]。

2.2 DGAT1基因?qū)σ葝u素和瘦素的影響

作為催化哺乳動(dòng)物三酰甘油合成最后一步的關(guān)鍵酶之一，DGAT1基因缺乏的小鼠能通過(guò)增加能量消耗的機(jī)制，而對(duì)飲食引起的肥胖具有一定的抵抗力[10]。Yu等[11]研究報(bào)道了DGAT1敲除小鼠可存活，餐后血漿三酰甘油升高的程度有所降低，胰島素和瘦素敏感性增加。

DGAT1缺乏癥對(duì)嚴(yán)重瘦素抵抗小鼠的胰島素抵抗和肥胖具有保護(hù)作用。相比之下，DGAT1缺乏并不影響瘦素缺乏小鼠的能量和葡萄糖代謝，造成這類情況的部分原因可能是在瘦素缺乏的情況下，DGAT2表達(dá)代償性上調(diào)。在此得出初步結(jié)論，隨著相關(guān)研究的深入，抑制DGAT1基因表達(dá)有可能有助于治療人類肥胖患者的胰島素抵抗和瘦素抵抗[10]。

Meegalla等[12]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖和胰島素是一種合成代謝信號(hào)，它能上調(diào)一系列脂肪生成酶的轉(zhuǎn)錄，將多余的碳水化合物轉(zhuǎn)化為三酰甘油，從而有效地儲(chǔ)存能量。其中葡萄糖優(yōu)先增強(qiáng)DGAT1基因mRNA的表達(dá)，而胰島素則特異性地增加DGAT2 mRNA的表達(dá)。葡萄糖和胰島素同時(shí)作用于脂肪細(xì)胞，脂肪細(xì)胞的細(xì)胞膜中DGAT活性高于分別單獨(dú)作用于葡萄糖和胰島素的脂肪細(xì)胞，說(shuō)明葡萄糖和胰島素對(duì)DGAT的活化具有加性作用。由于肝臟中DGAT1 mRNA的含量較少，可初步認(rèn)為DGAT1更多地參與了腸道脂肪吸收和脂肪組織中三酰甘油的基礎(chǔ)水平合成，而在脂肪組織中，DGAT1表達(dá)較高。

3 DGAT1基因遺傳多態(tài)性與家畜遺傳育種應(yīng)用

3.1 DGAT1基因多態(tài)性對(duì)牛相關(guān)性狀的影響

編碼DGAT1的基因處于牛第14號(hào)染色體上，被認(rèn)為是影響乳脂含量的重要位置和功能候選基因。Thaller等[13]研究利用德國(guó)法蘭克福牛和荷斯坦牛兩種奶牛品種，研究了DGAT1中非保守賴氨酸(K232A)取代丙氨酸(K2326A)對(duì)牛奶生產(chǎn)性狀的影響。通過(guò)多種數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus，QTL)定位試驗(yàn)，在牛第14號(hào)染色體的著絲粒區(qū)域檢測(cè)到1個(gè)QTL，該QTL對(duì)牛奶的脂肪含量有著重要影響。通過(guò)對(duì)DGAT1 K232A突變中K與A兩種等位基因的對(duì)比研究分析可得出，德國(guó)法蘭克福牛和荷斯坦牛的乳脂率、蛋白質(zhì)含量、1～3泌乳期乳脂總量均有所提高，泌乳量和乳蛋白總量則有所減少。Dokso等[8]研究了DGAT1 K232A多態(tài)性位點(diǎn)及等位基因K和A變異對(duì)克羅地亞荷斯坦、西門(mén)塔爾和瑞士褐牛泌乳性狀的影響，從371頭奶牛的毛發(fā)中提取DNA，并對(duì)K232A位點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)增，結(jié)果顯示，荷斯坦和瑞士褐牛的KK基因型對(duì)泌乳量存在顯著影響，而在西門(mén)塔爾品種中KA和AA基因型呈陰性。在乳脂含量方面，荷斯坦品種KK基因型、西門(mén)塔爾牛的KA基因型和瑞士褐牛的AA基因型影響較為顯著，且3個(gè)品種的AA基因型奶牛所分泌牛乳均具有較高的乳蛋白含量。但DGAT1基因?qū)γ谌榱亢腿槠焚|(zhì)影響不顯著(P>0.05),且DGAT1多態(tài)性對(duì)牛奶脂肪酸和礦物質(zhì)組成存在實(shí)質(zhì)性的影響，與牛奶質(zhì)量有關(guān)[14]。Vanbergue等[15]研究了DGAT1 K232A多態(tài)性與隨泌乳頻率變化而產(chǎn)生的自發(fā)脂解作用(spontaneous lipolysis，SL)的相關(guān)性，認(rèn)為DGAT1基因型與牛奶中三酰甘油的SL之間存在相關(guān)性，并與環(huán)境因素(擠奶頻率)相互作用，但目前尚未闡明這一階段的致病機(jī)制。另有研究認(rèn)為，瘤胃微生物群、奶牛遺傳和飲食結(jié)構(gòu)之間可能存在復(fù)雜的相互作用。Van等[16]研究了亞麻籽油、DGAT1基因K232A多態(tài)性以及亞麻籽油與DGAT1之間的相互作用，是否對(duì)瘤胃氣體排放、能量和氮代謝、以及泌乳性能等產(chǎn)生影響。采用交叉設(shè)計(jì)方法，對(duì)24頭泌乳期荷斯坦—弗里斯奶牛分別飼喂兩種飼料：對(duì)照飼料和亞麻籽油飼料，并在測(cè)定相關(guān)數(shù)值后采用胃管法采集瘤胃液樣本。結(jié)果表明，DGAT1對(duì)瘤胃氣體排放、能量代謝、奶牛產(chǎn)奶量和組成等均無(wú)影響。但DGAT1 KK基因型的代謝率較低，且與DGAT1 AA基因型相比，牛奶氮效率有降低趨勢(shì)。此外，DGAT1基因不影響腸內(nèi)甲烷的排放和生產(chǎn)途徑，但影響泌乳性狀以外的其他性狀，包括代謝情況、氮循環(huán)效率和雙歧桿菌的相對(duì)豐度。且本研究中的亞麻仁油在不依賴于DGAT1的前提下會(huì)降低甲烷排放，并影響瘤胃微生物群及其發(fā)酵活性。

3.2 DGAT1基因?qū)ρ蛳嚓P(guān)性狀的影響

余剛等[17]對(duì)陜北白絨山羊DGAT1基因的第14外顯子進(jìn)行PCR擴(kuò)增，結(jié)果顯示，在該位點(diǎn)存在由鳥(niǎo)嘌呤到腺嘌呤的突變位點(diǎn)，導(dǎo)致甘氨酸突變?yōu)楣劝彼?，該位點(diǎn)存在1對(duì)等位基因A和B，并存在AA、BB、AB 3種基因型。經(jīng)分析，在初生重、斷奶重、體高、管圍等多個(gè)性狀上，BB基因型均優(yōu)于其他2個(gè)基因型。Mohammadi等[18]研究了洛瑞—巴赫蒂亞羊和澤爾羊DGAT1基因16～17外顯子的單核苷酸多態(tài)性(SNPs)，為研究DGAT1基因與部分胴體性狀的關(guān)系及2個(gè)綿羊品種間的親緣關(guān)系提供了基礎(chǔ)。共屠宰309只綿羊，測(cè)定胴體重、背膘厚、肥尾重、肥尾百分率、屠宰百分率和調(diào)整后的肥尾百分率。PCR-RFLP分析結(jié)果表明，SNP有TT(272，37 bp)、TC(309，272，37 bp)、CC(309 bp) 3種基因型，其中TT為優(yōu)勢(shì)基因型，T等位基因?yàn)閮?yōu)勢(shì)等位基因。在DGAT1位點(diǎn)，CC羊的脂肪尾重(P<0.05)和背膘厚(P<0.01)顯著增加。本研究結(jié)果表明，C等位基因?qū)Ψ饰惭虻闹疚仓睾捅潮旌裼酗@著影響。Sun等[19]研究了短鏈脂肪酸(SCFAs)在反芻動(dòng)物乳脂代謝中的作用，以山羊乳腺上皮細(xì)胞(GMECs)為研究對(duì)象，分別用3 mmol/L乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽處理24 h，觀察其對(duì)脂肪生成的影響。數(shù)據(jù)顯示，丙酸酯和丁酸酯對(duì)三酰甘油(TAG)的含量和脂滴的形成有明顯的促進(jìn)作用，且丙酸和丁酸鹽處理均可上調(diào)DGAT1等其他6種基因的表達(dá)。可進(jìn)一步推測(cè)，DGAT1的表達(dá)量提高，可促使山羊乳脂中的三酰甘油和脂滴合成量增加。Armstrong等[20]報(bào)道了純種特克塞爾羔羊的幾種與脂質(zhì)代謝、生長(zhǎng)相關(guān)的基因中存在的SNP與幾種胴體性狀之間的關(guān)系，經(jīng)檢測(cè)分析得出，DGAT1基因?qū)Ω嵫虻幕钪?、脂肪厚度、肋眼面積和肩重均有一定的相關(guān)性。

3.3 DGAT1基因?qū)ωi的影響

豬的脂肪沉積是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)性狀，與豬背膘厚和肌間脂質(zhì)量關(guān)系密切。當(dāng)豬從日糧中攝取營(yíng)養(yǎng)成分以滿足機(jī)體的生長(zhǎng)需求時(shí)，若能量供給大于機(jī)體所消耗能量，余下的能量則以三酰甘油的形式富集在體內(nèi)，導(dǎo)致豬背膘厚及體內(nèi)其他組織的脂肪含量增加。因此，限制三酰甘油的合成量可降低豬背膘的形成。肌內(nèi)脂肪含量(IMF)和背膘厚(BFT)則是影響豬肉品質(zhì)的重要因素。Cui等[21]研究DGATmRNA表達(dá)與肌內(nèi)脂肪、背膘厚度的關(guān)系，利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR對(duì)3個(gè)豬品種(萊蕪豬、魯萊黑豬和大白豬)共36頭去勢(shì)公豬(114±2 kg)進(jìn)行檢測(cè)，樣本分別取自背長(zhǎng)肌、背脂肪和肝臟。結(jié)果表明，萊蕪豬組DGATmRNA水平最高，大白豬組最低。進(jìn)一步得出結(jié)論，DGAT1基因表達(dá)與BFT呈正相關(guān)，與IMF無(wú)關(guān)。

3.4 DGAT1基因?qū)ν玫挠绊?/h3>

對(duì)齊興肉兔DGAT1部分基因片段進(jìn)行克隆，并對(duì)不同組織中的表達(dá)譜進(jìn)行檢測(cè)和分析。結(jié)果得到DGAT1基因?yàn)殚L(zhǎng)960 bp的編碼序列，共編碼320個(gè)氨基酸。進(jìn)行序列比對(duì)分析后，發(fā)現(xiàn)家兔DGAT1基因與其他物種的相似性在80%以上；且家兔與人的親緣關(guān)系最近，與牛的最遠(yuǎn)。組織表達(dá)譜分析表明，DGAT1基因在心臟、肝臟、背最長(zhǎng)肌、皮下脂肪等多種組織中均有表達(dá)，且在皮下脂肪中表達(dá)量最高，肺臟組織中表達(dá)量最低。該研究為DGAT1基因?qū)彝玫亩喾矫嫘誀罡牧?、促進(jìn)生理代謝提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)[22]。

4 展 望

脂肪組織中的三酰甘油是哺乳動(dòng)物能量代謝的主要貯存體。脂肪分解過(guò)程中，脂肪酸從脂肪細(xì)胞三酰甘油儲(chǔ)存中水解出來(lái)，運(yùn)送到其他組織中作為能耗。DGAT1合成三酰甘油的過(guò)程中，可以保護(hù)脂肪細(xì)胞在脂肪分解過(guò)程中免受脂質(zhì)誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)激。且DGAT1依賴性脂滴生物在饑餓所誘導(dǎo)的自噬過(guò)程中，能夠在一定程度保護(hù)線粒體。DGAT1缺乏癥患者患有先天性腹瀉，患者的腸功能衰竭及脂質(zhì)代謝會(huì)發(fā)生異常，以頑固性腹瀉和營(yíng)養(yǎng)吸收不良為特征，有時(shí)甚至危及生命，其中一部分與DGAT1的突變有關(guān)。引起人類肥胖及與之相關(guān)的代謝疾病，如二型糖尿病、高血脂癥等嚴(yán)重威脅人類健康。由于機(jī)體內(nèi)白色脂肪組織異常肥大和増生，若三酰甘油的代謝發(fā)生不良變化，導(dǎo)致血漿中脂肪酸含量未經(jīng)酯化而升高，三酰甘油在多種脂肪組織中蓄積量發(fā)生異常，從而導(dǎo)致多種代謝相關(guān)疾病。DGAT1作為脂肪細(xì)胞中控制TAG合成的關(guān)鍵酶，在細(xì)胞甘油脂類的代謝中起重要作用，為此研究DGAT1的藥理學(xué)抑制作用，可用于研制治療人類肥胖和脂肪代謝異常相關(guān)疾病的靶向藥物。DGAT1基因在哺乳動(dòng)物中同樣有著至關(guān)重要的作用，根據(jù)相關(guān)報(bào)道可知，DGAT1基因多態(tài)性在牛、羊、豬、兔等家畜育種方面均有不同程度的貢獻(xiàn)。在牛上，DGAT1基因第8外顯子的K232A突變顯著影響牛的泌乳性狀[3，8]，且對(duì)胴體性狀和肉質(zhì)嫩度均有顯著影響[23]，可有望利用該突變?cè)谂５挠N改良方向上取得新的突破。在羊上，DGAT1基因第14外顯子存在由鳥(niǎo)嘌呤到腺嘌呤的突變位點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)基因型在多個(gè)性狀上均有顯著表現(xiàn)，有望對(duì)羊的生長(zhǎng)和胴體性狀方面做出進(jìn)一步的改進(jìn)。DGAT1基因同樣影響豬的脂肪沉積，有望用于改善豬的肉質(zhì)性狀。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)牛DGAT1基因與多個(gè)性狀的關(guān)聯(lián)性研究較多，禽類方面研究較少，而綜上DGAT1基因?qū)倚蟮挠绊憗?lái)看，針對(duì)該基因開(kāi)展后續(xù)的分子標(biāo)記輔助育種是十分有必要的。