氣味受體及其遺傳變異在家畜食欲調(diào)節(jié)中的生理作用

徐運杰

(1.山東和美集團有限公司，山東 惠民 251700；2.唐人神集團股份有限公司，湖南 株洲 412000)

美國科學(xué)家Buck和Axel于1991年對哺乳動物氣味受體的分子特征和氣味識別的分子基礎(chǔ)研究做出了重大貢獻(xiàn)，并獲得了2004年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎[1]。從那時起，通過比較基因組學(xué)對牛、豬、雞等畜禽的嗅覺受體基因進(jìn)行了描述和分類。此外，人們還研究了嗅覺系統(tǒng)與食欲之間的關(guān)系，以更好地了解人類的進(jìn)食行為、食物選擇和能量平衡的調(diào)節(jié)，尤其是治療與食欲相關(guān)的疾病，如肥胖、神經(jīng)性貪食癥和神經(jīng)性厭食癥[2-4]。關(guān)于生產(chǎn)動物嗅覺系統(tǒng)與食欲調(diào)節(jié)之間關(guān)系的研究相對較少，如何利用這些在人類和嚙齒動物身上已經(jīng)證明的嗅覺系統(tǒng)和食欲調(diào)節(jié)之間的關(guān)系來改善家畜的采食量和胴體組成等與采食量相關(guān)的特征呢？本文綜合概述了脊椎動物的氣味受體及其遺傳變異性在家畜食欲調(diào)節(jié)中的生理作用，提高對氣味受體及其配體對家畜食欲的調(diào)控為重點的研究，促進(jìn)新的氣味受體激動劑的開發(fā)和特定受體變體的遺傳選擇，以促進(jìn)動物的生產(chǎn)。

1 氣味受體的結(jié)構(gòu)與功能

脊椎動物鼻腔有兩個主要區(qū)域?qū)馕队懈兄饔?，分別是嗅覺上皮(olfactory epithelium)和梨鼻器(vomeronasal organ)，后者可能是功能性的，也可能不是功能性的，這取決于物種之間的差異[5]。這些組織中有不同類型的化學(xué)感受器，包括氣味受體、梨鼻受體和微量胺聯(lián)合受體，分別探測氣味劑、信息素和揮發(fā)性胺，并將這些化學(xué)信息傳遞給嗅球(氣味和揮發(fā)性胺)以及大腦的副嗅球(信息素)[6-8]。盡管每個嗅覺感覺神經(jīng)元在其樹突的纖毛上只表達(dá)一種氣味受體蛋白類型，但是氣味受體在嗅覺上皮內(nèi)的數(shù)百萬嗅覺感覺神經(jīng)元上表達(dá)[9]。然而，每個氣味受體可以結(jié)合和探測多個氣味分子，相反，每個氣味分子可以結(jié)合多個氣味受體，并具有不同的結(jié)合親和力，創(chuàng)造一種獨特的氣味結(jié)合和氣味受體激活模式，使動物能夠區(qū)分非常多樣和復(fù)雜的氣味。這些化學(xué)信息對于動物的生存至關(guān)重要，它們可以幫助動物定位飼料(食物)、調(diào)節(jié)動物食欲、探測環(huán)境中的毒素、提醒它們存在捕食者、識別和選擇潛在的配偶。

在結(jié)構(gòu)上，氣味受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體，經(jīng)典模式是，在鼻粘液中，氣味受體結(jié)合氣味，并啟動神經(jīng)脈沖，然后將其傳送到大腦[10]。具體來說，氣味劑與受體結(jié)合會激活G蛋白Golf，然后通過激活腺苷酸環(huán)化酶，刺激ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。cAMP打開環(huán)核苷酸門控離子通道，允許Ca2+和Na+進(jìn)入細(xì)胞，打開Ca2+門控的Cl-通道，允許Cl-流出細(xì)胞。離子的運動導(dǎo)致嗅覺感覺神經(jīng)元的去極化，并產(chǎn)生一種動作電位，這種電位沿著軸突傳到大腦。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，氣味受體的表達(dá)并不局限于鼻腔的嗅覺上皮細(xì)胞，許多器官也有“異位”表達(dá)，如肝臟[11]、胰腺[12]和肺[13]，這些氣味受體可以探測動物的內(nèi)部環(huán)境并影響無數(shù)的其他生理過程，包括精子趨化[14]和肌細(xì)胞在分化過程中的遷移[15]、通過改變揮發(fā)性脂肪酸的循環(huán)濃度(這些揮發(fā)性脂肪酸結(jié)合腎臟中的氣味受體并刺激腎素分泌)來調(diào)節(jié)血壓[16]、氧不足時，通過乳酸與頸動脈中的氣味受體結(jié)合來刺激強力呼吸和改變腸道動力[17]。在腸道嗜鉻細(xì)胞中表達(dá)的氣味受體被丁香酚等化合物激活后，釋放血清素，從而影響腸道運動和增加飽腹感[18]。不同于鼻腔的嗅覺感覺神經(jīng)元，這些組織中的每個細(xì)胞可以表達(dá)一種以上的受體類型。Flegel等[14]大約檢測到90種不同的氣味受體在人類精子細(xì)胞中表達(dá)，其在頂體帽、頭部和鞭毛區(qū)的分布有所不同?？傊?，嗅覺上皮和其他組織中存在的這些氣味受體能夠探測到各種化學(xué)信號，影響動物采食行為和食欲，可能最終影響內(nèi)分泌和代謝中心。

2 氣味受體在食欲調(diào)節(jié)功能中的作用

試驗表明，大鼠暴露在葡萄柚油或其主要氣味檸檬烯(檸檬精油)中10 min，可以抑制支配胃的傳出迷走神經(jīng)的活動，減少胃排空[19]。此外，每周三次、每次15 min接觸這些化合物，持續(xù)6周，可以減少大鼠的食物攝入量和體重[19]。相反，同樣暴露于薰衣草油或其主要氣味芳樟醇中，可以刺激胃迷走神經(jīng)活動，增加大鼠的食物攝入量和體重[20]。這些反應(yīng)都因局部鼻黏膜麻醉或用硫酸鋅處理鼻腔誘導(dǎo)失嗅而沒有出現(xiàn)上述生理現(xiàn)象，表明嗅覺刺激對動物采食行為和食欲調(diào)控的必要性。此外，研究表明，暴露于這些化合物10 min，不僅影響大鼠嗅神經(jīng)細(xì)胞Rolf B1和原代大鼠嗅鞘細(xì)胞中食欲刺激劑神經(jīng)肽Y(NPY)的mRNA表達(dá)，而且吸入檸檬烯和芳樟醇精油也會改變?nèi)梭w血清中NPY的循環(huán)濃度[21]。也就是說，芳樟醇會誘導(dǎo)NPY的mRNA表達(dá)和血清NPY濃度增加而增強食欲，檸檬烯則相反。

也有證據(jù)表明，一些異位氣味受體(ectopic odorant receptors)如小鼠的氣味受體51科E亞科成員2(OR51E2)可能在食欲調(diào)節(jié)中也起作用。Fleischer等[22]使用在OR51E2上表達(dá)綠色熒光蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠試驗證明，該受體在結(jié)腸隱窩內(nèi)的腸內(nèi)分泌L細(xì)胞上表達(dá)，并且小鼠結(jié)腸內(nèi)的所有OR51E2陽性細(xì)胞同時表達(dá)食欲調(diào)節(jié)腸激素酪酪肽(peptidetyrosinetyrosine，PYY)。這一發(fā)現(xiàn)說明，OR51E2和PYY釋放之間可能存在功能聯(lián)系。然而，只有約三分之一的PYY陽性細(xì)胞共同表達(dá)OR51E2，這表明PYY分泌的調(diào)節(jié)可能涉及超出OR51E2潛在作用的其他機制。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)少量OR51E2陽性細(xì)胞也共同表達(dá)胰高血糖素樣肽1(GLP-1)，這在食欲調(diào)節(jié)方面特別重要，因為PYY和GLP-1介導(dǎo)了所謂的“回腸制動”，這是一種反饋機制，通過將營養(yǎng)素(尤其是富含能量的食物)引入到下消化道，導(dǎo)致PYY和GLP-1從L細(xì)胞釋放，從而減緩腸道排空，降低腸道運動以及增加飽腹感。Fleischer等[22]進(jìn)一步證明了丙酸鹽是OR51E2的激活劑，為氣味受體OR51E2是調(diào)節(jié)食欲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供了證據(jù)。由此可知，來自結(jié)腸微生物消化產(chǎn)生的丙酸鹽可以激活OR51E2，并刺激L細(xì)胞釋放飽腹感信號因子PYY和GLP-1。

一種非常類似的氣味受體蛋白OR51E1在豬的整個胃腸道中表達(dá)，在胃和十二指腸連接處表達(dá)濃度最高[23]。這種氣味受體共存于含有PYY和血清素的腸內(nèi)分泌細(xì)胞上，兩者都可以調(diào)節(jié)腸道運動和食欲。這種氣味受體的配體之一是腸道內(nèi)微生物消化產(chǎn)生的丁酸鹽[24]。大量研究表明，氣味受體和食欲調(diào)節(jié)之間的機械聯(lián)系不僅存在于嚙齒動物和人類，也存在于家畜中。

營養(yǎng)感應(yīng)機制、調(diào)節(jié)能量平衡和食欲的激素與嗅覺和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間存在顯著的聯(lián)系[25]。嗅覺系統(tǒng)的活動嚴(yán)重受激素、營養(yǎng)和能量平衡代謝信號(metabolic cues of energy balance)的影響，進(jìn)而影響動物的采食和食物偏好等氣味相關(guān)行為，以幫助維持其能量平衡。例如，嗅覺感覺神經(jīng)元和嗅粘膜周圍區(qū)域以及下丘腦中表達(dá)的氣味受體、刺激動物采食的激素食欲素A和B以及和嗅覺受體神經(jīng)元和下丘腦中表達(dá)的氣味受體、抑制動物采食的激素瘦素，這些激素信號以及其他營養(yǎng)受體的激活(例如，溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運蛋白家族成員)，通過改變神經(jīng)元放電的頻率和幅度，以及氣味結(jié)合蛋白的表達(dá)，直接影響嗅覺的敏感性和對氣味的探測[3]。正如嚙齒類動物所證明的那樣，禁食增加了嗅覺敏感性和探索與食物有關(guān)的氣味所花費的時間，而飽腹感則相反，最終影響動物的采食和采食行為。顯然，除了嗅覺神經(jīng)元和鄰近下丘腦上的營養(yǎng)受體外，食欲調(diào)節(jié)肽及其受體的表達(dá)為嗅覺和食欲調(diào)節(jié)之間的廣泛交叉對話提供了機會，在家畜中需要進(jìn)一步探索。

3 氣味受體的遺傳結(jié)構(gòu)及其變異

3.1 氣味受體的遺傳結(jié)構(gòu)

氣味受體基因家族是哺乳動物中最大的基因家族。人類的氣味受體家族包含約30 Mb，即基因組的1%，其中氣味受體基因分布在幾乎所有染色體上，但常出現(xiàn)在染色體的簇狀結(jié)構(gòu)中[26]。例如，313個完整的氣味受體基因僅位于人類11號染色體上，而其他9條染色體只有1～5個完整的氣味受體基因，而8號染色體、20號染色體和Y染色體則沒有任何氣味受體基因。也存在許多假氣味受體基因，其中突變導(dǎo)致了一種無功能的氣味受體蛋白。基因組研究表明，氣味受體基因的數(shù)量在不同物種之間是高度可變的，可能與每個物種的生態(tài)環(huán)境以及它對氣味的依賴性有關(guān)，也可能與其他感官(如定位飼料的視覺)有關(guān)。例如，寬吻海豚生活在水環(huán)境中，依靠回聲來定位獵物，其嗅覺受體基因少于30個，其中只有一半是功能性的，而牛和嚙齒動物的嗅覺受體基因介于1100～1600個之間[27-28]。值得注意的是，非洲象擁有最多數(shù)量(大約2000個)的功能性氣味受體基因，為它們提供了非常敏銳的嗅覺，可以根據(jù)氣味區(qū)分不同種族的人，與甘巴部落(Kamba tribe)的氣味相比，經(jīng)常獵殺大象的肯尼亞馬賽部落(Kenyan Maasai tribe)的氣味會引起非洲大象更大的恐懼反應(yīng)[27，29]。

3.2 氣味受體的遺傳變異

影響嗅覺功能的人類的氣味受體基因存在廣泛的遺傳變異。例如，大約66%的氣味受體基因包含插入/缺失、單核苷酸多態(tài)性和拷貝數(shù)變異[30]?？截悢?shù)變異是指在基因組內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)的DNA大片段(>1 kb)，并且這個區(qū)域的重復(fù)次數(shù)因個體而異[31]。遺傳變異可以改變編碼的氨基酸，在編碼的氣味受體中產(chǎn)生無義密碼子。因此，氣味受體的遺傳變異導(dǎo)致個體間嗅覺能力的差異，它們對不同氣味的敏感性，可能會有幾個數(shù)量級的差異，對氣味或食物偏好以及采食量方面的影響也一樣。例如，OR11H7P和OR6A2等基因的單核苷酸多態(tài)性分別與動物對異戊酸的甜味敏感性和對香草芫荽葉(herb cilantro)的偏食性有關(guān)[32-33]；OR2J3基因的單核苷酸多態(tài)性影響了動物探測順式-3-己烯-1-醇的青草氣味的能力[34]；OR5A1基因的單核苷酸多態(tài)性導(dǎo)致受體一個細(xì)胞外環(huán)的氨基酸變化，影響了動物對β-紫羅蘭酮的香味的偏好和食物選擇[35]；人類基因OR7D4的單核苷酸多態(tài)性影響個體對引起公豬膻味的化合物雄烯酮氣味的厭惡程度，也與人類對饑餓的易感性和體重指數(shù)有關(guān)[36]。

3.3 氣味受體變異與生產(chǎn)性狀之間關(guān)系

牛和豬的氣味受體基因也存在相當(dāng)大的變異。例如，Lee等[28]對牛研究表明，40%的氣味受體基因樣本表現(xiàn)出拷貝數(shù)變異。同樣，66%的氣味受體基因在豬基因組中重疊拷貝數(shù)變異區(qū)[37]。因此，氣味受體基因座內(nèi)的這些拷貝數(shù)變化為動物間氣味受體功能的變化以及對表型的影響(如食欲或采食量)提供了大量研究探索的機會。迄今為止，關(guān)于氣味受體基因變異與家畜的采食量或采食相關(guān)性狀之間關(guān)系(如收益率、胴體組成和剩余采食量等)的全基因組關(guān)聯(lián)分析研究報道較少。Veerkamp等[38]鑒定了位于單核苷酸多態(tài)性附近的500個基因，發(fā)現(xiàn)這些基因與頭胎荷斯坦奶牛的體重(BW)、干物質(zhì)攝入(DMI)或體況評分(BCS)特征顯著相關(guān)。這些基因富含嗅覺、味覺和信息素受體，結(jié)果表明，氣味受體基因變異在奶牛采食量調(diào)節(jié)中具有功能作用。同樣，Do等[39]通過對豬的全基因組關(guān)聯(lián)分析在單核苷酸多態(tài)性附近鑒定出25個氣味受體基因，與剩余采食量顯著相關(guān)。另一項對肉牛的研究發(fā)現(xiàn)，OR9Q2是一個位置候選基因，有助于SimAngus肉牛品種的剩余采食量[40]。因此，嗅覺轉(zhuǎn)導(dǎo)可能是一個重要的生物學(xué)途徑，有助于改變以剩余采食量衡量的飼料轉(zhuǎn)化效率。此外，Olivieri等[41]以耐洛爾牛(Nellore cattle)為樣本分析了氣味受體相關(guān)基因，在與干物質(zhì)采食相關(guān)的牛15號染色體的46Mb區(qū)域內(nèi)鑒定出3個氣味受體基因，分別是OR2D3，OR2D2，和OR6A2；在與平均日采食量相關(guān)的牛15號染色體的50Mb區(qū)域內(nèi)鑒定出2個氣味受體基因，分別是OR52J3 和OR51A7；在與剩余采食量相關(guān)的牛4號染色體的105.9Mb區(qū)域內(nèi)鑒定出氣味受體基因OR9A4。對耐洛爾牛的第二項研究還發(fā)現(xiàn)了一個與胴體大理石紋有關(guān)的氣味受體簇，位于牛5號染色體31～32Mb區(qū)域內(nèi)[42]?？偟膩碚f，這些結(jié)果表明多個氣味受體是位置候選基因，導(dǎo)致家畜在采食和食欲相關(guān)特性方面的差異，并在食欲調(diào)節(jié)中起到重要作用。

4 研究特定氣味受體的方法

氣味受體與食欲調(diào)節(jié)之間具有復(fù)雜的功能聯(lián)系，可通過直接激活相關(guān)氣味受體或選擇特定的氣味受體遺傳變體來調(diào)控生產(chǎn)動物的食欲和采食量。根據(jù)先前對嚙齒動物和人類氣味受體的研究技術(shù)，有兩種方法可以識別和研究特定的氣味受體或氣味劑，從而對家畜進(jìn)行有針對性的研究。(1)先分離和培養(yǎng)目標(biāo)動物的特定的氣味受體表達(dá)細(xì)胞，如原代結(jié)腸L細(xì)胞或嗅覺神經(jīng)元，然后接觸各種氣味劑，再量化分析暴露于各種氣味劑下相關(guān)氣味受體mRNA或蛋白質(zhì)的表達(dá)量，最后，通過動物試驗評估具有預(yù)期效果的氣味，以確定它們是否對食欲和采食量調(diào)控產(chǎn)生預(yù)期效果。Chen等[21]通過培養(yǎng)大鼠嗅鞘細(xì)胞，然后在不同時間段內(nèi)接觸不同濃度的芳樟醇或檸檬烯，以評估神經(jīng)肽Y(NPY)mRNA表達(dá)的細(xì)胞反應(yīng)，通過NPY mRNA的表達(dá)濃度判斷這些化合物是否具有食欲調(diào)節(jié)的潛能。(2)先克隆感興趣物種的特定氣味受體(包括特定受體的不同基因變體)，然后導(dǎo)入異源熒光素酶分析，作為高通量篩選工具，評估受體對各種氣味的反應(yīng)性[43]。具體來說，不同的氣味受體克隆排列在96孔(或更大)的分析板上，然后暴露在假定能夠改變食欲的氣味劑中，根據(jù)熒光素酶分析來確定具有最大激活潛力的氣味受體和變體，最后，進(jìn)行體外動物試驗驗證氣味受體變體的表型差異。或者，可以篩選出一種感興趣的單一氣味受體來對抗多種可以改變食欲的氣味劑和氣味濃度，以確定具有最大刺激能力的氣味劑，最后，再用活體動物進(jìn)一步評價選定的氣味受體-氣味劑組合，以證實其對干物質(zhì)攝入或飼料偏好的預(yù)期影響。

5 結(jié) 語

嗅覺受體和食欲調(diào)節(jié)之間存在錯綜復(fù)雜的聯(lián)系，這些受體的變化可能導(dǎo)致個體在飼料攝入量、體重增加和身體成分方面的差異。開發(fā)新的化合物來激活各種氣味受體，從而在生產(chǎn)動物中操控這些過程，或選擇種群內(nèi)特定氣味受體的遺傳變體，來支持家畜生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期結(jié)果，具有非常大的實際應(yīng)用價值。以生產(chǎn)動物的嗅覺受體及其配體對食欲的調(diào)控為重點的基礎(chǔ)研究尚少，還需要進(jìn)一步研究。