蛋殼形成及其調(diào)控機制的研究進(jìn)展

沈濤濤，張佳蘭，吳 艷，皮勁松，姜 賢，張 昊，程詩彬，李先強

（1.長江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，湖北荊州 434025；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，動物胚胎工程與分子育種湖北省重點實驗室，湖北武漢 430064；3.湖北省畜牧技術(shù)推廣總站，湖北武漢 430070）

雞蛋含有豐富的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素以及其他微量元素，是人類日常生活中重要的蛋白來源之一。蛋殼質(zhì)量與種蛋的入孵率、孵化率、種雞仔質(zhì)量等密切相關(guān)；高質(zhì)量蛋殼可對雞蛋內(nèi)容物提供更好的保護，降低生產(chǎn)過程中的無效損失、提高蛋產(chǎn)品品質(zhì)以及消費者的消費熱情，保證雞蛋市場的經(jīng)濟效益[1-2]。在雞蛋加工過程中偏厚、強度較大的蛋殼可以降低破損率，降低因蛋殼出現(xiàn)細(xì)小裂紋被細(xì)菌感染的風(fēng)險。蛋殼質(zhì)量作為雞蛋品質(zhì)的重要評價指標(biāo)之一[3]，對蛋雞產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益有直接影響。因此，深入了解雞蛋蛋殼的形成過程及其調(diào)控機制，對于選育出蛋殼品質(zhì)優(yōu)良的蛋雞新品種具有重要意義。本文綜述了雞蛋蛋殼形成的過程、蛋殼鈣化相關(guān)的鈣轉(zhuǎn)運通路蛋白及基質(zhì)蛋白的種類、蛋殼形成相關(guān)功能基因的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步開展蛋雞新品種選育提供一定的理論參考。

1 雞蛋蛋殼及其形成過程

雞蛋包括蛋黃、蛋黃膜、胚胎、系帶、蛋白、蛋殼膜、蛋殼等。雞蛋的形成是從輸卵管中的卵細(xì)胞開始，在輸卵管中形成蛋黃膜和系帶；隨后進(jìn)入膨大部形成蛋清；再進(jìn)入峽部與子宮的交界處，于一段時間內(nèi)形成蛋殼膜，并伴隨著大量的有機物沉積形成乳突；最后進(jìn)入子宮經(jīng)過礦化過程形成蛋殼，于產(chǎn)蛋前約1.5 h 形成表皮層[4]，具體過程如圖1 所示。

圖1 雞蛋在蛋雞生殖道中的形成過程[5]

雞蛋蛋殼的形成由卵黃在峽部進(jìn)入子宮部交接處后開始進(jìn)行，有機物隨機沉積外殼膜上；卵黃進(jìn)入子宮后，蛋殼腺分泌鈣質(zhì)、色素、角質(zhì)層等物質(zhì)，經(jīng)過蛋殼礦化過程后，最終形成蛋殼。蛋殼礦化過程是碳酸鈣在各種功能基因表達(dá)產(chǎn)物的共同調(diào)控下，于內(nèi)外蛋殼膜上按一定規(guī)律聚合沉淀[4]，其中蛋雞對鈣的消化、吸收、運輸及蛋殼腺中鈣離子的沉積是蛋殼形成過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。子宮是雞蛋殼形成過程中重要部位，子宮部位的時鐘基因保證了蛋雞的產(chǎn)蛋節(jié)律，是重要的功能基因[6]。

在微觀結(jié)構(gòu)上，雞蛋蛋殼可以分為殼膜、乳突層、柵欄層、晶體層以及表皮層（又稱膠護膜）。蛋殼膜是由網(wǎng)狀纖維構(gòu)成，直接包裹蛋清；乳突層則由一系列不規(guī)則排列的錐體和結(jié)點組成，其主要成分是中性黏蛋白和硫酸角質(zhì)素；柵欄層位于乳突體和垂直晶體層之間，由一系列柱狀晶體構(gòu)成；晶體層是由較大晶體構(gòu)成的堅硬區(qū)域，晶體層中晶體排列整齊且垂直于蛋殼表面[7]；蛋殼膠護膜是蛋殼最外面的一層膜，在蛋產(chǎn)出前1.5 h于子宮部開始形成，一般覆蓋或嵌入蛋殼表面氣孔[8]，在抵御細(xì)菌跨殼入侵和保證雞蛋新鮮度等方面具有重要作用[9]。已有研究表明，雞蛋殼主要是由方解石晶體（CaCO3）有序地在蛋殼膜上沉積形成，此過程稱為生物的礦化過程[10]。蛋殼形成主要包括殼膜形成期、蛋殼礦化期。生物礦化是蛋殼礦化期的主要模型。礦化的過程又可以分為初始形成期、快速礦化期和終末形成期[11]，在此過程中形成蛋殼的柵欄層和垂直晶體層。

2 蛋殼鈣化相關(guān)的鈣轉(zhuǎn)運通路蛋白及基質(zhì)蛋白的種類

蛋雞在產(chǎn)蛋階段需要大量鈣離子，主要經(jīng)過小腸的消化、吸收，通過體液被運輸?shù)降皻は俨课唬俳?jīng)過礦化過程沉積到殼膜上形成蛋殼。鈣離子在雞體內(nèi)的運輸方式主要有主動運輸和被動運輸。鈣離子的被動運輸主要是靠膜兩側(cè)的離子濃度差，是非主動性的、無需耗能的擴散過程[12]。鈣離子的主動運輸主要包含3 個過程（圖2）：①鈣離子通過鈣離子通道或鈣離子運轉(zhuǎn)體進(jìn)入細(xì)胞的頂膜，②鈣離子與鈣離子蛋白結(jié)合運轉(zhuǎn)到基層側(cè)膜，③鈣離子排出細(xì)胞進(jìn)入子宮液中。在鈣離子的運輸過程中，有多種蛋殼鈣化相關(guān)的鈣轉(zhuǎn)運通路蛋白參與并發(fā)揮重要的調(diào)控作用。此外，在雞蛋蛋殼的生物礦化過程中，許多蛋殼特異性蛋白具有較高的活性，在蛋殼的防菌、抑菌等方面起重要作用，對蛋殼的礦化過程有著重要的調(diào)控作用[13]。

圖2 雞蛋蛋殼形成的離子轉(zhuǎn)運過程[14]

2.1 蛋殼鈣化相關(guān)的鈣轉(zhuǎn)運通路蛋白 瞬時受體電位（Transient Receptor Potential，TRP）離子通道超家族，其上皮鈣離子通道是鈣離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的主要途徑，其中在小腸部位對鈣離子的吸收過程中，TRPV5和TEPV6 是主要的通路蛋白[15]，在鈣離子從血液中進(jìn)入細(xì)胞中起著重要作用；鈣結(jié)合蛋白（Calcium-Binding Protein，CaBP）也是鈣離子運轉(zhuǎn)的重要通道蛋白，鈣結(jié)合蛋白d28k 是其中的一員。有研究表明，鈣結(jié)合蛋白d28k 可直接影響鈣離子的運轉(zhuǎn)，其含量越多則吸收的鈣離子越多，且鈣結(jié)合蛋白d28k 在蛋殼形成過程中與鈣沉積也有關(guān)系[16]。細(xì)胞膜鈣ATP 酶是鈣離子主動運輸中的一個關(guān)鍵蛋白，在鈣離子運輸過程中與細(xì)胞產(chǎn)生的能量有關(guān)，并且對維持細(xì)胞膜內(nèi)外的鈣離子濃度有積極作用[17]。碳酸酐酶（CA）可以催化CO2和水反應(yīng)，可通過呼吸作用為子宮液中提供大量CO32-，也是子宮液中CO32-的主要獲得途徑[18-19]。

2.2 基質(zhì)蛋白 基質(zhì)蛋白一般分為普通蛋白質(zhì)、蛋清蛋白質(zhì)和蛋殼特有蛋白質(zhì)。蛋殼特有蛋白質(zhì)與蛋殼品質(zhì)關(guān)系最為密切，包括Ovocleididin-17（OC-17）、Ovocleididin-116（OC-116）、Ovocalyxin-21（OCX-21）、Ovocalyxin-25（OCX-25）、Ovocalyxin-32（OCX-32）、Ovocalyxin-36（OCX-32）等，其中OC-116 是蛋殼中含量最高的蛋白質(zhì)，在子宮上皮管狀細(xì)胞分泌，在蛋殼礦化的過程中其重要作用；OCX-36 是控制蛋殼礦化的重要蛋白之一，在蛋殼和子宮液中含量極高；OCX-32主要存在于蛋殼的晶體層，作用于蛋殼礦化的最后階段，可能與蛋殼礦化的結(jié)束有關(guān)；OC-17 在蛋殼的礦化和抗菌方面起重要作用，主要是其在礦化的過程中會影響方解石晶體的結(jié)晶[10]，達(dá)到調(diào)節(jié)鈣離子沉積的目的[20]。

3 雞蛋蛋殼形成相關(guān)基因的研究現(xiàn)狀

3.1 TRP 超家族TRPV5和TRPV6是TRP超級家族的成員，在維持血鈣中起主要作用[21]，對鈣離子具有高度的選擇性，作為細(xì)胞外轉(zhuǎn)運鈣離子的第一步通道，參與鈣離子的腸道吸收、腎臟吸收、胎盤轉(zhuǎn)運至胎兒等過程[22]，在胚胎和胎兒發(fā)育過程中發(fā)揮著鈣穩(wěn)態(tài)的作用[23]。TRPV6是瞬時受體電位（TRP）通道超家族的一個高鈣選擇性成員，是胎兒和成人體內(nèi)鈣吸收的主要途徑[24]；而TRPV5是一種獨特的鈣選擇性色氨酸通道，是鈣穩(wěn)態(tài)所必需的。近年來研究表明，TRPV6在鈣離子進(jìn)入上皮細(xì)胞的過程中起到促進(jìn)作用[25]，在蛋雞的腸道和腎臟中也有表達(dá)[26]。Yang 等[27]研究發(fā)現(xiàn)TRPV6在子宮的表達(dá)與產(chǎn)蛋周期相關(guān)。

3.2 鈣結(jié)合蛋白d28k基因 鈣結(jié)合蛋白d28k 屬于鈣結(jié)合蛋白（CaBP）家族中的一員，主要在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，且受維生素D 的調(diào)控[28]。已有研究表明，鈣結(jié)合蛋白d28k 主要存在于腎臟、腸道和神經(jīng)系統(tǒng)中[29]，可以調(diào)節(jié)胞內(nèi)的鈣離子濃度，促進(jìn)腎遠(yuǎn)曲小管對鈣的重吸收[30]，在腦中鈣結(jié)合蛋白d28k 的過量表達(dá)對某些神經(jīng)細(xì)胞有保護作用[28]。此外，鈣結(jié)合蛋白d28k 是蛋雞腸道內(nèi)主要的鈣運轉(zhuǎn)蛋白，參與鈣的運轉(zhuǎn)和代謝[31]，并在蛋殼腺部位參與蛋殼的礦化過程，是蛋殼質(zhì)量的重要功能基因。

3.3 質(zhì)膜鈣離子ATP 酶 質(zhì)膜鈣離子ATP 酶（PMCA）是一種廣泛表達(dá)、ATP 驅(qū)動的鈣離子泵，對于維持所有真核細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)鈣離子平衡至關(guān)重要。已有研究表明，在參與鈣轉(zhuǎn)運的多種蛋白中，PMCA 是控制鈣穩(wěn)態(tài)最敏感的鈣檢測器[32]。PMCA 是維持細(xì)胞內(nèi)最佳細(xì)胞質(zhì)鈣離子水平的關(guān)鍵酶。

3.4 CA CA 是一種依賴鋅離子的金屬酶，是一種逆水合反應(yīng)的催化劑[33]，為生物體內(nèi)提供碳酸氫鹽[34]。蛋雞體內(nèi)蛋殼的礦化過程需要大量HCO3-，主要由碳酸酐酶來滿足，在蛋殼腺部位生成碳酸鈣，碳酸酐酶是蛋殼的重要功能基因[35]。已有研究表明，碳酸酐酶（CAs）的家族成員可參與細(xì)胞的pH 調(diào)節(jié)[36]，血液中的CA III可影響糖脂代謝，可引起老年糖尿病的發(fā)生[37]；在小鼠體內(nèi)可減輕小鼠的肌無力癥狀[38]。

3.5 蛋殼特有的蛋白質(zhì)相關(guān)基因 已有研究表明，OC-17是最早被發(fā)現(xiàn)的蛋殼基質(zhì)特異性蛋白，是調(diào)節(jié)蛋殼礦化的主要蛋白質(zhì)之一，在雞蛋蛋殼生物礦化過程中發(fā)揮重要功能[39-40]；OC-17 對蛋殼的抗菌防污染也有一定作用[16]。OC-116 是蛋殼基質(zhì)蛋白中表達(dá)量最多的蛋白質(zhì)，其表達(dá)產(chǎn)物可調(diào)控碳酸鈣晶體的生長和形態(tài)，影響蛋殼表面的有機層的形成，促進(jìn)蛋殼鈣的沉積[41]；單核苷酸多態(tài)研究發(fā)現(xiàn)OC-116基因與雞蛋的蛋形指數(shù)、蛋殼厚度以及蛋殼強度密切相關(guān)[42]。OCX-36 是一種在蛋殼高效鈣化時表達(dá)的蛋白，主要位于蛋殼的內(nèi)層和殼膜，在礦化過程中起正調(diào)節(jié)作用[43]。OCX-32 是由子宮分泌的一種蛋白，可有效抑制晶體生長和碳酸鈣的沉淀，可能具有抗菌和終止蛋殼礦化的能力[44-45]，與靈尾雞的生產(chǎn)性能相關(guān)，可作為選育的輔助候選因子[46]；OCX-32基因的多態(tài)性與蛋殼厚度、蛋白高度、哈氏單位等蛋殼品質(zhì)性狀存在密切的關(guān)聯(lián)[47-49]。

3.6 其他相關(guān)基因 卵清蛋白（Ovalbumin，OVA）是雞蛋清中的主要蛋白質(zhì)，主要存在于蛋殼乳突層，對碳酸鈣的沉積具有調(diào)節(jié)作用，尤其在蛋殼形成的過程中發(fā)揮重要作用[50]。已有研究表明，卵清蛋白參與蛋殼乳頭層椎體核的形成，而乳突層有效厚度與蛋殼質(zhì)量呈正相關(guān)[51]；張蕾等[52]研究發(fā)現(xiàn)，卵清蛋白基因多態(tài)性與蛋白高度、哈氏單位等顯著相關(guān)。綜上，卵清蛋白基因?qū)Φ皻ば纬珊偷捌焚|(zhì)性狀有一定影響。

骨橋蛋白（Osteopontin，OPN）是一種多功能蛋白。已有研究表明，骨橋蛋白參與細(xì)胞募集、細(xì)胞免疫，刺激骨的鈣化，參與細(xì)胞的移動等多個代謝過程[53-54]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，骨橋蛋白基因與蛋鴨的蛋殼品質(zhì)具有一定相關(guān)性[55]，尤其是對鴨蛋蛋殼的厚度和蛋殼強度具有顯著影響[56]。

4 展 望

隨著雞蛋蛋殼形成相關(guān)研究的不斷深入，將有越來越多的相關(guān)功能基因被發(fā)現(xiàn)和驗證，將會為雞蛋蛋殼品質(zhì)性狀的選擇奠定一定的理論基礎(chǔ)。目前關(guān)于雞蛋蛋殼形成的很多研究主要是針對蛋殼形成的理論及其調(diào)控原理，而影響雞蛋蛋殼形成的關(guān)鍵基因及其如何調(diào)控蛋殼形成的機制尚不清楚，是今后開展蛋殼質(zhì)量調(diào)控研究的主要研究方向之一。