奶牛乳脂合成分泌基因研究進(jìn)展

楊仁輝，余 燁，陶 楊，魯瓊芬,，李鵬飛，付斌龍，索宇寧，殷彥華，冷 靜,*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，云南昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201）

近年來我國奶業(yè)迅速發(fā)展，人類生活水平不斷提高，牛奶品質(zhì)和營養(yǎng)價值成為消費(fèi)者關(guān)注重點。乳脂是牛奶的重要營養(yǎng)成分，也是衡量牛奶品質(zhì)和營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)[1]。乳脂合成是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，在該過程中脂質(zhì)合成相關(guān)基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子參與形成一個復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。乳脂來源主要有從頭合成和從血液中獲取兩種方式，乳脂合成與基因、營養(yǎng)、環(huán)境之間存在密切關(guān)系，主要受日糧配方、基因表達(dá)、激素水平、氣候條件等因素影響，其中參與乳脂合成的酶和轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)對乳脂含量有重要影響[2]。

奶牛泌乳相關(guān)基因與乳品質(zhì)的關(guān)系及其調(diào)控機(jī)理是牛奶品質(zhì)研究的重要基礎(chǔ)科學(xué)問題，隨著分子生物學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，奶牛泌乳生物學(xué)研究也呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)了眾多泌乳相關(guān)功能基因[3]。自2006 年完成牛的全基因組測序工作至今，國內(nèi)外研究者在泌乳相關(guān)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)以及生物信息學(xué)等層次開展了泌乳生物學(xué)的研究并取得很多重要成果[4]，這些研究深入揭示了牛奶脂肪酸合成相關(guān)基因的多態(tài)性與乳脂率之間的關(guān)聯(lián)性，提高了乳品質(zhì)，促進(jìn)了我國奶業(yè)健康快速發(fā)展。本文綜述了國內(nèi)外近幾年在奶牛乳中脂肪酸的從頭合成、脂肪酸的攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)、脂肪酸的活化和去飽和、甘油三酯的合成、脂質(zhì)小滴的合成分泌相關(guān)基因與乳脂關(guān)系的有關(guān)研究進(jìn)展，為奶牛乳脂合成作用機(jī)理的進(jìn)一步研究和更多泌乳關(guān)鍵基因的挖掘奠定基礎(chǔ)。

1 脂肪酸的從頭合成

脂肪酸的從頭合成是多種酶催化的復(fù)雜過程，牛瘤胃中的碳水化合物在瘤胃微生物的作用下發(fā)酵產(chǎn)生乙酸、丁酸，而丁酸又氧化生成β-羥丁酸。乳腺上皮細(xì)胞利用乙酸、β-羥丁酸等重要前體物質(zhì)，在乙酰輔酶A羧化酶（ACACA）和脂肪酸合成酶（FASN）的催化作用下進(jìn)行脂肪酸的從頭合成。

牛的19 號染色體編碼ACACA基因和FASN基因，從非泌乳期到泌乳期奶牛乳腺組織中ACACA的表達(dá)量顯著上調(diào)[5]。說明ACACA的功能或定量改變可能會影響牛乳脂肪酸組成等經(jīng)濟(jì)性狀。ACACA基因的同義突變與乳汁性狀有顯著影響，ACACA的多態(tài)性與一些新合成的脂肪酸有關(guān)[6]。泌乳期乳脂含量主要取決于ACACA基因表型，相同等位基因在不同育種群體中對乳品質(zhì)存在不同程度的影響[7]。FASN在哺乳動物脂肪的從頭合成中起到核心作用，其表達(dá)直接影響脂肪酸合成酶的多寡和乳脂率，特別是對牛乳中富含的中短鏈脂肪酸有顯著影響[8]。FASN基因外顯子40 區(qū)存在單核苷酸變異，確定了牛FASN基因作為牛奶脂肪含量候選基因標(biāo)記的作用[9]。研究表明，增加FASN 的AG 基因型頻率可以顯著提高牛奶的蛋白質(zhì)和脂肪百分比[10]。

2 脂肪酸攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)

血液是長鏈脂肪酸和單不飽和脂肪酸的主要來源，乳腺細(xì)胞從血液中攝取的脂肪酸被極低密度脂蛋白受體（VLDLR）和乳糜微粒中的成分水解，并由乳腺毛細(xì)血管的脂蛋白脂肪酶（LPL）、三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體A1（ABCA1）、三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白G2（ABCG2）、脂肪酸結(jié)合蛋白3（FABP3）、酰基輔酶A 結(jié)合蛋白（ACBPs）等脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)和攝取酶催化，將甘油三酯降解成小分子質(zhì)量的甘油和脂肪酸，從而形成乳脂。

VLDLR 結(jié)合脂蛋白運(yùn)送甘油三酯，參與甘油三酯的代謝。研究表明，乳腺VLDLR可作用于含有apo-B 48 的乳糜微粒或腸道VLDL，在泌乳開始時乳腺細(xì)胞利用脂蛋白攝取脂肪酸的效率更高，VLDLR的表達(dá)在哺乳期出現(xiàn)上調(diào)[11]。LPL參與介導(dǎo)乳腺內(nèi)脂質(zhì)分解、提供脂質(zhì)營養(yǎng)素進(jìn)而生成乳脂的過程。LPL基因突變影響乳中LPL 活性，進(jìn)而影響乳脂含量及總固體物質(zhì)含量[12-14]。奶牛在產(chǎn)后血液中LPL的表達(dá)顯著升高，也是VLDL利用的間接指標(biāo)[15]，這些研究表明VLDLR與LPL在泌乳期間的乳脂合成中起重要作用。

ABCA1在膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)和進(jìn)入乳汁過程中起著極其重要的作用，對細(xì)胞內(nèi)的脂肪代謝有一定影響，并且表達(dá)水平在泌乳期內(nèi)出現(xiàn)峰值[16-17]。ABCG2在促進(jìn)外源膽固醇的運(yùn)輸方面起著重要作用[18-19]。ABCG2基因的多樣性和突變都會影響奶牛的產(chǎn)乳性狀和功能，使乳脂率和乳蛋白率上升，造成泌乳期牛乳腺中ABCG2mRNA 豐度上調(diào)[20-24]。

FABP3調(diào)節(jié)脂肪酸的代謝活動，影響脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)，可以防止ACACA和硬脂酰輔酶A 去飽和酶（SCD）的抑制作用。在奶牛泌乳期FABP4對油酸的高親和力上升和mRNA 的表達(dá)上調(diào)，且FABP 3、AGPAT 6和脂素 1（LPIN1）等協(xié)同調(diào)節(jié)脂肪酸合成乳脂肪的通道，促進(jìn)脂肪酸合成甘油三酯，進(jìn)而影響乳脂含量[25-26]。ACBPs主要作用于長鏈?；o酶A 酯的運(yùn)輸和儲存，在泌乳期發(fā)揮重要作用，且研究表明ACBPs表達(dá)可能與泌乳期乳脂代謝過程相互關(guān)聯(lián)[27-28]。

3 脂肪酸的活化和去飽和

參與脂肪酸活化的酶主要有長鏈?；o酶A 合成酶（ACSLs）和乙酰輔酶A 合成酶短鏈家族成員2（ACSS2）。ACSLs 參與激活脂肪酸，是哺乳動物中幾乎所有代謝途徑中利用脂肪酸的第一步，如蛋白質(zhì)修飾、脂質(zhì)合成等[29]。ACSLs對乳脂肪合成具有極其重要的作用，ACSL1基因啟動子區(qū)突變可以顯著提高乳脂率，其過表達(dá)可顯著提脂肪細(xì)胞的甘油三酯含量[30]。可見，ACSL1基因在調(diào)節(jié)動物脂肪代謝中起關(guān)鍵作用。

由于固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白參與調(diào)節(jié)ACSS2基因的表達(dá)，固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白基因（SREBPs）在脂肪代謝過程中起著重要的作用，因此ACSS2基因有可能影響動物脂質(zhì)性狀。ACSS2基因在泌乳期奶牛乳腺組織表達(dá)增加，轉(zhuǎn)錄水平的變化與乳腺中乙酰輔酶A合成增加相一致，表明這個基因編碼的蛋白激活脂肪酸乙酸鹽的從頭合成[1]。

目前，牛硬脂酰輔酶A 去飽和酶（SCD）基因表達(dá)研究主要集中在SCD1，SCD缺失或減少可通過SREBP1和PPARG1直接調(diào)控進(jìn)而影響脂肪酸組成和合成速率，對乳脂中不飽和脂肪酸所占的比例有很大影響[31-33]。

4 甘油三酯的合成與脂質(zhì)小滴的形成

甘油三酯的合成有三步，分別由甘油-3-磷酸乙酰轉(zhuǎn)移酶（GPAT）催化、磷酸甘油?；D(zhuǎn)移酶（AGPAT）催化、三?；视王；D(zhuǎn)移酶（DGAT）催化。脂肪酸以及從頭合成的酯酰輔酶A 分別通過GPAT、AGPAT、DGAT 的作用酯化生成甘油三酯，進(jìn)而形成乳脂微粒并被乳腺上皮細(xì)胞分泌進(jìn)入乳腺腺泡腔內(nèi)。

在哺乳動物GPAT的4 種亞基中，GPAT1和GPAT4主要在乳腺組織中表達(dá)。GPAT1、GPAT4多態(tài)性與乳脂率、中短鏈飽和脂肪酸含量、不飽和脂肪酸含量等產(chǎn)奶性狀具有顯著相關(guān)[34]，使GPAT基因多態(tài)性成為提高牛奶營養(yǎng)健康度非常有價值的工具。AGPAT 是甘油三酯合成的第二步的關(guān)鍵酶，其中AGPAT6在乳腺組織的乳腺上皮細(xì)胞中高水平表達(dá)[35]，與奶牛乳脂率呈顯著相關(guān)關(guān)系，能調(diào)節(jié)脂肪代謝信號通路關(guān)鍵因子GPAT1、AGPAT1、DGAT1、SREBP-1c的mRNA 表達(dá)水平；且AGPAT6基因表達(dá)程度與細(xì)胞中甘油三酯的含量顯著相關(guān)，進(jìn)而影響脂代謝[36]。APAT6基因多態(tài)性與產(chǎn)奶量、乳脂率和乳蛋白率等產(chǎn)奶性狀顯著相關(guān)[37-38]。目前，對于DGAT基因遺傳多態(tài)性的研究多見于DGAT1基因，大量研究表明，DGTA1基因的k 232 突變對奶牛產(chǎn)奶性狀尤其是對乳脂率具有顯著影響，k 基因能提高牛乳脂率[39-40]。

脂素1（LPIN1）基因是與機(jī)體脂肪沉積有密切的相關(guān)性，可作為調(diào)控奶牛泌乳的候選基因。研究表明，LPIN1基因在水牛乳腺中表達(dá)，且在奶牛泌乳期的表達(dá)上調(diào)20 倍，其表達(dá)量與水牛產(chǎn)奶量呈正相關(guān)，與水牛奶中的乳脂率呈負(fù)相關(guān)[41-42]。

圍脂滴蛋白1（PLIN1）能夠促進(jìn)對長鏈脂肪酸的攝取，刺激細(xì)胞內(nèi)脂滴的形成。在基礎(chǔ)狀態(tài)下，PLIN1對脂滴具有屏障作用，保護(hù)甘油三酯不被水解，而其含量降低或發(fā)生磷酸化時，可加快甘油三酯的分解。近期國內(nèi)外研究報道認(rèn)為沉默PLIN1基因的脂肪細(xì)胞中脂滴明顯減小，脂解率顯著升高[43-44]。

5 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子及mTOR 信號通路

參與乳脂肪形成的脂代謝轉(zhuǎn)錄因子主要包括過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1（SREBP1）、糖基化磷脂酰肌醇錨定高密度脂蛋白結(jié)合蛋白1（GPIHBP1）。PPARs屬于核激素受體超家族成員，是一種配體激活轉(zhuǎn)錄因子。PPARs是控制泌乳過程中脂滴分泌和FA 轉(zhuǎn)運(yùn)的主要核因子，牛奶脂滴形成相關(guān)基因受PPARs表達(dá)調(diào)控，PPARs的沉默和過表達(dá)都會影響ACACA、FASN、SCD、LPL、FABP3、AGPAT6、DGAT1、LPIN1等乳脂合成相關(guān)基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的表達(dá)[45-48]。由此可見，PPARs基因在反芻動物乳脂代謝過程中具有重要的調(diào)控作用。

SREBP1基因在反芻動物脂肪代謝及乳脂代謝過程中具有重要的調(diào)控作用，可作為調(diào)控奶牛乳脂肪含量和組成的候選基因，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中被合成并與SREBF伴侶形成復(fù)合物，激活脂肪生成[49]。牛SREBP1基因表型與乳汁中脂肪酸含量顯著相關(guān)[29]，SREBP1基因的表達(dá)量顯著影響FAS、ACC及PPARγ等基因的表達(dá)量以及它的啟動子活性[50]。

GPIHBP1 蛋白位于上皮細(xì)胞膜，與LPL和乳糜微粒結(jié)合，為LPL裂解乳糜微粒中的甘油三酯提供平臺。釋放的非酯化脂肪酸（NEFAs）將被分化抗原簇36（CD36）和VLDLR運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞中，作為ACACA和FASN的底物。當(dāng)GPIHBP1表達(dá)變化時，乳脂相關(guān)的幾個重要基因（LPL、CD36、VLDLR、ACACA和FASN）表達(dá)就會受到影響。當(dāng)GPIHBP1表達(dá)降低時，LPL與GPIHBP1的結(jié)合也降低，從而抑制乳腺上皮細(xì)胞甘油三酯脂解過程，導(dǎo)致甘油三酯積累增加，乳脂含量升高[51]。

乳脂合成過程受信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控，其中雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號通路起著重要的作用。mTOR與其他蛋白結(jié)合形成雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mTORC1）和雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2（mTORC2）2 個復(fù)合體。mTORC2通過SREBP1作用于脂肪生成，mTORC2抑制引起mSREBP1降解，并影響SREBP1靶基因表達(dá)和脂肪生成[52]。mTORC2在調(diào)節(jié)脂質(zhì)基因的表達(dá)、脂質(zhì)生成和脂質(zhì)分泌方面起著關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，mTORC2影響PPARG的表達(dá)，進(jìn)而影響LPIN1、DGAT1、ACACA、FASN等脂肪基因的表達(dá)，表明mTORC2具有通過PPAR基因調(diào)控脂肪生成基因表達(dá)的作用，從而調(diào)控脂肪生成的新功能[53]。以上結(jié)果表明，mTOR信號通路對脂肪酸合成相關(guān)基因、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PPARs和SREBP1的表達(dá)和活性具有調(diào)控作用。

6 展 望

綜上所述，乳脂從頭合成、血液中脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)、甘油三酯合成有關(guān)基因、調(diào)控這些基因的脂代謝轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平和多態(tài)性等都可能影響奶牛乳脂肪含量及組成。目前國內(nèi)外在基因調(diào)控乳成分方面取得一定的進(jìn)展，但是結(jié)果比較分散，不能系統(tǒng)地說明問題。因此，想要從根本上解決我國乳品質(zhì)低下的問題，需要從多個水平深入研究調(diào)控乳脂代謝相關(guān)基因的調(diào)控表達(dá)規(guī)律，分析乳脂肪合成的基因網(wǎng)絡(luò)和信號傳導(dǎo)途徑也顯得極其重要，最大限度挖掘奶?；蚬δ芎拖嗷リP(guān)系對改善牛奶營養(yǎng)品質(zhì)、生產(chǎn)功能化乳制品具有重要意義。