乳腺對氨基酸的攝取及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

孫 梅 邢媛媛 李大彪

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)自治區(qū)高等學(xué)校重點(diǎn)實驗室，呼和浩特010018)

乳蛋白是乳中重要的營養(yǎng)物質(zhì)，乳蛋白含量的高低直接決定了乳品質(zhì)的優(yōu)劣。如何通過合理調(diào)配飼料配方有效提高乳蛋白產(chǎn)量是動物營養(yǎng)學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)工作之一。由于90%的乳蛋白是乳腺利用從血液中攝取的氨基酸合成，因此，乳腺對氨基酸的攝取量的高低是影響乳蛋白合成的首要因素。深入了解乳腺氨基酸的攝取規(guī)律有助于精準(zhǔn)預(yù)測動物的氨基酸需要量，從而科學(xué)地指導(dǎo)動物飼糧配制。為此，本文從影響氨基酸攝取的主要因素及其調(diào)控機(jī)制等方面綜述了近幾年的相關(guān)研究進(jìn)展，旨在從氨基酸攝取的角度為提高乳蛋白合成提供參考。

1 乳腺對氨基酸的攝取

氨基酸攝取是乳蛋白合成過程中的一個關(guān)鍵步驟。血液中的氨基酸不能自由擴(kuò)散進(jìn)出乳腺，需要由乳腺細(xì)胞膜上特異的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(amino acid transporters，AAT)協(xié)助完成。AAT是廣泛存在于哺乳動物細(xì)胞膜上的介導(dǎo)氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的一類功能性蛋白質(zhì)。AAT既是氨基酸作為營養(yǎng)物質(zhì)從胞外進(jìn)入胞內(nèi)的通道，也是氨基酸作為信號物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞完成神經(jīng)興奮、抑制等重要功能的通道。AAT一般根據(jù)其底物特性的不同簡單分為中性、酸性和堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，或者以對鈉離子(Na+)的依賴性分為Na+依賴性和非Na+依賴性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[1]。此外，還可以按照AAT底物的特異性及其親和力將其歸類，目前發(fā)現(xiàn)在乳腺中表達(dá)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)主要包括L系統(tǒng)、A系統(tǒng)、ASC系統(tǒng)、y+系統(tǒng)、y+L系統(tǒng)和B0,+系統(tǒng)[2-3]。

L系統(tǒng)是一種非Na+依賴的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，目前已確定4種L型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(L type amino acid transporter，LAT)，分別為LAT1、LAT2、LAT3和LAT4。其中，LAT1在乳腺中表達(dá)最多，它需要通過二硫鍵與一個重鏈CD98hc連接，才能形成有活性的轉(zhuǎn)運(yùn)載體[4]。研究表明，LAT1在荷斯坦奶牛乳腺腺泡上皮細(xì)胞基底側(cè)膜上和乳腺導(dǎo)管上皮細(xì)胞外側(cè)的肌上皮細(xì)胞膜上均有表達(dá)[5]，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)芳香族氨基酸和支鏈氨基酸，如亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)和纈氨酸(Val)等。

ASC系統(tǒng)是一種Na+依賴性的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，目前已經(jīng)確定2種ASC系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)載體(sodium-dependent neutral amino acid transporter，ASCT)，分別為ASCT1和ASCT2。主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)谷氨酰胺(Gln)、丙氨酸(Ala)、絲氨酸(Ser)和半胱氨酸(Cys)等[6]。研究表明，LAT1對Leu的轉(zhuǎn)運(yùn)受到ASC系統(tǒng)的制約，由于LAT1向細(xì)胞內(nèi)攝取Leu的同時，需要反向轉(zhuǎn)運(yùn)Gln，而Gln主要由ASCT轉(zhuǎn)運(yùn)，ASCT將Gln轉(zhuǎn)入細(xì)胞是Leu跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的先決條件[7]。由此可見，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)之間存在互相協(xié)同或相互制約的關(guān)系。

A系統(tǒng)也是乳腺中重要的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)之一，是一個Na+依賴性的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。目前已發(fā)現(xiàn)4種A系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)載體(sodium coupled neutral amino acid transporter，SNAT)，分別為SNAT1、SNAT2、SNAT3和SNAT4。Verma等[8]檢測到SNAT在小鼠乳腺組織中表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)蛋氨酸(Met)可以通過SNAT轉(zhuǎn)運(yùn)。Neville等[9]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠乳腺外植體白蛋白的攝取也是借助SNAT的轉(zhuǎn)運(yùn)實現(xiàn)的。

y+系統(tǒng)是一種非Na+依賴性的陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，包括4種陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(cationic amino acid transporters，CAT)，分別為CAT1、CAT2、CAT3和CAT4，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)精氨酸(Arg)和賴氨酸(Lys)等[10]。有研究報道稱在小鼠乳腺組織中可檢測到CAT的表達(dá)，并且胰島素能夠增強(qiáng)其活性，在胰島素、氫化可的松和催乳素的共同作用下效果更加顯著[11]。

y+L系統(tǒng)是一種對其底物有高度親和力的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，能夠介導(dǎo)陽離子氨基酸和中性氨基酸連同Na+的交換。因此，中性氨基酸通過該系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)依賴于Na+的存在[12]。Shennan等[13]研究發(fā)現(xiàn)，泌乳大鼠乳腺組織對L-Lys的攝取會受到中性氨基酸連同Na+的抑制。y+L系統(tǒng)的表達(dá)在小鼠乳腺中也有報道，小鼠乳腺組織外植體L-Arg的吸收會受到胞外L-Leu的抑制，同時Na+的存在增強(qiáng)了L-Leu的抑制作用。與y+系統(tǒng)不同的是，y+L系統(tǒng)可能不受泌乳激素的影響[12]。

B0,+系統(tǒng)是一種依賴Na+和氯離子(Cl-)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，它能夠轉(zhuǎn)運(yùn)中性和陽離子氨基酸。與B0,+系統(tǒng)相對應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白為B0,+氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(B0,+amino acid transporter，ATB0,+)，最初是在人類乳腺中發(fā)現(xiàn)，盡管檢測到了編碼ATB0,+的基因溶質(zhì)載體家族6成員14(SLC6A14)的表達(dá)，但在乳腺組織中尚缺乏氨基酸通過ATB0,+轉(zhuǎn)運(yùn)的報道[14]。

2 影響乳腺攝取氨基酸的因素

2.1 血漿氨基酸水平

血漿氨基酸水平是影響乳腺攝取氨基酸的主要因素之一，氨基酸水平的變化會導(dǎo)致乳腺對氨基酸的攝取率發(fā)生改變。例如，降低血液中某些氨基酸的供給量，乳腺為保證攝取足夠量的氨基酸，會反饋性地提高對這些氨基酸的攝取率。Bequette等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在飼喂低蛋白質(zhì)飼糧的基礎(chǔ)上，給泌乳奶山羊真胃灌注不含組氨酸(His)的氨基酸混合溶液，使血漿His水平降低了90%，導(dǎo)致乳腺對His的攝取率提高了43倍，同時乳腺血流量增加了33%，而乳腺對其他氨基酸的攝取率則降低了2～3倍，最終乳蛋白產(chǎn)量僅降低了18%。Lin等[16]通過給奶山羊灌注缺乏Met的氨基酸混合溶液也得到了相似的結(jié)果，乳腺對Met的攝取率提高了15倍，而對其他氨基酸的攝取率顯著下降。此外，也有研究反向證明過量供給某些氨基酸會導(dǎo)致乳腺對其攝取率降低。Yoder等[17]通過頸靜脈灌注的方式給泌乳奶牛提供過量的Met、Lys和His，雖然提高了乳蛋白產(chǎn)量，但乳腺對His和Met的攝取率分別下降了30%和70%。然而同一個研究表明，增加某些特定氨基酸的供給，能提高乳腺對其他氨基酸的攝取率，通過奶牛頸靜脈灌注Leu和Ile混合液使血漿Leu和Ile水平增加，顯著提高了乳腺對His和Arg的攝取率，同時顯著提高了乳蛋白產(chǎn)量[17]。

以上研究結(jié)果表明，血漿氨基酸水平的改變會導(dǎo)致乳腺氨基酸攝取率的變化。然而，當(dāng)前泌乳動物的營養(yǎng)需要體系是將乳腺對氨基酸的攝取率作為一個恒定值來計算動物的氨基酸需要量，忽視了乳腺本身能夠根據(jù)合成乳蛋白的需要量調(diào)節(jié)其對氨基酸的攝取能力，這使某些氨基酸的需要量被高估，導(dǎo)致蛋白質(zhì)飼料資源的浪費(fèi)和氮利用效率低下[18]。因此，隨著對乳腺氨基酸攝取規(guī)律的深入研究將有利于精準(zhǔn)預(yù)測動物的氨基酸需求，從而科學(xué)地指導(dǎo)飼糧配制，有效提高乳蛋白的合成。

2.2 泌乳相關(guān)激素

泌乳相關(guān)激素在影響乳腺氨基酸攝取方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對于泌乳動物而言，胰島素是一種十分關(guān)鍵的激素，它不僅起到平衡機(jī)體血糖的作用，還具有啟動和維持泌乳以及促進(jìn)乳蛋白合成的作用[19]。胰島素促進(jìn)乳蛋白合成的一部分原因可能是由于其能夠提高乳腺對氨基酸的攝取率。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)2周給奶牛真胃灌注1.5 kg/d葡萄糖使血液胰島素水平增加，導(dǎo)致乳腺對Arg、Lys、Leu、Ile、Val和蘇氨酸(Thr)的攝取率及其轉(zhuǎn)化為乳蛋白的效率顯著提高，從而提高乳蛋白產(chǎn)量[20]。此外，真胃灌注淀粉或在飼糧中增加淀粉的比例也能通過提高奶牛動脈血液中胰島素水平，從而提高乳腺對大多數(shù)氨基酸的攝取率及其轉(zhuǎn)化為乳蛋白的效率[21-22]。在體外分離培養(yǎng)的妊娠中期小鼠乳腺組織和小鼠乳腺外植體中也發(fā)現(xiàn)氫化可的松和胰島素?zé)o論單獨(dú)或組合添加均能提高L系統(tǒng)和y+系統(tǒng)的活性[11, 23]。

不僅胰島素和氫化可的松能影響氨基酸攝取，有相關(guān)報道證實，雌激素和催乳素也能通過調(diào)節(jié)AAT活性進(jìn)而影響氨基酸的攝取。有研究指出，妊娠期小鼠機(jī)體雌二醇水平升高的同時乳腺組織中A系統(tǒng)活性也顯著上升，隨后研究人員通過體外研究進(jìn)一步證實，雌二醇確實能夠顯著促進(jìn)大鼠乳腺組織外植體中編碼SNAT2的mRNA表達(dá)[24]。在泌乳大鼠乳腺外植體中，通過溴隱亭抑制催乳素分泌能夠顯著抑制L系統(tǒng)對氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)以及A系統(tǒng)對白蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)[25]。Zhou等[26]在體外培養(yǎng)的奶牛乳腺上皮細(xì)胞中開展的研究發(fā)現(xiàn)，催乳素能通過與其受體結(jié)合促進(jìn)LAT1的表達(dá)。也有研究者在泌乳小鼠的乳腺中觀察到催乳素能夠通過激活CAT1提高Arg的攝取率[11]。在泌乳的大鼠乳腺中催乳素也能促進(jìn)SNAT2的表達(dá)[27]。這些結(jié)果均說明乳腺對氨基酸的攝取受到泌乳相關(guān)激素的調(diào)節(jié)。

胰島素水平可以反映機(jī)體的能量代謝狀態(tài)，因此可以通過控制飼糧的能量水平調(diào)節(jié)血漿胰島素水平，達(dá)到提高乳腺氨基酸的攝取效率的目的。然而，血漿其他激素水平雖然在一定程度上受到飼糧的影響，但通過飼糧控制動物激素水平以提高乳腺氨基酸攝取效率的策略是否可行尚存疑。

3 調(diào)控乳腺氨基酸攝取的信號通路機(jī)制

乳腺能夠根據(jù)氨基酸供應(yīng)水平、血漿激素水平以及合成乳蛋白的實際需要量來調(diào)節(jié)其對氨基酸的攝取，這是由于乳腺中存在感知營養(yǎng)物質(zhì)和激素信號的通路機(jī)制。哺乳動物主要通過以哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)和一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2 kinase，GCN2)為核心的2條關(guān)鍵的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑感應(yīng)和適應(yīng)細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)和激素水平的波動[28-29]。mTORC1信號通路能夠感知多種泌乳激素和氨基酸充足的信號，因此，泌乳激素和特定的氨基酸(Leu和Arg等)能夠激活mTORC1，活化的mTORC1可通過其下游信號級聯(lián)反應(yīng)調(diào)節(jié)氨基酸的攝取和蛋白質(zhì)的合成[30-31]。在乳腺組織中，mTORC1能夠調(diào)控多種AAT表達(dá)，包括支鏈氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體LAT1、陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體CAT1以及中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體SNAT2的表達(dá)[32-33]。GCN2是真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α)的激酶，其最主要的功能之一是感知細(xì)胞內(nèi)氨基酸的缺乏，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)可利用的氨基酸減少時，空載tRNA(未結(jié)合氨基酸的tRNA)增多，GCN2通過與空載的tRNA結(jié)合被激活，進(jìn)而磷酸化eIF2α[28]。一方面，活化的eIF2α控制mRNA的整體翻譯速率減少氨基酸的消耗[34]；另一方面，eIF2α也能通過刺激轉(zhuǎn)錄活化因子ATF4的表達(dá)介導(dǎo)氨基酸缺乏的適應(yīng)性反應(yīng)，包括刺激氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體CAT1和SNAT2表達(dá)以及參與調(diào)節(jié)天冬酰胺合成酶的活性，以維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)[35]。

3.1 氨基酸調(diào)控乳腺氨基酸攝取的分子機(jī)制

氨基酸不僅是蛋白質(zhì)合成的底物，某些氨基酸還能作為信號物質(zhì)，激活相關(guān)信號通路從而調(diào)節(jié)其自身的攝取和利用，維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)。Met是奶牛飼糧中的第一限制性氨基酸，能刺激多種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的表達(dá)。在體外培養(yǎng)的奶牛乳腺上皮細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，高水平的Met能夠通過mTORC1信號通路的介導(dǎo)作用，促進(jìn)LAT1蛋白表達(dá)[5]，而活化的LAT1又能將胞內(nèi)的Leu轉(zhuǎn)移至溶酶體膜進(jìn)一步激活mTORC1[36]。另一項在奶牛乳腺上皮細(xì)胞中的研究表明，Met還能通過mTORC1信號通路調(diào)控2種中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的表達(dá)，即SNAT2(負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)小分子中性氨基酸，例如Ala、Ser和Gln等)和ASCT2(負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)Ala、Ser、Cys、Thr和Glu等)[33,37]。然而，在體內(nèi)的研究并未證實增加Met的供給量可以提高其他氨基酸攝取率。在泌乳初期，給奶牛灌注Met未觀察到其對乳腺氨基酸攝取的影響，而泌乳中期灌注Met則顯著降低了奶牛乳腺對大多數(shù)必需氨基酸的攝取[38]。

除了mTORC1信號通路，GCN2信號通路在調(diào)節(jié)氨基酸攝取方面也發(fā)揮著重要的作用。Appuhamy等[39]通過研究必需氨基酸缺失對乳腺組織和奶牛乳腺永生細(xì)胞系中蛋白質(zhì)合成的影響，結(jié)果表明大多數(shù)必需氨基酸缺失均能激活GCN2，提高其下游eIF2α的表達(dá)，活化的eIF2α能刺激胱氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(cystine-glutamate exchanger，xCT)和CAT1的表達(dá)[40-41]。Edick等[42]在離體培養(yǎng)的奶牛乳腺上皮細(xì)胞中研究發(fā)現(xiàn)，Arg的缺失，或Arg、Leu和Lys同時缺失，能激活細(xì)胞GCN2信號通路，并顯著提高了編碼CAT1的基因溶質(zhì)載體家族7成員1(SLC7A1)的表達(dá)。

3.2 泌乳相關(guān)激素調(diào)節(jié)乳腺氨基酸攝取的分子機(jī)制

目前在乳腺中尚未發(fā)現(xiàn)泌乳相關(guān)激素調(diào)節(jié)氨基酸攝取的直接信號通路機(jī)制。但在人類滋養(yǎng)層細(xì)胞中，胰島素能夠通過激活mTORC1信號通路刺激L系統(tǒng)活性[43]。研究發(fā)現(xiàn)，乳腺組織中受胰島素影響最大的是轉(zhuǎn)運(yùn)支鏈氨基酸的L系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運(yùn)陽離子氨基酸的y+系統(tǒng)。在奶牛乳腺外植體中，胰島素能夠提高編碼LAT1的基因溶質(zhì)載體家族7成員5(SLC7A5)的表達(dá)，進(jìn)而提高Lys的攝取[44]。在小鼠乳腺中，胰島素能夠通過激活CAT1，進(jìn)而提高Arg的攝取[11]。在奶牛乳腺上皮細(xì)胞中催乳素可能通過與其受體結(jié)合，激活mTOR信號通路進(jìn)而促進(jìn)了LAT1表達(dá)[26]。有研究對奶牛乳腺上皮細(xì)胞中的LAT1進(jìn)行過表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，β-酪蛋白含量顯著升高，而當(dāng)使用雷帕霉素抑制劑對mTORC1通路進(jìn)行抑制后，LAT1的表達(dá)顯著降低[5]，表明LAT1活性可能受到mTORC1信號通路的調(diào)控。

盡管已有大量體外研究表明mTORC1和GCN2信號通路能夠介導(dǎo)氨基酸和泌乳相關(guān)激素的信號調(diào)控乳腺AAT活性和乳腺對氨基酸的攝取，但目前在解釋乳腺調(diào)控氨基酸攝取的機(jī)理方面仍然缺乏應(yīng)用活體動物作為試驗對象的相關(guān)研究。

4 小 結(jié)

目前，在乳腺攝取氨基酸方面的研究已取得一些進(jìn)展，我們已知一些AAT的底物特異性和轉(zhuǎn)運(yùn)方式、影響乳腺氨基酸攝取的因素以及調(diào)控乳腺氨基酸攝取的可能信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。但對于AAT發(fā)揮信號識別及轉(zhuǎn)運(yùn)功能的分子機(jī)制方面的研究仍處于探索初期。由于多種轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)以及不同氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體之間在識別和轉(zhuǎn)運(yùn)功能上存在相互促進(jìn)或制約關(guān)系，未來的研究不僅要關(guān)注單一AAT的作用，更要系統(tǒng)地研究不同轉(zhuǎn)運(yùn)載體和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)之間的互作關(guān)系。關(guān)于氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的詳細(xì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的探討仍然需要大量基礎(chǔ)研究的數(shù)據(jù)支持。隨著對乳腺氨基酸攝取規(guī)律越來越清晰的認(rèn)識，將有助于進(jìn)一步優(yōu)化和完善泌乳動物的營養(yǎng)需要體系。