【畜禽生产中营养物质对基因表达的调控】

廖玉华(浙江大学动科院饲料所,杭州  310029)

    动物的一切代谢活动，包括生长和生产，都是基因表达的结果。基因的转录和翻译，即基因表达，是决定畜禽生产的两个基本代谢活动。基因的表达受转录水平、而mRNA加工过程、mRNA稳定性和mRNA翻译为蛋白质过程所调节。转录过程即DNA转录为mRNA的过程。所谓mRNA加工过程就是切除内含子序列而将外显子序列拼接的过程。mRNA的稳定性是以mRNA降解速率来描述的，与mRNA降解酶的活性有关。

    研究畜禽的重要代谢基因调节机理，以提高其产磁和效益，有两种主要途径。其一是设置基因可调节区域的增强子或阻扼物位置上结合某种药物来控制转录。也可以设置药物控制而mRNA的处理过程、mRNA的稳定性和刊mRNA的翻译，其在畜禽业上的前景乐观，但目前仍处于初始阶段。其二，通过营养调控途径，即通过调控饲料成分可达这一目的。目前这方面的研究很多，应用也越来越得到农业界的重视。

    大量的研究表明，饲粮中的营养物质，即脂肪，蛋白质，维生素和金属元素等对很多基因的表达有影响，而这些基因与动物的生长和生产意义重大。认识和利用营养物质――基因的相互作用，通过饲粮配给来控制基因的转录、mRNA的加工、mRNA稳定性和mRNA翻译，从而调节基因的表达，是畜禽业生产的巨大进步。

    l能量对基因表达的调控

    动物对日粮能最消耗水平的减少，称为能最限制(ER)。动物的生长受基因、激素和营养因子等相互作用的控制。在限能大鼠中，不倚生长激素水平保持正常或有所提高，生长都会受阻。在限能大鼠中，类胰岛素样生长因子IGL-1和IGF-ⅡmRNA都普遍下降(Strans等;1991)[1]。胰岛素样生长因子Ⅰ和Ⅱ是两种多肽激素，是机体生长重要的调节因子。可促进细胞对氨基酸和葡萄糖的摄取，增加蛋白质、脂肪和糖原合成，刺激DNA复制和细胞增殖分化。研究结果表明，IGFs能使泌乳山羊乳腺血流量和产乳最增加，且IGF-Ⅰ比IGF-Ⅱ作用强(Prosser等，1994)[2]。关于能量调节IGFs的分子机制还不太清楚。但胰岛素促进肝脏产生IGF-I，而胰高血糖素抑制lGf-Ⅰ产生。由于两种激素受营养水平影响，故营养状况调控肝派性IGF-Ⅰ水平。禁食、营养不良、喂限制性蛋白日粮均会引起IGF-ⅠmRNA下降(Denver等，1994)[3]。另外限能还使大鼠中葡萄糖调节蛋白78(GRP78)mRNA水平显著降低(Spindler等，1990)[4]。GRP78是一种位于内质网的分子伴侣，它对蛋白质的正确折叠、组装和糖基化有重要作用。因而在畜禽生产中，供给足够的能最，对维持畜禽的快速健康生长意义重大。
但是，另一方面能量限制可延缓与年龄相关的生理变化，提高中壮年期跨度。限能可导致血糖浓度、胆固醇浓度、血压、基础代谢率的降低，也可降低由于免疫机能的衰老和氧化的伤害对蛋白和DNA造成的不利。限能改变了许多与长寿有关基因的表达。比如，基础和被诱导的P1-450和P3-450水平和超氧化物歧化酶mRNA在自由采食老鼠中随年龄增长而降低，但在限能鼠中不降低(Mote等，1991)[5]。在转基因果蝇中(Orrand等，l994)[6]，限能可降低蛋白质被破坏的程度，从而提高生命跨度。因而限能在医学上也得到了极大的关注。

    2  日粮脂肪对基因表达的影晌

    脂肪主要影响与脂肪代谢有关的酶的含蟹，如胰脂肪酶。胰脂肪酶受日粮脂肪的调节。胰脂肪酶是日粮中甘油三醋的主要水解酶，在有脂肪酶胆汁盐的存在下将甘油三醋水解为脂肪酸和单酸甘油醋，然后被逐渐吸收。不同水平的脂肪导致不同的反应。升高日糖中不饱和脂肪会导致胰脂肪酶的合成。其mRNA浓度和翻译相应增加，然而，脂肪的种类对此的调节还有争议。Saraux等，(1982)[7]报道脂肪链长(而非饱合度)影响脂肪酶。但很多研究已证明饱和度确实影响脂肪酶，尤其显示高度不饱和脂肪诱发胰脂酶的活力。不同饱和度的脂肪(多不饱和脂肪酸:饱和脂肪酸比例从0.1到7.9)和链长(C12和C18)在消耗高脂肪日粮后对脂肪酶的激发作用相当，但在中等脂肪日粮中(占能最的40%)，只有高度不饱和脂肪酸激发脂肪酶的活力。中等脂肪组比低脂肪组大鼠胰脂酶-Ⅰ(Rpl-l)和大鼠胰脂酶-3(rPL-3)的mRNA水平高，而在低脂肪组中，用红花油组(不饱和脂肪酸)比猪袖组大鼠的Rpl-1和rPL-3的mRNA水平高(Wicker,1988,1990))[9,10]。因而用不饱和脂肪酸代替饱和脂肪酸可提高畜禽瘦肉比，减少体内脂肪沉积。不饱和脂肪酸是脂肪酸合成酶基因的有效抑制因子，海生动物油脂抑制因子的作用高于植物油脂，因为色油含有高水平的C20N-6和N-3脂肪酸(Clarke等，1990，1992)[11,12]。不饱和脂肪酸只有连续食入才具有这种抑制作用，而与日粮碳水化合物水平无关。这对肉鸡和猪是可行的。不饱和脂肪酸在反刍动物瘤胃内会很快被氧化，只有很少被吸收。因此需使用过瘤胃保护技术保护不饱和脂肪酸。

    3蛋白质对基因表达的影晌

    蛋白质影响许多基因的表达，比如白蛋白、神经肽Y。神位肽Y(NPY)是由36个氨基酸组成的肽，富含于中枢和周围神经系统。NPY可刺激动物采食，注入NPY可导致饮食过度和体内脂肪堆积增加。禁食或限食发现可导致室旁核NPY水平上升，同时NPY基因在下丘脑的表达也上升。据White等(1994)[13]试验证明，在限能和限蛋白质实验组的大鼠中，其下丘脑NPY基因表达上升。限能组下丘脑NPY基因的mRNA表达与自由采食的对照组相比升高了约75%。蛋白质限制组NPY基因表达的增加量与限能组相当，两组之间无明显差别。而限制碳水化合物组与限制脂肪组的NPY基因表达与对照组无差别。由此可以推断限能组NPY上升的原因可能是蛋白质缺少造成的。证据有二:1)在不同碳水化合物和脂肪组中，只要Pr．含量一致，其NPY基因表达量也一样；2）在正常蛋白质量，而限制脂肪或碳水化合物的两组中，NPY基因表达没有上升。另一方面，喂给高蛋白日粮可降低脂肪组织脂肪酸合成酶的mRNA的数最但不影响肝脏组织脂肪酸合成酶的mRNA数量(Clarke等，l990)[14]，以利于体脂肪的沉积减少。据此两方面的研究成果，有理由认为在猪和肉鸡饲粮中设计高蛋白含最可以抑制其体脂肪的合成，生产出高瘦肉率低脂肪含最的鸡肉和猪肉。从安全性考虑，这种用营养来调控基因从而生产出高瘦肉低脂肪含量的畜禽肉产品比使用药物实用可行。但另一方面，通过适量降低饲粮Pr．含最可提高畜禽NPY的分泌，从而促进动物采食，提高日增重，同时也增加了其绝对Pr.的摄入最。

    4金属元素对基因表达的影响

    金属元素(尤其是二价金属)可通过调节基因转录、mRNA稳定性和翻译，影响基因的表达。铁缺乏可导致肉鸡转铁蛋白mRNA增加。转铁蛋白是血清中一种起运输铁元素作用的蛋白质，它将铁从储藏器官中运输到网状组织红血球中用以合成血红蛋白。当饲料中缺乏铁元素时，血红蛋白的合成不足，额外的转铁蛋白需要被合成从而能加快铁的运输。在肉鸡试验中发现饲粮中缺铁将导致血清转铁蛋白迅速增加，三周后mRNA含最是正常水平的2.5倍，同时可以认为缺铁引起转铁蛋白的基因表达的加强是通过增加转录水平来实现的。当日粮中添加铁质，转铁蛋白基因mRNA的含量和蛋白合成是在3天内达到正常水平，肝脏中铁的储存量也同时增加。此外，镉可提高金属巯蛋白基因(methllothionein)的转录速率;锌通过"锌手指"把激活子蛋白结合到DNA的增强子上调节几种基因的表达(Stallard等，1990)[15]。

    5维生素对基因表达的影响

    目前，维生素对基因表达的影响也多有报道，比如生物素、维生素C等都会对一些基因的表达产生影响。生物素缺乏将导致血氨过多已广为人知。生物素直接参与葡糖异生作用的重要代谢过程，脂肪酸合成和氨基酸分解代谢。它是作为辅基参与四种羟化酶的催化;即丙酮羟化酶、已酰辅酶A、丙酰辅酶A和β-甲基巴豆酰辅酶A。在哺乳动物中生物素仅来源于饮食，日粮中的蛋白结合生物素被肠粘膜中的生物素酶分开。根据Maeda等(1996)[16]试验报通，大鼠生物素缺乏组中氨基酸转氨甲酰酶(OTC)的活力明显低于生物素充足组，前者肝脏中OTC基因表达比后者低40%。这些数据表明生物素缺乏导致了OTC活力和OTCmRNA数最减少。关于生物素如何影响OTC基因表达的机理目前还不太清楚，仅得到一点假设:生物素缺乏组大鼠OTCmRNA最降低可能是由于OTC转录水平的降低，或者是OTCmRNA稳定性的降低。

    Ikeda(1996)等研究了抗坏血酸缺乏对阿朴蛋白A-I基因表达的影响。结果表明Vc缺乏组血清阿朴蛋白A-I浓度降低，肝脏中阿朴蛋白A-ImRNA水平在Vc缺乏组比正常组降低了40%[17]由于实验中对Vc缺乏组与Vc充足组比较，肝脏阿朴蛋白A-I基因的转录速率无明显别，看来Vc是在转录后影响阿朴蛋白A-I基因的表达。由于肝脏阿朴蛋白A-ImRNA与肝脏Vc浓度间的紧密关系显示Vc可促使肝脏阿朴蛋白A-ImRNA的稳定。关于Vc缺乏调节肝脏阿朴蛋白A-l合成的机理依然不清楚。但不管其机理如何，实验已经证明了Vc确实能影响肝脏阿朴蛋白A-ImRNA的水平，而且是在转录后水平起作用。维生素D和维生素A对基因的表达有重要作用。视黄酸是视黄醇(维生素A)氧化而成的，此外，它可调节几种蛋白质的表达。这些蛋白质包括生长激素和磷酸甘油脱氢酶。后者是脂肪合成的一种关键酶。
据此，在设计饲粮配方时，充分考虑各种维生素的需要和平衡，这不仅对动物健康快速生长有重要作用，且对改善肉质意义重大。

    6结语

    目前，应用营养一基因互作关系可解决以下几个问题:(1)降低乳脂率而不影响总产奶量;(2)降低产肉动物的体脂肪;(3)改善生长;(4)提高动物的脂肪合成最。这在发展中国家对提高动物环境应激时的成活率是需要的。畜禽生产中，在整个生产过程中，日粮不能改变过多，应尽可能连续供给同