日糧中營養元素對動物基因表達的調控

趙萬樂，鄒淑琴，朱松波，李艷玲，楊玉榮

（1.鄭州市農林科學研究所，河南 鄭州450005；2.河南省畜牧總站）

DNA 攜帶著生物體全部的遺傳信息，決定著物種的特異性、性別、壽命、代謝、動物的生長、發育、健康狀況及壽命、外部特征以及機體對外部環境的適應能力等。營養素是生物進行新陳代謝的物質基礎，只有獲得平衡充足的營養物質，生物才能正常生長發育，順利完成繁衍后代的生命過程。隨著分子生物學的發展及其在營養學中的應用，從分子水平上弄清養分的代謝過程和規律，確定動物群體及個體的營養需要，掌握養分攝入過量及缺乏的后果，預防和治療營養代謝疾病以及解決其他營養問題已成為可能，人們從分子水平逐步認識到營養素與動物的基因表達存在密切關系。也就是說營養素對動物生長、發育、繁殖、健康等影響的眾多途徑中，有些是通過影響基因表達來實現的，可以通過對營養素的適當攝取來促進有利于動物健康的基因表達，而抑制與疾病相關基因的表達。如低密度脂蛋白的氧化損傷是引起淋巴細胞泡沫化和動脈粥樣化轉變過程的主要因素之一，據報道淋巴細胞特殊生長因子-淋巴克隆刺激因子和多糖蛋白激酶（PSK）能夠防止動脈粥樣化。營養素也許并不能完全消除某一遺傳缺陷，但是它能改變這種缺陷的出現時間以及表現程度。

近年來，隨著分子生物學技術不斷發展，越來越多與代謝有關的動物基因被克隆和鑒定，人們對營養與基因調控的關系越來越感興趣。營養與動物基因表達調控的研究已成為當今動物營養學研究的一個熱點領域；如何通過改變飼糧組成成分來調節體內相關基因的表達，從而使動物處于最佳生長狀況已成為動物營養學研究的重點；通過營養對動物基因表達的調控途徑及其機制的研究，將為人們如何更有效地對某些特定有益基因的表達提供理論依據。

營養和基因表達的一般關系表現為兩個方面：一是養分的攝入量影響基因表達；二是基因表達的結果影響養分的代謝途徑和代謝效率，并決定營養需要量。

1 營養對基因表達的調控

基因表達包括轉錄和翻譯兩個過程，是指編碼某種蛋白質的基因從轉錄、mRNA的加工與成熟、RNA的翻譯、蛋白質的加工，到活性（功能）蛋白質的形成的過程?；虮磉_受到嚴格的調控，而養分——核酸、蛋白質的合成原料、能量物質、輔酶等，或者是某一環節的激活劑或抑制劑，對每一個基因調控點都起著直接或間接的調控作用。這種調控作用最初認為主要是在基因轉錄水平上的調節，已有研究表明轉錄后也有一定控制作用。大量證據表明，飼糧中主要營養物質如糖、脂肪酸、氨基酸以及一些微量元素（如鋅）對動物體內許多基因的表達都有影響。

1.1 飼糧中碳水化合物對某些基因表達的調控

高碳水化合物飼糧對葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G-6-PD）基因表達的影響：脂肪和脂肪酸的生物合成需要來自糖代謝的能量，也需要NADPH，因而提供NADPH的磷酸戊糖途徑中的G-6-PD的含量、活力均會對脂肪的合成產生影響。有關研究報道，高碳水化合物飼糧能促進G-6-PD基因在大鼠肝實質細胞中表達。

高碳水化合物飼糧對肝臟中脂肪酸合成酶（FAS）基因表達的影響：有關學者對大鼠禁食24 h后，喂給高碳水化合物飼糧，測定肝臟中FAS mRNA 的量。結果發現，大鼠禁食24 h后喂高碳水化合物飼糧，肝臟中的FAS mRNA量接近禁食48 h的100倍。

葡萄糖對3T3-F442A 脂肪細胞中瘦蛋白（Leptin）表達的影響：Leptin是一種在脂肪細胞中產生與機體的能量平衡及脂肪貯存調節有關的激素，是肥胖基因表達的產物。Leptin 可使神經肽（NPY）分泌減少，引起采食量減少。因體內受到胰島素影響，王方年（1999）［1］用不同葡萄糖濃度培養3T3-F441A脂肪細胞，研究葡萄糖對Leptin表達的影響：當葡萄糖濃度由5 mmol/L 增至10 mmol/L 時，Leptin表達有十分明顯的升高（約7倍）。繼續增加葡萄糖的濃度，Leptin 的表達未見升高，表現出飽和性特點。葡萄糖濃度增至25 mmol/L時，Leptin的表達有明顯下降，這種抑制作用很可能是由于“葡萄糖毒性作用”造成的。

1.2 飼糧中微量元素對基因表達的調控

鋅對基因表達的調控：鋅作為動物體的一種必需微量元素，具有可以增強機體免疫功能、促進細胞增殖分化、參與核酸蛋白質代謝、維持細胞周期正常進行等生物學功能。有關專家認為，鋅離子是DNA 聚合酶的一個重要組成成分，鋅對于維持DNA 聚合酶的活性具有相當的重要性；另外鋅通過影響RNA聚合酶活性及轉錄因子的作用，能夠導致基因轉錄異常，從而使蛋白質表達也發生變化。有關試驗發現低鋅飼糧限制動物生長的直接原因是低鋅抑制了體內IGF-I、HG受體、GH結合蛋白等基因的表達。

鐵對動物基因表達的調控：有關專家在肉雞試驗中發現，飼糧中缺鐵將導致血清中轉鐵蛋白含量迅速增加，肝臟中轉鐵蛋白基因的mRNA 含量增加到正常水平的2.5倍。當飼料中缺乏鐵元素時，血紅蛋白的合成不足，額外的轉鐵蛋白需要被合成從而能加快鐵的運輸?？梢哉J為缺鐵引起轉鐵蛋白基因表達的加強是通過增加轉錄水平來實現的。當飼糧中補鐵以后，轉鐵蛋白基因的mRNA含量和蛋白質合成量在3 d內恢復至正常水平，雞肝臟中鐵的貯存量也同時增加。另外，鐵可以調控鐵蛋白基因表達，鐵含量越高鐵蛋白基因表達就越強，并且這種調控并非發生在轉錄水平，因為放線菌D 不能抑制高鐵的這種誘導作用，因此這種調控應該發生在轉錄后水平。

其他金屬元素對動物基因表達的調控：缺銅會阻止IL-2（白細胞介素-2）基因的轉錄而減少IL-2 在T 淋巴細胞中的合成。銅是誘導酵母MT基因表達的有效金屬，促使MT基因中CUP1啟動子結合調節蛋白ACE1，銅元素的增加將顯著提高MT基因的表達量。這表明缺銅可在轉錄水平上調控脂肪酸合成酶基因的表達。

1.3 飼糧中蛋白質含量對基因表達的影響

高蛋白飼糧對FAS基因表達的影響：脂肪酸合成酶是催化機體內脂肪酸合成途徑中最后一步的關鍵酶，其活性高低將影響整體脂肪含量。

低蛋白飼糧對下丘腦神經肽（NPY）基因表達的影響：NPY 是由36 個氨基酸組成的肽，在中樞和外周神經系統含量豐富，可以刺激動物采食，注射NPY會導致動物飲食過度和體內脂肪堆積增加。

氨基酸對動物基因表達的影響：有關專家研究了氨基酸限制對胰島素樣生長因子結合蛋白（IGFBP-Ⅰ）表達的影響，即營養變化導致血液氨基酸的變化對IGFBP-Ⅰ的影響。有關專家研究了亮氨酸對人Hela 細胞IGFBP-ⅠmRNA 和蛋白質表達的影響，結果表明IGFBP-ⅠmRNA 和蛋白質在細胞中的基礎水平很低，當培養基中亮氨酸濃度下降時，其濃度迅速上升。用分離的大鼠肝細胞也得到了相似的結果，表明氨基酸調控IGFBP-Ⅰ表達不只限于肝原細胞，對已分化的肝細胞也適用。值得注意的是，血漿濃度受營養狀態影響大的氨基酸正是對IGFBP-Ⅰ調控起主要作用的氨基酸。有關專家設計了一種培養液，其氨基酸濃度與大鼠飼喂不同飼糧時靜脈血中氨基酸濃度相同，發現當培養液中氨基酸濃度與喂低蛋白飼糧時大鼠靜脈血中濃度相同時，培養的Hale細胞中IGFBP-Ⅰ高度表達，表明模擬體內營養狀態的氨基酸濃度能顯著調節IGFBP-Ⅰ的表達。

1.4 脂類對動物基因表達的調控

脂類物質特別是脂肪酸對一些與脂肪代謝相關的基因表達有密切關系。多不飽和脂肪酸（PUFA）是一種重要的基因表達調節因子。迄今為止，人們已經發現多種肝臟基因與脂肪組織基因的表達受飼糧PUFA調節。

長鏈脂肪酸（LCFA）對棕櫚酰轉移酶（CPT）和HMG-COA 合成酶基因表達的影響：應用20 日齡大鼠肝細胞做的體外培養試驗表明，中鏈脂肪酸不能增加CPT-1 mRNA 水平，而長鏈脂肪酸能將CPT-1 的mRNA水平提高2～4 倍。這些LCFA 包括飽和的（棕櫚酸）、單不飽和的（油酸）和多不飽和的（亞麻酸）脂肪酸，其中亞麻酸不僅能將CTP-1 的mRNA 水平提高2 倍，還能使其半衰期延長50%。有關專家認為中長鏈脂肪酸能夠調節雞胚胎肝細胞中乙酰輔酶A 羧化酶α-基因的啟動子的轉錄起始［2］。

1.5 維生素對動物基因表達的調控

VA作為一種微量營養素一直都是營養學界研究的熱點，它在機體發育及維持機體正常功能方面起著重要作用，特別是在胚胎發育時期，懷孕母體缺乏VA會嚴重影響子代正常發育。近些年發現VA影響生長發育是通過它對同源異型蛋白（HOX）基因表達進行調控實現的。有關專家觀察到VA缺乏引起HOX 3.5 和HOX 4.5 基因表達量下降，表現在VA缺乏組小鼠胎兒HOX 3.5和HOX 4.5 mRNA含量明顯低于正常對照組。當母鼠處在嚴重的VA 缺乏狀態時受孕，其子代子鼠胚胎中HOX 3.5和HOX 4.5基因表達明顯減少。孫秀發等［3］也發現小鼠機體VA和鋅營養水平與胎鼠HOX（3.5）基因表達呈高度正相關，各項相關系數為0.78～0.99。對于其機制，是直接作用于HOX基因還是通過旁路系統來調控HOX 基因表達目前還不清楚。有關專家研究了VC對阿樸蛋白A-Ⅰ基因表達的影響。結果表明VC缺乏組阿樸蛋白A-Ⅰ濃度降低，肝臟中阿樸蛋白A-ⅠmRNA 水平在缺乏組中比正常組降低了40%，其轉錄速率沒有明顯改變，看來VC是在轉錄后水平影響阿樸蛋白A-Ⅰ基因表達的。龐智等［4］報道了VD3對載體熒光素酶表達的作用，1，25-二羥VD3是VD的主要或新代謝產物，在體內它可以通過VD受體與VD應答元件的相互作用而激活或抑制靶基因的轉錄表達。此外，生物素、抗壞血酸等也對一些基因表達產生影響，生育酚對心肌肌球蛋白重鏈基因表達的作用也有報道［5］。

2 基因表達對營養需求的影響

分子生物學技術在動物營養學中的應用主要包括：利用分子生物學技術改造或生產動物性營養物質；如從基因水平上研究如何提高肉用動物的瘦肉率；在分子水平上研究營養與基因表達、調控的關系，以從根本上闡明營養對機體的作用機制；利用基因工程技術開發飼料資源［6］。

利用分子生物學技術改造或生產營養物質：某些天然物質營養價值不高，或存在某種缺陷，均可利用分子生物學技術進行改造：而某些營養價值較高的物質，其來源非常有限，遠遠不能滿足生產實際的需要，這時我們可以利用分子生物學技術進行大量生產。通過轉基因技術可提高動物的生長速度、產毛量、改變乳成分、改善肉質。多年來，科學家們致力于以下幾個方面的研究：改善生產性狀，提高生產性能；增強抗病力；建立遺傳性疾病、腫瘤和其他疾病的實驗動物模型。

3 展望

隨著營養與基因相互作用的深入研究，利用分子生物學技術改造或生產動物性營養物質；從基因水平上研究如何提高肉用動物瘦肉率；在分子水平上研究營養與基因表達、調控的關系，利用基因工程技術開發飼料資源；通過食物調控基因表達和通過改良環境條件以達到提高動物生產性能的目的，已成為當前營養學的重要研究領域。