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生長動物脂肪代謝關鍵酶基因表達調控

2012-03-29 15:32:17劉國華鄭愛娟王曉方李婷婷盧占軍
動物營養學報 2012年2期
關鍵詞:胰島素影響

岳 穎 劉國華* 鄭愛娟 張 華 王曉方 李婷婷 盧占軍

(1.中國農業科學院飼料研究所,農業部飼料生物技術重點開放實驗室,北京 100081;2.贛南師范學院,贛州 341000)

社會經濟的發展和人民生活水平的提高使人們更加注重畜產品的安全、美味和健康。過量攝入脂肪有損人體健康,而肉中脂肪含量變化也會影響肉的風味。動物脂肪的沉積是一個復雜的生理和生化過程,除基因、年齡外,還受到營養、疾病等其他因素的影響。與脂肪合成和分解代謝相關的關鍵酶在動物脂肪沉積中發揮著重要作用。本文就脂肪代謝關鍵酶基因表達的調控及其對動物脂肪代謝的影響進行綜述。

1 脂肪代謝途徑簡述

動物脂肪代謝包括合成代謝和分解代謝,兩者共同調控著脂肪的沉積。乙酰輔酶A(CoA)和還原輔酶Ⅱ(NADPH)是合成脂肪酸的原料。乙酰輔酶A在乙酰輔酶A羧化酶(ACC)作用下生成丙二酸單酰輔酶A,是脂肪合成的關鍵限速酶,之后脂肪酸合成酶(FAS)再催化生成軟脂酸,軟脂酸經過加工生成動物體各種脂肪酸。甘油三酯(TG)是動物脂肪沉積的主要形式,激素敏感酯酶(HSL)將甘油三酯分解成甘油和脂肪酸,甘油代謝成磷酸二羥丙酮進行氧化供能或重新轉變成甘油;脂肪酸在一系列酶的作用下分解成乙酰輔酶A或丙酰輔酶A進入三羧酸循環等其他代謝途徑。脂蛋白酯酶(LPL)作為一種特殊的蛋白水解酶,也參與脂肪分解代謝,催化極低密度脂蛋白和乳糜微粒中的甘油三酯轉變成為甘油和脂肪酸。本文將對上述幾種關鍵酶進行詳細的介紹。

2 FAS

FAS是由7種不同功能的酶與1種酰基載體蛋白(acyl carrier protein,ACP)聚合而成的多酶復合體[1]。動物脂肪主要以甘油三酯的形式沉積,甘油三酯主要來自于脂肪酸的從頭合成(de novo fatty acid synthesis),FAS則通過催化乙酰輔酶A和丙二酸單酰輔酶A合成脂肪酸,從而在脂肪代謝中發揮關鍵作用。因此通過調控FAS的活性和基因表達就可以調控脂肪酸的合成速度,影響脂肪的沉積。研究表明,FAS的活性和基因的表達受多種激素和營養因子的共同調控。

2.1 激素對FAS的調控

生長激素(GH)由腦垂體分泌,具有促進生長和改善胴體結構的生物學作用。試驗證明生長激素是一種有效的降脂物質。Donkin等[2]、熊文中等[3]的研究證實生長激素可以顯著降低FAS的活性。熊文中等[3]發現組織中FAS活性與胴體脂肪含量呈顯著的正相關,且生長激素對FAS活性的影響有明顯的性別效應,母豬脂肪組織中FAS活性降低的程度(231%)顯著高于公豬(110%)。生長激素降低FAS含量主要是由于編碼該蛋白的基因表達量降低了。Donkin 等[2]、Mildner等[4]發現重組豬生長激素使豬脂肪組織和肝臟中FAS mRNA表達量顯著下降。Donkin等[2]用重組豬生長激素處理大鼠發現肝臟組織FAS mRNA表達量下 降 了 55%。Harris等[5]給 閹 公 豬 注 射120 μg/kg的生長激素,11 d后在其脂肪組織中發現FAS mRNA的表達量降低了90%,FAS mRNA表達量與FAS活性的相關系數為0.90,據此認為,豬生長激素是通過抑制編碼FAS的基因表達而抑制FAS活性的。Yin等[6]發現生長激素主要通過增加FAS mRNA的降解速度、降低mRNA穩定性和轉錄活性來下調FAS mRNA表達量。研究發現,生長激素是通過抑制胰島素對FAS基因的轉錄作用調控FAS基因表達的。生長激素阻斷胰島素信號進入FAS基因,抑制FAS基因中與胰島素應答元件(IRE)相互作用的反式作用因子,從而抑制胰島素對FAS基因轉錄的作用。另外,生長激素也能直接負反饋FAS基因中的生長激素應答元件(STRE)[7]。上述研究表明,生長激素對FAS的調控不是單方面的作用,可能是它們相互作用產生的結果。

胰島素是胰腺β細胞分泌的一種多功能蛋白,可促進糖原、脂肪、蛋白質的合成。胰島素能上調FAS基因在轉錄水平上的表達。Yin等[6]在3T3-F442A脂肪細胞中加10 ng/mL的胰島素培養48 h,FAS mRNA的表達量增加了7倍。郝軍等[8]用高濃度胰島素處理腎小管上皮細胞后,FAS mRNA表達量升高。韓春春等[9]以不同濃度胰島素和葡萄糖培養鵝肝細胞時發現,胰島素提高了FAS蛋白活性和基因mRNA水平,且當采用高糖(30 mmol/L)和胰島素共同培養時FAS蛋白活性和基因mRNA表達量顯著提高,由此得出胰島素和葡萄糖對脂肪酸合成有協同作用,這與前人的研究[10]一致。這種上調表達與胰島素劑量的依賴性關系可能是由于胰島素與FAS基因啟動子區5'端-71~-50位的IRE結合,從而激活FAS基因轉錄的結果。Wang等[11]發現,上游激活因子(upstream stimulatory factor,USF)結合于 -65位的 E盒子是調節FAS基因轉錄頻率所必需的。

除此之外,還有其他激素類物質也會影響FAS的基因表達,其中糖皮質激素和三碘甲狀腺原氨酸(T3)上調FAS mRNA的表達,而胰高血糖素、環磷酸腺苷(cAMP)則下調 FAS mRNA的表達[12]。

2.2 飼糧營養因子對FAS的調控

飼糧中的碳水化合物、蛋白質及脂肪酸等都會影響FAS的活性。研究表明,高碳水化合物能增強FAS的活性。Kim等[13]給大鼠飼喂高水平碳水化合物時,肝臟中的FAS mRNA表達量增加了3~5倍。Hasegawa等[14]發現了一種 DNA結合蛋白——葡萄糖應答元件結合蛋白(GRBP),它結合于FAS基因的IRE,誘導肝FAS基因的轉錄。當給動物飼喂含高水平碳水化合物飼糧時,GRBP含量上升。這些結果表明,碳水化合物可能在轉錄水平上調了FAS的基因表達。

隨著飼糧蛋白質水平的升高,FAS的基因表達量降低。Mildner等[4]的試驗表明,豬飼糧蛋白質水平升高會降低脂肪組織中FAS mRNA的表達量。張英杰等[15]給雜交母羊飼喂不同蛋白質水平(112.5~187.5 g/d)的飼糧,發現脂肪和肌肉中FAS mRNA表達量出現相同趨勢。

飼糧脂肪酸可以抑制肝臟FAS的活性和基因表達,而且這種抑制作用與飼糧脂肪酸的含量、飽和程度、鏈的長短、雙鍵位置等多種因素有關[12]。Blarke等[16]研究多不飽和脂肪酸(PUFA,魚油來源)和飽和脂肪酸對大鼠肝臟中FAS mRNA表達的影響時發現,飼喂魚油的大鼠肝中FAS mRNA表達量是飼喂軟脂酸甘油酯的6%,并認為這是由于多不飽和脂肪酸抑制FAS基因轉錄的結果。不同脂肪酸抑制FAS活性的效果不同,二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸比2個雙鍵的不飽和脂肪酸(十八碳二烯酸)有效,而飽和脂肪酸則基本不起作用。研究發現,當第1個雙鍵位于 n-3時,對FAS的抑制作用比位于n-6的脂肪酸強,但當第1個雙鍵位于n-9時,則與飽和脂肪酸相似,對酶活性基本無影響[17-19]。

研究發現,多不飽和脂肪酸和其代謝物能在細胞水平上通過與核受體和轉錄因子結合來對不同基因表達進行調控[20]。Sampath 等[21]總結了多不飽和脂肪酸對脂肪代謝相關基因表達的影響。Xu等[22]的試驗發現,大鼠飼喂添加多不飽和脂肪酸飼糧數小時可迅速激活脂肪氧化相關基因表達并抑制FAS的基因表達。

飼糧的能量水平與FAS的基因表達呈正相關。劉作華等[23]用不同能量水平的飼糧處理長白×榮昌雜交豬,結果發現FAS mRNA表達量上調,脂肪沉積增多。張英杰等[24]在小尾寒羊上也發現,FAS的基因表達量在高能量組水平最高,顯著高于標準組和低能量組。

3 ACC

ACC催化乙酰輔酶A合成丙二酸單酰輔酶A,為長鏈脂肪酸合成提供二碳單位,是脂肪酸合成過程中的限速酶。現已被確定的ACC有ACCα和ACCβ 2種,它們由不同的基因編碼,在不同的組織中表達,具有不同的功能。ACCα在長鏈脂肪酸的生物合成中調節脂肪酸的合成,主要在脂肪生成活躍的組織中表達,如肝臟、脂肪組織和乳腺;ACCβ則產生于線粒體池,調節肉堿棕櫚酰轉移酶,從而調控脂肪酸氧化,主要在骨骼肌和心臟中表達。

ACC主要通過變構修飾和共價修飾調控脂肪代謝。檸檬酸鹽是ACC的變構激活劑,長鏈乙酰輔酶A和丙二酸單酰輔酶A反饋抑制ACC活性。ACC的共價修飾調控表現為可逆性磷酸化。胰高血糖素和腎上腺素所引起的磷酸化和解聚作用降低ACC的活性。胰島素有脫磷酸化及聚合作用激活ACC的活性,而且胰島素對ACC的調控是完全的轉錄后的調節[25]。Cousin等[26]給大白鼠注射胰島素使其ACC蛋白活性及基因mRNA表達量都會增加,因此胰島素對ACC的調控可能是間接調控。此外,也有研究發現生長激素會降低豬ACC mRNA的表達量[27],三碘甲狀腺原氨酸會增加 ACC mRNA 的表達量[28]。

4 HSL

HSL是最初動員脂肪分解的關鍵酶和限速酶[29],它將甘油三酯分解成游離脂肪酸(FFA),對細胞內調節甘油三酯含量起重要作用。一般認為,測定脂肪中的HSL活性和血液中脂肪酸的濃度,可以反映脂肪分解的情況[30]。早在20世紀70年代就發現,HSL的活性受磷酸化和去磷酸化作用調控。最近報道,僅磷酸化不足以激活HSL,可能還需要一定程度構象的改變和HSL從細胞質到脂質液滴的遷移[31]。

Holm等[32]首先從鼠的脂肪組織表達文庫中克隆出HSL基因的cDNA全長序列,并利用鼠的HSL cDNA作為探針,分離得到人的HSL基因,該基因定位于19號染色體上。迄今為止大部分動物的 HSL 基 因 已 完成 測 序,如 小鼠[33-34]、大鼠[35-36]、豬[37]、牛[38-39]和綿羊[40]等。

HSL的活性和表達量受遺傳、內分泌和營養因素等的共同影響。HSL活性與動物品系、所處的生理階段有關。孫世鐸等[41]在研究混系和丹系長白肥育豬時發現,它們的HSL活性和脂肪沉積效果不同,有明顯的品系差異。已知促腎上腺皮質激素、皮質醇、腎上腺素、去甲腎上腺素、促甲狀腺素、生長激素以及胰高血糖素等多種激素都可影響HSL的活性,其中腎上腺素、去甲腎上腺素和胰高血糖素屬快速脂解作用型激素,生長激素、糖皮質激素、促甲狀腺素則屬慢速脂解作用型激素[42]。此外,胡忠澤等[43]發現茶多酚可使肉雞腹脂中HSL的活性提高。Langfort等[44]發現睪酮增強心肌細胞中HSL的活性,提高心肌細胞中游離脂肪酸、磷酸肌酸和ATP水平。

能量水平、脂肪類型及禁食影響HSL的基因表達量和活性[45-47]。劉作華等[23]在生長育肥豬中發現,隨著飼糧中能量水平的升高,HSL mRNA的表達量明顯降低,HSL與FAS mRNA表達量的比值降低。因此,能量可能是通過調控HSL和FAS 2種或者更多種基因表達影響脂肪代謝。

最近研究發現,劇烈運動也會影響HSL的基因表達。Ogasawara等[48]在小鼠劇烈運動3 h后HSL的活性顯著升高。HSL是一種維生素A水解酶(REH),可通過這種作用提供視黃酸(RA)和其他類維生素A物質,能在細胞分化和信息傳遞上起關鍵作用[49]。目前,HSL活性和基因表達方面的研究也是脂肪代謝中的熱點問題,對HSL的調控機理和其他作用尚有待進一步的研究。

5 LPL

LPL廣泛存在于動物肝外組織如心肌、腎臟、腦、骨骼肌、脂肪組織等的毛細血管內皮中,尤以腎上腺和脂肪組織含量最高。LPL在甘油三酯代謝過程中起關鍵作用,它能催化與蛋白質相連的甘油三酯(主要是血液中的乳糜微粒和極低密度脂蛋白)分解成甘油和游離脂肪酸,以供機體組織利用。

LPL基因長度約為30 000 bp,為單拷貝,由10個外顯子和9個內含子組成[50]。有人對其結構研究后發現,LPL可能至少存在6個與脂肪代謝有關的功能位點[51]。在克隆豬的LPL cDNA測序時,發現它的氨基酸序列與牛、人、鼠高度保守,同源性分別為93.1%、91.2%和88.7%,而且功能位點氨基酸序列完全一致[52]。GenBank已經收錄了包括人、小鼠、大鼠、豬、家禽等在內的十幾種動物LPL基因cDNA的全長序列,其在不同物種中表現了較高的同源性和進化上的保守性[53]。

對LPL活性有影響的有肝素、極低密度脂蛋白和高密度脂蛋白中的載脂蛋白與磷脂。當靜脈注射肝素時,對食物性脂血癥有“清除”作用,所以又被稱作肝素后酯酶現象,這是由于肝素能使LPL迅速進入血液,并與載脂蛋白Ⅱ(apo-Ⅱ)結合發揮其解脂作用。

LPL的基因表達具有明顯的物種特異性。蔣瑞瑞等[54]在探討愛拔益加(AA)肉雞和北京油雞脂肪沉積差異影響因素時發現,北京油雞血漿LPL活性高于AA肉雞,從而導致較高的血漿甘油三酯和FFA濃度,這也可能是北京油雞脂肪沉積較高的內在因素之一。

LPL的基因表達存在組織特異性,而且飼糧的營養和激素都會影響LPL的活性和表達水平。LPL在白色脂肪組織(WAT)、棕色脂肪組織(BAT)、骨骼肌及心肌中的代謝作用不同,其中胰島素可刺激脂肪組織LPL活性,兒茶酚胺在抑制WAT的LPL活性的同時可提高骨骼肌、心肌及BAT的LPL活性,生長激素可增加骨骼肌LPL活性[55]。劉蒙等[56]發現,北京油雞 LPL 的基因表達量與腹脂率、皮脂重和皮脂率呈顯著的正相關。廉紅霞等[57]研究飼糧營養水平對豬LPL mRNA表達量的影響時發現,豬背最長肌肌間脂肪及LPL mRNA的表達量含量隨體重增加均呈上升趨勢,表明飼糧代謝能水平顯著影響LPL mRNA的表達,進而影響體脂沉積狀況。鄭珂珂等[58]用不同脂肪水平處理瓦氏黃顙魚時發現,高脂可以誘導瓦氏黃顙魚肝臟LPL的基因表達,其中較高脂肪水平(15.4%和18.9%)組的試驗魚肝臟LPL mRNA表達量顯著升高。這與梁旭方等[59]的結果一致,所以LPL在肝臟中存在營養誘導性表達機制,高脂是表達的誘導因子。

LPL調節各種脂蛋白在不同組織內沉積,進而影響肉品質。諸多研究表明,LPL基因與胴體品質有密切的聯系,是影響動物肉質的候選基因。以生物技術手段或營養因素等調節LPL活性和LPL的基因表達,將對改善胴體品質、提高畜禽的瘦肉率等具有重大意義。

6 小結

動物脂肪代謝受眾多因子、酶體系的調控,其生化過程極其復雜,并非單一的對應關系,mRNA表達量高,并不一定等于酶蛋白的含量高或酶的活性高,可能受其他因素共同影響。迄今為止的大部分研究多局限于動物生理效應和單一的生化過程。隨著組學和生物信息學技術的廣泛應用,未來關于脂肪代謝的研究應定位于特定的組織、器官,研究脂肪代謝相關信號轉導和分子調控網絡,從分子水平揭示脂肪代謝及其調控的機制。

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