蛋殼形成及其調控機制的研究進展

沈濤濤，張佳蘭，吳 艷，皮勁松，姜 賢，張 昊，程詩彬，李先強

（1.長江大學動物科學學院，湖北荊州 434025；2.湖北省農業科學院畜牧獸醫研究所，動物胚胎工程與分子育種湖北省重點實驗室，湖北武漢 430064；3.湖北省畜牧技術推廣總站，湖北武漢 430070）

雞蛋含有豐富的蛋白質、礦物質、維生素以及其他微量元素，是人類日常生活中重要的蛋白來源之一。蛋殼質量與種蛋的入孵率、孵化率、種雞仔質量等密切相關；高質量蛋殼可對雞蛋內容物提供更好的保護，降低生產過程中的無效損失、提高蛋產品品質以及消費者的消費熱情，保證雞蛋市場的經濟效益[1-2]。在雞蛋加工過程中偏厚、強度較大的蛋殼可以降低破損率，降低因蛋殼出現細小裂紋被細菌感染的風險。蛋殼質量作為雞蛋品質的重要評價指標之一[3]，對蛋雞產業的經濟效益有直接影響。因此，深入了解雞蛋蛋殼的形成過程及其調控機制，對于選育出蛋殼品質優良的蛋雞新品種具有重要意義。本文綜述了雞蛋蛋殼形成的過程、蛋殼鈣化相關的鈣轉運通路蛋白及基質蛋白的種類、蛋殼形成相關功能基因的研究現狀，為進一步開展蛋雞新品種選育提供一定的理論參考。

1 雞蛋蛋殼及其形成過程

雞蛋包括蛋黃、蛋黃膜、胚胎、系帶、蛋白、蛋殼膜、蛋殼等。雞蛋的形成是從輸卵管中的卵細胞開始，在輸卵管中形成蛋黃膜和系帶；隨后進入膨大部形成蛋清；再進入峽部與子宮的交界處，于一段時間內形成蛋殼膜，并伴隨著大量的有機物沉積形成乳突；最后進入子宮經過礦化過程形成蛋殼，于產蛋前約1.5 h 形成表皮層[4]，具體過程如圖1 所示。

圖1 雞蛋在蛋雞生殖道中的形成過程[5]

雞蛋蛋殼的形成由卵黃在峽部進入子宮部交接處后開始進行，有機物隨機沉積外殼膜上；卵黃進入子宮后，蛋殼腺分泌鈣質、色素、角質層等物質，經過蛋殼礦化過程后，最終形成蛋殼。蛋殼礦化過程是碳酸鈣在各種功能基因表達產物的共同調控下，于內外蛋殼膜上按一定規律聚合沉淀[4]，其中蛋雞對鈣的消化、吸收、運輸及蛋殼腺中鈣離子的沉積是蛋殼形成過程中的關鍵環節。子宮是雞蛋殼形成過程中重要部位，子宮部位的時鐘基因保證了蛋雞的產蛋節律，是重要的功能基因[6]。

在微觀結構上，雞蛋蛋殼可以分為殼膜、乳突層、柵欄層、晶體層以及表皮層（又稱膠護膜）。蛋殼膜是由網狀纖維構成，直接包裹蛋清；乳突層則由一系列不規則排列的錐體和結點組成，其主要成分是中性黏蛋白和硫酸角質素；柵欄層位于乳突體和垂直晶體層之間，由一系列柱狀晶體構成；晶體層是由較大晶體構成的堅硬區域，晶體層中晶體排列整齊且垂直于蛋殼表面[7]；蛋殼膠護膜是蛋殼最外面的一層膜，在蛋產出前1.5 h于子宮部開始形成，一般覆蓋或嵌入蛋殼表面氣孔[8]，在抵御細菌跨殼入侵和保證雞蛋新鮮度等方面具有重要作用[9]。已有研究表明，雞蛋殼主要是由方解石晶體（CaCO3）有序地在蛋殼膜上沉積形成，此過程稱為生物的礦化過程[10]。蛋殼形成主要包括殼膜形成期、蛋殼礦化期。生物礦化是蛋殼礦化期的主要模型。礦化的過程又可以分為初始形成期、快速礦化期和終末形成期[11]，在此過程中形成蛋殼的柵欄層和垂直晶體層。

2 蛋殼鈣化相關的鈣轉運通路蛋白及基質蛋白的種類

蛋雞在產蛋階段需要大量鈣離子，主要經過小腸的消化、吸收，通過體液被運輸到蛋殼腺部位，再經過礦化過程沉積到殼膜上形成蛋殼。鈣離子在雞體內的運輸方式主要有主動運輸和被動運輸。鈣離子的被動運輸主要是靠膜兩側的離子濃度差，是非主動性的、無需耗能的擴散過程[12]。鈣離子的主動運輸主要包含3 個過程（圖2）：①鈣離子通過鈣離子通道或鈣離子運轉體進入細胞的頂膜，②鈣離子與鈣離子蛋白結合運轉到基層側膜，③鈣離子排出細胞進入子宮液中。在鈣離子的運輸過程中，有多種蛋殼鈣化相關的鈣轉運通路蛋白參與并發揮重要的調控作用。此外，在雞蛋蛋殼的生物礦化過程中，許多蛋殼特異性蛋白具有較高的活性，在蛋殼的防菌、抑菌等方面起重要作用，對蛋殼的礦化過程有著重要的調控作用[13]。

圖2 雞蛋蛋殼形成的離子轉運過程[14]

2.1 蛋殼鈣化相關的鈣轉運通路蛋白 瞬時受體電位（Transient Receptor Potential，TRP）離子通道超家族，其上皮鈣離子通道是鈣離子進入細胞內的主要途徑，其中在小腸部位對鈣離子的吸收過程中，TRPV5和TEPV6 是主要的通路蛋白[15]，在鈣離子從血液中進入細胞中起著重要作用；鈣結合蛋白（Calcium-Binding Protein，CaBP）也是鈣離子運轉的重要通道蛋白，鈣結合蛋白d28k 是其中的一員。有研究表明，鈣結合蛋白d28k 可直接影響鈣離子的運轉，其含量越多則吸收的鈣離子越多，且鈣結合蛋白d28k 在蛋殼形成過程中與鈣沉積也有關系[16]。細胞膜鈣ATP 酶是鈣離子主動運輸中的一個關鍵蛋白，在鈣離子運輸過程中與細胞產生的能量有關，并且對維持細胞膜內外的鈣離子濃度有積極作用[17]。碳酸酐酶（CA）可以催化CO2和水反應，可通過呼吸作用為子宮液中提供大量CO32-，也是子宮液中CO32-的主要獲得途徑[18-19]。

2.2 基質蛋白 基質蛋白一般分為普通蛋白質、蛋清蛋白質和蛋殼特有蛋白質。蛋殼特有蛋白質與蛋殼品質關系最為密切，包括Ovocleididin-17（OC-17）、Ovocleididin-116（OC-116）、Ovocalyxin-21（OCX-21）、Ovocalyxin-25（OCX-25）、Ovocalyxin-32（OCX-32）、Ovocalyxin-36（OCX-32）等，其中OC-116 是蛋殼中含量最高的蛋白質，在子宮上皮管狀細胞分泌，在蛋殼礦化的過程中其重要作用；OCX-36 是控制蛋殼礦化的重要蛋白之一，在蛋殼和子宮液中含量極高；OCX-32主要存在于蛋殼的晶體層，作用于蛋殼礦化的最后階段，可能與蛋殼礦化的結束有關；OC-17 在蛋殼的礦化和抗菌方面起重要作用，主要是其在礦化的過程中會影響方解石晶體的結晶[10]，達到調節鈣離子沉積的目的[20]。

3 雞蛋蛋殼形成相關基因的研究現狀

3.1 TRP 超家族TRPV5和TRPV6是TRP超級家族的成員，在維持血鈣中起主要作用[21]，對鈣離子具有高度的選擇性，作為細胞外轉運鈣離子的第一步通道，參與鈣離子的腸道吸收、腎臟吸收、胎盤轉運至胎兒等過程[22]，在胚胎和胎兒發育過程中發揮著鈣穩態的作用[23]。TRPV6是瞬時受體電位（TRP）通道超家族的一個高鈣選擇性成員，是胎兒和成人體內鈣吸收的主要途徑[24]；而TRPV5是一種獨特的鈣選擇性色氨酸通道，是鈣穩態所必需的。近年來研究表明，TRPV6在鈣離子進入上皮細胞的過程中起到促進作用[25]，在蛋雞的腸道和腎臟中也有表達[26]。Yang 等[27]研究發現TRPV6在子宮的表達與產蛋周期相關。

3.2 鈣結合蛋白d28k基因 鈣結合蛋白d28k 屬于鈣結合蛋白（CaBP）家族中的一員，主要在細胞內發揮作用，且受維生素D 的調控[28]。已有研究表明，鈣結合蛋白d28k 主要存在于腎臟、腸道和神經系統中[29]，可以調節胞內的鈣離子濃度，促進腎遠曲小管對鈣的重吸收[30]，在腦中鈣結合蛋白d28k 的過量表達對某些神經細胞有保護作用[28]。此外，鈣結合蛋白d28k 是蛋雞腸道內主要的鈣運轉蛋白，參與鈣的運轉和代謝[31]，并在蛋殼腺部位參與蛋殼的礦化過程，是蛋殼質量的重要功能基因。

3.3 質膜鈣離子ATP 酶 質膜鈣離子ATP 酶（PMCA）是一種廣泛表達、ATP 驅動的鈣離子泵，對于維持所有真核細胞內的細胞質鈣離子平衡至關重要。已有研究表明，在參與鈣轉運的多種蛋白中，PMCA 是控制鈣穩態最敏感的鈣檢測器[32]。PMCA 是維持細胞內最佳細胞質鈣離子水平的關鍵酶。

3.4 CA CA 是一種依賴鋅離子的金屬酶，是一種逆水合反應的催化劑[33]，為生物體內提供碳酸氫鹽[34]。蛋雞體內蛋殼的礦化過程需要大量HCO3-，主要由碳酸酐酶來滿足，在蛋殼腺部位生成碳酸鈣，碳酸酐酶是蛋殼的重要功能基因[35]。已有研究表明，碳酸酐酶（CAs）的家族成員可參與細胞的pH 調節[36]，血液中的CA III可影響糖脂代謝，可引起老年糖尿病的發生[37]；在小鼠體內可減輕小鼠的肌無力癥狀[38]。

3.5 蛋殼特有的蛋白質相關基因 已有研究表明，OC-17是最早被發現的蛋殼基質特異性蛋白，是調節蛋殼礦化的主要蛋白質之一，在雞蛋蛋殼生物礦化過程中發揮重要功能[39-40]；OC-17 對蛋殼的抗菌防污染也有一定作用[16]。OC-116 是蛋殼基質蛋白中表達量最多的蛋白質，其表達產物可調控碳酸鈣晶體的生長和形態，影響蛋殼表面的有機層的形成，促進蛋殼鈣的沉積[41]；單核苷酸多態研究發現OC-116基因與雞蛋的蛋形指數、蛋殼厚度以及蛋殼強度密切相關[42]。OCX-36 是一種在蛋殼高效鈣化時表達的蛋白，主要位于蛋殼的內層和殼膜，在礦化過程中起正調節作用[43]。OCX-32 是由子宮分泌的一種蛋白，可有效抑制晶體生長和碳酸鈣的沉淀，可能具有抗菌和終止蛋殼礦化的能力[44-45]，與靈尾雞的生產性能相關，可作為選育的輔助候選因子[46]；OCX-32基因的多態性與蛋殼厚度、蛋白高度、哈氏單位等蛋殼品質性狀存在密切的關聯[47-49]。

3.6 其他相關基因 卵清蛋白（Ovalbumin，OVA）是雞蛋清中的主要蛋白質，主要存在于蛋殼乳突層，對碳酸鈣的沉積具有調節作用，尤其在蛋殼形成的過程中發揮重要作用[50]。已有研究表明，卵清蛋白參與蛋殼乳頭層椎體核的形成，而乳突層有效厚度與蛋殼質量呈正相關[51]；張蕾等[52]研究發現，卵清蛋白基因多態性與蛋白高度、哈氏單位等顯著相關。綜上，卵清蛋白基因對蛋殼形成和蛋品質性狀有一定影響。

骨橋蛋白（Osteopontin，OPN）是一種多功能蛋白。已有研究表明，骨橋蛋白參與細胞募集、細胞免疫，刺激骨的鈣化，參與細胞的移動等多個代謝過程[53-54]。近年來研究發現，骨橋蛋白基因與蛋鴨的蛋殼品質具有一定相關性[55]，尤其是對鴨蛋蛋殼的厚度和蛋殼強度具有顯著影響[56]。

4 展 望

隨著雞蛋蛋殼形成相關研究的不斷深入，將有越來越多的相關功能基因被發現和驗證，將會為雞蛋蛋殼品質性狀的選擇奠定一定的理論基礎。目前關于雞蛋蛋殼形成的很多研究主要是針對蛋殼形成的理論及其調控原理，而影響雞蛋蛋殼形成的關鍵基因及其如何調控蛋殼形成的機制尚不清楚，是今后開展蛋殼質量調控研究的主要研究方向之一。