奶牛乳脂合成分泌基因研究進展

楊仁輝，余 燁，陶 楊，魯瓊芬,，李鵬飛，付斌龍，索宇寧，殷彥華，冷 靜,*

（1.云南農業大學云南省動物營養與飼料重點實驗室，云南昆明 650201；2.云南農業大學動物科學技術學院，云南昆明 650201）

近年來我國奶業迅速發展，人類生活水平不斷提高，牛奶品質和營養價值成為消費者關注重點。乳脂是牛奶的重要營養成分，也是衡量牛奶品質和營養價值的重要指標[1]。乳脂合成是一個復雜的生物學過程，在該過程中脂質合成相關基因和轉錄調節因子參與形成一個復雜的基因調控網絡。乳脂來源主要有從頭合成和從血液中獲取兩種方式，乳脂合成與基因、營養、環境之間存在密切關系，主要受日糧配方、基因表達、激素水平、氣候條件等因素影響，其中參與乳脂合成的酶和轉錄因子的表達對乳脂含量有重要影響[2]。

奶牛泌乳相關基因與乳品質的關系及其調控機理是牛奶品質研究的重要基礎科學問題，隨著分子生物學技術不斷發展，奶牛泌乳生物學研究也呈現出快速發展趨勢，發現了眾多泌乳相關功能基因[3]。自2006 年完成牛的全基因組測序工作至今，國內外研究者在泌乳相關轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學以及生物信息學等層次開展了泌乳生物學的研究并取得很多重要成果[4]，這些研究深入揭示了牛奶脂肪酸合成相關基因的多態性與乳脂率之間的關聯性，提高了乳品質，促進了我國奶業健康快速發展。本文綜述了國內外近幾年在奶牛乳中脂肪酸的從頭合成、脂肪酸的攝取和轉運、脂肪酸的活化和去飽和、甘油三酯的合成、脂質小滴的合成分泌相關基因與乳脂關系的有關研究進展，為奶牛乳脂合成作用機理的進一步研究和更多泌乳關鍵基因的挖掘奠定基礎。

1 脂肪酸的從頭合成

脂肪酸的從頭合成是多種酶催化的復雜過程，牛瘤胃中的碳水化合物在瘤胃微生物的作用下發酵產生乙酸、丁酸，而丁酸又氧化生成β-羥丁酸。乳腺上皮細胞利用乙酸、β-羥丁酸等重要前體物質，在乙酰輔酶A羧化酶（ACACA）和脂肪酸合成酶（FASN）的催化作用下進行脂肪酸的從頭合成。

牛的19 號染色體編碼ACACA基因和FASN基因，從非泌乳期到泌乳期奶牛乳腺組織中ACACA的表達量顯著上調[5]。說明ACACA的功能或定量改變可能會影響牛乳脂肪酸組成等經濟性狀。ACACA基因的同義突變與乳汁性狀有顯著影響，ACACA的多態性與一些新合成的脂肪酸有關[6]。泌乳期乳脂含量主要取決于ACACA基因表型，相同等位基因在不同育種群體中對乳品質存在不同程度的影響[7]。FASN在哺乳動物脂肪的從頭合成中起到核心作用，其表達直接影響脂肪酸合成酶的多寡和乳脂率，特別是對牛乳中富含的中短鏈脂肪酸有顯著影響[8]。FASN基因外顯子40 區存在單核苷酸變異，確定了牛FASN基因作為牛奶脂肪含量候選基因標記的作用[9]。研究表明，增加FASN 的AG 基因型頻率可以顯著提高牛奶的蛋白質和脂肪百分比[10]。

2 脂肪酸攝取和轉運

血液是長鏈脂肪酸和單不飽和脂肪酸的主要來源，乳腺細胞從血液中攝取的脂肪酸被極低密度脂蛋白受體（VLDLR）和乳糜微粒中的成分水解，并由乳腺毛細血管的脂蛋白脂肪酶（LPL）、三磷酸腺苷結合盒轉運體A1（ABCA1）、三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白G2（ABCG2）、脂肪酸結合蛋白3（FABP3）、酰基輔酶A 結合蛋白（ACBPs）等脂肪酸轉運和攝取酶催化，將甘油三酯降解成小分子質量的甘油和脂肪酸，從而形成乳脂。

VLDLR 結合脂蛋白運送甘油三酯，參與甘油三酯的代謝。研究表明，乳腺VLDLR可作用于含有apo-B 48 的乳糜微粒或腸道VLDL，在泌乳開始時乳腺細胞利用脂蛋白攝取脂肪酸的效率更高，VLDLR的表達在哺乳期出現上調[11]。LPL參與介導乳腺內脂質分解、提供脂質營養素進而生成乳脂的過程。LPL基因突變影響乳中LPL 活性，進而影響乳脂含量及總固體物質含量[12-14]。奶牛在產后血液中LPL的表達顯著升高，也是VLDL利用的間接指標[15]，這些研究表明VLDLR與LPL在泌乳期間的乳脂合成中起重要作用。

ABCA1在膽固醇逆向轉運和進入乳汁過程中起著極其重要的作用，對細胞內的脂肪代謝有一定影響，并且表達水平在泌乳期內出現峰值[16-17]。ABCG2在促進外源膽固醇的運輸方面起著重要作用[18-19]。ABCG2基因的多樣性和突變都會影響奶牛的產乳性狀和功能，使乳脂率和乳蛋白率上升，造成泌乳期牛乳腺中ABCG2mRNA 豐度上調[20-24]。

FABP3調節脂肪酸的代謝活動，影響脂肪酸轉運，可以防止ACACA和硬脂酰輔酶A 去飽和酶（SCD）的抑制作用。在奶牛泌乳期FABP4對油酸的高親和力上升和mRNA 的表達上調，且FABP 3、AGPAT 6和脂素 1（LPIN1）等協同調節脂肪酸合成乳脂肪的通道，促進脂肪酸合成甘油三酯，進而影響乳脂含量[25-26]。ACBPs主要作用于長鏈酰基輔酶A 酯的運輸和儲存，在泌乳期發揮重要作用，且研究表明ACBPs表達可能與泌乳期乳脂代謝過程相互關聯[27-28]。

3 脂肪酸的活化和去飽和

參與脂肪酸活化的酶主要有長鏈酰基輔酶A 合成酶（ACSLs）和乙酰輔酶A 合成酶短鏈家族成員2（ACSS2）。ACSLs 參與激活脂肪酸，是哺乳動物中幾乎所有代謝途徑中利用脂肪酸的第一步，如蛋白質修飾、脂質合成等[29]。ACSLs對乳脂肪合成具有極其重要的作用，ACSL1基因啟動子區突變可以顯著提高乳脂率，其過表達可顯著提脂肪細胞的甘油三酯含量[30]。可見，ACSL1基因在調節動物脂肪代謝中起關鍵作用。

由于固醇調控元件結合蛋白參與調節ACSS2基因的表達，固醇調控元件結合蛋白基因（SREBPs）在脂肪代謝過程中起著重要的作用，因此ACSS2基因有可能影響動物脂質性狀。ACSS2基因在泌乳期奶牛乳腺組織表達增加，轉錄水平的變化與乳腺中乙酰輔酶A合成增加相一致，表明這個基因編碼的蛋白激活脂肪酸乙酸鹽的從頭合成[1]。

目前，牛硬脂酰輔酶A 去飽和酶（SCD）基因表達研究主要集中在SCD1，SCD缺失或減少可通過SREBP1和PPARG1直接調控進而影響脂肪酸組成和合成速率，對乳脂中不飽和脂肪酸所占的比例有很大影響[31-33]。

4 甘油三酯的合成與脂質小滴的形成

甘油三酯的合成有三步，分別由甘油-3-磷酸乙酰轉移酶（GPAT）催化、磷酸甘油酰基轉移酶（AGPAT）催化、三酰基甘油酰基轉移酶（DGAT）催化。脂肪酸以及從頭合成的酯酰輔酶A 分別通過GPAT、AGPAT、DGAT 的作用酯化生成甘油三酯，進而形成乳脂微粒并被乳腺上皮細胞分泌進入乳腺腺泡腔內。

在哺乳動物GPAT的4 種亞基中，GPAT1和GPAT4主要在乳腺組織中表達。GPAT1、GPAT4多態性與乳脂率、中短鏈飽和脂肪酸含量、不飽和脂肪酸含量等產奶性狀具有顯著相關[34]，使GPAT基因多態性成為提高牛奶營養健康度非常有價值的工具。AGPAT 是甘油三酯合成的第二步的關鍵酶，其中AGPAT6在乳腺組織的乳腺上皮細胞中高水平表達[35]，與奶牛乳脂率呈顯著相關關系，能調節脂肪代謝信號通路關鍵因子GPAT1、AGPAT1、DGAT1、SREBP-1c的mRNA 表達水平；且AGPAT6基因表達程度與細胞中甘油三酯的含量顯著相關，進而影響脂代謝[36]。APAT6基因多態性與產奶量、乳脂率和乳蛋白率等產奶性狀顯著相關[37-38]。目前，對于DGAT基因遺傳多態性的研究多見于DGAT1基因，大量研究表明，DGTA1基因的k 232 突變對奶牛產奶性狀尤其是對乳脂率具有顯著影響，k 基因能提高牛乳脂率[39-40]。

脂素1（LPIN1）基因是與機體脂肪沉積有密切的相關性，可作為調控奶牛泌乳的候選基因。研究表明，LPIN1基因在水牛乳腺中表達，且在奶牛泌乳期的表達上調20 倍，其表達量與水牛產奶量呈正相關，與水牛奶中的乳脂率呈負相關[41-42]。

圍脂滴蛋白1（PLIN1）能夠促進對長鏈脂肪酸的攝取，刺激細胞內脂滴的形成。在基礎狀態下，PLIN1對脂滴具有屏障作用，保護甘油三酯不被水解，而其含量降低或發生磷酸化時，可加快甘油三酯的分解。近期國內外研究報道認為沉默PLIN1基因的脂肪細胞中脂滴明顯減小，脂解率顯著升高[43-44]。

5 轉錄調節因子及mTOR 信號通路

參與乳脂肪形成的脂代謝轉錄因子主要包括過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）、固醇調節元件結合蛋白1（SREBP1）、糖基化磷脂酰肌醇錨定高密度脂蛋白結合蛋白1（GPIHBP1）。PPARs屬于核激素受體超家族成員，是一種配體激活轉錄因子。PPARs是控制泌乳過程中脂滴分泌和FA 轉運的主要核因子，牛奶脂滴形成相關基因受PPARs表達調控，PPARs的沉默和過表達都會影響ACACA、FASN、SCD、LPL、FABP3、AGPAT6、DGAT1、LPIN1等乳脂合成相關基因和轉錄調控因子的表達[45-48]。由此可見，PPARs基因在反芻動物乳脂代謝過程中具有重要的調控作用。

SREBP1基因在反芻動物脂肪代謝及乳脂代謝過程中具有重要的調控作用，可作為調控奶牛乳脂肪含量和組成的候選基因，在內質網中被合成并與SREBF伴侶形成復合物，激活脂肪生成[49]。牛SREBP1基因表型與乳汁中脂肪酸含量顯著相關[29]，SREBP1基因的表達量顯著影響FAS、ACC及PPARγ等基因的表達量以及它的啟動子活性[50]。

GPIHBP1 蛋白位于上皮細胞膜，與LPL和乳糜微粒結合，為LPL裂解乳糜微粒中的甘油三酯提供平臺。釋放的非酯化脂肪酸（NEFAs）將被分化抗原簇36（CD36）和VLDLR運輸到細胞中，作為ACACA和FASN的底物。當GPIHBP1表達變化時，乳脂相關的幾個重要基因（LPL、CD36、VLDLR、ACACA和FASN）表達就會受到影響。當GPIHBP1表達降低時，LPL與GPIHBP1的結合也降低，從而抑制乳腺上皮細胞甘油三酯脂解過程，導致甘油三酯積累增加，乳脂含量升高[51]。

乳脂合成過程受信號轉導通路的調控，其中雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號通路起著重要的作用。mTOR與其他蛋白結合形成雷帕霉素靶蛋白復合物1（mTORC1）和雷帕霉素靶蛋白復合物2（mTORC2）2 個復合體。mTORC2通過SREBP1作用于脂肪生成，mTORC2抑制引起mSREBP1降解，并影響SREBP1靶基因表達和脂肪生成[52]。mTORC2在調節脂質基因的表達、脂質生成和脂質分泌方面起著關鍵作用。研究發現，mTORC2影響PPARG的表達，進而影響LPIN1、DGAT1、ACACA、FASN等脂肪基因的表達，表明mTORC2具有通過PPAR基因調控脂肪生成基因表達的作用，從而調控脂肪生成的新功能[53]。以上結果表明，mTOR信號通路對脂肪酸合成相關基因、轉錄調控因子PPARs和SREBP1的表達和活性具有調控作用。

6 展 望

綜上所述，乳脂從頭合成、血液中脂肪酸轉運、甘油三酯合成有關基因、調控這些基因的脂代謝轉錄因子的表達水平和多態性等都可能影響奶牛乳脂肪含量及組成。目前國內外在基因調控乳成分方面取得一定的進展，但是結果比較分散，不能系統地說明問題。因此，想要從根本上解決我國乳品質低下的問題，需要從多個水平深入研究調控乳脂代謝相關基因的調控表達規律，分析乳脂肪合成的基因網絡和信號傳導途徑也顯得極其重要，最大限度挖掘奶牛基因功能和相互關系對改善牛奶營養品質、生產功能化乳制品具有重要意義。