碳水化合物对动物脂肪代谢相关基因表达的调控

■张英杰

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071000）

近年来，随着分子生物学技术的不断发展，众多与营养代谢有关的动物基因被克隆和鉴定，日粮营养对动物代谢调控的影响机制方面的研究已经逐步深入到分子水平，人们对营养与基因调控的关系越来越感兴趣。主要集中于日粮营养影响动物基因表达和动物基因表达对日粮营养素利用效率的影响两个方面。通过对日粮营养对动物关键代谢酶基因表达调控的分子生物学基础的研究，将有助于揭示动物生长规律、营养代谢规律和机体的生理病理变化，并为通过营养手段调控动物健康、生长、代谢提供理论基础。

碳水化合物是多羟基的醛类和多羟基酮类化合物及其缩合物和某些衍生物的总称。植物性饲料中的碳水化合物按其结构性质可以分为两类：一类为可溶性碳水化合物，主要包括单糖、双糖和多糖（淀粉），这类可溶性碳水化合物又叫无氮浸出物，是易被动物消化的碳水化合物；另一类为粗纤维，是较难被动物消化的碳水化合物，主要包括纤维素、半纤维素和木质素等。

碳水化合物对动物脂肪代谢相关基因的表达有调控作用，主要表现在碳水化合物在胃肠道被消化成葡萄糖及吸收入血以后，葡萄糖能刺激脂肪组织、肝脏和胰岛β细胞中脂肪合成酶系基因的转录。

1 碳水化合物对FAS基因的调控

脂肪酸合成酶（FAS）是脂肪酸合成的主要限速酶，存在于脂肪、肝脏及肺等组织中，在动物体内催化丙二酰辅酶A连续缩合成长链脂肪酸的反应。动物体脂肪沉积所需要的脂肪酸大多来自脂肪酸的体内合成，即由脂肪酸合成酶催化乙酰辅酶A和丙二酸单酰辅酶A合成脂肪酸。因此，脂肪酸合成酶蛋白的多少、活性的高低将直接控制着体内脂肪合成的强弱，从而影响整个机体脂肪的含量。目前已有证据表明，肝脏和脂肪组织中脂肪酸合成酶的活性及其基因表达受多种激素和饲粮营养成分的影响。饲粮碳水化合物等对脂肪酸合成酶基因的表达都有重要影响。

Coupe等（1990）给哺乳的仔鼠饲喂碳水化合物，能在几小时后诱发肝脏和白脂肪组织中FAS和乙酰CoA羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）mRNA的出现[1]。FAS、ACC和ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase,ATP-CL）是脂肪合成途径中三个主要的代谢酶，高碳水化合物、低脂肪的日粮使这些酶的基因转录得到加强，已有大量的试验证实了这一点。Maury等（1993）研究表明，如果在正常断奶仔鼠饲料中加入肠道α-葡萄糖苷酶阻断剂，将减少采食后肠道中葡萄糖的产量，从而显著降低FAS和ACC的表达[2]。Girard等（1994）给断奶后的仔鼠饲喂高脂肪、低碳水化合物的饲粮，发现肝脏中FAS、ACC和ATP-CL mRNA含量的提高和酶活的增强都受到了抑制[3]。Foufelle等(1992)的试验表明，2-脱氧葡萄糖在脂肪组织中有类似葡萄糖的作用，能激发FAS等基因的表达，并且其1 mM的功效相当于20 mM葡萄糖的作用。这提示脂肪组织中6-磷酸-2-脱氧葡萄糖可能是信号源，6-磷酸-葡萄糖应该是诱导脂肪酸合成酶表达的天然信号；将19日龄哺乳仔鼠的脂肪组织在无血清培养基中培养6～24 h后，加入葡萄糖和胰岛素能显著提高培养液中FAS和ACC mRNA的含量，其水平与已断奶并采食高碳水化合物的30日龄仔鼠体内的含量相当。葡萄糖、胰岛素的这一作用能被放线菌素D抑制，表明它们是通过加强基因转录来实现其功效的。试验还表明，单独添加葡萄糖能提高FAS和ACC mRNA的含量，并在一定范围内与剂量成正比，葡萄糖的最佳作用剂量为20 mM，而单独添加胰岛素则没有效果[4]。

Kim等(1996)分别测定了大鼠在饲喂高碳水化合物日粮、饥饿状态、禁食后再饲喂高碳水化合物三种情况下FAS mRNA的丰度。结果发现，饲喂高碳水化合物日粮的大鼠，肝FAS mRNA丰度增加3～5倍，而饥饿显著降低FAS mRNA的丰度，禁食后再饲喂高碳水化合物，FAS mRNA丰度比禁食组增加20～30倍[5]。张英杰等（2010）通过半定量RT-PCR的方法研究了不同能量水平（能量摄入分别为营养需要量的75%、100%、125%）条件下绵羊尾部脂肪组织中FAS基因的表达规律，表明FAS基因在绵羊尾部组织中的相对表达量随日粮中能量水平的增加而呈升高的趋势，相对表达量在低能量组中最低，高能量组中最高，三组之间的差异极显著[6]。

舒常平等（2012）研究表明，不同填饲期鹅肝脏组织中FAS基因mRNA表达丰度随填饲日龄的变化呈现出先升高后迅速降低的趋势。填饲0、6、30 d之间、12 d与18 d之间差异不显著；填饲24 d的表达量极显著高于其它各组，表明在填饲12～18 d和18～24 d是肝脏增重和脂肪酸沉积最关键的两个阶段，FAS基因mRNA的表达丰度也随之相应增加，促进了肝中脂肪酸的沉积和鹅肥肝的快速形成[7]。黄英等(2012)就日粮水平对乌金猪肝脏组织中FAS基因表达水平影响进行了研究，结果表明，乌金猪肝脏组织中FAS基因表达水平随能量水平的升高而升高，其中30、100 kg体重时，与中能量和高能量组相比，低能量组显著降低，但中能量与高能量组间差异不显著；60 kg体重时，与高能量组相比，低能量组显著下调，但中能量组与低能量组及中能量组与高能量组差异不显著[8]。

2 碳水化合物对HSL基因的调控

已有试验研究证实激素敏感脂肪酶（hormonesensitive lipase，HSL）在骨骼肌、心肌和肝脏中发挥着调节作用，HSL在骨骼肌中的活性主要是由肾上腺素来调节的，并通过腺苷-3'，5'-环化一磷酸(cyclic ade-nosine monophosphate，cAMP)水平来调节[9]。细胞外信号调节激酶(extracellular mitogen-activated protein kinases，EPK)的活性也与HSL的活性有关[10]。Hansson等(2005)在缺失HSL的鼠肌肉中发现，其糖原利用相关的酶表达增加，表明缺失HSL鼠通过增加利用糖来弥补脂肪利用的降低，说明HSL在肌内脂肪代谢中有重要的作用[11]。Holm等（1988）用RNA杂交分析法检测不同组织中的HSL基因mRNA水平，发现脂肪组织和一些胆固醇生成组织mRNA较丰富，而心肌和骨骼肌HSL基因mRNA含量很少，认为不同组织转录起始位点的不同可能是造成HSL mRNA表达差异的主要原因[12]。Qiao等（2007）研究发现，在哈萨克羊背最长肌肌肉HSL mRNA水平与肌内脂肪含量有显著的负相关，在新疆细毛羊肌肉中，肌肉HSL mRNA水平与肌内脂肪含量没有明显的相关性，表明HSL基因表达水平呈现一定的品种差异性[13]。

刘作华等（2007）以葡萄糖作为能量来源，通过猪前体脂肪细胞的体外培养，研究能量水平对脂肪细胞HSL基因表达的直接作用。研究结果表明:随着葡萄糖浓度的增加，前体脂肪细胞中HSL mRNA表达量均明显提高；在相同葡萄糖浓度下，随着培养时间的增加前体脂肪细胞中HSL mRNA的表达量略有降低；在研究长白×荣昌杂交猪日粮能量水平、肌内脂肪含量（intramuscular fat，IMF）与HSL mRNA丰度三者之间的关系中发现，HSL mRNA在背最长肌的表达量与能量水平呈极显著负相关，与肌内脂肪含量呈显著负相关[14]。Zhang等(2012)研究表明，日粮能量水平影响绵羊不同组织HSL mRNA表达量。随着日粮能量水平的升高，绵羊皮下脂肪、背最长肌、股二头肌和心脏组织HSL mRNA丰度逐渐减少，且HSL基因在绵羊不同组织中的表达具有组织特异性，HSL基因在皮下脂肪组织表达量极显著高于背最长肌、股二头肌和心脏[15]。

3 碳水化合物对ob基因表达的调控

肥胖基因（obese gene，ob）编码的瘦蛋白(Leptin)是脂肪细胞分泌的一种激素，是肥胖基因表达的产物，具有调节摄食行为，减少能量消耗和降低动物采食量的作用。Leptin是一种在脂肪细胞中产生与机体的能量平衡及脂肪贮存调节有关的激素，可使神经肽(NPY)分泌减少，引起采食量减少。

Kolaczynski等（1996）研究发现，人在禁食状态下会引起脂肪组织肥胖基因的表达及血浆Leptin水平的降低，再度饮食又可迅速恢复[16]。能量摄入水平对ob基因表达有重要的调节作用，这种调节作用表现在翻译水平。Leptin水平增高，是机体对能量摄入增加，体重增加作出的反馈调节，其目的是降低能量摄入，增加能量消耗，维持体重在一个相对平衡的范围。Spurlock等(1998)报道，禁食减少猪肥胖基因的表达，但维持状态或低于维持状态较自由采食状态对肥胖基因的表达无差异，肥胖基因的表达只与猪脂肪的沉积量和脂肪占体重的百分比有关[17]。王方年等(1999)用不同葡萄糖浓度培养3T3-F442A脂肪细胞，研究葡萄糖对Leptin表达的影响，当葡萄糖浓度由5～10 mmol/l时，Leptin表达有十分明显的升高(约7倍)。继续升高葡萄糖的浓度，Leptin的表达未见升高，表现出饱和性特点。葡萄糖浓度升至25 mmol/l时，Leptin的表达有明显下降，这种抑制作用很可能是由于“葡萄糖毒性作用”造成的[18]。

张涛（2007）通过半定量RT-PCR的方法研究了不同能量水平（能量摄入分别为营养需要量的75%、100%、125%）条件下绵羊尾部脂肪组织中ob基因的表达规律，表明ob基因在绵羊尾部组织中的相对表达量随日粮当中能量水平的增加而呈升高的趋势，相对表达量在低能量组中最低，高能量组中最高，三组之间的差异极显著[19]。牛淑玲等(2007)采用荧光RTPCR法研究了不同能量摄入水平对围产期奶牛脂肪组织Leptin表达的影响，表明不同能量摄入水平显著影响脂肪组织Leptin的表达。低能饲喂（标准日粮减少20%，能量摄入80%组）明显提高了脂肪组织中Leptin表达；而高能饲喂(标准日粮增加20%，能量摄入120%组)明显降低了脂肪组织中Leptin表达[20]。

4 小结

动物日粮碳水化合物水平影响参与脂肪代谢相关的FAS、HSL和ob基因的表达，因此，可通过调控日粮的碳水化合物水平来调节动物体内脂肪的合成与分解，进而影响到畜产品品质。