维生素A对动物基因表达的调控

■ 赵向利 张英杰

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071000）

维生素A又名视黄醇或抗干眼病醇，是一种脂溶性维生素，是动物机体内所必需的微量营养物质之一。维生素A不仅在动物的生长发育过程中发挥着重要作用，同时，还可以作为激素参与动物机体内的生长代谢。随着研究的不断地深入，人们还发现维生素A具有某些特定的生理功能。目前，有很多关于维生素A及其衍生物影响动物基因表达的研究，其可以通过多种途径来调控动物基因的表达，从而影响动物机体的免疫、生长发育以及代谢。文章就维生素A的生物学功能、在体内的代谢途径和对几种基因表达的调控进行了阐述。

1 维生素A的生物学功能

维生素A是由β-白芷酮环和两分子2-甲基丁二烯构成的不饱和一元醇，它有三种衍生物，分别是视黄酸、视黄醛和视黄醇，并且每种都有顺、反两种构型，其中反式视黄醇有最高的效价[1]。

维生素A作为动物机体内所必需的营养物质，在体内有着极其重要的营养生理功能。维生素A可以维持动物的正常视觉功能，保护上皮组织细胞的完整性，通过促进合成免疫球蛋白来提高机体免疫力，维持骨骼的正常生长，促进机体生长发育，影响动物的繁殖机能、抑制肿瘤生长等。

缺乏维生素A，可导致暗适应力下降、夜盲症及干眼病，还可引起动物机体的免疫力下降，增加感染疾病的概率，还会对造血系统造成一定的影响等。动物在缺乏维生素A的状态下怀孕，严重的会出现胚胎畸形，影响的主要系统和器官包括眼、泌尿生殖道、膈、肺、神经系统等[2]。视黄酸是维生素A最重要的生理活性衍生物，有促进动物机体生长发育和维持正常上皮功能的作用。

2 维生素A的调控途径

天然的维生素A包括维生素A1（视黄醇）和维生素A2（脱氢视黄醇）两种形式。维生素A2在β-白芷酮环上比维生素A1多一个双键，但其生理效用仅为维生素A1的40%[3]。由于维生素A2的活性比较低，一般说的维生素A是指维生素A1。

外源性维生素A进入体内后产生一系列代谢产物，主要有3种形式，其中视黄醛参与视紫质合成，与视觉有关；视黄酸（也称维甲酸，RA）是维生素A的主要活性产物，参与生物体的胚胎发育、器官形成等；视黄醇对生殖过程起作用[4]。“受体学说”是目前大家公认的视黄酸作用机制，即视黄酸与视黄酸受体（RAR）或视黄酸类X受体（RXR）结合，激活的受体再与体内特异性DNA序列结合，调节其邻近靶基因的表达。

3 维生素A对基因表达的调控

视黄酸是维生素A的主要活性代谢产物，它存在全反式、9-顺式（9cisRA）、13-顺式（13cisRA）和3，4-双脱氢异构体（ddRA），其中全反式和9-顺式更为重要[3]。近年来，研究发现，维生素A通过其代谢产物视黄酸介导影响基因的表达。

3.1 维生素A对Hox基因表达的调控

Hox基因（Hox gene）全名同源基因（homeotic gene）或同源异性基因，是一类重要的发育调控基因，可以对生物体的生长、发育基因进行协调和控制。一旦Hox基因表达异常，或其转录调节蛋白的功能异常，则将对细胞的增殖与分化过程造成直接影响，最终可能导致各种畸形。近年发现维生素A影响生长发育可能与Hox基因有关。有研究已经证实，在Hox基因上存在着视黄酸受体反应元件，视黄酸与核内的视黄酸受体结合形成复合物，此复合物与视黄酸受体反应元件结合，从而调控Hox基因的转录[5]。

樊建设等[6]从Hox基因表达的转录水平着手，研究了其与维生素A缺乏的关系，试验结果表明：由于缺乏维生素A导致了Hox基因表达量下降，表现为B组（维生素A缺乏组）小鼠胎儿的Hox3.5和Hox4.5基因mRNA的含量明显低于A组（正常对照组）（P＜0.01）。当母鼠在严重缺乏维生素A的状态下怀孕，将明显的减少其子代胚胎中Hox3.5和Hox4.5基因的表达量。缺乏维生素A导致Hox3.5和Hox4.5基因的表达量减少，导致其胚胎的发育不良与畸形。

刘恭平等[7]研究表明，维生素A缺乏导致Hox3.5表达量明显下降，出现胚胎发育不良与畸形。补充维生素A虽然有一定的补偿作用，可以在一定程度上促进Hox基因的表达，但与正常组相比，仍有显著差异，表现为胚胎发育不良。

张连生等[8]试验结果表明：Hox基因对高剂量维生素有很高的敏感性，表现为，随着维生素A剂量的增加，Hox基因（特别是HoxC4（3.5）基因）在胸部（肺、肝）和腹部的表达增强，肺泡上皮细胞明显增生、间质变粗，差异显著（P＜0.05）。说明过量维生素A可引起HoxC4（3.5）基因的表达异常，导致胚胎发育畸形。

3.2 维生素A对钙结合蛋白（CaBP）基因表达的调控

钙结合蛋白（CaBP）是与细胞内钙的转运有密切关系的一种蛋白，其含量高低直接影响钙、磷的吸收代谢，进而影响骨骼的生长。视黄酸与维生素D协同调控钙结合蛋白的合成，一般情况下，都是由维生素D来调控钙结合蛋白的合成，但是在脑组织中，钙结合蛋白的合成主要受视黄酸调控[1]，同时，Kirsch等[9]研究也表明，视黄酸与CaBP的基因表达有关。

Veltmann等[10]研究发现，雏鸡日粮中添加高剂量维生素A（45 000 IU/kg）时，对维生素D产生明显的拮抗作用。说明，也许是因为高剂量的维生素A减少了维生素D的吸收，进而影响了维生素D依赖性CaBP mRNA的表达，最终影响肉鸡钙磷代谢及骨骼的发育。

郭晓宇等[11]研究结果表明，随着日粮维生素A水平增加（1 500～45 000 IU/kg），肉鸡血清CaBP浓度、胫骨组织与十二肠组织的CaBP mRNA表达量呈线性降低，且差异显著，说明日粮中过量的维生素A降低了肉鸡组织CaBP mRNA的表达，使血清CaBP含量降低，对十二指肠组织的CaBP mRNA的表达有显著的抑制作用；说明，由于日粮中过量的维生素A抑制了肉鸡组织的CaBP mRNA表达，使血清CaBP含量降低，从而改变了钙磷代谢，导致肉鸡的骨骼发育异常。

3.3 维生素A对磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶基因表达的调控

磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）作为肝脏和肾脏中糖元异生的关键酶，它的基因转录区起始位点上游500 bp内含有许多调节单元，可与代谢信号相呼应，cAMP和视黄酸调控该基因的表达。当维生素A缺乏时，会抑制PEPCK基因的表达。若补充全反式或9-顺式视黄酸，可逆转这种抑制效果。维生素A通过视黄酸受体进行信号传导来调控细胞的生长[12]。

Devine等[13]研究表明，全反式视黄酸和其异构体9-顺式视黄酸能使小鼠肝细胞中的PEPCK基因的转录增加。为了确定维生素A缺乏对肝脏中PEPCK基因表达的影响，Dong等[14]给小鼠饲喂两种不同维生素A水平的日粮，12 h后测定血液中维生素A的浓度，并进行RNA分析。结果表明：维生素A充足组的PEPCK mRNA水平增加了3.5倍，而缺乏维生素A组没有变化。因此，在食物缺乏的条件下，维生素A缺乏组的PEPCK mRNA水平是75%，低于维生素A充足组。如果给维生素A缺乏组补充全反式视黄酸或9-顺式视黄酸，一段时间后，PEPCK的水平恢复到维生素A充足时的浓度。说明在肝脏中，维生素A的水平对PEPCK基因的表达有着至关重要的决定作用。

3.4 维生素A对△5-去饱和酶基因的表达调控

△5-去饱和酶催化日粮中n-3和n-6脂肪酸前体物质转化为长链多不饱和脂肪酸，包括γ-亚麻酸（20∶3，n-6）向花生四烯酸（20∶4，n-6）和二十碳四烯酸（n-3）向二十碳五烯酸（n-3）的转化。转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）可以调节△5-去饱和酶的活性。激活的PPAR与类维生素A的X受体（RXR）形成异源二聚体，然后和靶基因的过氧化物酶体增殖响应元件（PPRE）相互作用来调控基因的转录和表达，而维生素A的代谢产物：9-顺式视黄酸，是最有力的RXR配体。

Zhou等[15]分别给两组公鼠饲喂缺乏维生素A（VAD）和充足维生素A（VAS）的日粮（基础日粮中含有低亚油酸和高α-亚麻酸），7周后处死大鼠，取结肠和肝脏组织进行分析。结果发现，VAD组肝脏和结肠中的花生四烯酸（AA）含量高于VAS组（P＜0.001），然而，VAS组肝脏和结肠的二十二碳六烯酸（DHA）含量高于VAD组。这一结果可能是由于缺乏维生素A和视黄酸引起了△5-去饱和酶基因的表达量增加造成的。

3.5 维生素A对IGFs基因的表达调控

胰岛素生长因子（IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ）可以刺激多种细胞的增殖和分化，它们与高亲和力结合蛋白通过非共价键链接，控制生物利用度和他们的行为。动物个体的营养状况决定着IGFs的水平，当营养缺乏时，会降低肝脏中IGF-ⅠmRNA水平。已有研究表明，在不同的细胞系中，视黄酸可引起IGF-Ⅰ和IGF-ⅡmRNA的变化及IGF结合蛋白（IGFBP）的表达[16]。

Fu等[17-18]给1日龄的日本公鹌鹑饲喂维生素A缺乏日粮，结果显示对其生长无显著影响，但是比对照组（在维生素A缺乏日粮中补充4.2 mg/kg全反式视黄醇酯）中的血清IGF-I含量减少了22%。同时，睾丸、肺、肝脏和心脏中的IGF-ⅠmRNA水平下降了2%～21%，但是并没用对这些组织中IGF-Ⅰ受体（IGF-IR）和胰岛素受体（IR）的基因表达造成影响。继续饲喂维生素A缺乏日粮至21 d时，出现生长受阻，血清IGF-Ⅰ和组织中IGF-ⅠmRNA的水平进一步下降；给鹌鹑单独注射视黄酸后，IGFBP5 mRNA的表达显著减少。很多研究已经证实，在哺乳动物的细胞系中，视黄酸对IGFBP mRNA水平具有调节作用。

3.6 维生素A对视蛋白基因表达的调控

视黄醛以11-顺型异构体的形式存在，和视蛋白一同构成视紫红质，它是一种结合蛋白，是存在于视杆细胞内的感光物质。视蛋白基因的表达与视觉功能的正常表现密切相关[19]。日粮中维生素A的缺乏或不足可引起机体的视觉问题。

Wendy等[20]为了测定视蛋白基因mRNA的水平，分别给两组果蝇加足量维生素A、维生素A缺乏+β-胡萝卜素，试验结果表明，足量维生素A组视蛋白基因mRNA的水平高；维生素A缺乏组视蛋白基因mRNA的水平低，且影响了果蝇的视觉，若在1 h内补充胡萝卜汁，视蛋白基因mRNA的水平又增加，视觉有所恢复。这表明维生素A和β-胡萝卜素可以在一定程度上调控视蛋白基因，但调控机理尚不清楚。

4 小结

综上所述，维生素A可以通过多种途径来调控动物基因的表达，从而影响动物的生长发育。但许多功能的调控机理还有待进一步研究。虽然维生素A在日粮中的添加量很少，但是作为一种脂溶性维生素，其缺乏会影响动物的生理机能。因此，开展维生素A对动物主要基因表达调控的研究，对从分子水平上解释动物体内的生理变化具有重要意义，并对发掘动物生产潜力、提高生产效益具有重要的经济价值。