简论动物生物化学对营养与饲料科学的科研教学启示

■习欠云 张永亮

（华南农业大学动物科学学院，广东广州 510642）

生物化学大约经历了三个发展阶段，从静态、动态生化阶段到分子生物学阶段，分别从大分子物质的分离和鉴定，代谢途径到分子水平研究。早期的动物营养和饲料科学与生物化学紧密结合在一起。直到20世纪40年代从生物化学中间分化出来，成为独立的学科。动物营养和饲料科学的研究方法也从最初的描述阶段逐渐向预测营养过程和控制营养过程的方向发展，进而进入分子营养学的发展阶段。所以说，营养与饲料科学的发展一定程度上是伴随着生物化学技术的研究发展而发展的。

1 动物生物化学是提高动物营养学创新能力的基础

动物生物化学与动物营养学紧密相关，生物化学的发展对动物营养研究具有特别重要的推动作用。随着动物生物化学研究方法、手段的进步，营养研究已经由粗到细，由浅入深，由表及里，正向着更深入、更全面和更系统的方向发展。彻底摆脱过去宏观的角度解释营养素的摄取和产出，忽略营养物质在体内的代谢与调控的中间环节的研究模式。以动物生物化学为基础，研究营养物质在动物体内的代谢机理、规律及功能，确定各种营养素的适宜需要量及营养价值，科学配制高效全价平衡饲料，改善动物健康和促进动物高效生产，用最少的饲料投入为人类提供量多、质优且安全的畜产品。动物营养学未来的发展趋势就是如何利用生物化学机制来解析营养素在体内的代谢过程和调控途径(Vasil'ev等，2014)。

2 畜禽营养物质摄取及营养代谢的生化机制

当前动物营养学的研究已从整体水平上逐步深入到了细胞和亚细胞水平上。营养的供应不仅仅是满足能量和营养的需求，而是作为一种功能调节剂如何提高自身的吸收和利用效率。研究表明，功能性的氨基酸，如支链氨基酸（亮氨酸）、短中链脂肪酸、维生素以及酸化剂等对提高营养的功能作用越来越重要。例如亮氨酸具有刺激肌肉蛋白质合成的唯一膳食氨基酸。目前，增强肌肉的流行膳食中支链氨基酸的添加比例为亮氨酸∶异亮氨酸∶缬氨酸为2∶1∶1(Matsumoto等，2009)。众所周知，碳水化合物(糖类)、脂类、蛋白质、维生素、水和无机盐(矿物质)是人体所需的六大营养素，前三者在体内新陈代谢后产生能量，故又称产能营养素。维生素和无机盐为微量营养素。从传统生化理论上，产能营养素代谢的中心为三羧酸循环。无论是分解代谢还是合成代谢，在酶的参与下，营养素实现了相互转化与沉积(Pav，1979)。而微量营养素则参与酶的活性构成，调节营养素的代谢。随着生物化学机理研究的深入，营养素吸收、转运以及代谢途径的控制，如氨基酸、脂肪酸转运载体分布、营养素感应器、膜信号受体、能量代谢信号通路的研究等，为更深入地阐明营养素在动物体内的确切代谢机理，提高营养素的利用及提高动物生产水平具有重要的科学意义。

3 营养素与基因互作的生化机制

研究营养素对基因的互作是当今动物营养学研究的热点和发展趋势。营养素不仅仅是营养材料，也是信号分子，可以参与基因的表达调控，影响营养物质的转化与代谢。研究表明，多不饱和脂肪酸（n-3和n-6序列）是SCD-1表达的强抑制剂，这对极低密度脂蛋白（VLDL）分泌的调节起到重要作用(Gibbons,1990)。二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)属于omega-3家族，以及omega-6脂肪酸如花生四烯酸（AA）、共扼亚油酸（CLA）被证明均具有抑制SCD-1的作用(Kajikawa等，2009)。n-3和 n-6系列通过抑制LXR转录因子与SREBP-1的结合以降低SREBP-1c的mRNA水平。此外，PUFAs，特别是n-3系列能加速核SREBP-1c蛋白的降解。有意思的是，PUFAs是PPAR-α和PPAR-γ的天然配体(Brown等，2003)。PU⁃FAs降低NF-Y与SCD-1启动子的结合，但不能影响NF-Y的含量。在脂肪细胞上的CLA和DHA激活ERK1/2 MAPK信号通路。在其他的细胞中，如Caco-2、MCF-7和人的T细胞也有对ERK1/2 MAPK磷酸化的相同作用。因此，PUFAs抑制SCD-1基因的转录也是直接激活ERK1/2 MAPK信号通路实现的(Mau⁃voisin等，2011)。研究表明，饱和脂肪酸可以通过提高SREBP-1c的共激活剂PGC1-b的表达，再激活LXRa的表达。高胆固醇饲料也能诱导肝脏SCD-1基因的表达，抵制PUFA介导的抑制作用。此外不同的糖类物质对SCD-1的表达具有激活作用(Miyazaki等，2001)。所以，从分子水平上研究营养物质与基因表达、调控的关系，研究营养物质或者抗营养物质对基因表达，细胞内信号转导，揭示营养与基因互作的分子机制，对如何提高动物生产性能及肉用性能具有重要的科学意义。

4 分子营养与肉品质调控的生化机制

有关肉品质的问题已成为畜牧业的研究热点。除了遗传因素外，后天的营养调控是改良肌肉发育及品质的一种有效手段。研究显示，对两个肉品质不同的品种猪进行基因表达检测，结果发现长白猪的LDHA、MEI和SCD等16个基因和太湖猪的ACADL、SC4MOL和UCP2等13个基因的表达模式明显差异，提示这些基因受到了特殊的调控。其中ACADL基因主要参与脂肪酸代谢(Merritt等，2006)，己有大量研究表明，人体内缺少ACADL将导致脂肪酸β氧化的紊乱，引发超重和肥胖症状(Gillingham等，2007)。SCD-1作为饱和脂肪酸转变成不饱和脂肪酸时的限速酶，在脂肪酸生物合成中起着中心调节作用(Sampath等，2007)。研究发现，低蛋白日粮在特异性提高IMF含量的同时，SCD-1基因表达量与IMF含量间存在显著的正相关，可作为影响IMF含量的候选基因进行深入研究(Doran等，2006)。UCP2作为解偶联蛋白家族的一员，主要参与能量代谢和脂代谢调节。Ramsay等(2005)发现，猪皮下脂肪中UCP2基因的表达量与OB基因呈正相关，而与GH(生长激素)基因呈负相关(Ramsay等，2005)。总之，从分子水平阐明营养对机体生长发育及品质形成的作用机制，揭示畜禽胴体品质和肉品质量性状形成的生化机制，对研究营养物质对机体分子信号交互的影响以及对肌肉生长的功能基因、代谢及调控网络具有重要的借鉴和理论意义。

5 营养与组学的生化机制

5.1 营养基因组学

营养基因组学（nutrigenomics）是研究营养素及营养组成对基因表达的作用，也是21世纪的生物科学(Stojanovic等，2011)。主要集中在特定营养素激活某个疾病，如阿尔次海默病以及癌症的易感性的基因作用，研究营养素及生物活性分子对基因组的互作关系，包括营养素与遗传变异的关系(Szopa等，2005)，以及营养吸收、代谢、分解、生物效应与基因表达及SNPs的关系。通常营养素作用基因的表达有三种途径，一是作为转录因子的配体参与基因的表达调控；二是作为酶的底物或中间代谢产物而影响代谢途径；三是直接参与基因的表达和细胞信号途径。20世纪，营养学研究主要集中在维生素及矿物质的应用及缺乏后引起疾病的产生作用上。随着发达国家的过分营养、肥胖以及Ⅱ型糖尿病等健康问题的出现，现代医学及营养学随之发生改变。越来越多的研究表明健康和饮食密切相关(Chavez等，2003)。因此，研究如何优化营养结构，以便更好地维持细胞、组织、器官和整个身体的平衡；如何在分子水平研究营养素行为，研究营养与基因，蛋白质和代谢水平相互作用，最终目的是根据动物不同的基因型合理优化营养结构和水平，制订个性化的膳食结构与标准。

5.2 营养遗传学的生化机制

营养遗传学（nutrigenetics）是营养基因组学的一个分支，归功于遗传研究的营养基因组学的产生和发展。目前营养遗传学仍然处于起步阶段。长期的物种进化产生个体间遗传差异或遗传变异，如SNPs（单核苷酸多态），SNPs能够影响食物成分的吸收与代谢(Radakovic等，2004)。营养素的消化、代谢与转运与不同遗传变异相连。营养遗传学的分析是居于营养成分对基因组、蛋白质组、代谢组以及转录组的影响。营养遗传学的研究目的是研究肥胖及肥胖相关疾病易感的人群(Marti等，2010)。科学家认为，肥胖的原因可能身体内存在一种叫节俭基因“Thrifty gene”,该基因将高能量物质，如脂肪储存在身体内，以防饥饿，是进化上的一种保护现象。营养遗传学的未来发展就是要寻找这种节俭基因，以及应对措施防止肥胖及肥胖相关基因的疾病。随着遗传学的发展，生化缺陷与遗传起源之间具有很高的营养相关连锁性。基因多态性影响营养生物化学的差异，如瘦素基因多态性导致肥胖，亚甲基四氢叶酸还原酶（MTH⁃FR）基因的常见多态性为C677T和A1298C，影响叶酸的代谢，进而影响婴儿的发育。最终目的是根据遗传背景的不同提供个性化的营养建议(Perez-Martinez等，2013)。

5.3 营养代谢组学的生化机制

营养代谢组学(Nutrimetabolomics)是营养生物化学的新阶段(Vasil'ev等，2013)，是重点研究单个细胞或细胞类型中所有的小分子成分和波动规律以及生物内源性代谢物质的整体定量描述及其对内因和外因变化应答规律的科学，为研究宏观和微量营养素的作用机制提供了新的方向(Vasil'ev等，2013；Kir⁃baeva等，2014)。代谢组学的中心任务包括检测、量化和编录生物内源性代谢物质的整体及其变化规律，联系该变化规律与所发生的生物学事件或过程的本质。代谢产物的不同是体现基因表达水平差异的最终表型。有人认为，“基因组学和蛋白质组学告诉你什么可能会发生，而代谢组学则告诉你什么确实发生了”。如儿茶素、长链不饱和脂肪酸对动物代谢组、大豆异黄酮对人体代谢组的影响。代谢组的变化与基因表达改变联系起来，从而揭示相关基因的功能与动物宿主代谢和体内菌群代谢的相关性的整合机制。

6 营养物质与表观遗传学的生化机制

6.1 DNA甲基化及组蛋白修饰与营养调控的生化机制

表观遗传学是联系健康与营养的一座新桥。研究表明，营养素能够影响精子或卵子的改变，进而把这种改变传递给后代。营养素通过改变表观遗传现象，如DNA甲基化、组蛋白的修饰以及染色体重塑，从而改变基因的表达以及相应的生理和病理过程，如胚胎发育、细胞的增殖与分化、癌症发生等。其作用机制是营养及生物活性物质直接抑制DNA甲基化或组蛋白修饰的酶活以及改变酶的底物来影响表观遗传学的。叶酸、维生素B12、蛋氨酸、胆碱以及甜菜碱等通过一碳单位的代谢来影响DNA和组蛋白的甲基化(Uekawa等，2009)。通常，营养素以及生物活性物质通过影响S-腺苷蛋氨酸和S-腺苷高半胱氨酸的比例来改变DNA和组蛋白的甲基化的。此外，水溶性维生素，如生物素、烟酸、泛酸等也参与组蛋白ADP-核糖化聚合酶（组蛋白乙酰化）以及SIRT1酶（组蛋白去乙酰化）的底物。研究发现，烟酸水平对基因组以及p16启动子的DNA甲基化状态呈正相关(Keyes等,2007)。泛酸形成乙酰辅酶A，是组蛋白乙酰基的重要来源。此外，生物活性物质直接影响表观机制的酶活。如木黄酮、儿茶素影响DNA甲基化转移酶（DNMT）的活性。DNMT1表达随年龄增加而下降，推测年龄依赖性的DNMT1下调以及低甲基营养供应改变了DNA甲基化状态及基因的表达(Li等，2010)。此外，白藜芦醇、丁酸、烯丙基硫化物抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的活性，姜黄素抑制组蛋白乙酰化酶（HAT）的活性。从某种程度上说，营养表观遗传已经成为研究机体发育疾病、癌症、衰老以及Ⅱ型糖尿病、肥胖、炎症以及神经疾病的重要手段。目前营养表观遗传学的研究还处在刚刚起步阶段。未来，寻找更多的改变表观遗传模式的营养素及活性物质，将不同的营养素水平与表观遗传密码对应起来，为营养素的调节提供新型的分子标记和评价标准。

6.2 miRNAs与肌肉发育的生化机制

近来对哺乳动物全基因组研究表明，98%的基因为非编码基因，非编码RNA(Non-coding RNA,ncRNA)是一类不编码蛋白质的RNA分子，其中微小 RNA（microRNA，简称miRNA)是目前发现的在基因表达调控中起重要作用的一种非编码RNA。基因组中非蛋白质编码区或内含子编码的miRNA也参与了骨骼肌的增殖与分化调控过程(Lee等，2006)。肌肉形成是成肌细胞退出细胞周期、表达肌肉特异性基因并阻止其他细胞或组织特异性基因表达的一个过程。miRNA参与这一过程的最初证据是发现特定的miR⁃NA在肌细胞中的富集。作为重要的经济动物、模式生物，猪miRNAs的研究也越来越受到重视。近年来的研究开始关注特定miRNA，如miRNA-1和miRNA-206能够促进骨骼肌细胞的分化，而miRNA-133则可通过抑制血清反应因子（SRF）来加强成肌细胞的增殖(Chen等，2006；Kim等，2006)。笔者前期研究发现，该三个miRNA在长白猪肌肉中占总miRNA表达量的72%。在肌肉发育的不同阶段，这些功能miR⁃NA的表达水平不同(Li等，2012)。习欠云等(2012)报道，通过miRNA荧光定量检测法对不同品种猪成熟骨骼肌组织进行了miR-1和miR-133的表达量分析表明，两者在蓝塘猪中的表达量最高，其次是长白猪和大花白猪。结果表明miRNA与肉品质存在相关性。肌内脂肪的含量与miR-1和miR-133表达丰度成反比，而与骨骼肌的含量成正比。这点在McDaneld等(2009)对猪骨骼肌不同发育阶段（胎儿、幼儿和成年期）miRNA表达谱分析结果一致。研究表明，miR-1和miR-133的表达丰度随着猪年龄的增长而提高，同时认为miR-1和miR-133的表达丰度与骨骼肌的成熟有关。由于肌肉中骨骼肌与肌内脂肪之间在一定条件下会产生此消彼长的现象。当骨骼肌生长旺盛时，肌内脂肪生长缓慢，反之亦然。因而在不同品种猪的肌肉中，miR-1和miR-133的表达丰度差异在一定程度上反映了肌肉的肉品质特征。

6.3 miRNA与脂肪发育的生化机制

脂肪形成（Adipogenesis）是不同类型的细胞分化成脂肪细胞（主要储存脂肪的细胞）所具有的过程，其过程受到不同基因的调节。脂蛋白脂酶(Bonnefond等,2010)；CCAAT增强子结合蛋白β和δ(C/EBPβ,δ)、脂肪细胞定向和分化因子1(ADDI)以及过氧化物增殖激活受体(PPARγ)、甘油-3-磷酸脱氢酶(GPDH)、乙酞CoA脱羧酶(ACC)、脂肪酸合成酶(FAS)、脂肪型脂肪酸结合蛋白(A-FABP)、激素敏感脂酶(HSL)和磷酸烯醇式丙酮酸(PEPCK)等。转录因子C/EBPβ，δ诱导KLF（Krüppel-like factors）表达，三者诱导PPARγ的表达，PPARγ与C/EBPα正反馈作用，二者促进脂肪细胞成熟相关基因的表达。另外SREBP-1c也参与PPARγ的激活。研究表明，miRNA通过靶向脂肪生成的关键基因参与脂肪的发育过程。miR-27a直接作用PPARγ的3’-UTR，抑制脂肪细胞的分化增殖(Kim等,2010)。miR-448靶向KLF5，在 3T3-L1过表达miR-448抑制KLF5和其它脂肪生成基因的表达，以抑制脂肪细胞分化和聚脂(Kinoshita等,2010)。miR-8、miR-200c/141和 miR-200b,a/429抑制Wnt信号通路(Kennell等,2008)。miR-17-92和let-7促进细胞有丝分裂增殖，激素诱导处理3T3-L1后这些miRNA的表达上调，并且在增殖分化时表达水平最高，提高甘油三酯的含量。miRNA-130靶向PPARγ的3’-UTR和编码区，抑制其表达，过表达miRNA-130影响脂肪细胞的分化，下调表达可以促进脂肪细胞的分化。miR-519d靶向PPARα，提高脂肪细胞的分化(Martinelli等,2010)。miR-138过表达抑制转录因子C/EBPα和PPARγ的表达，减少甘油三酯的累积(Yang等,2011)。miR-103也具有促进前体脂肪细胞分化的作用，过表达该基因能提高脂肪细胞聚脂，促进PPARγ2、FABP4和GLUT4表达上调(Xie 等,2009)。过表达miR-378/378*可以提高脂滴的大小，促进转录因子C/EBPα,β的活性，下调miR-378/378*的表达能抑制脂肪细胞聚脂(Gerin等,2010)。miR-143对脂肪细胞的分化起着重要的调节作用，在脂肪组织分化过程中miR-143的表达水平会升高，进而调控脂肪细胞的分化；而下调miR-143将抑制脂肪细胞分化特异性基因的表达，导致甘油三酯的累积下降75%，并增加潜在靶基因细胞外信号调节激酶-5（ERK5）的表达水平(Esau等,2004)。miRNA-27b抑制来源于人的脂肪组织的多能干细胞（hMADS）的分化，miRNA-27b直接靶向 PPARγ，抑制其表达，进而抑制C/EBPα的表达，并降低甘油三酯的累积(Karbiener等,2009)。

7 Exosome与营养的生化机制

外胞体(Exosome)是近来热点关注的一种新的基因水平传播媒介和信号调节媒介，是一类由内吞作用形成的具有膜结构的小囊泡，包含有miRNA、mRNA和蛋白质。研究表明，体内外不同的细胞在生理学或病理学状态下都可以分泌外胞体，在动物或体内的血液、唾液、尿液、以及母乳等中均有外胞体的存在(Johnstone等，1987)。现已证实，猪体内存在内源性的Exosomes，由各种组织如脂肪分泌，也存在外源性的Exosomes，如乳中及饲料中。外胞体中还含有丰富的RNA，包括miRNA、mRNA以及蛋白质。其中乳外胞体中总RNA含量最高，远远高于体液如血浆中的含量。

乳外胞体中含有丰富的miRNA，可能起到重要的表观遗传学的作用。有报道指出牛和人乳的Exosome中富含miR-21，通过抑制Sprout1、Sprout2激活Ras/Raf/MEK/ERK途径，进而抑制TSC2，最终激活mTORC1途径，促进新生动物的生长。miRNAs是重要的调控分子，约为22个核苷酸的小分子非编码RNA，参与了猪多种生物学过程的调解，如生长、发育、分化、代谢、免疫(Krutzfeldt等,2006)。笔者对 猪乳Exosome进行了miRNA组检测，共发现了491个miRNAs，其中176个已知基因和315个新基因，对丰度最高的前20个miRNA靶基因聚类分析表明，有14个miRNAs与lgA免疫途径有关(Chen等，2014)。此外，乳外胞体中的 miR21、miR29a、miR-29b、miR-155、miR-103及miR-7a,b,c,f等，都已经被证明能调解代谢(Melnik等，2013)。此外，研究表明，由高蛋白饲喂小鼠及棕榈酸和油酸处理的细胞获得的外胞体，可诱导成肌细胞增殖，改变参与细胞周期基因的表达；并诱导肌肉分化而不改变胰岛素诱导的Akt磷酸化作用(Aswad 等，2014)。将人乳中的外胞体（500 μg/ml）能够显著的抑制PMBC中IL-2、TNFγ、TNFα的产生，且能促进PMBC向Foxp3+型T细胞分化，说明乳外胞体中的蛋白质可以被传递给其它细胞并发挥作用。目前外胞体作为一种体液传递一种生物信号，其包含的miRNA，尤其是mRNA及蛋白质所介导的生化调控，如对自身组织和器官的发育，以及对后代的生长发育还不清楚，有待进一步的揭示。

8 结语

综上所述，随着动物生物化学及现代分子生物学的发展，动物营养与饲料科学的研究有了长足的进步，全面进入到了分子水平的全新领域。未来，动物营养和饲料科学的研究方法将朝系统生物学的方向发展，从分子、细胞和整体水平上研究营养物质的量与质对动物体内功能基因的选择性表达、表观遗传学的机制，代谢机理以及养分或毒性物质在体内代谢路径的调控机制，阐明营养素合理需要及价值与品种间基因型差异、肌肉生长发育和肉质的关系。因此，当动物营养研究在取得巨大发展的同时也面临着新的挑战，只有更好地深入研究营养物质摄取、转运、代谢、基因互作、功能表观修饰以及Exosome信号的生化机制，才能使营养研究更好地为人类健康和生存做出新的贡献。