牛科家养动物硬脂酰辅酶A脱氢酶1基因的研究进展

薛 杰， 范新阳， 苗永旺

(云南农业大学动物科学技术学院，云南 昆明 650201)

动物的乳肉制品是人类饮食中脂肪摄取的重要来源。乳脂含量不仅对乳及其制品的品质与感官特性有重要影响，而且在营养品质、促进幼崽的骨生长和能量代谢方面扮演重要的角色。乳脂肪中的生物活性成分——多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFA)广泛参与细胞脂质代谢、膜功能调节、细胞信号转导等多项生命活动。

硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-CoA desaturase-1，SCD1)属于脂肪酸脱氢酶家族的成员，又称Δ9去饱和酶[1]。SCD1是存在于内质网上的跨膜蛋白，是从脂肪组织和泌乳乳腺中分离出的一种微粒体蛋白酶，主要由细胞色素b5、NADH和肾上腺素辅酶I 3种蛋白组成[2]。

细胞内的脂质代谢网络是一个复杂的调控系统，作为脂质代谢的重要调节物——单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acids，MUFA)水平直接影响到细胞脂质代谢系统。SCD1是哺乳动物脂肪细胞中饱和脂肪酸转换为单不饱和脂肪酸的限速酶，在甘油三酯、蜡酯、胆甾醇酯和细胞膜磷脂等脂类物质的生物合成过程中起关键作用，它对维持体内脂肪酸平衡﹑饱和/单不饱和脂肪酸比率及细胞膜的流动性均有重要影响[3]。同时，SCD1还是参与反刍动物内源性共轭亚油酸(conjugated linoleic acid，CLA)合成和乳脂代谢的关键酶[4]。对SCD1基因特异性敲除小鼠的研究表明，SCD1基因直接影响到脂质代谢水平和胰岛素受体敏感性；在高脂肪饮食条件下，SCD1基因特异性敲除小鼠不易患上肥胖和糖尿病[5]。临床研究表明，SCD1在人类肝癌细胞增殖和耐药性中起着重要的作用；针对SCD1的特定基因或药物抑制，可有效抑制细胞增殖，促进化疗诱导的细胞凋亡[6]。

1 SCD1基因功能

SCD1主要催化饱和脂肪酸，其底物为硬脂酰辅酶A(C18∶0)和棕榈酰辅酶A(C16∶0)，反应过程中的关键步骤是在第9、10碳原子间导入氢键，使二者分别转化为油酰基辅酶A(C18∶1)和棕榈油酰辅酶A(C16∶1)[7]。然而，SCD1对于C18∶0具有更高的底物偏好性，在较低的程度上选择C16∶0作为催化底物[8]。SCD1不仅可以使饱和脂肪酸转化为MUFA，而且还可将反式十八烯酸去饱和为CLA[9]。SCD1参与的氧化反应如图1所示。这一氧化反应由SCD1及细胞色素b5、NADH(P)-细胞色素b5还原酶，与分子氧共同催化。在NADH的作用下，氧化型细胞色素b5经细胞色素b5还原酶催化转化为还原型细胞色素b5。随着电子传递，分子氧被还原成水，而饱和脂肪酸在SCD1的催化下转化为单不饱和脂肪酸[1]。

图1 硬脂酰辅酶A脱氢酶1在饱和脂肪酸电子转移途径中的作用[1]

SCD1基因主要表达于动物脂肪及肝组织，在脾、肺和肾组织也有少量的表达；另外，在反刍动物乳腺组织中也表达。研究表明，敲除小鼠SCD1基因，与脂肪合成相关基因表达量就会减少，揭示在脂肪酸氧化过程中SCD1起到重要作用；SCD1缺陷小鼠脂质氧化反应增强，这可能是由于过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)的靶基因诱导表达引起的，同时，SCD1缺陷增强了脂肪酸在线粒体内的β-氧化作用[10]。此外，细胞中SCD1的表达水平可以被固醇反应元件结合蛋白(sterol response element binding protein，SREBP)、碳水化合物反应元件结合蛋白(carbohydrate responsive element binding protein，ChREBP)以及肝X受体(liver X receptor，LXR)所调控[11]。同时，SCD1的表达还会受到其他因素影响，例如，动物物种、膳食条件及环境因素等[12]。

SCD1含有4个跨膜区，2个疏水区以及3个极其保守的组氨酸簇(图2)，肽链两端虽然缺乏同源性，但中间序列相对保守。3个组氨酸簇是脱氢酶类发挥脱氢作用必需的[13]。C端和N端都在细胞中，肽链在内质网腔中的2个环要比在细胞之中的小得多，细胞质中的肽链含有3个催化过程中必须的组氨酸簇(黑色部分)。SCD1中的5个半肌氨酸分别位于第91，97，222，233和322位。

SCD1基因在组织特异性表达、脂肪酸氧化、脂质代谢等过程中发挥关键作用。研究表明，水牛奶中含有高水平的不饱和脂肪酸，尤其是亚油酸，这可能是因为SCD1基因多态性使得SCD1酶的结构和功能发生变化导致SCD1在乳腺中存在多种催化水平[14]。高SCD1等位基因转录频率与牛肉瘦肉量及单不饱和脂肪酸和共轭亚油酸的含量呈递进关系，与饱和脂肪酸则相反[15]。鉴于SCD1基因广泛的生物学功能，它已成为在反刍动物产品中调控乳脂肪成分的关键功能候选基因。

图2 鼠硬脂酰辅酶A脱氢酶1的拓扑结构模式图[16]

2 SCD1家族及基因结构

SCD1基因家族包括SCD1～SCD5，不同的物种中存在多种亚型。小鼠SCD1有4种亚型，分别为SCD1、SCD2、SCD3、SCD4，这些亚型都分布于19号染色体上200 kb的区域内，分别编码含有350～360个氨基酸的蛋白质，这些蛋白亚型中超过80%的氨基酸序列是相同的[17]。

SCD1最初发现于普通牛脂肪组织中，在发现SCD5之前，它被认为是牛中唯一存在的SCD。因此，在牛中该基因被简单地称为SCD。牛SCD5近年才被发现，几乎只在大脑中表达[18-19]。普通牛SCD6同源物A的核苷酸序列已发表在NCBI数据库中，但到目前为止还没有对该异构体进行鉴定；SCD1与SCD5和SCD6的核苷酸序列同源性分别为33.5%和31.3%[19]。在水牛、山羊和绵羊等家畜中也发现了SCD1基因。反刍动物的SCD基因序列研究主要集中在SCD1，对其他亚型研究较少。

普通牛SCD1基因位于26号染色体上，编码区序列CDS长度为1 080 bp。SCD1基因由6个外显子和5个内含子组成，基因全长约17 kb，外显子1～6长度分别为：189 bp，283 bp，131 bp，206 bp，233 bp和334 bp。水牛SCD1基因在染色体上的位置目前尚未确定，共有6个外显子和5个内含子，SCD1基因编码CDS区长度与普通牛相同。水牛外显子1和6部分参与编码，其中外显子2～5长度与普通牛相同，外显子1和6分别为171 bp和4 058 bp。水牛SCD1基因结构见图3。牦牛SCD1基因在染色体上的位置也尚未确定，CDS区长度与普通牛和水牛相同，编码359个氨基酸，外显子、内含子的组成也与普通牛一致。山羊和绵羊SCD1基因编码CDS区长度和基因结构均与普通牛相同，不同的是山羊外显子1和6长度分别为464 bp和4 073 bp，内含子1～5分别为511 bp，3 876 bp，1 436 bp，1 556 bp，2 681 bp。绵羊的SCD1基因定位于第22号染色体上，内含子与山羊略有不同。

注：外显子以矩形表示(罗马数字I～Ⅵ)，并以阿拉伯数字表示外显子片段大小。内含子以横线表示，外显子1中灰色部分表示5′非翻译区(untranslated region，UTR)，长度144 bp，外显子6中灰色部分表示3′UTR，长度为3 858 bp。

图3水牛硬脂酰辅酶A脱氢酶1基因结构图

3 牛科物种SCD1多态性研究进展

3.1 普通牛

基于SCD1基因编码产物在脂肪酸氧化过程中所起的关键作用，近年来人们把该基因作为调控脂肪酸组成的候选基因。Taniguchi等[20]2004年揭示了SCD1基因mRNA表达丰度与MUFA百分比相关，并获得了20头日本黑牛SCD1基因的cDNA序列，全长为5 331 bp，在其序列中发现有8个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)位点，在开放阅读框区(open reading frame，ORF)发现702G>A、762C>T、878T>C核苷酸替换，在3′UTR区发现1905T>C、3143C>T、3351A>G、3537A>G、4736A>G的核苷酸替换，除了编码区878位的核苷酸替换导致了氨基酸Val>Ala的替换，其余均为同义替换。使用PCR-RFLP方法将牛群编码区878位点的基因型分型为VV、AA和VA 3种，而AA型有更高的MUFA百分比和较低的肌内脂肪熔点，揭示SCD1基因多态性与日本黑牛脂肪酸含量有相关性。2007年Kgwatalala等[21]在加拿大荷斯坦牛和娟珊牛SCD1基因编码区序列中发现4个SNP位点，即435G>A、702A>G、762T>C、878C>T(参考序列为AY241933)，同样发现878位为异义替换，SCD1基因存在的核苷酸差异造成了不同品种奶牛乳脂中CLA和MUFA含量的不同。Mele等[22]2007年在意大利荷斯坦牛SCD1基因中发现AA基因型比VV基因型有更高含量的不饱和脂肪酸。Jiang等[15]2008年在普通牛杂交群体中发现SCD1基因3′UTR区存在3个SNP位点，分别为4706位C>T、7534位G>A和7864位C>T的核苷酸替换(参考序列：NM_173959)。2008年Macciotta等[23]在普通牛SCD1基因上发现1个SNP位点，在泌乳阶段该多态性位点与产奶性状有恒定的基因型关联效应。Conte等[24]2010年在意大利棕色牛群SCD1基因外显子5中发现3个SNP，基因分型揭示VV基因型相比AA、AV基因型，乳腺十四碳烯酸甘油三酯(C14∶1 cis-9)含量和稀化指数(desaturation index)DI 14分别提升18.3%和20.6%，显示SCD1基因型与乳脂肪成分显著相关。2013年Oh等[25]在韩国本地牛研究中发现利用SCD1基因与优良SNP位点基因型组合的方法可以为改善韩国本地牛脂肪酸组成提供育种选择策略。2015年Alwiyah等[26]在巴厘牛SCD1基因中发现8个SNP位点，外显子5上存在3个SNP位点(10153A>G，10318C>A，10329C>T)，内含子5上存在5个SNP位点(10360G>A，10394G>A，10428C>T，10487A>C，10486G>A)，其中10329C>T的替换导致丙氨酸(GCG)突变为缬氨酸(GTG)。2016年Li等[27]在中国荷斯坦牛SCD1基因中发现6个SNP位点，3个位于编码区，分别为10153G>A、10213T>C、10329C>T；3个位于内含子区，分别为6926A>G、8646G>A、16158G>C。研究发现SCD1基因SNP位点与油酸、单不饱和脂肪酸、大理石纹评分等性状有显著的相关性，可为脂肪酸组成的遗传改进提供有效的遗传标记。

3.2 水 牛

近年在水牛SCD1基因的研究中已发现多个SNP位点。Pauciullo等[28]2007年研究了意大利地中海水牛SCD1基因序列，发现3个SNP位点，其中在外显子5的231位核苷酸发生C>T的替换，氨基酸由Ala突变为Val，其余2个为同义替换，分别为外显子5上的220位C>A替换、外显子6上的107位A>C替换。2010年Pauciullo等[29]在意大利地中海水牛SCD1基因序列中发现15个SNP位点(参考序列：FN395259)，其中，2个突变位点出现在编码区，位于外显子4上的4686A>G的转换和外显子6上的9310A>C的颠换，在外显子6上检测到5个SNP位点；在内含子区发现7个SNP位点；在启动子区中发现g.133A>C的颠换(参考序列：FM876222)，关于SCD1基因型与牛奶脂肪酸含量的初步关联研究显示，该位点CC纯合型显著影响牛乳中去饱和指数。之后他们又发现该位点AC基因型比其他基因型有更高的奶产量，表明SCD1基因和奶产量有显著关联[30]。Taghizadeh等[14]2014年研究报道了伊朗Khuzestan地区水牛的SCD1基因序列，但没有发现新的SNP位点。

3.3 山 羊

在山羊SCD1基因研究中也发现了一些变异类型。2003年Yahyaoui[31]观察到山羊SCD1基因cDNA(GenBank AF339909)序列与其同事之前报道的cDNA序列(GenBank AF325499)在编码区存在3个核苷酸差异，位于外显子2和3上的2个SNP位点为同义突变，位于外显子6上的第3个SNP位点产生了氨基酸替换：蛋白质C-末端区域344位丙氨酸替换为缬氨酸；2010年Zhang等[32]在波尔山羊、徐淮山羊和海门山羊的SCD1基因检测中发现6个SNP位点，分别为内含子3(参考序列：AF422168)585位T>A、601位的A>G替换，内含子4(参考序列：AF422169)719位T>A的替换，和外显子6(参考序列：AF422171)690位的A>G、718C>G和802A>C替换，其中外显子6的3个SNP位点分别导致蛋白质313位Tyr>Cys、322位Phe>Leu和350位Arg>Ser；在山羊各品种间SCD1基因的研究中发现，徐淮山羊编码区SNP等位基因的分布与波尔山羊和海门山羊有显著差异，不同品种山羊SNP变异位点分布的差异是否为山羊经济性状的选择所导致，还有待进一步研究。Chen等[33]2011年在奶山羊SCD1基因的研究中发现有3个核苷酸替换，依次为外显子3的15位G>A、68位A>G的替换和内含子3第55位A>G的替换(参考序列：AF325499)，其中在外显子3的15位上G>A导致氨基酸Val>Met；同时他们对SCD1基因突变和生长性状之间的关系进行了关联分析，发现基因型CC个体在体重、体长、胸围等性状方面显著优于其他基因型，因此可以作为一种分子标记优化育种。

3.4 绵 羊

迄今，有关绵羊SCD1基因与具体生产性状关联的报道目前还较少，且绵羊SCD1基因中所发现的SNP位点都处在非编码区。Garcia-Fernandez等[34]2009年在对8个品种绵羊SCD1基因检测中发现有4个SNP位点，在启动子区发现31位C>A替换、内含子2上发现1473A>G、2011T>C替换、内含子3上发现2893G>A替换(参考序列：FJ513370)。之后他们在西班牙绵羊的研究揭示SCD1基因启动子区的多态性突变位点对乳脂率及亚油酸比例有显著影响，位于SCD1基因内含子2上的第1个SNP与丁酸含量相关。位于内含子2上的第2个SNP位点对几类脂肪酸性状(棕榈油酸、油酸、饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸含量和乳脂率)有显著影响，位于SCD1基因内含子3区域上的SNP位点只与长链脂肪酸含量有关[35]。Aali等[36]2014年在绵羊SCD1基因研究中发现有3个SNP位点，分别为位于启动子区87C>A、257G>A和379A>T的替换。

4 展 望

作为饱和脂肪酸转化为单不饱和脂肪酸的关键催化酶，SCD1参与多种细胞代谢活动，从细胞膜磷脂成分的变化，细胞信号通路转导到细胞增殖、细胞凋亡甚至癌症、糖尿病、心血管疾病、肥胖、代谢综合征等疾病都与SCD1活性变化密切相关[37]。由于SCD1的关键作用，不同形式SCD1抑制剂的研发成为人类相关疾病治疗的主要手段之一，已有部分SCD1抑制剂进入临床试验阶段，但更大范围内的研发仍处在基础阶段。迄今，关于SCD1基因转录调控机制仍未得到详细阐明，综合脂质组学、转录组学和蛋白质组学等学科理论与方法，更深一步地了解SCD1作用机制将是SCD1基因研究的新方向[1]。

SCD1在牛科家养动物乳腺和肌肉组织中大量表达，对其肌肉大理石评分，产奶量，乳脂成分，多不饱和脂肪酸含量都有显著影响。迄今为止，对于牛科物种SCD1基因突变位点的研究主要集中在编码区，有文献[16,39-40]对3′非翻译区SNP位点进行过报道，在牛羊中SCD1基因5′非翻译区的研究[30,34-36,40-42]主要集中在启动子区。对SCD1基因SNP突变位点的研究可用于动物育种过程为标记辅助选择提供选择基础，有利于改善动物经济性状，为人类膳食提供更加健康优质的乳、肉制品。