甜菜碱对单胃动物能量代谢的作用机制与应用

■陈星平 陈 婷 孙加节 罗君谊 张永亮 习欠云

（广东省动物营养调控重点实验室国家生猪种业工程技术研究中心 华南农业大学动物科学学院，广东广州510642）

甜菜碱又称三甲基甘氨酸，甘氨酸甜菜碱是一种稳定无毒的天然物质，因最初从甜菜中提取而得名。它有三个活性甲基，化学名称为三甲铵乙内脂或三甲基甘氨酸，分子式为C5H11NO2，是一种两性离子季铵盐化合物，广泛存在于动植物体内，植物和海鲜是外源性甜菜碱的主要来源，如海鲜（尤其是海洋无脊椎动物）、麦麸、麦胚、菠菜、甜菜等都富含这种生物碱[1-2]。甜菜碱最早是在19世纪从甜菜的糖蜜中分离出来的，但其各种生物学效应直到20 世纪70 年代后才逐渐被人们所认识。

1 甜菜碱的代谢途径及其作用机制

甜菜碱是一种重要的甲基供体，一方面在体内可以直接由胆碱氧化产生[3]，也可以被5-甲基四氢叶酸(5-methyl-THF)替代其甲基化的作用。另一方面可以通过去甲基反应转化成二甲基甘氨酸(DMG)，最终形成甘氨酸，其主要场所是线粒体；同时还可以在甜菜碱同型半胱氨酸甲基转移酶(BHMT)的催化作用下，使同型半胱氨酸重新甲基化形成蛋氨酸，这一作用主要发生在肝脏和肾脏[4]（见图1）。

图1 甜菜碱的分子结构及其代谢途径[4]

甜菜碱主要通过作为渗透压调节剂和甲基供体来发挥生物学作用。在动物十二指肠内被快速吸收[5]，也可以通过肾脏的重吸收作用重新进入血液循环，并在汗液而非尿液中排出[6]。一方面在转运载体的作用下甜菜碱可以分布于肾脏、肝脏和大脑[1]，并作为渗透压调节剂被利用；但另一方面，其最主要的功能是以甲基供体的方式来发挥生理调节作用[7-8]。其活性甲基参与体内蛋白质[9]、氨基酸、脂类[10]、核酸等物质的化学修饰,并通过表观遗传学机制调节基因的表达和物质代谢，从而调节动物的生长发育,改善胴体品质，提高饲料的转化效率以及缓解应激等多种生理功能[11]。例如，蛋氨酸是畜禽的必需氨基酸之一，在玉米-豆粕型日粮中是家禽的第一限制性氨基酸[12]，甜菜碱能够部分替代蛋氨酸，提高畜禽的生产性能，节约畜禽生产成本。本文拟从能量代谢，包括糖代谢、脂质代谢和蛋白质代谢的作用机制方面，概述甜菜碱作为甲基供体参与机体能量代谢调节及其分子机制。

2 甜菜碱对猪能量代谢的影响及其机制

2.1 甜菜碱对猪糖代谢的影响及其机制

高能饲料是以糖分为主的饲料，是动物生长和育肥的能量基础。糖代谢包括分解代谢和合成代谢两个方面。其中糖的分解代谢主要有糖原代谢、糖酵解、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途径等，而合成代谢途径有糖原合成和糖异生等[13]。Wray-Cahen 等[14]发现在生长育肥猪日粮中分别添加0、0.125%和0.5%甜菜碱，与添加量为0 组相比，添加甜菜碱组可以提高猪的平均生长速度20%以上(P＜0.05)，饲料转化率提高25%以上(P＜0.05)。也有研究表明[15]，在母猪妊娠期日粮中添加甜菜碱，可以增加新生仔猪体内肝糖原的含量。其主要机制是通过糖代谢相关基因的表观遗传修饰机制来调节仔猪的糖代谢，如通过调控胞质内磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK1)、线粒体内磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK2)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBP1)的启动子甲基化水平，组蛋白H3K4me3、H3K27me3 水平以及通过miRNA 的转录后调控上调PEPCK1、PEPCK2、FBP1 和PC 的表达来促进糖异生途径。此外，据报道[16-19]，甜菜碱能降低苹果酸脱氢酶(MDH)的活性，抑制糖的有氧氧化。

2.2 甜菜碱对猪脂肪代谢的影响及其机制

脂肪是动物体内的重要贮能物质。甜菜碱能调节脂肪的动员作用，组织特异性的增强脂肪分解代谢，发挥重新分配体脂的作用。黄其春等[17]根据对肥育猪和肝细胞体外培养试验，发现添加甜菜碱(1 250 mg/kg)能显著降低胴体脂肪率和平均背膘厚。同时结果显示，添加甜菜碱能显著下调背最长肌CPT1的表达及活性，从而增加肌内脂肪含量，改善肉品质，同时显著提高血清游离脂肪酸含量和脂肪酶(LIP)活性，以及皮下脂肪激素敏感脂酶(HSL)活性，降低胴体脂肪率。王敏奇等[20]对48 头“杜长大”仔猪饲喂添加1 000 mg/kg 甜菜碱的饲粮，饲喂62 d 后发现添加甜菜能显著降低背膘厚、板油重和肝脏脂肪含量，提高瘦肉率。同时也显著提高了脂肪酶活性和肌肉肝脏中游离肉碱的含量，并使更多的长链脂肪酸进入线粒体进行β-氧化。余东游等[18]对不同阶段的猪饲喂甜菜碱添加的饲粮发现，无论是断奶仔猪，生长猪，还是肥育猪，添加甜菜碱均能显著增加其日增重和瘦肉率，并通过降低MDH活性、增加肝脏游离肉碱的含量，降低胴体脂肪率。

此外，资料显示，甜菜碱降低胴体脂肪含量以及背膘厚的机制与抑制脂肪的合成代谢有关[16-18，21-22]。比如甜菜碱能够抑制皮下脂肪组织中的乙酰辅酶A羧化酶(ACC)、脂肪酸合成酶(FAS)、脂蛋白脂酶(LPL)和苹果酸脱氢酶（MDH）的活性以及下调FAS 的mRNA 水平，从而抑制脂肪酸的合成。蔡德敏[15]研究也发现，在母猪妊娠期日粮中添加甜菜碱，可通过调控FAS 和硬脂酰基辅酶A 脱氢酶(SCD)启动子甲基化、组蛋白H3K4me3、H3K27me3 水平以及通过miRNA的转录后调控机制下调FAS、ACC和SCD的表达，从而抑制脂肪的合成，降低新生仔猪肝脏甘油三酯含量等。另外，在肥育猪日粮中添加不同甜菜碱水平(0、1 000、1 500 mg/kg)，能降低肥育猪血清中甘油三酯含量，且随甜菜碱添加量的升高，猪肝脏粗脂肪含量有下降的趋势[23]。

2.3 甜菜碱对猪蛋白质代谢的影响及其机制

蛋白质代谢和周转直接影响到机体的生长发育和骨骼肌蛋白质的沉积[24]。骨骼肌蛋白质的沉积量主要取决于蛋白质合成和蛋白质降解的双向调控作用，蛋白质合成大于降解时，蛋白质沉积增加，肌肉生长加快[25-26]。据报道[17-18，21-22]，日粮中添加甜菜碱能显著增加胴体瘦肉率、眼肌面积并降低背膘厚。在限饲条件下，Fernandez-Figares 等[27]通过日粮中分别添加0、0.125%、0.25%和0.5%甜菜碱。结果显示，甜菜碱能够改变生长猪养分利用和分配，增强胴体蛋白质的沉积。同时，Schrama等[28]研究也认为，在特定的能量限制条件下，结合轻微的环境压力的情况下，甜菜碱在生长猪代谢中发挥了潜在能量节约作用，提高饮食的能量价值。Schrama 等[29]研究表明，日粮中添加1.29 g/kg甜菜碱能降低猪的产热量，并影响猪体内能量分配，显著增加蛋白质沉积。尿素氮是衡量机体氮贮留的重要指标，血清尿素氮含量降低，直接反应了动物体内氨基酸分解作用减弱，氮贮留增加，蛋白质沉积增加[17，30]。有研究表明[17，31-32]，日粮添加甜菜碱肥育猪血清尿素氮含量显著降低，说明氨基酸分解作用显著降低，蛋白质的沉积显著增加。

3 甜菜碱对家禽能量代谢的影响及其机制

3.1 甜菜碱对家禽脂肪代谢的影响及其机制

邹晓庭等[19]在蛋鸡日粮中添加600 mg/kg 甜菜碱，结果显示，甜菜碱能显著提高蛋鸡腹脂中激素敏感脂肪酶(HSL)的活性(提高50%，P＜0.02)，显著下调腹脂中脂蛋白脂酶(LPL)的活性(下调44.83%，P＜0.01)；同时，显著降低蛋鸡的腹脂率和肝脂率，提高产蛋率并降低料蛋比。许梓荣等[33]研究表明甜菜碱通过增加蛋鸡肝脏肉碱和肌酸的合成量，增强脂肪酸的运载，促进脂肪酸的β氧化，从而达到降低腹脂沉积及预防脂肪肝的作用。郭玉琴等[34]对肉仔鸡饲喂不同甜菜碱和胆碱水平的饲粮，同样发现添加甜菜碱能够增强脂肪酸的氧化作用，减少脂肪肝。马建爽等[35]研究表明肉鸡日粮中添加0.2%的甜菜碱可提高肉鸡的生长性能，增强脂质代谢，改善肌肉中脂肪酸的组成和风味氨基酸的含量，改善肌肉风味品质。同时可以显著降低血清中甘油三酯、总胆固醇、胰岛素和瘦素的含量，提高脂联素和高密度脂蛋白含量。也有研究显示甜菜碱能促进蛋鸡肝脏中脂肪的迁移和代谢，降低肝组织中脂质的沉积[36-37]。此外，Xing 等[38]在22 日龄的肉鸡日粮中添加0.1%的甜菜碱发现，在56 日龄和66 日龄时，平均日增重分别提高6.91%和11.94%；腹脂分别降低9.04%和11.9%。对腹脂进行qPCR 检测发现，56日龄时脂肪合成相关基因FAS和A-FABP显著下调，在66日龄时脂蛋白脂肪酶LPL和FAS显著下调。此外，通过对LPL启动子CpG岛的甲基化检测发现：添加甜菜碱之后，腹脂LPL 启动子区域CpG 的甲基化模式发生了改变。

3.2 甜菜碱对家禽蛋白质代谢的影响及其机制

研究显示，在日粮中添加1 000 mg/kg 添加量能显著提高肉鸡胸肌产量和显著减少腹脂重量，同时通过影响IGF-1/mTOR 信号通路显著提高胸肌中肌分化因子1(MyoD1)和肌肉增强子因子2B(MEF2B)的表达[39]。王俊东等[40]针对不同时期的肉鸡进行了试验，结果发现不同时期添加甜菜碱可促进肉鸡体增重，降低腹脂率，引起肉鸡体内脂肪的重新分配，增加肌间脂肪含量，改善肉品质。孙华等[41]用甜菜碱替代肉鸡日粮中蛋氨酸，研究发现甜菜碱能够部分替代蛋氨酸，节约生产成本。同时，甜菜碱能促进GH 和IGF-1的分泌，进而促进蛋白质的合成，使蛋白质的沉积增加，提高胸肌、肝脏粗蛋白含量以及血清总蛋白含量[41-42]。此外，甜菜碱还能通过甲基供体营养，促进机体肉碱的合成，增强脂肪酸在线粒体内的转运，促进脂肪酸的β氧化；同时抑制脂肪合成相关酶的活性，从而调控脂肪代谢，降低腹脂率，从而改善肉鸡经济效益和肌肉品质的作用。

4 甜菜碱对啮齿类动物能量代谢的影响及其机制

4.1 甜菜碱对啮齿类动物糖代谢的影响及其机制

乳酸脱氢酶（LDH）是糖酵解途径中一种重要的酶[43]。醛缩酶(ALD)也是糖酵解代谢途径中的关键酶。研究表明[44]，甜菜碱能显著地降低血清LDH活力和ALD活力，抑制荷瘤小鼠的糖酵解。糖尿病是一种常见的内分泌疾病，分为两种：1型糖尿病和2型糖尿病。1 型糖尿病主要是由于胰岛素水平低下导致，可用胰岛素治疗，而2型糖尿病的病因主要是胰岛素抵抗。研究显示，甜菜碱能改善胰岛素耐受，提高葡萄糖的利用率[45]。也许甜菜碱能改善糖尿病，而其中的机制及是否能作为糖尿病患者的一种药物，还有待进一步的研究来阐明。

4.2 甜菜碱对啮齿类动物脂肪代谢的影响及其机制

Du等[45]研究表明，甜菜碱添加可通过下调细胞周期蛋白(CyclinD/E)、CCAAT 增强子结合蛋白α(C/EBPα)、PPARγ以及上调P21 和P53 的表达水平来抑制高脂诱导的肥胖小鼠的脂肪前体细胞的增殖、分化和肥大；并上调Cd137、Cidea、UCP1 和PGC1α的表达水平促进白色脂肪棕色化及脂肪酸氧化，从而降低白色脂肪的沉积。Wang等[46]在ApoE敲除小鼠日粮中添加2%甜菜碱发现，甜菜碱添加能逆转由于ApoE缺失导致的肝脏甘油三脂沉积，并提高肝脏中SOD 和GSH-Px 的活性。甜菜碱通过降低PPARα启动子的甲基化水平，显著上调PPARα表达进而上调CPT1 和CYP2E1 的表达，促进甘油三脂的脂解。周静雅等[47]发现，在非酒精性脂肪肝模型中，甜菜碱可通过下调脂质代谢关键基因FAS、ACC 等脂肪分化相关蛋白ADRP、上调PPARα 和微粒体甘油三酯转运蛋白MTTP mRNA 水平的表达水平及活性，降低肝脏甘油三酯的含量，保护肝脏免受损伤。资料显示[48]，MTTP表达水平上调是由于甜菜碱改变了其启动子的超甲基化状态，降低了其甲基化的水平。过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）是一类配体依赖的转录调节因子，包括三个亚型，除了PPARα外，还有PPAR β/δ和PPARγ。甜菜碱能抑制PPARγ的转录活性以及与Foxo1结合，进而抑制ACC 和FAS 表达来抑制脂肪合成[49]。

4.3 甜菜碱对啮齿类动物蛋白质代谢的影响及其机制

Du 等[50]在饮水中添加10 mM 的甜菜碱饲喂小鼠133 d 后，研究显示，甜菜碱能够增加小鼠的肌肉重量。同时用10 mM的甜菜碱处理C2C12细胞发现，蛋白质酪氨酸激酶1(JAK1)、去乙酰化酶2(Sirt2)、Runt相关转录因子1(Runx1)的表达被上调，而Kruppel 样因子10(KLH10)、血清应答因子(SRF)和肌肉生长抑制素(Myostain)等抑制成肌细胞增殖的基因被下调。此外，还可通过增加5mC 和m6A 的量及上调miR-29b-3p的表达来上调生肌调节因子MyoG、生肌因子4(MRF4)、肌钙蛋白(Troponin)和肌球蛋白重链6(MYH6)的表达，从而促进成肌细胞的分化。Senesi等[51]用10 mM的甜菜碱处理C2C12 细胞，结果也发现甜菜碱促进IGF-1受体(IGF-1 R)的表达，改善了IGF-1 信号转导，从而促进肌球蛋白重链(MyHC)合成和肌管长度。

5 结语

大量的研究结果表明，甜菜碱通过调控能量代谢相关基因的表达对动物的能量代谢产生巨大的影响。其最主要的功能是以甲基供体的方式来发挥表观修饰调节作用，如通过控制关键基因的启动子区域及组蛋白H3K4me3、H3K27me3的甲基化情况以及靶向关键基因的miRNA 的表达水平，调控糖、脂类以及蛋白质代谢途径中关键基因的表达，从而达到调控能量代谢的作用。本实验室前期也研究发现，在肌肉萎缩小鼠模型中，甜菜碱具有逆转蛋白质分解，增强蛋白质沉积的作用。此外，甜菜碱是否通过翻译水平来调控能量代谢关键基因的表达还未见报道，这些都有待进一步的研究来阐明。总之，随着活鸡屠宰模式的强制要求以及猪肉胴体品质的极大关注，甜菜碱作为一种饲料添加剂将具有更好的应用前景，其对猪鸡能量代谢的作用机制研究也将更为深入。