牛乳蛋白合成調(diào)控研究進展

周苗苗+崔景香

摘要：乳蛋白的氨基酸（AA）含量和比例比較理想，是一種營養(yǎng)價值很高的蛋白質(zhì)。除小部分來源于血液外，乳中絕大部分的蛋白質(zhì)由乳腺上皮細胞利用血液中的氨基酸或小肽從頭合成。乳中的蛋白質(zhì)含量和組成直接影響乳蛋白的營養(yǎng)和生理特性以及乳制品的產(chǎn)量。只有清楚地了解乳蛋白合成的調(diào)控機制，才能更好地通過營養(yǎng)策略來提高乳蛋白含量。因此，對奶牛乳腺細胞內(nèi)乳蛋白的合成調(diào)控進行了簡要綜述。

關鍵詞：乳蛋白；合成；調(diào)控

中圖分類號：S879.1；S852.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-4929-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.001

Research Progress of Dairy Cow Milk Protein Synthesis Regulation

ZHOU Miao-miao，CUI Jing-xiang

（Institute of Animal Science， Weifang University of Science and Technology， Shouguang 262700， Shandong， China）

Abstract： Because the ideal amino acid content and composition，nutritional value of milk protein is very high.In addition to a small part from the blood，most of the protein in milk are synthesized in the mammary epithelial cells using amino acid or small peptide from the blood.Content and composition of milk protein will affect the milk nutritional and physiological characteristics and dairy production. Better understand the regulation mechanism of milk protein synthesis could help us to raise the protein content in milk by nutrition strategies.Therefore，the regulation of milk protein synthesis in bovine mammary epithelial cells is reviewed.

Key words： milk protein； synthesis； regulation

乳蛋白的氨基酸（Amino acids，AA）含量和比例比較理想，是一種營養(yǎng)價值很高的蛋白質(zhì)。此外，某些乳蛋白成分還可以分解產(chǎn)生一些有特定生理功能的活性肽類物質(zhì)。乳蛋白是由乳腺組織的上皮細胞利用來自血液的游離AA或小肽從頭合成的?？傮w而言，乳腺合成蛋白質(zhì)的過程與其他組織相同，但乳腺上皮細胞合成的大部分蛋白質(zhì)最終要分泌出去。

乳腺組織具有很高的代謝活性，乳腺中的蛋白質(zhì)合成量占奶牛身體總蛋白質(zhì)合成量的43%[1]。乳蛋白含量及組成對其營養(yǎng)價值、生理特性及其制品的產(chǎn)量影響很大，因此受到廣大制造商和消費者的重視。乳蛋白含量的變化主要受營養(yǎng)水平（AA和能量）、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及乳腺中眾多參與蛋白質(zhì)代謝的調(diào)控因子的調(diào)控[2]。研究表明，蛋白質(zhì)翻譯調(diào)控對奶牛乳蛋白合成影響重大[3，4]。因此，只有更全面地了解乳蛋白合成的調(diào)控機制，才能更好地通過營養(yǎng)策略來提高乳蛋白產(chǎn)量。已有研究顯示，乳蛋白的合成調(diào)控很可能是通過調(diào)節(jié)其基因翻譯起始因子和延長因子實現(xiàn)的[4]。有試驗表明，泌乳奶牛乳腺中核糖體蛋白S6的生理活性高于非泌乳奶牛[3]，而翻譯起始因子eIF4E則同乳腺的發(fā)育和泌乳的起始有關[5]。盡管翻譯相關因子調(diào)控蛋白質(zhì)代謝的機理在很多組織中得到廣泛研究，然而這些翻譯因子在乳腺中的作用最近才引起關注。

1 內(nèi)分泌調(diào)控

同機體任何其他生理系統(tǒng)相比，內(nèi)分泌系統(tǒng)在調(diào)控乳腺發(fā)育、泌乳起始和維持泌乳過程中起主導作用[6]。

1.1 泌乳激素

泌乳相關激素（即：催乳素、氫化可的松和胰島素）對乳腺上皮細胞的功能分化及啟動和維持泌乳來說是必不可少的[7，8]。這三種泌乳激素聯(lián)合作用誘導乳蛋白的基因表達。催乳素在推動妊娠期乳腺分化和啟動產(chǎn)后乳腺泌乳方面發(fā)揮著主要作用[9]，并它能在轉(zhuǎn)錄水平促進乳蛋白的合成[10]。而氫化可的松和胰島素能增強催乳素對酪蛋白mRNAs累積的促進作用[11，12]。此外，Menzies等[13]證實，胰島素能促進乳腺氨基酸攝取、乳蛋白基因表達以及酪蛋白合成。研究證實，這些泌乳激素可能通過雷帕霉素靶蛋白（The mammalian target of rapamycin，mTOR）信號途徑調(diào)控乳蛋白合成。有報道稱，泌乳激素能增強AA對乳蛋白合成的促進作用[2]。泌乳激素對乳蛋白合成的促進作用伴隨著mTOR、核糖體S6激酶1 （Ribosomal S6 kinase 1，S6K1）以及起始因子eIF4E結(jié)合蛋白1（4E-BP1）的磷酸化。4E-BP1的磷酸化可以使其與eIF4E分離，進而有助于eIF4E結(jié)合eIF4G來形成復合物啟動翻譯起始[2]；而S6K1的磷酸化則能活化多種蛋白質(zhì)翻譯元件[14]。

1.2 生長激素

生長激素（Growth hormone，GH）對奶牛乳腺具有明確的催乳作用[15]。但是，GH調(diào)控奶牛乳腺中蛋白質(zhì)合成的分子機制仍不十分清楚。Hayashi等[4]試驗結(jié)果表明，GH能促進mTOR信號途徑中S6K1磷酸化，上調(diào)乳蛋白翻譯起始和延長，進而增加乳蛋白的合成[4]。而Sciascia等[16]研究則表明，GH通過胰島素樣生長因子1-胰島素樣生長因子1受體——絲裂原活化蛋白激酶（Insulin-like growth factor 1—insulin-like growth factor 1 receptor-mitogen-activated protein kinase，IGF1-IGF1R-MAPK）信號級聯(lián)調(diào)節(jié)eIF4E介導的核質(zhì)輸出和mRNA翻譯來增加乳蛋白含量。

2 營養(yǎng)元素

泌乳期奶牛乳腺營養(yǎng)代謝加劇，需要合成大量乳汁。乳蛋白合成需要消耗大量的AA和ATP，二者供應充足時才能保證奶牛泌乳的需要。

2.1 氨基酸

牛乳中絕大部分的蛋白質(zhì)都是由乳腺上皮細胞利用血液中的AA或小肽從頭合成的，可利用AA的數(shù)量和質(zhì)量直接影響乳蛋白的品質(zhì)。一般而言，提高乳腺必需AA的攝取能增加乳蛋白合成量[17]。 Raggio等[18]研究發(fā)現(xiàn)，給奶牛補充酪蛋白能提高奶牛乳蛋白濃度和產(chǎn)量。Burgos等[2]試驗結(jié)果也表明，提高培養(yǎng)液中AA濃度增加了乳蛋白的合成量。近年來，研究發(fā)現(xiàn)除作為蛋白質(zhì)合成的前體物質(zhì)之外，AA也可作為信號分子調(diào)控蛋白質(zhì)的合成[19]。AA可以通過調(diào)控翻譯起始因子和延長因子的功能，進而全面調(diào)控蛋白質(zhì)基因mRNA的翻譯[4]。AA的這一調(diào)控作用是通過傳統(tǒng)激素信號通路介導的信號傳導來實現(xiàn)。目前了解比較清楚的一個AA誘導的信號傳導途徑是mTOR信號通路[20]。AA通過活化mTOR來調(diào)控4E-BP1和S6K1等蛋白質(zhì)的磷酸化狀態(tài)，進而參與蛋白質(zhì)的合成調(diào)控。

盡管AA通過翻譯相關因子調(diào)控蛋白質(zhì)代謝的機理在很多組織中得到廣泛研究，然而其在乳腺中的這種作用最近才引起關注。Moshel等[21]利用體外培養(yǎng)的泌乳乳腺上皮細胞模型研究了AA對翻譯過程的調(diào)控作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AA經(jīng)由mTOR信號途徑調(diào)控mRNA翻譯，進而影響乳腺上皮細胞中乳蛋白的合成速率。Prizant等[22]研究了體外培養(yǎng)的泌乳鼠乳腺上皮細胞中必需AA通過mTOR通路在蛋白合成中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來自于AA的正負調(diào)控信號通過mTOR信號傳導通路結(jié)合胰島素調(diào)控來調(diào)節(jié)總蛋白和乳腺上皮細胞中特殊乳蛋白的合成速率。支鏈AA，尤其是異亮氨酸（Ile）和亮氨酸（Leu）通過該通路調(diào)控乳蛋白的合成[23，24]。研究發(fā)現(xiàn)，清除細胞外AA或Leu能抑制從mTOR到p70 S6激酶和4E-BP的信號傳導活性，AA尤其是Leu通過控制Rheb-GTP來調(diào)控mTOR[25，26]。Arriola等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Ile可作為信號因子正調(diào)控mTOR信號通路，進而增加乳蛋白的合成。Appuhamy等[27]在MAC-T細胞培養(yǎng)液中添加必需氨基酸（Essential amino acid，EAA），結(jié)果發(fā)現(xiàn)EAA通過增強mTOR和4EBP1磷酸化，降低eEF2磷酸化，提高了乳腺組織中酪蛋白合成率。有報道稱，泌乳相關激素能增強AA對乳蛋白合成的促進作用[2]。mTOR似乎是AA、胰島素等生長因子誘導產(chǎn)生的信號傳導的綜合位點，這兩種信號傳導結(jié)合才能最大地刺激蛋白質(zhì)合成[19]。

2.2 能量

泌乳期乳腺需要大量的能量供應來維持其旺盛的代謝活動。Hanigan等[28]估測，乳腺中所產(chǎn)生的ATP幾乎有一半用于蛋白質(zhì)的合成。一般來說，增加非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的攝取能提高奶產(chǎn)量、乳蛋白產(chǎn)量和氮利用效率[17，29]。體內(nèi)外試驗結(jié)果均顯示，除作為底物參與細胞內(nèi)乳蛋白的合成外，能量狀態(tài)也可直接通過信號傳導參與蛋白質(zhì)合成[30]。Appuhamy等[31]利用奶牛乳腺細胞體外培養(yǎng)模型研究發(fā)現(xiàn)，提高能量水平能增加S6K和mTOR的磷酸化。Rius等[32]證實，給奶牛灌注淀粉增加了S6K和mTOR的磷酸化，同時也提高了乳蛋白產(chǎn)量。

3 乳腺

乳腺自身有能力調(diào)控其營養(yǎng)攝取來維持乳汁的合成。這一調(diào)控作用主要是通過調(diào)節(jié)乳腺血流量及乳腺對動脈血中乳汁前體物的攝取量實現(xiàn)的[1，33]。此外，乳腺還具有細胞內(nèi)調(diào)控乳汁合成的能力，例如上皮細胞內(nèi)產(chǎn)生的泌乳反饋抑制蛋白能影響奶產(chǎn)量[34]。這種反饋抑制蛋白通過降低蛋白質(zhì)合成，或增加新合成酪蛋白的降解來調(diào)控乳蛋白的分泌[35]。

4 小結(jié)

綜上所述，奶牛乳腺細胞中乳蛋白的合成受內(nèi)分泌（催乳素、胰島素、氫化可的松、生長激素等）、營養(yǎng)元素（氨基酸和能量）以及乳腺本身等方面的調(diào)控。這些因素對乳蛋白的合成調(diào)控很可能是通過調(diào)節(jié)基因翻譯起始和延長因子實現(xiàn)的。但是，這些翻譯相關因子在乳腺蛋白質(zhì)合成過程中的作用機理研究并不透徹。因此，乳蛋白合成調(diào)控機理方面的研究將是今后奶牛泌乳生理研究的重點和熱點。

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