生物素對基因表達的調控作用及其機理

吳峰洋，楊冠宇，戴冉，陳賽娟，劉亞娟，谷子林，3*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學山區(qū)研究所，河北保定071001；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，河北保定071001）

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綜述

生物素對基因表達的調控作用及其機理

吳峰洋1，楊冠宇1，戴冉1，陳賽娟2，3，劉亞娟2，3，谷子林1，3*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學山區(qū)研究所，河北保定071001；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，河北保定071001）

本文綜述了生物素及其代謝產(chǎn)物對營養(yǎng)代謝相關基因和免疫活動相關基因表達的調控作用及其機理，為生物素的進一步研究提供參考。

生物素；營養(yǎng)；免疫；基因表達

生物素即維生素H，又稱維生素B7或輔酶R，是一種動物生長、發(fā)育所必需的低分子水溶性維生素，是多種羧化酶的輔酶和羧基團的載體，在三大營養(yǎng)物質代謝過程中發(fā)揮著重要作用。由于其在飼料原料中分布廣泛，又可由動物腸道內微生物合成，所以以前的研究觀點認為在畜禽生產(chǎn)中不需要再額外補充。但是隨著各種生物素缺乏癥的出現(xiàn)，對生物素的營養(yǎng)調控和免疫調控及其機理的研究重新得到了關注與重視。

1　生物素為誘導劑的基因表達調控系統(tǒng)

基因表達調控是指為保證基因表達過程中的穩(wěn)定性和有序性而進行的精密調控，是現(xiàn)階段分子生物學研究的重要領域，是基因工程組學的研究重點。對生物素對基因表達調控作用的深入研究，有助于加深對生物素功能作用本質的了解。目前，對基因表達的調控主要在以下三個水平進行：（1）轉錄水平；（2）mRNA加工、成熟水平；（3）翻譯水平。基因表達調控系統(tǒng)能夠對目的基因表達進行快速高效的調節(jié)，為外源基因的表達調控提供新的選擇。當前，基因表達調控系統(tǒng)已廣泛應用于基因功能研究、基因治療、生物制藥等基礎研究和應用研究當中。最初研發(fā)的適用于哺乳動物的基因表達調控系統(tǒng)以抗生素、激素或其衍生物以及免疫抑制劑等作誘導劑分子（葉玲玲等，2012）。由于這些誘導劑分子具有某些臨床副作用，使得在實際應用中受到諸多限制（Aarestrup，2005）。新一代的基因表達調控系統(tǒng)采用生物素、精氨酸等臨床上有惰性的誘導劑分子，一定程度上緩解了上述問題，推動了基因表達調控系統(tǒng)的實際應用（Polstein和Gerbach，2012）。

2　生物素對基因表達調控的作用機理

相關資料顯示，目前生物素主要通過以下三種途徑對基因表達進行調控：（1）轉錄因子NF-κB的細胞核移位，該途徑多發(fā)生在生物素缺乏條件下；（2）生物素與組蛋白結合使染色體重塑；（3）生物素腺苷酸使可溶性鳥苷酸環(huán)化酶活化（潘林和孫建義，2005）。三種作用途徑以何種方式發(fā)揮作用有待進一步研究，據(jù)推測可能以相互結合的方式在動物機體內實現(xiàn)生物素對基因表達的調控。

2.1轉錄因子NF-κB的移位在未受刺激的細胞中，多數(shù)NF-κB為異二聚體或同型二聚體，并與細胞質中的三種抑制因子（IκBa、IκBβ、IκBε）之一相結合，以無活性狀態(tài)存在。當機體生物素缺乏時或者在細胞因子、細菌、分裂素等刺激下使IκBs磷酸化和降解，NF-κB活化并進入細胞核內與DNA結合，啟動基因表達。Rodriguez等（2004）研究表明，生物素能影響NF-κB信號通路的傳導。潘林和孫建義（2005）對生物素缺乏的細胞進行Western雜交檢測和酶聯(lián)免疫法處理發(fā)現(xiàn)其中p50和p60的含量較高。

2.2組蛋白的生物素?；揎椊M蛋白是染色質的組成成分之一，在DNA折疊進入染色質過程中發(fā)揮著重要作用。目前，已發(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾方式有：磷酸化、泛素化、甲基化、乙?；龋锼仵；切掳l(fā)現(xiàn)的組蛋白翻譯后加工修飾方式，經(jīng)生物素?；揎椇蟮慕M蛋白具有多種生物學功能（王燕飛和鮑寶龍，2011）。據(jù)報道，生物素?；慕M蛋白與基因組穩(wěn)定的維持有關，在雞紅細胞染色質轉錄沉默部分發(fā)現(xiàn)了大量的生物素?；M蛋白（Peters等2002）。

2.3生物素腺苷酸活化鳥苷酸環(huán)化酶生物素腺苷酸是羧化酶合成的中間產(chǎn)物。Solorznao等（2002）報道生物素酰腺苷酸在基因表達調節(jié)中發(fā)揮著重要作用。生物素腺苷酸可以活化可溶性鳥苷酸環(huán)化酶，具體機制有待進一步研究?？扇苄曾B苷酸環(huán)化酶是由α亞基和β亞基構成的二聚體，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一的NO受體?？扇苄曾B苷酸環(huán)化酶可以觸發(fā)NO信號轉導通路，是NO-cGMP通路中不可或缺的酶（夏曉東，2003）。王紅梅等（2009）報道，B-AMP可以激活sGC，sGC可以激活cGMP、PKG，從而使蛋白磷酸化、活化，使羧化全酶合成酶、丙酰輔酶A羧化酶等酶的基因轉錄活性增強。

3　生物素對基因表達的調控

3.1生物素對營養(yǎng)代謝相關基因表達的調控

3.1.1生物素對葡萄糖代謝相關基因表達的調控生物素對機體中葡萄糖代謝的調控主要通過以下兩種方式：（1）影響丙酮酸羧化酶的活性。丙酮酸羧化酶是葡萄糖異生過程的限速酶，是生物素依賴性羧化酶之一，在糖異生過程中發(fā)揮著重要作用。適量添加生物素可提高丙酮酸羧化酶的活性，該途徑多發(fā)生在饑餓狀態(tài)下或血液中葡萄糖含量較低時（張旭暉和王恬，2010）。患有糖尿病的大鼠在生物素缺乏的狀態(tài)下肝臟內磷酸烯醇丙酮酸羧化酶含量比對照組減少15%（王鏡巖等，2010）。（2）影響葡萄糖激酶活性。機體內生物素的含量可以影響糖酵解過程中葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，葡萄糖激酶是糖酵解過程的關鍵酶，生物素缺乏會阻礙葡萄糖的酵解過程，降低葡萄糖的利用率。據(jù)報道，給生物素缺乏的大鼠補充生物素后發(fā)現(xiàn)其體內的葡萄糖激酶含量及其rRNA和mRNA合成率均有所提高（王紅梅等，2009）。Chauhan和Dakshinamurti（1991）研究表明，生物素對大鼠肝臟中葡萄糖激酶mRNA豐度的提高有促進作用。

3.1.2生物素對脂肪代謝相關基因表達的調控乙酰CoA羧化酶是一種以生物素為輔基的別構酶，其在丙二酰CoA的生成過程中發(fā)揮著重要作用。Ortega和Hernandez（2010）報道，生物素可以通過SREBP1c激活乙酰輔酶A羧化酶，從而加速脂肪的合成。乙酰輔酶A羧化酶催化乙酰CoA轉變成丙二酰CoA的過程是脂肪酸合成過程的限速步驟。乙酰輔酶A羧化酶可以通過負反饋調節(jié)使線粒體內脂酰肉堿轉移酶的活性降低，從而抑制脂肪的分解（朱勇文等，2011）。

3.1.3生物素對蛋白質代謝相關基因表達的調控生物素在蛋白質代謝過程中不可或缺，其在多種氨基酸轉移脫羧、蛋白質合成、嘌呤合成、亮氨酸和色氨酸分解以及氨基酸脫氫和氨基甲酰轉移過程中發(fā)揮著重要作用。據(jù)報道，當小鼠體內生物素含量較低時，其肝臟、腸黏膜、胰腺、皮膚等組織的氨基酸結合生成蛋白質的過程受到抑制，當通過注射方式補充生物素后，氨基酸的結合速度加快（Dakshinamurti和Litvak，1970）。Rodriguez等（2001）研究表明，生物素缺乏的大鼠體內，大腦、肝臟、腎臟和肌肉內的mRNA合成量降低，當補充生物素后mRNA合成量可在24h內恢復正常。鳥氨酸是一種堿性氨基酸，參與尿素循環(huán)，與尿素生成有關。據(jù)報道，生物素缺乏的大鼠肝臟內鳥氨酸轉甲氨酰酶活性減弱，其mRNA豐度有所降低（Prasad等，1998）。

3.2生物素的轉運機體對生物素的吸收是由特異性載體介導的主動吸收過程，該載體除生物素外還能轉運硫辛酸和泛酸，Prasad等（1998）將其命名為依賴Na+的多維生素轉運載體。王紅梅等（2009）報道SMVT的表達與生物素濃度呈負相關。Zempleni和Mock（1999）發(fā)現(xiàn)了一個Km值約為2.5 nmol/L的不同于SMVT的生物素轉運載體，未發(fā)現(xiàn)其對泛酸和硫辛酸有吸收能力。該運載體是否完全有別于SMVT、或是否是SMVT的轉錄產(chǎn)物尚需進一步研究。

3.3生物素對免疫活動相關基因表達的調控細胞因子是由巨噬細胞、NK細胞、T細胞、B細胞等免疫細胞或纖維母細胞等非免疫細胞分泌的低分子量蛋白質，因其具有多樣的生物活性，通過與相應受體結合可以對免疫細胞的增殖、成熟、活化等過程進行調節(jié)。據(jù)報道，提升肉雞的生物素水平可以提高IFN-γ的濃度或IFN-γ表達（Wiedmann等，2003）。陳宏等（2009）研究表明，為豬圓環(huán)病毒2型攻擊下的仔豬補充生物素，有提高其血清中IFN-γ濃度的趨勢，補充量不同，影響程度也不同，且補充量在0.3 mg/kg時提高幅度最大。提高動物外周血液中單核細胞中的生物素水平，發(fā)現(xiàn)該細胞的白介素-2和白介素-1分泌量降低（Zempleni，2001）。潘林和孫建義（2005）報道，在健康的體細胞中每日補充8.8 μmol生物素持續(xù)21 d后，IL-4基因的表達量降低而IL-1β和IFN-γ基因的表達量提升。其中IFN-γ可以誘導小膠質細胞和星形細胞產(chǎn)生iNOS，可能與神經(jīng)系統(tǒng)的保護與某些疾病發(fā)生有關。白介素1家族主要通過刺激炎癥相關基因的表達，誘導IFN-γ、磷脂酶A2等效應蛋白的表達參與炎癥過程與免疫調節(jié)。白細胞介素2家族可以發(fā)揮活化T細胞、誘導LAK細胞產(chǎn)生、刺激NK細胞增殖、激活巨噬細胞等作用。

3.4生物素代謝產(chǎn)物對基因表達的調控傳統(tǒng)的營養(yǎng)學研究認為，生物素的代謝產(chǎn)物大多數(shù)沒有使用價值。而最近的一些研究表明，生物素代謝產(chǎn)物可能具有與生物素相似的功能。如將Jurkat細胞在不添加生物素的介質中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)編碼IL-2基因和IL-2R γ基因的轉錄活性下降，而添加生物素類似物后其轉錄活性上升（潘林和孫建義，2005）。

4　小結

隨著分子生物學與儀器分析等技術的日新月異，生物素對基因表達的調控及其機理的相關研究已經(jīng)取得了一定的進展，如以生物素為誘導劑建立的基因表達調控系統(tǒng)、生物素對機體營養(yǎng)代謝及免疫活動過程中部分基因的調控作用及其調控途徑等，但仍有部分功能作用的作用方式及其機理尚不清楚，有待于進一步研究。

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This paper summarized regulating and controling function of biotin and its metabolites on the expression of nutrient metabolism and immune activity related gene.As well as clarify the regulation mechanism.Provide

for further study of biotin.

biotin；nutrition；immune；gene expression

S816.7

A

1004-3314（2016）01-0007-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160103

國家兔產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-44-B-3）；河北省自然科學基金項目（C2014204019）