牛肉黃脂遺傳研究進展

徐 磊，賈玉堂，趙拴平，李立冰，阮永民

（安徽省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，安徽 合肥 230031）

皮下脂肪對動物活體和胴體都很重要，其作用主要表現(xiàn)為能量儲存、保護組織和保持體溫，它對肉品質(zhì)等級也有重要的影響，是牛肉分級時的一個重要指標。在歐洲和亞洲的市場上，大多數(shù)消費者是不接受黃色的脂肪的牛肉的，作為消費者最直觀的印象之一，它也是能直接的影響消費者購買時的欲望。研究表明牛肉黃脂是脂肪組織中的β－胡蘿卜素所導致的［1，2］，類胡蘿卜素是在植物中發(fā)現(xiàn)的一組化學復合物，包括葉黃素、胡蘿卜素、番茄紅素，它們分別為黃色、橙色和紅色。在脂肪中占數(shù)量優(yōu)勢的是β－胡蘿卜素和葉黃素，胡蘿卜素有很多種不同的同質(zhì)異構(gòu)體，全反式β－胡蘿卜素是在飼料作物中最常見的異構(gòu)體，也是牛體內(nèi)循環(huán)中主要的類胡蘿卜素［8］。

近幾十年，對可能與牛肉脂肪顏色相關(guān)聯(lián)的候選基因和報道出的QTL進行的檢測，并沒有明確的QTL發(fā)現(xiàn)。由于β－胡蘿卜素是牛肉黃脂的主要貢獻者，為了查明牛肉脂肪顏色的遺傳機制，需要對β－胡蘿卜素的代謝進行生理和分子遺傳水平的研究，主要是圍繞在參與類胡蘿卜素代謝過程的各種酶的分子遺傳水平上的研究。本文論述了牛肉脂肪顏色的遺傳差異、β－胡蘿卜素對牛肉脂肪顏色的影響、黃脂形成的生理機理、β－胡蘿卜素的代謝過程、代謝過程相關(guān)酶的檢測、對酶的分子遺傳研究及基因克隆轉(zhuǎn)化等方面近年來的研究進展，以期為進一步深入開展肉牛脂肪顏色遺傳研究提供參考。

1 脂肪顏色對市場牛肉市場情況的影響

對于消費者而言，看到一塊牛高檔部位的分割肉，肉眼所見的最直觀印象就是大理石花紋、肉色和脂肪顏色這三個方面，這三個指標成為了各個國家牛肉分級的最重要組成部分。在歐洲、東北亞、美國市場，黃色脂肪通常被認為是脂肪組織的一種非正常的黃染現(xiàn)象，經(jīng)常會與黃疸病和黃脂病聯(lián)系到一起。作為一個重要的評價標準，脂肪的質(zhì)量可以顯著的影響胴體的得分，進而影響它的價格。1995年Hayes在澳大利亞曾報道過在出口的胴體中黃色脂肪會降低10%的等級，如果有50%的黃脂，每年會減少肉牛業(yè)920萬美元的收入；我國劉曉牧等在山東省部分屠宰企業(yè)的調(diào)查，每公斤高檔牛肉中，黃色脂肪的肉價格比白色脂肪低40元左右［3］。

2 影響脂肪顏色的遺傳因素

很多因素都會影響脂肪顏色，包括飼料、營養(yǎng)、環(huán)境、飼養(yǎng)管理、品種、性別、年齡，很多的研究已經(jīng)證明脂肪顏色受品種的影響，通常奶用牛品種的黃脂要比肉用牛多，Kruk等證明Jersey牛的皮下脂肪中類胡蘿卜素沉積的遺傳力，要高于Jersey牛與Limousin牛的雜交和純種的Limousin牛。對羊的研究也表明黃脂是受遺傳控制的性狀，計算出羊的黃脂的遺傳力為0.18［4］，Pitchford等［5］計算過牛脂肪顏色的遺傳力為0.33（SE0.06），這些遺傳力的評估證明了脂肪顏色可以通過選育來改變。

有研究證明，皮下脂肪的類胡蘿卜素濃度不但與脂肪顏色的主觀評分高度相關(guān)（r＝0.61），與脂肪顏色客觀的評分更加相關(guān)（r＝0.73）［6］。牛肉脂肪顏色與脂肪中β－胡蘿卜素的濃度直接相關(guān)，受遺傳因素的影響，不同品種的?；蛘咄贩N不同的個體的脂肪顏色和脂肪組織中類胡蘿卜素的濃度也有不同。Kruk認為在Jersey牛β－胡蘿卜素沉積引起黃脂的過程中有一個主效基因在起作用，但卻沒有找出這個主效基因。

3 脂肪顏色性狀的QTL定位

通過檢測影響脂肪顏色的染色體片段以進行QTL定位可以對這個復雜的性狀進行分析，但一直沒有牛肉脂肪顏色QTL的準確定位。Esmailizadeh對澳大利亞和新西蘭的Jersey－Limousin雜交牛做了一個全基因組掃描，對34個性狀進行QTL定位，包括脂肪顏色性狀。在他們的研究中，用區(qū)間定位的方法在11號染色體上找到了14個有可能的脂肪顏色性狀相關(guān)的QTL片段，但卻沒能證明檢測到的QTL的相關(guān)基因或者他們的等位基因的不同對脂肪顏色的不同有影響。

4 類胡蘿卜素和脂肪顏色

牛的黃脂中起主要作用的是類胡蘿卜素，為了確定脂肪顏色的遺傳規(guī)律，對類胡蘿卜素的代謝過程的研究就很重要。由于只有微生物和植物才能合成類胡蘿卜素，動物組織中的類胡蘿卜素完全來源于食物，脂肪組織中的β－胡蘿卜素沉積量是由其在食物中的含量和在脂肪組織中的轉(zhuǎn)化率決定的，不同的轉(zhuǎn)化步驟（包括瘤胃消化、腸吸收、從血液到組織的轉(zhuǎn)運、個體組織代謝）都能影響類胡蘿卜素在乳腺和脂肪組織中的沉積［7］。

飼料中添加維生素A可以降低血液中的類胡蘿卜素濃度，但并不能減少脂肪中的類胡蘿卜素及脂色［8－11］。在牛的體內(nèi)，大部分的β－胡蘿卜素是高密度脂蛋白（HDL）運送的，而且運送的類胡蘿卜素比例高達77%～83%［12］。Kruk等［13］的研究表明，不同品種的高密度脂蛋白（HDL）的大小有區(qū)別，Jersey牛的大顆粒高密度脂蛋白（HDL）比例高于Limousin牛，這或者是Jersey牛組織中的類胡蘿卜素情況與其他品種牛的差異的一個原因。Knight等［14］證明類胡蘿卜素一旦沉積在脂肪中就很難再清除，當牛飼料中類胡蘿卜素的水平較低時，脂肪中沉積的胡蘿卜素也沒有發(fā)生改變，而血液中的類胡蘿卜素濃度卻會下降到很低的水平。Pitchford等［15］的研究表明經(jīng)過一個短期的谷物飼料的飼養(yǎng)，脂肪顏色黃度下降了83%，這是由于脂肪的快速堆積，脂肪組織中的β－胡蘿卜素被稀釋所引起的，而不是已經(jīng)沉積的β－胡蘿卜素發(fā)生降解所致。

這些過程都可以控制類胡蘿卜素從食物到脂肪組織的沉積，由于牛肉脂肪顏色的主效基因還沒有找到，對類胡蘿卜素代謝中涉及的酶的基因的研究是對牛肉脂肪顏色的遺傳研究有效途徑。

5 β－胡蘿卜素分解酶

哺乳動物都不能夠合成維生素A，它來自于食物中的維生素A原類胡蘿卜素［16］。在動物中，β－胡蘿卜素氧化合成為維生素A有兩種方式：對稱裂解和非對稱裂解。對稱裂解是其主要的裂解方法，這種裂解中，β，β－胡蘿卜素15，15＇－加氧酶（BCMO1）對稱的裂解β－胡蘿卜素上的15，15＇－雙鍵生成維生素A和維甲酸［17，18］。在果蠅中，β－胡蘿卜素的對稱裂解是唯一的裂解方法，也是在這個途徑中發(fā)現(xiàn)了BCMO1酶［19］。在脊椎動物中維生素A衍生物的生物合成中，β－胡蘿卜素的對稱與不對稱分解是一個長期爭論的話題。在通過分子克隆對老鼠BCO2基因特征的研究中，發(fā)現(xiàn)了β－胡蘿卜素的不對稱氧化裂解方式［20］，β，β－胡蘿卜素9＇，10＇－雙加氧脫氫酶（BCO2）特異性的裂解β－胡蘿卜素的9＇10＇－雙鍵，產(chǎn)生β－紫羅酮和兩分子的β－阿樸胡蘿卜素醛。除了裂解β－胡蘿卜素的9＇10＇－雙鍵外，另外，對β－胡蘿卜素的其他部位進行裂解的異常的酶催化分解途徑也有過報道［21］，但是卻沒有在這些異常的裂解反應中發(fā)現(xiàn)其他的酶。

6 BCMO1基因研究

通過在大腸桿菌中表達黑腹果蠅的BCMO1基因的克隆，鑒定出BCMO1酶是一個親水的、非膜結(jié)合的蛋白［22］，Lindqvist等［23］確定了人的BCMO1酶的胞質(zhì)定位，由于BCMO1是一個細胞質(zhì)酶，它需要特殊的結(jié)合蛋白來轉(zhuǎn)運β－胡蘿卜素和產(chǎn)物類維生素A，這些都是親脂性的復合物，但是細胞中的類維生素A結(jié)合蛋白與鼠的BCMO1酶在體外卻不能發(fā)生反應［24］。因此，BCMO1酶是否與類維生素A的代謝過程中涉及的某一特定的蛋白發(fā)生反應還有待進一步的研究證明［25］。

與維生素A不同，對人體進行大劑量的β－胡蘿卜素補充也不會產(chǎn)生維生素A過多癥，顯示出β－胡蘿卜素裂解為維生素A受到BCMO1酶的調(diào)控［26］。在大鼠和雞體內(nèi)，維生素A酸可以強烈的抑制腸壁中BCMO1基因mRNA的表達，可以使BCMO1酶的活性下降90%。這種BCMO1基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控可以用鼠BCMO1基因啟動子的維生素A酸反應原的特異性識別來解釋［27］。腸組織可以通過抑制SCARB1基因和BCMO1基因的表達來控制維生素A的產(chǎn)生，就能控制對脂類的吸收和類維生素A等的合成［28］。

7 BCO2基因研究

BCO2酶除了對稱裂解外，還能催化β，β－胡蘿卜素的9＇，10＇雙鍵的裂解，BCO2基因的mRNA表達在雞的肝臟和皮膚中很強烈［29］，通過 RT－PCR分析，發(fā)現(xiàn)在鼠的腸、肝、腎和睪丸組織中的表達水平高度穩(wěn)定，脾、腦、心臟和肺組織表達水平很低［30］，VonLintig等［31］在人體的骨骼肌中也發(fā)現(xiàn)了BCO2基因的mRNA。在敲除了BCMO1基因的小鼠體內(nèi)，內(nèi)臟脂肪中BCO2的mRNA表達水平卻沒有變化，Hessel等［32］在已經(jīng)檢測過沒有BCMO1酶活力的情況下，維生素A缺乏不會影響B(tài)CO2酶在人體的不同的組織和細胞中的表達［33］。

BCO2基因的表達與β－胡蘿卜素的沉積有高度的相關(guān)，表明BCO2基因?qū)Ζ拢}卜素的降解作用，與β－胡蘿卜素的沉積存在關(guān)系［34，35］。這些結(jié)果表明調(diào)控維生素A和乳酸合成通路的基因的表達水平對β－胡蘿卜素在皮下脂肪組織中的沉積有重要的影響作用，它們也就能影響牛肉的脂肪顏色。

8 總結(jié)

總的來說，育肥過程中脂肪組織的沉積和日糧中類胡蘿卜素的含量都是影響黃脂的重要因素，在脊椎動物中，β－胡蘿卜素來源于食物并且用作為一種主要的維生素A的前體。從食物中釋放后，β－胡蘿卜素經(jīng)過瘤胃被小腸所吸收，剩下的結(jié)合到血清中的乳糜微粒上被轉(zhuǎn)運到肝臟、脂肪和肌肉組織中。β－胡蘿卜素的消化和吸收是一個復雜的過程，有一系列的酶和蛋白參與其中。在β－胡蘿卜素的代謝中，兩種加氧酶（BCMO1和BCO2）完成最初的裂解生成類維生素A等。類維生素A可以降低BCMO1酶和其他涉及催化阿樸胡蘿卜素醛化學代謝的酶。由于β－胡蘿卜素是牛脂肪組織中沉積的主要的帶色物質(zhì)，所有涉及β－胡蘿卜素轉(zhuǎn)運和代謝的蛋白和酶都可能是控制牛肉脂肪顏色的候選基因。

通過檢驗這些候選基因，對牛肉脂肪顏色性狀的QTL進行定位，檢驗它們對脂肪顏色的影響，可以發(fā)現(xiàn)影響脂肪顏色的生物通路，假設(shè)如果候選基因參與從β－胡蘿卜素到維生素A的代謝，類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)運和脂肪的沉積就會影響牛的脂肪顏色。因此，對這些通路中的候選基因的多態(tài)性檢測，并與脂肪顏色進行相關(guān)分析，是當前可以進行的有關(guān)牛肉黃脂肪的遺傳研究的有效手段。

［1］ Palmer L S，Eckles C H.Carotin－The principal natural yellow pigment of milk fat：Its relations to plant carotin and the carotin of the body fat，corpus luteum and blood serum.II.The pigments of the body fat corpus luteum and skin secretions of the cow［J］.Journal of Biological Chemistry，1914，2（17）：211－221.

［2］ Morgan G H L，＆ Everitt G C.Yellow fat colour in cattle［J］.New Zealand Agricultural Science，1969，1（4）：10－18.

［3］ 劉曉牧，吳乃科，宋恩亮，等.牛肉黃脂研究進展［J］.中國牛業(yè)科學，2006，32（2）：31－33.

［4］ Kirton A H，Crane B，Paterson D J，et al.Yellow fat in lambs caused by carotenoid pigmentation［J］.New Zealand Journal of Agricultural Research，1975，8（18）：856－866.

［5］ Pitchford W S，Deland M P B，Siebert B D，et al.Genetic variation in fatness and fatty acid composition of crossbred cattle［J］.Journal of Animal Science，2002，11（80）：2825－2832.

［6］ Strachan D B，Yang A，＆ Dillon R D.Effect of grain feeding on fat color and other carcass characteristics in previously grassfed bos－indicus steers［J］.Australian Journal of Experimental Agriculture，1993，3（33）：269－273.

［7］ Parker R S.Absorption，metabolism，and transport of carotenoids［D］.FASEB J，1996，542－551.

［8］ Kalac P，＆ McDonald P.A review of the changes in carotenes during ensiling of forages［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，1981，8（32）：767－772.

［9］ Knight T W，＆ Death A F.Effect of dose and frequency of vitamin A supplements，and carryover effects on plasma arotenoid concentration in steers［J］.New Zealand Journal of AgriculturalResearch，1999，4（42）：385－391.

［10］ French P，Stanton C，Lawless F，et al.Fatty acid composition，including conjugated linoleic acid，of intramuscular fat from steers offered grazed grass，grass silage，or concentrate－based diets［J］.Journal of Animal Science，2000，11（78）：2849－2855.

［11］ McDowell L R.Vitamins in Animal and Human Nutrition［J］.Wiley－Blackwell.2000，301－305.

［12］ Yang A，Larsen T W，＆ Tume R K.Carotenoid and retinol concentrations in serum，adipose tissue and liver and carotenoid transport in sheep，goats and cattle［J］.Australian Journal of Agricultural Research，1992，8（43）：1809－1817.

［13］ Kruk Z A.Genetic and non genetic factors affecting carotenoid concentration in cattle tissues［D］.Adelaide：University of Adelaide，2001，204－210.

［14］ Knight T W，Death A F，Lambert M G，et al.The rate of reduction in carotenoid concentration in fat of steers fed a low carotenoid ration，and the role of increasing carcass fatness.Australian Journal of Agricultural Research，2001，10（52）：1023－1032.

［15］ Pitchford W S，Deland M P B，Siebert B D，et al.Genetic variation in fatness and fatty acid composition of crossbred cattle［J］.Journal of Animal Science，2002，11（80）：2825－2832.

［16］ Yeum K J，＆ Russell R M.Carotenoid bioavailability and bioconversion［J］.Annual Review of Nutrition，2002，4（22）：483－504.

［17］ Wyss A，Wirtz G，Woggon W D，et al.Cloning and expression of beta，beta－carotene 15，15＇－dioxygenase［J］.Biochemical and Biophysical Research Communications，2000，2（271）：334－336.

［18］ Redmond T M，Gentleman S，Duncan T，et al.Identification，expression，and substrate specificity of a mammalian beta－carotene 15，15＇－dioxygenase［J］.Journal of Biological Chemistry，2001，9（276）：6560－6565.

［19］ Von Lintig，J.Colors with Functions：Elucidating the Biochemical and Molecular Basis of Carotenoid Metabolism［J］.Annual Review of Nutrition，2010，21（30）：35－56.

［20］ Kiefer C，Hessel S，Lampert J M，et al.Identification and characterization of a mammalian enzyme catalyzing the asymmetric oxidative cleavage of provitamin A［J］.Journal of Biological Chemistry，2001，17（276）：14110－14116.

［21］ Hebuterne X，Wang X D，Smith D E H，et al.In vivo biosynthesis of retinoic acid from beta－carotene involves an excentric cleavage pathway in ferret intestine［J］.Journal of Lipid Research，1996，3（37）：482－492.

［22］ Von Lintig，J ＆ Vogt K.Filling the gap in vitamin A research－Molecular identification of an enzyme cleaving beta－carotene to retinal［J］.Journal of Biological Chemistry，2000，16（275）：11915－11920.

［23］ Lindqvist A，＆ Andersson S.Biochemical properties of purified recombinant human betacarotene 15，15＇－monooxygenase［J］.Journal of Biological Chemistry，2002，26（277）：23942－23948.

［24］ Paik J，During A，Harrison E H，et al.Expression and characterization of a murine enzyme able to cleave beta－carotene－The formation of retinoids［J］.Journal of Biological Chemistry，2001，34（276）：32160－32168.

［25］ Von Lintig J，Hessel S，Isken A，et al.Towards a better understanding of carotenoid metabolism in animals［J］.Biochimi－ca Et Biophysica Acta－Molecular Basis of Disease，2005，2（1740）：122－131.

［26］ Boulanger A，McLemore P，Copeland N G，et al.Identification of beta－carotene 15，15＇－monooxygenase as a peroxisome proliferator－activated receptor target gene［J］.Faseb Journal，2003，10（17）：U212－U240.

［27］ Bachmann H，Desbarats A，Pattison P，et al.Feedback regulation of beta，beta－carotene 15，15＇－monooxygenase by retinoic acid in rats and chickens［J］.Journal of Nutrition，2002，12（132）：3616－3622.

［28］ Seino Y，Miki T，Kiyonari H，et al.Isx participates in the maintenance of vitamin A metabolism by regulation of beta－carotene 15，15＇－Monooxygenase（Bcmo1）expression［J］.Journal of Biological Chemistry，2008，8（283）：4905－4911.

［29］ Eriksson J，Larson G，Gunnarsson U，et al.Identification of the Yellow skin gene reveals a hybrid origin of the domestic chicken［J］.Plos Genetics，2008，2（4）：e1000010.

［30］ Kiefer C，Hessel S，Lampert J M，et al.Identification and characterization of a mammalian enzyme catalyzing the asymmetric oxidative cleavage of provitamin A［J］.Journal of Biological Chemistry，2001，17（276）：14110－14116.

［31］ Von Lintig J，＆ Vogt K.Vitamin A formation in animals：Molecular identification and functional characterization of carotene cleaving enzymes［J］.Journal of Nutrition，2004，1（134）：251S－256S.

［32］ Hessel S，Eichinger A，Isken A，et al.BCMO1deficiency abolishes vitamin A production from beta－carotene and alters lipid metabolism in mice［J］.Journal of Biological Chemistry，2007，（282）.

［33］ Lindqvist A，He Y G，＆ Andersson S.Cell type－specific expression of beta－carotene 9＇，10＇－monooxygenase in human tissues［J］.Journal of Histochemistry ＆ Cytochemistry，2005，11（53）：1403－1412.

［34］ Tian R，Pitchford W S，Morris C A，et al.Genetic variation in the beta，beta－carotene－9′，10′－dioxygenase gene and association with fat colour in bovine adipose tissue and milk［J］.Anim.Genet，2010，3（41）：253－259.

［35］ Georg Lietz，Anthony Oxley，Christine Boesch－Saadatmandi，et al.Importance of beta，beta－carotene 15，150－monooxygenase1（BCMO1）and beta，beta－carotene 9＇，10＇－dioxygenase 2（BCDO2）in nutrition and health［J］.Food Res，2012，2（56）：241－250.