短鏈脂肪酸調(diào)控奶牛乳腺乳脂合成作用機(jī)制的研究進(jìn)展

陳美慶 張養(yǎng)東 鄭 楠 王加啟

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193)

乳脂是牛奶中重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)于牛奶消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)和健康有著積極影響[1]。此外，乳脂是牛奶主要的能量物質(zhì)，與牛奶生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)利益密切相關(guān)。因此，深入了解乳腺中乳脂合成的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)于改善泌乳期間反芻動(dòng)物的能量平衡和提高牛奶對(duì)消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值至關(guān)重要。短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)是碳原子數(shù)不大于6的飽和脂肪酸，因其具有揮發(fā)性，常常被稱為揮發(fā)性脂肪酸[2]。奶牛體內(nèi)的絕大部分SCFA經(jīng)瘤胃發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生，少部分由腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生，多以離子的形式存在，由瘤胃上皮或腸道上皮吸收進(jìn)入不同組織，參與能量代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝等機(jī)體內(nèi)多項(xiàng)生理活動(dòng)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，乙酸、丙酸和丁酸是奶牛瘤胃發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物，能夠滿足反芻動(dòng)物60%～80%的能量需求[4]。其中，丙酸是葡萄糖的主要前體物質(zhì)，以葡萄糖的形式參與機(jī)體能量代謝，而乙酸和丁酸一方面作為乳腺內(nèi)脂肪酸從頭合成的前體物，另一方面作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)乳腺內(nèi)脂肪酸代謝，影響奶牛乳脂的組成和含量[5]。本文就SCFA對(duì)乳脂合成的影響及其調(diào)控乳腺乳脂合成的分子機(jī)制2方面，綜述了SCFA調(diào)控奶牛乳腺乳脂合成的作用機(jī)制，為奶牛乳脂合成機(jī)制的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 SCFA對(duì)奶牛乳脂合成的影響

Urrutia等[6]在奶牛飼糧中添加乙酸鹽和丁酸鹽發(fā)現(xiàn)，添加2.9%乙酸鹽顯著提高了奶牛乳脂率和乳脂產(chǎn)量，分別提高了0.2%和90 g/d，而在飼糧中添加等碳當(dāng)量的丁酸鹽對(duì)乳脂率和乳脂產(chǎn)量無顯著影響。Matamoros等[7]在奶牛飼糧中添加3.25%乙酸鹽顯著提高了奶牛乳脂產(chǎn)量，這可能是因?yàn)轱暭Z中添加乙酸鹽增加了乳腺的乙酸鹽供應(yīng)，從而刺激脂肪酸從頭合成的產(chǎn)生來增加乳脂產(chǎn)量。Izumi等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛飼糧中添加1.1%的丁酸能增加乳脂產(chǎn)量，在一定程度上緩解高精料飼糧引起的奶牛乳脂抑制。Seymour等[9]通過綜述奶牛瘤胃SCFA含量與乳成分的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)瘤胃內(nèi)丁酸含量與產(chǎn)奶量呈正相關(guān)，瘤胃內(nèi)乙酸/丙酸與乳脂產(chǎn)量呈正相關(guān)。研究學(xué)者們?cè)诤伤固鼓膛５牧鑫腹嘧CFA試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，灌注乙酸鹽和丁酸鹽能顯著提高奶牛的乳脂率、乳脂產(chǎn)量和乳中從頭合成脂肪酸(<16碳和16碳)含量，其中棕櫚酸的含量和產(chǎn)量增加較多，且乙酸鹽灌注量與乳脂合成之間存在明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系，奶牛乳脂率和乳脂產(chǎn)量隨乙酸鹽的線性供應(yīng)分別呈現(xiàn)線性和二次曲線增加；此外，還發(fā)現(xiàn)灌注乙酸鹽能顯著增加瘤胃中乙酸和血漿中β-羥基丁酸(β-hydroxybutyrate，BHB)的含量，對(duì)瘤胃中丁酸的含量無顯著影響，灌注丁酸鹽能顯著增加瘤胃中丁酸和血漿中BHB的含量，這表明增加泌乳奶牛的瘤胃乙酸鹽和丁酸鹽的供應(yīng)可能通過增加乙酸和BHB的含量，為脂肪酸從頭合成提供更多底物進(jìn)而提高乳脂產(chǎn)量[10-12]。灌注丙酸對(duì)奶牛的乳脂含量和產(chǎn)量無顯著影響[13]。向荷斯坦奶牛的真胃輸注乙酸增加了乳脂產(chǎn)量，這表明乳腺吸收的更多的乙酸鹽被用于乳脂合成[14]。

綜上所述，乙酸、丁酸以及BHB能增加奶牛乳脂率和乳脂產(chǎn)量，而丙酸對(duì)乳脂合成無促進(jìn)作用。然而，不同SCFA對(duì)奶牛乳脂產(chǎn)量和含量的影響程度不同，這可能與具體SCFA在乳腺乳脂合成過程中所發(fā)揮的作用相關(guān)。

2 SCFA影響奶牛乳腺乳脂合成的作用機(jī)制

2.1 作為乳脂合成前體物參與乳腺內(nèi)脂肪酸合成

乳脂主要由約95%的甘油三酯(TG)、約2%的甘油二酯、約1%的單酰甘油、約1%的磷脂、少于0.5%的膽固醇、少于0.5%的游離脂肪酸組成[15-16]。反芻動(dòng)物合成乳脂所利用的脂肪酸來源于乳腺上皮細(xì)胞的從頭合成和外源攝取2個(gè)部分。中短鏈脂肪酸(<16碳)和約50%的16碳脂肪酸約占合成乳脂所利用的脂肪酸的1/2，這部分脂肪酸由乳腺上皮細(xì)胞利用乙酸和BHB從頭合成，乳脂中16碳以上長(zhǎng)鏈脂肪酸和約50%的16碳脂肪酸經(jīng)乳腺上皮細(xì)胞直接從血液中吸收得到[17-18]。因此，乙酸和BHB是反芻動(dòng)物乳腺上皮細(xì)胞從頭合成脂肪酸的前體物質(zhì)，在乳脂合成中起到十分重要的作用[19]。

乙酸是乳中脂肪酸從頭合成的主要碳源，主要通過瘤胃發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生，BHB主要通過瘤胃上皮細(xì)胞吸收瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物丁酸產(chǎn)生[20]。這些SCFA被瘤胃上皮細(xì)胞或腸上皮細(xì)胞吸收進(jìn)入血液，經(jīng)血液循環(huán)后，通過擴(kuò)散作用穿過毛細(xì)血管內(nèi)皮和間質(zhì)空隙進(jìn)入乳腺上皮細(xì)胞利用。奶牛體內(nèi)的同位素標(biāo)記試驗(yàn)表明，丁酸提供了從頭合成脂肪酸中前4個(gè)碳約50%的碳源，而乙酸提供了其余所需的絕大多數(shù)碳源[21]。奶牛乳腺上皮細(xì)胞內(nèi)脂肪酸從頭合成，涉及脂肪酸的活化、碳鏈延長(zhǎng)、去飽和等過程，此過程需要多種酶的參與[22-24]。乙酸和BHB在乳腺上皮細(xì)胞中輔酶A短鏈家族成員(acetyl coenzyme A synthetase，ACSS)的催化下，激活形成乙酰輔酶A和β-羥基丁酰輔酶A[25]。2分子乙酰輔酶A在乙酰輔酶A羧化酶(acetyl coenzyme A carboxylase，ACACA)催化下羧合形成丙二酰輔酶A，在脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase，F(xiàn)AS)的進(jìn)一步催化下與乙酰輔酶A(或少量β-羥基丁酰輔酶A)依次結(jié)合，逐漸連接成4～16碳等不同碳鏈長(zhǎng)度的飽和脂肪酸，以合成16碳飽和脂肪酸為主[26-29]。乳腺從頭合成形成的14～16碳飽和脂肪酸在硬脂酰輔酶A去飽和酶(stearoyl coenzyme A desaturase，SCD)的催化下，Δ9位置形成順式雙鍵，轉(zhuǎn)變?yōu)閱尾伙柡椭舅醄30-31]。

2.2 作為信號(hào)分子調(diào)控乳腺脂質(zhì)合成

乙酸、丁酸以及BHB通過影響脂質(zhì)合成相關(guān)信號(hào)通路、調(diào)控與乳脂合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和酶的基因表達(dá)，調(diào)控乳腺脂質(zhì)合成。

2.2.1 調(diào)控乳脂合成關(guān)鍵酶的活性

ACACA催化乙酰輔酶A生成丙二酰輔酶A，是脂肪酸從頭合成的限速酶，F(xiàn)AS催化丙二酰輔酶A和乙酰輔酶A合成4～16碳等不同碳鏈長(zhǎng)度的飽和脂肪酸，在乳腺細(xì)胞從頭合成上起著重要作用，SCD1是單不飽和脂肪酸合成的限速酶。在乳脂合成過程中，ACACA、FAS、SCD1是乳脂合成的限速酶，其活性大小反映了乳腺乳脂合成作用的程度，關(guān)鍵酶的mRNA表達(dá)水平可反映相應(yīng)的酶活性。因此，通過提高乳脂合成關(guān)鍵酶的mRNA表達(dá)水平可以促進(jìn)乳脂合成[32]。

研究表明，乙酸能顯著提高奶牛乳腺上皮細(xì)胞(bovine mammary epithelial cells，BMECs)內(nèi)TG的含量，上調(diào)FAS和ACACA的mRNA表達(dá)水平[33]，顯著提高奶牛永生乳腺上皮細(xì)胞(bovine mammary cell line，MAC-T)內(nèi)TG的含量，上調(diào)ACACA和SCD1的mRNA表達(dá)水平[34]。研究表明，乙酸能通過上調(diào)過氧化物酶增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor，PPARγ)和固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1，SREBP1)的mRNA表達(dá)水平，增加脂肪酸合成相關(guān)酶ACACA、FAS和SCD1的mRNA和蛋白表達(dá)水平，增加脂肪酸的從頭合成和去飽和，從而促進(jìn)乳脂合成[35-36]。Cheng等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在BMECs中丁酸鈉提高了FAS和ACACA的mRNA表達(dá)水平，促進(jìn)乳脂合成。Zhang等[38]研究發(fā)現(xiàn)，BHB能顯著增加FAS和ACACA的mRNA和蛋白表達(dá)水平，從而促進(jìn)乳脂合成。Ali等[39]在BMECs中添加不同濃度的單獨(dú)及組合的乙酸鹽和BHB，發(fā)現(xiàn)乙酸鹽和BHB以劑量依賴性方式增加乳腺細(xì)胞內(nèi)TG含量和脂滴形成，且乙酸鹽和BHB及其聯(lián)合作用使ACACA、FAS和SCD1的mRNA表達(dá)水平和SREBP1的蛋白表達(dá)水平與TG含量和脂滴形成的變化一致，進(jìn)一步說明乙酸鹽和BHB可能通過激活BMECs中的SREBP1信號(hào)通路作用于其調(diào)節(jié)乳脂合成的靶向基因。不同的是，Jacobs等[34]在MAC-T中分別添加乙酸鹽和BHB，發(fā)現(xiàn)乙酸鹽能促進(jìn)ACACA和SCD1的mRNA表達(dá)水平，但不影響SREBP1的mRNA表達(dá)水平，而BHB對(duì)ACACA和SCD1的mRNA表達(dá)水平無顯著影響。

2.2.2 調(diào)控乳脂合成相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)

SREBP1是堿性螺旋環(huán)亮氨酸拉鏈家族的一員，是脂肪合成的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子[40]。PPARγ屬于核受體超家族成員，可作為細(xì)胞內(nèi)脂肪酸的生物傳感器，改變脂質(zhì)代謝[41]。PPARγ和SREBP1是調(diào)控乳脂合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，可通過調(diào)控其下游的靶基因ACACA、FAS和SCD1等參與脂肪酸從頭合成、脂肪酸去飽和等過程，進(jìn)而調(diào)控乳脂代謝[25, 35, 40]。

Liu等[35]通過PPARγ基因沉默技術(shù)改變BMECs中PPARγ的表達(dá)，并同時(shí)用12 mmol/L乙酸鈉處理BMECs后發(fā)現(xiàn)，對(duì)BMECs中的PPARγ進(jìn)行基因沉默顯著減低了SREBP1、ACACA、FAS和SCD的mRNA和蛋白表達(dá)水平，顯著降低了細(xì)胞活力與細(xì)胞增殖，顯著降低了BMECs培養(yǎng)液中TG的含量；而添加乙酸鈉顯著提高了PPARγ基因沉默的BMECs中PPARγ和SREBP1的蛋白表達(dá)水平以及PPARγ、SREBP1、ACACA、FAS和SCD的mRNA表達(dá)水平，顯著增加了BMECs培養(yǎng)液中TG的含量，因此，乙酸可通過PPARγ在乳腺細(xì)胞生長(zhǎng)、脂肪酸從頭合成、脂肪酸去飽和、TG合成等過程發(fā)揮重要作用。Zhang等[38]通過SREBP1基因沉默技術(shù)改變BMECs中SREBP1的表達(dá)，并同時(shí)用BHB處理BMECs后發(fā)現(xiàn)，對(duì)BMECs中的SREBP1進(jìn)行基因沉默顯著減低了SREBP1、ACACA和FAS的mRNA和蛋白表達(dá)水平，顯著降低了BMECs培養(yǎng)液中TG的含量；而添加BHB顯著增加了SREBP1基因沉默的BMECs中SREBP1的核易位，顯著提高了SREBP1的蛋白表達(dá)水平以及ACACA和FAS的mRNA表達(dá)水平，顯著增加了BMECs培養(yǎng)液中TG的含量，因此，BHB可通過SREBP1在乳腺細(xì)胞生長(zhǎng)、脂肪酸從頭合成、脂肪酸去飽和、TG合成等過程發(fā)揮重要作用。Ali等[39]在BMECs中添加不同濃度的單獨(dú)及組合的乙酸鹽和BHB，發(fā)現(xiàn)乙酸鹽和BHB以劑量依賴性方式增加乳腺細(xì)胞內(nèi)TG含量和脂滴形成，且乙酸鹽和BHB及其聯(lián)合作用使ACACA、FAS和SCD1的mRNA表達(dá)水平和SREBP1的蛋白表達(dá)水平與TG含量和脂滴形成的變化一致，進(jìn)一步說明乙酸鹽和BHB可能通過激活BMECs中的SREBP1信號(hào)通路作用于其調(diào)節(jié)乳脂合成的靶向基因。

2.2.3 調(diào)控乳脂合成信號(hào)通路

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)作為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在翻譯水平上通過影響mRNA與真核細(xì)胞翻譯起始因子4E(eIF4E)的結(jié)合以及真核細(xì)胞翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1(4EBP1)、核糖體S6激酶(S6K)的磷酸化，調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、蛋白質(zhì)合成和脂質(zhì)代謝[42-44]。其中，SREBP1和PPARγ等脂質(zhì)合成基因表達(dá)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)乳脂合成的mTOR信號(hào)通路中起重要作用[42, 45-46]。激活mTOR信號(hào)通路能通過eIF4E、4EBP1和S6K等主要下游效應(yīng)因子，上調(diào)SREBP1和PPARγ等轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的表達(dá)，促進(jìn)乳脂合成[47]。Zhao等[36]研究發(fā)現(xiàn)，乙酸能通過mTOR/eIF4E信號(hào)通路，上調(diào)SREBP1的表達(dá)，增加ACACA、FAS和SCD1的mRNA和蛋白表達(dá)水平，以劑量依賴的方式促進(jìn)BMECs中的乳脂合成，其中4～6 mmol/L乙酸鹽的BMECs中mTOR的mRNA表達(dá)水平增加了20%～68%，10～12 mmol/L乙酸鹽的BMECs中mTOR的mRNA表達(dá)水平減少了7%～14%。

腺苷酸蛋白激酶(activated protein kinase-activated protein kinase，AMPK)是一種細(xì)胞能量傳感器，在乳腺營(yíng)養(yǎng)代謝和乳成分合成等方面具有重要作用[48-49]。激活的AMPK會(huì)抑制MAC-T中乳脂合成[50]。G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors，GPCR)作為SCFA的受體，接受SCFA的刺激，將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，以調(diào)控機(jī)體代謝。G蛋白偶聯(lián)受體41(GPR41)、G蛋白偶聯(lián)受體43(GPR43)和G蛋白偶聯(lián)受體109A(GPR109A)是目前研究的SCFA的主要受體形式，在不同細(xì)胞中介導(dǎo)SCFA的受體各不相同，在BMECs中主要通過GPR41介導(dǎo)SCFA信號(hào)[51]。研究發(fā)現(xiàn)，乙酸和丁酸通過激活GPR41促進(jìn)BMECs中AMPK的磷酸化，抑制乳腺內(nèi)的乳脂合成[37, 49]。mTOR和NAD依賴性脫乙酰酶(SIRT1)作為調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵因子，位于AMPK下游，受AMPK調(diào)節(jié)影響乳脂合成[52-53]。Cheng等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在BMECs中丁酸鈉通過激活GPR41及其下游信號(hào)通路，增加SREBP1的核轉(zhuǎn)位和乙?；?，提高FAS和ACC的mRNA表達(dá)水平，促進(jìn)乳脂合成。丁酸鈉調(diào)控BMECs乳脂合成通過以下2條信號(hào)通路，一是GPR41/AMPK/mTOR/S6K/SREBP1信號(hào)通路，即丁酸鈉通過激活GPR41抑制磷酸化腺苷酸蛋白激酶(p-AMPK)和SIRT1蛋白表達(dá)，促進(jìn)成熟SREBP1的乙?；欢荊PR41/AMPK/SIRT1/SREBP1信號(hào)通路，即通過激活GPR41抑制p-AMPK蛋白表達(dá)，上調(diào)磷酸化哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(p-mTOR)/磷酸化核糖體S6激酶(p-S6K)和成熟SREBP1蛋白表達(dá)，提高FAS和ACC的mRNA表達(dá)水平，促進(jìn)乳脂合成。本文歸納了SCFA參與乳腺脂肪酸代謝的相關(guān)途徑見圖1。

綜上所述，SCFA可能通過激活GPCR來調(diào)節(jié)BMECs中AMPK的磷酸化，進(jìn)而調(diào)控ACACA的磷酸化或去磷酸化來控制脂肪生成和脂質(zhì)氧化，或調(diào)控控制SREBP1和PPARγ等脂質(zhì)合成轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子等上游靶標(biāo)mTOR的活性，進(jìn)而調(diào)控乳腺內(nèi)脂質(zhì)合成。

ACSS：輔酶A短鏈家族成員 acetyl coenzyme A synthetase；ACACA：乙酰輔酶A羧化酶 acetyl coenzyme A carboxylase；FAS：脂肪酸合成酶 fatty acid synthetase；SCD：硬脂酰輔酶A去飽和酶 stearoyl coenzyme A desaturase；SCFA：短鏈脂肪酸 short-chain fatty acid；GPCR：G蛋白偶聯(lián)受體 G-protein-coupled receptors；AMPK：腺苷酸蛋白激酶 activated protein kinase-activated protein kinase；mTOR：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin；PPARγ：過氧化物酶增殖物激活受體γ peroxisome proliferator-activated receptor γ；SREBP1：固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1 sterol regulatory element-binding protein 1。

3 小 結(jié)

乙酸、丁酸以及BHB能增加奶牛乳脂率和乳脂產(chǎn)量，而丙酸對(duì)乳脂合成無促進(jìn)作用。其中，乙酸、丁酸以及BHB對(duì)乳腺乳脂合成的調(diào)控作用主要包括2方面，一是作為乳腺內(nèi)脂肪酸從頭合成的前體物，直接參與乳脂合成；二是作為信號(hào)分子，調(diào)控乳腺脂質(zhì)合成。乙酸、丁酸以及BHB通過影響脂質(zhì)合成相關(guān)信號(hào)通路、調(diào)控與乳脂合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和酶的基因表達(dá)，調(diào)控乳腺脂質(zhì)合成。SCFA可以通過激活GPR41調(diào)控AMPK和mTOR等信號(hào)通路的活性，調(diào)控控制SREBP1和PPARγ等轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的基因表達(dá)，調(diào)節(jié)乳脂合成相關(guān)酶的活性，進(jìn)而影響B(tài)MECs的乳脂合成，但SCFA是通過影響哪些酶、基因、轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)通路進(jìn)而影響乳脂合成還缺乏全面清晰認(rèn)識(shí)。在調(diào)控機(jī)制上，目前對(duì)SCFA調(diào)控乳腺乳脂合成的研究集中在細(xì)胞水平的驗(yàn)證，鮮有報(bào)道在奶牛個(gè)體水平上SCFA調(diào)控乳脂合成的機(jī)制。因此，有必要借助基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀遺傳組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)等技術(shù)手段分析乳脂合成相關(guān)酶、基因、轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)通路，進(jìn)一步研究SCFA對(duì)乳脂合成的調(diào)控機(jī)制，這對(duì)充分發(fā)揮奶牛泌乳潛力、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牛奶具有重要科學(xué)意義。