牛乳蛋白合成調(diào)控研究進(jìn)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的蛋白質(zhì)。除小部分來(lái)源于血液外，乳中絕大部分的蛋白質(zhì)由乳腺上皮細(xì)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(yíng)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(jī)制，才能更好地通過(guò)營(yíng)養(yǎng)策略來(lái)提高乳蛋白含量。因此，對(duì)奶牛乳腺細(xì)胞內(nèi)乳蛋白的合成調(diào)控進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。

關(guān)鍵詞：乳蛋白；合成；調(diào)控

中圖分類號(hào)：S879.1；S852.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yíng)養(yǎng)價(jià)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(xì)胞利用來(lái)自血液的游離AA或小肽從頭合成的。總體而言，乳腺合成蛋白質(zhì)的過(guò)程與其他組織相同，但乳腺上皮細(xì)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(duì)其營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(fèi)者的重視。乳蛋白含量的變化主要受營(yíng)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(duì)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(jī)制，才能更好地通過(guò)營(yíng)養(yǎng)策略來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)其基因翻譯起始因子和延長(zhǎng)因子實(shí)現(xiàn)的[4]。有試驗(yàn)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(guān)[5]。盡管翻譯相關(guān)因子調(diào)控蛋白質(zhì)代謝的機(jī)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(guān)注。

1 內(nèi)分泌調(diào)控

同機(jī)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(guò)程中起主導(dǎo)作用[6]。

1.1 泌乳激素

泌乳相關(guān)激素（即：催乳素、氫化可的松和胰島素）對(duì)乳腺上皮細(xì)胞的功能分化及啟動(dòng)和維持泌乳來(lái)說(shuō)是必不可少的[7，8]。這三種泌乳激素聯(lián)合作用誘導(dǎo)乳蛋白的基因表達(dá)。催乳素在推動(dòng)妊娠期乳腺分化和啟動(dòng)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(jìn)乳蛋白的合成[10]。而氫化可的松和胰島素能增強(qiáng)催乳素對(duì)酪蛋白mRNAs累積的促進(jìn)作用[11，12]。此外，Menzies等[13]證實(shí)，胰島素能促進(jìn)乳腺氨基酸攝取、乳蛋白基因表達(dá)以及酪蛋白合成。研究證實(shí)，這些泌乳激素可能通過(guò)雷帕霉素靶蛋白（The mammalian target of rapamycin，mTOR）信號(hào)途徑調(diào)控乳蛋白合成。有報(bào)道稱，泌乳激素能增強(qiáng)AA對(duì)乳蛋白合成的促進(jìn)作用[2]。泌乳激素對(duì)乳蛋白合成的促進(jìn)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(jìn)而有助于eIF4E結(jié)合eIF4G來(lái)形成復(fù)合物啟動(dòng)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(zhǎng)激素

生長(zhǎng)激素（Growth hormone，GH）對(duì)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(jī)制仍不十分清楚。Hayashi等[4]試驗(yàn)結(jié)果表明，GH能促進(jìn)mTOR信號(hào)途徑中S6K1磷酸化，上調(diào)乳蛋白翻譯起始和延長(zhǎng)，進(jìn)而增加乳蛋白的合成[4]。而Sciascia等[16]研究則表明，GH通過(guò)胰島素樣生長(zhǎng)因子1-胰島素樣生長(zhǎng)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(hào)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)eIF4E介導(dǎo)的核質(zhì)輸出和mRNA翻譯來(lái)增加乳蛋白含量。

2 營(yíng)養(yǎng)元素

泌乳期奶牛乳腺營(yíng)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(yīng)充足時(shí)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(xì)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(bǔ)充酪蛋白能提高奶牛乳蛋白濃度和產(chǎn)量。Burgos等[2]試驗(yàn)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(lái)，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(hào)分子調(diào)控蛋白質(zhì)的合成[19]。AA可以通過(guò)調(diào)控翻譯起始因子和延長(zhǎng)因子的功能，進(jìn)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(guò)傳統(tǒng)激素信號(hào)通路介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前了解比較清楚的一個(gè)AA誘導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑是mTOR信號(hào)通路[20]。AA通過(guò)活化mTOR來(lái)調(diào)控4E-BP1和S6K1等蛋白質(zhì)的磷酸化狀態(tài)，進(jìn)而參與蛋白質(zhì)的合成調(diào)控。

盡管AA通過(guò)翻譯相關(guān)因子調(diào)控蛋白質(zhì)代謝的機(jī)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(guān)注。Moshel等[21]利用體外培養(yǎng)的泌乳乳腺上皮細(xì)胞模型研究了AA對(duì)翻譯過(guò)程的調(diào)控作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AA經(jīng)由mTOR信號(hào)途徑調(diào)控mRNA翻譯，進(jìn)而影響乳腺上皮細(xì)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(xì)胞中必需AA通過(guò)mTOR通路在蛋白合成中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來(lái)自于AA的正負(fù)調(diào)控信號(hào)通過(guò)mTOR信號(hào)傳導(dǎo)通路結(jié)合胰島素調(diào)控來(lái)調(diào)節(jié)總蛋白和乳腺上皮細(xì)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(guò)該通路調(diào)控乳蛋白的合成[23，24]。研究發(fā)現(xiàn)，清除細(xì)胞外AA或Leu能抑制從mTOR到p70 S6激酶和4E-BP的信號(hào)傳導(dǎo)活性，AA尤其是Leu通過(guò)控制Rheb-GTP來(lái)調(diào)控mTOR[25，26]。Arriola等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Ile可作為信號(hào)因子正調(diào)控mTOR信號(hào)通路，進(jìn)而增加乳蛋白的合成。Appuhamy等[27]在MAC-T細(xì)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(guò)增強(qiáng)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(bào)道稱，泌乳相關(guān)激素能增強(qiáng)AA對(duì)乳蛋白合成的促進(jìn)作用[2]。mTOR似乎是AA、胰島素等生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)傳導(dǎo)的綜合位點(diǎn)，這兩種信號(hào)傳導(dǎo)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(yīng)來(lái)維持其旺盛的代謝活動(dòng)。Hanigan等[28]估測(cè)，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(lái)說(shuō)，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(yàn)結(jié)果均顯示，除作為底物參與細(xì)胞內(nèi)乳蛋白的合成外，能量狀態(tài)也可直接通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)參與蛋白質(zhì)合成[30]。Appuhamy等[31]利用奶牛乳腺細(xì)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(shí)，給奶牛灌注淀粉增加了S6K和mTOR的磷酸化，同時(shí)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(yíng)養(yǎng)攝取來(lái)維持乳汁的合成。這一調(diào)控作用主要是通過(guò)調(diào)節(jié)乳腺血流量及乳腺對(duì)動(dòng)脈血中乳汁前體物的攝取量實(shí)現(xiàn)的[1，33]。此外，乳腺還具有細(xì)胞內(nèi)調(diào)控乳汁合成的能力，例如上皮細(xì)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(guò)降低蛋白質(zhì)合成，或增加新合成酪蛋白的降解來(lái)調(diào)控乳蛋白的分泌[35]。

4 小結(jié)

綜上所述，奶牛乳腺細(xì)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(zhǎng)激素等）、營(yíng)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(duì)乳蛋白的合成調(diào)控很可能是通過(guò)調(diào)節(jié)基因翻譯起始和延長(zhǎng)因子實(shí)現(xiàn)的。但是，這些翻譯相關(guān)因子在乳腺蛋白質(zhì)合成過(guò)程中的作用機(jī)理研究并不透徹。因此，乳蛋白合成調(diào)控機(jī)理方面的研究將是今后奶牛泌乳生理研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

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