魚類脂肪酸結合蛋白研究進展

隋修磊，張玉茹

( 河南師范大學 水產學院，河南 新鄉 453007 )

脂肪酸結合蛋白(FABPs)是一類來自共同祖先基因的小分子蛋白質，相對分子質量為14～16 ku，廣泛存在于動物腸道、心臟、腦、脂肪和肌肉等多種組織的細胞內，占細胞內可溶性蛋白總量的1%～8%[1]。研究表明，機體內脂肪酸跨膜運輸是被動擴散或由膜蛋白介導的過程，脂肪酸結合蛋白主要結合細胞內游離的脂肪酸(FA)和其他疏水性配體，并將其輸送到過氧化物酶體、線粒體和細胞核等細胞器，進而調控脂肪酸氧化和甘油三酯及磷脂合成等脂代謝過程[2](圖1)。脂肪酸結合蛋白家族成員的命名是根據其首次分離或鑒定出的組織來命名的，例如腸型脂肪酸結合蛋白(I-FABP)、肝型脂肪酸結合蛋白(L-FABP)等。然而，很多組織中往往有多種脂肪酸結合蛋白基因(fabps基因)同時表達，研究者又對不同的脂肪酸結合蛋白基因按阿拉伯數字命名[3]，如fabp1基因(肝型)、fabp2基因(腸型)、fabp3基因(心臟型)等。自1972年Ockner等[4]從大鼠的小腸中分離出腸型脂肪酸結合蛋白以來，研究者已經在脊椎動物基因組中鑒定出了12種不同的脂肪酸結合蛋白[5]。不同類型的脂肪酸結合蛋白均由125～135個氨基酸組成，其氨基酸序列相似性由20%至70%不等[6]。雖然不同脂肪酸結合蛋白序列多變，但脂肪酸結合蛋白基因和蛋白結構相對保守，大多基因由4個外顯子和3個內含子組成[7-8]，其上游區域存在大量的調控元件，同時保守存在一個TATA盒[9-10](圖2)。結構生物信息學研究表明，多數脂肪酸結合蛋白由10個反向平行的β片層(βA-βJ)和2個α-螺旋結構組成，其中β片層折疊成“桶”狀結構，通過范德華力和疏水相互作用等結合不同的疏水性配體[11]；氮端的α螺旋(α-Ⅰ和α-Ⅱ)形成“帽子”樣結構控制著疏水性配體的出入[12]。研究還發現，脂肪酸結合蛋白和生物體的許多生命過程相關，它們在生物體的能量貯存、信號轉導、生物膜的合成、過氧化物酶體的氧化、酶活力的調節、機體免疫反應以及細胞的增殖和分化等過程中發揮著重要的生物學功能[13-15]。

與哺乳動物不同，淡水硬骨魚類具有Δ12及Δ15等脂肪酸去飽和酶，可以把亞油酸和亞麻酸轉化為二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸等多聚不飽和脂肪酸儲存在肌肉等組織中[16-17]。因此，魚類是人體多不飽和脂肪酸的重要來源，魚體中脂肪酸結合蛋白能轉運脂肪酸參與脂代謝反應，是重要的脂肪性狀相關基因，對魚類脂肪的沉積具有重要調控作用，魚體中脂肪含量的高低是影響魚肉品質的重要因素。因此對脂肪酸結合蛋白及其基因進行深入、全面、系統研究，對于水產養殖具有重要意義。目前，研究者在哺乳動物脂肪酸結合蛋白的種類、分布、結構、功能和基因表達等方面取得了突破性的研究進展；家畜和家禽類中脂肪酸結合蛋白的研究主要集中在生產性狀的改良、畜禽產品品質的提升和品種及品系的選育等方面；但是，魚類中脂肪酸結合蛋白的研究目前主要集中在基因的克隆、組織表達和表達模式等方面，其基因結構、種類和基因及蛋白的功能等方面有待進一步深入研究。因此，筆者對魚類脂肪酸結合蛋白的種類、基因表達以及染色體定位等研究進行了綜述，以期為魚類中脂肪酸結合蛋白超家族基因及蛋白的演化和功能分析以及魚類營養調控提供理論依據。

圖1 脂肪酸結合蛋白結合和轉運脂肪酸示意[18-19]

圖2 fabp2基因結構示意[8,20]22aa、58aa、36aa和16aa表示外顯子所編碼的氨基酸的個數；橫線上的數字表示內含子的長度，單位bp.

1 魚類中脂肪酸結合蛋白的類型

上述魚類中主要包含fabp1、2、3、6、7、10、11七種類型基因，其中大西洋鮭中沒有fabp1和fabp11基因，可能是由于其基因組信息不完善導致暫未發現，或在進化過程中丟失。在斑馬魚、虹鱒和大西洋鮭等中存在多種旁系同源基因，而雀鱔中的脂肪酸結合蛋白基因都以獨立體基因存在，沒有同源基因，可能是由于不同魚類進化模式不同導致的[38]。魚類進化分析結果表明，作為一類原始的淡水魚類，雀鱔沒有經歷硬骨魚類特有的全基因組倍增事件[45-46]，被稱為魚類進化研究的“活化石”。

表1 代表魚類中脂肪酸結合蛋白基因

Venkatachalam等[38]在研究雀鱔脂肪酸結合蛋白基因結構、染色體定位和基因演化時發現，其脂肪酸結合蛋白基因沒有經歷硬骨魚類特有的全基因組倍增事件，因此可以作為脊椎動物中脂肪酸結合蛋白基因演化分析時的外群。

國內外研究報道論述了幾種常用試驗魚類基因中的脂肪酸結合蛋白基因類型，明晰了魚類中都存在哪些脂肪酸結合蛋白基因。作為一類重要的脂肪酸結合和轉運蛋白，脂肪酸結合蛋白基因的種類和魚類脂肪酸的轉運、儲存和代謝等活動息息相關[35,47-49]。研究表明，脂肪酸結合蛋白由于亞型結構上的微小區別，其結合長鏈脂肪酸時在配體的選擇、親和力的大小和結合機制上都不同。一般來說，除不飽和脂肪酸，配體的疏水性越強，親和力越大[50]。靶細胞本身的特性可能決定了不同組織主要脂肪酸結合蛋白亞型的親和力甚至選擇性。例如，腦型脂肪酸結合蛋白對長鏈脂肪酸如二十二碳六烯酸有很高的選擇性[51]。因此，該部分結果可為魚類不同食物飼喂下脂肪酸的攝取、動員、代謝和存儲等問題提供新的研究視角，從而為漁業生產中植物油替代魚油等新型飼料的研發提供理論基礎。

2 魚類脂肪酸結合蛋白基因的組織表達

由表2可知，魚類中fabp1和fabp10a基因主要在肝臟中表達，這表明現存硬骨魚類中fabp10基因可能保留了祖先fabp1基因的功能，而fabp10b基因在肝臟中的表達量非常低或完全檢測不到，這可能是硬骨魚類fabp10a和fabp10b基因的空間轉錄調節分裂造成的[37]；哺乳動物和魚類中fabp2基因的表達情況相似，都主要在腸道中表達；fabp3基因主要在魚類的肝胰臟和肌肉中表達；魚類的fabp6基因主要在腸道中表達，而有些魚類中的fabp6b基因在其他組織中表達量較高，這可能是進化過程中發生了亞功能化造成的[32,41]；不同魚類的fabp7基因及其同源基因在不同組織中的表達優勢各異；fabp11基因主要在魚類的眼中表達，個別在腎臟中表達量較高。

表2 幾種代表魚類脂肪酸結合蛋白基因的組織表達情況

注：“+”表示在該組織中表達；“-”表示在該組織中不表達；“NA”表示沒有在該組織中檢測表達情況.

2.1 肝臟型脂肪酸結合蛋白

肝臟型脂肪酸結合蛋白(L-FABP或FABP1)主要存在于哺乳動物的肝臟和腸道中[52-54]。不同魚類中fabp1基因的組織表達各異。斑馬魚和河鲀中的fabp1基因主要在腸中富集[27,36,55]，并廣泛存在于心臟、鰓、卵巢和睪丸等組織，除斑馬魚肝臟中有fabp1b.1基因少量表達外，其他類型的fabp1基因均未在斑馬魚和河鲀中檢測到[27,36,55]。與之相對，草魚(Ctenopharyngodonidellus)[56]和虹鱒[34]中的fabp1基因主要在肝臟中表達，在脾臟、腸、腎、心臟等組織中也有少量表達。此外，雀鱔中fabp1基因在心臟中表達量最高，在其他組織中也有表達[38]。

除了上述的肝臟型脂肪酸結合蛋白外，研究者在斑馬魚[22]、鯊魚(Halaetunusbivius)[57]、肺魚(Lepidosirenparadoxus)[58]、薩波雷氏鲇(Rhamdiasapo)[59]和鯉魚(Cyprinuscarpio)[60]等肝臟中發現了肝臟基本型脂肪酸結合蛋白(Lb-FABP)。肝臟型脂肪酸結合蛋白和肝臟基本型脂肪酸結合蛋白是由同一祖先基因復制而來的旁系同源蛋白[61]。鯉魚Lb-fabp基因在肝臟、胰臟和腸道中表達量較高，在腦、肌肉、心臟、卵巢和脾臟等組織中也有少量表達，但腸道和前腸中卻未檢測到該基因的表達[60]。在斑馬魚中，通過原位雜交和放射自顯影的方法只在成體的肝臟中檢測到Lb-fabp基因的表達[22]。而在薩波雷氏鲇中，免疫組化分析結果顯示只在肝臟中檢測到肝臟基本型脂肪酸結合蛋白[59]。

2.2 腸型脂肪酸結合蛋白

2.3 肌肉和心臟型脂肪酸結合蛋白

肌肉和心臟型脂肪酸結合蛋白(H-FABP或FABP3)在畜禽類中研究比較廣泛，多集中在基因的多態性和肌內脂肪含量等方面的研究[71-73]，而有關魚類fabp3基因及其表達的研究報道尚少。目前已在斑馬魚[24]、齊口裂腹魚(Schizothoraxprenanti)[74]、4種南極硬骨魚類[75]、鯉魚[74]、雀鱔[38]、鯊魚[76]、興凱湖翹嘴鲌(Culteralburnus)[77]、虹鱒[34]、建鯉[78]、瓦氏黃顙魚(Pelteobagrusvachelli)[79]和河鲀[36]等魚類中克隆得到了fabp3基因。利用原位雜交方法只在斑馬魚卵巢和肝臟組織中檢測到fabp3基因表達，利用RT-PCR可檢測到其他組織，如腦、心臟、腸、肌肉、皮膚和精巢等中fabp3基因的表達[24,28]。齊口裂腹魚、鯉魚、雀鱔、興凱湖翹嘴鲌和河鲀的肝(胰)臟中fabp3基因表達量最高[36,38,74,77]。鰻鱺科、鯊魚、拉氏南美南極魚(Patagonotothenramsayi)和底鳉(Fundulusheteroclitus)的fabp3基因也主要在肝臟中表達[75,76,80-81]。而虹鱒的fabp3基因在肝臟、腸、幽門、胃、腦、肌肉和心臟等所有檢測的組織中表達，其在肌肉中的表達量最高，在肝臟中的表達量相對較低[34]。

2.4 回腸型脂肪酸結合蛋白

2.5 腦型脂肪酸結合蛋白

2.6 肝臟基礎型脂肪酸結合蛋白

2.7 腎臟型脂肪酸結合蛋白

腎臟型脂肪酸結合蛋白(K-FABP或FABP11)是魚類特有的脂肪酸結合蛋白。大多魚類中存在fabp11a和fabp11b兩個旁系同源基因。與斑馬魚和青鳉中fabp11a和fabp11b基因的表達情況相似，河鲀的fabp11基因在眼中的表達最高[36]，并且斑馬魚fabp11b基因轉錄產物僅在眼中檢測到[87]；虹鱒中fabp11a基因在眼中表達量最高，而fabp11b基因在幽門盲腸中表達量較其他組織豐富[34]；雀鱔的fabp11基因在肝臟、腸、腦和腎臟等組織中存在，其中在腎臟中表達量最高[38]。

綜上所述，不同類型的脂肪酸結合蛋白基因成員具有組織表達特異性。大部分脂肪酸結合蛋白基因主要在某些特定的組織或細胞類型中表達，如魚類中的fabp1和fabp10a基因主要在肝臟中表達；但并不是每一種類型只特異地存在于一種組織或細胞，如心臟型脂肪酸結合蛋白和表皮型脂肪酸結合蛋白廣泛存在身體多個部位[88]。不同組織脂肪酸結合蛋白基因表達水平的比較分析可為脂肪酸結合蛋白基因的功能演變和轉錄調節提供理論基礎。進化分析結果表明，脂肪酸結合蛋白基因家族是由一個共同祖先基因復制演化而來。基因復制可以有效地增加生物體的復雜性，但在進化過程中不允許復制后的多基因發揮同樣的功能從而出現功能的冗余性，因此，復制后的多基因功能在進化過程中會出現不同程度的演變。復制基因的共同命運主要有以下3種：(1)原功能退化丟失；(2)演化出不同于祖先基因新功能；(3)保留祖先基因的一部分亞功能[35]。復制基因功能的演變是因不同復制基因蛋白質編碼區的突變和啟動子中順式作用調節元件的丟失或獲得等突變事件所致[82]。如Laprairie等[35]研究斑馬魚中fabp1三個復制基因(fabp1a、fabp1b.1和fabp1b.2)的功能演化時發現，斑馬魚fabp1a基因的啟動子含有PPARα識別位點，fabp1b.1基因的啟動子含有PPARγ作用位點，而fabp1b.2基因的啟動子無PPAR識別位點。該研究中，PPARs通過特異性地識別脂肪酸結合蛋白基因上游的啟動子區域調控斑馬魚中fabp1基因的3個復制基因的組織表達和功能。此外，很多由魚類特有的全基因組倍增復制而來的脂肪酸結合蛋白基因(如虹鱒中fabp7b.1/fabp7b.2和fabp10a.1/fabp10a.2基因)具有相似的組織表達特性，預示這些基因的表達由保守的轉錄調節因子控制[34]，但調控脂肪酸結合蛋白基因表達的具體的轉錄原件和調控因子仍需深入發掘和闡明。

3 魚類中脂肪酸結合蛋白基因染色體定位

魚類中各脂肪酸結合蛋白基因種類和位置信息可為fabps基因結構和功能的演化過程奠定理論基礎。系統發育分析結果表明，脂肪酸結合蛋白基因家族是由一個共同祖先基因復制演變而來。據估計，第1次基因復制發生在大約9.3億年前，隨后的基因復制發生在距今5億年前[90]，魚類中的脂肪酸結合蛋白基因還存在第3次魚類特有的基因組復制事件。根據基因組中脂肪酸結合蛋白連鎖基因存在情況，可以分析該基因是由祖先基因直接垂直遺傳而來還是由祖先基因復制而來，不同的物種中是否出現了特定脂肪酸結合蛋白基因丟失等進化過程，進而深入分析脂肪酸結合蛋白基因結構和功能的演化歷程。

表3 幾種代表魚類的脂肪酸結合蛋白基因定位[36-38,89]

續表3

基因染色體定位Ensembl序列號fabp10b11ENSORLG00000007702fabp11a22ENSORLG00000010830fabp11b16ENSORLG00000008282三棘刺fabp1ⅩⅢENSGACG00000006574fabp2aⅨENSGACG00000017790fabp2bⅦENSGACG00000019474fabp3ⅩENSGACG00000005599fabp6aⅢENSGACG00000014354fabp6bⅣENSGACG00000018140fabp7aⅩⅤENSGACG00000005599fabp7bⅩⅧENSGACT00000016034fabp10aⅩⅩENSGACG00000013639fabp10bⅩENSGACG00000002234fabp11aⅩENSGACG00000003457fabp11bⅩⅩENSGACG00000008725

注：Sf，基因組構架；UR，非隨意染色體.

4 總結與展望

自20世紀70年代發現脂肪酸結合蛋白以來，科研人員對其進行了大量的研究。然而，現有的研究多關注哺乳動物中脂肪酸結合蛋白的結構、功能和基因表達，魚類上的相關研究數據報道仍然不足。如，和哺乳動物相比魚類中有哪些脂肪酸結合蛋白？他們在不同的組織中如何表達？不同魚類脂肪酸結合蛋白種類和表達是否相同？為了探究上述問題，筆者系統的總結了魚類中脂肪酸結合蛋白的種類、組織表達和染色體定位情況。通過歸納總結和比較分析發現，魚類中共發現了7種類型fabps基因，分別是fabp1、fabp2、fabp3、fabp6、fabp7、fabp10和fabp11；與哺乳動物相比，代表魚類中脂肪酸結合蛋白基因的旁系同源基因很多，如fabp1a、fabp1b.1和fabp1b.2基因，但fabp3基因在魚類和哺乳動物基因組中都以獨立基因形式存在；脂肪酸結合蛋白基因在多種組織中廣泛表達，fabp1基因主要在肝臟和腸中表達，fabp3基因在上述魚類的所有組織中表達，而斑馬魚的fabp1a基因僅在腸中表達；此外，通過Ensembl數據庫搜索和文獻閱讀發現，脂肪酸結合蛋白基因在魚類和人等物種中存在廣泛的共線性，并總結了幾種代表魚類中脂肪酸結合蛋白基因在染色體上的位置。作為影響魚體脂肪沉積部位和魚肉脂肪酸成分及含量的候選基因，脂肪酸結合蛋白的種類、組織分布、多態性和遺傳變異調節了魚肉品質和魚體脂代謝的平衡。因此，該家族基因及蛋白的研究可應用到水產動物育種和代謝性疾病的防治等實踐中。比如，可為水產養殖中的水產品品質的提升和特色水產品培育(如富含二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸的魚類)提供參考；還可為目前集約化養殖環境下養殖魚類脂肪過度蓄積引發的脂肪肝等營養代謝性疾病的預防和治療提供新的研究視角。但是，魚類中脂肪酸結合蛋白如何調控脂肪酸的轉運，不同類型的脂肪酸結合蛋白對不同的底物是否具有不同的結合能力，脂肪酸結合蛋白又是如何與脂代謝通路的上游轉錄因子和下游脂肪合成與分解的酶協同作用調控脂肪的合成與分解，脂肪酸結合蛋白調控魚類脂代謝的具體功能機制是怎樣，這些問題都有待深入研究。