营养调控与基因表达

1、营养调控与基因表达,随着分子生物学的发展及其在营养学中的应用,从分子水平上弄清养分的代谢过程和规律,准确确定动物群体及个体的营养需要,掌握养分摄入过量及缺乏的后果,预防和治疗营养代谢疾病以及解决其他营养问题将成为可能。营养与基因表达的关系及其作用机制已成为分子生物学的重要研究内容及营养学的新兴研究领域。该领域的研究在过去510 年中取得了较大进展。营养和基因表达的一般关系表现为两个方面: 一是养分的摄入量影响基因表达; 二是基因表达的结果影响养分的代谢途径和代谢效率, 并决定营养需要量。,Animal performance (meat, milk, egg, wool, etc) (grow

2、th, development, etc),Genotype (gene on chromosome),Environment (nutrition, ambient, management),Inter-relationships between genotype, environment and animal production,基因表达：是指编码某种蛋白质的基因从转录、mRNA 的加工与成熟、RNA 的翻译、蛋白质的加工,到活性(功能) 蛋白质的形成的过程( Goodridge ,1994) 。 基因表达调控包括转录调控、RNA加工调控、RNA 转运调控、翻译调控、mRNA 稳定性调控

3、及翻译后的调控。每一个调控点都与养分直接或间接有关(Clarke ,1992) 。,研究表明,营养对基因表达的作用主要发生在转录或翻译前水平上,对翻译后的影响较小(Berdanier ,1998) 。 研究表明,真核细胞的mRNA 的5和3端的碱基不能翻译成蛋白质,称为非编码区(UTR) 。UTR 含有控制mRNA 的腺苷聚合、稳定性、在细胞中的分布定位以及翻译的调节信号,对基因表达的调节起着核心作用( Kozak ,1992 ;Choi ,1995) 。 养分对基因表达的调控作用是通过UTR ,特别是3UTR 实现的。,Nutrient intake,Gene expression DNA

4、RNA protein,Nutrient uptake pathway and metabolism,Nutrient requirement,Inter-relationships of nutrition and gene expression,Which genes, particularly those involved in control of metabolism, growth and partition are regulated by nutrition ? How do nutrients and diet regulate the expression of speci

5、fic genes ? How is the expression of specific gene products involved in metabolism and channelling of nutrients,Fundamental questions,Direct and indirect effects of nutrition on regulation of gene expression,Critical control points,Transcriptional regulation Activation, transcriptional speed Post-tr

6、anscriptional regulation mRNA processing (splicing) mRNA transportation, localization mRNA stability mRNA translation Post-translation regulation,Regulatory signals in the untranslated regions and their interactions with nutrition,Interaction between nutrition and gene expression Nutritional regulat

7、ion of gene expression Molecular biological approaches to nutrient-gene interactions Effects of environmental factors on nutrient-gene interactions,Principles: isolation ;Vance ,1992) 。 能量蛋白质对生长调节基因表达的影响可能具有组织特异性。,二、氨基酸对基因表达的影响 氨基酸除参与IGF - 和GHR 基因表达的调节外,还与多种其他基因表达的调节有关。Marten (1994)报道, 在大鼠肝细胞培养基质中去掉

8、氨基酸后促进了数个基因的表达, 提高幅度最大的是CHOP 基因。 CHOP 是一分子量很小的核蛋白,为转录因子C/ EBP (CCAAT/ 促进子结合蛋白) 的同源蛋白。CHOP 通过与C/ EBP 结合成二聚体而参与多种基因表达的调节(Cao ,1991 ;Birkenmeier ,1989 ;Umek ,1991) 。 Bruhat(1997 ,1999) 用人体细胞培养证明,低浓度的亮氨酸明显提高CHOP 基因的表达,其机制是提高了基因的转录率和CHOP mRNA 的稳定性。其他氨基酸,如赖氨酸、蛋氨酸、精氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸的限制也可促进CHOP 的表达。Wang (1996) 认为

9、,氨基酸缺乏导致基因表达的改变并不是氨基酸本身的作用,而是氨基酸浓度下降导致异常蛋白质合成的结果。但Bruhat (1997 ,1999) 认为,低浓度氨基酸诱导CHOP 的表达不是细胞应激的结果, 而是氨基酸本身的直接作用。他们已经找到了CHOP 基因上氨基酸缺乏时促进转录的两种转录因子。氨基酸调控CHOP 基因表达的作用机制还需深入研究。,三、 脂肪酸对基因表达的影响 1 脂肪合成酶系 很早以前人们就知道日粮脂肪有抑制肝脏的脂肪合成作用。除了脂肪对脂肪合成酶系的直接作用(如脂酰辅酶A 是ACC 的变构抑制剂) 外,脂肪可以调节生脂酶的表达是抑制生脂作用的重要原因。 LCFA 是通过肉碱棕榈

10、酰转移酶(CPT) 系统进入线粒体内进行氧化供能的, 而CPT 系统主要由位于线粒体膜外侧的CPT 和位于膜中间的肉碱- 酰基肉碱转移酶以及位于膜内侧CPT 等三部分组成, 在这个过程中CPT 是控制LCFA 进入线粒体的主要位点(McGarry 等,1989) 。进入线粒体后的LCFA 氧化供能则受到3 - 羟基- 3 -甲基- 戊二酰辅酶A (HMG - CoA) 合成酶的限制, 因此这两种酶是影响LCFA 利用的关键环节, 而它们的基因表达又受到日粮中LCFA 的调控。,一些实验已证明,n - 6 和n - 3 多不饱和脂肪酸( PUFA) 能抑制肝脏脂肪合成所需的多种酶。受PUFA 抑

11、制的生脂酶包括脂肪酸合成酶、乙酰辅酶A 羧化酶(ACC) 、6 - 磷酸葡萄糖脱氢酶、硬脂酰CoA 脱饱和酶、L - 丙酮酸激酶(L - P K) 和S14 蛋白(参与脂肪代谢的一种蛋白质,主要存在于脂肪酸合成作用非常活跃的肝脏、脂肪组织和乳腺) (Blake ,1990 ;Landschulz ,1994 ;Ntambi ,1992) 。 脂肪酸抑制作用的大小与链长和饱和程度有关。鱼油中的脂肪酸抑制作用最强。18 : 2(n - 6) 和18 : 3 (n - 3) 必须经过脱饱和作用分别转化为18 : 3 (n - 6) 和18 : 4 (n - 3) 后才具有抑制作用(Clarke ,1

12、990) 。,Raclot (1999) 总结了不同PUFA 对基因表达的调节作用 , 并认为PUFA 对特异基因表达的调控具有组织特异性和作用位点特异性。PUFA 的主要作用机制是抑制基因转录,降低mRNA 水平。研究表明,PUFA 可直接与基因上的转录因子结合。 目前已经鉴定出了S14 和L - P K 基因上PUFA 的作用位点(Jump，1999 ; Liimat ta ,1994) 。,SCD1 : 硬脂酰辅酶A 脱饱和酶, FAS : 脂肪酸合成酶, P K: 丙酮酸激酶, ACC : 乙酰辅酶A 羧化酶, GLU T4 : 胰岛素反应性葡萄糖转运蛋白4 , PEPCK: 磷酸烯醇

13、式丙酮酸羧化酶, ACO : 乙酰辅酶氧化酶, CCP : 细胞色素P450 4A2 , GK: 葡萄糖激酶, ME : 苹果酸酶, APO A - 1 : 脱脂蛋白A - 1 , LPL : 脂蛋白脂酶, HSL : 激素敏感脂酶, C/ EBP: CCAA T/ 促进子结合蛋白, PPAR: 过氧化质体增殖激活受体, aP2 : 脂肪细胞脂质结合蛋白, A TP - CL : A TP - 柠檬酸裂解酶, G6PDH : 6 - 磷酸葡萄糖脱氢酶;,葡萄糖转运蛋白 葡萄糖只有在葡萄糖转运蛋白的作用下进入细胞膜后才能进一步代谢。已知动物体内存在多种葡萄糖转运蛋白(从GLUT1 到GLU T5

14、 , GLUT7) 。编码这些蛋白质的基因的表达程度决定了葡萄糖进入细胞的数量。,Long 1996) 、Tebbey (1994) 等的研究表明：脂肪酸,特别是花生四烯酸(ADA) 是脂肪细胞葡萄糖转运系统的生理调节物。ADA 可以抑制T 细胞中硬脂酰- CoA 脱饱和酸(Long , 1996) 、肝脏脂肪酸合成酶(Clarke ,1992) 、3T3 - L 1 脂肪细胞中GLU T4 ( Tebbey ,1994) 等基因的转录率。Tebbey 等(1994) 证明,ADA可以调节GLU T4 基因的表达。将完全分化的3T3 - L 1 脂肪细胞放入ADA 中培养48 小时, 则GLU

15、 T4mRNA 的量下降了90 %,其原因是GLU T4 基因的转录下降了50 %,GLU T4 mRNA 的稳定性也明显降低。,四、碳水化合物对基因表达的影响,高碳水化合物饲粮促进脂肪的合成, 其作用涉及基因转录、mRNA 的加工和稳定性( Katsurada , 1990 ; Clarke ,1992 ; Towle ,1997) 。大鼠肝细胞在蔗糖介质中培养2 小时,脂肪酸合成酶及S14 mRNA 水平增加1015 倍;绝食大鼠饲喂高碳水化合物饲粮后,肝中磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶mRNA 量在46 小时内提高7 倍。此外,碳水化合物对ATP - 柠檬酸裂解酶、甘油- 3 - 磷酸乙酰转移

16、酶、硬脂酰CoA 脱饱和酶等基因表达的促进作用也是发生在转录调节环节( Towle ,1997) 。 碳水化合物对S14 基因(Burmeister ,1991) 、apoB 基因(Baum ,1990) 的调节作用发生在mRNA 的加工环节上, 而对肝脏苹果酸酶、6 - 磷酸葡萄糖脱氢酶等的作用是通过提高mRNA 的稳定性实现的(Dozin , 1986 ; Iritani ,1992 ;Moustad ,1991) 。,碳水化合物中起调节作用的关键成分是葡萄糖, 但目前还不清楚是由于葡萄糖的直接作用还是因为激素分泌改变的结果。 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶( PEPCK) 是肝和肾中糖元异生的关

17、键酶, 它的基因转录区起始位点上游500bp 内含有许多调节单元, 可与代谢信号相呼应; 该基因的表达可受到日粮营养成分的调控。营养成分对PEPCK 的调控主要是通过与其启动子作用而实现的。 有人认为, 葡萄糖的直接作用是关键, 胰岛素对生脂基因的调节是通过葡萄糖实现的( Ferre ,1999) 。当日粮中含有大量糖类时, 由于胰岛素的作用而抑制了PEPCK 基因的转录, 导致其水平下降。当禁食或日粮中含低糖时,情况则刚好相反。 目前已鉴别出了L - P K、S14 和ACC 基因中的葡萄糖作用区 Girard ,1997) 。然而,某些基因的最大表达可能需要葡萄糖与激素的协同作用(Clar

18、ke ,1992 ;Vaulont ,1994) 。,五、矿物质和维生素对基因表达的影响,铁： 铁的吸收与转运需要运铁蛋白及其受体的参与, 而铁蛋白是铁在体内的贮备形式和高剂量铁的解毒形式, 两种蛋白的表达均受翻译后调节机制的调控。 运铁蛋白受体mRNA 的3UTR 上含有铁调节区( IRE) 。缺铁时,铁调节蛋白( IRP) 就与IRE 结合,保护mRNA 使其不被RNA 裂解酶降解,从而提高运铁蛋白受体的水平。当有铁存在时, IRP 就脱离mRNA 分子,失去保护的mRNA 不稳定, 其翻译率下降,从而导致运铁蛋白受体的合成量减少, 铁的吸收率下降( Klausner ,1989 ; Ko

19、eller ,1989 ; Theil ,1994) 。铁的状况并不影响运铁蛋白受体基因的转录( Klausner ,1989) 。但Zakin (1992) 的综述指出, 虽然很多组织都含有运铁蛋白基因, 但不同组织的基因含有不同的转录调节因子, 使运铁蛋白基因的表达具有明显的组织特异性。,硒,硒以半胱氨酸硒的形式参与硒蛋白(如GSH - Px ,碘化甲状腺氨酸- 5- 脱碘酶) 的组成。 在硒蛋白翻译过程中, UGA 密码子不再作为终止信号, 而是作为半胱氨酸硒的编码信号, 从而在蛋白中插入半胱氨酸硒(Shen ,1993) 。 Burk (1993) 、Bermano (1995) 研究

20、表明, 日粮硒水平不但能够调节硒蛋白的含量与活性, 而且可以调节相应的mRNA 的量。但对不同组织, 不同硒蛋白及其mRNA 对不同硒水平的敏感程度存在差异。如, 在硒耗竭时,磷脂过氧化氢GSH - Px mRNA 的降解率不受影响, 但胞液GSH - Px mRNA 的降解率下降。因此,缺硒时, 二种酶的活性不同(Bermano ,1996a) 。不同硒蛋白mRNA 的3UTR 结构的差异是 决定mRNA 翻译程度及对硒缺乏的敏感性的关键因素(Bermano ,1996b) 。,Metabolic pathways and disease associated with Se in anim

21、als. At physiological pH over 99% of the Se in the form Se- which can act as an efficient redox catalyst,(Combs phGSH-Px, phospholipid hydroperoxide GP; eGSH-Px, extracellular GP; giGSH-Px, gastrointestinal GP; IDI, IDII and IDIII, type I, II and III iodothyronine deiodinases,(Arthur, 1997),Weight g

22、ain in catfish fed a casein-based diet supplemented with sodium selenite, selenomethionine or selenoyeast (Se-Plex 50),(Lovel and Wang, 1997),Glutathione peroxidase (GSH-Px) and Se content in liver of catfish fed a casein-based diet supplemented with sodium selenite, selenomethionine or selenoyeast (Se-Plex 50),(Lovel and Wang, 1997),锌： 金属硫蛋白(Metallothionein , MT) 可以结合多种金属元素, 是元素转运、维持细胞中的元素平衡、防止重金属中毒所必需的蛋白质。 Cui (1998) 用大鼠试验表明, 饲粮缺锌可明显降低肝脏、肾脏和小肠MT 1 mRNA 水平, 但给大鼠注射白细胞介素- 后, MT - 1 mRNA 明显升高, 且缺锌组的MT - 1 mRNA 水平显著高于加锌组。在不同生理状态下, 锌对MT - 1 的调控性质完全不同。 尽管认为MT 是金属元素转运的必需蛋白质, 但Davis