熱應(yīng)激影響奶牛乳腺酪蛋白合成的機(jī)制（1）

    2  熱應(yīng)激條件下奶牛乳腺酪蛋白合成的應(yīng)答與轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

    2.1  熱應(yīng)激影響乳腺上皮細(xì)胞的合成能力

    乳的質(zhì)量取決于乳腺上皮細(xì)胞的數(shù)量和分泌能力，而這些因素會受到不同的環(huán)境和管理措施的影響。利用表達(dá)譜芯片分析熱應(yīng)激誘導(dǎo)的奶牛乳腺上皮細(xì)胞應(yīng)激響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激會下調(diào)參與乳腺上皮細(xì)胞生物合成、代謝和形態(tài)相關(guān)基因表達(dá)。研究證明，奶牛乳腺上皮細(xì)胞在高溫42℃處理的初期(3h)，乳腺上皮細(xì)胞產(chǎn)生了快速應(yīng)答，細(xì)胞凋亡數(shù)量增加，凋亡標(biāo)志性基因B淋巴細(xì)胞瘤－2(Bcl-2)顯著上調(diào)，而促凋亡基因Bax表達(dá)顯著下調(diào)，熱休克因子(hsf)1、hsf27、hsf70和hsf90mRNA轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào);隨應(yīng)激時(shí)間的延長(5～24 h)，細(xì)胞產(chǎn)生熱耐受；而在整個(gè)高溫條件下，不同程度抑制了αs1－酪蛋白和β酪蛋白基因表達(dá)，以及嗜乳脂蛋白(BTN)基因的表達(dá)。當(dāng)奶牛機(jī)體代謝異常時(shí)不僅牛奶品質(zhì)降低，而且會影響乳腺細(xì)胞合成乳成分的正常功能，甚至引起細(xì)胞發(fā)生“重編程”，但目前關(guān)于熱應(yīng)激影響乳腺上皮細(xì)胞酪蛋白合成的應(yīng)答機(jī)制仍不清楚。

    2.2  表觀遺傳修飾的改變影響乳蛋白的生成

    表觀遺傳學(xué)是指由于DNA或其周圍染色體化學(xué)修飾改變而非DNA序列變化所造成的基因組功能改變。DNA甲基化是最廣泛研究的表觀調(diào)節(jié)因素。奶牛生產(chǎn)環(huán)境和不同的飼養(yǎng)管理措施均能誘導(dǎo)乳蛋白合成基因DNA甲基化從而影響乳蛋白的生成。嚙齒類動物研究表明，泌乳過程中αs1－酪蛋白、κ－酪蛋白、β－酪蛋白和γ－酪蛋白基因均能發(fā)生甲基化。已經(jīng)有多項(xiàng)針對不同生理時(shí)期和疾病發(fā)生時(shí)奶牛乳腺中酪蛋白基因的甲基化和表達(dá)情況的研究，結(jié)果表明奶牛αs1－酪蛋白基因在泌乳期低甲基化，Vanselow等更深一步證實(shí)STAT5結(jié)合泌乳增強(qiáng)子附近DNA甲基化和染色體結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)，主要發(fā)生在αs1－酪蛋白編碼基因的大概10kb位置，該區(qū)域的DNA處于低甲基化狀態(tài)。而當(dāng)奶牛乳腺受到感染時(shí)，αs1－酪蛋白基因甲基化水平也會發(fā)生改變，甲基化水平提高31%～45%。當(dāng)奶牛受大腸桿菌或鏈球菌感染發(fā)生乳房炎時(shí)，αs1－酪蛋白基因甲基化發(fā)生在轉(zhuǎn)錄激活子和增強(qiáng)子區(qū)域，這一區(qū)域的甲基化程度與αs1－酪蛋白mRNA和蛋白質(zhì)水平呈負(fù)相關(guān)，與正常健康奶牛相比，關(guān)閉了αs1－酪蛋白基因的合成，使mRNA水平和乳蛋白含量降低。另有研究表明，奶牛擠奶后24～36h，催乳素/STAT5信號通路基因和乳蛋白基因表達(dá)均發(fā)生了甲基化。雖然至今沒有關(guān)于酪蛋白基因是否對熱應(yīng)激產(chǎn)生應(yīng)答而發(fā)生甲基化，但是甲基化這一最普遍的表觀遺傳修飾，可能會在奶牛泌乳過程中發(fā)揮作用。

    2.3  miRNA對乳成分的合成發(fā)揮重要的調(diào)控作用

    研究證實(shí)，miRNA主要是通過與脂類代謝相關(guān)基因靶位點(diǎn)的結(jié)合參與調(diào)節(jié)脂類代謝，而關(guān)于miRNA調(diào)節(jié)乳蛋白的研究鮮有報(bào)道。已有的研究證據(jù)表明miRNA能夠通過靶向激素受體或編碼乳成分的基因，參與乳蛋白生成的調(diào)控，例如bta-miR-15a抑制奶牛乳腺上皮中酪蛋白的表達(dá)，同時(shí)抑制乳腺上皮細(xì)胞的活力和生長激素受體(GHR)mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)，而miR-126-3p能夠直接以孕酮受體(PGR)為靶基因，影響乳腺上皮細(xì)胞的增殖、β－酪蛋白的生成從而在小鼠乳腺發(fā)育和泌乳過程中發(fā)揮重要作用。小鼠體內(nèi)的研究證實(shí)，熱應(yīng)激能夠改變miRNA的表達(dá)，使小腸mRNA和miRNA的表達(dá)均受到顯著影響；熱應(yīng)激不僅能夠誘導(dǎo)miRNA的表達(dá)變化，生成新的內(nèi)源性miRNA，而且對細(xì)胞應(yīng)激應(yīng)答過程發(fā)揮作用，但目前還沒有針對奶牛的相關(guān)研究。隨著RNA測序(RNA-seq)技術(shù)的在轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究中的不斷應(yīng)用，將為揭示熱應(yīng)激條件下miRNA的表達(dá)和可能的調(diào)控途徑提供依據(jù)。

    3  小結(jié)

    乳蛋白的合成是基因、營養(yǎng)和環(huán)境共同作用的結(jié)果。奶牛在熱應(yīng)激條件下通過降低干物質(zhì)采食量和驅(qū)動機(jī)體內(nèi)分泌激素的平衡以適應(yīng)熱應(yīng)激狀態(tài)。但乳蛋白合成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究剛剛起步，乳蛋白合成對各種激素和中間代謝產(chǎn)物的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、關(guān)鍵調(diào)控因子及其相互作用模式仍不了解，尤其針對熱應(yīng)激條件下奶牛泌乳的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制尚屬空白。因此，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中奶牛熱應(yīng)激條件建立奶牛熱應(yīng)激模型，通過分析血液代謝產(chǎn)物、激素和牛奶成分，結(jié)合實(shí)時(shí)定量 PCR、RNA-seq和DNA甲基化分析等方法，在篩選獲得差異表達(dá)mRNA、miRNA以及驗(yàn)證以關(guān)鍵信號分子為靶基因相關(guān)miRNA作用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建奶牛乳腺應(yīng)答熱應(yīng)激的酪蛋白合成關(guān)鍵基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步探索熱應(yīng)激條件下乳蛋白合成的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，將會為緩解奶牛熱應(yīng)激和提高奶牛合成乳蛋白的效率提供新的研究思路和方法。

    （中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  馬露、卜登攀、高勝濤、郭江、權(quán)素玉；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院與世界農(nóng)用林業(yè)中心農(nóng)用林業(yè)與可持續(xù)畜牧業(yè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室  馬露、卜登攀、高勝濤、郭江、權(quán)素玉；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心  卜登攀）