營養(yǎng)調(diào)控與基因表達(dá)

關(guān)于營養(yǎng)調(diào)控與基因表達(dá)第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展及其在營養(yǎng)學(xué)中的應(yīng)用,從分子水平上弄清養(yǎng)分的代謝過程和規(guī)律,準(zhǔn)確確定動物群體及個體的營養(yǎng)需要,掌握養(yǎng)分?jǐn)z入過量及缺乏的后果,預(yù)防和治療營養(yǎng)代謝疾病以及解決其他營養(yǎng)問題將成為可能。營養(yǎng)與基因表達(dá)的關(guān)系及其作用機(jī)制已成為分子生物學(xué)的重要研究內(nèi)容及營養(yǎng)學(xué)的新興研究領(lǐng)域。該領(lǐng)域的研究在過去5～10年中取得了較大進(jìn)展。營養(yǎng)和基因表達(dá)的一般關(guān)系表現(xiàn)為兩個方面:一是養(yǎng)分的攝入量影響基因表達(dá);二是基因表達(dá)的結(jié)果影響?zhàn)B分的代謝途徑和代謝效率,并決定營養(yǎng)需要量。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日Animalperformance(meat,milk,egg,wool,etc)(growth,development,etc)Genotype(geneonchromosome)Environment(nutrition,

ambient,management)Inter-relationshipsbetweengenotype,environmentandanimalproduction第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日

基因表達(dá)：是指編碼某種蛋白質(zhì)的基因從轉(zhuǎn)錄、mRNA的加工與成熟、RNA的翻譯、蛋白質(zhì)的加工,到活性(功能)蛋白質(zhì)的形成的過程(Goodridge,1994)?；虮磉_(dá)調(diào)控包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、RNA加工調(diào)控、RNA轉(zhuǎn)運調(diào)控、翻譯調(diào)控、mRNA穩(wěn)定性調(diào)控及翻譯后的調(diào)控。每一個調(diào)控點都與養(yǎng)分直接或間接有關(guān)(Clarke,1992)。

第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日

研究表明,營養(yǎng)對基因表達(dá)的作用主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄或翻譯前水平上,對翻譯后的影響較小(Berdanier,1998)。研究表明,真核細(xì)胞的mRNA的5’和3’端的堿基不能翻譯成蛋白質(zhì),稱為非編碼區(qū)(UTR)。UTR含有控制mRNA的腺苷聚合、穩(wěn)定性、在細(xì)胞中的分布定位以及翻譯的調(diào)節(jié)信號,對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)起著核心作用(Kozak,1992;Choi,1995)。養(yǎng)分對基因表達(dá)的調(diào)控作用是通過UTR,特別是3’UTR實現(xiàn)的。第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日NutrientintakeGeneexpressionDNARNAproteinNutrientuptakepathwayandmetabolismNutrientrequirementInter-relationshipsofnutritionandgeneexpression第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日Which

genes,particularlythoseinvolvedincontrolofmetabolism,growthandpartitionareregulatedbynutrition?Howdonutrientsanddietregulatetheexpressionofspecificgenes?HowistheexpressionofspecificgeneproductsinvolvedinmetabolismandchannellingofnutrientsFundamentalquestions第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日DietaryconstituentDirectregulationPhysiologicalmodulationSecondarymediatorRegulatedtranscriptionmRNAProteinResponsivegenesRegulatedtranscriptionDirectandindirecteffectsofnutritiononregulationofgeneexpression第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日DNARNA3’polyadenylationtranscription5’CapAAA200SplicingAAA200MaturemRNANucleusCytoplasmPlasmamembraneExons1 2 3 4PromoterSomemicronutrientshormonesSignaltransductionpathwaysIntracellularreceptorsAAAmRNATranslocationPolyribosomesProteinTranslation第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日CriticalcontrolpointsTranscriptionalregulationActivation,transcriptionalspeedPost-transcriptionalregulationmRNAprocessing(splicing)mRNAtransportation,localizationmRNAstabilitymRNAtranslationPost-translationregulation第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日Post-transcriptionalcontrolofgeneexpression(3)(1)(2)第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日Regulatorysignalsintheuntranslatedregionsandtheirinteractionswithnutrition第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日InteractionbetweennutritionandgeneexpressionNutritionalregulationofgeneexpressionMolecularbiologicalapproachestonutrient-geneinteractions

Effectsofenvironmentalfactorsonnutrient-geneinteractions第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日Principles:

isolation&estimationofmRNAmRNAistheprimaryproductofageneandmediatesitsexpressionasprotein.Inmanyinstances,nutrienteffectsontheexpressionofproteinreflectchangesintheconcentrationoftheirmRNA.ItisalsofrequentlyeasiertodeterminemRNAconcentrationsthantoestimatethecorrespondingproteins.第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日mRNAcanreadilybeconvertedintotheirequivalentDNAbyfirstsynthesizingacomplementarystrandofDNA(cDNA)andthenasecondstrandcomplementarytothefirst.DNAismucheasiertomanipulatethanRNAinplasmidsorbyPCR.ThecDNAcanbesequencedtoproteinsequenceinformationwhichcanusedinstructuralstudiesandindevelopmentofimmunologicalmethodsofproteinestimation.Principles:

isolation&estimationofmRNA第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日ThesynthesisofindividualmRNAisrarelybydirectinteractionofanutrientwithagene.Instead,controlisgenerallymediatedthroughoneormoreproteinsreferredtoastranscriptionfactors.Thesebindtoregulatoryregionsofthegeneanddeterminetheefficiencyofitstranscription.Principles:

isolation&estimationofmRNA第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日MaintechniquesHybridizationIsolationofmRNAProbesEstimationofmRNANorthernblottingRibonucleaseprotectionaaasyPCR,realtime-PCRDNAsequencingCloneImportant

understandinghowanutrientinfluencesexpressionofaparticulargenerequiresastudyofthefactorswhichbindtothatgene’sregulatoryregion第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日InteractionbetweennutritionandgeneexpressionNutritionalregulationofgeneexpressionMolecularbiologicalapproachestonutrient-geneinteractionsEffectsofenvironmentalfactorsonnutrient-geneinteractions第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日Animalperformance(meat,milk,egg,wool,etc)(growth,development,etc)Genotype(geneonchromosome)Environment(nutrition)Inter-relationshipsbetweengenotype,environmentandanimalproductionambientmanagement第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日Nutritionandgeneexpression第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日FeedindustryAnimalproductionEffluentLessslurryLessodourAnimalbiotechnologyConsumerproducts-MilkMeatEggFishMicrobialbiotechnologySilageinoculantsProbioticsEnzymes

AminoacidsGrowthenhancersEnvironmentalbiotechnologyChemicalorbiotechnologypre-treatmentConservationChemicalorbiotechnologypre-treatmentBetterproteinoraminoacidsCurrentcropsPlantbiotechnologyBy-productsConsumerproducts-

FlourWhiskyBeerFood/drinkindustryChemicalindustryChemicals

StarchGlutenAdhensivesOilsBy-products第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、能量蛋白質(zhì)對基因表達(dá)的影響

生長激素(GH)是控制動物出生后生長的主要激素。GH對生長的控制必須通過GH受體(GHR)及類胰島素生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)的作用才能實現(xiàn),IGF-Ⅰ是GH促進(jìn)生長的最重要的介導(dǎo)物(Cohick,1993)。哺乳動物體內(nèi)存在另一種IGF,叫IGF-Ⅱ,主要在胚胎和胎兒組織產(chǎn)生,是胚胎和胎兒的主要生長因子。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ的大多數(shù)作用均需要IGF-Ⅰ受體(Ⅰ型受體)參與(Straus,1994)。除GH外,營養(yǎng)狀況是調(diào)控IGF-Ⅰ的重要因素。大多數(shù)動物試驗均表明,營養(yǎng)不良導(dǎo)致的生長受阻往往伴隨有血漿GH水平的升高,而不是下降(Buonomo,1991;;Vance,1992)。能量蛋白質(zhì)對生長調(diào)節(jié)基因表達(dá)的影響可能具有組織特異性。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、氨基酸對基因表達(dá)的影響

氨基酸除參與IGF-Ⅰ和GHR基因表達(dá)的調(diào)節(jié)外,還與多種其他基因表達(dá)的調(diào)節(jié)有關(guān)。Marten(1994)報道,在大鼠肝細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)中去掉氨基酸后促進(jìn)了數(shù)個基因的表達(dá),提高幅度最大的是CHOP基因。

CHOP是一分子量很小的核蛋白,為轉(zhuǎn)錄因子C/EBP(CCAAT/促進(jìn)子結(jié)合蛋白)的同源蛋白。CHOP通過與C/EBP結(jié)合成二聚體而參與多種基因表達(dá)的調(diào)節(jié)(Cao,1991;Birkenmeier,1989;Umek,1991)。

Bruhat(1997,1999)用人體細(xì)胞培養(yǎng)證明,低濃度的亮氨酸明顯提高CHOP基因的表達(dá),其機(jī)制是提高了基因的轉(zhuǎn)錄率和CHOPmRNA的穩(wěn)定性。其他氨基酸,如賴氨酸、蛋氨酸、精氨酸、苯丙氨酸和蘇氨酸的限制也可促進(jìn)CHOP的表達(dá)。Wang(1996)認(rèn)為,氨基酸缺乏導(dǎo)致基因表達(dá)的改變并不是氨基酸本身的作用,而是氨基酸濃度下降導(dǎo)致異常蛋白質(zhì)合成的結(jié)果。但Bruhat(1997,1999)認(rèn)為,低濃度氨基酸誘導(dǎo)CHOP的表達(dá)不是細(xì)胞應(yīng)激的結(jié)果,而是氨基酸本身的直接作用。他們已經(jīng)找到了CHOP基因上氨基酸缺乏時促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的兩種轉(zhuǎn)錄因子。氨基酸調(diào)控CHOP基因表達(dá)的作用機(jī)制還需深入研究。

第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、脂肪酸對基因表達(dá)的影響1脂肪合成酶系很早以前人們就知道日糧脂肪有抑制肝臟的脂肪合成作用。除了脂肪對脂肪合成酶系的直接作用(如脂酰輔酶A是ACC的變構(gòu)抑制劑)外,脂肪可以調(diào)節(jié)生脂酶的表達(dá)是抑制生脂作用的重要原因。

LCFA是通過肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(CPT)系統(tǒng)進(jìn)入線粒體內(nèi)進(jìn)行氧化供能的,而CPT系統(tǒng)主要由位于線粒體膜外側(cè)的CPTⅠ和位于膜中間的肉堿-?；鈮A轉(zhuǎn)移酶以及位于膜內(nèi)側(cè)CPTⅡ等三部分組成,在這個過程中CPTⅠ是控制LCFA進(jìn)入線粒體的主要位點(McGarry等,1989)。進(jìn)入線粒體后的LCFA氧化供能則受到3-羥基-3-甲基-戊二酰輔酶A(HMG-CoA)合成酶的限制,因此這兩種酶是影響LCFA利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而它們的基因表達(dá)又受到日糧中LCFA的調(diào)控。第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日

一些實驗已證明,n-6和n-3多不飽和脂肪酸(PUFA)能抑制肝臟脂肪合成所需的多種酶。受PUFA抑制的生脂酶包括脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶(ACC)、6-磷酸葡萄糖脫氫酶、硬脂酰CoA脫飽和酶、L-丙酮酸激酶(L-PK)和S14蛋白(參與脂肪代謝的一種蛋白質(zhì),主要存在于脂肪酸合成作用非?；钴S的肝臟、脂肪組織和乳腺)(Blake,1990;Landschulz,1994;Ntambi,1992)。脂肪酸抑制作用的大小與鏈長和飽和程度有關(guān)。魚油中的脂肪酸抑制作用最強(qiáng)。18:2(n-6)和18:3(n-3)必須經(jīng)過脫飽和作用分別轉(zhuǎn)化為18:3(n-6)和18:4(n-3)后才具有抑制作用(Clarke,1990)。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日Raclot(1999)總結(jié)了不同PUFA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用,并認(rèn)為PUFA對特異基因表達(dá)的調(diào)控具有組織特異性和作用位點特異性。PUFA的主要作用機(jī)制是抑制基因轉(zhuǎn)錄,降低mRNA水平。研究表明,PUFA可直接與基因上的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。目前已經(jīng)鑒定出了S14和L-PK基因上PUFA的作用位點(Jump，1999;Liimatta,1994)。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日SCD1:硬脂酰輔酶A脫飽和酶,FAS:脂肪酸合成酶,PK:丙酮酸激酶,ACC:乙酰輔酶A羧化酶,GLUT4:胰島素反應(yīng)性葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4,PEPCK:磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,ACO:乙酰輔酶氧化酶,CCP:細(xì)胞色素P4504A2,GK:葡萄糖激酶,ME:蘋果酸酶,APOA-1:脫脂蛋白A-1,LPL:脂蛋白脂酶,HSL:激素敏感脂酶,C/EBPα:CCAAT/促進(jìn)子結(jié)合蛋白α,PPARα:過氧化質(zhì)體增殖激活受體α,aP2:脂肪細(xì)胞脂質(zhì)結(jié)合蛋白,ATP-CL:ATP-檸檬酸裂解酶,G6PDH:6-磷酸葡萄糖脫氫酶;第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白

葡萄糖只有在葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的作用下進(jìn)入細(xì)胞膜后才能進(jìn)一步代謝。已知動物體內(nèi)存在多種葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(從GLUT1到GLUT5,GLUT7)。編碼這些蛋白質(zhì)的基因的表達(dá)程度決定了葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞的數(shù)量。

第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日

Long1996)、Tebbey(1994)等的研究表明：脂肪酸,特別是花生四烯酸(ADA)是脂肪細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的生理調(diào)節(jié)物。ADA可以抑制T細(xì)胞中硬脂酰-CoA脫飽和酸(Long,1996)、肝臟脂肪酸合成酶(Clarke,1992)、3T3-L1脂肪細(xì)胞中GLUT4(Tebbey,1994)等基因的轉(zhuǎn)錄率。Tebbey等(1994)證明,ADA可以調(diào)節(jié)GLUT4基因的表達(dá)。將完全分化的3T3-L1脂肪細(xì)胞放入ADA中培養(yǎng)48小時,則GLUT4mRNA的量下降了90%,其原因是GLUT4基因的轉(zhuǎn)錄下降了50%,GLUT4mRNA的穩(wěn)定性也明顯降低。第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日四、碳水化合物對基因表達(dá)的影響

高碳水化合物飼糧促進(jìn)脂肪的合成,其作用涉及基因轉(zhuǎn)錄、mRNA的加工和穩(wěn)定性(Katsurada,1990;Clarke,1992;Towle,1997)。大鼠肝細(xì)胞在蔗糖介質(zhì)中培養(yǎng)2小時,脂肪酸合成酶及S14mRNA水平增加10～15倍;絕食大鼠飼喂高碳水化合物飼糧后,肝中磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶mRNA量在4～6小時內(nèi)提高7倍。此外,碳水化合物對ATP-檸檬酸裂解酶、甘油-3-磷酸乙酰轉(zhuǎn)移酶、硬脂酰CoA脫飽和酶等基因表達(dá)的促進(jìn)作用也是發(fā)生在轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(Towle,1997)。碳水化合物對S14基因(Burmeister,1991)、apoB基因(Baum,1990)的調(diào)節(jié)作用發(fā)生在mRNA的加工環(huán)節(jié)上,而對肝臟蘋果酸酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶等的作用是通過提高mRNA的穩(wěn)定性實現(xiàn)的(Dozin,1986;Iritani,1992;Moustad,1991)。第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日

碳水化合物中起調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵成分是葡萄糖,但目前還不清楚是由于葡萄糖的直接作用還是因為激素分泌改變的結(jié)果。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)是肝和腎中糖元異生的關(guān)鍵酶,它的基因轉(zhuǎn)錄區(qū)起始位點上游500bp內(nèi)含有許多調(diào)節(jié)單元,可與代謝信號相呼應(yīng);該基因的表達(dá)可受到日糧營養(yǎng)成分的調(diào)控。營養(yǎng)成分對PEPCK的調(diào)控主要是通過與其啟動子作用而實現(xiàn)的。有人認(rèn)為,葡萄糖的直接作用是關(guān)鍵,胰島素對生脂基因的調(diào)節(jié)是通過葡萄糖實現(xiàn)的(Ferre,1999)。當(dāng)日糧中含有大量糖類時,由于胰島素的作用而抑制了PEPCK基因的轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致其水平下降。當(dāng)禁食或日糧中含低糖時,情況則剛好相反。目前已鑒別出了L-PK、S14和ACC基因中的葡萄糖作用區(qū)Girard,1997)。然而,某些基因的最大表達(dá)可能需要葡萄糖與激素的協(xié)同作用(Clarke,1992;Vaulont,1994)。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日五、礦物質(zhì)和維生素對基因表達(dá)的影響第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日鐵：鐵的吸收與轉(zhuǎn)運需要運鐵蛋白及其受體的參與,而鐵蛋白是鐵在體內(nèi)的貯備形式和高劑量鐵的解毒形式,兩種蛋白的表達(dá)均受翻譯后調(diào)節(jié)機(jī)制的調(diào)控。運鐵蛋白受體mRNA的3’UTR上含有鐵調(diào)節(jié)區(qū)(IRE)。缺鐵時,鐵調(diào)節(jié)蛋白(IRP)就與IRE結(jié)合,保護(hù)mRNA使其不被RNA裂解酶降解,從而提高運鐵蛋白受體的水平。當(dāng)有鐵存在時,IRP就脫離mRNA分子,失去保護(hù)的mRNA不穩(wěn)定,其翻譯率下降,從而導(dǎo)致運鐵蛋白受體的合成量減少,鐵的吸收率下降(Klausner,1989;Koeller,1989;Theil,1994)。鐵的狀況并不影響運鐵蛋白受體基因的轉(zhuǎn)錄(Klausner,1989)。但Zakin(1992)的綜述指出,雖然很多組織都含有運鐵蛋白基因,但不同組織的基因含有不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,使運鐵蛋白基因的表達(dá)具有明顯的組織特異性。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日硒

硒以半胱氨酸硒的形式參與硒蛋白(如GSH-Px,碘化甲狀腺氨酸-5’-脫碘酶)的組成。在硒蛋白翻譯過程中,UGA密碼子不再作為終止信號,而是作為半胱氨酸硒的編碼信號,從而在蛋白中插入半胱氨酸硒(Shen,1993)。

Burk(1993)、Bermano(1995)研究表明,日糧硒水平不但能夠調(diào)節(jié)硒蛋白的含量與活性,而且可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的mRNA的量。但對不同組織,不同硒蛋白及其mRNA對不同硒水平的敏感程度存在差異。如,在硒耗竭時,磷脂過氧化氫GSH-PxmRNA的降解率不受影響,但胞液GSH-PxmRNA的降解率下降。因此,缺硒時,二種酶的活性不同(Bermano,1996a)。不同硒蛋白mRNA的3’UTR結(jié)構(gòu)的差異是決定mRNA翻譯程度及對硒缺乏的敏感性的關(guān)鍵因素(Bermano,1996b)。第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日ThyroidAntioxidantXenobioticmetabolismImmunityFertilityMyopathiesAnticancerIll-thrivengrowthH|

Se|CH2|CH/\…HNCO…MetabolicpathwaysanddiseaseassociatedwithSeinanimals.AtphysiologicalpHover99%oftheSeintheformSe-whichcanactasanefficientredoxcatalyst(Combs&Combs,1986)第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日SeSelenoproteinPcGSH-PxSe-bindingproteins(58,56and14kDa)phGSH-PxeGSH-PxgiGSH-PxSpermcapsuleselenoprotein(mouse)IDIIDIIIDIIISelenoproteinWThioredoxinreductaseSelenoproteinswhichhasbeenpurifiedformammaliancells

Key:cGSH-Px,cystolicglutathioneperoxidase;phGSH-Px,phospholipidhydroperoxideGP;eGSH-Px,extracellularGP;giGSH-Px,gastrointestinalGP;IDI,IDIIandIDIII,typeI,IIandIIIiodothyroninedeiodinases(Arthur,1997)第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日Weightgainincatfishfedacasein-baseddietsupplementedwithsodiumselenite,selenomethionineorselenoyeast(Se-Plex50)(LovelandWang,1997)第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日Glutathioneperoxidase(GSH-Px)andSecontentinliverofcatfishfedacasein-baseddietsupplementedwithsodiumselenite,selenomethionineorselenoyeast(Se-Plex50)(LovelandWang,1997)第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日鋅：

金屬硫蛋白(Metallothionein,MT)可以結(jié)合多種金屬元素,是元素轉(zhuǎn)運、維持細(xì)胞中的元素平衡、防止重金屬中毒所必需的蛋白質(zhì)。

Cui(1998)用大鼠試驗表明,飼糧缺鋅可明顯降低肝臟、腎臟和小