熱應激影響奶牛乳腺酪蛋白合成的機制（1）

    2  熱應激條件下奶牛乳腺酪蛋白合成的應答與轉錄調(diào)控機制

    2.1  熱應激影響乳腺上皮細胞的合成能力

    乳的質(zhì)量取決于乳腺上皮細胞的數(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。利用表達譜芯片分析熱應激誘導的奶牛乳腺上皮細胞應激響應，發(fā)現(xiàn)熱應激會下調(diào)參與乳腺上皮細胞生物合成、代謝和形態(tài)相關基因表達。研究證明，奶牛乳腺上皮細胞在高溫42℃處理的初期(3h)，乳腺上皮細胞產(chǎn)生了快速應答，細胞凋亡數(shù)量增加，凋亡標志性基因B淋巴細胞瘤－2(Bcl-2)顯著上調(diào)，而促凋亡基因Bax表達顯著下調(diào)，熱休克因子(hsf)1、hsf27、hsf70和hsf90mRNA轉錄水平顯著上調(diào);隨應激時間的延長(5～24 h)，細胞產(chǎn)生熱耐受；而在整個高溫條件下，不同程度抑制了αs1－酪蛋白和β酪蛋白基因表達，以及嗜乳脂蛋白(BTN)基因的表達。當奶牛機體代謝異常時不僅牛奶品質(zhì)降低，而且會影響乳腺細胞合成乳成分的正常功能，甚至引起細胞發(fā)生“重編程”，但目前關于熱應激影響乳腺上皮細胞酪蛋白合成的應答機制仍不清楚。

    2.2  表觀遺傳修飾的改變影響乳蛋白的生成

    表觀遺傳學是指由于DNA或其周圍染色體化學修飾改變而非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)有多項針對不同生理時期和疾病發(fā)生時奶牛乳腺中酪蛋白基因的甲基化和表達情況的研究，結果表明奶牛αs1－酪蛋白基因在泌乳期低甲基化，Vanselow等更深一步證實STAT5結合泌乳增強子附近DNA甲基化和染色體結構存在關聯(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)。而當奶牛乳腺受到感染時，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%。當奶牛受大腸桿菌或鏈球菌感染發(fā)生乳房炎時，αs1－酪蛋白基因甲基化發(fā)生在轉錄激活子和增強子區(qū)域，這一區(qū)域的甲基化程度與αs1－酪蛋白mRNA和蛋白質(zhì)水平呈負相關，與正常健康奶牛相比，關閉了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均發(fā)生了甲基化。雖然至今沒有關于酪蛋白基因是否對熱應激產(chǎn)生應答而發(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，miRNA主要是通過與脂類代謝相關基因靶位點的結合參與調(diào)節(jié)脂類代謝，而關于miRNA調(diào)節(jié)乳蛋白的研究鮮有報道。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，同時抑制乳腺上皮細胞的活力和生長激素受體(GHR)mRNA和蛋白質(zhì)的表達，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，熱應激能夠改變miRNA的表達，使小腸mRNA和miRNA的表達均受到顯著影響；熱應激不僅能夠誘導miRNA的表達變化，生成新的內(nèi)源性miRNA，而且對細胞應激應答過程發(fā)揮作用，但目前還沒有針對奶牛的相關研究。隨著RNA測序(RNA-seq)技術的在轉錄調(diào)控研究中的不斷應用，將為揭示熱應激條件下miRNA的表達和可能的調(diào)控途徑提供依據(jù)。

    3  小結

    乳蛋白的合成是基因、營養(yǎng)和環(huán)境共同作用的結果。奶牛在熱應激條件下通過降低干物質(zhì)采食量和驅動機體內(nèi)分泌激素的平衡以適應熱應激狀態(tài)。但乳蛋白合成的基因調(diào)控網(wǎng)絡研究剛剛起步，乳蛋白合成對各種激素和中間代謝產(chǎn)物的信號轉導途徑、關鍵調(diào)控因子及其相互作用模式仍不了解，尤其針對熱應激條件下奶牛泌乳的轉錄調(diào)控機制尚屬空白。因此，根據(jù)生產(chǎn)實踐中奶牛熱應激條件建立奶牛熱應激模型，通過分析血液代謝產(chǎn)物、激素和牛奶成分，結合實時定量 PCR、RNA-seq和DNA甲基化分析等方法，在篩選獲得差異表達mRNA、miRNA以及驗證以關鍵信號分子為靶基因相關miRNA作用的基礎上，構建奶牛乳腺應答熱應激的酪蛋白合成關鍵基因調(diào)控網(wǎng)絡，進一步探索熱應激條件下乳蛋白合成的表觀遺傳調(diào)控機制，將會為緩解奶牛熱應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)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)國家重點實驗室  馬露、卜登攀、高勝濤、郭江、權素玉；中國農(nóng)業(yè)科學院與世界農(nóng)用林業(yè)中心農(nóng)用林業(yè)與可持續(xù)畜牧業(yè)聯(lián)合實驗室  馬露、卜登攀、高勝濤、郭江、權素玉；東北農(nóng)業(yè)大學食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心  卜登攀）