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瘤胃上皮短链脂肪酸转运蛋白研究进展


现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2024/6/12 8:54:50 关注:184 评论: 我要投稿

  摘要:瘤胃是反刍动物消化粗饲料的重要器官,短链脂肪酸(SCFAs)作为瘤胃微生物的发酵产物可给动物机体提供能量,瘤胃上皮对SCFAs的吸收转运在瘤胃的健康发育中发挥着重要作用。本文对单羧酸转运蛋白(MCT)、阴离子交换蛋白(AE)、钠氢交换蛋白(NHE)、腺瘤下调蛋白(DRA)和假定离子转运蛋白(PAT)5种主要瘤胃上皮SCFAs转运蛋白进行综述,以期为研究反刍动物营养调控和瘤胃健康发育提供理论依据。
  01
  MCT
  1.1 作用机制
  被动扩散、碳酸氢盐通路、电导通路和硝酸根离子(NO3-)通路是瘤胃上皮对SCFAs转运吸收的主要方式,前3个通路都以NO3-通路为基础,但其具体机制尚未清楚。MCT是参与SCFA转运的主要蛋白,主要通过被动扩散方式转运SCFAs,即脂溶性SCFAs通过瘤胃壁间隙直接扩散进入血液(图1)。目前,14种MCT中仅有MCT1、MCT2和MCT4能转运SCFAs及其代谢物。MCT1主要分布在瘤胃上皮基底层,其分布位置有利于单羧酸及酮体向血液转运。MCT1和MCT4在瘤胃的表达量最高,但这2种MCTs在瘤胃各部位的表达量存在差异(瘤胃腹壁>瘤胃前庭>后背盲囊>瘤胃后壁)。此外,只有在伴侣蛋白CD147的协助下,MCT1和MCT4才能正常表达,MCT1和MCT4也能反过来调控CD147的正确表达。

  1.2 影响因素
  MCTs的表达水平受到饲粮和疾病因素影响。饲粮精粗比、谷物比例和纤维水平都会对MCTs的表达产生影响,饲粮精料比例提高时,反刍动物瘤胃上皮中MCT1和MCT4表达量显著提高,而翁秀秀研究发现低精料饲粮显著上调奶牛瘤胃MCT1表达量,这可能是因为精料的组成成分及比例不同或者动物个体差异导致的。增加日粮中谷物饲料比例可以提高瘤胃MCT1表达量,提高饲粮中中性洗涤纤维(NDF)比例会增加MCT2表达量,但降低了MCT4表达量,原因可能是饲粮NDF比例提高导致瘤胃上皮细胞棘突层与基底层加厚,而MCT1、MCT2和MCT3主要分布在瘤胃上皮的棘突层与基底层,在加厚的棘突层与基底层SCFA代谢就需要更高表达量的MCT2协作,但MCT4表达下调可能存在其他调控机制。饲喂纤维类饲粮可促进单胃动物后肠微生物发酵并增加后肠MCT1表达量。疾病也会影响MCTs的表达水平,当奶牛处于亚急性瘤胃酸中毒(Subacute Ruminal Acidosis,SARA)时,瘤胃上皮细胞中的MCT1可能受到抑制而不能正常表达,不能及时吸收转运SCFAs。Zhao等报道,发生SARA的奶牛瘤胃上皮MCT1表达下降。
  此外,MCTs的表达水平与瘤胃内pH及SCFAs浓度及激素水平密切相关。添加适宜SCFAs能够提高瘤胃上皮中MCT1和MCT4表达量,灌注或饲粮中添加乙酸、丙酸和丁酸能促进MCT1和MCT4的表达,显著提高瘤胃上皮对SCFAs的吸收。高健使用DMEM/F12完全培养基对1.5月龄波尔山羊的瘤胃上皮进行体外培养试验,分别添加15 mmol/L SCFA(乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠)处理瘤胃上皮细胞6、12、18、24 h,研究不同SCFA对SCFA转运基因的表达;徐巧云也使用完全培养基(含5%胎牛血清、0.1 mg/mL硫酸庆大霉素、10 ng/mL表皮生长因子等)对3月龄波尔山羊的瘤胃上皮组织进行体外培养,在3个处理组内溶液中添加1:1的缓冲液和瘤胃液以及15 mmol/L 的不同SCFA(乙酸、丙酸和丁酸),处理0、3、6、24 h,两人的研究结果都表明不同的SCFAs处理显著下调了MCT1和MCT4表达量,这可能是因为体外培养试验细胞生活环境中缺乏辅助蛋白CD147的协助或是动物个体差异造成的。研究发现,添加生长激素抑制素(Somatostatin,SST)能使肠上皮Caco2细胞膜上MCT1和CD147的表达水平增加,并加强MCT1与CD147的协同作用,从而增加肠道中SCFAs的吸收。性激素(雌二醇、孕酮和黄体生成激素)、γ 干扰素和肿瘤坏死因子α 也能下调MCT1的表达。
  02
  NHE
  2.1 作用机制
  NHE是一种膜上转运Na+和H+的载体,其主要通过被动扩散方式转运SCFAs。NHE共有10种构型(NHE1~NHE10),能快速地将胞内H+与胞外Na+以1:1的比例直接进行跨膜交换,对游离Na+的转运速度和细胞质pH有一定的调节作用。其中NHE1、NHE2和NHE3是吸收转运SCFAs的主要蛋白,集中分布在牛和羊的瘤胃上皮细胞,其活性与SCFAs的吸收率有关。SCFAs的快速转运及吸收作用都能稳定瘤胃液pH,当SCFAs进入血液到达瘤胃上皮时,SCFAs迅速解离出H+和SCFA-,胞内的H+浓度明显升高,激活NHE,调节胞内pH。未直接在细胞中解离出SCFA-的SCFAs经被动扩散转运进入细胞后解离出游离H+,调节细胞质pH并使其酸化,提高NHE表达量,提高Na+吸收速度,Na+被转运进入胞内,瘤胃内腔的H+被转运输出,故细胞质酸化与NHE活性增强相关。NHE1和NHE3共同将Na+导入细胞并同时将H+直接运输到瘤胃;NHE2也将部分Na+导入细胞并将H+直接输出到细胞外。NHE3通常与DRA或PAT1功能偶联,介导电中性NaCl吸收。
  2.2 影响因素
  NHE的表达受到饲粮、疾病、pH和SCFAs的调控,其活性还受到激素和酶等影响。饲粮精粗比是影响NHE表达水平的主要因素。NHE1、NHE2和NHE3的表达量和活性随饲粮中精料水平的增加而增加。奶牛在采食后2~5 h,MCT1和MCT4的表达量显著提高,这与奶牛采食后短时间内瘤胃SCFAs产生增加有关。通过限饲处理后,瘤胃上皮NHE3表达量上调。SARA会影响NHE的表达水平,与SARA耐受牛相比,SARA易感牛瘤胃上皮细胞NHE的表达量显著提高,SARA组瘤胃上皮细胞NHE1和NHE3表达量均显著高于对照组。添加SCFAs能显著增加NHE的表达量和活性,灌注或饲粮中添加乙酸能促进的NHE1和NHE3的表达。研究表明,低水平pH能促进NHE1和NHE3的表达,在此基础上添加SCFAs有利于提高NHE1、NHE2和NHE3的表达。NHE1的生物活性不仅受到细胞内pH和细胞激素(凝血酶、血清、EGF、血管紧张素II和溶血磷脂酸)的影响,还通过激酶(如丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶)和磷酸酶的直接磷酸化和去磷酸化来调节。NHE3活性受到转录调节、蛋白质磷酸化、蛋白质-蛋白质互作和运输的调节。
  03
  AE
  3.1 作用机制
  AE介导SCFAs的吸收转运主要通过碳酸氢盐通路来实现,SCFA-是目前SCFAs在瘤胃中的主要存在形式,通过AE介导能使SCFA-直接与HCO3-在瘤胃上皮进行交换,进入上皮细胞质基质内转运并进入血液,间接完成SCFAs的吸收过程。AE是位于瘤胃上皮细胞基顶膜中的一个SCFA-/H+交换转运载体,共有4种亚型AE(AE1~AE4),能实现HCO3-和Cl-的交换。AE2是AE家族中表达最广泛的一员,具有交换SCFA-与HCO3-的功能,有AE2a、AE2b和AE2c 3个变体,变体之间的差异仍在研究中。瘤胃SCFAs浓度能调控HCO3-的分泌量,而碳酸氢盐途径转运吸收SCFAs的速率随着瘤胃SCFAs浓度的增加而增加,随着浆膜侧HCO3-浓度的降低而降低。
  3.2 影响因素
  AE2的表达受到饲粮、pH和SCFAs浓度的影响。日粮能量水平和精粗比是影响AE表达的饲粮因素。随着饲粮能量水平的升高,瘤胃上皮细胞中 AE2 的表达量随之升高,而提高日粮精粗比会降低AE2表达量。瘤胃上皮细胞AE2的表达可能与pH和SCFAs有关。研究发现,AE2表达量随着pH的升高而升高。闫磊等在不同阶段分别给初产荷斯坦泌乳奶牛饲喂精粗比为4:6和7:3的全混合日粮,结果发现SCFAs浓度不会影响AE2的表达,而王忠豪等给荷斯坦奶公牛饲喂以全株玉米青贮为主、精粗比为40:60的全混合日粮,结果显示AE2与SCFAs浓度呈负相关,这可能是由于动物性别差异、饲粮组成不同导致,或者是瘤胃中SCFAs浓度对AE2的表达存在其他调控机制。
  04
  DRA
  电导通路是DRA对SCFAs吸收转运的主要途径,即瘤胃上皮基底层有Cl-介导为主的电通路吸收转运路径,且乙酸和丙酸也竞争性地被大量吸收转入血液。DRA是一种胃肠道特异性阴离子交换蛋白,主要作为Cl-/HCO3-交换器,即DRA能分泌HCO3-和吸收Cl-,SCFA-可替换Cl-被转运。DRA和MCT1之间有一个协同机制,NaCl的吸收受到DRA与NHE2和NHE3功能性偶联的双重调控,碳酸酐酶亦能影响DRA和NHE的偶联;DRA与囊性纤维化转运蛋白调节剂存在偶联机制以共同调节Cl-和HCO3-分泌。DRA的表达与饲粮能量水平和精粗比相关。饲喂高能量日粮的奶牛瘤胃上皮DRA的表达量增加,提高日粮精粗比会促进DRA的表达。
  05
  PAT
  PAT1是溶质载体基因家族成员,是SCFA-/HCO3-转运蛋白成员之一,对SCFAs的转运过程和DRA相同。PAT1具有很强的Cl-/HCO3-交换功能,故SCFA-替代Cl-的能力也较强,DRA和PAT1将碳酸氢盐从上皮细胞转出并转运进SCFAs中和酸。PAT1的表达受到饲粮(精粗比和能量水平)和SCFAs浓度的调控。提高日粮中精料比例会显著提高PAT1表达量,瘤胃上皮细胞中PAT1 的表达量随饲粮能量水平的提高而提高。饲粮或培养液中添加SCFAs,PAT1表达量显著上调。另外,添加和不添加SCFAs时PAT1均有表达,说明PAT1表达与瘤胃内SCFAs浓度没有特定性关联。这与前面的研究结果相反,可能是由于SCFAs 浓度未达到要求或者存在其他调控PAT1表达的机制。
  06
  小结与展望
  SCFAs是反刍动物生长的主要营养和能量物质来源,瘤胃上皮对SCFAs的吸收代谢能力与反刍动物的能量代谢和健康生长密不可分。本文对SCFAs转运蛋白的作用及影响因素作了总结归纳,发现提高饲粮精料比例、谷物水平和SCFAs有利于提高SCFAs转运蛋白的表达水平。随着生物信息学技术在动物营养领域中的不断应用和发展,研究瘤胃上皮SCFAs转运吸收相关蛋白在调节能量代谢、调控瘤胃pH和瘤胃微生物组成、调控反刍动物瘤胃发酵、减少胃肠道疾病和改善胃肠道健康等方面的内容有可能成为新的关注热点。此外,探究并阐明不同SCFAs转运蛋白(MCT、AE、NHE、DRA和PAT)之间存在的协作或拮抗机制也将是未来反刍动物营养调控领域所要面临的巨大挑战。
  作者简介:自玉杰(1998-),女,彝族,云南大理人,硕士研究生,主要从事反刍动物营养研究,E-mail:3410701374@qq.com;并列第一作者:和风(1991-),云南怒江人,学士,主要从事 畜牧兽医、畜牧技术推广,E-mail:837536065@qq.com*通讯作者:冷静(1972-),教授,博士研究生导师,主要从 事反刍动物营养研究,E-mail:2370140328@qq.com

文章来源:中国畜牧杂志     文章编辑:一米优讯     
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