酶制剂对营养吸收转运载体基因表达的调控

1前言

酶制剂在饲料中添加的研究和应用是目前生物技术在饲料工业中应用最受关注的领域，许多研究表明饲用酶制剂，特别是非淀粉多糖酶能提高畜禽生产性能，进一步的研究发现，非淀粉多糖酶可以提高营养物质的消化率，例如提高回肠氨基酸表观消化率，而且肠系膜静脉血清总氨基酸的含量显著上升。但是，非淀粉多糖酶在提高肠道可利用氨基酸的同时，是否能提高氨基酸转运蛋白的基因表达？这是饲用酶制剂发挥作用的分子生物学基础。Kaput等(2004)指出，日粮的化学组成可以直接或间接影响动物的基因表达。动物组织对于饲料成分以及营养水平变化的适应性反应在其对于这些营养物质转运的载体的类型和数量的变化(Humphrey等，2004)。因此，开展添加饲用酶制剂对营养吸收转运载体的基因表达影响的研究，将开拓酶制剂研究的新领域--酶制剂的分子营养学。另外，饲用酶制剂的应用，对传统的动物营养学说提出了挑战，如饲料配方、原料选择和营养需要量等方面需要重新研究或修正。为此，冯定远和沈水宝（2005）提出了饲料酶制剂的新理念“加酶日粮ENIV系统的建立和应用”，添加酶制剂时，饲料营养成分数据库在原有的营养成分的基础上，增加有效营养改进值，使酶制剂提高有效营养供应可以具体量化，可操作性更强。作为一种理论与实践的新理念和思路的探讨，是否有其基础和依据？最近几年，我们在酶制剂的分子营养学这一方面进行了一些初步的研究（谭会泽2006；谭会泽等2007）。本文以饲用非淀粉多糖酶在小麦型日粮中的应用，重点讨论添加非淀粉多糖酶对氨基酸吸收转运载体的mRNA表达的影响，并试图分析我们提出的加酶日粮ENIV系统的分子生物学基础。

2非淀粉多糖酶对肠道氨基酸吸收的影响

饲粮添加非淀粉多糖酶可以降低水溶性NSP所导致的食糜粘性，从而提高消化酶对底物的作用效率；还可作用于非可溶性NSP，破碎植物细胞壁，释放出营养物质；此外非淀粉多糖酶可以消除由于食糜粘性的增加而造成的肠道粘膜表面水层厚度增加。木聚糖酶的作用结果表现为提高了小麦型饲粮营养物质的消化率，即提高了肠道食糜中可被吸收的营养物质的量。高粘性的NSP可以使肠道粘膜细胞的分裂加速（Southon等，1985），而木聚糖酶在小麦型肉鸡饲粮中添加，可减少肉鸡消化系统的代偿性增生，改善肠道绒毛形态（于旭华，2004）。底物浓度的提高和消化道形态的改善有可能会影响到肠道上皮细胞营养物质转运蛋白的表达，因为在细胞的生长、发育和分化过程中，遗传信息的表达随着细胞内外环境条件的改变会加以调整，这就是适应性调控（adaptiveregulation）。我们的研究结果可以发现，木聚糖酶提高显著提高第三周的生产性能，提高了16日龄岭南黄肉鸡小麦型饲粮的回肠氨基酸表观消化率，且肠系膜静脉血清总氨基酸的含量显著提高，对碱性氨基酸赖氨酸、精氨酸和组氨酸的含量都有较大幅度的提高。但是，木聚糖酶在提高肉鸡肠道可利用氨基酸的同时，是否还能上调氨基酸转运蛋白的表达。在细胞适应性调控的过程中，转录水平的调控是关键，因此mRNA的表达丰度决定了动物及细胞对内外环境条件改变的适应能力。特定mRNA是由细胞在应答它所处的环境中合成的，细胞由此控制它所产生蛋白质的种类和数量。mRNA表达的水平在一定程度上可以衡量其相关蛋白的表达量。

对于饲粮因素影响肠道氨基酸转运载体表达的研究还未见报道。但是Humphrey等（2004)试验得出，动物组织对于饲料成分以及营养水平变化的适应性反应主要表现在对于这些营养物质转运的载体的类型和数量的变化。通过体外培养人肠道上皮细胞试验得出：在营养缺乏的情况下，细胞对谷氨酰胺和亮氨酸的转运降低，降低了Vmas而不影响Km值，结果说明营养缺乏降低了细胞膜上活性转运载体的数量，而转运载体对谷氨酰和亮氨酸的亲和力没有改变。体外培养肠道上皮细胞（Caco-2细胞系），在营养缺乏的情况下（用磷酸盐缓冲液培养），细胞ATB0mRNA的表达显著降低(Wasa等,2004)。

木聚糖酶可以消除木聚糖所造成的高粘性食糜，提高肉鸡对小麦型饲粮氨基酸的消化率，对肠道发育也有一定的影响。于旭华（2004）研究表明，在小麦型饲粮中添加木聚糖酶，使肉鸡小肠绒毛变短，而且绒毛顶端变细，木聚糖酶降低了小肠绒毛的代偿性增生。由此可以推测木聚糖酶可能影响肠道粘膜细胞氨基酸转运载体的表达量，从而增强粘膜细胞对氨基酸的吸收。由于细胞对于内外环境的变化可以作出适应性调节，表现为相关基因表达的改变。研究粘膜细胞上氨基酸转运蛋白基因表达的变化，可以直接研究其在粘膜上的表达量，也可以研究其mRNA的表达丰度，一般认为mRNA的表达丰度决定了动物及细胞对内外环境条件改变的适应能力。

3重要的肠道氨基酸吸收转运载体系统

近几年来，关于细胞氨基酸转运载体的研究取得了显著的进展，根据转运载体的底物特异性和动力学特性，目前已经鉴别确定的氨基酸转运系统有15种以上，并且编码这些转运系统相关蛋白的部分cDNA已被克隆出来。2004年鸡的基因组测序完成，相关氨基酸转运蛋白的mRNA序列被陆续公布，使得可以从基因水平来研究氨基酸转运载体的变化。粘膜细胞刷状缘上的氨基酸转运载体主要负责从肠腔中吸收各种氨基酸，而粘膜细胞基底膜上氨基酸转运载体则用来加速氨基酸在肠细胞和体内循环间的转移。如果肠腔中氨基酸的浓度低于上皮细胞或者相应毛细管床中氨基酸的浓度，其吸收转运功能必须与其它的能量源（如例子浓度梯度、电势等）相偶联才能发挥(Devés,1998)。目前，肠道粘膜细胞刷状缘顶端确定存在的转运系统有：Na+依赖型中性氨基酸转运系统B0(Munck和Munck,1999;Munck等,2000)，Na+依赖型中性和碱性氨基酸转运系统B0,+(Munck,1995)，Na+和K+依赖型酸性氨基酸转运系统XAG—(Munck等,2000)，H+驱动脯氨酸和甘氨基酸转运系统IMINO(PAT)(Chen等,2003)，Na+依赖型中性氨基酸转运系统ASC(Munck和Munck,1999;Munck等,2000;Avissar等,2001)，非Na+依赖型中性和碱性氨基酸转运系统b0,+(Palacin,1998;Munck等,2000;Torras-Llort等,2001)；肠道粘膜细胞基底膜部位确定存在的转运系统有：Na+依赖型中性氨基酸转运系统A和N(Wilde和Kilberg,1991)，Na+依赖型碱性氨基酸转运系统y+L(Desjeux等,1980)，非Na+依赖型中性氨基酸转运系统asc和L(Lash和Jones,1984;Wilde和Kilberg,1991)。

肠道氨基酸转运系统数量多，其转运底物（20种氨基酸）相互重叠。肠道碱性氨基酸的吸收机制如下(Kanai等,2000;Danniel,2002;Verrey等,2004)：在肠道粘膜细胞的顶端，转运系统b0,+发挥反向交换转运的功能，向细胞内转入碱性氨基酸和胱氨酸，同时交换出中性氨基酸。由于通常细胞内电势较低，以及在膜内外转运蛋白对底物结合力的不同，促使碱性氨基酸（带正电荷）向细胞内聚集。转运出的中性氨基酸通过粘膜细胞顶端的Na+/氨基酸共转运系统（尤其是系统B0，）在Na+驱动力作用下逆浓度梯度重吸收进细胞，中性氨基酸的浓度梯度进一步驱动系统b0,+反向转运功能。在上皮细胞的基底部位，系统y+L在Na+离子浓度梯度的驱动下，向细胞内转入中性氨基酸，同时转出碱性氨基酸进入血液循环。粘膜细胞中的中性氨基酸可通过系统L的转运蛋白LAT1、LAT2以及其它转运系统完成与血液间的交换。与系统b0,+和y+L不同，广泛存在的y+系统为反向加速的转运机制，主要功能是逆碱性氨基酸浓度梯度向细胞内聚集碱性氨基酸(Stein,1990)。

4非淀粉多糖酶对肠道氨基酸吸收转运载体mRNA表达的影响

因为木聚糖酶通过消除木聚糖的粘性，可以提高肠道中可被利用氨基酸的浓度，同时改善肠道绒毛的形态（于旭华，2004），但是否还会影响氨基酸转运载体的表达还没有报道。华南农业大学最近研究添加木聚糖酶对肠道中氨基酸转运载体mRNA表达的影响，根据生产性能、回肠氨基酸消化率和肠系膜静脉血清氨基酸含量，发现木聚糖酶显著提高了第三周的平均日增重（P<0.05），显著降低了料重比（P<0.05），同时，对16日龄回肠食糜氨基酸表观消化率有提高的趋势，显著提高了16日龄肠系膜静脉血清氨基酸的浓度（P<0.05），对血清碱性氨基酸均有大幅度提高，因此选取16日龄的试验肉鸡，采集空肠和回肠组织样，研究对照组和加酶日粮组碱性氨基酸转运载体mRNA表达的差异。研究发现，小麦型饲粮添加木聚糖酶，可显著提高岭南黄肉鸡空肠rBAT和CAT4mRNA的表达丰度，对空肠y+LAT2mRNA和CAT1mRNA的表达也有提高的趋势。对回肠rBATmRNA的表达没有影响，对回肠y+LAT2、CAT1和CAT4mRNA的表达有提高的趋势。结果表明，在岭南黄肉鸡小麦型饲粮中添加木聚糖酶可以上调空肠中部分碱性氨基酸转运载体mRNA的表达丰度，从而提高肠粘膜细胞对氨基酸的吸收转运的能力。木聚糖酶显著提高了空肠刷状缘上b0,+系统rBATmRNA的表达丰度，而对于基底部位的y+LAT2mRNA的表达没有影响，说明木聚糖酶对肠腔面生理形态的影响较大（谭会泽，2006）。

研究表明，在AA肉鸡小麦型饲粮中添加木聚糖酶，可以上调位于刷状缘的钠/葡萄糖共转运载体1（SGLT1）mRNA在十二指肠的表达丰度，并推测木聚糖酶可能通过影响内分泌的变化来增加小肠上段SGLT1的数量。我们推测木聚糖酶对于肠道氨基酸转运载体也有类似的影响。在肠道上皮细胞的碱性氨基酸转运系统中，系统b0,+和系统y+L分别分布于上皮细胞的刷状缘和基底部位，负责碱性氨基酸的吸收和转出。系统y+主要功能可能是维持细胞内碱性氨基酸正常代谢的水平，在肠道碱性氨基酸吸收中不起主要的功能（王修启2003）。木聚糖对肉鸡肠道葡萄糖转运载体mRNA表达时也发现木聚糖酶只上调了位于刷状缘的载体SGLT1mRNA的表达，而对于基底膜上的GLUT2mRNA的表达没有显著影响。木聚糖酶对于空肠系统y+的CAT4mRNA的表达也显著提高，可能原因是CAT4主要分布在粘膜细胞的刷状缘，但还没有直接的证据。木聚糖酶对于小肠远端碱性氨基酸转运系统相关基因的表达的影响没有近端显著，对于回肠rBATmRNA的表达没有影响，对于回肠y+LAT2、CAT1和CAT4mRNA的表达有提高的趋势。谭会泽（2006）的研究表明木聚糖酶可以上调饲喂小麦型饲粮岭南黄肉鸡空肠氨基酸转载体rBAT和CAT4mRNA的表达，是对木聚糖酶提高氨基酸利用率机理的进一步认识，但是上调相关基因表达的机理（信号传导通路）还不清楚。

添加木聚糖酶对肠道中氨基酸转运载体mRNA表达的影响，可能是由于细胞本身可以根据内外环境的变化作出适应性的条件，表现在对于营养物质转运的载体的类型和数量的变化(Humphrey等,2004)。王修启（2003）的研究表明，在AA肉鸡小麦型饲粮中添加木聚糖酶，可以上调位于肠道刷状缘的钠/葡萄糖共转运载体1（SGLT1）mRNA在十二指肠的表达丰度，并推测木聚糖酶可能通过影响内分泌的变化来增加小肠上段SGLT1的数量。谭会泽（2006）推测木聚糖酶对于肠道氨基酸转运载体也有类似的影响。

5加酶日粮ENIV系统的分子营养学机理

我们在饲料酶制剂的新理念“加酶日粮ENIV系统的建立和应用”中，在总结不同研究者结果的基础上，提出小麦在添加阿拉伯木聚糖酶时，蛋白质利用的改善程度为9.5–18%.即蛋白质ENIV值为1.3–2.5%；鸡代谢能改善程度为4.0-6.3%，即代谢能ENIV值为120-190kcal/kg（冯定远和沈水宝2005）。这一估计是否有其分子生物学基础？因为这一估计是基于营养的消化率。但是，营养的消化不等于营养的吸收和利用，只有吸收才能真正有效。

在我们最近的试验中，小麦型饲粮添加木聚糖酶，可显著提高岭南黄肉鸡空肠rBAT和CAT4mRNA的表达丰度，对空肠y+LAT2mRNA和CAT1mRNA的表达也有提高的趋势。对回肠y+LAT2、CAT1和CAT4mRNA的表达有提高的趋势。在岭南黄肉鸡小麦型饲粮中添加木聚糖酶同时可以上调空肠中部分碱性氨基酸转运载体mRNA的表达丰度，从而提高肠粘膜细胞对氨基酸的吸收转运的能力。其中添加木聚糖酶对岭南黄肉鸡空肠和回肠y+LAT2mRNA表达的影响加酶组空肠y+LAT2mRNA的表达丰度比对照组提高了20.77％。加酶组回肠y+LAT2mRNA的表达丰度比对照组提高了17.6％。添加木聚糖酶对岭南黄肉鸡空肠和十二指肠CAT1mRNA表达的影响加酶组空肠CAT1mRNA的表达丰度高于对照组12.58％。加酶组回肠CAT1mRNA的表达丰度高于对照组17.56％。添加木聚糖酶对岭南黄肉鸡空肠和回肠CAT4mRNA表达的影响添加木聚糖酶组，相对于对照组，显著提高了空肠CAT4mRNA的表达丰度。回肠CAT4mRNA的表达提高了13.35％。在所研究的几种重要氨基酸吸收转运载体mRNA的表达中，表达丰度提高了12.58–20.77%（谭会泽2006）。这与我们原来估计的小麦蛋白质利用的改善程度为9.5–18%的范围比较接近（冯定远和沈水宝2005）。当然，氨基酸吸收转运载体mRNA表达丰度的提高与蛋白质利用的改善程度并不完全是同一概念，但至少说明了添加木聚糖酶提高蛋白质利用是有其分子生物学基础的。应该指出，有关这方面的研究还有很多工作要做，这里的讨论只是提供了一种思路。