營養(yǎng)調控與基因表達

關于營養(yǎng)調控與基因表達第1頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六

隨著分子生物學的發(fā)展及其在營養(yǎng)學中的應用,從分子水平上弄清養(yǎng)分的代謝過程和規(guī)律,準確確定動物群體及個體的營養(yǎng)需要,掌握養(yǎng)分攝入過量及缺乏的后果,預防和治療營養(yǎng)代謝疾病以及解決其他營養(yǎng)問題將成為可能。營養(yǎng)與基因表達的關系及其作用機制已成為分子生物學的重要研究內容及營養(yǎng)學的新興研究領域。該領域的研究在過去5～10年中取得了較大進展。營養(yǎng)和基因表達的一般關系表現(xiàn)為兩個方面:一是養(yǎng)分的攝入量影響基因表達;二是基因表達的結果影響?zhàn)B分的代謝途徑和代謝效率,并決定營養(yǎng)需要量。第2頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Animalperformance(meat,milk,egg,wool,etc)(growth,development,etc)Genotype(geneonchromosome)Environment(nutrition,

ambient,management)Inter-relationshipsbetweengenotype,environmentandanimalproduction第3頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六

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

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研究表明,營養(yǎng)對基因表達的作用主要發(fā)生在轉錄或翻譯前水平上,對翻譯后的影響較小(Berdanier,1998)。研究表明,真核細胞的mRNA的5’和3’端的堿基不能翻譯成蛋白質,稱為非編碼區(qū)(UTR)。UTR含有控制mRNA的腺苷聚合、穩(wěn)定性、在細胞中的分布定位以及翻譯的調節(jié)信號,對基因表達的調節(jié)起著核心作用(Kozak,1992;Choi,1995)。養(yǎng)分對基因表達的調控作用是通過UTR,特別是3’UTR實現(xiàn)的。第5頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六NutrientintakeGeneexpressionDNARNAproteinNutrientuptakepathwayandmetabolismNutrientrequirementInter-relationshipsofnutritionandgeneexpression第6頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Which

genes,particularlythoseinvolvedincontrolofmetabolism,growthandpartitionareregulatedbynutrition?Howdonutrientsanddietregulatetheexpressionofspecificgenes?HowistheexpressionofspecificgeneproductsinvolvedinmetabolismandchannellingofnutrientsFundamentalquestions第7頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六DietaryconstituentDirectregulationPhysiologicalmodulationSecondarymediatorRegulatedtranscriptionmRNAProteinResponsivegenesRegulatedtranscriptionDirectandindirecteffectsofnutritiononregulationofgeneexpression第8頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六DNARNA3’polyadenylationtranscription5’CapAAA200SplicingAAA200MaturemRNANucleusCytoplasmPlasmamembraneExons1 2 3 4PromoterSomemicronutrientshormonesSignaltransductionpathwaysIntracellularreceptorsAAAmRNATranslocationPolyribosomesProteinTranslation第9頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六CriticalcontrolpointsTranscriptionalregulationActivation,transcriptionalspeedPost-transcriptionalregulationmRNAprocessing(splicing)mRNAtransportation,localizationmRNAstabilitymRNAtranslationPost-translationregulation第10頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Post-transcriptionalcontrolofgeneexpression(3)(1)(2)第11頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Regulatorysignalsintheuntranslatedregionsandtheirinteractionswithnutrition第12頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六InteractionbetweennutritionandgeneexpressionNutritionalregulationofgeneexpressionMolecularbiologicalapproachestonutrient-geneinteractions

Effectsofenvironmentalfactorsonnutrient-geneinteractions第13頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Principles:

isolation&estimationofmRNAmRNAistheprimaryproductofageneandmediatesitsexpressionasprotein.Inmanyinstances,nutrienteffectsontheexpressionofproteinreflectchangesintheconcentrationoftheirmRNA.ItisalsofrequentlyeasiertodeterminemRNAconcentrationsthantoestimatethecorrespondingproteins.第14頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六mRNAcanreadilybeconvertedintotheirequivalentDNAbyfirstsynthesizingacomplementarystrandofDNA(cDNA)andthenasecondstrandcomplementarytothefirst.DNAismucheasiertomanipulatethanRNAinplasmidsorbyPCR.ThecDNAcanbesequencedtoproteinsequenceinformationwhichcanusedinstructuralstudiesandindevelopmentofimmunologicalmethodsofproteinestimation.Principles:

isolation&estimationofmRNA第15頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六ThesynthesisofindividualmRNAisrarelybydirectinteractionofanutrientwithagene.Instead,controlisgenerallymediatedthroughoneormoreproteinsreferredtoastranscriptionfactors.Thesebindtoregulatoryregionsofthegeneanddeterminetheefficiencyofitstranscription.Principles:

isolation&estimationofmRNA第16頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六MaintechniquesHybridizationIsolationofmRNAProbesEstimationofmRNANorthernblottingRibonucleaseprotectionaaasyPCR,realtime-PCRDNAsequencingCloneImportant

understandinghowanutrientinfluencesexpressionofaparticulargenerequiresastudyofthefactorswhichbindtothatgene’sregulatoryregion第17頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六InteractionbetweennutritionandgeneexpressionNutritionalregulationofgeneexpressionMolecularbiologicalapproachestonutrient-geneinteractionsEffectsofenvironmentalfactorsonnutrient-geneinteractions第18頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Animalperformance(meat,milk,egg,wool,etc)(growth,development,etc)Genotype(geneonchromosome)Environment(nutrition)Inter-relationshipsbetweengenotype,environmentandanimalproductionambientmanagement第19頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Nutritionandgeneexpression第20頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六FeedindustryAnimalproductionEffluentLessslurryLessodourAnimalbiotechnologyConsumerproducts-MilkMeatEggFishMicrobialbiotechnologySilageinoculantsProbioticsEnzymes

AminoacidsGrowthenhancersEnvironmentalbiotechnologyChemicalorbiotechnologypre-treatmentConservationChemicalorbiotechnologypre-treatmentBetterproteinoraminoacidsCurrentcropsPlantbiotechnologyBy-productsConsumerproducts-

FlourWhiskyBeerFood/drinkindustryChemicalindustryChemicals

StarchGlutenAdhensivesOilsBy-products第21頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六一、能量蛋白質對基因表達的影響

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促進生長的最重要的介導物(Cohick,1993)。哺乳動物體內存在另一種IGF,叫IGF-Ⅱ,主要在胚胎和胎兒組織產生,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)。能量蛋白質對生長調節(jié)基因表達的影響可能具有組織特異性。第22頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六二、氨基酸對基因表達的影響

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

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

Bruhat(1997,1999)用人體細胞培養(yǎng)證明,低濃度的亮氨酸明顯提高CHOP基因的表達,其機制是提高了基因的轉錄率和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CHOP的表達。Wang(1996)認為,氨基酸缺乏導致基因表達的改變并不是氨基酸本身的作用,而是氨基酸濃度下降導致異常蛋白質合成的結果。但Bruhat(1997,1999)認為,低濃度氨基酸誘導CHOP的表達不是細胞應激的結果,而是氨基酸本身的直接作用。他們已經找到了CHOP基因上氨基酸缺乏時促進轉錄的兩種轉錄因子。氨基酸調控CHOP基因表達的作用機制還需深入研究。

第23頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六三、脂肪酸對基因表達的影響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的變構抑制劑)外,脂肪可以調節(jié)生脂酶的表達是抑制生脂作用的重要原因。

LCFA是通過肉堿棕櫚酰轉移酶(CPT)系統(tǒng)進入線粒體內進行氧化供能的,而CPT系統(tǒng)主要由位于線粒體膜外側的CPTⅠ和位于膜中間的肉堿-?；鈮A轉移酶以及位于膜內側CPTⅡ等三部分組成,在這個過程中CPTⅠ是控制LCFA進入線粒體的主要位點(McGarry等,1989)。進入線粒體后的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利用的關鍵環(huán)節(jié),而它們的基因表達又受到日糧中LCFA的調控。第24頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六

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,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。魚油中的脂肪酸抑制作用最強。18:2(n-6)和18:3(n-3)必須經過脫飽和作用分別轉化為18:3(n-6)和18:4(n-3)后才具有抑制作用(Clarke,1990)。第25頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Raclot(1999)總結了不同PUFA對基因表達的調節(jié)作用,并認為PUFA對特異基因表達的調控具有組織特異性和作用位點特異性。PUFA的主要作用機制是抑制基因轉錄,降低mRNA水平。研究表明,PUFA可直接與基因上的轉錄因子結合。目前已經鑒定出了S14和L-PK基因上PUFA的作用位點(Jump，1999;Liimatta,1994)。第26頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六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:胰島素反應性葡萄糖轉運蛋白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/促進子結合蛋白α,PPARα:過氧化質體增殖激活受體α,aP2:脂肪細胞脂質結合蛋白,ATP-CL:ATP-檸檬酸裂解酶,G6PDH:6-磷酸葡萄糖脫氫酶;第27頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六葡萄糖轉運蛋白

葡萄糖只有在葡萄糖轉運蛋白的作用下進入細胞膜后才能進一步代謝。已知動物體內存在多種葡萄糖轉運蛋白(從GLUT1到GLUT5,GLUT7)。編碼這些蛋白質的基因的表達程度決定了葡萄糖進入細胞的數(shù)量。

第28頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六

Long1996)、Tebbey(1994)等的研究表明：脂肪酸,特別是花生四烯酸(ADA)是脂肪細胞葡萄糖轉運系統(tǒng)的生理調節(jié)物。ADA可以抑制T細胞中硬脂酰-CoA脫飽和酸(Long,1996)、肝臟脂肪酸合成酶(Clarke,1992)、3T3-L1脂肪細胞中GLUT4(Tebbey,1994)等基因的轉錄率。Tebbey等(1994)證明,ADA可以調節(jié)GLUT4基因的表達。將完全分化的3T3-L1脂肪細胞放入ADA中培養(yǎng)48小時,則GLUT4mRNA的量下降了90%,其原因是GLUT4基因的轉錄下降了50%,GLUT4mRNA的穩(wěn)定性也明顯降低。第29頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六四、碳水化合物對基因表達的影響

高碳水化合物飼糧促進脂肪的合成,其作用涉及基因轉錄、mRNA的加工和穩(wěn)定性(Katsurada,1990;Clarke,1992;Towle,1997)。大鼠肝細胞在蔗糖介質中培養(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-磷酸乙酰轉移酶、硬脂酰CoA脫飽和酶等基因表達的促進作用也是發(fā)生在轉錄調節(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30頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六

碳水化合物中起調節(jié)作用的關鍵成分是葡萄糖,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果。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)是肝和腎中糖元異生的關鍵酶,它的基因轉錄區(qū)起始位點上游500bp內含有許多調節(jié)單元,可與代謝信號相呼應;該基因的表達可受到日糧營養(yǎng)成分的調控。營養(yǎng)成分對PEPCK的調控主要是通過與其啟動子作用而實現(xiàn)的。有人認為,葡萄糖的直接作用是關鍵,胰島素對生脂基因的調節(jié)是通過葡萄糖實現(xiàn)的(Ferre,1999)。當日糧中含有大量糖類時,由于胰島素的作用而抑制了PEPCK基因的轉錄,導致其水平下降。當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可能需要葡萄糖與激素的協(xié)同作用(Clarke,1992;Vaulont,1994)。第31頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六五、礦物質和維生素對基因表達的影響第32頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六第33頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六鐵：鐵的吸收與轉運需要運鐵蛋白及其受體的參與,而鐵蛋白是鐵在體內的貯備形式和高劑量鐵的解毒形式,兩種蛋白的表達均受翻譯后調節(jié)機制的調控。運鐵蛋白受體mRNA的3’UTR上含有鐵調節(jié)區(qū)(IRE)。缺鐵時,鐵調節(jié)蛋白(IRP)就與IRE結合,保護mRNA使其不被RNA裂解酶降解,從而提高運鐵蛋白受體的水平。當有鐵存在時,IRP就脫離mRNA分子,失去保護的mRNA不穩(wěn)定,其翻譯率下降,從而導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錄調節(jié)因子,使運鐵蛋白基因的表達具有明顯的組織特異性。第34頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六第35頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六硒

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節(jié)硒蛋白的含量與活性,而且可以調節(jié)相應的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結構的差異是決定mRNA翻譯程度及對硒缺乏的敏感性的關鍵因素(Bermano,1996b)。第36頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六ThyroidAntioxidantXenobioticmetabolismImmunityFertilityMyopathiesAnticancerIll-thrivengrowthH|

Se|CH2|CH/\…HNCO…MetabolicpathwaysanddiseaseassociatedwithSeinanimals.AtphysiologicalpHover99%oftheSeintheformSe-whichcanactasanefficientredoxcatalyst(Combs&Combs,1986)第37頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六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38頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Weightgainincatfishfedacasein-baseddietsupplementedwithsodiumselenite,selenomethionineorselenoyeast(Se-Plex50)(LovelandWang,1997)第39頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六Glutathioneperoxidase(GSH-Px)andSecontentinliverofcatfishfedacasein-baseddietsupplementedwithsodiumselenite,selenomethionineorselenoyeast(Se-Plex50)(LovelandWang,1997)第40頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六第41頁，共45頁，2022年，5月20日，4點29分，星期六鋅：

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

Cui(1998)用大鼠試驗表明,飼糧缺鋅可明顯降低肝