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分子生物学技术在动物营养学上的应用及其发展前景的论文

来源:www.verywind.com   来自:网友交流   更新日期:2018-04-24
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分子生物学技术在动物营养学上
的应用及其发展前景(上)
摘要:本文从营养与基因表达调控、基因工
程、转基因等三个方面综述了分子生物学技术在
动物营养学中应用的最新进展,并对动物营养学
的发展前景作了展望。
自从发现双螺旋结构以来,分子生物学取得了飞跃性的发展,
形成了以基因工程为主要内容的的现代分子生物
学技术@在生物学、医学等研究中得到广泛的应用,
几乎渗透到生命科学的每一个领域,成为研究和
揭示生命现象本质和规律的一种重要工具。当前,
世界各国都将分子生物学纳入本国科技发展的重
点,可以预见,"21世纪将是生命科学的世纪,全世
界所共同面临的许多重大问题,诸如饥饿与营养、
疾病、能源与环境污染等问题的根本解决,在很大
程度上将依赖于分子生物学技术的发展和应用。
及时全面的了解和掌握分子生物学理论和技术的
发展天易娱乐登陆及研究热点,将具有重要的意义。
就目前来看,我国动物营养学方面的研究工
作基本尚处在机体水平:即在机体水平上研究各
种营养素对机体的作用、在机体内的代谢与平衡、
影响机体吸收营养素的因素等问题。分子水平方
面的研究还刚刚起步,尚处于初级阶段。动物机体
的生理病理变化,如生长发育、新陈代谢、遗传变
异、免疫与疾病等,就本质而言,都是动物基因的
表达调控发生了改变的结果,许多生理现象的彻
底阐明,最终需要在基因水平上进行解释,所以动
物营养学的各方面研究应与分子生物学技术,尤
其是基因工程技术相结合,从分子水平上来解释
各种营养素对机体的作用机制、动物机体的生理
病理变化等问题,这也是动物营养学今后发展的
必然趋势之一。
*营养与基因的表达调控
随着分子生物学技术不断发展,越来越多与
代谢有关的动物基因被克隆和鉴定,人们对营养
与基因调控的关系越来越感兴趣。营养与动物基
因表达调控的研究已成为当今动物营养学研究的
一个热点领域;如何通过改变日粮组成成分来调
节体内相关基因的表达,从而使动物体处于最佳
生长状况已成为现代动物营养学研究的重点;通
过营养对动物基因表达的调控途径及其机制的研
究,将为人们如何更加有效地对某些特定有益基
因的表达提供理论依据。已有大量证据表明,主要
的营养物质如糖、脂肪酸、氨基酸以及一些微量元
素(如锌)对动物体内许多基因的表达都有影响。
!"!营养对磷酸烯醇式丙酮酸激酶
基因表达的调控
PEPCK是动物肝和肾中糖元异生作用的关
键酶,目前较为研究清楚的是日粮中糖含量对
PEPCK基因表达的调控。
糖类对PEPCK的调控主要是通过对其启动
子的作用,当动物进食含有大量糖类的饲料时,
PEPCK的启动了就会关闭,从而导致ABA8C水平
大幅度下降,而当禁食或饲喂高蛋白质低糖的饲
料时,PEPCK的启动子就会处于打开状态,从而
PEPCK水平得到大幅度提高,其具体调控机制大
致如下:?556D4(*0)#)等通过对大鼠ABA8C基因
的分析表明,ABA8C基因启动子位于1 E+.至F
#,之间,其中包含了大多数激素调控基因转录所
必需的组织特异性调控元件。日粮中糖的含量水
平会影响胰岛素、;?GA等激素的相对水平,而胰
岛素与;?GA等激素相对水平又会影响到特异性!"#!
转录因子的活性,特异性转录因子与$%$&’启动
子上的相应调控元件结合与否,又会影响$%$&’
基因的表达(,)。现有大量证据表明,$%$&’基因
一系列复杂的调控元件中,有包括胰岛素、甲状腺
激素、糖皮质激素、视黄酸对$%$&’基因转录的
正调控元件和胰岛素对$%$&’基因转录的负控
调元件,在上述调控元件中,*+,$调控元件-&.
%/和$(-0/调控元件是最重要的两种,*+,$对
$%$&’基因的诱导和胰岛素对$%$&’基因的抑
制作用就是通过这两个调控元件来进行调控的。
因此,当进食含大量糖类的饲料时,由于*+,$水
平的急剧下降以及胰岛素水平的急剧上升,从而
抑制$%$&’基因的表达,导致肝中$%$&’水平
大幅度下降,当禁食或饲喂高蛋白低糖的饲料时,
则情况恰好相反。
!"#营养对脂肪酸合成酶($%&)基因表达的
调控
1+2是脂肪酸合成的主要限制酶,存在于脂
肪、肝脏及肺等组织中,在动物体内起催化丙二酰
&3+连续缩合成长链脂肪酸的反应,其活性高低
将直接控制着体内脂肪合成的强弱,从而影响整
个机体中脂肪的含量。有关营养与1+2基因的表
达调控,2!4!&56789-:;;(/曾报道:糖类能诱导1
+2基因的转录,而脂肪则抑制这种诱导的表达。
&3<=9等(:;;>)试验研究也表明,当给禁食后的
成年鼠饲喂含高糖低脂肪的饲料时,1+2基因的
表达就增强,而且相应的?.@+含量的增加幅度
与碳水化合物的摄入量也成正比。
糖类对1+2基因表达的影响。为区分活体中
激素水平变化的协同作用,13<A9559-:;;B/通过体
外细胞培养的方法研究葡萄糖和胰岛素等激素的
作用效果。研究表明,加入葡萄糖和胰岛素的脂肪
细胞培养组织中,1+2的?$@+水平相对于对照
组提高"#C;单独添加葡萄糖相对于对照组则提
高了DC,而单独添加胰岛素则没有效果。因此我
们可以得出结论,葡萄糖对1+2基因的表达调控
可以通过与胰岛素的协同作用而得到显著提高。
另外,有关研究表明,(E F E甲基葡萄糖(一种葡
萄糖类似物,不能被已糖激酶磷酸化)不能激发1
+2基因的表达,这表明葡萄糖必须通过中间代谢
环节才能对1+2基因的表达调控起作用,因此对
于弄清楚是由葡萄糖哪个代谢产物来作为启动基
因的表达信号尤为重要。13<A9559-:;;"/认为,G E
磷酸E"E脱氧葡萄糖在脂肪组织中有类似葡萄
糖的作用,能激发1+2基因的表达,且:?,的作
用效果等同于">?,葡萄糖的作用效果。最近
H3I73J等-:;;G/试验研究也表明,在成年大鼠肝
细胞培养物中G E磷酸E"E脱氧葡萄糖水平与
1+2的?.@+含量呈正相关。因此G E磷酸E"E
脱氧葡萄糖极有可能是参与1+2基因表达的重
要中间代谢物。
脂肪对1+2基因表达的影响。&56789-:;;(/
的研究表明,脂肪抑制1+2基因表达主要与脂肪
抑制1+2基因转录的能力和脂肪中脂肪酸的碳
链长度、双键位置和双键的数量有关,饱和脂肪酸
和(J E;)族脂肪酸不能抑制1+2基因的表达,多
不饱和脂肪酸($K1+)中的-J E G/和-J E(/族脂
肪酸是1+2基因的有效抑制剂,研究表明,日粮中
$K1+可使1+2?.@+的水平降低D>C E;>C。
蛋白质对1+2基因表达的影响。,I5LJ97
-:;;:/研究表明,高蛋白饲粮将抑制猪脂肪组织
中1+2基因的表达,脂肪组织中1+2基因的?.M
@+的含量会显著下降:用蛋白质含量分别为:)C、
:#C、")C的日粮饲喂G>E::>8N的肥育猪,其脂
肪组织中1+2?.@+的含量分别下降了#!:)C、
::!D(C和)#!"C。由此可见日粮蛋白质将会影响
脂肪组织中1+2基因的表达,但这种调控具体发
生在哪个水平及其作用机理目前还不清楚。
!"’营养对()*+,*基因表达的影响
长期以来,我国商品猪的瘦肉率较国际优良
品种低,而目前常规的育种方法已很难使之有大
幅度的提高。因此OP6JN等(:;;))小鼠3Q基因的
克隆成功为这方面的研究提供了新的思路。由于
R9=SIJ基因具有可以大大降低动物体脂含量这一
特性,因此通过营养对R9=SIJ基因表达调控的研
究,将有助于深入了解R9=SIJ对动物体重的调控
机制。王方年等(:;;;)研究表明,浓度从B??35 T
R到:>??35 T R葡萄糖可以显著地促进脂肪细胞
中59=SIJ基因的表达。
!"-营养与神经肽.(/0.)基因表达的影响
@$U是一种含(G个氨基酸残基的生物活性
多肽,在体内具有收缩血管、影响激素分泌、调节
生物节律及摄食行为等多种生物学功能,其中促进动
物采食是@$U最主要的功能之一。试验研究表
广东饲料第;卷第G期">>>年:"月综述广东饲料第#卷第$期"%%%年&"月综述
明,限饲特别是限制能量采食将会显著提高’()
在下丘脑中的表达量,*+,-.等(&##/)在限饲、低
碳水化合物、低脂肪、低蛋白质日粮组成的试验条
件下,发现下丘脑中’()0 1’2显著提高345。
!"#微量元素对基因表达的调控
&!4!&锌对基因表达的调控
锌作为动物体的一种必需微量元素,具有增
强机体免疫功能、促进细胞增值分化、参与核酸蛋
白质代谢、维持细胞周期正常进行等生物学功
能。上述作用以前曾被认为主要是由于含锌酶活
性的改变以及对细胞信号传导系统产生影响的结
果,但近年来的研究表明,事实并不如此,锌主要
是通过对基因的转录和表达的影响而产生一系列
的生物学效应。6,7+.89.:;&##<=认为,锌离子是
>’2聚合酶的一个重要组成成分,锌对于维持>
’2聚合酶的活性具有相当的重要性;另外锌通过
影响1’2聚合酶活性及转录因子的作用,能够导
致基因转录异常,从而使蛋白质表达也发生变化;
还有饲料中锌的含量,可以通过影响金属调节蛋
白的转录活性而影响金属硫蛋白(6?)基因的表
达,@A88,BC:等(&##3)认为可将6?基因的表达量
作为体内锌状况的重要衡量指标。67’C88;&##4=
发现低锌日粮限制动物生长的直接原因是由于低
锌抑制了体内DEF G D、EH受体、EH结合蛋白等
基因的表达。
&!4!"其他微量元素对基因表达的调控
镉、铜、汞等元素的增加将显著提高6?基因
的表达量。I+JA;&##/=研究表明高铜将显著提高
体内EH基因的表达水平。IC+K,:L.K等(&#M$)认
为铁可以通过控制01’2的稳定性和翻译过程,
调节铁蛋白的水平。
"基因工程技术
所谓基因工程,就是按照人们的意愿在体外
获得目的基因,再按预先的设计,在体外将目的基
因进行酶切连接,构建成适当的表达裁体,然后导
入细菌或动物细胞或机体内,以研究该目的基因
的结构与功能、表达的调控机制、或者获得该基因
的表达产物。分子生物学技术的核心就是基因工
程,而基因克隆和表达是基因工程的核心技术。下
面就抗菌肽、植酸酶,甜菜碱等,对基因工程技术
在动物营养学领域中的应用作一简单阐述。
$"!抗菌肽基因工程
自从NJ0C:等(&#M&)首次从美国惜古比天
蚕;HOC8JP+JKC 7.7KJP,:=中成功地分离到两种抗
菌肽蚕素(7.7KJP,:)2和N后,国内外很多科学家
对这一类抗菌肽进行了深入细致的研究,发现在
许多昆虫、植物、哺乳动物中均有这样的多肽存
在,它们由<%多个氨基酸残基组成,不同来源的
多肽的氨基酸序列具有较强的保守性且共同具有
如下特点:(&)’端由碱性氨基酸残基组成;(")Q
端均酰胺化;(<)绝大多数多肽在第二位均为?KP,
它对杀菌活性至关重要;(/)它们都有较广的杀菌
谱。其抗菌机制大致如下:抗菌肽作用于细菌的细
胞膜,破坏膜的完整性,造成离子通道,最终导致
细胞内含物的泄漏。由于抗菌肽具有广谱杀菌作
用、相对分子量较小、热稳定、水溶性好等优点,更
为重要的是抗菌肽对真核细胞几乎没有作用,仅
仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞,在目
前不少病原菌对原有抗生素逐步产生耐药性,尤
其是肉用动物长期使用抗生素受到严格检查和批
评时,对畜禽体内自然产生的抗菌肽功能的了解
以及设计一种方法来调节动物体内自然抗菌肽的
功能便显得极为重要,其中通过抗菌肽基因的克
隆与表达而大量生产抗菌肽是一种较为直接而有
效的方法。目前昆虫和植物抗菌肽基因工程,在国
内外已有不少成功的报道,但就畜禽抗菌肽基因工
程国内外尚未见报道。因此,运用基因工程技术,通
过对畜禽抗菌肽的研究,对提高畜禽的抗病能力、减
少甚至替代抗生素的使用将起积极的促进作用。
目前,猪抗菌肽((1 G<#)已被发现(8..等,
&#M#),它是一个分子量为/3&#道尔顿的肽,从猪
肠中分离,属于富含(KJ G 2KL的肽家族,不裂解野
生型大肠杆菌,但对突变型R&"有作用,其作用机
制是通过阻断蛋白质和>’2的合成,从而导致这
些成分的降解。(1 G<#在一个单层囊泡中可以诱
导钙的降低和电流的线性增加,此诱导与肽浓度
和膜上甘油磷酸脂(带负电荷)有关。另外在猪小
肠中,还发现另一种抗菌肽7.7KJP,:(&,它是以裂
解细菌来完成杀菌作用的。2:S.K99J:;&##4=运用
基因工程技术从猪骨髓1’2中克隆到一种新型
的7>’2,其编码一个3M残基的抗菌肽’R G 8O9,
:,有三个分子内二硫键,这种肽对’R G敏感型的
肿瘤细胞株)2Q G&有裂解活性,但不裂解红血
球细胞。;
!"#!
分子生物学技术在动物营养学上
的应用及其发展前景$下%
郑家茂赵国芬许梓荣
!"!植酸酶的基因工程
植酸酶的研究已有近.’年的历史,植酸酶作
为一种单胃动物的饲料添加剂,其饲喂效果已在
世界范围内得到广泛的确证,随着饲料工业的发
展和分子生物学的兴起,从(’年代开始的植酸酶
的分子生物学研究,已成为世界性的研究热点之
一。目前国内外研究的主要思路集中在通过基因
工程这一手段解决饲用植酸酶的两个主要问题:
一个是植酸酶在天然材料中表达水平太低,这造
成植酸酶难以大量生产及生产成本过高的问题,
通过基因工程技术,利用生物反应器则有望成百
上千倍地提高它的表达量;另一个问题是天然植
酸酶的一些酶学性质,如耐温性,/0适性、催化活
性等不能完全适合饲料加工业和养殖业的要求,
利用基因工程手段在分子水平上对植酸酶基因进
行改造,从而提高其在饲料中使用的有效性。
#!#!&在微生物中高效表达植酸酶基因
目前,植酸酶基因表达的研究主要集中在来
源于曲霉的植酸酶基因/123和/425上。06789
:;<=>?4@8等$&(("%将来源于3!A:BCDDEFFG"&"-
的/123基因导回原菌株,使/12基因的拷贝数增
加到&-个以上,从而使植酸酶的表达量提高到
,H’’C I D4。J174:B1等(&((-)在3!K72L6?中表达来
源于酵母的植酸酶基因和来源于3!;:<?7,H#的
/125基因,其结果也是使表达量分别提高到M.’
C I D4和,-’C I D4,将植酸酶基因/123置于来源
于3!;:<?7的淀粉葡萄糖甘酶$3N%启动子之下,
信号肽序列分别用3N信号肽的&M个氨基酸序
列、3N信号肽的#.个氨基酸序列及植酸酶原来
的信号肽序列"种构建,将植酸酶基因重组到3
;:<?7基因组中而获得植酸酶基因的阳性克隆子
在这"种构建中其植酸酶在重组菌株中的表达量
分别达到了&!&O’!-O#!M P&’-C I D4,比原植酸酶
产生菌株的表达量高约&’’’Q"’’’倍左右。
#!#!#植酸酶热稳定性
加工饲料都需要一个制粒工艺,在制粒过程
中有一个短暂的高温过程,温度一般在,-
("R,一般植酸酶在此高温下会大幅度地丧失活
性,因此,能在饲料中真正推广利用的植酸酶必须
具有良好的热稳定性;然而另一方面饲料中的植
酸酶最终的作用场所却是动物正常体温(",R)的
肠胃中,植酸酶同时又必须在常温下具有较高活
性,因此,如何解决在制粒高温和在动物正常体温
下同时具有较高酶活性这一对矛盾是目前饲用植
酸酶应用的关键性技术环节,通过基因工程技术
对植酸酶基因在分子水平上进行改造将是一个强
有力的手段。近年来,已从嗜温微生物中发现多种
高温植酸酶,对它们的结构与热稳定性的研究将
为植酸酶基因的分子改造提供理论依据。
#!#!"植酸酶基因工程的一个新突破点
假设在一些植物性饲料$如玉米、大麦、大豆
等%中本身就含有足量的植酸酶,如果在饲喂过程
中,植酸酶在动物的肠胃中释放出来降解饲料中
的植酸磷,这岂不是一举两得,即省去了植酸酶添
加剂的生产,又省去了在饲料中植酸酶的添加,这
无疑是植酸酶应用的最佳方法。随着分子生物学
技术的发展,这一“天方夜谭”的假设将成为现
实。目前,科学家们已经开始尝试这一方面的研究
并取得了阶段性的进展,其主要思维路线如下:将
植酸酶基因通过基因工程技术转化到用作饲料的
玉米、大豆、大麦中,培养出高含植酸酶的大豆、玉
米、大麦。目前国外许多研究机构都在尝试此项工
)中图分类号*SM&H!")文献标识码*5)文章编号*&’’-!MH&"$#’’&%’&!’’"#!’#作,预计近期内会取得突破性进展。
#!"甜菜碱基因工程
甜菜碱$%&’()*&+是广泛存在于动植物体内的
季铵型生物碱。近年的研究表明,甜菜碱是一种高
效、安全的营养再分配剂,添加于饲料中,可以显
著提高畜、禽胴体瘦肉率、减少脂肪沉积,并可改
善肉质,在养殖工业上应用前景广阔。但就甜菜碱
本身而言,目前国内的甜菜碱生产均是通过化工
工艺合成,通过基因工程手段来获得甜菜碱方面
还是空白,国外近年来已开始这方面的研究。
许多细菌和植物中由胆碱经两步氧化而成甜
菜碱,合成代谢途径已经阐明,催化两步反应的酶
蛋白已经分离和纯化,已克隆其基因并测定了碱
基顺序。,-.’/01研究室已完成大肠杆菌的%&’
操纵元全序列分析,发现%&’操纵元由四个基因
组成,其中%&’,编码胆碱脱氢酶(23 4 567(),
%&’%编码甜菜碱醛脱氢酯(8#4 567(),%&’9编
码胆碱转移系统(:8 4;67(),%&’<编码%&’基因
的调节中作为阻遏物的#3!;67(蛋白。
目前已有一些报道认为细菌9&’操纵元和
=&>操纵元能在烟草中表达,因此将.’/01研究室
得到的%&’操纵元;!:?@7A,片段导入烟草,探
讨甜菜碱是否能表达是一个诱人的研究领域。
"转基因技术
转基因技术是指用实验手段,将外源基因导
入动物细胞或动物受精卵中,由此稳定整合到动
物基因组,并能遗传给子代。目前常用的转基因技
术主要有:显微注射法;胚胎多能干细胞虫;精子
裁体法;反转录病毒载体法以及电转移技术等等,
其中显微注射法是最常用、最有效的基因导入技
术。目前培育成功的转基因动物绝大部分是采用
该方法获得的。最早的转基因动物是将疱疹病毒
基因与BCDE早期启动子联在一起,用显微注射
法导入小鼠受精卵获得的转基因小鼠。目前,在动
物营养领域转基因技术的研究主要包括:
"!3提高动物生长性能
生长激素$FG+在动物生产中基本上采用注
射方法,虽然有一定的促生长作用,但程序复杂繁
琐,解决思路之一就是采用转基因技术。G(11&/
等$35;8+人生长激素$HFG+转基猪研究成功,这
种转基因猪的生长速度比对照组高出38I,日增
重可达3#:"J,饲料利用率提高#3I,采食量减少
#EI,陈永福$3553+用自己构建的融合基因
KL9 M NFG获得了转基猪,其生长速度提高
33!;I O 3D!#I,饲料利用率提高3EI。另外,转
基因羊、转基因鸡、转基因兔、转基因牛、转基因鱼
等研究也相继获得成功。
"!#改变动物体内的代谢途径
动物营养研究表明,有些生长发育和维持所
必需的营养物质必须由外界供给,例如赖氨酸,但
是否可以不必由外界供给呢?可行的天易娱乐不外乎
这么两种:一种是重建动物体内某些丢失的代谢
途径;另一种是导入目前在动物体内尚未发现的
代谢途径。转基因技术的出现提供了通过改变动
物代谢途径从而让动物自身合成赖氨酸的可能
性。-&&.等$355E+已经清楚大肠杆菌合成赖氨酸
途径中的酶基因编码,运用基因转移技术也证明
了在细胞中施行这些途径的可行性,因此-&&.等
提出设想:把赖氨酸在微生物中生物合成的途径
导入动物体内,使动物自身就能合成赖氨酸。
"!"提高动物产毛性能
由于胱氨酸在羊瘤胃中降解,所以饲料中加
入胱氨酸并不能提高产毛量。因此能够得到一种
自身合成胱氨酸的转基因羊,将会大大提高羊毛
产量。P(/Q$3553+发现某些细菌能将硫固定并转
化为胱氨酸,他们分别在大肠杆菌和沙门氏菌中
分离到了丝氨酸乙酸转移酶基因和K 4乙酰丝氨
硫化氢解酶基因,并且将这两种基因与金属硫蛋
白$L9+基因启动子联接;并在"R端装上FG基因
的序列,然后将这组调控序列通过转基因技术导
入羊体内而得到高产羊毛转基因绵羊。
D展望
综上所述,以基因工程为核心的分子生物学
技术应用于动物营养学研究领域,具有很大的潜
力,它不仅为动物营养学研究提供了一套全新的
技术和方法,而且可在基因水平上解决许多动物
机体生理病理变化、营养素的代谢调节机制以及
其与机体的相互关系等问题。我们可以设想,基因
工程抗菌肽完全可以减少甚至替代抗生素的使
用;随着转基因技术的日益完善,各种生长性能优
越的动物新品种将层出不穷;用转基因动物来大
量生产各种生理活性物质,也将成为现实。无可置
疑,#3世纪是高新技术畜牧业应用大发展的时
期,以基因工程为主导的分子生物学技术将会为
我国的畜牧业的发展开辟广阔前景。
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