朱宇旌 王秉玉 張 勇 李欣蔚 邵彩梅
(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院,沈陽(yáng) 110866;2.遼寧禾豐牧業(yè)有限公司,沈陽(yáng) 110164)
小腸是動(dòng)物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所,食物進(jìn)入小腸后被蛋白水解酶分解成肽的混合物或游離氨基酸[1]。小肽轉(zhuǎn)運(yùn)載體(peptide transporter,PepT)主要參與腸道內(nèi)二肽和三肽的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)[2],這種跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是動(dòng)物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹匾緩健D壳耙阎男‰霓D(zhuǎn)運(yùn)家族包括PepT1、PepT2、肽/組氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)子1(peptide/histidine transporter 1,PHT1)和 PHT2[3-4],其中研究比較深入的是前兩者。許多試驗(yàn)動(dòng)物的PepT1和PepT2基因都已被克?。?]。PepT1在小肽轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中由質(zhì)子原動(dòng)力提供能量,使之成為區(qū)別于其他物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的一種獨(dú)特轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制,對(duì)于小肽的吸收利用具有重要作用。本文旨在就PepT1的分類(lèi)、生物學(xué)特征及功能進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。
PepT1是由載體 SLC15A1構(gòu)成的,屬于SLC15 家族(solute carrier family 15)[4],位于小腸上皮細(xì)胞內(nèi)的刷狀緣膜上,但其三維結(jié)構(gòu)目前尚不清楚。SLC15家族成員是通過(guò)質(zhì)子動(dòng)力將各種短鏈肽和肽的類(lèi)似物轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的。這個(gè)家族最初的轉(zhuǎn)運(yùn)子PepT1(其編碼基因?yàn)镾LC15A1)和PepT2(其編碼基因?yàn)镾LC15A2)的主要功能是調(diào)節(jié)腸及腎小管上皮細(xì)胞中肽的吸收。但到目前為止,在哺乳動(dòng)物中已經(jīng)確定出另外2種肽的轉(zhuǎn)運(yùn)子PHT1(其編碼基因?yàn)镾LC15A4)和PHT2(其編碼基因?yàn)镾LC15A3)。它們與PepT系列整體氨基酸的序列相似之處達(dá)到20%~25%。PHT1和PHT2主要運(yùn)輸組氨酸和某些二、三肽[6]。Daniel[7]總結(jié)了肽轉(zhuǎn)運(yùn)家族成員,詳見(jiàn)表1。
PepT1是完整的膜蛋白,Terova等[8]在歐洲鱸魚(yú)中分離出一個(gè)完整的PepT1 cDNA,一共有3 014個(gè)區(qū)域,其中包括5'-非編碼區(qū)(101 bp)、開(kāi)放編碼區(qū)(2 184 bp)和3'-非編碼區(qū)(729 bp),并預(yù)測(cè)出12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)(728個(gè)氨基酸)(圖1)。其中氨基端和羧基端都位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)側(cè)。在第9跨膜區(qū)和第10跨膜區(qū)之間存在一個(gè)較大的親水環(huán),位于細(xì)胞膜外側(cè),親水環(huán)上面有許多糖基化位點(diǎn)。分別在細(xì)胞內(nèi)環(huán)第6、7跨膜區(qū)之間和第8、9跨膜區(qū)之間有1個(gè)蛋白激酶C(PKC)和1個(gè)蛋白激酶A(PKA)的磷酸化位點(diǎn)[9]。不同種類(lèi)的動(dòng)物小腸中PepT1 mRNA長(zhǎng)度不同,所編碼成蛋白質(zhì)的氨基酸組成數(shù)目也不同,但其分子質(zhì)量相同,都為79 ku。其中豬小腸內(nèi)PepT1 mRNA是由708個(gè)氨基酸編碼的,與綿羊和牛相似[10]。
表1 質(zhì)子寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)家族Table 1 The proton oligopeptide cotransporter family[7]
圖1 PepT1的跨膜模型Fig.1 Membrane-spanning model of PepT1
PepT1在多種脊椎動(dòng)物物種中進(jìn)行了克隆,包括兔、大鼠、小鼠、羊、雞、火雞、狗、人、豬、牛、猴、大西洋鱈魚(yú)和斑馬魚(yú)(表2)。PepT1的氨基酸組成范圍為707~729。PepT1在細(xì)菌、酵母、植物和無(wú)脊椎動(dòng)物中也被發(fā)現(xiàn)。目前有研究表明,依靠PepT1轉(zhuǎn)運(yùn)的原核H+和YdgR(Escherichia coli tppB),特點(diǎn)和功能與哺乳動(dòng)物的PepT1非常相似[11]。
PepT1在組織和細(xì)胞中的分布具有一定的研究意義。PepT1 mRNA最初在小腸和腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)表達(dá)[6]。PepT2基因主要在腎臟腎小管內(nèi)表達(dá),在肺、乳腺、脈絡(luò)叢和神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)也有少量的表達(dá),但是不存在于腸道內(nèi)[7]。PepT1基因在小腸內(nèi)是通過(guò)腸道上皮特異性基因Cdx2進(jìn)行具體地表達(dá)的[12]。轉(zhuǎn)錄因子在腸上皮細(xì)胞增殖、分化和成熟中起重要的作用,組織和細(xì)胞中的調(diào)控最有可能是通過(guò)刺激蛋白1(SP1)轉(zhuǎn)錄因子的相互作用發(fā)生在其中有識(shí)別位點(diǎn)的PepT1基因上,從而控制基底活動(dòng)[13]。在大西洋鱈魚(yú)的十二指腸、空腸、回腸和雞、豬、反芻動(dòng)物體內(nèi)分別檢測(cè)出大量PepT1 mRNA[14]。PepT1基因在雞的盲腸中有表達(dá),而在小腸和腎臟中沒(méi)有[15]。Amberg等[16]在鱈魚(yú)仔魚(yú)的體內(nèi)整個(gè)消化系統(tǒng)(除食道和肛門(mén)括約肌)中發(fā)現(xiàn)PepT1基因的表達(dá)。Howard等[17]發(fā)現(xiàn)PepT1 mRNA在鼠的整個(gè)小腸內(nèi)都有表達(dá)。Hussain等[18]觀察到在胎兒18 d時(shí)和嬰兒出生當(dāng)天,其體內(nèi)的PepT1蛋白存在于十二指腸內(nèi),出生后PepT1延伸到細(xì)胞質(zhì)下部和細(xì)胞膜內(nèi)。斷奶和成年以后,PepT1基因僅在刷狀緣膜表達(dá)。
表2 不同動(dòng)物腸內(nèi)克隆PepT1的對(duì)比Table 2 Comparison of cloned intestinal PepT1 across several species[11]
PepT1在腸道內(nèi)通過(guò)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)肽類(lèi)物質(zhì),對(duì)腸道吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有重要作用。PepT1轉(zhuǎn)運(yùn)小肽的調(diào)控機(jī)制是:H+和二、三肽分子穿過(guò)小腸上皮細(xì)胞膜后,被PepT1轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞漿內(nèi),通過(guò)結(jié)合小腸上皮細(xì)胞膜的Na+/H+交換系統(tǒng)再將H+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外,將Na+置換到細(xì)胞內(nèi),從而維持細(xì)胞膜的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力,同時(shí)也結(jié)合細(xì)胞膜的Na+/K+-ATP酶交換系統(tǒng),將Na+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外,以維持細(xì)胞外到細(xì)胞內(nèi)的Na+梯度(圖2)。
圖2 腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)小肽的細(xì)胞過(guò)程Fig.2 Cellular processes involved in transport of small peptides by the intestinal epithelial cells[14]
在小腸上皮細(xì)胞內(nèi),PepT1轉(zhuǎn)運(yùn)肽類(lèi)物質(zhì)可能會(huì)因?yàn)樾‰奈胀緩降霓D(zhuǎn)變而改變。其途徑主要包括PepT1的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞穿透肽(CPP)攜帶肽類(lèi)物質(zhì)的運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)及旁細(xì)胞途徑(圖3)[11]。
PepT1的活性調(diào)控受許多因素所影響,其中包括生物學(xué)因素、營(yíng)養(yǎng)因素、底物因素以及生理因素等。這些因素對(duì)PepT1的活性調(diào)控具有上調(diào)或下調(diào)的作用。
在哺乳動(dòng)物中,PepT1的活性調(diào)控受到可調(diào)節(jié)激素,如胰島素、表皮生長(zhǎng)因子、瘦素和甲狀腺素等影響,這些因素能顯著提高細(xì)胞對(duì)肽類(lèi)物質(zhì)的攝入量,同時(shí)可以增加細(xì)胞膜上PepT1的含量[19]。Sun等[20]研究表明,向嚴(yán)重?zé)齻拇笫篌w內(nèi)注射重組人生長(zhǎng)激素能夠顯著提高燒傷大鼠小腸上皮細(xì)胞對(duì)二肽的攝入量。
飼糧蛋白質(zhì)水平可能是影響PepT1活性調(diào)控的重要因素,起著上調(diào)作用。從飼料科學(xué)的角度看,飼糧蛋白質(zhì)是最重要的營(yíng)養(yǎng),提高飼糧蛋白質(zhì)利用的同時(shí)也有助于減少氮的排放量。
腸道營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)受飼糧和腸腔內(nèi)底物濃度的影響。Ostaszewska等[19]分別飼喂鱈魚(yú)二肽、游離氨基酸和完整蛋白,結(jié)果顯示飼喂二肽及游離氨基酸的鱈魚(yú)體內(nèi)PepT1 mRNA表達(dá)顯著增加,體重比飼喂完整蛋白的鱈魚(yú)增加8倍。Hindlet等[21]給大鼠飼喂含有甘氨酰肌氨酸(Gly-Sar)的飼料,發(fā)現(xiàn)大鼠體內(nèi)PepT1 mRNA表達(dá)增加6倍。有關(guān)研究表明使鱸魚(yú)禁食35 d,發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)PepT1 mRNA表達(dá)減少,恢復(fù)進(jìn)食后PepT1 mRNA的表達(dá)顯著增加,說(shuō)明PepT1 mRNA影響鱸魚(yú)的飲食調(diào)節(jié)[8,22]。PepT1活性調(diào)控與飼糧蛋白質(zhì)水平關(guān)系密切。試驗(yàn)表明:給肉雞飼喂低質(zhì)量的飼糧(玉米蛋白粉)顯示,第3天至第7天肉雞體內(nèi)PepT1 mRNA的表達(dá)相對(duì)減少,到第14天表達(dá)顯著增加;給雛雞飼喂等量的高質(zhì)量飼糧(大豆蛋白粉)顯示,肉雞體內(nèi)PepT1 mRNA的表達(dá)從第3天到第14天持續(xù)不斷地增加,同時(shí)雛雞體重也顯著增加[23]。
圖3 腸肽吸收的潛在途徑Fig.3 Potential routes of peptide uptake in enterocytes[11]
Bucking等[22]研究證明:對(duì)動(dòng)物進(jìn)行短期禁食會(huì)導(dǎo)致其體內(nèi)PepT1 mRNA表達(dá)水平上調(diào),但長(zhǎng)期禁食會(huì)導(dǎo)致其下調(diào)。在飼養(yǎng)水平恢復(fù)后,動(dòng)物體內(nèi)PepT1 mRNA水平會(huì)逐漸增加到禁食之前。Ma等[24]對(duì)野生小鼠進(jìn)行限飼,發(fā)現(xiàn)其小腸內(nèi)PepT1 mRNA的表達(dá)水平提高2倍。Madsen等[25]通過(guò)限飼方法觀察肉雞體內(nèi)PepT1與過(guò)氧化物酶體增殖劑活化受體α(peroxisome proliferatoractivated receptor α,PPARα)表達(dá)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),在肉雞空腹?fàn)顟B(tài)下,PepT1受到PPARα的監(jiān)管,同時(shí),肉雞采食量的減少會(huì)促進(jìn)其體內(nèi)PepT1 mRNA的表達(dá)。
PepT1的底物對(duì)PepT1具有調(diào)控作用,且不同底物對(duì)PepT1的活性不同。PepT1底物在營(yíng)養(yǎng)的補(bǔ)充,尤其是游離氨基酸吸收方面起著重要作用,同時(shí)PepT1可加速氨基酸的吸收率[19]。有關(guān)試驗(yàn)顯示,對(duì)大鼠的十二指腸灌注大豆蛋白水解物和蛋清蛋白水解物后,觀察到這2種物質(zhì)中的氨基酸被吸收到門(mén)靜脈血液的速度比那些氨基酸混合物或具有相同氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)快[26]。Liu 等[27]用 JBP485(cyclo-trans-4-L-h(huán)ydroxyprolyl-L-serine)來(lái)處理人的大腸癌細(xì)胞(Caco-2)時(shí)發(fā)現(xiàn),PepT1 mRNA表達(dá)增加了1.5倍,從而確認(rèn)JBP485是PepT1的底物,影響PepT1吸收調(diào)節(jié)機(jī)制。由于PepT1具有廣泛的底物特異性,它能夠轉(zhuǎn)運(yùn)大約400種二肽和8 000種三肽及一些肽類(lèi)化合物。底物對(duì)PepT1的調(diào)節(jié)是通過(guò)增加細(xì)胞膜上肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的豐度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)PepT1 mRNA的表達(dá)可能有2個(gè)途徑:一是增加mRNA編碼基因的穩(wěn)定性;二是增加PepT1 mRNA的轉(zhuǎn)錄[11]。
動(dòng)物在生長(zhǎng)發(fā)育階段,腸道消化系統(tǒng)需要經(jīng)歷結(jié)構(gòu)和功能上的改變:出生或孵化階段、哺乳動(dòng)物斷奶階段。腸道內(nèi)PepT1的活性為適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。Chen等[28]研究發(fā)現(xiàn),雞從孵化16 d到出殼,其體內(nèi)PepT1活性快速增加,PepT1 mRNA表達(dá)水平提高了14倍,認(rèn)為在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,動(dòng)物為適應(yīng)采食所做出的反應(yīng)導(dǎo)致了PepT1的活性調(diào)控與PepT1 mRNA的表達(dá)發(fā)生變化,但具體的作用機(jī)制尚不清楚。
PepT1的活性調(diào)控可能與晝夜節(jié)律也有關(guān)。Pan等[29]在研究中發(fā)現(xiàn),夜間小鼠體內(nèi) PepT1的活性水平會(huì)顯著提高,但當(dāng)小鼠處于空腹或取消白天按時(shí)飼喂這一模式后,其體內(nèi)的PepT1迅速改變,以適應(yīng)腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求,因此認(rèn)為PepT1的活性調(diào)控具有可塑性,當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),PepT1能夠快速適應(yīng)其變化。
PepT1廣泛存在于動(dòng)物腸道內(nèi),是轉(zhuǎn)運(yùn)小肽以及肽類(lèi)化合物的重要因子,具有高特異、高容量等轉(zhuǎn)運(yùn)特性,可以最大限度地促進(jìn)小肽吸收轉(zhuǎn)運(yùn),促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)。目前PepT1的基因已被克隆,大量研究表明可以通過(guò)對(duì)PepT1的活性進(jìn)行合理的調(diào)控,從而有效調(diào)節(jié)小肽吸收轉(zhuǎn)運(yùn),但對(duì)PepT1分子水平上的調(diào)控依然不很清楚。因此,深入開(kāi)展PepT1的基因表達(dá)調(diào)控方面的研究對(duì)深入了解動(dòng)物小肽吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理有重要意義。
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動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)2012年10期