营养调控影响奶牛性状表现的表观遗传机制

汪 丽，孙会增，刘建新

（浙江大学动物科学学院奶业科学研究所，浙江杭州310058）

在动物个体的生长发育过程中，遗传物质不断进行着时间和组织特异性的表达，最终决定特定蛋白质的合成与活性。在生物体世代繁殖过程中，遗传信息随着核酸的碱基序列传递给下一代，这些是中心法则和经典遗传学的研究内容和成果。随着研究的不断深入，人们发现生物体的基因表达不仅受到遗传物质控制，还受到外界环境信号的影响；遗传信息不仅存在于碱基序列上，还以序列之外的形式携带遗传信息，环境与遗传物质相互作用可影响基因的表达和遗传，即表观遗传现象。对表观遗传有2个定义：一种定义是表观遗传是与DNA突变无关的可遗传的表型变化；另一种定义是染色质调节的基因转录水平的变化，这种改变不涉及DNA碱基序列的改变。目前，表观遗传学现象主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰作用（如甲基化、乙酰化作用）、microRNA调控等。

表观遗传性状往往与机体代谢、发育、分化、进化等生命过程密切相关，基因的表达决定表型，而营养可以对基因表达起调节作用。表观遗传学弥补了经典遗传学的不足，成为生命科学研究的重点和热点，也为动物营养研究提供了新的切入点和研究方法。本文主要从营养调控角度综述了奶牛表观遗传机制影响性状表现的研究进展和发展方向，目前该领域的研究主要集中在泌乳性能、繁殖性能和疾病机理等方面，通过分析差异代谢物、测定基因表达量和表观遗传修饰程度等解析其表观遗传机制。

1 营养与表观遗传

日粮是动物机体维持生命、生产产品所必需的，它不仅为动物的一切生命活动提供营养物质，还参与众多生命过程的调节。常量营养素（如脂肪和蛋白质）、微量营养素（如维生素）和天然活性化学物（如白藜芦醇、丁酸等）都会参与调控表观遗传。饲粮中某些生化物质（如甲基化反应供体S-腺苷甲硫胺酸和甲基转移酶产物抑制剂S-腺苷高半胱氨酸等）的供应量变化可改变DNA和组蛋白的甲基化水平。另一些物质（如参与一碳基团代谢的胆碱等）可改变信号传导途径和染色质结构，从而影响基因表达。可见，营养素和饲粮功能性成分可以通过抑制或激活催化DNA甲基化的酶，或者通过组蛋白修饰作用改变基因表达，调控表观遗传，从而影响自身代谢和传递给后代。因此，表观遗传研究在营养学领域已显得越来越重要，对动物生产、繁殖和疾病方面均具有重要意义[1]。

2 营养影响奶牛生产性能的表观遗传机制

奶牛的泌乳性状（包括产奶量、乳脂率和乳脂产量、乳蛋白率和乳蛋白产量等）多为数量性状，由微效多基因决定[2]，并受其他因素影响，包括环境（营养、光周期、应激等）、乳腺状态（自分泌、旁分泌等）、疾病（乳房炎）、管理（挤奶频率）等。饲料为奶牛泌乳提供营养物质，其所含的能量和各种养分直接影响奶牛的生产性能和牛奶品质。营养物质除了为乳成分合成提供前体物外，还通过各种形式调节泌乳过程，表观遗传调控则是其中的重要方式。

饲喂高能量日粮可导致奶牛乳腺中与乳脂合成相关的基因甲基化程度增加，而与乳蛋白合成相关的基因甲基化程度降低[3]，表明高能日粮通过表观遗传机制减少乳脂合成而增加乳蛋白合成。日粮中添加5%的亚麻籽油或5%红花油后乳脂产量分别降低30.4%或32.4%，并伴随基因表达和microRNA（miRNA）调控差异[4]，也表明乳脂降低与表观遗传调控有关。Li等[5]进一步证实，添加亚麻籽油显著降低5个表观遗传修饰基因的表达。体外研究发现，牛肾上皮细胞组蛋白H3的2种乙酰化模式（H3K9和H3K27）的分配与丁酸盐诱导的转录活性有关，这可能是丁酸盐影响基因表达的表观遗传学基础[6]。Bian等[7]利用乳腺细胞试验证实，miRNA-29s 通过降低数个基因的启动子甲基化水平促进泌乳，抑制miRNA-29s则会引起同样泌乳相关基因启动子甲基化水平的上升，表明miRNA-29s是负向调节泌乳的重要表观遗传因子。本团队最新利用大群奶牛检测发现，奶牛血液DNA甲基化频率为12.4%，与奶产量和乳蛋白产量存在显著负相关，高产奶牛组和低产奶牛组的DNA甲基化频率差异极显著（Wang等，未发表）。叶酸、胆碱和甜菜碱等作为一碳基团，能够直接或者间接提供甲基，从而影响DNA和组蛋白的甲基化，调控基因表达[8]；维生素B12作为一碳基团进入一碳循环，也能对基因表达和DNA甲基化模式产生影响[9]；维生素C则可通过影响表观遗传修饰相关的组蛋白赖氨酸去甲基化酶和DNA去甲基化酶，参与细胞的表观遗传调控过程[10]。

近年来，越来越多的证据表明营养素和生物活性物质与表观遗传的关系。因此，从表观遗传调控角度探究营养影响奶牛泌乳性能的机制，将从全新的视角为奶牛营养调控提供新的知识，值得深入和系统研究。

3 营养影响奶牛繁殖性能的表观遗传机制

繁殖率是影响母牛生产效率的重要因素，而营养、光照和温度等环境因素则是影响繁殖率的要因，其中以营养因素最为重要。母体营养状况会引起胎儿基因组的表观遗传发生改变，从而影响后代[11]。胎儿早期发育过程中，葡萄糖代谢与染色质修饰和全转录组调控有密切关系[12]；妊娠前3个月的子宫环境对胎儿肝脏和胰腺内平衡机制的发育有重要影响，从而影响后代对营养物质的代谢能力[13]。母体妊娠时的泌乳状况以及对母体的甲基供体供应都会对子代甲基化产生影响[14]。Wiltbank等[15]提出假设，母体妊娠时的蛋氨酸供应量可能通过表观遗传方式影响后代胚胎的DNA甲基化。Storli等[16]总结大量研究结果表明，母体的胎次和年龄会影响后代的奶产量，虽然有关机理尚需进一步探究，但表观遗传在其中的作用效果不容忽视。在奶牛围产期，机体内营养代谢和内分泌调节机能发生急剧变化，分娩时的体况以及分娩前后的营养供应状态都会对母牛的繁殖性能产生重要影响。高产奶牛产后能量负平衡会导致卵母细胞难以从母体卵泡中获得遗传印记，可能会导致胚胎死亡率增加[17]。

保证母体妊娠期间足够的营养物质和能量供应，对子代生长和发育具有重要作用。母体环境变化容易通过与基因互作以表观遗传方式传递给后代，影响后代生长、发育和代谢，同时影响母牛的繁殖机能。

4 营养影响奶牛疾病的表观遗传机制

泌乳奶牛是一个精细调节的机体，适宜的营养是奶牛健康、高产的基础。高产奶牛由于处于高负荷生产状态，易患各种疾病，如营养代谢疾病、乳房炎、繁殖障碍和蹄病等[18]。饲喂高能日粮会引起奶牛全身性炎症，且会导致奶牛免疫相关基因表达上调，且使与染色质疏松有关的候选免疫基因启动子区域发生去甲基化[19]，可见高能日粮从染色质重构和DNA甲基化角度调节了免疫基因的表达。相对于饲喂低精料玉米秸日粮，在高精料玉米秸日粮下奶牛乳动脉中脂多糖浓度会增加，乳房组织中的组蛋白乙酰化程度降低，两者呈现负相关[20]。血液脂多糖是饲喂高精料日粮下奶牛瘤胃异常代谢产生的内毒素，可通过胃肠道上皮屏障进入血液，因此血液脂多糖也是瘤胃酸中毒的重要检测指标，该结果提示了高精料日粮引起的瘤胃酸中毒与表观遗传调控密切相关。

奶牛乳房炎为复杂疾病，营养因素主要通过调节免疫系统影响乳房健康，处于负能量平衡的奶牛有更高的临床酮症患病风险，并有2倍患临床乳房炎的风险[21]。Suriyasathaporn等[22]推测，奶牛能量负平衡会损害乳房的防御机制，可能是因为能量负平衡降低了血液中性粒细胞和巨噬细胞的吞噬作用，减少了吸引血液白血球转移到受感染腺体的化学诱导物的产生。在体外趋化试验中，中性粒细胞在低β-羟基丁酸（BHBA）含量血清中的迁移速度高于高BHBA含量的血清，如果细胞移动缓慢，就会被细菌感染，导致临床乳房炎[23]。奶牛试验也证明，血液中BHBA浓度与大肠杆菌引起的乳房炎患病率呈正相关关系[24]。“遗传-表观遗传假说”认为，环境因素（如病原菌、毒物、激素等）致病主要通过DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传基因组起作用[25]。在患乳房炎奶牛中，DNA甲基化可以调控白细胞介素6受体α的表达量[26]；而在由金黄色葡萄球菌感染引起的急性乳房炎奶牛中，机体可通过调节酪蛋白αS1基因上游启动子区域STAT5结合增强子的重甲基化，减少酪蛋白αS1的mRNA和蛋白表达量[27]。因此，从表观遗传角度探究乳房炎对奶牛的影响，可能是找到这一重要慢性疾病调控策略的创新途径。

营养与免疫密切相关，因此营养素对疾病的调控发挥着重要作用，目前在人类慢性疾病、神经性疾病和癌症等疾病的表观遗传研究取得巨大进展。受人类疾病研究进展的启发，越来越多的畜牧科学研究者从表观遗传调控角度分析环境因素对疾病的调控机理已取得一些成效，这也是奶牛疾病研究的新思路。

5 展 望

表观遗传学弥补了经典遗传学的不足，成为动物遗传学与营养学交叉研究的热点之一。营养物质可以对基因的表达起调控作用，而表观遗传学研究有助于解释在核苷酸序列不变的情况下动物机体及细胞在不同营养条件下基因表达的差异。营养对生物体的影响是全身性的，因此其对奶牛生产、繁殖和疾病的影响相互贯通和相互作用。营养素首先被消化系统吸收，随后通过血液流经全身各处，在细胞中通过不同方式调控某些特定基因转录，从而影响蛋白质的表达及小分子代谢，最终引起酶活改变或者炎症因子变化。值得注意的是，由于奶牛个体较大，生理状况复杂，且研究试验取样成本高，目前奶牛表观遗传研究多为描述性研究，各种营养物质在体内不同部位的作用机理和调控模式的确切的分子机制尚不清楚，还需要进一步深入的研究。但人们已经意识到表观遗传对于奶牛泌乳、繁殖和疾病的重要性，有人类疾病研究结果作为参考和路标，小鼠和猪作为模式动物也被研究得较为透彻，同时全基因组甲基化测序技术的应用也推动了相关研发的深入。如何运用和探究表观遗传机理解决奶牛生产与健康相关的问题是今后重要的研究方向。