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1
发布网友
发布时间：2023-09-26 17:52
共1个回答
热心网友
时间：2024-06-04 02:24
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*、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
发展动态及研究热点，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*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*
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*的关系越来越感兴趣。营养与动物基
因表达*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*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*
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*。
糖类对PEPCK的*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*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*基因转录所
必需的组织特异性*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*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*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*元件和胰岛素对$%$&’基因转录的负控
调元件，在上述*元件中，*+,$*元件-&.
%/和$(-0/*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*元件来进行*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
*
1+2是脂肪酸合成的主要*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*，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?$@+水平相对于对照
组提高"#C；单独添加葡萄糖相对于对照组则提
高了DC，而单独添加胰岛素则没有效果。因此我
们可以得出结论，葡萄糖对1+2基因的表达*
可以通过与胰岛素的协同作用而得到显著提高。
另外，有关研究表明，(E F E甲基葡萄糖（一种葡
萄糖类似物，不能被已糖激酶磷酸化）不能激发1
+2基因的表达，这表明葡萄糖必须通过中间代谢
环节才能对1+2基因的表达*起作用，因此对
于弄清楚是由葡萄糖哪个代谢产物来作为启动基
因的表达信号尤为重要。13<A9559-:;;"/认为，G E
磷酸E"E脱氧葡萄糖在脂肪组织中有类似葡萄
糖的作用，能激发1+2基因的表达，且:?,的作
用效果等同于">?,葡萄糖的作用效果。最近
H3I73J等-:;;G/试验研究也表明，在成年大鼠肝
细胞培养物中G E磷酸E"E脱氧葡萄糖水平与
1+2的?.@+含量呈正相关。因此G E磷酸E"E
脱氧葡萄糖极有可能是参与1+2基因表达的重
要中间代谢物。
脂肪对1+2基因表达的影响。&56789-:;;(/
的研究表明，脂肪抑制1+2基因表达主要与脂肪
抑制1+2基因转录的能力和脂肪中脂肪酸的碳
链长度、双键位置和双键的数量有关，饱和脂肪酸
和（J E;）族脂肪酸不能抑制1+2基因的表达，多
不饱和脂肪酸（$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
$K1+可使1+2?.@+的水平降低D>C E;>C。
蛋白质对1+2基因表达的影响。,I5LJ97
-:;;:/研究表明，高蛋白饲粮将抑制猪脂肪组织
中1+2基因的表达，脂肪组织中1+2基因的?.M
@+的含量会显著下降：用蛋白质含量分别为:)C、
:#C、")C的日粮饲喂G>E::>8N的肥育猪，其脂
肪组织中1+2?.@+的含量分别下降了#!:)C、
::!D(C和)#!"C。由此可见日粮蛋白质将会影响
脂肪组织中1+2基因的表达，但这种*具体发
生在哪个水平及其作用机理目前还不清楚。
!"’营养对()*+,*基因表达的影响
长期以来，我国商品猪的瘦肉率较国际优良
品种低，而目前常规的育种方法已很难使之有大
幅度的提高。因此OP6JN等（:;;)）小鼠3Q基因的
克隆成功为这方面的研究提供了新的思路。由于
R9=SIJ基因具有可以大大降低动物体脂含量这一
特性，因此通过营养对R9=SIJ基因表达*的研
究，将有助于深入了解R9=SIJ对动物体重的*
机制。王方年等（:;;;）研究表明，浓度从B??35 T
R到:>??35 T R葡萄糖可以显著地促进脂肪细胞
中59=SIJ基因的表达。
!"-营养与神经肽.（/0.）基因表达的影响
@$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*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*
&!4!&锌对基因表达的*
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*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*
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*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？可行的方案不外乎
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*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。
参考资料：广东饲料第3E卷第3期
