家禽营养与表观遗传学

家禽营养与表观遗传学

喻小琼 赵桂苹 刘冉冉 郑麦青 文 杰*

【摘 要】摘 要:过去几十年里，达尔文创立的生物进化论及孟德尔确立的遗传学说为家禽选育及品种的改良奠定了理论基础，并显著改善了禽肉品质，提高了家禽生产力。尽管遗传选择能够主导亲代基因传递给后代，但越来越多的证据表明营养等环境因素对基因表达具有重要的修饰作用。表观遗传学是研究在核苷酸序列不变的情况下，基因表达的可遗传变化的一门遗传学分支学科。本文主要讨论了家禽营养对DNA甲基化的影响，以及这种影响通过生殖细胞的表观遗传重塑可以成功地传递给后代的现象。 【期刊名称】动物营养学报 【年(卷),期】2013(025)010 【总页数】10

【关键词】关键词:家禽;营养;表观遗传;DNA甲基化

哺乳动物中，母体“营养程序化”(nutritional programming)的概念普遍被人们所接受，对于禽类，母鸡可以通过蛋的成分变化来调控后代的表型，并且可能对后代的个体形态和生产性能产生长远的影响。家禽被认为是研究营养程序化作用的模式动物，饲粮中能量水平、蛋白质水平、氨基酸组分的变化会影响母鸡的产蛋率、孵化率、后代的生长速度、脂质沉积等表型性状。在分子水平上，营养物质可以通过改变表观基因组从而改变基因的表达和诱发表型变化。在有机体的生命过程中，可出现多种表观遗传变化，其中生殖细胞的表观遗传改变可以永久地改变生命活动进程，并且某些信息可遗传给下一代，从而产生表观表现型遗传传代现象。

1 表观遗传学概念、特征及作用

Waddington［1］于 1957 年提出表观遗传学(epigenetics)的概念，它是指在DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达和功能发生改变，并且产生可遗传的表型的现象。表观遗传学主要包括2方面的内容，分别为研究亲代营养环境因素导致子代基因表达改变的基因转录过程的调控和基因转录后的RNA调控［2］。但是近年来研究又主要集中在DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA等调控方式来控制表型从而影响基因表达等方面。表观遗传是渐变的而非突变的遗传过程，这正是它与传统的遗传学特征相比具有的不同之处。另外，它还具有细胞记忆传播能力(或隔代遗传力)及多能细胞空间和时间分化的显著特征［3］。

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焦点之一，随着研究的深入，研究者逐渐认识到表观遗传性状往往都和营养、发育、分化、进化等生命过程密切相关。基因的表达决定表型，而营养可以对基因的表达起调节作用。表观遗传学研究有助于解释携带相同核苷酸序列的细胞或有机体在不同营养物暴露下产生不同反应的现象。在家禽中，营养的改变作用于基因，从而引起细胞中DNA甲基化、组蛋白修饰或者染色质重塑等表观遗传的变化。邢晋祎［4］研究表明，不管对肉鸡还是蛋鸡饲喂大量甜菜碱后，鸡脂肪代谢相关基因脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase，LPL)和过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的启动子区和编码区的DNA甲基化水平发生改变，且这种变化与mRNA表达量存在一定关系，但是这种改变机制是否与甜菜碱参与甲基化反应有关还需要进一步探索。

刘静波等［5］研究表明，妊娠期间母体蛋白质摄入不足可通过改变后代肝脏糖

皮质激素受体(glicocorticoid receptor，GR)、PPAR 和酰基辅酶 A氧化酶(acyl-coaoxidase，AOX)基因启动子甲基化模式来调控它们的mRNA水平，在蛋白质摄入缺乏组添加叶酸后可维持基因启动子甲基化模式与正常组基本一致，从而缓解母体营养不良对后代个体肝脏基因mRNA表达的影响，该试验阐明了母体添加叶酸是预防胎儿后天生长发育不良的分子机制。

2 营养物质与表观遗传学之间的关系

2.1 饲粮营养素种类影响基因表达以及DNA甲基化

在营养学领域，表观遗传研究已经变得非常重要，因为营养和功能性饲粮可以通过抑制或者激活催化DNA甲基化的酶，或者通过组蛋白修饰作用，改变基因表达，改变表观遗传，从而影响传代。大量动物试验研究表明，常量营养素(如脂肪和蛋白质)、微量营养素(如维生素)和天然生物活性化学物(如白藜芦醇、丁酸、萝卜硫素和大蒜二丙烯硫醚)都参与调控表观遗传。饲粮中某些生化物质，如S-腺苷甲硫胺酸(S-adenosyl-L-methionine，SAM)是一种甲基化反应的供体，S-腺苷高半胱氨酸(S-adenosyl-L-homocysteine，SAH)则是甲基转移酶(DNA methyl-transferase，DNMT)的产物抑制剂，通过作用于SAM或SAH，从而改变DNA和组蛋白的甲基化水平［6］。另一些物质，如胆碱参与一碳单位代谢，则改变信号传导途径和染色质结构，从而间接影响基因的表达。一个研究毛色的试验结果显示，通过调控母鼠甲基营养供给(甜菜碱、胆碱、叶酸和维生素B12)，可使雄性隐形纯合子与雌性杂合子交配所生后代个体出现不同的毛色［7］。饲粮成分与后代个体毛色以及A vy基因甲基化模式之间的关系证明母体甲基营养代谢状况会影响个体的表现型。上述试验表明饲粮是调节A vy基因甲基化程度进而影响毛色的直接媒介。Waterland等［8］报道断奶后小