魏巧麗 成海建 游 偉 崔秀梅 林雪彥 譚秀文劉桂芬 劉曉牧 宋恩亮 萬發(fā)春*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，濟(jì)南 250100;2.山東省畜禽疫病防治與繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100;3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，泰安 271018)

維生素A及其衍生物在正常胚胎發(fā)育和維持細(xì)胞代謝等方面發(fā)揮著極其重要的作用，然而動物和人不能從頭合成維生素A，它們必須采食一些含有維生素A原(主要有視黃醛、具有維生素A原活性的類胡蘿卜素等)的食物，然后通過一些代謝過程合成所需要的維生素A。這過程中有大量的氧化酶和非氧化酶參與，其中研究較多的是β-胡蘿卜素 -15，15＇- 加氧酶(β-carotene-15，15＇-momoxygenase 1，BCMO1)。

BCMO1是一種可溶于細(xì)胞溶質(zhì)中的酶，其活性在腸黏膜特別是空腸黏膜細(xì)胞中最大［1］，在人、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、猴子和兔子的小腸黏膜中均檢測到了該酶的活性［2-8］。BCMO1雖已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近 40 年，但最近才在雞［3，9］、小鼠［9-10］、果蠅［11］和人［12］上成功克隆到編碼此酶的 cDNA，然后才純化得到此酶。在1個小鼠敲除BCMO1基因的研究中進(jìn)一步證明了該酶在類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A過程中的重要性［13］。本文從BCMO1在體內(nèi)的分布、作用機(jī)制、調(diào)控因素等方面探討B(tài)CMO1在體內(nèi)維生素A轉(zhuǎn)化過程中的作用及其重要性，以期為相關(guān)研究提供一定的參考。

1 BCMO1在體內(nèi)的分布

BCMO1的表達(dá)主要在胃、小腸、結(jié)腸、前列腺腺體和子宮內(nèi)膜的一些組織的上皮細(xì)胞內(nèi)，在腎臟該酶的表達(dá)被局限在遠(yuǎn)端末梢和鄰近中心的結(jié)構(gòu)。此外，免疫組織化學(xué)分析顯示BCMO1在胰腺的外分泌部分、皮膚表皮以及眼的睫狀體色素上皮細(xì)胞和視網(wǎng)膜色素上皮中也有表達(dá);在產(chǎn)生雄性激素的睪丸間質(zhì)和睪丸的支持細(xì)胞中有該酶的適度表達(dá);在腎上腺腺體的皮質(zhì)層、骨骼肌以及卵巢中產(chǎn)生雌性激素的顆粒細(xì)胞和產(chǎn)生膽固醇的卵泡內(nèi)膜內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了BCMO1基因mRNA的表達(dá)［5］。隨著對BCMO1的不斷研究，在雞胚胎中發(fā)現(xiàn)了BCMO1的活性，且在孵化過程中顯著增加，一直持續(xù)到出生后第7天［14］。用5日齡的雞組織做原位熒光雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肺臟、四肢、心臟、腎臟和心血管系統(tǒng)中都有BCMO1的存在［15］。

在BCMO1調(diào)控類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A方面，人類和各種嚙齒類動物不同。草食性嚙齒類動物主要需要由β-胡蘿卜素等具有維生素A原活性的類胡蘿卜素產(chǎn)生的維生素A，因此它們體內(nèi)的BCMO1活性比人類的要高。BCMO1基因在雞的十二指腸中的表達(dá)最強(qiáng)，其次是肝臟、腎臟、脾臟和肺臟［6］。但是小鼠中BCMO1基因mRNA表達(dá)最高水平出現(xiàn)在睪丸、肝臟和腎臟，皮膚和腸中也有所表達(dá)［12］。核酸免疫印跡(Northern blotting)顯示證明BCMO1基因在人的空腸和回腸表達(dá)最強(qiáng)，其次是腎臟、肝臟、睪丸、卵巢、結(jié)腸、前列腺和骨骼?。?］。人類組織的組織化學(xué)分析結(jié)果也已經(jīng)證明BCMO1基因除了在小腸和肝臟之外，在腎臟、肺臟、皮膚、睪丸以及視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞中都有所表達(dá)［9，16］。

現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)BCMO1基因在鼠和小雞的肺臟中 有 表 達(dá)［6，15-16］，但 還 沒 在 人 的 肺 臟 中 發(fā)現(xiàn)［4，10，12］。關(guān)于 BCMO1 活性的研究顯示，鼠肺臟組織中的米氏常數(shù)(Km)值比肝臟和小腸中的都要低［1］，但數(shù)據(jù)也足以能證明BCMO1在鼠肺臟中的存在。但是BCMO1基因在物種間肺臟中表達(dá)的差異的原因至今還不清楚。并且在鼠肺臟中是視黃酸調(diào)控酶代謝維生素A原，沒有確定其中BCMO1的作用，因此還需要進(jìn)一步的研究來明確BCMO1在肺臟中的生理作用以及物種間基因表達(dá)差異的原因。

Morales等［17］分析了黃脂牛和白脂牛十二指腸和肝臟中BCMO1活性及基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)黃脂牛和白脂牛十二指腸中的BCMO1活性及基因表達(dá)差異不顯著，而黃脂牛肝臟中的BCMO1活性及基因表達(dá)均高于白脂牛，但還不足以能抑制β-胡蘿卜素貯存在脂肪組織中。Arias等［18］首次檢測到BCMO1基因在牛腎脂肪中的表達(dá)，并認(rèn)為離體培養(yǎng)脂肪細(xì)胞是體外研究β-胡蘿卜素在脂肪組織沉積的理想模型。

2 BCMO1的作用機(jī)制

BCMO1是類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成視黃醛過程中的一個關(guān)鍵酶，它可以將β-胡蘿卜素裂解成視黃醛，而不產(chǎn)生阿樸胡蘿卜醛［19］。在 BCMO1和分子氧的作用下，β-胡蘿卜素從15，15＇雙鍵位置斷裂，生成2分子的視黃醛［20-21］，視黃醛還原酶可將視黃醛還原為維生素A。BCMO1對于類胡蘿卜素中15，15＇位置的雙鍵有高度的特異性，但對于至少含有1個β-紫羅酮環(huán)的類胡蘿卜素具有相當(dāng)廣泛的特異性［2，22-23］。Paik 等［24］研究表明，在大鼠上β-胡蘿卜素的這種中心裂解是產(chǎn)生維生素A的主要途徑。最近研究證明，鼠BCMO1中酪氨酸Y235和Y326能夠固定基底物在15，15＇雙鍵兩端位置的結(jié)合，這很可能是由于π-陽離子穩(wěn)定機(jī)制的作用［25］。人類吸收的35% ～90%全反式β-胡蘿卜素是經(jīng)過BCMO1的中心裂解這一過程進(jìn)一步合成維生素A。早期研究者以為這種中心裂解酶的生化特性是一種雙氧酶反應(yīng)機(jī)制，然而近年來的研究證明，β-胡蘿卜素的中心裂解是一種單氧酶機(jī)理［19］。

在小鼠上，BCMO1是過氧化物酶體增殖激活受體(PPAR)的靶基因，過氧化物酶體增殖反應(yīng)元件(PPRE)位于BCMO1基因的啟動子區(qū)域，PPRE是PPAR的識別位點(diǎn)，也是BCMO1基因的重要調(diào)控器。此外，維甲酸X受體(RXRs)的同源二聚體或PPAR/RXRs異源二聚體對于BCMO1的轉(zhuǎn)錄是必需的［26］。

在BCMO1調(diào)節(jié)類胡蘿卜素生成維生素A的過程中，重要轉(zhuǎn)錄因子PPAR通過調(diào)節(jié)控制BCMO1基因mRNA表達(dá)和蛋白合成來影響脂肪細(xì)胞分化以及脂肪代謝。有研究表明，在適當(dāng)范圍內(nèi)類胡蘿卜素量的增加可以降低PPAR mRNA表達(dá)和蛋白合成，從而減少脂肪的生成［27］。此外，BCMO1對脂肪細(xì)胞內(nèi)視黃酸的生成以及視黃酸受體(RAR)表達(dá)非常重要，視黃酸能影響脂肪細(xì)胞分化、脂肪沉積以及一些脂肪因子的表達(dá)。研究表明低維生素A飼糧在不影響皮下脂肪組成的情況下能提高肌內(nèi)脂肪，并且類胡蘿卜素在2種牛脂肪組織中的調(diào)控機(jī)制不同［26］。Lobo 等［28］研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素減少了過氧化物酶體增殖激活受體γ(PPARγ)的表達(dá)且減少了成熟脂肪細(xì)胞中的脂肪儲存量。

3 影響B(tài)CMO1的調(diào)控因素

3.1 視黃酸的負(fù)反饋調(diào)節(jié)

小腸中BCMO1基因表達(dá)受負(fù)反饋機(jī)制的調(diào)控，動物模型試驗(yàn)提供了一些有力證據(jù)［16］?，F(xiàn)已證實(shí)至少β-胡蘿卜素的部分轉(zhuǎn)化效率與機(jī)體維生素A狀態(tài)相關(guān)［29］，這可能與視黃酸對BCMO1基因mRNA表達(dá)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)有關(guān)［6，30］。維生素A生成的視黃酸對BCMO1基因mRNA表達(dá)水平的抑制率能達(dá)到90%，這個反饋機(jī)制可能涉及小腸特定同源框轉(zhuǎn)錄因子(Isx)［31］。Isx的表達(dá)是通過結(jié)合在BCMO1基因啟動子區(qū)域的視黃酸的特定反應(yīng)元件(RARE)上的RAR所激活的。一經(jīng)激活，Isx就抑制BCMO1基因的表達(dá)，這就表明小腸中維生素A的吸收和產(chǎn)生是通過Isx的表達(dá)負(fù)反饋調(diào)節(jié)的［28］。通過β-半乳糖苷酶(LacZ)基因敲入構(gòu)建Isx缺陷(IsxLacZ/LacZ)成年老鼠，小腸β-胡蘿卜素的吸收不足或小腸維生素A合成受損可能引誘BCMO1基因表達(dá)的補(bǔ)償性增加，理論上17.5 d的IsxLacZ/LacZ胎兒的 BCMO1基因表達(dá)應(yīng)該不會增加，但是實(shí)際發(fā)現(xiàn)17.5 d的IsxLacZ/LacZ胎兒的十二指腸和空腸中BCMO1基因表達(dá)像成年鼠一樣劇增，這就表明Isx直接抑制BCMO1基因表達(dá)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)LacZ染色的雜合型(sxLacZ/+)胎兒的十二指腸和空腸中BCMO1基因表達(dá)比野生型(Isx+/+)胎兒的要高很多，這也證明Isx抑制BCMO1基因的轉(zhuǎn)錄［31］。在雞和大鼠的研究中，添加視黃酸可以降低腸道BCMO1的活性，并下調(diào)BCMO1基因 mRNA 的表達(dá)水平［19］。同樣，Bachmann等［30］最近研究發(fā)現(xiàn)，雞小腸中BCMO1基因mRNA的表達(dá)水平受視黃酸的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，鼠小腸中BCMO1活性也受到視黃酸的抑制。此外，給大鼠飼喂甲酸受體X(RARX)的拮抗劑會導(dǎo)致BCMO1 活性有所增加［32］。

3.2 脂肪和脂肪酸

脂肪攝入量能影響B(tài)CMO1的活性，肝臟中較高的脂肪攝入量可能會提高吸收后的類胡蘿卜素向維生素A的轉(zhuǎn)化量。飼喂含有30%脂肪飼糧的沙鼠肝臟中維生素A含量顯著高于飼喂含有10%脂肪飼糧的沙鼠［33］;Lakshman 等［34］發(fā)現(xiàn)飼喂含有23%脂肪飼糧的雪貂肝臟、肺臟、腎臟、脂肪組織以及睪丸等多處組織中維生素A水平，特別是視黃酯水平要顯著高于飼喂含有6%脂肪飼糧的雪貂。然而，Hosotani等［35］在試驗(yàn)中給小鼠飼喂含2%或10%亞麻油酸和α-亞麻油酸的豆油的飼糧，結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)腸中BCMO1活性有顯著提高。再結(jié)合許多其他相關(guān)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)并不只是脂肪含量影響B(tài)CMO1的活性，還涉及到脂肪酸化合物對其的影響［2，21，30］。

3.3 蛋白質(zhì)

飼糧中蛋白質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量影響B(tài)CMO1的活性。蛋白質(zhì)缺乏的小鼠腸中的BCMO1活性顯著低于蛋白質(zhì)充足的小鼠［36］，也有試驗(yàn)對維生素A缺乏小鼠飼喂含有20%蛋白質(zhì)飼糧與含有5%蛋白質(zhì)飼糧進(jìn)行比較，前者比后者的BCMO1活性要高出2.8倍［35］;飼喂含有40%蛋白質(zhì)飼糧的雪貂比飼喂含有10%或20%蛋白質(zhì)飼糧的雪貂肝臟中維生素A含量高出2倍、肺臟中3倍、脂肪組織中1.8倍［34］。更重要的是，飼喂酪蛋白的小鼠比飼喂谷蛋白或乳白蛋白的小鼠的肝臟中維生素A含量高出 5 倍［37］。

3.4 二價(jià)Fe離子(Fe2+)

Fe2+能抑制BCMO1的活性，也可能會被乙二胺四乙酸(EDTA)所抑制，二苯胺在生理pH下也能抑制其活性。另外，該酶還對含巰基的烷基化劑(N-乙基馬來酰亞胺、對氯高汞苯甲酸、碘乙酰胺、亞砷酸鈉等)很敏感［2，25，38］。巰基乙醇、谷胱甘肽等含巰基的還原劑的添加也可以增加BCMO1的活性［38］。

3.5 肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2(MEF2)/PPAR亞型

BCMO1基因在其他各組織中的表達(dá)調(diào)控不確定，但在肝臟和外圍組織，一些額外因素可能會通過與BCMO1啟動子區(qū)域的2個調(diào)控元件(MEF2/PPAR亞型)的相互作用來影響這個基因的 mRNA 表達(dá)［29，39］。人類 BCMO1 啟動子上存在幾個在小鼠上缺失的功能性轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，并且證明了人類腸細(xì)胞的BCMO1基因表達(dá)是依靠MEF2和PPAR亞型的共同作用［39］。

3.6 其他因素

視黃醛、視黃醇、棕櫚酸視黃酯等部分中間代謝產(chǎn)物以及胰島素、瘦素等一些激素對BCMO1基因的表達(dá)也有一定的影響［14］。

4 小結(jié)

在各種動物機(jī)體內(nèi)的具有維生素A原活性的類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A這一過程中，BCMO1所發(fā)揮的主要功能已基本明確，但在敲除BCMO1基因小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了脂肪肝［40］，所以初步猜測該酶可能與類脂化合物代謝作用有關(guān)，這還需要進(jìn)一步的調(diào)查研究。此外，也可以利用基因敲除小鼠來進(jìn)一步研究BCMO1除了用于維生素A形成之外的一些其他組織特異性功能。BCMO1分子結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)分析以及基因表達(dá)調(diào)控的更進(jìn)一步研究對調(diào)控酶活性的基因變異機(jī)制的研究有很大幫助。

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