■陳星平 陳 婷 孫加節(jié) 羅君誼 張永亮 習(xí)欠云

（廣東省動物營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510642）

甜菜堿又稱三甲基甘氨酸，甘氨酸甜菜堿是一種穩(wěn)定無毒的天然物質(zhì)，因最初從甜菜中提取而得名。它有三個活性甲基，化學(xué)名稱為三甲銨乙內(nèi)脂或三甲基甘氨酸，分子式為C5H11NO2，是一種兩性離子季銨鹽化合物，廣泛存在于動植物體內(nèi)，植物和海鮮是外源性甜菜堿的主要來源，如海鮮（尤其是海洋無脊椎動物）、麥麩、麥胚、菠菜、甜菜等都富含這種生物堿[1-2]。甜菜堿最早是在19世紀(jì)從甜菜的糖蜜中分離出來的，但其各種生物學(xué)效應(yīng)直到20 世紀(jì)70 年代后才逐漸被人們所認識。

1 甜菜堿的代謝途徑及其作用機制

甜菜堿是一種重要的甲基供體，一方面在體內(nèi)可以直接由膽堿氧化產(chǎn)生[3]，也可以被5-甲基四氫葉酸(5-methyl-THF)替代其甲基化的作用。另一方面可以通過去甲基反應(yīng)轉(zhuǎn)化成二甲基甘氨酸(DMG)，最終形成甘氨酸，其主要場所是線粒體；同時還可以在甜菜堿同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(BHMT)的催化作用下，使同型半胱氨酸重新甲基化形成蛋氨酸，這一作用主要發(fā)生在肝臟和腎臟[4]（見圖1）。

圖1 甜菜堿的分子結(jié)構(gòu)及其代謝途徑[4]

甜菜堿主要通過作為滲透壓調(diào)節(jié)劑和甲基供體來發(fā)揮生物學(xué)作用。在動物十二指腸內(nèi)被快速吸收[5]，也可以通過腎臟的重吸收作用重新進入血液循環(huán)，并在汗液而非尿液中排出[6]。一方面在轉(zhuǎn)運載體的作用下甜菜堿可以分布于腎臟、肝臟和大腦[1]，并作為滲透壓調(diào)節(jié)劑被利用；但另一方面，其最主要的功能是以甲基供體的方式來發(fā)揮生理調(diào)節(jié)作用[7-8]。其活性甲基參與體內(nèi)蛋白質(zhì)[9]、氨基酸、脂類[10]、核酸等物質(zhì)的化學(xué)修飾,并通過表觀遺傳學(xué)機制調(diào)節(jié)基因的表達和物質(zhì)代謝，從而調(diào)節(jié)動物的生長發(fā)育,改善胴體品質(zhì)，提高飼料的轉(zhuǎn)化效率以及緩解應(yīng)激等多種生理功能[11]。例如，蛋氨酸是畜禽的必需氨基酸之一，在玉米-豆粕型日糧中是家禽的第一限制性氨基酸[12]，甜菜堿能夠部分替代蛋氨酸，提高畜禽的生產(chǎn)性能，節(jié)約畜禽生產(chǎn)成本。本文擬從能量代謝，包括糖代謝、脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)代謝的作用機制方面，概述甜菜堿作為甲基供體參與機體能量代謝調(diào)節(jié)及其分子機制。

2 甜菜堿對豬能量代謝的影響及其機制

2.1 甜菜堿對豬糖代謝的影響及其機制

高能飼料是以糖分為主的飼料，是動物生長和育肥的能量基礎(chǔ)。糖代謝包括分解代謝和合成代謝兩個方面。其中糖的分解代謝主要有糖原代謝、糖酵解、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途徑等，而合成代謝途徑有糖原合成和糖異生等[13]。Wray-Cahen 等[14]發(fā)現(xiàn)在生長育肥豬日糧中分別添加0、0.125%和0.5%甜菜堿，與添加量為0 組相比，添加甜菜堿組可以提高豬的平均生長速度20%以上(P＜0.05)，飼料轉(zhuǎn)化率提高25%以上(P＜0.05)。也有研究表明[15]，在母豬妊娠期日糧中添加甜菜堿，可以增加新生仔豬體內(nèi)肝糖原的含量。其主要機制是通過糖代謝相關(guān)基因的表觀遺傳修飾機制來調(diào)節(jié)仔豬的糖代謝，如通過調(diào)控胞質(zhì)內(nèi)磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK1)、線粒體內(nèi)磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK2)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBP1)的啟動子甲基化水平，組蛋白H3K4me3、H3K27me3 水平以及通過miRNA 的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控上調(diào)PEPCK1、PEPCK2、FBP1 和PC 的表達來促進糖異生途徑。此外，據(jù)報道[16-19]，甜菜堿能降低蘋果酸脫氫酶(MDH)的活性，抑制糖的有氧氧化。

2.2 甜菜堿對豬脂肪代謝的影響及其機制

脂肪是動物體內(nèi)的重要貯能物質(zhì)。甜菜堿能調(diào)節(jié)脂肪的動員作用，組織特異性的增強脂肪分解代謝，發(fā)揮重新分配體脂的作用。黃其春等[17]根據(jù)對肥育豬和肝細胞體外培養(yǎng)試驗，發(fā)現(xiàn)添加甜菜堿(1 250 mg/kg)能顯著降低胴體脂肪率和平均背膘厚。同時結(jié)果顯示，添加甜菜堿能顯著下調(diào)背最長肌CPT1的表達及活性，從而增加肌內(nèi)脂肪含量，改善肉品質(zhì)，同時顯著提高血清游離脂肪酸含量和脂肪酶(LIP)活性，以及皮下脂肪激素敏感脂酶(HSL)活性，降低胴體脂肪率。王敏奇等[20]對48 頭“杜長大”仔豬飼喂添加1 000 mg/kg 甜菜堿的飼糧，飼喂62 d 后發(fā)現(xiàn)添加甜菜能顯著降低背膘厚、板油重和肝臟脂肪含量，提高瘦肉率。同時也顯著提高了脂肪酶活性和肌肉肝臟中游離肉堿的含量，并使更多的長鏈脂肪酸進入線粒體進行β-氧化。余東游等[18]對不同階段的豬飼喂甜菜堿添加的飼糧發(fā)現(xiàn)，無論是斷奶仔豬，生長豬，還是肥育豬，添加甜菜堿均能顯著增加其日增重和瘦肉率，并通過降低MDH活性、增加肝臟游離肉堿的含量，降低胴體脂肪率。

此外，資料顯示，甜菜堿降低胴體脂肪含量以及背膘厚的機制與抑制脂肪的合成代謝有關(guān)[16-18，21-22]。比如甜菜堿能夠抑制皮下脂肪組織中的乙酰輔酶A羧化酶(ACC)、脂肪酸合成酶(FAS)、脂蛋白脂酶(LPL)和蘋果酸脫氫酶（MDH）的活性以及下調(diào)FAS 的mRNA 水平，從而抑制脂肪酸的合成。蔡德敏[15]研究也發(fā)現(xiàn)，在母豬妊娠期日糧中添加甜菜堿，可通過調(diào)控FAS 和硬脂酰基輔酶A 脫氫酶(SCD)啟動子甲基化、組蛋白H3K4me3、H3K27me3 水平以及通過miRNA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機制下調(diào)FAS、ACC和SCD的表達，從而抑制脂肪的合成，降低新生仔豬肝臟甘油三酯含量等。另外，在肥育豬日糧中添加不同甜菜堿水平(0、1 000、1 500 mg/kg)，能降低肥育豬血清中甘油三酯含量，且隨甜菜堿添加量的升高，豬肝臟粗脂肪含量有下降的趨勢[23]。

2.3 甜菜堿對豬蛋白質(zhì)代謝的影響及其機制

蛋白質(zhì)代謝和周轉(zhuǎn)直接影響到機體的生長發(fā)育和骨骼肌蛋白質(zhì)的沉積[24]。骨骼肌蛋白質(zhì)的沉積量主要取決于蛋白質(zhì)合成和蛋白質(zhì)降解的雙向調(diào)控作用，蛋白質(zhì)合成大于降解時，蛋白質(zhì)沉積增加，肌肉生長加快[25-26]。據(jù)報道[17-18，21-22]，日糧中添加甜菜堿能顯著增加胴體瘦肉率、眼肌面積并降低背膘厚。在限飼條件下，F(xiàn)ernandez-Figares 等[27]通過日糧中分別添加0、0.125%、0.25%和0.5%甜菜堿。結(jié)果顯示，甜菜堿能夠改變生長豬養(yǎng)分利用和分配，增強胴體蛋白質(zhì)的沉積。同時，Schrama等[28]研究也認為，在特定的能量限制條件下，結(jié)合輕微的環(huán)境壓力的情況下，甜菜堿在生長豬代謝中發(fā)揮了潛在能量節(jié)約作用，提高飲食的能量價值。Schrama 等[29]研究表明，日糧中添加1.29 g/kg甜菜堿能降低豬的產(chǎn)熱量，并影響豬體內(nèi)能量分配，顯著增加蛋白質(zhì)沉積。尿素氮是衡量機體氮貯留的重要指標(biāo)，血清尿素氮含量降低，直接反應(yīng)了動物體內(nèi)氨基酸分解作用減弱，氮貯留增加，蛋白質(zhì)沉積增加[17，30]。有研究表明[17，31-32]，日糧添加甜菜堿肥育豬血清尿素氮含量顯著降低，說明氨基酸分解作用顯著降低，蛋白質(zhì)的沉積顯著增加。

3 甜菜堿對家禽能量代謝的影響及其機制

3.1 甜菜堿對家禽脂肪代謝的影響及其機制

鄒曉庭等[19]在蛋雞日糧中添加600 mg/kg 甜菜堿，結(jié)果顯示，甜菜堿能顯著提高蛋雞腹脂中激素敏感脂肪酶(HSL)的活性(提高50%，P＜0.02)，顯著下調(diào)腹脂中脂蛋白脂酶(LPL)的活性(下調(diào)44.83%，P＜0.01)；同時，顯著降低蛋雞的腹脂率和肝脂率，提高產(chǎn)蛋率并降低料蛋比。許梓榮等[33]研究表明甜菜堿通過增加蛋雞肝臟肉堿和肌酸的合成量，增強脂肪酸的運載，促進脂肪酸的β氧化，從而達到降低腹脂沉積及預(yù)防脂肪肝的作用。郭玉琴等[34]對肉仔雞飼喂不同甜菜堿和膽堿水平的飼糧，同樣發(fā)現(xiàn)添加甜菜堿能夠增強脂肪酸的氧化作用，減少脂肪肝。馬建爽等[35]研究表明肉雞日糧中添加0.2%的甜菜堿可提高肉雞的生長性能，增強脂質(zhì)代謝，改善肌肉中脂肪酸的組成和風(fēng)味氨基酸的含量，改善肌肉風(fēng)味品質(zhì)。同時可以顯著降低血清中甘油三酯、總膽固醇、胰島素和瘦素的含量，提高脂聯(lián)素和高密度脂蛋白含量。也有研究顯示甜菜堿能促進蛋雞肝臟中脂肪的遷移和代謝，降低肝組織中脂質(zhì)的沉積[36-37]。此外，Xing 等[38]在22 日齡的肉雞日糧中添加0.1%的甜菜堿發(fā)現(xiàn)，在56 日齡和66 日齡時，平均日增重分別提高6.91%和11.94%；腹脂分別降低9.04%和11.9%。對腹脂進行qPCR 檢測發(fā)現(xiàn)，56日齡時脂肪合成相關(guān)基因FAS和A-FABP顯著下調(diào)，在66日齡時脂蛋白脂肪酶LPL和FAS顯著下調(diào)。此外，通過對LPL啟動子CpG島的甲基化檢測發(fā)現(xiàn)：添加甜菜堿之后，腹脂LPL 啟動子區(qū)域CpG 的甲基化模式發(fā)生了改變。

3.2 甜菜堿對家禽蛋白質(zhì)代謝的影響及其機制

研究顯示，在日糧中添加1 000 mg/kg 添加量能顯著提高肉雞胸肌產(chǎn)量和顯著減少腹脂重量，同時通過影響IGF-1/mTOR 信號通路顯著提高胸肌中肌分化因子1(MyoD1)和肌肉增強子因子2B(MEF2B)的表達[39]。王俊東等[40]針對不同時期的肉雞進行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同時期添加甜菜堿可促進肉雞體增重，降低腹脂率，引起肉雞體內(nèi)脂肪的重新分配，增加肌間脂肪含量，改善肉品質(zhì)。孫華等[41]用甜菜堿替代肉雞日糧中蛋氨酸，研究發(fā)現(xiàn)甜菜堿能夠部分替代蛋氨酸，節(jié)約生產(chǎn)成本。同時，甜菜堿能促進GH 和IGF-1的分泌，進而促進蛋白質(zhì)的合成，使蛋白質(zhì)的沉積增加，提高胸肌、肝臟粗蛋白含量以及血清總蛋白含量[41-42]。此外，甜菜堿還能通過甲基供體營養(yǎng)，促進機體肉堿的合成，增強脂肪酸在線粒體內(nèi)的轉(zhuǎn)運，促進脂肪酸的β氧化；同時抑制脂肪合成相關(guān)酶的活性，從而調(diào)控脂肪代謝，降低腹脂率，從而改善肉雞經(jīng)濟效益和肌肉品質(zhì)的作用。

4 甜菜堿對嚙齒類動物能量代謝的影響及其機制

4.1 甜菜堿對嚙齒類動物糖代謝的影響及其機制

乳酸脫氫酶（LDH）是糖酵解途徑中一種重要的酶[43]。醛縮酶(ALD)也是糖酵解代謝途徑中的關(guān)鍵酶。研究表明[44]，甜菜堿能顯著地降低血清LDH活力和ALD活力，抑制荷瘤小鼠的糖酵解。糖尿病是一種常見的內(nèi)分泌疾病，分為兩種：1型糖尿病和2型糖尿病。1 型糖尿病主要是由于胰島素水平低下導(dǎo)致，可用胰島素治療，而2型糖尿病的病因主要是胰島素抵抗。研究顯示，甜菜堿能改善胰島素耐受，提高葡萄糖的利用率[45]。也許甜菜堿能改善糖尿病，而其中的機制及是否能作為糖尿病患者的一種藥物，還有待進一步的研究來闡明。

4.2 甜菜堿對嚙齒類動物脂肪代謝的影響及其機制

Du等[45]研究表明，甜菜堿添加可通過下調(diào)細胞周期蛋白(CyclinD/E)、CCAAT 增強子結(jié)合蛋白α(C/EBPα)、PPARγ以及上調(diào)P21 和P53 的表達水平來抑制高脂誘導(dǎo)的肥胖小鼠的脂肪前體細胞的增殖、分化和肥大；并上調(diào)Cd137、Cidea、UCP1 和PGC1α的表達水平促進白色脂肪棕色化及脂肪酸氧化，從而降低白色脂肪的沉積。Wang等[46]在ApoE敲除小鼠日糧中添加2%甜菜堿發(fā)現(xiàn)，甜菜堿添加能逆轉(zhuǎn)由于ApoE缺失導(dǎo)致的肝臟甘油三脂沉積，并提高肝臟中SOD 和GSH-Px 的活性。甜菜堿通過降低PPARα啟動子的甲基化水平，顯著上調(diào)PPARα表達進而上調(diào)CPT1 和CYP2E1 的表達，促進甘油三脂的脂解。周靜雅等[47]發(fā)現(xiàn)，在非酒精性脂肪肝模型中，甜菜堿可通過下調(diào)脂質(zhì)代謝關(guān)鍵基因FAS、ACC 等脂肪分化相關(guān)蛋白ADRP、上調(diào)PPARα 和微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)運蛋白MTTP mRNA 水平的表達水平及活性，降低肝臟甘油三酯的含量，保護肝臟免受損傷。資料顯示[48]，MTTP表達水平上調(diào)是由于甜菜堿改變了其啟動子的超甲基化狀態(tài)，降低了其甲基化的水平。過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）是一類配體依賴的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，包括三個亞型，除了PPARα外，還有PPAR β/δ和PPARγ。甜菜堿能抑制PPARγ的轉(zhuǎn)錄活性以及與Foxo1結(jié)合，進而抑制ACC 和FAS 表達來抑制脂肪合成[49]。

4.3 甜菜堿對嚙齒類動物蛋白質(zhì)代謝的影響及其機制

Du 等[50]在飲水中添加10 mM 的甜菜堿飼喂小鼠133 d 后，研究顯示，甜菜堿能夠增加小鼠的肌肉重量。同時用10 mM的甜菜堿處理C2C12細胞發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)酪氨酸激酶1(JAK1)、去乙酰化酶2(Sirt2)、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(Runx1)的表達被上調(diào)，而Kruppel 樣因子10(KLH10)、血清應(yīng)答因子(SRF)和肌肉生長抑制素(Myostain)等抑制成肌細胞增殖的基因被下調(diào)。此外，還可通過增加5mC 和m6A 的量及上調(diào)miR-29b-3p的表達來上調(diào)生肌調(diào)節(jié)因子MyoG、生肌因子4(MRF4)、肌鈣蛋白(Troponin)和肌球蛋白重鏈6(MYH6)的表達，從而促進成肌細胞的分化。Senesi等[51]用10 mM的甜菜堿處理C2C12 細胞，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)甜菜堿促進IGF-1受體(IGF-1 R)的表達，改善了IGF-1 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而促進肌球蛋白重鏈(MyHC)合成和肌管長度。

5 結(jié)語

大量的研究結(jié)果表明，甜菜堿通過調(diào)控能量代謝相關(guān)基因的表達對動物的能量代謝產(chǎn)生巨大的影響。其最主要的功能是以甲基供體的方式來發(fā)揮表觀修飾調(diào)節(jié)作用，如通過控制關(guān)鍵基因的啟動子區(qū)域及組蛋白H3K4me3、H3K27me3的甲基化情況以及靶向關(guān)鍵基因的miRNA 的表達水平，調(diào)控糖、脂類以及蛋白質(zhì)代謝途徑中關(guān)鍵基因的表達，從而達到調(diào)控能量代謝的作用。本實驗室前期也研究發(fā)現(xiàn)，在肌肉萎縮小鼠模型中，甜菜堿具有逆轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)分解，增強蛋白質(zhì)沉積的作用。此外，甜菜堿是否通過翻譯水平來調(diào)控能量代謝關(guān)鍵基因的表達還未見報道，這些都有待進一步的研究來闡明。總之，隨著活雞屠宰模式的強制要求以及豬肉胴體品質(zhì)的極大關(guān)注，甜菜堿作為一種飼料添加劑將具有更好的應(yīng)用前景，其對豬雞能量代謝的作用機制研究也將更為深入。