甘水燕，劉 虎，周建偉＊

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州 730020

0 引言

與單胃動(dòng)物相較而言，反芻動(dòng)物氮素利用效率較低，僅為氮素總攝入量的20%～36%，其剩余的氮主要以糞和尿的形式排出體外[1]。同時(shí)，糞和尿中所含有的尿素經(jīng)氨化反應(yīng)則會(huì)生成氨氣，而大量的氨氣排放到空氣中會(huì)危害生態(tài)環(huán)境安全，甚至威脅人類健康。據(jù)報(bào)道，畜牧業(yè)生產(chǎn)所排放的氮占全球氮排放總量的76%[2]，尤其是在高度集約化養(yǎng)殖模式下，氮排放量將會(huì)更高[3]。因此，反芻動(dòng)物日糧氮利用率低不僅造成了環(huán)境污染問題，還導(dǎo)致了飼料資源浪費(fèi)，同時(shí)還提高了生態(tài)與生產(chǎn)成本?，F(xiàn)階段，全球生態(tài)環(huán)境問題面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)在飼料原料價(jià)格持續(xù)攀升以及“人畜爭(zhēng)糧”矛盾日益突出等形勢(shì)下，如何通過營養(yǎng)調(diào)控來提高反芻動(dòng)物氮利用效率及解析反芻動(dòng)物氮代謝機(jī)制已成為畜牧業(yè)現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)。雖然在哺乳動(dòng)物體內(nèi)都存在尿素循環(huán)機(jī)制，但是反芻動(dòng)物由于瘤胃的存在而使得其體內(nèi)的尿素循環(huán)具有了特殊的生物學(xué)意義。通過反芻動(dòng)物瘤胃上皮細(xì)胞的擴(kuò)散與轉(zhuǎn)運(yùn)，血液中的尿素分子能夠重新循環(huán)進(jìn)入胃腸道，在脲酶作用下迅速轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，其被瘤胃微生物捕獲后可用于合成菌體蛋白，進(jìn)而為宿主機(jī)體提供氨基酸營養(yǎng)[4]。由此可見，尿素再循環(huán)利用對(duì)維持反芻動(dòng)物體內(nèi)氮平衡具有重要意義，尤其是它在承受日糧氮素“脅迫”時(shí)，尿素再循環(huán)利用保證了動(dòng)物機(jī)體對(duì)日糧氮素/氨基酸的需要。近年來的研究表明，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和部分水通道蛋白可介導(dǎo)尿素分子在瘤胃上皮進(jìn)行高效的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而保證了尿素能夠從血液組織中快速進(jìn)入瘤胃，提高機(jī)體氮素周轉(zhuǎn)效率以及為瘤胃微生物蛋白合成提供更加充足的氮源[5～7]。因此，本文綜述了反芻動(dòng)物體內(nèi)尿素循環(huán)的特點(diǎn)、影響因素以及尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)特征及其分子調(diào)控過程，旨在為動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)氮素的精準(zhǔn)營養(yǎng)、提高利用效率和節(jié)約飼料資源，從而減少環(huán)境污染和降低生產(chǎn)成本，以期實(shí)現(xiàn)滿足家畜綠色養(yǎng)殖的要求以及緩解優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼料短缺與價(jià)格日趨昂貴所帶來的經(jīng)濟(jì)壓力。

1 尿素氮再循環(huán)利用對(duì)反芻動(dòng)物的重要性

維持機(jī)體正常的氮平衡對(duì)生命活動(dòng)至關(guān)重要。在反芻動(dòng)物體內(nèi)，瘤胃微生物通過降解日糧中的瘤胃可降解蛋白（Ruminally-Degradable Protein，RDP），進(jìn)而生成氨、肽和氨基酸以及其他含氮化合物：其中，一部分氨可直接在瘤胃內(nèi)被微生物用于合成微生物蛋白（Microbial Crude Protein，MCP），剩下的另一部分氨會(huì)經(jīng)過瘤胃上皮的轉(zhuǎn)運(yùn)與吸收，進(jìn)入血液并隨之運(yùn)輸?shù)礁闻K中，經(jīng)鳥氨酸循環(huán)后被合成內(nèi)源尿素。肝臟合成的尿素一部分以糞、尿和乳汁（奶牛）的形式排出體外，而經(jīng)過腎臟和乳腺的重吸收途徑，這部分尿素可獲得重新回到血液組織的機(jī)會(huì)；另一部分肝臟合成的尿素可經(jīng)瘤胃上皮擴(kuò)散或轉(zhuǎn)運(yùn)以及唾液分泌的形式進(jìn)入瘤胃內(nèi)，在脲酶的作用下水解生成氨，被瘤胃微生物捕獲并用于合成MCP。上述的整個(gè)尿素代謝過程被稱為反芻動(dòng)物尿素氮再循環(huán)利用（Urea Nitrogen Salvaging，UNS）機(jī)制[8]，如圖1所示。這種特殊的尿素氮再循環(huán)利用機(jī)制對(duì)維持反芻動(dòng)物體內(nèi)氮素營養(yǎng)平衡具有非常重要的生物學(xué)意義。

圖1 反芻動(dòng)物尿素氮再循環(huán)利用示意圖

借助同位素示蹤技術(shù)，通過一系列尿素動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究表明，反芻動(dòng)物經(jīng)尿素循環(huán)而重新進(jìn)入消化道的氮量可占日糧攝入氮的25%～45%，該數(shù)值甚至占到肝臟合成內(nèi)源尿素的90%[9]。例如，在綿羊和肉牛肝臟所合成的內(nèi)源尿素中，有40%～80%可以循環(huán)進(jìn)入消化道，其中，35%～55%的循環(huán)尿素氮可被細(xì)菌捕獲用于合成微生物蛋白[10]，從而能夠?yàn)闄C(jī)體提供更多的氨基酸營養(yǎng)。據(jù)報(bào)道，與小尾寒羊相比，在采食相同日糧時(shí)，藏羊的腎臟尿素清除率更低、尿素重吸收效率以及氮沉積率更高；尤其是在飼喂低氮日糧時(shí)，藏羊肝臟合成的內(nèi)源尿素的88%可以重新循環(huán)進(jìn)入胃腸道[11]。憑借該特殊機(jī)制，藏羊才能夠應(yīng)對(duì)青藏高原長(zhǎng)期性的飼料氮源不足的問題。研究發(fā)現(xiàn)，與給羔羊持續(xù)供應(yīng)常規(guī)蛋白質(zhì)含量（127 gCP/kgDM）的日糧相比，連續(xù)交替（間隔2d）飼喂低蛋白質(zhì)日糧（103 gCP/kgDM）和高蛋白日糧（161 gCP/kgDM）后，羔羊的氮沉積量和氮利用率都得到了顯著提升，其主要原因是這種飼養(yǎng)管理模式使得飼喂低蛋白日糧時(shí)增加了循環(huán)進(jìn)入瘤胃的尿素通量，提高了體內(nèi)尿素再循環(huán)利用效率[12]。由于降低日糧氮水平（13.8%）可減小腎臟尿素清除率，提高腎臟尿素重吸收率，因此對(duì)奶牛而言，通過對(duì)日糧氮素的精準(zhǔn)調(diào)控以及實(shí)施科學(xué)的飼養(yǎng)管理策略，不但可以大大減少其氮排泄，而且對(duì)奶產(chǎn)量無明顯影響[13]。由此可見，在應(yīng)對(duì)低氮日糧時(shí)，反芻動(dòng)物更依賴于發(fā)揮其內(nèi)源尿素循環(huán)功能，增加內(nèi)源氮的利用，以維持機(jī)體氮平衡。

綜上所述，反芻動(dòng)物尿素氮再循環(huán)利用對(duì)維持體內(nèi)氮平衡具有重要的生物學(xué)意義，并且為設(shè)計(jì)低氮日糧提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)低氮減排的環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式開辟了新思路。

2 尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基本特征

2.1 尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-UT

尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一種介導(dǎo)尿素順濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的膜蛋白，主要包括尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B（Urea Transporter B，UT-B）和尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A（Urea Transporter A，UT-A）兩個(gè)亞型，分別由SLC14A1、SLC14A2基因編碼，且哺乳動(dòng)物尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因具有高度的同源性。人類SLC14A1基因位于18號(hào)染色體q12.1-q21.1區(qū)間，與SLC14A2相近。SLC14A1基因包括11個(gè)外顯子，其編碼區(qū)從第4外顯子延伸到第11外顯子，長(zhǎng)度約為30 kb，編碼UT-B1和UT-B2蛋白[14]。SLC14A2基因包括24 個(gè)外顯子，長(zhǎng)度約為300kb，編碼UT-A1～UT-A6共6種異構(gòu)體蛋白；該基因擁有2 個(gè)啟動(dòng)子元件，啟動(dòng)子I位于第1外顯子上游，驅(qū)動(dòng)UT-A1、UT-A3和UT-A4的轉(zhuǎn)錄，啟動(dòng)子II位于第12內(nèi)含子內(nèi)，驅(qū)動(dòng)UT-A2的轉(zhuǎn)錄[15]。

尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的立體三維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種三聚體的特征[16]，且每個(gè)原體配有一個(gè)選擇性過濾器和尿素傳導(dǎo)孔，如圖2所示，其中心區(qū)域有一個(gè)允許尿素快速滲透的傳導(dǎo)孔。尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的選擇特異性是由跨膜結(jié)構(gòu)域和中心氨基酸側(cè)鏈（親水殘基和疏水殘基）所決定的[17]。UT-B1和UT-B2的分子結(jié)構(gòu)、折疊特征和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制在引文[17]中已有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。

圖2 UT 的三維結(jié)構(gòu)及其介導(dǎo)尿素分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖

氨基酸序列以及轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和方式的不同，將會(huì)導(dǎo)致在尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的調(diào)控下生成多種異構(gòu)體。不同異構(gòu)體分布在動(dòng)物各種組織器官中，并根據(jù)生理需求而發(fā)揮其各自所介導(dǎo)的尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)活動(dòng)（表1，僅列出主要分布位置）。UT-B1在很多動(dòng)物的組織器官中都存在表達(dá)，如大腦、肝臟、腎臟、膀胱、結(jié)腸、盲腸、胰腺、骨髓等[18～20]，而UT-B2目前僅發(fā)現(xiàn)在牛羊瘤胃上皮有表達(dá)[5，21，22]。研究表明，UT-B在瘤胃上皮的分布特征與其對(duì)應(yīng)的生理功能完全相符，即協(xié)助血漿尿素分子從外周循環(huán)經(jīng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)而從瘤胃上皮進(jìn)入消化道[23]。最新的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)犢牛在0～14日齡時(shí)，在瘤胃上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中即可檢測(cè)到UT-B蛋白的存在，但其表達(dá)量很低；當(dāng)犢牛生長(zhǎng)到28日齡時(shí)，可以觀察到UT-B主要分布在瘤胃基底層細(xì)胞膜的外側(cè)；當(dāng)犢牛到達(dá)96日齡時(shí)，UT-B不僅分布在瘤胃的基底層細(xì)胞，并且呈現(xiàn)出向棘突層細(xì)胞膜延伸的趨勢(shì)[23]。在該研究中，由于剛出生的犢牛瘤胃尚未發(fā)育完全，瘤胃上皮細(xì)胞的尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)量低且主要分布在細(xì)胞質(zhì)中，這表明幼齡反芻動(dòng)物胃腸道的尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能不參與尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)或者其瘤胃上皮的尿素循環(huán)機(jī)制尚未建立。然而，隨著反芻動(dòng)物日齡的增長(zhǎng)，其瘤胃上皮發(fā)育日趨完善，UT-B逐漸聚集在基底層細(xì)胞膜并參與尿素轉(zhuǎn)運(yùn)，從而維持著瘤胃高效的尿素循環(huán)機(jī)制。由此可見，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在瘤胃上皮組織中的表達(dá)和分布是與其功能相對(duì)應(yīng)的。同時(shí)，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在腎臟細(xì)胞的表達(dá)與分布也與尿素在腎臟內(nèi)的流動(dòng)特征以及內(nèi)髓集合管的尿素重吸收功能密切相關(guān)，并以此來達(dá)到為動(dòng)物機(jī)體節(jié)氮的目的[24～27]。據(jù)此推測(cè)，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)出多種異構(gòu)體可能與其不同的分布特征、生理結(jié)構(gòu)以及功能發(fā)揮等因素有關(guān)。

表1 哺乳動(dòng)物尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的組織分布與基因表達(dá)特征

2.2 水通道蛋白AQP

水通道蛋白是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外水滲透的膜蛋白，其鑲嵌在細(xì)胞膜上而形成一種特殊的“孔道”，從而控制水分子進(jìn)入或排出細(xì)胞，其作用機(jī)理與UT存在一定的相似性。迄今為止，在動(dòng)物體中已經(jīng)鑒定出了13 種水通道蛋白亞型，即AQP0～AQP12，但明確對(duì)尿素有通透性的僅有AQP3、AQP7、AQP9和AQP10[37～39]，其統(tǒng)稱為水-甘油通道（Aquaglyceroporins，AQGP）蛋白（表2）。

表2 哺乳動(dòng)物AQGP 蛋白的組織分布與基因表達(dá)特征[40]

AQPs的氨基酸序列僅有30～50%的相似性，但在其整體結(jié)構(gòu)上是相一致的，即同源四聚體[41]，且在每個(gè)原體上都存在一個(gè)特定的孔道來調(diào)控水和尿素等分子的通行（圖3）。AQGPs的分子結(jié)構(gòu)、折疊特征和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制在引文[41]中已有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。由于AQGP的功能隨著其構(gòu)象不同而發(fā)生變化，導(dǎo)致了其對(duì)不同分子如尿素、甘油、過氧化氫和二氧化碳的通透性而呈現(xiàn)出顯著差異。雖然現(xiàn)有資料已經(jīng)證明AQGP可以介導(dǎo)尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，但是該蛋白在反芻動(dòng)物體內(nèi)的具體分布位點(diǎn)以及生理意義尚不完全清楚，這些科學(xué)問題還有待于進(jìn)一步深入研究。

圖3 AQP 的三維結(jié)構(gòu)及其介導(dǎo)水和尿素分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖

3 反芻動(dòng)物尿素氮轉(zhuǎn)運(yùn)的分子調(diào)控機(jī)制

尿素分子具有極性高，脂溶性低的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致尿素通過磷脂雙分子層的效率很低。然而，反芻動(dòng)物體內(nèi)卻能夠維持高效的尿素循環(huán)，以此來保證機(jī)體氮平衡。這主要是因?yàn)榉雌c動(dòng)物消化道上皮中存在尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助尿素進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的功能，從而大幅度提高了尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)效率，保證了機(jī)體氮平衡。

瘤胃是反芻動(dòng)物維持高效尿素循環(huán)機(jī)制的基礎(chǔ)保障，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)其起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)尿素分子由血液快速進(jìn)入消化道。Stewart等[5]通過分子免疫熒光技術(shù)發(fā)現(xiàn)在牛瘤胃上皮細(xì)胞存在大量的UT-B，并利用尤氏灌流室結(jié)合同位素示蹤試驗(yàn)證實(shí)了UT-B具有能夠協(xié)助尿素跨瘤胃上皮轉(zhuǎn)運(yùn)的功能。Scott等[42]發(fā)現(xiàn)在綿羊瘤胃、十二指腸和盲腸上皮細(xì)胞上均有UT-B的mRNA基因表達(dá)，進(jìn)一步通過尤氏灌流室實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)UT-B具有可介導(dǎo)尿素跨上皮轉(zhuǎn)運(yùn)的功能，并且跨瘤胃上皮的尿素通量（Jsm-urea）遠(yuǎn)大于十二指腸和盲腸上皮，這說明瘤胃上皮組織對(duì)尿素的轉(zhuǎn)運(yùn)效率更高。根皮素是尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的特異性抑制劑，然而Doranalli等[12]通過體外尤氏灌流室的研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)緩沖液中添加根皮素后，瘤胃上皮的尿素通量（Jsm-urea）僅下降了19.5%～22.3%，這說明UT-B介導(dǎo)尿素跨瘤胃上皮轉(zhuǎn)運(yùn)的占比較低，可能還存在其他轉(zhuǎn)運(yùn)方式或者存在其他對(duì)尿素通透性更高的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

除UT-B以外，上文提到的水通道蛋白中的AQGP（AQP3、AQP7、AQP9和AQP10）也可以介導(dǎo)尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，其也可能是調(diào)控反芻動(dòng)物尿素轉(zhuǎn)運(yùn)的重要機(jī)制。Walpole 等[6]通過尤氏灌流室裝置模擬尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AQP3對(duì)尿素分子具有滲透性，首次證實(shí)了AQP3 可介導(dǎo)瘤胃上皮尿素轉(zhuǎn)運(yùn)過程，在試驗(yàn)緩沖液中添加AQP的特異性抑制劑NiCl2，這會(huì)導(dǎo)致瘤胃上皮的尿素通量下降了23%。Rojen等[7]研究發(fā)現(xiàn)在牛瘤胃乳頭細(xì)胞上均可檢測(cè)到AQP3、AQP7和AQP10 mRNA和蛋白表達(dá)，從而推測(cè)這些水通道蛋白可能具有介導(dǎo)瘤胃上皮尿素轉(zhuǎn)運(yùn)的潛在作用。Zhong等[43]通過終點(diǎn)反轉(zhuǎn)錄PCR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在牛瘤胃和腎臟中均存在AQP3 的mRNA和蛋白高表達(dá)的現(xiàn)象，進(jìn)一步的免疫定位研究顯示，瘤胃上皮細(xì)胞中均有AQP3的分布，尤其在瘤胃上皮基底層細(xì)胞以及腎集合管細(xì)胞的基底外側(cè)膜表達(dá)豐度較高。由此看見，這類水通道蛋白確實(shí)可介導(dǎo)瘤胃上皮的尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程，在反芻動(dòng)物尿素氮再循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。然而，AQGP在反芻動(dòng)物體內(nèi)具體分布位置、生理意義以及調(diào)控機(jī)制等科學(xué)問題還尚不清晰，例如，AQPs和UT在反芻動(dòng)物尿素循環(huán)中各自扮演什么角色？其轉(zhuǎn)運(yùn)尿素的貢獻(xiàn)率是多少？這些科學(xué)問題仍需進(jìn)一步探索和挖掘。

腎臟對(duì)尿素的重吸收可減少尿素的排泄，降低了其尿素清除率，從而增加氮的沉積，進(jìn)而提高尿素循環(huán)利用效率，這也是反芻動(dòng)物尿素循環(huán)的重要組成部分[11，42]。腎臟中的尿素循環(huán)途徑是：血漿尿素一部分經(jīng)腎小球?yàn)V過作用后截留在血液中；另一部分尿素則形成原尿，然后又被腎集合管重吸收而又回到血液[44]，在血液中的尿素就有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入消化道而成為微生物氮源。研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠腎臟尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因會(huì)導(dǎo)致尿中尿素排泄增多，尤其是敲除編碼UT-A1和UT-A3的基因之后，小鼠尿氮排泄顯著增多[45]。根據(jù)Fenton等[45]所構(gòu)建的腎內(nèi)尿素流動(dòng)模型結(jié)果顯示，敲除小鼠編碼UT-B的基因后，直小血管上升支中的尿素?zé)o法滲透至直小血管下降支，內(nèi)髓尿素濃度下降，導(dǎo)致腎內(nèi)尿素循環(huán)量下降；敲除編碼UT-A2的基因后，細(xì)降支小管對(duì)尿素沒有通透性，但腎內(nèi)尿素總循環(huán)量并沒有明顯下降；敲除編碼UT-A1和UT-A3的基因后，內(nèi)髓集合管無法重吸收尿素，直接導(dǎo)致尿液中尿素排泄顯著增多。由此可見，UT-B、UT-A1和UT-A3在腎臟尿素循環(huán)中分別扮演著不可替代的角色。Starke等[46]通過分子免疫熒光定位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)UT-B在羊的腎乳頭和腎髓質(zhì)中均有蛋白表達(dá)，而UT-A1和UT-A2僅在腎髓質(zhì)中有蛋白表達(dá)。另外，也有其他研究表明，在羊的腎臟組織中有UTB[47]和AQP3[48]mRNA和蛋白的強(qiáng)表達(dá)，牛的腎髓集合管細(xì)胞有AQP3 mRNA和蛋白的表達(dá)[43]。由此猜想，如同尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控著小鼠腎臟的尿素循環(huán)流動(dòng)，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也可能調(diào)控著反芻動(dòng)物的腎臟尿素循環(huán)，在為動(dòng)物機(jī)體固氮和提高氮利用效率中發(fā)揮著重要作用。然而，目前為止，關(guān)于反芻動(dòng)物腎內(nèi)尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究報(bào)道較少，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在腎臟內(nèi)的分布特征及生理意義也尚不清楚，這些科學(xué)問題可能將是未來研究反芻動(dòng)物腎臟尿素循環(huán)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

綜上所述，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和部分水通道蛋白都可以介導(dǎo)尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)并極大地提高了尿素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)效率，其在調(diào)控反芻動(dòng)物尿素氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用；然而，上述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)又受日糧營養(yǎng)水平、家畜物種、機(jī)體內(nèi)環(huán)境（如瘤胃發(fā)酵參數(shù)、瘤胃內(nèi)環(huán)境狀況）等因素的影響。如何通過日糧調(diào)控手段來創(chuàng)造良好的動(dòng)物機(jī)體內(nèi)環(huán)境，從而促使尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮最高的作用效率，這可能是今后反芻動(dòng)物尿素氮循環(huán)研究的重中之重。

4 調(diào)控尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的因素

4.1 日糧營養(yǎng)

前期的研究表明，日糧中的氮水平與來源、可發(fā)酵碳水化合物含量與結(jié)構(gòu)類型、能氮物質(zhì)比例與同步性以及飼養(yǎng)管理方式等均對(duì)反芻動(dòng)物體內(nèi)尿素循環(huán)起著重要的調(diào)控作用[47，49，50]。那么，這些影響因子對(duì)尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)是否也具有類似的調(diào)控作用呢？該科學(xué)問題隨后又引起了科學(xué)家們廣泛關(guān)注，并開展了大量的研究試驗(yàn)來進(jìn)行持續(xù)性地探索。前期的研究表明，在低氮日糧條件下，反芻動(dòng)物更加依賴于其體內(nèi)尿素氮再循環(huán)利用機(jī)制來調(diào)節(jié)氮代謝以維持體內(nèi)氮平衡，從而保證機(jī)體的氨基酸營養(yǎng)需要。與飼喂高氮日糧相比，反芻動(dòng)物飼喂低氮飼糧時(shí)，其肝臟合成的尿素循環(huán)進(jìn)入消化道的比例會(huì)顯著增加，因而參與到機(jī)體合成代謝中的內(nèi)源氮數(shù)量也會(huì)隨之增加[51]。另外，在低氮日糧條件下，藏羊肝臟合成的內(nèi)源尿素循環(huán)進(jìn)入消化道的比例隨日糧能量水平的升高而增加，氮沉積也隨之增加[47]。雖然反芻動(dòng)物在采食低氮或高能日糧時(shí)會(huì)提高內(nèi)源尿素進(jìn)入瘤胃中的比例，但是瘤胃上皮中尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的mRNA與蛋白表達(dá)量是否會(huì)隨之上調(diào)，目前尚存在較大爭(zhēng)議，詳見表3。正如表3所描述的內(nèi)容，升高日糧氮水平有可能增加或減少UT-B的表達(dá)量，也有可能不影響其表達(dá)；同樣，UT-A和AQP的表達(dá)對(duì)日糧氮水平的響應(yīng)機(jī)制也呈現(xiàn)出類似的現(xiàn)象；升高日糧能量水平有可能增加或降低轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。表3概括了前人探索日糧氮水平、能量水平、精粗比、碳水化合物來源、可發(fā)酵碳水化合物含量、日糧加工方式和日糧中添加尿素尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的影響效果。從中可以看出，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因表達(dá)對(duì)日糧營養(yǎng)水平的響應(yīng)機(jī)制呈現(xiàn)出多變性，其會(huì)因反芻動(dòng)物的物種、生理階段、分布位點(diǎn)等差異而產(chǎn)生不同的研究結(jié)果。因此，日糧調(diào)控反芻動(dòng)物體內(nèi)尿素循環(huán)機(jī)制在宏觀和微觀尺度上存在很大區(qū)別，其原因可能是尿素循環(huán)不僅僅受尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的單獨(dú)調(diào)控。現(xiàn)有文獻(xiàn)也說明，除日糧營養(yǎng)因素外，尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因表達(dá)還受其他因素（如瘤胃內(nèi)pH、SCFA和氨濃度、CO2、生理階段）的協(xié)同調(diào)控，詳見4.2。

表3 日糧營養(yǎng)水平對(duì)反芻動(dòng)物尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的調(diào)控作用

4.2 瘤胃內(nèi)環(huán)境

研究結(jié)果顯示，瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物SCFA、氨、CO2和pH值等均可調(diào)節(jié)瘤胃上皮的尿素轉(zhuǎn)運(yùn)[42，54，61]，而該過程被認(rèn)為是通過調(diào)節(jié)瘤胃上皮尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)或通透性來實(shí)現(xiàn)的。據(jù)報(bào)道，隨著反芻動(dòng)物瘤胃中SCFA濃度的升高和pH值的降低，瘤胃上皮中UT-B基因表達(dá)量顯著增加，但是當(dāng)瘤胃中的pH值下降到6.4以下時(shí)又會(huì)抑制UT-B的基因表達(dá)[22，54]。Lu等[59]通過體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究了SCFA、pH和氨對(duì)瘤胃上皮UT-B表達(dá)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)pH值從7.4下降到6.8時(shí)，UT-B的mRNA和蛋白表達(dá)量均顯著增加；當(dāng)pH值為7.4時(shí)，濃度為20 mM和40 mM的SCFA對(duì)UT-B的表達(dá)均有抑制作用；當(dāng)pH為6.8值時(shí)，僅20 mM的SCFA對(duì)UT-B的表達(dá)有抑制作用，而較高濃度的SCFA可顯著上調(diào)UT-B的表達(dá)；當(dāng)pH值為7.4時(shí)，添加尿素（4 mM）可顯著增加UT-B的表達(dá)量，添加NH4Cl（1.25 mM）會(huì)降低UT-B的表達(dá)量，但效果不明顯；當(dāng)pH值為6.8時(shí)，添加NH4Cl（1.25 mM）會(huì)顯著降低UT-B的表達(dá)量。以上結(jié)果表明了SCFA、氨和pH值可協(xié)同調(diào)節(jié)尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，并由其劑量高低以及組合效應(yīng)來共同決定，進(jìn)而調(diào)控反芻動(dòng)物體內(nèi)尿素循環(huán)效率。

4.3 其他因素

動(dòng)物機(jī)體由于自身不同的生理?xiàng)l件、組織結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能所驅(qū)動(dòng)，其體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)特征也會(huì)隨之發(fā)生變化。Berends等[57]通過探究犢牛尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)特征發(fā)現(xiàn)，犢牛斷奶后，瘤胃上皮UT-B和AQP3的mRNA表達(dá)量顯著增加，氮沉積提高了19%，這表明犢牛由非反芻階段向反芻階段過渡的進(jìn)程中伴隨著體內(nèi)尿素循環(huán)機(jī)制的建立與健全過程。Zhong等[23]也開展了不同日齡犢牛消化道組織中UT-B和AQP3表達(dá)量的試驗(yàn)，結(jié)果顯示，隨著犢牛日齡增長(zhǎng)，瘤胃結(jié)構(gòu)發(fā)育更加完善，其上皮組織中的UT-B蛋白表達(dá)豐度顯著升高，但是AQP3卻并未展示出相似的變化模式。此外，性別可能也會(huì)影響組織中UT-B的表達(dá)，因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)雌性黇鹿較雄性在消化道組織中表達(dá)了更高的UT-B蛋白表達(dá)量，但這種差異可能是由于其采食習(xí)慣因性別不同所造成的[23]。上述研究結(jié)果表明了尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)可能受動(dòng)物年齡、生理階段、性別等因素的調(diào)控，這可能主要由反芻動(dòng)物不同生理狀態(tài)下機(jī)體對(duì)氮素利用的實(shí)際需求所決定。

5 小結(jié)

反芻動(dòng)物體內(nèi)尿素循環(huán)是氮代謝的重要組成部分，其對(duì)滿足機(jī)體氨基酸營養(yǎng)需求及維持體內(nèi)氮平衡具有重要的生物學(xué)意義。大量研究已經(jīng)證明，UTs是調(diào)控尿素循環(huán)的關(guān)鍵因子，同時(shí)AQPs中的AQGP家族蛋白也會(huì)參與介導(dǎo)尿素高效地進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，兩者在分子營養(yǎng)學(xué)層面共同保障反芻動(dòng)物體內(nèi)尿素循環(huán)機(jī)制的運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，UTs和AQGP在組織中的表達(dá)都受到日糧營養(yǎng)水平、瘤胃內(nèi)環(huán)境、年齡以及性別等因素的影響，其調(diào)控機(jī)理和作用機(jī)制還尚不完全清楚，有待于將來更深層次地進(jìn)行科學(xué)研究。因此，揭示UTs和AQGP在尿素氮再循環(huán)過程中的分子調(diào)控作用，既能有望通過日糧營養(yǎng)調(diào)控UTs和AQGP表達(dá)的手段來提高反芻動(dòng)物氮利用率，又能突破人們?cè)趥鹘y(tǒng)上對(duì)尿素循環(huán)認(rèn)識(shí)的局限性，這對(duì)于完善反芻動(dòng)物營養(yǎng)代謝理論和促進(jìn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有深遠(yuǎn)意義。