甘水燕，劉 虎，周建偉＊

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室；蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州 730020

0 引言

與單胃動物相較而言，反芻動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，糞和尿中所含有的尿素經(jīng)氨化反應(yīng)則會生成氨氣，而大量的氨氣排放到空氣中會危害生態(tài)環(huán)境安全，甚至威脅人類健康。據(jù)報道，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，氮排放量將會更高[3]。因此，反芻動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，同時還提高了生態(tài)與生產(chǎn)成本?，F(xiàn)階段，全球生態(tài)環(huán)境問題面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，同時在飼料原料價格持續(xù)攀升以及“人畜爭糧”矛盾日益突出等形勢下，如何通過營養(yǎng)調(diào)控來提高反芻動物氮利用效率及解析反芻動物氮代謝機制已成為畜牧業(yè)現(xiàn)階段研究的熱點、重點和難點。雖然在哺乳動物體內(nèi)都存在尿素循環(huán)機制，但是反芻動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。通過反芻動物瘤胃上皮細胞的擴散與轉(zhuǎn)運，血液中的尿素分子能夠重新循環(huán)進入胃腸道，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，進而為宿主機體提供氨基酸營養(yǎng)[4]。由此可見，尿素再循環(huán)利用對維持反芻動物體內(nèi)氮平衡具有重要意義，尤其是它在承受日糧氮素“脅迫”時，尿素再循環(huán)利用保證了動物機體對日糧氮素/氨基酸的需要。近年來的研究表明，尿素轉(zhuǎn)運蛋白和部分水通道蛋白可介導(dǎo)尿素分子在瘤胃上皮進行高效的跨膜轉(zhuǎn)運，進而保證了尿素能夠從血液組織中快速進入瘤胃，提高機體氮素周轉(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，本文綜述了反芻動物體內(nèi)尿素循環(huán)的特點、影響因素以及尿素轉(zhuǎn)運蛋白的表達特征及其分子調(diào)控過程，旨在為動物生產(chǎn)實踐中實現(xiàn)氮素的精準營養(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)飼料短缺與價格日趨昂貴所帶來的經(jīng)濟壓力。

1 尿素氮再循環(huán)利用對反芻動物的重要性

維持機體正常的氮平衡對生命活動至關(guān)重要。在反芻動物體內(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經(jīng)過瘤胃上皮的轉(zhuǎn)運與吸收，進入血液并隨之運輸?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會；另一部分肝臟合成的尿素可經(jīng)瘤胃上皮擴散或轉(zhuǎn)運以及唾液分泌的形式進入瘤胃內(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。上述的整個尿素代謝過程被稱為反芻動物尿素氮再循環(huán)利用（Urea Nitrogen Salvaging，UNS）機制[8]，如圖1所示。這種特殊的尿素氮再循環(huán)利用機制對維持反芻動物體內(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)，通過一系列尿素動力學(xué)試驗研究表明，反芻動物經(jīng)尿素循環(huán)而重新進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)進入消化道，其中，35%～55%的循環(huán)尿素氮可被細菌捕獲用于合成微生物蛋白[10]，從而能夠為機體提供更多的氨基酸營養(yǎng)。據(jù)報道，與小尾寒羊相比，在采食相同日糧時，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，藏羊肝臟合成的內(nèi)源尿素的88%可以重新循環(huán)進入胃腸道[11]。憑借該特殊機制，藏羊才能夠應(yīng)對青藏高原長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增加了循環(huán)進入瘤胃的尿素通量，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，因此對奶牛而言，通過對日糧氮素的精準調(diào)控以及實施科學(xué)的飼養(yǎng)管理策略，不但可以大大減少其氮排泄，而且對奶產(chǎn)量無明顯影響[13]。由此可見，在應(yīng)對低氮日糧時，反芻動物更依賴于發(fā)揮其內(nèi)源尿素循環(huán)功能，增加內(nèi)源氮的利用，以維持機體氮平衡。

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

2 尿素轉(zhuǎn)運蛋白的基本特征

2.1 尿素轉(zhuǎn)運蛋白-UT

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

尿素轉(zhuǎn)運蛋白的立體三維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種三聚體的特征[16]，且每個原體配有一個選擇性過濾器和尿素傳導(dǎo)孔，如圖2所示，其中心區(qū)域有一個允許尿素快速滲透的傳導(dǎo)孔。尿素轉(zhuǎn)運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)運機制在引文[17]中已有詳細介紹，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)運示意圖

氨基酸序列以及轉(zhuǎn)錄起始點和方式的不同，將會導(dǎo)致在尿素轉(zhuǎn)運蛋白基因的調(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)運活動（表1，僅列出主要分布位置）。UT-B1在很多動物的組織器官中都存在表達，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[5，21，22]。研究表明，UT-B在瘤胃上皮的分布特征與其對應(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)運而從瘤胃上皮進入消化道[23]。最新的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)犢牛在0～14日齡時，在瘤胃上皮細胞的細胞質(zhì)中即可檢測到UT-B蛋白的存在，但其表達量很低；當(dāng)犢牛生長到28日齡時，可以觀察到UT-B主要分布在瘤胃基底層細胞膜的外側(cè)；當(dāng)犢牛到達96日齡時，UT-B不僅分布在瘤胃的基底層細胞，并且呈現(xiàn)出向棘突層細胞膜延伸的趨勢[23]。在該研究中，由于剛出生的犢牛瘤胃尚未發(fā)育完全，瘤胃上皮細胞的尿素轉(zhuǎn)運蛋白表達量低且主要分布在細胞質(zhì)中，這表明幼齡反芻動物胃腸道的尿素轉(zhuǎn)運蛋白可能不參與尿素跨膜轉(zhuǎn)運或者其瘤胃上皮的尿素循環(huán)機制尚未建立。然而，隨著反芻動物日齡的增長，其瘤胃上皮發(fā)育日趨完善，UT-B逐漸聚集在基底層細胞膜并參與尿素轉(zhuǎn)運，從而維持著瘤胃高效的尿素循環(huán)機制。由此可見，尿素轉(zhuǎn)運蛋白在瘤胃上皮組織中的表達和分布是與其功能相對應(yīng)的。同時，尿素轉(zhuǎn)運蛋白在腎臟細胞的表達與分布也與尿素在腎臟內(nèi)的流動特征以及內(nèi)髓集合管的尿素重吸收功能密切相關(guān)，并以此來達到為動物機體節(jié)氮的目的[24～27]。據(jù)此推測，尿素轉(zhuǎn)運蛋白基因表達出多種異構(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 哺乳動物尿素轉(zhuǎn)運蛋白的組織分布與基因表達特征

2.2 水通道蛋白AQP

水通道蛋白是一種調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外水滲透的膜蛋白，其鑲嵌在細胞膜上而形成一種特殊的“孔道”，從而控制水分子進入或排出細胞，其作用機理與UT存在一定的相似性。迄今為止，在動物體中已經(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 哺乳動物AQGP 蛋白的組織分布與基因表達特征[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]，且在每個原體上都存在一個特定的孔道來調(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)運機制在引文[41]中已有詳細介紹，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，但是該蛋白在反芻動物體內(nèi)的具體分布位點以及生理意義尚不完全清楚，這些科學(xué)問題還有待于進一步深入研究。

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)運示意圖

3 反芻動物尿素氮轉(zhuǎn)運的分子調(diào)控機制

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

瘤胃是反芻動物維持高效尿素循環(huán)機制的基礎(chǔ)保障，尿素轉(zhuǎn)運蛋白對其起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，據(jù)此可實現(xiàn)尿素分子由血液快速進入消化道。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)合同位素示蹤試驗證實了UT-B具有能夠協(xié)助尿素跨瘤胃上皮轉(zhuǎn)運的功能。Scott等[42]發(fā)現(xiàn)在綿羊瘤胃、十二指腸和盲腸上皮細胞上均有UT-B的mRNA基因表達，進一步通過尤氏灌流室實驗也發(fā)現(xiàn)UT-B具有可介導(dǎo)尿素跨上皮轉(zhuǎn)運的功能，并且跨瘤胃上皮的尿素通量（Jsm-urea）遠大于十二指腸和盲腸上皮，這說明瘤胃上皮組織對尿素的轉(zhuǎn)運效率更高。根皮素是尿素轉(zhuǎn)運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)運的占比較低，可能還存在其他轉(zhuǎn)運方式或者存在其他對尿素通透性更高的轉(zhuǎn)運蛋白。

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，其也可能是調(diào)控反芻動物尿素轉(zhuǎn)運的重要機制。Walpole 等[6]通過尤氏灌流室裝置模擬尿素跨膜轉(zhuǎn)運試驗發(fā)現(xiàn)AQP3對尿素分子具有滲透性，首次證實了AQP3 可介導(dǎo)瘤胃上皮尿素轉(zhuǎn)運過程，在試驗緩沖液中添加AQP的特異性抑制劑NiCl2，這會導(dǎo)致瘤胃上皮的尿素通量下降了23%。Rojen等[7]研究發(fā)現(xiàn)在牛瘤胃乳頭細胞上均可檢測到AQP3、AQP7和AQP10 mRNA和蛋白表達，從而推測這些水通道蛋白可能具有介導(dǎo)瘤胃上皮尿素轉(zhuǎn)運的潛在作用。Zhong等[43]通過終點反轉(zhuǎn)錄PCR試驗發(fā)現(xiàn)在牛瘤胃和腎臟中均存在AQP3 的mRNA和蛋白高表達的現(xiàn)象，進一步的免疫定位研究顯示，瘤胃上皮細胞中均有AQP3的分布，尤其在瘤胃上皮基底層細胞以及腎集合管細胞的基底外側(cè)膜表達豐度較高。由此看見，這類水通道蛋白確實可介導(dǎo)瘤胃上皮的尿素跨膜轉(zhuǎn)運過程，在反芻動物尿素氮再循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。然而，AQGP在反芻動物體內(nèi)具體分布位置、生理意義以及調(diào)控機制等科學(xué)問題還尚不清晰，例如，AQPs和UT在反芻動物尿素循環(huán)中各自扮演什么角色？其轉(zhuǎn)運尿素的貢獻率是多少？這些科學(xué)問題仍需進一步探索和挖掘。

腎臟對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，進而提高尿素循環(huán)利用效率，這也是反芻動物尿素循環(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)腎小球濾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會轉(zhuǎn)運進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)運蛋白基因會導(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，細降支小管對尿素沒有通透性，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驗發(fā)現(xiàn)UT-B在羊的腎乳頭和腎髓質(zhì)中均有蛋白表達，而UT-A1和UT-A2僅在腎髓質(zhì)中有蛋白表達。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和蛋白的強表達，牛的腎髓集合管細胞有AQP3 mRNA和蛋白的表達[43]。由此猜想，如同尿素轉(zhuǎn)運蛋白調(diào)控著小鼠腎臟的尿素循環(huán)流動，這些轉(zhuǎn)運蛋白也可能調(diào)控著反芻動物的腎臟尿素循環(huán)，在為動物機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)于反芻動物腎內(nèi)尿素轉(zhuǎn)運蛋白的研究報道較少，尿素轉(zhuǎn)運蛋白在腎臟內(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物腎臟尿素循環(huán)的重點與難點。

綜上所述，尿素轉(zhuǎn)運蛋白和部分水通道蛋白都可以介導(dǎo)尿素跨膜轉(zhuǎn)運并極大地提高了尿素跨膜轉(zhuǎn)運效率，其在調(diào)控反芻動物尿素氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用；然而，上述轉(zhuǎn)運蛋白的表達又受日糧營養(yǎng)水平、家畜物種、機體內(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)造良好的動物機體內(nèi)環(huán)境，從而促使尿素轉(zhuǎn)運蛋白發(fā)揮最高的作用效率，這可能是今后反芻動物尿素氮循環(huán)研究的重中之重。

4 調(diào)控尿素轉(zhuǎn)運蛋白表達的因素

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)管理方式等均對反芻動物體內(nèi)尿素循環(huán)起著重要的調(diào)控作用[47，49，50]。那么，這些影響因子對尿素轉(zhuǎn)運蛋白的表達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來進行持續(xù)性地探索。前期的研究表明，在低氮日糧條件下，反芻動物更加依賴于其體內(nèi)尿素氮再循環(huán)利用機制來調(diào)節(jié)氮代謝以維持體內(nèi)氮平衡，從而保證機體的氨基酸營養(yǎng)需要。與飼喂高氮日糧相比，反芻動物飼喂低氮飼糧時，其肝臟合成的尿素循環(huán)進入消化道的比例會顯著增加，因而參與到機體合成代謝中的內(nèi)源氮數(shù)量也會隨之增加[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]。雖然反芻動物在采食低氮或高能日糧時會提高內(nèi)源尿素進入瘤胃中的比例，但是瘤胃上皮中尿素轉(zhuǎn)運蛋白的mRNA與蛋白表達量是否會隨之上調(diào)，目前尚存在較大爭議，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的表達量，也有可能不影響其表達；同樣，UT-A和AQP的表達對日糧氮水平的響應(yīng)機制也呈現(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)運蛋白的表達。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)運蛋白表達的影響效果。從中可以看出，尿素轉(zhuǎn)運蛋白的基因表達對日糧營養(yǎng)水平的響應(yīng)機制呈現(xiàn)出多變性，其會因反芻動物的物種、生理階段、分布位點等差異而產(chǎn)生不同的研究結(jié)果。因此，日糧調(diào)控反芻動物體內(nèi)尿素循環(huán)機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)運蛋白的單獨調(diào)控。現(xiàn)有文獻也說明，除日糧營養(yǎng)因素外，尿素轉(zhuǎn)運蛋白的基因表達還受其他因素（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)水平對反芻動物尿素轉(zhuǎn)運蛋白表達的調(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[42，54，61]，而該過程被認為是通過調(diào)節(jié)瘤胃上皮尿素轉(zhuǎn)運蛋白的表達或通透性來實現(xiàn)的。據(jù)報道，隨著反芻動物瘤胃中SCFA濃度的升高和pH值的降低，瘤胃上皮中UT-B基因表達量顯著增加，但是當(dāng)瘤胃中的pH值下降到6.4以下時又會抑制UT-B的基因表達[22，54]。Lu等[59]通過體外細胞培養(yǎng)實驗探究了SCFA、pH和氨對瘤胃上皮UT-B表達的影響，結(jié)果表明，當(dāng)pH值從7.4下降到6.8時，UT-B的mRNA和蛋白表達量均顯著增加；當(dāng)pH值為7.4時，濃度為20 mM和40 mM的SCFA對UT-B的表達均有抑制作用；當(dāng)pH為6.8值時，僅20 mM的SCFA對UT-B的表達有抑制作用，而較高濃度的SCFA可顯著上調(diào)UT-B的表達；當(dāng)pH值為7.4時，添加尿素（4 mM）可顯著增加UT-B的表達量，添加NH4Cl（1.25 mM）會降低UT-B的表達量，但效果不明顯；當(dāng)pH值為6.8時，添加NH4Cl（1.25 mM）會顯著降低UT-B的表達量。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)運蛋白表達，并由其劑量高低以及組合效應(yīng)來共同決定，進而調(diào)控反芻動物體內(nèi)尿素循環(huán)效率。

4.3 其他因素

動物機體由于自身不同的生理條件、組織結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能所驅(qū)動，其體內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白的表達特征也會隨之發(fā)生變化。Berends等[57]通過探究犢牛尿素轉(zhuǎn)運蛋白的表達特征發(fā)現(xiàn)，犢牛斷奶后，瘤胃上皮UT-B和AQP3的mRNA表達量顯著增加，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程中伴隨著體內(nèi)尿素循環(huán)機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表達量的試驗，結(jié)果顯示，隨著犢牛日齡增長，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，性別可能也會影響組織中UT-B的表達，因為研究發(fā)現(xiàn)雌性黇鹿較雄性在消化道組織中表達了更高的UT-B蛋白表達量，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)運蛋白的表達可能受動物年齡、生理階段、性別等因素的調(diào)控，這可能主要由反芻動物不同生理狀態(tài)下機體對氮素利用的實際需求所決定。

5 小結(jié)

反芻動物體內(nèi)尿素循環(huán)是氮代謝的重要組成部分，其對滿足機體氨基酸營養(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AQPs中的AQGP家族蛋白也會參與介導(dǎo)尿素高效地進行跨膜轉(zhuǎn)運，兩者在分子營養(yǎng)學(xué)層面共同保障反芻動物體內(nèi)尿素循環(huán)機制的運轉(zhuǎn)。然而，UTs和AQGP在組織中的表達都受到日糧營養(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)控機理和作用機制還尚不完全清楚，有待于將來更深層次地進行科學(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表達的手段來提高反芻動物氮利用率，又能突破人們在傳統(tǒng)上對尿素循環(huán)認識的局限性，這對于完善反芻動物營養(yǎng)代謝理論和促進畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有深遠意義。