張劍霞 胡紅蓮 宋利文 高 民*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院動物營養(yǎng)與飼料研究所，呼和浩特010031)

在短短的幾十年里，奶牛的生產(chǎn)性能大幅度提高，然而隨著產(chǎn)奶量的增加，奶牛膳食營養(yǎng)管理需求變得越來越艱難[1]。目前在許多奶牛場，由于高產(chǎn)奶牛不易滿足能量和纖維的需求，奶牛的產(chǎn)奶量會因過度飼喂高精料飼糧而暫時增加[2-3]，高淀粉、低纖維素飼糧可增加能量攝入并使奶?；紒喖毙粤鑫杆嶂卸?SARA)的風險上升[2-6]，而SARA是高產(chǎn)奶牛公認的一種消化系統(tǒng)疾病，對奶牛健康和牛群整體盈利能力有負面影響[7-11]。SARA可造成奶牛不同器官和組織的炎癥效應，其后果是多樣而復雜的，包括采食量降低、乳脂率降低、胃腸黏膜損傷、肝膿腫和跛足等[12-13]。因此，奶牛場可能存在SARA的較高風險，多數(shù)是過于重視奶牛的生產(chǎn)力，而忽略由于精粗飼料的配比不平衡引起瘤胃內(nèi)易消化的碳水化合物類型精飼料的快速發(fā)酵，由此在瘤胃內(nèi)形成較多的短鏈脂肪酸(SCFA)。通常情況下，形成的SCFA會被瘤胃上皮細胞吸收，使瘤胃內(nèi)環(huán)境維持正常的pH范圍。如果多次多量投喂精飼料而少量的粗飼料，會造成瘤胃上皮細胞吸收SCFA的速度低于其形成的速度，進而多余的SCFA在瘤胃中積累，瘤胃內(nèi)環(huán)境中pH下降，使SARA的發(fā)生率升高[14-15]。

處于SARA時，瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)受到破壞，使瘤胃上皮組織的屏障功能受損。鈉離子耦合單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1(SLC5A8)與氫離子耦合單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1(MCT1)是瘤胃上皮細胞內(nèi)SCFA的轉(zhuǎn)運蛋白，當瘤胃內(nèi)環(huán)境處于正常pH范圍時，瘤胃中SCFA可促進SLC5A8和MCT1基因的表達，使其發(fā)揮正常功能。當反芻動物發(fā)生SARA時，瘤胃內(nèi)SCFA形成的速度過快，以至于負責轉(zhuǎn)運SCFA的SLC5A8和MCT1蛋白受到抑制，而不能及時調(diào)控瘤胃pH范圍，造成瘤胃pH長時間處于低值，影響了瘤胃上皮細胞對SCFA的吸收和轉(zhuǎn)運功能。本文就SLC5A8和MCT1對瘤胃上皮細胞內(nèi)SCFA的轉(zhuǎn)運機制的影響進行綜述，并一步探討在SARA發(fā)生時，SLC5A8和MCT1可能存在的保護作用機制，并對SLC5A8和MCT1基因家族的轉(zhuǎn)運機制根據(jù)最新研究進展進行補充。

1 SARA的定義

目前SARA的定義和瘤胃pH閾值因研究而異。SARA是指瘤胃pH處于5.2～6.0較長時間而發(fā)生的營養(yǎng)代謝性疾病[16]。Plaizier等[17]在飼喂奶牛4 h后使用胃管時，得出結(jié)果以瘤胃pH為6.0作為閾值。Garrett等[18]使用瘤胃穿刺法將SARA的閾值定義為5.5。Duffield等[19]通過觀察發(fā)現(xiàn)胃管采集的瘤胃液比瘤胃穿刺采集的瘤胃液pH會高0.33和0.35個單位，當通過瘤胃穿刺、胃管和使用口腔探針采集瘤胃液，pH都有所差別，SARA的pH閾值顯示分別為5.5、5.8和5.9。在SARA期間，由于SCFA的積累和瘤胃緩沖液不足，瘤胃pH每天會下降數(shù)小時[12]。通常情況下，瘤胃pH在晨飼前幾乎為中性，晨飼后為酸性。在飼糧精粗比適宜條件下，瘤胃內(nèi)環(huán)境pH在6～7，是纖維素分解菌繁殖和發(fā)育的最適條件。隨精料含量的增加，瘤胃pH在6以下會周期性下降。因此，1 d內(nèi)超過3 h瘤胃pH低于5.6界定為發(fā)生SARA。引發(fā)SARA發(fā)生的因素及其機制很多，SCFA是其中之一。

2 SCFA的調(diào)節(jié)機制

SCFA是瘤胃微生物菌群中一類低于6個碳原子的脂肪酸，在瘤胃內(nèi)經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸、丙酸、丁酸以及戊酸等構(gòu)成的總體名稱，SCFA在瘤胃液中所占總酸的比重較大[20]，是瘤胃中最主要的脂肪酸。SCFA在瘤胃中存在的2種形式：可解離的SCFA(SCFA-)和非解離的SCFA(HSCFA)，其SCFA-形式占SCFA的大部分，主要在瘤胃內(nèi)環(huán)境pH偏低時，SCFA-與H+結(jié)合形成HSCFA，占總體SCFA較小部分，使其吸收多余的SCFA并中和瘤胃的酸性環(huán)境。總之，SCFA在一定程度上可調(diào)節(jié)反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境的pH[21]。艷城[22]試驗發(fā)現(xiàn)，在反芻動物采食1.5 h后檢測瘤胃液pH可達到最低值，之后隨時間延長pH有所回升，說明瘤胃內(nèi)SCFA的積累可造成pH的降低，進一步刺激瘤胃上皮細胞對SCFA的吸收。當SCFA在瘤胃內(nèi)產(chǎn)生較多時，會導致瘤胃內(nèi)環(huán)境H+濃度短時間內(nèi)升高，而瘤胃內(nèi)環(huán)境pH處于低值范圍，因此SCFA的吸收有利于瘤胃pH的穩(wěn)定[23]。王忠豪等[24]試驗證實了反芻動物在采食后瘤胃微生物產(chǎn)生的SCFA高于瘤胃上皮細胞吸收的SCFA，從而使多余的SCFA在瘤胃內(nèi)蓄積，進一步導致了瘤胃內(nèi)環(huán)境pH的降低，促使SARA發(fā)生。范雪等[25]的研究表明，適宜添加外源性SCFA可改進瘤胃pH和微生物種群，使有益微生物在瘤胃中定植并加強瘤胃的發(fā)育。學者總結(jié)了SCFA的多種生物學功能，在飼糧中適宜添加外源性SCFA可提高動物的抗病力，維持腸道的完整性[26-28]。這說明在瘤胃內(nèi)SCFA吸收能力與瘤胃上皮細胞的結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，在反芻動物瘤胃中，不論是機體內(nèi)產(chǎn)生的還是外源性添加的SCFA，適宜濃度的SCFA可正向促進瘤胃組織的發(fā)育，在反芻動物發(fā)生SARA時，瘤胃內(nèi)的SCFA吸收能力低于微生物產(chǎn)生SCFA的能力，由于過多的SCFA會抑制其吸收和轉(zhuǎn)運的蛋白，而導致滯留在瘤胃中的SCFA大量蓄積，使瘤胃內(nèi)環(huán)境有利于耐酸微生物的生長，抑制降解酸的微生物生長，從而加劇瘤胃酸中毒，造成反芻動物的能量代謝和瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡。曾霖等[29]研究通過SCFA調(diào)控宿主細胞的腸道菌群和肝臟等代謝性疾病，從而減緩機體全身性炎癥，這表明SCFA對機體代謝性疾病起到主要調(diào)節(jié)機制。

2.1 在糖、脂代謝方面的調(diào)節(jié)機制

SCFA是瘤胃微生物種群中的代謝產(chǎn)物，以纖維性飼料發(fā)酵產(chǎn)生，然后被吸收到腸系膜上下靜脈，匯入門靜脈到肝臟，進而一部分的SCFA被用作糖異生途徑、酮體和脂質(zhì)合成的底物，為機體的糖、脂代謝供能；另一部分的SCFA以游離脂肪酸的形式經(jīng)肝靜脈進入外周循環(huán)參與其他途徑。對于反芻動物來說，瘤胃內(nèi)以SCFA的吸收和轉(zhuǎn)運為主，通過瘤胃上皮吸收或轉(zhuǎn)運到肝臟進行糖、脂代謝，作為能量物質(zhì)為動物機體所利用。而非反芻動物以腸道中微生物發(fā)酵產(chǎn)生SCFA為主。程雅婷等[30]總結(jié)了SCFA可促進豬腸道營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，并作為一種綠色、安全的飼用抗生素添加劑在豬養(yǎng)殖上有較高的應用前景。SCFA可通過調(diào)節(jié)β細胞功能，改善胰島素抵抗以調(diào)控糖代謝。Li等[31]研究發(fā)現(xiàn)，SCFA中的丁酸鹽可抑制含脂肪高的飲食誘導的β細胞凋亡，試驗結(jié)果表明SCFA在胰島素敏感程度上有調(diào)節(jié)作用[32]。SCFA還可通過多種途徑調(diào)控糖、脂代謝，SCFA可通過激活腺苷酸活化蛋白質(zhì)激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)而促進脂肪酸轉(zhuǎn)化、分解和加速線粒體生物代謝,從而抑制脂肪合成[33]。Den Besten等[32]研究丁酸可調(diào)節(jié)肝臟和肌肉中過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)，使其表達下降并促進線粒體代謝，并激活AMPK通路，抑制脂肪合成[34]。

2.2 在能量代謝方面的調(diào)節(jié)機制

SCFA在反芻動物能量來源占比60%～70%，可直接參與維持細胞穩(wěn)態(tài)來提供能量來源，減少營養(yǎng)代謝性疾病的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，細胞膜表面存在與SCFA特異性結(jié)合的受體,即G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein coupled receptor，GPCR)，例如GPR43、GPR41和CPR109A等[35]，其作為信號因子參與機體代謝有著重要意義。SCFA主要通過三大途徑來調(diào)控機體的能量代謝，分別為減少攝食、提高產(chǎn)熱效率和激活腸道糖異生：1)SCFA中的丙酸鹽與相應細胞膜上的受體蛋白GPR41、GPR43結(jié)合，并促使機體細胞釋放的短肽YY(PYY)和胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的增加，經(jīng)過“腦-腸軸”神經(jīng)循環(huán)途徑來達到飽腹感從而減少攝食[36-37]。2)SCFA通過增加肝臟和肌肉中過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-lα(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-lα，PGC-lα)和一磷酸腺苷激活蛋白酶的表達進一步使動物機體產(chǎn)生熱量。由于PGC-1α是線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)控因子,與能量代謝關(guān)系密切，而AMPK激活可磷酸化轉(zhuǎn)錄共刺激因子PGC-lα。因此，活化的AMPK還能通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB，TFEB),促使其入核與PGC-1a基因的啟動子結(jié)合，調(diào)節(jié)對PGC-1α轉(zhuǎn)錄的活性，促進其表達，進而控制SCFA的能量代謝。SCFA通過促進棕色脂肪(BAT)中線粒體解偶聯(lián)蛋白，增加其解偶聯(lián)蛋白-1(UCP-1)的表達并促進BAT分解放熱，使機體集中產(chǎn)生熱量[38]。3)腸道糖異生(IGN)對維持機體葡萄糖穩(wěn)態(tài)有重要作用[39]，丁酸鹽可直接促進葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1的表達，通過環(huán)磷酸腺苷(cAMP)依賴機制觸發(fā)IGN反應，使下丘腦食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)肽的表達量下降，從而使機體食欲降低，維持機體葡萄糖內(nèi)環(huán)境的平衡[40]。楊東明等[41]總結(jié)SCFA從機體代謝的分子機理上到受體蛋白再到表觀遺傳學調(diào)控了機體的能量代謝，如果SCFA代謝失衡，會引起機體多聯(lián)級炎癥反應，因此SCFA在機體能量代謝中發(fā)揮重要作用。

2.3 在維持屏障和減輕炎性反應的調(diào)節(jié)機制

SCFA可為瘤胃上皮細胞提供能量、降低滲透壓、保持腸道健康，并參與瘤胃上皮細胞微生物屏障的構(gòu)建，使之免受病原微生物的侵害，同時刺激反芻動物免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟，調(diào)控瘤胃上皮的新陳代謝[42]。如果瘤胃內(nèi)SCFA不斷產(chǎn)生，瘤胃上皮組織吸收轉(zhuǎn)運受到抑制，會促使瘤胃內(nèi)的微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，瘤胃內(nèi)環(huán)境pH長時間處于酸性范圍，反芻動物發(fā)生SARA概率增加，由于瘤胃上皮細胞對組胺的滲透性低，革蘭氏陰性細菌對低pH的敏感性，會促使瘤胃內(nèi)脂多糖(LPS)和組胺濃度升高[43]，通過血液循環(huán)易誘發(fā)機體炎癥反應，并有損瘤胃上皮屏障機能，最終影響反芻動物的健康和生產(chǎn)性能[44]。Ametaj等[45]通過代謝組學方法，研究發(fā)現(xiàn)試驗組瘤胃內(nèi)LPS濃度是對照組的14倍，并可促使瘤胃內(nèi)其他微生物的參與，共同侵蝕瘤胃上皮屏障，進而說明高濃度LPS可損害機體屏障機能。反芻動物發(fā)生SARA時，促進機體的免疫細胞以及炎性因子的釋放，而SCFA可調(diào)節(jié)免疫細胞趨化性[46]，付陽[47]通過SCFA對內(nèi)皮細胞中的Nod樣受體蛋白3(NLRP3)調(diào)節(jié)的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)SCFA可對NLRP3炎癥體激活有影響。乙酸與GPR43結(jié)合作用于中性粒細胞，可提高先天性免疫反應，使大量中性粒細胞集聚在炎癥部位發(fā)揮作用[48]。而Zhao等[49]的研究表明，由于高精料的飼喂而引起機體產(chǎn)生SARA，進一步在動物的血液和瘤胃液中發(fā)現(xiàn)高濃度的LPS[50]，這一機制可刺激瘤胃上皮細胞促炎因子[如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素(IL)-6、IL-1β][51]和MAPK的表達，并參與損壞瘤胃屏障功能。而SCFA可抑制核因子-κB(NF-κB)信號通路，減少IL-6、IL-12等促炎因子的釋放，并可下調(diào)多種趨化因子的表達，進而增加IL-10、IL-4等抗炎因子的釋放，修復機體屏障。SCFA還可使腸黏膜屏障免受損而減緩炎癥的產(chǎn)生，可通過維持腸道屏障穩(wěn)定性而抑制乙醇等有毒物質(zhì)的轉(zhuǎn)運，使血液和瘤胃液中LPS的濃度下降，因此減小機體炎癥反應[52]。

3 SLC5A8和MCT1在SCFA中的轉(zhuǎn)運機制

3.1 SLC5A8在SCFA轉(zhuǎn)運中的機制

SLC5家族即以鈉離子為底物的轉(zhuǎn)運體基因家族(sodium substrate symporter family, SSSF)，是葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的第2個家族，其中已經(jīng)有12個被證實存在于人類基因組且在不同組織中表達。SLC5A8是Rodriguez等[53]在2002年發(fā)現(xiàn)的，從人腎cDNA文庫中克隆鑒定的編碼610個氨基酸蛋白的序列，位于人類染色體的12q13-23。SLC5A8基因是通過Na+耦合方式對SCFA進行轉(zhuǎn)運。由于SLC5A8轉(zhuǎn)運體有效的輔助轉(zhuǎn)運，SCFA在瘤胃上皮細胞層可達到很高的濃度。因此,瘤胃內(nèi)免疫細胞的SCFA受體在這種生理環(huán)境下被激化表達，瘤胃腸道菌群新陳代謝產(chǎn)物所激活的腸道免疫系統(tǒng)與各種炎癥相關(guān)的生理及病理狀態(tài)之間便產(chǎn)生聯(lián)系。陳娜[54]研究表明，SLC5A8基因表達主要位于結(jié)直腸組織細胞的胞質(zhì)中，當發(fā)生SARA時，瘤胃微生物群體失衡，會導致瘤胃上皮組織屏障受損，因此,SLC5A8基因的正常表達對保護瘤胃上皮細胞免于炎癥至關(guān)重要。SLC5A8基因在多種組織中發(fā)現(xiàn)有表達，由于其在分子層面上對正常細胞有保護機制，因此在人類多種癌癥方面研究較多。在反芻動物主要分布于瘤胃上皮細胞，通過SLC5A8蛋白有效轉(zhuǎn)運SCFA，使其濃度回到正常水平，如果SCFA的轉(zhuǎn)運蛋白受到抑制會使正常細胞生理功能失常，影響瘤胃上皮細胞正常代謝和增殖，因此對于維持瘤胃上皮細胞屏障免于炎癥損害有很大的必要性。Sivaprakasam等[55]研究SLC5A8基因通過介導SCFA進而可對機體炎癥性疾病進行調(diào)控。在劉巖[56]的研究中發(fā)現(xiàn)，SLC5A8基因通過影響微生物環(huán)境而預防組織器官的免疫屏障(T細胞亞群)發(fā)生炎性病變，證實SLC5A8基因表達對T細胞產(chǎn)生干擾素-γ(IFN-γ)具有抑制作用，使瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。George等[57]的試驗發(fā)現(xiàn)，SLC5A8蛋白不正常轉(zhuǎn)運會破壞胃黏膜免疫屏障。王亞洲[58]試驗證實了在發(fā)生SARA時，大量的SCFA積聚在瘤胃中，SLC5A8基因表達受到抑制，使轉(zhuǎn)運和吸收機制減緩，因此瘤胃pH內(nèi)環(huán)境得不到緩沖呈現(xiàn)酸性環(huán)境。岳文炬[59]總結(jié)了SLC5A8基因表達對于炎癥性直腸病免疫應答時血清中IL-10及轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)含量的影響，進而對維持腸道免疫屏障CD4+T細胞有重要作用。因此，對于探究反芻動物發(fā)生SARA時，SCFA在瘤胃內(nèi)的迅速增加，通過瘤胃上皮細胞上SLC5A8蛋白的吸收和轉(zhuǎn)運，可有效減緩SCFA在瘤胃內(nèi)的蓄積，進一步減輕SARA的發(fā)生，這一發(fā)生機制有重要意義。SLC5A家族轉(zhuǎn)運體的組織分布及調(diào)節(jié)機制見表1。

表1 SLC5A家族轉(zhuǎn)運體的組織分布及調(diào)節(jié)機制

3.2 MCT1在SCFA中的轉(zhuǎn)運機制

在pH常態(tài)下，瘤胃中SCFA以離子形式存在，吸收和轉(zhuǎn)運依賴于MCT。MCT家族已發(fā)現(xiàn)有14位成員，具有相似的生化特征，并在不同組織中有表達[71]。MCT1～4是離子共轉(zhuǎn)運載體，其介導的單羧酸轉(zhuǎn)運與H+相偶聯(lián)共同轉(zhuǎn)運。其中MCT1的分布最為廣泛，含有12個跨膜區(qū)的55 kDa蛋白[72]，MCT1蛋白通過H+耦合方式對SCFA進行轉(zhuǎn)運，為機體各組織代謝提供代謝基底物并參與運輸。研究發(fā)現(xiàn)，MCT1基因在反芻動物瘤胃中表達最高[58]，高精料飼糧可引起反芻動物發(fā)生SARA。Metzler-Zebeli等[73]研究發(fā)現(xiàn)，高精料飼糧的配比與反芻動物瘤胃上皮MCT1基因的表達量呈正相關(guān)。瘤胃上皮細胞中MCT1蛋白通過與H+耦合轉(zhuǎn)運SCFA進入血液，此過程也使多余的H+轉(zhuǎn)運出去，進而降低瘤胃上皮細胞酸中毒風險，最終維持瘤胃pH內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。MCT1基因表達水平的升高降低了瘤胃內(nèi)的酸負擔，加速了SCFA的轉(zhuǎn)出速度，從而為機體提供能量來源。而一些研究結(jié)果顯示，MCT1基因表達情況與SCFA含量呈現(xiàn)負相關(guān)，與pH呈現(xiàn)正相關(guān)情況[24,74]。閆磊等[75]分別飼喂山羊精料含量為10%和35%的2種飼糧，結(jié)果表明35%高精料飼糧可引起山羊瘤胃上皮MCT1基因表達升高。劉軍花等[76]發(fā)現(xiàn)高谷物飼糧可促進山羊瘤胃上皮的MCT1基因表達并引起瘤胃pH降低和SCFA濃度升高，從而發(fā)生SARA。一些研究表明，當奶牛處于SARA時，瘤胃上皮細胞中的SLC5A8和MCT1基因可能受到抑制而不能正常表達，因此不能及時吸收和轉(zhuǎn)運SCFA，結(jié)果導致SCFA在瘤胃內(nèi)環(huán)境中長時間發(fā)酵集聚，最終瘤胃內(nèi)環(huán)境pH下降[58,77]。 MCT家族轉(zhuǎn)運體的組織分布及功能見表2。

表2 MCT家族轉(zhuǎn)運體的組織分布及功能

4 小 結(jié)

SLC5A8和MCT1在吸收和轉(zhuǎn)運瘤胃上皮細胞內(nèi)SCFA具有重要意義。機體處于SARA時，瘤胃內(nèi)環(huán)境中嗜酸性微生物大量繁殖，使pH處于酸性范圍，最終影響了瘤胃上皮細胞對SCFA的吸收和轉(zhuǎn)運功能。SLC5A8和MCT1作為瘤胃上皮細胞內(nèi)SCFA的單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白，可將產(chǎn)生的SCFA適宜地轉(zhuǎn)運和吸收到其他循環(huán)系統(tǒng)中利用，從而使瘤胃內(nèi)環(huán)境處于正常pH范圍。瘤胃中SCFA可促進SLC5A8和MCT1基因表達，使其發(fā)揮適宜的轉(zhuǎn)運機制，有其相互作用的聯(lián)系。當反芻動物發(fā)生SARA時，瘤胃內(nèi)淀粉性飼料由于其轉(zhuǎn)化速度快，不斷累積形成SCFA，瘤胃內(nèi)濃度較高SCFA使負責轉(zhuǎn)運的SLC5A8和MCT1蛋白受到抑制，不能及時轉(zhuǎn)運和吸收多余的SCFA，堆積在瘤胃中，造成瘤胃pH長時間處于低值，可能觸發(fā)動物機體炎癥的發(fā)生。因此，研究SLC5A8和MCT1基因調(diào)控SCFA，從而減緩動物SARA的發(fā)生機制具有深遠意義。