吳峰洋，楊冠宇，戴冉，陳賽娟，劉亞娟，谷子林，3*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)山區(qū)研究所，河北保定071001；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北保定071001）

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綜述

生物素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用及其機(jī)理

吳峰洋1，楊冠宇1，戴冉1，陳賽娟2，3，劉亞娟2，3，谷子林1，3*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)山區(qū)研究所，河北保定071001；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北保定071001）

本文綜述了生物素及其代謝產(chǎn)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)代謝相關(guān)基因和免疫活動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控作用及其機(jī)理，為生物素的進(jìn)一步研究提供參考。

生物素；營(yíng)養(yǎng)；免疫；基因表達(dá)

生物素即維生素H，又稱維生素B7或輔酶R，是一種動(dòng)物生長(zhǎng)、發(fā)育所必需的低分子水溶性維生素，是多種羧化酶的輔酶和羧基團(tuán)的載體，在三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。由于其在飼料原料中分布廣泛，又可由動(dòng)物腸道內(nèi)微生物合成，所以以前的研究觀點(diǎn)認(rèn)為在畜禽生產(chǎn)中不需要再額外補(bǔ)充。但是隨著各種生物素缺乏癥的出現(xiàn)，對(duì)生物素的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和免疫調(diào)控及其機(jī)理的研究重新得到了關(guān)注與重視。

1　生物素為誘導(dǎo)劑的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)

基因表達(dá)調(diào)控是指為保證基因表達(dá)過(guò)程中的穩(wěn)定性和有序性而進(jìn)行的精密調(diào)控，是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的重要領(lǐng)域，是基因工程組學(xué)的研究重點(diǎn)。對(duì)生物素對(duì)基因表達(dá)調(diào)控作用的深入研究，有助于加深對(duì)生物素功能作用本質(zhì)的了解。目前，對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控主要在以下三個(gè)水平進(jìn)行：（1）轉(zhuǎn)錄水平；（2）mRNA加工、成熟水平；（3）翻譯水平?；虮磉_(dá)調(diào)控系統(tǒng)能夠?qū)δ康幕虮磉_(dá)進(jìn)行快速高效的調(diào)節(jié)，為外源基因的表達(dá)調(diào)控提供新的選擇。當(dāng)前，基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于基因功能研究、基因治療、生物制藥等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究當(dāng)中。最初研發(fā)的適用于哺乳動(dòng)物的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)以抗生素、激素或其衍生物以及免疫抑制劑等作誘導(dǎo)劑分子（葉玲玲等，2012）。由于這些誘導(dǎo)劑分子具有某些臨床副作用，使得在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制（Aarestrup，2005）。新一代的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)采用生物素、精氨酸等臨床上有惰性的誘導(dǎo)劑分子，一定程度上緩解了上述問題，推動(dòng)了基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用（Polstein和Gerbach，2012）。

2　生物素對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的作用機(jī)理

相關(guān)資料顯示，目前生物素主要通過(guò)以下三種途徑對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控：（1）轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的細(xì)胞核移位，該途徑多發(fā)生在生物素缺乏條件下；（2）生物素與組蛋白結(jié)合使染色體重塑；（3）生物素腺苷酸使可溶性鳥苷酸環(huán)化酶活化（潘林和孫建義，2005）。三種作用途徑以何種方式發(fā)揮作用有待進(jìn)一步研究，據(jù)推測(cè)可能以相互結(jié)合的方式在動(dòng)物機(jī)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控。

2.1轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的移位在未受刺激的細(xì)胞中，多數(shù)NF-κB為異二聚體或同型二聚體，并與細(xì)胞質(zhì)中的三種抑制因子（IκBa、IκBβ、IκBε）之一相結(jié)合，以無(wú)活性狀態(tài)存在。當(dāng)機(jī)體生物素缺乏時(shí)或者在細(xì)胞因子、細(xì)菌、分裂素等刺激下使IκBs磷酸化和降解，NF-κB活化并進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)與DNA結(jié)合，啟動(dòng)基因表達(dá)。Rodriguez等（2004）研究表明，生物素能影響NF-κB信號(hào)通路的傳導(dǎo)。潘林和孫建義（2005）對(duì)生物素缺乏的細(xì)胞進(jìn)行Western雜交檢測(cè)和酶聯(lián)免疫法處理發(fā)現(xiàn)其中p50和p60的含量較高。

2.2組蛋白的生物素?；揎椊M蛋白是染色質(zhì)的組成成分之一，在DNA折疊進(jìn)入染色質(zhì)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。目前，已發(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾方式有：磷酸化、泛素化、甲基化、乙?；?，生物素?；切掳l(fā)現(xiàn)的組蛋白翻譯后加工修飾方式，經(jīng)生物素?；揎椇蟮慕M蛋白具有多種生物學(xué)功能（王燕飛和鮑寶龍，2011）。據(jù)報(bào)道，生物素?；慕M蛋白與基因組穩(wěn)定的維持有關(guān)，在雞紅細(xì)胞染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄沉默部分發(fā)現(xiàn)了大量的生物素?；M蛋白（Peters等2002）。

2.3生物素腺苷酸活化鳥苷酸環(huán)化酶生物素腺苷酸是羧化酶合成的中間產(chǎn)物。Solorznao等（2002）報(bào)道生物素酰腺苷酸在基因表達(dá)調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。生物素腺苷酸可以活化可溶性鳥苷酸環(huán)化酶，具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究?？扇苄曾B苷酸環(huán)化酶是由α亞基和β亞基構(gòu)成的二聚體，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一的NO受體?？扇苄曾B苷酸環(huán)化酶可以觸發(fā)NO信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，是NO-cGMP通路中不可或缺的酶（夏曉東，2003）。王紅梅等（2009）報(bào)道，B-AMP可以激活sGC，sGC可以激活cGMP、PKG，從而使蛋白磷酸化、活化，使羧化全酶合成酶、丙酰輔酶A羧化酶等酶的基因轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)。

3　生物素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控

3.1生物素對(duì)營(yíng)養(yǎng)代謝相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控

3.1.1生物素對(duì)葡萄糖代謝相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控生物素對(duì)機(jī)體中葡萄糖代謝的調(diào)控主要通過(guò)以下兩種方式：（1）影響丙酮酸羧化酶的活性。丙酮酸羧化酶是葡萄糖異生過(guò)程的限速酶，是生物素依賴性羧化酶之一，在糖異生過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。適量添加生物素可提高丙酮酸羧化酶的活性，該途徑多發(fā)生在饑餓狀態(tài)下或血液中葡萄糖含量較低時(shí)（張旭暉和王恬，2010）?；加刑悄虿〉拇笫笤谏锼厝狈Φ臓顟B(tài)下肝臟內(nèi)磷酸烯醇丙酮酸羧化酶含量比對(duì)照組減少15%（王鏡巖等，2010）。（2）影響葡萄糖激酶活性。機(jī)體內(nèi)生物素的含量可以影響糖酵解過(guò)程中葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，葡萄糖激酶是糖酵解過(guò)程的關(guān)鍵酶，生物素缺乏會(huì)阻礙葡萄糖的酵解過(guò)程，降低葡萄糖的利用率。據(jù)報(bào)道，給生物素缺乏的大鼠補(bǔ)充生物素后發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)的葡萄糖激酶含量及其rRNA和mRNA合成率均有所提高（王紅梅等，2009）。Chauhan和Dakshinamurti（1991）研究表明，生物素對(duì)大鼠肝臟中葡萄糖激酶mRNA豐度的提高有促進(jìn)作用。

3.1.2生物素對(duì)脂肪代謝相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控乙酰CoA羧化酶是一種以生物素為輔基的別構(gòu)酶，其在丙二酰CoA的生成過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。Ortega和Hernandez（2010）報(bào)道，生物素可以通過(guò)SREBP1c激活乙酰輔酶A羧化酶，從而加速脂肪的合成。乙酰輔酶A羧化酶催化乙酰CoA轉(zhuǎn)變成丙二酰CoA的過(guò)程是脂肪酸合成過(guò)程的限速步驟。乙酰輔酶A羧化酶可以通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)使線粒體內(nèi)脂酰肉堿轉(zhuǎn)移酶的活性降低，從而抑制脂肪的分解（朱勇文等，2011）。

3.1.3生物素對(duì)蛋白質(zhì)代謝相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控生物素在蛋白質(zhì)代謝過(guò)程中不可或缺，其在多種氨基酸轉(zhuǎn)移脫羧、蛋白質(zhì)合成、嘌呤合成、亮氨酸和色氨酸分解以及氨基酸脫氫和氨基甲酰轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。據(jù)報(bào)道，當(dāng)小鼠體內(nèi)生物素含量較低時(shí)，其肝臟、腸黏膜、胰腺、皮膚等組織的氨基酸結(jié)合生成蛋白質(zhì)的過(guò)程受到抑制，當(dāng)通過(guò)注射方式補(bǔ)充生物素后，氨基酸的結(jié)合速度加快（Dakshinamurti和Litvak，1970）。Rodriguez等（2001）研究表明，生物素缺乏的大鼠體內(nèi)，大腦、肝臟、腎臟和肌肉內(nèi)的mRNA合成量降低，當(dāng)補(bǔ)充生物素后mRNA合成量可在24h內(nèi)恢復(fù)正常。鳥氨酸是一種堿性氨基酸，參與尿素循環(huán)，與尿素生成有關(guān)。據(jù)報(bào)道，生物素缺乏的大鼠肝臟內(nèi)鳥氨酸轉(zhuǎn)甲氨酰酶活性減弱，其mRNA豐度有所降低（Prasad等，1998）。

3.2生物素的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)體對(duì)生物素的吸收是由特異性載體介導(dǎo)的主動(dòng)吸收過(guò)程，該載體除生物素外還能轉(zhuǎn)運(yùn)硫辛酸和泛酸，Prasad等（1998）將其命名為依賴Na+的多維生素轉(zhuǎn)運(yùn)載體。王紅梅等（2009）報(bào)道SMVT的表達(dá)與生物素濃度呈負(fù)相關(guān)。Zempleni和Mock（1999）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)Km值約為2.5 nmol/L的不同于SMVT的生物素轉(zhuǎn)運(yùn)載體，未發(fā)現(xiàn)其對(duì)泛酸和硫辛酸有吸收能力。該運(yùn)載體是否完全有別于SMVT、或是否是SMVT的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物尚需進(jìn)一步研究。

3.3生物素對(duì)免疫活動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞因子是由巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞等免疫細(xì)胞或纖維母細(xì)胞等非免疫細(xì)胞分泌的低分子量蛋白質(zhì)，因其具有多樣的生物活性，通過(guò)與相應(yīng)受體結(jié)合可以對(duì)免疫細(xì)胞的增殖、成熟、活化等過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。據(jù)報(bào)道，提升肉雞的生物素水平可以提高IFN-γ的濃度或IFN-γ表達(dá)（Wiedmann等，2003）。陳宏等（2009）研究表明，為豬圓環(huán)病毒2型攻擊下的仔豬補(bǔ)充生物素，有提高其血清中IFN-γ濃度的趨勢(shì)，補(bǔ)充量不同，影響程度也不同，且補(bǔ)充量在0.3 mg/kg時(shí)提高幅度最大。提高動(dòng)物外周血液中單核細(xì)胞中的生物素水平，發(fā)現(xiàn)該細(xì)胞的白介素-2和白介素-1分泌量降低（Zempleni，2001）。潘林和孫建義（2005）報(bào)道，在健康的體細(xì)胞中每日補(bǔ)充8.8 μmol生物素持續(xù)21 d后，IL-4基因的表達(dá)量降低而IL-1β和IFN-γ基因的表達(dá)量提升。其中IFN-γ可以誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞和星形細(xì)胞產(chǎn)生iNOS，可能與神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)與某些疾病發(fā)生有關(guān)。白介素1家族主要通過(guò)刺激炎癥相關(guān)基因的表達(dá)，誘導(dǎo)IFN-γ、磷脂酶A2等效應(yīng)蛋白的表達(dá)參與炎癥過(guò)程與免疫調(diào)節(jié)。白細(xì)胞介素2家族可以發(fā)揮活化T細(xì)胞、誘導(dǎo)LAK細(xì)胞產(chǎn)生、刺激NK細(xì)胞增殖、激活巨噬細(xì)胞等作用。

3.4生物素代謝產(chǎn)物對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控傳統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究認(rèn)為，生物素的代謝產(chǎn)物大多數(shù)沒有使用價(jià)值。而最近的一些研究表明，生物素代謝產(chǎn)物可能具有與生物素相似的功能。如將Jurkat細(xì)胞在不添加生物素的介質(zhì)中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)編碼IL-2基因和IL-2R γ基因的轉(zhuǎn)錄活性下降，而添加生物素類似物后其轉(zhuǎn)錄活性上升（潘林和孫建義，2005）。

4　小結(jié)

隨著分子生物學(xué)與儀器分析等技術(shù)的日新月異，生物素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控及其機(jī)理的相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，如以生物素為誘導(dǎo)劑建立的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)、生物素對(duì)機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝及免疫活動(dòng)過(guò)程中部分基因的調(diào)控作用及其調(diào)控途徑等，但仍有部分功能作用的作用方式及其機(jī)理尚不清楚，有待于進(jìn)一步研究。

［1］陳宏，張克英，丁雪梅，等.圓環(huán)病毒攻擊下日糧中生物素的添加水平及其對(duì)仔豬部分免疫指標(biāo)及生產(chǎn)性能的影響［J］.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)2009，21（1）：13～18.

［2］潘林，孫建義.生物素的生理功能及其分子作用機(jī)制［J］.中國(guó)飼料，2005，6：21～24.

［3］王紅梅，呂俊蘭，吳滬生，等.生物素代謝及其對(duì)基因表達(dá)影響的研究現(xiàn)狀［J］.中國(guó)實(shí)用兒科雜志，2009，24（11）：885～887.

［4］王鏡巖，朱圣庚.許長(zhǎng)法，等.生物化學(xué)［M］.北京高等教育出版社，2002.454～457.

［5］王燕飛，鮑寶龍.組蛋白的生物素?；揎棧跩］.生命的化學(xué)，2011，4：480～483.

［6］夏曉東.可溶性鳥苷酸環(huán)化酶及其調(diào)節(jié)［J］.國(guó)外醫(yī)學(xué)（生理、病理科學(xué)與臨床分冊(cè)），2003，23（4）：396～399.

［7］葉玲玲，劉紅，李世崇，等.一種新型的生物素誘導(dǎo)的真核基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)的建立［J］.生物工程學(xué)報(bào)，2012，8：1256～1265.

［8］張旭暉，王恬.生物素營(yíng)養(yǎng)生理作用及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.中國(guó)飼料，2010，8：5～8.

［9］朱勇文，侯水生，楊琳.生物素對(duì)營(yíng)養(yǎng)代謝調(diào)控的研究進(jìn)展［J］.飼料工業(yè)，2011，32（9）：12～14.

［10］Aarestrup F M.Veterinary drug usage and antimicrobial resistance in bacteria of animal origin［J］.Basic Clin Pharmacol Toxicol，2005，96（4）：271～281.

［11］Chauhan J，Dakshinamurti K.Transcriptional regulation of the glucokinase gene by biotin in starved rats［J］.J of Biol Chem，1991，266：10035～10038.

［12］Dakshinamurti K，Litvak S.Biotin and protein synthesis in rat liver［J］.Jof Biol Chem，1970，25（21）：5600～5605.

［13］Ortega C D，Hernandez M A，Moreno A E.Biotin starvation with adequate glucose provision causes paradoxical changes in fuel metabolism gene expression similar in rat，nematode and yeast［J］.J Nutrigenet Nutri-genomics，2010，3（1）：18～30.

［14］Peters D M，Griffin J B，Stanley J，et al.Exposure to UV light causes increased biotinylation of histones in Jurkat cells［J］.AJP：Cell Physiology，2002，283：878～884.

［15］Polstein L R，Gerbach C A.Light inducible spatiotemporal ontrol of gene activation by customizable zinc finger transcription factors［J］.Am Chem Sic，2012，134（40）：16480～16483.

［16］Prasad P D，Wang H，Kekuda R，et al.Cloning and functional expression of a cDNA encoding a mammalian sodium dependent vitamin transporter mediating the uptake of pantothenate，biotin，and lipoate［J］.J of Biol Chem，1998，273：7501～7506.

［17］Rodriguez M R，Cano S T，Méndez S T，et al.Biotin regulates the genetic expression of holo carboxylase synthetase and mitochondrial carboxy lases in rats［J］.J Nutr，2001，131：1909～1913.

［18］Rodriguez M R，Schwab L D，Zempleni J.Jurkat cells respond to biotin deficiency with increased nucleartranslocation ofNF-kappa B，mediating cell surviva［J］.Int J Vitam Nutr Res，2004，74（3）：209～216.

［19］Solorzano V R S，Pacheco A D，Leon-Del-Rio A.Holocarboxylas esynthetase is an obligate participant in biotin mediated regulation of its own expression and of biotin dependent carboxylases mRNA levels in human cells［J］. Proc Natl Acad Sci USA，2002，99：5325～5330.

［20］Wiedmann S，Eudy J D，ZemPleni J.Biotin supplement ation ceauses inereased expression of genes eneoding interferon-γ，interleukin-γ，and 3-methylerotony l-CoA earboxylase，and ceauses decereased expression of the gene eneoding interleu-kin-4in human peripheral blood mononuclear cells［J］. J of Nutr，2003，133：716～719.

［21］Zempleni J.Biotin［A］.Present knowledge in Nutr［C］.2001.

［22］Zempleni J，Mock D M.Mitogen induced proliferation increasesbiot in uptake into human peripheral blood mononuclear cells.［J］.Am J Physiol，1999，276：1079～1084.

This paper summarized regulating and controling function of biotin and its metabolites on the expression of nutrient metabolism and immune activity related gene.As well as clarify the regulation mechanism.Provide

for further study of biotin.

biotin；nutrition；immune；gene expression

S816.7

A

1004-3314（2016）01-0007-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160103

國(guó)家兔產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-44-B-3）；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（C2014204019）