薛 杰， 范新陽， 苗永旺

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

動(dòng)物的乳肉制品是人類飲食中脂肪攝取的重要來源。乳脂含量不僅對乳及其制品的品質(zhì)與感官特性有重要影響，而且在營養(yǎng)品質(zhì)、促進(jìn)幼崽的骨生長和能量代謝方面扮演重要的角色。乳脂肪中的生物活性成分——多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFA)廣泛參與細(xì)胞脂質(zhì)代謝、膜功能調(diào)節(jié)、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多項(xiàng)生命活動(dòng)。

硬脂酰輔酶A去飽和酶1(stearoyl-CoA desaturase-1，SCD1)屬于脂肪酸脫氫酶家族的成員，又稱Δ9去飽和酶[1]。SCD1是存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的跨膜蛋白，是從脂肪組織和泌乳乳腺中分離出的一種微粒體蛋白酶，主要由細(xì)胞色素b5、NADH和腎上腺素輔酶I 3種蛋白組成[2]。

細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)，作為脂質(zhì)代謝的重要調(diào)節(jié)物——單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acids，MUFA)水平直接影響到細(xì)胞脂質(zhì)代謝系統(tǒng)。SCD1是哺乳動(dòng)物脂肪細(xì)胞中飽和脂肪酸轉(zhuǎn)換為單不飽和脂肪酸的限速酶，在甘油三酯、蠟酯、膽甾醇酯和細(xì)胞膜磷脂等脂類物質(zhì)的生物合成過程中起關(guān)鍵作用，它對維持體內(nèi)脂肪酸平衡﹑飽和/單不飽和脂肪酸比率及細(xì)胞膜的流動(dòng)性均有重要影響[3]。同時(shí)，SCD1還是參與反芻動(dòng)物內(nèi)源性共軛亞油酸(conjugated linoleic acid，CLA)合成和乳脂代謝的關(guān)鍵酶[4]。對SCD1基因特異性敲除小鼠的研究表明，SCD1基因直接影響到脂質(zhì)代謝水平和胰島素受體敏感性；在高脂肪飲食條件下，SCD1基因特異性敲除小鼠不易患上肥胖和糖尿病[5]。臨床研究表明，SCD1在人類肝癌細(xì)胞增殖和耐藥性中起著重要的作用；針對SCD1的特定基因或藥物抑制，可有效抑制細(xì)胞增殖，促進(jìn)化療誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[6]。

1 SCD1基因功能

SCD1主要催化飽和脂肪酸，其底物為硬脂酰輔酶A(C18∶0)和棕櫚酰輔酶A(C16∶0)，反應(yīng)過程中的關(guān)鍵步驟是在第9、10碳原子間導(dǎo)入氫鍵，使二者分別轉(zhuǎn)化為油?；o酶A(C18∶1)和棕櫚油酰輔酶A(C16∶1)[7]。然而，SCD1對于C18∶0具有更高的底物偏好性，在較低的程度上選擇C16∶0作為催化底物[8]。SCD1不僅可以使飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為MUFA，而且還可將反式十八烯酸去飽和為CLA[9]。SCD1參與的氧化反應(yīng)如圖1所示。這一氧化反應(yīng)由SCD1及細(xì)胞色素b5、NADH(P)-細(xì)胞色素b5還原酶，與分子氧共同催化。在NADH的作用下，氧化型細(xì)胞色素b5經(jīng)細(xì)胞色素b5還原酶催化轉(zhuǎn)化為還原型細(xì)胞色素b5。隨著電子傳遞，分子氧被還原成水，而飽和脂肪酸在SCD1的催化下轉(zhuǎn)化為單不飽和脂肪酸[1]。

圖1 硬脂酰輔酶A脫氫酶1在飽和脂肪酸電子轉(zhuǎn)移途徑中的作用[1]

SCD1基因主要表達(dá)于動(dòng)物脂肪及肝組織，在脾、肺和腎組織也有少量的表達(dá)；另外，在反芻動(dòng)物乳腺組織中也表達(dá)。研究表明，敲除小鼠SCD1基因，與脂肪合成相關(guān)基因表達(dá)量就會(huì)減少，揭示在脂肪酸氧化過程中SCD1起到重要作用；SCD1缺陷小鼠脂質(zhì)氧化反應(yīng)增強(qiáng)，這可能是由于過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)的靶基因誘導(dǎo)表達(dá)引起的，同時(shí)，SCD1缺陷增強(qiáng)了脂肪酸在線粒體內(nèi)的β-氧化作用[10]。此外，細(xì)胞中SCD1的表達(dá)水平可以被固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(sterol response element binding protein，SREBP)、碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(carbohydrate responsive element binding protein，ChREBP)以及肝X受體(liver X receptor，LXR)所調(diào)控[11]。同時(shí)，SCD1的表達(dá)還會(huì)受到其他因素影響，例如，動(dòng)物物種、膳食條件及環(huán)境因素等[12]。

SCD1含有4個(gè)跨膜區(qū)，2個(gè)疏水區(qū)以及3個(gè)極其保守的組氨酸簇(圖2)，肽鏈兩端雖然缺乏同源性，但中間序列相對保守。3個(gè)組氨酸簇是脫氫酶類發(fā)揮脫氫作用必需的[13]。C端和N端都在細(xì)胞中，肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的2個(gè)環(huán)要比在細(xì)胞之中的小得多，細(xì)胞質(zhì)中的肽鏈含有3個(gè)催化過程中必須的組氨酸簇(黑色部分)。SCD1中的5個(gè)半肌氨酸分別位于第91，97，222，233和322位。

SCD1基因在組織特異性表達(dá)、脂肪酸氧化、脂質(zhì)代謝等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究表明，水牛奶中含有高水平的不飽和脂肪酸，尤其是亞油酸，這可能是因?yàn)镾CD1基因多態(tài)性使得SCD1酶的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化導(dǎo)致SCD1在乳腺中存在多種催化水平[14]。高SCD1等位基因轉(zhuǎn)錄頻率與牛肉瘦肉量及單不飽和脂肪酸和共軛亞油酸的含量呈遞進(jìn)關(guān)系，與飽和脂肪酸則相反[15]。鑒于SCD1基因廣泛的生物學(xué)功能，它已成為在反芻動(dòng)物產(chǎn)品中調(diào)控乳脂肪成分的關(guān)鍵功能候選基因。

圖2 鼠硬脂酰輔酶A脫氫酶1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式圖[16]

2 SCD1家族及基因結(jié)構(gòu)

SCD1基因家族包括SCD1～SCD5，不同的物種中存在多種亞型。小鼠SCD1有4種亞型，分別為SCD1、SCD2、SCD3、SCD4，這些亞型都分布于19號(hào)染色體上200 kb的區(qū)域內(nèi)，分別編碼含有350～360個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，這些蛋白亞型中超過80%的氨基酸序列是相同的[17]。

SCD1最初發(fā)現(xiàn)于普通牛脂肪組織中，在發(fā)現(xiàn)SCD5之前，它被認(rèn)為是牛中唯一存在的SCD。因此，在牛中該基因被簡單地稱為SCD。牛SCD5近年才被發(fā)現(xiàn)，幾乎只在大腦中表達(dá)[18-19]。普通牛SCD6同源物A的核苷酸序列已發(fā)表在NCBI數(shù)據(jù)庫中，但到目前為止還沒有對該異構(gòu)體進(jìn)行鑒定；SCD1與SCD5和SCD6的核苷酸序列同源性分別為33.5%和31.3%[19]。在水牛、山羊和綿羊等家畜中也發(fā)現(xiàn)了SCD1基因。反芻動(dòng)物的SCD基因序列研究主要集中在SCD1，對其他亞型研究較少。

普通牛SCD1基因位于26號(hào)染色體上，編碼區(qū)序列CDS長度為1 080 bp。SCD1基因由6個(gè)外顯子和5個(gè)內(nèi)含子組成，基因全長約17 kb，外顯子1～6長度分別為：189 bp，283 bp，131 bp，206 bp，233 bp和334 bp。水牛SCD1基因在染色體上的位置目前尚未確定，共有6個(gè)外顯子和5個(gè)內(nèi)含子，SCD1基因編碼CDS區(qū)長度與普通牛相同。水牛外顯子1和6部分參與編碼，其中外顯子2～5長度與普通牛相同，外顯子1和6分別為171 bp和4 058 bp。水牛SCD1基因結(jié)構(gòu)見圖3。牦牛SCD1基因在染色體上的位置也尚未確定，CDS區(qū)長度與普通牛和水牛相同，編碼359個(gè)氨基酸，外顯子、內(nèi)含子的組成也與普通牛一致。山羊和綿羊SCD1基因編碼CDS區(qū)長度和基因結(jié)構(gòu)均與普通牛相同，不同的是山羊外顯子1和6長度分別為464 bp和4 073 bp，內(nèi)含子1～5分別為511 bp，3 876 bp，1 436 bp，1 556 bp，2 681 bp。綿羊的SCD1基因定位于第22號(hào)染色體上，內(nèi)含子與山羊略有不同。

注：外顯子以矩形表示(羅馬數(shù)字I～Ⅵ)，并以阿拉伯?dāng)?shù)字表示外顯子片段大小。內(nèi)含子以橫線表示，外顯子1中灰色部分表示5′非翻譯區(qū)(untranslated region，UTR)，長度144 bp，外顯子6中灰色部分表示3′UTR，長度為3 858 bp。

圖3水牛硬脂酰輔酶A脫氫酶1基因結(jié)構(gòu)圖

3 ?？莆锓NSCD1多態(tài)性研究進(jìn)展

3.1 普通牛

基于SCD1基因編碼產(chǎn)物在脂肪酸氧化過程中所起的關(guān)鍵作用，近年來人們把該基因作為調(diào)控脂肪酸組成的候選基因。Taniguchi等[20]2004年揭示了SCD1基因mRNA表達(dá)豐度與MUFA百分比相關(guān)，并獲得了20頭日本黑牛SCD1基因的cDNA序列，全長為5 331 bp，在其序列中發(fā)現(xiàn)有8個(gè)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)位點(diǎn)，在開放閱讀框區(qū)(open reading frame，ORF)發(fā)現(xiàn)702G>A、762C>T、878T>C核苷酸替換，在3′UTR區(qū)發(fā)現(xiàn)1905T>C、3143C>T、3351A>G、3537A>G、4736A>G的核苷酸替換，除了編碼區(qū)878位的核苷酸替換導(dǎo)致了氨基酸Val>Ala的替換，其余均為同義替換。使用PCR-RFLP方法將牛群編碼區(qū)878位點(diǎn)的基因型分型為VV、AA和VA 3種，而AA型有更高的MUFA百分比和較低的肌內(nèi)脂肪熔點(diǎn)，揭示SCD1基因多態(tài)性與日本黑牛脂肪酸含量有相關(guān)性。2007年Kgwatalala等[21]在加拿大荷斯坦牛和娟珊牛SCD1基因編碼區(qū)序列中發(fā)現(xiàn)4個(gè)SNP位點(diǎn)，即435G>A、702A>G、762T>C、878C>T(參考序列為AY241933)，同樣發(fā)現(xiàn)878位為異義替換，SCD1基因存在的核苷酸差異造成了不同品種奶牛乳脂中CLA和MUFA含量的不同。Mele等[22]2007年在意大利荷斯坦牛SCD1基因中發(fā)現(xiàn)AA基因型比VV基因型有更高含量的不飽和脂肪酸。Jiang等[15]2008年在普通牛雜交群體中發(fā)現(xiàn)SCD1基因3′UTR區(qū)存在3個(gè)SNP位點(diǎn)，分別為4706位C>T、7534位G>A和7864位C>T的核苷酸替換(參考序列：NM_173959)。2008年Macciotta等[23]在普通牛SCD1基因上發(fā)現(xiàn)1個(gè)SNP位點(diǎn)，在泌乳階段該多態(tài)性位點(diǎn)與產(chǎn)奶性狀有恒定的基因型關(guān)聯(lián)效應(yīng)。Conte等[24]2010年在意大利棕色牛群SCD1基因外顯子5中發(fā)現(xiàn)3個(gè)SNP，基因分型揭示VV基因型相比AA、AV基因型，乳腺十四碳烯酸甘油三酯(C14∶1 cis-9)含量和稀化指數(shù)(desaturation index)DI 14分別提升18.3%和20.6%，顯示SCD1基因型與乳脂肪成分顯著相關(guān)。2013年Oh等[25]在韓國本地牛研究中發(fā)現(xiàn)利用SCD1基因與優(yōu)良SNP位點(diǎn)基因型組合的方法可以為改善韓國本地牛脂肪酸組成提供育種選擇策略。2015年Alwiyah等[26]在巴厘牛SCD1基因中發(fā)現(xiàn)8個(gè)SNP位點(diǎn)，外顯子5上存在3個(gè)SNP位點(diǎn)(10153A>G，10318C>A，10329C>T)，內(nèi)含子5上存在5個(gè)SNP位點(diǎn)(10360G>A，10394G>A，10428C>T，10487A>C，10486G>A)，其中10329C>T的替換導(dǎo)致丙氨酸(GCG)突變?yōu)槔i氨酸(GTG)。2016年Li等[27]在中國荷斯坦牛SCD1基因中發(fā)現(xiàn)6個(gè)SNP位點(diǎn)，3個(gè)位于編碼區(qū)，分別為10153G>A、10213T>C、10329C>T；3個(gè)位于內(nèi)含子區(qū)，分別為6926A>G、8646G>A、16158G>C。研究發(fā)現(xiàn)SCD1基因SNP位點(diǎn)與油酸、單不飽和脂肪酸、大理石紋評分等性狀有顯著的相關(guān)性，可為脂肪酸組成的遺傳改進(jìn)提供有效的遺傳標(biāo)記。

3.2 水 牛

近年在水牛SCD1基因的研究中已發(fā)現(xiàn)多個(gè)SNP位點(diǎn)。Pauciullo等[28]2007年研究了意大利地中海水牛SCD1基因序列，發(fā)現(xiàn)3個(gè)SNP位點(diǎn)，其中在外顯子5的231位核苷酸發(fā)生C>T的替換，氨基酸由Ala突變?yōu)閂al，其余2個(gè)為同義替換，分別為外顯子5上的220位C>A替換、外顯子6上的107位A>C替換。2010年P(guān)auciullo等[29]在意大利地中海水牛SCD1基因序列中發(fā)現(xiàn)15個(gè)SNP位點(diǎn)(參考序列：FN395259)，其中，2個(gè)突變位點(diǎn)出現(xiàn)在編碼區(qū)，位于外顯子4上的4686A>G的轉(zhuǎn)換和外顯子6上的9310A>C的顛換，在外顯子6上檢測到5個(gè)SNP位點(diǎn)；在內(nèi)含子區(qū)發(fā)現(xiàn)7個(gè)SNP位點(diǎn)；在啟動(dòng)子區(qū)中發(fā)現(xiàn)g.133A>C的顛換(參考序列：FM876222)，關(guān)于SCD1基因型與牛奶脂肪酸含量的初步關(guān)聯(lián)研究顯示，該位點(diǎn)CC純合型顯著影響牛乳中去飽和指數(shù)。之后他們又發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)AC基因型比其他基因型有更高的奶產(chǎn)量，表明SCD1基因和奶產(chǎn)量有顯著關(guān)聯(lián)[30]。Taghizadeh等[14]2014年研究報(bào)道了伊朗Khuzestan地區(qū)水牛的SCD1基因序列，但沒有發(fā)現(xiàn)新的SNP位點(diǎn)。

3.3 山 羊

在山羊SCD1基因研究中也發(fā)現(xiàn)了一些變異類型。2003年Yahyaoui[31]觀察到山羊SCD1基因cDNA(GenBank AF339909)序列與其同事之前報(bào)道的cDNA序列(GenBank AF325499)在編碼區(qū)存在3個(gè)核苷酸差異，位于外顯子2和3上的2個(gè)SNP位點(diǎn)為同義突變，位于外顯子6上的第3個(gè)SNP位點(diǎn)產(chǎn)生了氨基酸替換：蛋白質(zhì)C-末端區(qū)域344位丙氨酸替換為纈氨酸；2010年Zhang等[32]在波爾山羊、徐淮山羊和海門山羊的SCD1基因檢測中發(fā)現(xiàn)6個(gè)SNP位點(diǎn)，分別為內(nèi)含子3(參考序列：AF422168)585位T>A、601位的A>G替換，內(nèi)含子4(參考序列：AF422169)719位T>A的替換，和外顯子6(參考序列：AF422171)690位的A>G、718C>G和802A>C替換，其中外顯子6的3個(gè)SNP位點(diǎn)分別導(dǎo)致蛋白質(zhì)313位Tyr>Cys、322位Phe>Leu和350位Arg>Ser；在山羊各品種間SCD1基因的研究中發(fā)現(xiàn)，徐淮山羊編碼區(qū)SNP等位基因的分布與波爾山羊和海門山羊有顯著差異，不同品種山羊SNP變異位點(diǎn)分布的差異是否為山羊經(jīng)濟(jì)性狀的選擇所導(dǎo)致，還有待進(jìn)一步研究。Chen等[33]2011年在奶山羊SCD1基因的研究中發(fā)現(xiàn)有3個(gè)核苷酸替換，依次為外顯子3的15位G>A、68位A>G的替換和內(nèi)含子3第55位A>G的替換(參考序列：AF325499)，其中在外顯子3的15位上G>A導(dǎo)致氨基酸Val>Met；同時(shí)他們對SCD1基因突變和生長性狀之間的關(guān)系進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)基因型CC個(gè)體在體重、體長、胸圍等性狀方面顯著優(yōu)于其他基因型，因此可以作為一種分子標(biāo)記優(yōu)化育種。

3.4 綿 羊

迄今，有關(guān)綿羊SCD1基因與具體生產(chǎn)性狀關(guān)聯(lián)的報(bào)道目前還較少，且綿羊SCD1基因中所發(fā)現(xiàn)的SNP位點(diǎn)都處在非編碼區(qū)。Garcia-Fernandez等[34]2009年在對8個(gè)品種綿羊SCD1基因檢測中發(fā)現(xiàn)有4個(gè)SNP位點(diǎn)，在啟動(dòng)子區(qū)發(fā)現(xiàn)31位C>A替換、內(nèi)含子2上發(fā)現(xiàn)1473A>G、2011T>C替換、內(nèi)含子3上發(fā)現(xiàn)2893G>A替換(參考序列：FJ513370)。之后他們在西班牙綿羊的研究揭示SCD1基因啟動(dòng)子區(qū)的多態(tài)性突變位點(diǎn)對乳脂率及亞油酸比例有顯著影響，位于SCD1基因內(nèi)含子2上的第1個(gè)SNP與丁酸含量相關(guān)。位于內(nèi)含子2上的第2個(gè)SNP位點(diǎn)對幾類脂肪酸性狀(棕櫚油酸、油酸、飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸含量和乳脂率)有顯著影響，位于SCD1基因內(nèi)含子3區(qū)域上的SNP位點(diǎn)只與長鏈脂肪酸含量有關(guān)[35]。Aali等[36]2014年在綿羊SCD1基因研究中發(fā)現(xiàn)有3個(gè)SNP位點(diǎn)，分別為位于啟動(dòng)子區(qū)87C>A、257G>A和379A>T的替換。

4 展 望

作為飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為單不飽和脂肪酸的關(guān)鍵催化酶，SCD1參與多種細(xì)胞代謝活動(dòng)，從細(xì)胞膜磷脂成分的變化，細(xì)胞信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)到細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡甚至癌癥、糖尿病、心血管疾病、肥胖、代謝綜合征等疾病都與SCD1活性變化密切相關(guān)[37]。由于SCD1的關(guān)鍵作用，不同形式SCD1抑制劑的研發(fā)成為人類相關(guān)疾病治療的主要手段之一，已有部分SCD1抑制劑進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，但更大范圍內(nèi)的研發(fā)仍處在基礎(chǔ)階段。迄今，關(guān)于SCD1基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制仍未得到詳細(xì)闡明，綜合脂質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等學(xué)科理論與方法，更深一步地了解SCD1作用機(jī)制將是SCD1基因研究的新方向[1]。

SCD1在牛科家養(yǎng)動(dòng)物乳腺和肌肉組織中大量表達(dá)，對其肌肉大理石評分，產(chǎn)奶量，乳脂成分，多不飽和脂肪酸含量都有顯著影響。迄今為止，對于?？莆锓NSCD1基因突變位點(diǎn)的研究主要集中在編碼區(qū)，有文獻(xiàn)[16,39-40]對3′非翻譯區(qū)SNP位點(diǎn)進(jìn)行過報(bào)道，在牛羊中SCD1基因5′非翻譯區(qū)的研究[30,34-36,40-42]主要集中在啟動(dòng)子區(qū)。對SCD1基因SNP突變位點(diǎn)的研究可用于動(dòng)物育種過程為標(biāo)記輔助選擇提供選擇基礎(chǔ)，有利于改善動(dòng)物經(jīng)濟(jì)性狀，為人類膳食提供更加健康優(yōu)質(zhì)的乳、肉制品。