动物DGAT基因的研究进展

动物DGAT基因的研究进展吴东旺;孙丽媛;袁再美;和世春;胡成龙;邓茗月;毛华明;杨舒黎【摘要】DGAT基因包括二酰基甘油酰基转移酶1(DGAT1)基因和二酰基甘油酰基转移酶2(DGAT2)基因,前者属于酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶(ACAT)基因家族,后者属于单酰甘油酰基转移酶(MGAT)基因家族,分别编码微粒体酶DGAT1和DGAT2,这两种酶控制着甘油三酯的合成,均是定位于内质网的跨膜蛋白,其膜拓扑结构具有与其他蛋白质和细胞器相互作用的能力,影响脂肪代谢及脂类在组织中的沉积,参与调节动物机体的能量合成和分解代谢,影响心脏和肝脏中甘油三酯的代谢;同时DGAT基因的多态性影响着牛乳中脂肪的含量及泌乳量.因此,了解DGA T基因的结构和生物学功能对畜禽生长发育和生产等相关研究具有重要的意义.文章简述了DGAT基因的基本结构和生物学功能及相关的作用机制,分析了其在畜牧生产中的基础应用,如参与哺乳动物生产调控的脂肪沉积、乳脂含量等方面的研究进展.【期刊名称】《中国畜牧兽医》【年(卷),期】2019(046)007【总页数】8页(P1945-1952)【关键词】二酰基甘油酰基转移酶(DGAT);生物学功能;多态性【作者】吴东旺;孙丽媛;袁再美;和世春;胡成龙;邓茗月;毛华明;杨舒黎【作者单位】云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201;云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201;昆明市动物疫病预防控制中心,昆明650223;云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201;云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201;云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201;云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201;云南农业大学动物营养与饲料科学重点实验室,昆明650201【正文语种】中文【中图分类】S813.1二酰基甘油酰基转移酶(diacylglycerol acyltransferase，DGAT)活性最早于20世纪50年代在鸡肝脏研究中被报道[1]，但其编码基因直到20世纪末才被发现[2-3]。

近年来，随着基因组学、生物信息学、转基因技术和蛋白质纯化技术的快速发展，研究者在各个物种间鉴定了大量编码DGAT的基因，关于DGAT功能的研究已取得了巨大的进展。

DGAT主要的作用机制是使甘油二酯和脂肪酸酰基辅酶A 以共价键形式结合，从而形成甘油三酯。

已有研究证明，DGAT的表达量与哺乳动物甘油三酯的积累直接相关[4]。

甘油三酯的合成和代谢是维持各类细胞脂质和能量稳态的重要途径。

在哺乳动物中，甘油三酯对脂肪组织的能量储存非常重要，同时保护细胞免受脂毒性，并可作为能量运输的载体。

因此，研究DGAT基因结构和生物学功能将有助于了解其参与调控肠道脂肪吸收、脂蛋白组装、肌内脂肪形成、心脏甘油三酯代谢、改善牛奶品质性状等生理过程，这对于促进畜牧产业发展具有重要意义。

1 DGAT基因结构及生化特性概述DGAT是动物体内十分重要的一种酶，了解其基因结构和生化特性，可帮助人们更深入地认识该基因在动物机体物质代谢过程中所发挥的作用。

在真核生物中编码两种主要DGAT类型的基因被鉴定为二酰基甘油酰基转移酶1(DGAT1)和二酰基甘油酰基转移酶2(DGAT2)。

DGAT1属于酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶(ACAT)家族，而DGAT2则属于单酰甘油酰基转移酶(MGAT)家族[5-6]。

在动物体内，DGAT1蛋白序列与ACAT1和ACAT2蛋白序列具有15%～25%的同源性，主要在C端。

DGAT2及其家族成员在蛋白质的整个长度中具有40%～45%的氨基酸同源性，最保守的区域可能包含蛋白质的催化结构域，位于C端。

DGAT1基因一般含有16～17个外显子，而DGAT2基因最多含有8～9个外显子[7]。

人、猪、牛和大鼠的DGAT基因分别位于HSA8q24.3、SSC4p15、14号染色体19 cM处和7q34，均由17个外显子和16个内含子组成[8]。

DGAT1和DGAT2基因的表达模式因机体的不同而有很大差异。

DGAT基因在人和小鼠的小肠和脂肪组织中表达量最高，而在肝脏中表达量最低[9]。

人与小鼠DGAT1基因表达模式的唯一差异是小鼠肝脏转录表达水平较低。

DGAT2基因在小鼠很多组织都有表达，其在脂肪组织中表达量最高，其次是肝脏，心脏、小肠、骨骼肌等组织中也有表达。

Angiolillo等[10]通过对9种山羊DGAT1基因cDNA测序得到了山羊DGAT1基因长为1 552 bp的编码区序列，该序列包含了1～17个外显子，与牛、猪、人和犬DGAT1基因具有高度的序列同源性。

哺乳动物的DGAT基因编码区序列较保守，其高度保守区域可能具有一定的生物学功能研究价值，这些保守序列所承担的作用有待进一步研究。

关于DGAT生化特性的研究，人们通常利用体外酶测定放射性标记甘油三酯的方式获得。

在敲除DGAT1基因小鼠的哺乳动物同源物研究中，研究者首次证实了DGAT1和DGAT2生物化学特性的差异。

重组人或小鼠DGAT1和DGAT2具有很广的脂酰辅酶A底物特异性，但DGAT1还可利用更广泛的酰基受体，如小鼠DGAT1具有的体外酶活性，如MGAT、蜡合酶和酰基辅酶A:视黄醇酰基转移酶活性[11]。

与DGAT2相比，DGAT1的底物识别位点具有较少的特异性。

人和小鼠的DGAT2对酰基辅酶A和甘油二酯的亲和力高于DGAT1。

DGAT1在大范围镁浓度(0～100 mmol/L)下有效，DGAT2在低浓度(5～20 mmol/L)时活跃，但在高浓度(100 mmol/L)时则受到抑制[12]。

许多电解质激活或抑制全部体外DGAT活性取决于使用的电解质浓度，某些离子可改变DGAT1和DGAT2的构象。

DGAT1和DGAT2对镁离子在体外敏感性的差异已被用作特异性定量DGAT1在哺乳动物细胞中的体外活性。

通过比较可发现,DGAT2对底物的亲和力比DGAT1更高、更有效。

Wongsiriroj等[13]对缺乏DGAT1的小鼠进行研究发现，DGAT1在体内作为一种肠道视黄醇酰基转移酶发挥作用，在膳食摄入量较高的情况下，DGAT1的视黄醇酰基转移酶活性可能在维生素A的肠道吸收中发挥重要作用。

2 DGAT膜的拓扑结构与相关的功能分析了解DGAT1和DGAT2在膜双层中的拓扑结构对于阐明这些膜结合蛋白的催化机制至关重要。

DGAT1和DGAT2具有不同的拓扑结构，这些结构可能与DGAT在甘油三酯生物合成过程中发挥的生理作用有关。

人们可通过分析蛋白质结构来反映DGAT基因序列的进化差异。

Cao[14]通过对来自48种生物的59种DGAT1和来自44种生物的58种DGAT2进行DGATs多重序列比对发现，DGAT1同种型的氨基酸残基平均数量为515±44，22 041个氨基酸残基完全保守。

DGAT1含有约40%的疏水氨基酸残基。

目前，因其疏水性，DGATs的结构研究仅限于拓扑分析。

Liu等[7]预测DGAT1在8～10之间的疏水区域被认为是构成跨膜的结构域。

DGAT1的N端结构域对DGAT1的催化活性不是必需的，可能参与调节酶活性和二聚体或四聚体的形成。

McFie等[15]报道显示，小鼠DGAT1亚型只有3个结构域，N端朝向胞质溶胶和C端区域约占内质网(ER)腔中存在序列的50%(图1)，催化活性完全在ER膜的腔侧，236位氨基酸处形成半环，嵌入到脂质双分子层中；DGAT2在90位氨基酸处形成半环，两个螺旋域嵌入在ER的脂质双分子层膜。

DGAT1具有双重拓扑结构，有助于ER膜两侧的标记合成，并且只对预形成的脂肪酸进行酯化[16]，其活性与人肝癌细胞内质膜的240个胞质和腔侧相似[17]。

DGAT亚型膜的拓扑结构可为其他物种的蛋白结构功能研究提供一定的借鉴。

图1 DGAT膜的拓扑模型[15]Fig.1 Topological model of DGAT membrane[15] 3 DGAT基因的生物学功能研究3.1 DGAT基因在脂肪代谢中的作用DGAT1基因在脂肪合成过程中起到了关键性的作用，影响着动物肌内脂肪的形成和分解。

牛DGAT1基因多态性与弗莱维赫公牛的肌肉及皮下脂肪中大多数主要的饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸含量呈显著相关[18]。

在脂肪分解过程中，脂肪酸从脂肪细胞的甘油三酯中水解并运输到其他组织作为燃料。

脂肪细胞中的大部分水解脂肪酸在ATP能量消耗循环中被重新酯化为甘油三酯[19]。

脂肪细胞脂解过程中脂肪酸的再酯化是通过DGAT1介导的。

Nguyen等[20]研究结果表明，DGAT1调控的自噬对饥饿诱导的脂滴发生生物反应。

DGAT1基因选择性地将自噬释放的脂肪酸导入新的、聚集的脂滴中，脂滴的作用是阻止酰基肉碱的积累和线粒体脂毒性失调。

DGAT1和DGAT2基因在肠道脂质代谢中具有重要作用，是调节膳食脂肪吸收所必需的。

肠上皮细胞超微结构分析显示，DGAT1优先合成甘油三酯，将其纳入无脂蛋白B的腔内脂滴中，可促进乳糜微粒的扩张[21]，该结果也支持DGAT2优先合成，并将其整合到包含脂蛋白B的新生乳糜微粒和胞质脂滴中。

DGAT1缺乏导致乳糜微粒合成和分泌的缺陷，凸显了DGAT1和DGAT2在膳食脂肪吸收过程中协同作用的重要性。

因此，研究者们应加强DGAT基因在动物脂肪代谢过程中的介导作用机制研究，了解其在肌内脂肪沉积中所发挥的关键作用，从而为研究肉品质提供一定的帮助。

3.2 DGAT基因在能量代谢中的作用在动物机体中DGAT1基因影响着瘦素、胰岛素的表达。

DGAT1基因的表达与瘦素敏感性之间存在着某种相关性，影响胰岛素信号通路中关键酶的活性；同时改变动物体内的能量代谢效率。

Chen[22]在DGAT1基因缺乏型小鼠肌细胞和脂肪细胞中发现，胰岛素刺激葡萄糖运输增加，会导致活性磷脂酰肌醇-3激酶、蛋白激酶B及蛋白激酶C被激活，胰岛素信号通路中的3个关键分子活性增强，促进葡萄糖转运至细胞内。

小鼠DGAT1基因被敲除后对瘦素的敏感度与能量的消耗呈正相关；小鼠皮下注射瘦素所产生的反应显示，随着瘦素敏感性的变化，DGAT1基因缺乏型小鼠比野生型小鼠体重下降的更多[22]。

瘦素在动物中枢神经系统发挥着主要作用，但在12个DGAT1基因缺乏型小鼠的下丘脑中没有观察到瘦素调节基因的表达差异；但发现另一种DGAT1基因缺乏型小鼠瘦素敏感增强机制。

因此，如果小鼠出现能量和葡萄糖代谢不足时，DGAT1基因发挥作用则需要一个完整的瘦素通路。

组织中的甘油三酯水平与胰岛素抵抗关系密切，甘油三酯水平下降可增加胰岛素的输出和利用。

在山羊原代乳腺上皮细胞中，胰岛素抑制基因能抑制脂质合成基因DGAT1基因的表达[23]。