山羊胃肠道微生物协同参与氨基酸感应和转运的分子机制

Understanding of amino acids chemosensing and transport along the gastrointestinal tracts is the basis of reflecting protein digestion, absorption and metabolism in ruminants. Presently, the molecular mechanisms of amino acids sensing and transport involved by endocrine cells and enterocytes and mcirobiota are unclear along the gastrointestinal tracts in ruminants. In order to explore the linkages among amino acids sensing, transporting and signalling transduction with associated proteins and microbiota, we use growing goats as experimental animals, the relevant research tools, including cell biology, molecular biology, mcirobiology, omics and bioinformatics, are employed to investigate the expression and cellular localization of main amino acids sensing receptors and transporters in the gastrointestinal tracts, and compare the their responding mechanisms to different types of amino acids (i.e., aromatic amino acids and aliphatic amino acids, or neutral, acidic and basic amino acids), and probe into their interaction with key genes and proteins involving in signaling transduction and microbiota, and testify the manipulating mechanism of amino acids sensing and transporting by dietary protein composition, limiting amino acids balance and rumen-protected amino acids in the gastrointestinal tracts of growing goats. The study could provide a theoretical basis for improving the gastrointestinal health and protein utilization efficiency, and developing the theory of protein and amino acid nutrition in ruminants.

反刍家畜消化道氨基酸感应与转运过程是表征动物蛋白质或氨基酸消化吸收与代谢的基础。但受限于技术手段，目前对反刍家畜消化道微生物与胃肠道细胞协同参与氨基酸感应和转运过程及其调控机制尚不清楚。因此，本项目以生长山羊为实验动物，围绕胃肠道粘膜内分泌细胞和上皮细胞氨基酸化学感应与转运过程及其调控机制这一科学问题，通过研究胃肠道氨基酸感应受体和转运载体的细胞定位及表达模式，胃肠道微生物与胃肠道细胞协同参与氨基酸感应和转运的关系，以及与不同类型氨基酸感应和转运相关联的信号转导元件或通路，旨在阐明山羊胃肠道微生物协同参与氨基酸化学感应受体与转运载体蛋白对不同类型氨基酸感应和转运的分子机制，并揭示通过日粮配制调控其感应与转运的作用机制。为建立高效的反刍家畜蛋白质（氨基酸）营养调控技术方案、改善消化道及机体健康水平、提高营养物质的利用效率提供科学依据和技术支撑，丰富和发展反刍动物蛋白质和氨基酸营养调控理论。

反刍家畜消化道氨基酸感应与转运过程是表征动物蛋白质或氨基酸消化吸收与代谢的基础。本项目采用营养学、微生物学、分子生物学以及多组学等研究手段，系统研究了山羊消化道微生物与胃肠道细胞协同参与氨基酸感应和转运过程及其调控机制。取得的主要结果如下：. （1）氨基酸感应受体及转运载体的表达具有一定的组织特异性，大多数氨基酸转运载体在小肠的表达量显著高于瘤胃和大肠，且它们分布在上皮细胞刷状缘、细胞质和细胞膜上相互协作进行氨基酸的感应与转运。. （2）鲜味氨基酸缺失通过其转运载体EAAT3，改变了EAAT3相互作用蛋白，进而影响了mTOR通路激活从而抑制了背肌细胞的蛋白合成。. （3）山羊瘤胃发育过程中，Desulfovibrio 、Prevotella、Succinivibrio 和Treponema与黏膜上皮上的PCCA、ACCAA2、ALDH、HADH等基因协同促进瘤胃的缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢。. （4）解码了胃肠道微生物氨基酸合成路径，其生物合成相关基因的丰度呈现出明显的区域异质性，在瘤胃中的丰度随日龄而降低，而回肠和结肠中的丰度分别在d25和d10出现谷值。. （5）过瘤胃蛋白日粮干预显著提高了后肠道的氨基酸平衡，促进了产丁酸菌Eubacterium的定植及其营养物质的转运，使得微生物代谢从产乙酸转变为产丁酸和支链氨基酸进而促进机体的代谢。. （6）相比玉米粉，喷浆玉米皮提高了瘤胃pH值，且对胃肠道的氨基酸感应和转运系统没有负作用。. （7）山羊瘤胃及小肠通过促进中性氨基酸的吸收缓解高谷物日粮所导致的负面作用。. （8）日粮蛋氨酸和赖氨酸平衡可以降低血液尿素氮水平，提高氮和氨基酸的利用效率。. （9）低蛋白日粮促进尿液中尿素的重吸收，维持瘤胃液中微生物蛋白的合成稳定，提高了山羊体内氮的相对沉积效率。. （10）捻转血矛线虫感染增加了小肠内容物氨基酸含量，促进了双歧杆菌的定植，增强了小肠对氨基酸的感应与转运。. 研究成果为建立高效调控反刍动物蛋白质和氨基酸利用的营养技术方案提供了重要的科学理论基础。