功能性氨基酸调控奶牛胰腺酶表达和分泌的信号传导网络

As one of the unresolved problems, low starch digestibility in the small intestine of ruminants (35%-60%) significantly limits the production efficiency, and the lack of α-amylase secretion has been considered one of the main reasons. Based on the results of our previous project "National Youth Science Fund" (31001021), we put forward a hypothesis that functional amino acids modulated the expression and secretion of pancreatic enzymes via the mTOR signal pathway by reacting with target molecules. Thus, using the methods of tissue and cell culture of dairy cow pancreas which have been established by our group, this project aims to study the effects of functional amino acids (Leu, Ile, Val, Phe and Trp) on the expression and secretion of pancreatic enzymes as well as the expression of the main signal factors in the regulatory pathway, establish the signaling network of functional amino acids on the expression of pancreatic enzymes, and determine the optimal combination model and effective stimulating doses, thereby provide theoretical basis for the improvement of feed efficiency for ruminants.

过瘤胃淀粉的小肠消化率很低（仅35%-60%），极大制约了高产反刍动物的生产效率，这是悬而未解的科学问题,其关键原因是胰腺α-淀粉酶分泌不足。基于本团队已完成的国家青年自然科学基金项目（31001021）的研究结果，申请者提出假设："功能性氨基酸通过调节靶分子激活mTOR信号通路，实现对反刍动物胰腺酶表达和分泌的调控"。项目将采用本团队已建立的奶牛胰腺组织和细胞培养方法，研究五种功能性氨基酸（亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸，色氨酸，苯丙氨酸）对奶牛胰腺酶表达与分泌及其信号通路中关键分子的影响规律，建立功能性氨基酸调控奶牛胰腺酶表达的信号网络，确定刺激胰腺酶表达和分泌的功能性氨基酸最适组成模式及有效剂量，为最终改善反刍动物饲料能量利用率提供理论依据。

本研究通过奶牛活体试验、离体培养胰腺原代腺泡细胞和组织试验，系统研究了亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸对奶牛胰腺外分泌规律、腺泡细胞蛋白质合成及分泌的影响及其机制。结果表明：（1）十二指肠灌注亮氨酸和异亮氨酸可促进荷斯坦青年牛胰腺外分泌功能，尤其是ɑ-淀粉酶的合成和分泌；亮氨酸和异亮氨酸可通过调控胰腺酶mRNA表达和mTOR信号通路相关因子磷酸化来调节胰腺酶表达。（2）亮氨酸可促进犊牛向有更高生产潜力方向发育，促进胃肠道的发育，使胰腺细胞发育侧重于增重而非数目的增多；苯丙氨酸不能促进犊牛的生长发育，并影响亮氨酸对肠道发育的促进作用，对胰腺发育调控作用更加侧重于细胞数目的增多，但胰腺细胞大小与数目的变化并未对犊牛胰腺总酶活力产生影响。（3）亮氨酸可调控荷斯坦犊牛氨基酸的周转，促进骨骼肌氨基酸的沉积合成蛋白质，从而促进机体的生长发育。（4）苯丙氨酸通过影响胰酶mRNA表达和S6K1蛋白的磷酸化水平调控消化酶的合成与分泌；亮氨酸一方面通过激活调控蛋白质合成最主要的信号通路PI3K/Akt-mTOR轴，抑制蛋白质降解最主要的信号通路GCN2，从而提高奶牛胰腺腺泡细胞消化酶的合成，另一方面亮氨酸促进胰腺腺泡细胞线粒体内的三羧酸循环和氧化磷酸化过程，提高胞内ATP含量，为蛋白质转运提供大量能量，同时激活SEC信号通路，促进淀粉酶在内质网核糖体向高尔基体的转运加工和酶原颗粒向胞外运输的过程。（5）高浓度亮氨酸可通过降低蛋白酶体活性及CCK1受体表达，进而抑制犊牛胰腺腺泡细的胞淀粉酶分泌。(6) 亮氨酸通过mTOR轴提高组织块内淀粉酶和胰蛋白酶活力，苯丙氨酸通过S6K1和mRNA表达量提高胰蛋白酶合成。本研究结果证实了项目申请时提出的理论假设“功能性氨基酸通过调节靶分子激活mTOR信号通路，实现对反刍动物胰腺酶表达和分泌的调控"，并构建亮氨酸和苯丙氨酸调控奶牛胰腺外分泌功能的分子机制并构建了信号传导网络，结论如下：苯丙氨酸通过提高淀粉酶mRNA表达和S6K1、4EBP1蛋白的磷酸化水平促进蛋白质翻译起始复合物的形成，最终提高胰腺腺泡细胞的外分泌能力；亮氨酸激活PI3K/Akt-mTOR信号通路，促进蛋白质翻译起始复合物的形成，增加酶蛋白的合成，同时促进OXPHOS途径增加ATP的产量，进而刺激SEC信号通路，提高淀粉酶分泌。本研究为最终改善反刍动物饲料能量利用率提供理论依据。