李 磊 姚軍虎 楊 景 張 俊*

(1.西北農林科技大學動物科技學院,楊凌 712100;2.陜西華秦農牧科技有限公司,楊凌 712100)

奶牛圍產期包括產前3周和產后3周2個重要階段,由于分娩前胎兒體積的增大,瘤胃受到擠壓等因素導致干物質采食量(dry matter intake,DMI)降低,分娩后泌乳的開始致使營養(yǎng)需要增加,再加上自身內分泌和代謝的變化,圍產后期奶牛極易發(fā)生能量負平衡(negative energy balance,NEB)。此時,奶牛加劇脂肪動員以滿足葡萄糖供應不足而引發(fā)的糖代謝失衡,但這一過程又會削弱胰島素的生理作用,引起胰島素通路障礙,發(fā)生胰島素抵抗(insulin resistance,IR)[1-2]。胰島素抵抗是指外周靶器官或組織對胰島素的敏感性和反應性減弱,胰島素需要量超過正常產生量。胰島素抵抗發(fā)生后,脂肪動員加劇,肝臟中過量非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acid,NEFA)轉化為酮體或再酯化形成的甘油三酯(triglyceride,TG)含量也相應增加[3],從而引發(fā)脂肪肝和酮病等代謝性疾病[4],損害奶牛健康狀況和生產性能,降低其利用年限。本文闡述了圍產期奶牛胰島素抵抗的發(fā)生機制,揭示胰島素通路對糖代謝、脂代謝、健康狀況和生產性能的影響及相應調控措施,為預防圍產期奶牛營養(yǎng)代謝性疾病、提高牧場經濟效益提供理論依據(jù)。

1 胰島素通路在機體中的作用

1.1 胰島素通路的組成及主要作用

胰島素通路在葡萄糖攝取、糖原合成及脂質和蛋白質合成中起關鍵作用[5]。動物采食飼糧后,體內血糖水平增加,胰腺β細胞分泌的胰島素與靶細胞膜上的胰島素受體結合后激活下游磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,也稱為AKT)信號通路和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)通路[6]。PI3K刺激磷脂酰肌醇二磷酸,形成磷脂酰肌醇三磷酸后激活磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1進而激活AKT[7]。PI3K/AKT通路能介導多種細胞功能,通過刺激糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase 3,GSK3)調控糖原合成酶和ATP-檸檬酸裂解酶活性,分別調節(jié)糖原和脂肪酸的合成[8]。在肌肉和脂肪細胞中,PI3K/AKT介導葡萄糖轉運體(glucose transporter,GLUT)4轉移至細胞膜以攝取葡萄糖[9]。同時,PI3K/AKT通路激活膽固醇調節(jié)元件結合蛋白使其易位到細胞核進行轉錄以調控脂肪酸和膽固醇的合成,并通過哺乳動物雷帕霉素復合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)的靶點活化以調控蛋白質合成[10]。當胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)1與生長因子受體結合蛋白2結合后激活MAPK通路,細胞外信號調節(jié)激酶易位到細胞核以調節(jié)細胞分裂和生長。胰島素通過以上信號通路調節(jié)糖代謝、脂代謝、蛋白質合成和細胞分裂與生長[11]。

1.2 在肝臟中的作用機制

肝臟、骨骼肌和脂肪組織都可作為胰島素作用的主要靶器官,其中,肝臟在調控機體糖代謝和脂代謝中發(fā)揮著關鍵作用(圖1)[12]。肝臟將機體部分葡萄糖轉換為糖原儲存,當多余的葡萄糖不能被代謝或吸收時會形成脂肪酸和甘油三酯,并通過極低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)輸送到脂肪組織。胰島素通過調節(jié)糖原合成酶和糖原磷酸化酶增加肝糖原合成[13],并上調膽固醇調節(jié)元件結合蛋白1c增加肝臟新生脂肪生成,同時,胰島素與其特定的細胞表面受體結合,產生酪氨酸激酶磷酸化并激活胰島素受體,IRS1/2相互作用激活PI3K/AKT通路后[14],通過抑制由叉頭框O1(forkhead box O1,FoxO1)介導的糖異生來降低肝臟葡萄糖生成及糖異生底物水平[15]。胰島素通過減少甘油向肝臟的轉運、甘油向葡萄糖的轉化[16-17]及脂肪酸向肝臟的輸送,降低肝臟乙酰輔酶A和丙酮酸羧化酶活性。除了在肝臟糖代謝和脂代謝中發(fā)揮作用,胰島素還通過mTORC1調控肝細胞蛋白質合成[18]。

圖1 胰島素在肝臟、骨骼肌和脂肪組織中的主要生理作用機制

1.3 在骨骼肌中的作用機制

骨骼肌是胰島素作用的靶組織之一,大約75%的葡萄糖被吸收進入骨骼肌,其余通過胰島素依賴機制進入肝臟[19]。胰島素的合成代謝作用主要體現(xiàn)在調控骨骼肌營養(yǎng)物質的儲存[20]。動物采食后產生的高血糖促進胰腺分泌胰島素,隨著胰島素分泌增多,胰島素與胰島素受體結合,導致IRS磷酸化,激活PI3K/AKT通路,調節(jié)GLUT4從細胞內區(qū)室易位到肌細胞中的肌膜和橫小管膜以增強骨骼肌攝取葡萄糖[21]。胰島素還可通過PI3K/AKT通路上調己糖激酶Ⅱ轉錄水平和活性,催化葡萄糖,發(fā)生磷酸化反應,使肌肉中葡萄糖轉變成葡萄糖-6-磷酸[22],降低血糖水平。

1.4 在脂肪組織中的作用機制

脂肪組織是胰島素敏感性組織,通過釋放脂肪因子、促炎因子和脂肪酸影響糖代謝和脂代謝。胰島素將動物攝入的營養(yǎng)物質向脂肪組織和骨骼肌進行分配,通過PI3K/AKT通路刺激前脂肪細胞向脂肪細胞分化[23],降低環(huán)磷酸腺苷水平抑制脂肪分解[24],刺激mTORC1靶點抑制甘油三酯脂肪酶、激素敏感性脂肪酶活性,將脂質轉變成脂滴以增加葡萄糖和脂肪酸攝取等方式促進甘油三酯儲存[25]。在胰島素的刺激下,葡萄糖轉化為3-磷酸甘油合成甘油二酯,同時還可與脂肪酸?；o酶A結合后在甘油三酯脂肪酶和單酰甘油脂肪酶作用下水解成甘油和脂肪酸[26],并最終代謝產生能量。

2 胰島素抵抗及其發(fā)生機制

胰島素抵抗是指動物體內胰島素功能和反應性降低,導致葡萄糖的攝取吸收與利用效率減弱,機體需要大量的胰島素才能使血液中葡萄糖處于穩(wěn)態(tài)。作為胰島素調節(jié)血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)的重要中間媒介,GLUT囊泡可在胰島素的刺激下易位到細胞膜調節(jié)葡萄糖攝取,當GLUT轉運出現(xiàn)異常時會發(fā)生胰島素抵抗,因此,胰島素抵抗和GLUT轉運異常關系密不可分。哺乳動物體內發(fā)現(xiàn)了14種GLUT,其中,GLUT4對胰島素敏感度最高。GLUT4在哺乳動物的心肌、脂肪和骨骼肌等組織中廣泛存在。IRS1在胰腺和肝臟細胞中表達量較高,同時,IRS1絲氨酸和蘇氨酸殘基磷酸化會損害胰島素信號傳導[27],抑制GLUT4易位到細胞膜攝取葡萄糖[28],從而發(fā)生胰島素抵抗。胰島素抵抗主要發(fā)生在肝臟、骨骼肌和脂肪組織等對胰島素敏感的靶器官內。肝臟胰島素抵抗表現(xiàn)為胰島素對肝糖異生的抑制作用被中斷,對新生脂肪生成的作用增強,導致慢性高血糖癥和高甘油三酯血癥[29]。骨骼肌胰島素抵抗表現(xiàn)為肌肉葡萄糖吸收、氧化及儲存功能異常,導致葡萄糖轉運和利用能力下降,胰島素信號傳導減弱,葡萄糖攝取與糖原合成減少、蛋白質合成受損導致肌肉脂質沉積[30],進一步降低胰島素敏感性。脂肪組織胰島素抵抗是指胰島素阻礙脂肪分解使外周組織葡萄糖利用率下降,脂肪酸含量增加[31]。胰島素抵抗發(fā)生后會引起機體糖代謝和脂代謝紊亂、炎癥反應及氧化應激,最終誘發(fā)相應代謝疾病,損害動物健康。

3 圍產期奶牛胰島素通路異常及相關機制

3.1 胰島素抵抗與圍產期奶牛糖代謝、脂代謝異常的關系及其影響

圍產期奶牛由于胎兒快速生長及泌乳的開始,奶牛營養(yǎng)需求大幅增加,能量攝入不能滿足營養(yǎng)需求,導致能量負平衡[32]。能量負平衡觸發(fā)肝臟脂肪動員并促進糖異生以滿足奶牛不斷增長的能量需求,此時脂肪組織產生大量NEFA并輸送到肝臟進行完全氧化以在肝線粒體或過氧化物酶體中產生ATP,或不完全氧化產生酮體如丙酮、乙酰乙酸和β-羥基丁酸(β-hydroxybutyric acid,BHBA),或再酯化形成甘油三酯[33]。甘油三酯可在肝細胞蓄積,也可以VLDL的形式轉運出肝臟并釋放到血液循環(huán)中[34]。然而,肝臟氧化NEFA和合成VLDL的能力有限,當能量負平衡加劇時,酮體生成量增加并在體內儲存,血漿脂蛋白濃度升高[35],從而增加脂肪肝和酮癥的發(fā)病率,損害奶牛泌乳及繁殖性能。圍產期能量負平衡的奶牛自身糖代謝失衡的同時伴隨胰島素抵抗[1]。脂肪酸在圍產期奶牛糖代謝和脂代謝中扮演著重要的角色[36],能量負平衡啟動脂肪動員后NEFA濃度增加。高濃度脂肪酸抑制由胰島素刺激的外周組織對葡萄糖的攝取,并擾亂肝臟和外周組織的細胞內胰島素信號通路,降低胰島素敏感性[37]。胰島素敏感性降低進一步加劇脂肪動員并提高泌乳早期奶牛體內脂肪酸濃度,引發(fā)惡性循環(huán)[38]。由能量負平衡導致的胰島素抵抗及糖代謝、脂代謝紊亂已成為影響奶牛業(yè)快速發(fā)展的一大阻礙,嚴重影響動物健康生產且降低畜牧業(yè)經濟效益,探求改善胰島素抵抗的新方法已成為研究熱點之一。

3.2 不同體況圍產期奶牛的胰島素反應

圍產期奶牛體況評分(body condition score,BCS)與能量負平衡關系密切[39],發(fā)生胰島素抵抗時與體況的關系更明顯。正常情況下,胰島素與胰島素受體結合誘使IRS1/2磷酸化并激活PI3K/AKT通路,誘導GLUT4生成,使機體吸收葡萄糖。肥胖情況下,脂質累積與炎癥因子生成顯著增多,產生炎癥反應,誘發(fā)胰島素抵抗[40]。研究表明,過度飼喂或BCS較高的圍產奶牛內臟脂肪被許多巨噬細胞浸潤,并且浸潤幅度越大,肥胖幅度越大,對胰島素抵抗性越強[41-42]。修訂后的定量胰島素敏感性檢查指數(shù)(revised quantitative insulin sensitivity index,RQUICKI)公式為:RQUICKI=1/[log10葡萄糖濃度(mg/dL)+log10胰島素濃度(μU/mL)+log10NEFA濃度(mmol/L)],是基于葡萄糖、胰島素和NEFA濃度用以評估奶牛胰島素功能和能量穩(wěn)態(tài)的指標[43-44],RQUICKI低表明胰島素敏感性降低[41]。葡萄糖、胰島素、NEFA濃度及RQUICKI是胰島素抵抗發(fā)展的相關指標,Wu等[45]根據(jù)5分制體況評分將奶牛分為低(BCS≤2.75分)、中(3.0分≤BCS≤3.5分)和高(BCS≥3.75分)3組體況,正常飼喂并采集血液樣本,發(fā)現(xiàn)高體況奶牛血液中胰島素和甘油三酯濃度較高,RQUICKI較低,表明高體況奶牛更易發(fā)生胰島素抵抗和脂肪分解。此外,胰島素抵抗的發(fā)生導致高體況奶?？寡趸芰ο陆?氧化應激增加,同時AKT蛋白表達量增加[46],且NEFA和BHBA濃度超出了正常值,奶?；即x紊亂和傳染病的風險更高,從而影響產奶量和繁殖性能[47]。產前高體況奶牛在產后也更容易發(fā)生胰島素抵抗[48],胰島素抵抗又加劇高體況奶牛的脂肪分解,增加脂肪肝和酮癥的發(fā)病率,影響奶牛健康。研究發(fā)現(xiàn),產犢時BCS在3.00～3.50分的奶牛產后生產性能無顯著差異,而BCS高于該分的奶?；籍a后疾病的風險增加,因此建議產犢時BCS在3.00～3.25分[49]。體況在維持奶牛的健康方面起著重要作用,適中的體況方能保證奶牛平穩(wěn)渡過圍產期。

4 圍產期奶牛胰島素抵抗對健康狀況和生產性能的影響

動物通過胰島素提高肝臟對糖類的吸收率,增加肝糖原和肌糖原的形成與儲存,阻礙酮體產生,保障動物健康。胰島素抵抗發(fā)生過程非常迅速,奶牛產犢后隨著產奶量提高,胰島素與胰高血糖素濃度隨之下降,脂肪動員以減輕能量負平衡狀態(tài)。但由于圍產奶牛無法適應巨大的代謝與內分泌變化在脂肪動員時易造成的低血糖等疾病狀態(tài),長此以往導致產后出現(xiàn)代謝紊亂,損害健康,降低生產性能。其中,過多脂肪的動員及過多酮體的產生是圍產期奶牛代謝疾病的主要誘因[50]。圍產期脂肪肝和酮病奶牛肝臟胰島素受體基因表達顯著降低,且血液中NEFA、葡萄糖濃度顯著升高,表明機體對胰島素的反應性降低,存在胰島素抵抗[51-52]。

奶牛泌乳后乳腺對葡萄糖需求急劇增加,葡萄糖流向各組織器官以滿足泌乳需要,導致脂肪肝奶牛血液葡萄糖濃度降低。奶牛產后DMI急劇下降,導致能量負平衡的同時NEFA濃度升高,甘油三酯在肝臟內大量蓄積,導致肝細胞壞死,降低肝臟免疫應答及抵抗內毒素的能力,致病因子侵襲后奶牛發(fā)病率升高。圍產期酮病奶牛與胰島素抵抗的結果顯示酮病奶牛血液NEFA和BHBA濃度顯著高于健康組,葡萄糖濃度顯著低于健康組,表明酮病奶牛存在能量負平衡并動員大量脂肪以改善能量匱乏狀態(tài),導致胰島素敏感性顯著降低,奶牛對葡萄糖利用率下降,加劇胰島素抵抗,損害了奶牛的生產性能[53]。隨著奶牛生產水平的不斷提高,胰島素抵抗與脂肪肝作用機制越來越被重視,圍產期是奶牛極其關鍵而又特殊的時期,圍產奶牛對葡萄糖的需求顯著增加[54],并通過更多脂肪動員滿足自身能量需要,當脂肪動員超過機體代償能力時導致糖代謝、脂代謝和胰島素通路異常,引起脂肪肝,脂肪肝引起肝臟代謝紊亂、糖原合成障礙,加劇血中酮體含量的升高,產生酮病并伴隨其他諸如乳房炎、子宮炎、難產、胎衣不下、蹄病、皺胃變位等疾病,嚴重威脅圍產奶牛的健康狀況和生產性能。圍產期酮病和健康奶牛血液代謝產物標志物的變化見表1。

表1 圍產期酮病和健康奶牛血液代謝產物標志物的變化

5 圍產期奶牛胰島素抵抗的調控措施

5.1 提高機體能量代謝

奶牛圍產前期飼糧中碳水化合物提供的能量可有效改善圍產期糖代謝、脂代謝和生產性能[62],膽堿和蛋氨酸可調節(jié)肝臟能量和脂質代謝,降低肝臟中脂肪含量,維持肝臟糖異生和機體葡萄糖穩(wěn)態(tài),提高圍產奶牛RQUICKI,改善胰島素抵抗[63]。葡萄糖在奶牛體內發(fā)揮自身生理作用和泌乳中扮演著重要的角色。小腸可直接吸收過瘤胃葡萄糖。Wang等[64]研究表明,奶牛飼糧中每天補充200 g過瘤胃葡萄糖可提高DMI及產奶量、促進能量代謝并降低圍產期能量負平衡造成的負面影響,改善胰島素抵抗。丙酸是反芻動物的關鍵葡萄糖前體,丙酸鈣可在瘤胃內可水解成丙酸和鈣離子,通過肝臟糖異生作用在肝臟中轉化為葡萄糖并進入血液循環(huán),從而提高奶牛的能量水平[2,65]。莫能菌素可改變瘤胃微生物菌群和增加革蘭氏陰性菌的數(shù)量,為動物提供更多的能量[66]。丙二醇作為丙烯的衍生物可增加飼糧的能量水平,在瘤胃發(fā)酵過程中會迅速轉化為丙酸,并被瘤胃壁吸收提供能量[67]。Chalmeh等[68]在圍產奶牛飼糧中添加莫能菌素和丙二醇發(fā)現(xiàn),兩者聯(lián)合使用可顯著降低胰島素抵抗率,改善圍產期奶牛能量負平衡和胰島素抵抗。但我國已禁止在奶牛生產上使用莫能菌素,未來還需尋找合適的替代品。

5.2 改善氧化應激

圍產期奶牛易發(fā)生氧化應激,引起肝臟損傷,損害胰島素信號轉導,降低胰島素敏感性,改變脂質代謝基因表達,引發(fā)胰島素抵抗。高血糖狀態(tài)損害抗氧化防御系統(tǒng),隨后產生過量活性氧,導致氧化應激和線粒體功能障礙,進而加劇胰島素抵抗[69]。酶類和非酶類抗氧化劑可降低不良氧化反應水平,飼糧中合理添加抗氧化劑可抑制脂質氧化和清除自由基,緩解圍產期奶牛過氧化應激狀態(tài)[70]。核因子E2相關因子(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是氧化應激的中樞調節(jié)劑,可反式激活抗氧化蛋白的表達,以防止炎癥引發(fā)的氧化損傷。Sun等[71]研究發(fā)現(xiàn),丁酸鈉可通過增加肝臟Nrf2的mRNA和蛋白質表達水平降低高脂肪飲食誘導的肝臟氧化應激和胰島素抵抗,Nrf2在體外被敲低時,丁酸鈉不發(fā)揮作用。Zhang等[72]研究表明,甘草酸單銨通過增加細胞核中Nrf2和超氧化物歧化酶的mRNA表達水平,增強抗氧化活性,減輕圍產奶牛氧化應激損傷,提高胰島素敏感性,改善胰島素抵抗。維生素E可保護細胞膜和脂蛋白免受脂質過氧化,清除自由基,并調節(jié)細胞信號傳導和基因轉錄以提高組織的抗氧化性能[73]。Chalmeh等[74]研究發(fā)現(xiàn),維生素E可通過改善氧化應激和脂質動員增加圍產奶牛胰島素敏感性。因此,在圍產期維持奶牛氧化還原穩(wěn)態(tài)至關重要。

5.3 改善胰島素相關關鍵通路和激酶

胰島素抵抗通過下調PI3K/AKT、IRS1、GLUT4、GSK3等的表達,直接損害胰島素對外周葡萄糖攝取的作用[75],如PI3K/AKT通路功能缺陷、IRS1絲氨酸磷酸化水平增加與GLUT4向細胞表面的輸送減少導致胰島素敏感性降低。GSK3表達下調可通過刺激葡萄糖攝取和糖原合成改善胰島素作用,但上調則導致骨骼肌胰島素反應性受損[76]等,可見胰島素抵抗受多種關鍵通路和激酶影響。磷酸酶和張力蛋白同系物是胰島素信號傳導和外周胰島素敏感性的負調節(jié)因子,Deng等[77]研究表明,磷酸酶和張力蛋白同系物沉默可增加AKT的磷酸化水平和PI3K的表達,降低IRS1的磷酸化水平,增加GSK3的磷酸化水平和膽固醇調節(jié)元件結合蛋白c的表達,進一步上調參與糖異生關鍵酶如磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6-Pase)的表達,改善胰島素抵抗。Meeprom等[78]研究發(fā)現(xiàn),葡萄籽提取物可通過改善骨骼肌中的PI3K/AKT和GLUT4表達并抑制糖原合成酶mRNA表達和增加糖原合酶表達,改善胰島素敏感性和高血糖狀態(tài)。Liu等[79]研究表明,鳶尾素可通過PI3K/AKT/FoxO1介導的PEPCK和G6-Pase表達下調減少糖異生,通過PI3K/AKT/GSK3介導的糖原合成酶激活增加糖異生,改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)。

6 小結與展望

圍產期奶牛在發(fā)生能量負平衡的同時也常常伴隨胰島素抵抗,機體處于糖代謝、脂代謝和胰島素代謝的異常狀況,導致脂肪肝和酮病,破壞奶牛的健康、泌乳及繁殖性能,嚴重影響牧場的經濟效益。通過提高圍產期奶牛能量代謝狀態(tài),改善氧化應激及調控胰島素相關關鍵通路和激酶等方式可有效提高胰島素敏感性,維持葡萄糖和脂質代謝穩(wěn)態(tài),緩解胰島素抵抗,并降低營養(yǎng)代謝性疾病的發(fā)生率,提高健康狀況和生產性能。由于胰島素涉及的通路較多,其在奶牛體內作用方式、代謝方向發(fā)生的變化等對機體產生的影響不盡相同,因此需要進一步研究胰島素通路在圍產期奶牛體內的運行、變化過程及誘導相應疾病的發(fā)生機制,從而促進奶牛養(yǎng)殖業(yè)高質量發(fā)展。

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網址: 胰島素通路對圍產期奶牛糖代謝、脂代謝、健康狀況和生產性能影響的研究進展 http://www.u1s5d6.cn/newsview1744306.html