哺乳動(dòng)物的精氨酸營養(yǎng)與繁殖性能——合作研究與創(chuàng)新思維GuoyaoWu,Ph.D.TexasA&MUniversity,CollegeStation,TX,USA中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京,中國04080120160谷氨酰胺+谷氨酸亮氨酸精氨酸脯氨酸賴氨酸泌乳天數(shù)氨基酸濃度

(mmol/L)1381522a-c:P豬乳中氨基酸濃度WuGandKnabeDA(1994)JNutr124:415-424abccc本課題源于1991年的一項(xiàng)非相關(guān)研究0100200300400500600125鳥氨酸瓜氨酸精氨酸培養(yǎng)基中谷氨酰胺濃度

(mM)nmol/mgDNA/30min兩日齡母乳喂養(yǎng)仔豬小腸細(xì)胞中以谷氨酰胺為底物的精氨酸合成WuGandKnabeDA(1995)AmJPhysiol269:R621-629cccdddbbbaaaa-d:P谷氨酰胺鳥氨酸瓜氨酸精氨酸新生仔豬小腸1993年的一個(gè)周六上午,Tuo博士問我一個(gè)重要問題：“胎兒究竟能否合成精氨酸？〞

WenbinTuo博士(Dr.FullerBazer的博士后)Dr.FullerBazer(繁殖生物學(xué)杰出教授)我的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)同學(xué)精氨酸和鳥氨酸源氮豐度(40–50%)40天孕齡母豬精氨酸和鳥氨酸濃度(4-6mM)Wu,Bazer,Tuo,andFlynn(1996)BioReprod54:1261-1265妊娠天數(shù)%Totala-aminoacidNmM0123453035404560010203040503035404560精氨酸鳥氨酸abcbaccdabbbacddcab妊娠天數(shù)母豬尿囊液中高豐度精氨酸的發(fā)現(xiàn)母體血漿中精氨酸濃度=0.1mM精氨酸鳥氨酸尿囊液中所含高濃度精氨酸是否僅特異性存在于豬中，抑或具有普適性從而反響哺乳動(dòng)物的重要生理學(xué)意義？Dr.ThomasSpencer(繁殖生物學(xué)青年卓越之星)Dr.FullerBazer(繁殖生物學(xué)杰出教授)0510152025瓜氨酸谷氨酰胺妊娠天數(shù)30406080100120140氨基酸濃度(mM)ddebacdebaccee0氨基酸濃度(mM)妊娠天數(shù)30406080100120140edccabb羊尿囊液中氨基酸濃度Kwon,Spencer,BazerandWu(2004)Biol.Reprod.68:1813-1820

在妊娠早期，為何母羊

尿囊液中富含瓜氨酸？012345678910尿囊液中氨基酸濃度(mM)瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸豬(40天孕齡)羊〔60天孕齡〕鳥氨酸精氨酸酶水尿素多胺孕體發(fā)育瓜氨酸精氨酸一氧化氮肌酸蛋白質(zhì)

哺乳動(dòng)物孕體中精氨酸家族異常高豐度富集的生理學(xué)意義是什么？精氨酸NO+瓜氨酸NADPH+H+NOSNADP+BH4BH4,四氫生物蝶呤NO,一氧化氮NOS,一氧化氮合成酶(Ca2+,Calmodulin,FAD,FMN)Palmeretal.(1988)Nature333:664-666一氧化氮的作用血管生成胚胎發(fā)育血管擴(kuò)張劑免疫應(yīng)答媒介神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)分子激素分泌調(diào)節(jié)子〔例如：胰島素，生長激素，催乳素，胎盤泌乳素〕Flynn,Meininger,Haynes,ShiandWu(2005)DietandCellSignaling

豬胎盤中一氧化氮的合成妊娠天數(shù)0102030405060708090100110一氧化氮合成(nmol/gtissue/h)Wuetal.(2005)Biol.Reprod.72:842-850.

abcccdeef012345妊娠天數(shù)30406080100120140nmol/gtissue/hcbcadceddcbdab妊娠天數(shù)020406080pmol/gtissue/24h一氧化氮合成30406080100120140cbabaaa羊胎盤子葉中一氧化氮合成酶的活性及一氧化氮的合成誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶結(jié)構(gòu)型一氧化氮合成酶Kwonetal.(2004)BiolReprod70:679-686

精氨酸GTP-環(huán)化水解酶IGTP三磷酸二氫新蝶呤6-丙酮酰四氫蝶呤6-丙酮酰四氫蝶呤合成酶墨蝶呤復(fù)原酶四氫生物蝶呤(BH4)L-精氨酸瓜氨酸NO(+)胎盤中精氨酸通過增加可利用四氫生物蝶呤〔BH4〕含量從而促進(jìn)一氧化氮合成NOS(精氨酸的Km=3to10μM)

(0.5to2mM)Wuetal.JAnimSci2021羊組織中GTP環(huán)化水解酶I的活性nmol/gtissue/h036912151830406080100120140dcacbbb子葉間區(qū)胎盤胎盤子葉母體子宮阜內(nèi)膜羊組織中含四氫生物蝶呤的水平nmol/gtissue3040608010012014003dcacbbbKwonetal.(2004)BiolReprod70:679-686妊娠天數(shù)妊娠天數(shù)子葉間區(qū)胎盤胎盤子葉母體子宮阜內(nèi)膜

精氨酸鳥氨酸多胺在營養(yǎng)學(xué)和生理學(xué)中，精氨酸還發(fā)揮著其他哪些作用？精氨酸是合成多胺的前體——生物化學(xué)課本

I21=精氨酸酶2=鳥氨酸脫羧酶,亞精胺合成酶,精胺合成酶L-鳥氨酸CO2腐胺脫羧化S-腺苷基蛋氨酸甲基硫代腺苷亞精胺甲基硫代腺苷精胺L-蛋氨酸S-腺苷基蛋氨酸CO2CO2S-腺苷基蛋氨酸脫羧酶Mg-ATPMg-PPi+Pi精胺合成酶亞精胺合成酶鳥氨酸脫羧酶L-精氨酸水尿素S-腺苷基蛋氨酸合成酶精氨酸酶Wuetal.(2005)BiolReprod.72:842-850豬胎盤中無精氨酸酶豬脫羧化S-腺苷基蛋氨酸吡咯啉-5-羧酸脯氨酸氧化酶脯氨酸鳥氨酸腐胺亞精胺精胺?O2水豬胎盤中脯氨酸作為多胺合成底物谷氨酸a-酮戊二酸OATODCOAT=

鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶;ODC=

鳥氨酸脫羧酶胎盤精氨酸母體組織Wuetal.(2005)BiolReprod72:842-850POOATODCODC活性(nmol/gtissue/min)妊娠天數(shù)豬胎盤中脯氨酸氧化酶(PO)、鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(OAT)及鳥氨酸脫羧酶(ODC)的活性PO和OAT活性(mmol/gtissue/min)012203035404550609011002030354045506090110edbabcdeeedbabcdeeedbabcdee妊娠天數(shù)Wuetal.(2005)BiolReprod72:842-850.03006009001200150018002030354045506090110腐胺亞精胺精胺妊娠期(天)pmol/gtissue/3h豬胎盤中以脯氨酸(2mM)為底物的多胺合成edbabcdeeedbabcdeeedbabcdeeWuetal.(2005)BiolReprod72:842-850.edcbcddeefecbcdeffa豬孕體〔胎兒+胎盤〕中多胺濃度Wuetal.(2005)BiolReprod72:842-850.L-鳥氨酸CO2腐胺DCAMMTA亞精胺DCAMMTA精胺L-蛋氨酸S-腺苷基蛋氨酸CO2CO2SAMDMg-ATPMg-PPi+Pi精胺合成酶亞精胺合成酶鳥氨酸脫羧酶SAMSSAMS,S-腺苷基蛋氨酸合成酶SAMD,S-腺苷基蛋氨酸脫羧酶DCAM,脫羧化S-腺苷基蛋氨酸MTA,甲基硫代腺苷Wuetal.(2000)Am.J.Physiol.279:E395-402脯氨酸L-精氨酸豬胎盤母體組織精氨酸對(duì)豬體內(nèi)多胺合成具有重要作用L-鳥氨酸CO2腐胺DCAMMTA亞精胺DCAMMTA精胺S-腺苷基蛋氨酸CO2CO2SAMDMg-ATPMg-PPi+Pi精胺合成酶亞精胺合成酶鳥氨酸脫羧酶SAMSKwonetal.(2003)BiolReprod69:1626-1634脯氨酸L-精氨酸精氨酸酶母體組織精氨酸對(duì)懷孕母羊的多胺合成具有重要作用羊胎盤子葉L-蛋氨酸SAMS,S-腺苷基蛋氨酸合成酶SAMD,S-腺苷基蛋氨酸脫羧酶DCAM,脫羧化S-腺苷基蛋氨酸MTA,甲基硫代腺苷羊組織中以鳥氨酸為底物的多胺合成總量nmol/gtissue/3h012330406080100120140bacbcddd妊娠天數(shù)子葉間區(qū)胎盤胎盤子葉母體子宮阜內(nèi)膜羊組織中鳥氨酸脫羧酶活性nmol/gtissue/h0123430406080100120140妊娠天數(shù)babcbcddd子葉間區(qū)胎盤胎盤子葉母體子宮阜內(nèi)膜Kwonetal.(2003)BiolReprod69:1626-1634nmol/gtissue羊組織多胺總濃度妊娠天數(shù)子葉間區(qū)胎盤胎盤子葉母體子宮阜內(nèi)膜010002000300030406080100120140badcdde0400080001200030406080100120140nmol/L羊子宮內(nèi)液體多胺總濃度妊娠天數(shù)尿囊液羊水bacccddKwonetal.(2003)BiolReprod69:1626-1634多胺的作用基因表達(dá)DNA和蛋白質(zhì)合成離子通道作用細(xì)胞凋亡信號(hào)傳導(dǎo)細(xì)胞增殖與分化血管生成胚胎發(fā)育Wuetal.(2021)AminoAcids37:1-17精氨酸NOPA胎盤血管發(fā)育胎盤血流量營養(yǎng)物質(zhì)母體至胎兒的轉(zhuǎn)運(yùn)Wuetal.JNutr134:2169-2172,2004.NO=一氧化氮PA=多胺胎盤血管生成Dr.FullerBazerDr.RobertBurghardtDr.GregJohnson精氨酸添加促進(jìn)豬胎盤血管生成LiXL,BazerFW,JohnsonGEetal(2021)JNutr是否可通過研究精氨酸代謝途徑從而提高哺乳動(dòng)物的繁殖性能？以豬和羊的宮內(nèi)發(fā)育緩慢(IUGR)為研究模型探討上述問題。在哺乳動(dòng)物中，豬的宮內(nèi)發(fā)育緩慢癥最為常見。此外，母豬懷孕期間胎兒死亡率高達(dá)50%。

宮內(nèi)發(fā)育緩慢與胎兒的存活率Wuetal.JAnimSci84:2316-2337,2006.仔豬出生體重分布

窩數(shù)(n)116仔豬總數(shù)(n)1,302

出生體重,kg0.50–0.693.4%0.70–0.898.0%0.90–1.0913.5%1.10–1.2930.9%1.30–1.4927.3%1.50–1.6914.1%1.70–1.802.8%Wuetal.(2021)JAnimSci超過75%的仔豬死亡率歸咎于IUGR。精氨酸丙氨酸日糧中添加L-精氨酸促進(jìn)豬胎兒發(fā)育MateoR,WuG,BazerFWetal.(2007)J.Nutr.137:652-656.******妊娠期30至114天，初產(chǎn)母豬飼喂添加1%L-精氨酸或等氮含量的玉米-大豆型日糧。Dr.S.W.KimTexasTech添加精氨酸可提高產(chǎn)子數(shù)〔2頭活仔豬/母豬〕生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)意義:活仔豬數(shù)的遺傳力非常低〔〕。1980至2000年間，美國母豬的產(chǎn)子數(shù)每年僅提高頭，即：1頭仔豬/20年。我們的研究說明通過營養(yǎng)調(diào)控可以明顯提高母豬產(chǎn)子數(shù)。經(jīng)濟(jì)收益：每頭仔豬的凈收益為$45〔NPPC2005〕。這些研究結(jié)果已用于指導(dǎo)其它哺乳動(dòng)物〔包括鼠，牛，羊和人類〕的研究。USDA/NRIJanuary15,2021Viagra提高自由采食或限飼母羊的胎兒生長在妊娠期28至112天，每日對(duì)母羊進(jìn)行3次Viagra肌肉注射〔0，25或50mg〕。在妊娠第112天，稱量胎兒體重。SatterfieldC,FWBazer,TESpencer&GWu(2021)JNutr140:251-258aabbaabbViagra一氧化氮cGMP子宮-胎盤血流量精氨酸aabaab靜脈注射精氨酸可提高限飼母羊的胎兒生長妊娠期60至147天，每日對(duì)限飼母羊進(jìn)行3次頸靜脈注射0或L-精氨酸〔27mg/kg體重)。在妊娠第147天，稱量胎兒出生體重。LassalaA,FWBazer&TESpencer,MCSatterfield&GWu(2021)BooroolaRambouillet〔多胎性母羊〕宮內(nèi)發(fā)育緩慢模型：產(chǎn)子多胎性出生體重

(Kg)處理組雙胞胎三胞胎四胞胎對(duì)照組4.30±0.38a3.06±0.17b2.47±0.22c精氨酸組4.11±0.21a3.39±0.22b3.03±0.14b對(duì)照組和精氨酸處理組中雙胞胎、三胞胎和四胞胎羔羊的出生體重LassalaA,FWBazer&TESpencer&GWu(2021)a-c:P<0.05.多胺一氧化氮四氫生物蝶呤胎盤中精氨酸與鳥氨酸傳輸胚胎發(fā)育母源性營養(yǎng)鳥氨酸脫羧酶一氧化氮合成酶S-腺苷基蛋氨酸mTOR信號(hào)通路胎盤與胎兒中的精氨酸胎盤與胎兒中的鳥氨酸胎盤血管生成和發(fā)育胎盤-胎兒間血流量營養(yǎng)物質(zhì)母體至胎兒的轉(zhuǎn)運(yùn)胎兒生長發(fā)育Wuetal.(2021)JAnimSci母源性營養(yǎng)對(duì)胎兒程序化的影響胎兒程序化:

在胎兒出生前發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期，營養(yǎng)和其他環(huán)境因素能夠影響其生長發(fā)育途徑，從而改變其出生后個(gè)體生長代謝以及更為深遠(yuǎn)地影響其成年后對(duì)慢性疾病的易感性。影響:

出生后生長發(fā)育、營養(yǎng)轉(zhuǎn)換效率、肉品質(zhì)、繁殖性能，免疫功能和對(duì)傳染性疾病的易感性

母源性營養(yǎng)不良表觀遺傳學(xué)(DNA甲基化組胺修飾,

和microRNAs)母源性營養(yǎng)過剩有損于胎兒的生長發(fā)育、免疫功能和健康〔有些影響決定于性別，例如胰腺β細(xì)胞功能〕胎兒程序化荷爾蒙失調(diào)代謝紊亂器官功能失調(diào)細(xì)胞信號(hào)缺失父源性營養(yǎng)不良父源性營養(yǎng)過剩基因組構(gòu)建和基因表達(dá)蛋白合成與其生理功能Wangetal.(2021)AntioxidRedoxSignal一個(gè)看似漠不相關(guān)的研究，揭示出一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，即：精氨酸-一氧化氮以及精氨酸-多胺代謝通路在增加哺乳動(dòng)物產(chǎn)仔數(shù)和促進(jìn)胎兒生長方面發(fā)揮