吴峰洋，杨冠宇，戴冉，陈赛娟，刘亚娟，谷子林，3*

（1.河北农业大学动物科技学院，河北保定071001；2.河北农业大学山区研究所，河北保定071001；3.河北省山区农业工程技术研究中心，河北保定071001）



综述

生物素对基因表达的调控作用及其机理

吴峰洋1，杨冠宇1，戴冉1，陈赛娟2，3，刘亚娟2，3，谷子林1，3*

（1.河北农业大学动物科技学院，河北保定071001；2.河北农业大学山区研究所，河北保定071001；3.河北省山区农业工程技术研究中心，河北保定071001）

本文综述了生物素及其代谢产物对营养代谢相关基因和免疫活动相关基因表达的调控作用及其机理，为生物素的进一步研究提供参考。

生物素；营养；免疫；基因表达

生物素即维生素H，又称维生素B7或辅酶R，是一种动物生长、发育所必需的低分子水溶性维生素，是多种羧化酶的辅酶和羧基团的载体，在三大营养物质代谢过程中发挥着重要作用。由于其在饲料原料中分布广泛，又可由动物肠道内微生物合成，所以以前的研究观点认为在畜禽生产中不需要再额外补充。但是随着各种生物素缺乏症的出现，对生物素的营养调控和免疫调控及其机理的研究重新得到了关注与重视。

1　生物素为诱导剂的基因表达调控系统

基因表达调控是指为保证基因表达过程中的稳定性和有序性而进行的精密调控，是现阶段分子生物学研究的重要领域，是基因工程组学的研究重点。对生物素对基因表达调控作用的深入研究，有助于加深对生物素功能作用本质的了解。目前，对基因表达的调控主要在以下三个水平进行：（1）转录水平；（2）mRNA加工、成熟水平；（3）翻译水平。基因表达调控系统能够对目的基因表达进行快速高效的调节，为外源基因的表达调控提供新的选择。当前，基因表达调控系统已广泛应用于基因功能研究、基因治疗、生物制药等基础研究和应用研究当中。最初研发的适用于哺乳动物的基因表达调控系统以抗生素、激素或其衍生物以及免疫抑制剂等作诱导剂分子（叶玲玲等，2012）。由于这些诱导剂分子具有某些临床副作用，使得在实际应用中受到诸多限制（Aarestrup，2005）。新一代的基因表达调控系统采用生物素、精氨酸等临床上有惰性的诱导剂分子，一定程度上缓解了上述问题，推动了基因表达调控系统的实际应用（Polstein和Gerbach，2012）。

2　生物素对基因表达调控的作用机理

相关资料显示，目前生物素主要通过以下三种途径对基因表达进行调控：（1）转录因子NF-κB的细胞核移位，该途径多发生在生物素缺乏条件下；（2）生物素与组蛋白结合使染色体重塑；（3）生物素腺苷酸使可溶性鸟苷酸环化酶活化（潘林和孙建义，2005）。三种作用途径以何种方式发挥作用有待进一步研究，据推测可能以相互结合的方式在动物机体内实现生物素对基因表达的调控。

2.1转录因子NF-κB的移位在未受刺激的细胞中，多数NF-κB为异二聚体或同型二聚体，并与细胞质中的三种抑制因子（IκBa、IκBβ、IκBε）之一相结合，以无活性状态存在。当机体生物素缺乏时或者在细胞因子、细菌、分裂素等刺激下使IκBs磷酸化和降解，NF-κB活化并进入细胞核内与DNA结合，启动基因表达。Rodriguez等（2004）研究表明，生物素能影响NF-κB信号通路的传导。潘林和孙建义（2005）对生物素缺乏的细胞进行Western杂交检测和酶联免疫法处理发现其中p50和p60的含量较高。

2.2组蛋白的生物素酰化修饰组蛋白是染色质的组成成分之一，在DNA折叠进入染色质过程中发挥着重要作用。目前，已发现的组蛋白修饰方式有：磷酸化、泛素化、甲基化、乙酰化等，生物素酰化是新发现的组蛋白翻译后加工修饰方式，经生物素酰化修饰后的组蛋白具有多种生物学功能（王燕飞和鲍宝龙，2011）。据报道，生物素酰化的组蛋白与基因组稳定的维持有关，在鸡红细胞染色质转录沉默部分发现了大量的生物素酰化组蛋白（Peters等2002）。

2.3生物素腺苷酸活化鸟苷酸环化酶生物素腺苷酸是羧化酶合成的中间产物。Solorznao等（2002）报道生物素酰腺苷酸在基因表达调节中发挥着重要作用。生物素腺苷酸可以活化可溶性鸟苷酸环化酶，具体机制有待进一步研究。可溶性鸟苷酸环化酶是由α亚基和β亚基构成的二聚体，是目前发现的唯一的NO受体。可溶性鸟苷酸环化酶可以触发NO信号转导通路，是NO-cGMP通路中不可或缺的酶（夏晓东，2003）。王红梅等（2009）报道，B-AMP可以激活sGC，sGC可以激活cGMP、PKG，从而使蛋白磷酸化、活化，使羧化全酶合成酶、丙酰辅酶A羧化酶等酶的基因转录活性增强。

3　生物素对基因表达的调控

3.1生物素对营养代谢相关基因表达的调控

3.1.1生物素对葡萄糖代谢相关基因表达的调控生物素对机体中葡萄糖代谢的调控主要通过以下两种方式：（1）影响丙酮酸羧化酶的活性。丙酮酸羧化酶是葡萄糖异生过程的限速酶，是生物素依赖性羧化酶之一，在糖异生过程中发挥着重要作用。适量添加生物素可提高丙酮酸羧化酶的活性，该途径多发生在饥饿状态下或血液中葡萄糖含量较低时（张旭晖和王恬，2010）。患有糖尿病的大鼠在生物素缺乏的状态下肝脏内磷酸烯醇丙酮酸羧化酶含量比对照组减少15%（王镜岩等，2010）。（2）影响葡萄糖激酶活性。机体内生物素的含量可以影响糖酵解过程中葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，葡萄糖激酶是糖酵解过程的关键酶，生物素缺乏会阻碍葡萄糖的酵解过程，降低葡萄糖的利用率。据报道，给生物素缺乏的大鼠补充生物素后发现其体内的葡萄糖激酶含量及其rRNA和mRNA合成率均有所提高（王红梅等，2009）。Chauhan和Dakshinamurti（1991）研究表明，生物素对大鼠肝脏中葡萄糖激酶mRNA丰度的提高有促进作用。

3.1.2生物素对脂肪代谢相关基因表达的调控乙酰CoA羧化酶是一种以生物素为辅基的别构酶，其在丙二酰CoA的生成过程中发挥着重要作用。Ortega和Hernandez（2010）报道，生物素可以通过SREBP1c激活乙酰辅酶A羧化酶，从而加速脂肪的合成。乙酰辅酶A羧化酶催化乙酰CoA转变成丙二酰CoA的过程是脂肪酸合成过程的限速步骤。乙酰辅酶A羧化酶可以通过负反馈调节使线粒体内脂酰肉碱转移酶的活性降低，从而抑制脂肪的分解（朱勇文等，2011）。

3.1.3生物素对蛋白质代谢相关基因表达的调控生物素在蛋白质代谢过程中不可或缺，其在多种氨基酸转移脱羧、蛋白质合成、嘌呤合成、亮氨酸和色氨酸分解以及氨基酸脱氢和氨基甲酰转移过程中发挥着重要作用。据报道，当小鼠体内生物素含量较低时，其肝脏、肠黏膜、胰腺、皮肤等组织的氨基酸结合生成蛋白质的过程受到抑制，当通过注射方式补充生物素后，氨基酸的结合速度加快（Dakshinamurti和Litvak，1970）。Rodriguez等（2001）研究表明，生物素缺乏的大鼠体内，大脑、肝脏、肾脏和肌肉内的mRNA合成量降低，当补充生物素后mRNA合成量可在24h内恢复正常。鸟氨酸是一种碱性氨基酸，参与尿素循环，与尿素生成有关。据报道，生物素缺乏的大鼠肝脏内鸟氨酸转甲氨酰酶活性减弱，其mRNA丰度有所降低（Prasad等，1998）。

3.2生物素的转运机体对生物素的吸收是由特异性载体介导的主动吸收过程，该载体除生物素外还能转运硫辛酸和泛酸，Prasad等（1998）将其命名为依赖Na+的多维生素转运载体。王红梅等（2009）报道SMVT的表达与生物素浓度呈负相关。Zempleni和Mock（1999）发现了一个Km值约为2.5 nmol/L的不同于SMVT的生物素转运载体，未发现其对泛酸和硫辛酸有吸收能力。该运载体是否完全有别于SMVT、或是否是SMVT的转录产物尚需进一步研究。

3.3生物素对免疫活动相关基因表达的调控细胞因子是由巨噬细胞、NK细胞、T细胞、B细胞等免疫细胞或纤维母细胞等非免疫细胞分泌的低分子量蛋白质，因其具有多样的生物活性，通过与相应受体结合可以对免疫细胞的增殖、成熟、活化等过程进行调节。据报道，提升肉鸡的生物素水平可以提高IFN-γ的浓度或IFN-γ表达（Wiedmann等，2003）。陈宏等（2009）研究表明，为猪圆环病毒2型攻击下的仔猪补充生物素，有提高其血清中IFN-γ浓度的趋势，补充量不同，影响程度也不同，且补充量在0.3 mg/kg时提高幅度最大。提高动物外周血液中单核细胞中的生物素水平，发现该细胞的白介素-2和白介素-1分泌量降低（Zempleni，2001）。潘林和孙建义（2005）报道，在健康的体细胞中每日补充8.8 μmol生物素持续21 d后，IL-4基因的表达量降低而IL-1β和IFN-γ基因的表达量提升。其中IFN-γ可以诱导小胶质细胞和星形细胞产生iNOS，可能与神经系统的保护与某些疾病发生有关。白介素1家族主要通过刺激炎症相关基因的表达，诱导IFN-γ、磷脂酶A2等效应蛋白的表达参与炎症过程与免疫调节。白细胞介素2家族可以发挥活化T细胞、诱导LAK细胞产生、刺激NK细胞增殖、激活巨噬细胞等作用。

3.4生物素代谢产物对基因表达的调控传统的营养学研究认为，生物素的代谢产物大多数没有使用价值。而最近的一些研究表明，生物素代谢产物可能具有与生物素相似的功能。如将Jurkat细胞在不添加生物素的介质中培养，发现编码IL-2基因和IL-2R γ基因的转录活性下降，而添加生物素类似物后其转录活性上升（潘林和孙建义，2005）。

4　小结

随着分子生物学与仪器分析等技术的日新月异，生物素对基因表达的调控及其机理的相关研究已经取得了一定的进展，如以生物素为诱导剂建立的基因表达调控系统、生物素对机体营养代谢及免疫活动过程中部分基因的调控作用及其调控途径等，但仍有部分功能作用的作用方式及其机理尚不清楚，有待于进一步研究。

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This paper summarized regulating and controling function of biotin and its metabolites on the expression of nutrient metabolism and immune activity related gene.As well as clarify the regulation mechanism.Provide

for further study of biotin.

biotin；nutrition；immune；gene expression

S816.7

A

1004-3314（2016）01-0007-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160103

国家兔产业技术体系（CARS-44-B-3）；河北省自然科学基金项目（C2014204019）