姜廷波，王 莹，赵艳飞，孙泽威，仲庆振

（吉林农业大学动物科技学院，吉林长春 130118）

肠道中赖氨酸转运载体的研究进展

姜廷波，王 莹，赵艳飞，孙泽威，仲庆振*

（吉林农业大学动物科技学院，吉林长春 130118）

赖氨酸作为玉米-豆粕型日粮的第一限制性氨基酸，是影响动物生长、发育至关重要的氨基酸。由于赖氨酸本身不能自由进出肠黏膜的特点，其吸收需要借助肠道细胞膜上的赖氨酸转运载体来实现，即赖氨酸转运载体的活性直接影响机体对赖氨酸的吸收。因此，本文从赖氨酸转运载体的分类、功能及其表达等几个方面进行了简要的综述。

肠道；赖氨酸；转运载体

日粮蛋白质的有效摄入是一个严格的调控过程，需要满足自身的生理需求，特别是在合成代谢期间[1]。赖氨酸作为玉米-豆粕型日粮的第一限制性氨基酸，由于机体自身不能合成，也不能被其他任何类似的氨基酸代替，决定其在氨基酸营养方面占据重要地位[2]。赖氨酸为碱性氨基酸的一种，不仅是构成蛋白质的主要成分，而且细胞内的许多重要代谢也离不开赖氨酸，且吸收和转运具有底物特异性。肠黏膜上皮细胞基顶膜上含有多种转运载体蛋白，主要帮助机体吸收氨基酸，它能与氨基酸和Na+形成三联体，将Na+和氨基酸转运至细胞内，为了维持细胞内Na+的低浓度，再由钠泵将Na+泵出细胞，并消耗ATP。肠道上皮细胞对赖氨酸的吸收需借助肠上皮细胞刷状缘膜上的赖氨酸转运载体，进而完成蛋白质的合成和其他氮代谢，再通过基底膜上的赖氨酸转运载体转出细胞，进入组织液。严重的吸收不良和赖氨酸尿性蛋白不耐综合症与氨基酸转运载体的缺陷紧密相关，跨膜转运对机体氨基酸的平衡是必不可少的[3]。为了使机体更有效地吸收赖氨酸，提高机体对氮营养素的利用率，促进机体健康生长发育，深入研究赖氨酸吸收、转运载体具有至关重要的意义。因此，本文对赖氨酸转运载体的分类、功能及表达等方面的研究进行了阐述。

1 氨基酸转运载体系统的分类及特点

氨基酸的摄取需要借助细胞膜上具有不同特异性的氨基酸转运载体完成。氨基酸转运载体是一类具有介导氨基酸跨膜转运的功能性膜蛋白。这些膜蛋白一般具有多种属性，不仅能够完成氨基酸进出细胞内外的任务，还能促进单个氨基酸的运输。目前为止，已分离出20多种哺乳动物氨基酸转运载体蛋白，且不同氨基酸跨越膜或上皮细胞层的转运，可能依赖于几种具有相似功能的氨基酸的整体活动，这些包括单向转运和逆向转运，有时还伴随Na+、H+、K+或Cl-的移动。一般来说，氨基酸转运载体系统主要有两种分类方式：一种是根据氨基酸转运载体蛋白的底物特异性，可分为酸性、中性、碱性氨基酸转运载体系统；另一种是根据氨基酸转运载体转运氨基酸是否需要Na+协助转运，又可分为Na+依赖型氨基酸转运载体和Na+非依赖型氨基酸转运载体[4-5]。其中，Na+依赖型氨基酸转运系统是利用质膜上Na+电化学势梯度形式储存的自由能，将细胞外氨基酸底物逆浓度梯度转入细胞内。这些研究说明，氨基酸转运载体具有强大的动力将细胞外的氨基酸转运至细胞内[4]。

2 赖氨酸转运载体系统的分类及特点

赖氨酸具有2种同分异构体，分别为L-型和D-型，L-型赖氨酸的亲和力较高于D型，其主要有效成分含量一般为77%～79%，且具有生物活性的主要是L-型赖氨酸，D-型赖氨酸几乎不能被动物机体吸收利用。虽然大部分跨越细胞膜的氨基酸为L-型氨基酸，但某些氨基酸转运蛋白在转运生物学相关氨基酸衍生物上也有特定的角色[1]。除赖氨酸以外，碱性氨基酸还包括精氨酸和组氨酸。细胞与细胞外环境之间可进行碱性氨基酸的交换，而这种交换是通过细胞膜上特定的转运载体蛋白来完成的，即碱性氨基酸转运载体。早期研究表明，细胞在通过跨膜吸收、转运碱性氨基酸的过程中，只有y+转运系统发挥作用。随着分子生物学技术的不断进步，迄今已发现多种系统可转运碱性氨基酸，以赖氨酸为主的转运系统主要分为：①Na+依赖型转运系统：B0,+转运系统；②Na+非依赖型转运系统：y+转运系统、b0,+转运系统、y+L转运系统。其中，Na+非依赖型的3种赖氨酸转运系统的基因均是氨基酸转运载体SLC7基因家族的成员。4种碱性氨基酸转运系统只有y+系统对碱性氨基酸具有特异性[6]，其他3种转运系统（b0,+、B0,+和y+L）还能转运中性氨基酸。具体赖氨酸转运载体的分类详见表1。

表1 赖氨酸转运载体系统分类[1,17]

3 赖氨酸转运载体的功能和表达

3.1 协同转运系（B0,+系统） B0,+型转运载体系统首次是在胚泡细胞中被发现，对氨基酸的特异性较低，主要负责转运碱性和中性氨基酸，且转运过程中需要依赖Na+[7]。B0,+型转运载体系统中的转运载体蛋白主要是ATB0,+，1999年克隆鉴定出了人类的ATB0,+基因，它是一种独特的氨基酸转运载体，遵从Na+:Cl-:底物为2:1:1的协同转运规律[8]。尽管ATB0,+具有积累氨基酸的能力，但在肠道吸收氨基酸的过程中并未发挥主要的转运能力，只在肠道远端对D-型氨基酸吸收的表达水平较高[9]，进一步研究表明ATB0,+转运蛋白在肺脏和唾腺内的表达更丰富，然而在子宫、乳房等器官内表达较少[10]。ATB0,+转运蛋白在猪肠道中的研究甚少，在鼠类的胚胎中研究较多。闫磊等[11]通过RTPCR技术，检测验证出反刍动物瘤胃和瓣胃中存在ATB0,+基因。Van等[12]研究表明，鼠囊胚中转运载体B0,+的升高可激活mTOR信号，进而促进蛋白质的合成。研究发现，家兔大量肠道切除手术后，残留的部分肠道中系统B0,+的活性下降，并且结合表皮生长因子和生长激素治疗逆转了这种下调作用[13]。体外培养Caco-2细胞，在缺乏营养的情况下，显著降低了细胞中氨基酸转运载体ATB0,+的mRNA的表达量[14]。孙玉丽等[15]研究指出，随着亮氨酸浓度的不断增加，新生仔猪肠道上皮细胞中的转运载体ATB0,+的蛋白表达量也显著升高，且L-亮氨酸浓度的增加，也提高了哺乳仔猪空肠中的ATB0,+的mRNA的表达量。同时，也有研究表明，日粮蛋白水平直接影响断奶仔猪空肠中ATB0,+转运载体的mRNA表达量，且该转运载体的表达呈现明显的蛋白水平依赖性变化[16]。尽管ATB0,+转运载体在肠道中未发挥主要作用，但对氨基酸的吸收也起到一定的促进作用。

3.2 单向转运系统（y+系统） y+型转运载体系统最早是被Christensen等[6]通过埃尔利希氏细胞和网状红细胞实验分离鉴定出的，随后，它成为碱性氨基酸转运载体的典范，并且在所有的细胞组织中都有被分析。由于其与赖氨酸的吸收转运相关性很大，因此，y+转运系统是在家养动物中研究最多的一类碱性氨基酸转运载体。它是细胞中典型的、极少见的Na+非依赖型单向转运系统[17]，位于肠上皮细胞的基底部位，其转运氨基酸的驱动力是依靠膜两侧的电势梯度。y+转运系统是介导L-赖氨酸进入细胞参与氮代谢的主要氨基酸转运载体，L-赖氨酸的有效摄取，对组织吸收赖氨酸及合成蛋白质起着重要作用。y+转运系统包括4种氨基酸转运蛋白：CAT-1（Cationic Amino Acid Transporter, CAT-1）、CAT-2、CAT-3和CAT-4。其中，CAT-1是y+系统中最主要的转运载体蛋白，几乎分布于所有组织中（肝脏除外）。CAT-3主要在胚胎发育过程中起重要作用[18]。CAT1～3之间的同源性高达60%左右，而CAT-1与CAT-4之间的同源性只有40%左右[19]。相关报道CAT-2不存在于小肠中，冯定远[20]研究与该报道不符，CAT-2在小肠中得到了少量的表达。CAT-1基因敲除的纯合子小鼠，在出生1 d后即死亡[21]。当营养受到限制时，转运载体CAT-1 mRNA水平会升高[19,22]。CAT1 mRNA的表达具有组织特异性，且吸收场所主要是小肠前段和中段，特别是在空肠[23]。关于氨基酸转运载体在肠道中特异性的研究，Gilbert 等[24]在对黑熊肠道中检测CAT-1 mRNA的表达丰度的实验中发现，CAT-1在回肠中的mRNA表达丰度显著高于空肠和十二指肠。周响艳等[25]在研究长白猪和蓝塘猪不同肠段内CAT-1 mRNA表达丰度时表明，回肠中CAT-1 mRNA的表达丰度最高，空肠次之，十二指肠中的表达丰度最低。石常友等[26]在藏猪肠道不同部位CAT-1 mRNA表达规律的研究中也得到了类似的结果。谭会泽等[27]在对黄羽肉鸡不同肠段内CAT-1 mRNA表达差异性的研究中与以上结论颇有不同，结直肠内CAT-1 mRNA的表达量最高，回肠中CAT-1 mRNA的表达丰度极显著高于十二指肠和空肠。这些实验结果表明，动物对氨基酸的吸收情况与肠道长度有关，动物对肠道长度的充分利用，使得动物能更有效合理的吸收各种氨基酸。日粮中添加的赖氨酸，会提高小鼠对碱性氨基酸的吸收[28]。职爱民[29]研究表明，不同浓度的赖氨酸对转运载体CAT-1 mRNA的表达呈现显著依赖性上调作用，而对CAT-2 mRNA的影响不大。进一步说明，y+转运系统中CAT-1是肠道中主要吸收赖氨酸的转运载体。

3.3 反向转运系统 b0,+和y+L系统 b0,+及y+L转运系统的转运蛋白均属于异二聚体结构，由两部分蛋白组合共同发挥其转运功能，即包括：轻链（多跨膜蛋白）和重链（Ⅱ型糖蛋白），二者通过二硫键被连接起来，均为反向转运机制。迄今为止，轻链被发现7个，分别为SLC7A5-SLC7A11，重链有两个蛋白，分别为rBAT和4F2hc。结构上，轻链含有12个跨膜域，NH2非糖基化，疏水性极强，而重链只有一个跨膜区域，NH2位于细胞膜内，庞大的COOH端在细胞膜外[30]。不同的重链与轻链之间可形成相应的转运通道，帮助不同氨基酸跨越细胞膜。b0,+转运系统位于小肠上皮细胞刷状缘膜上，主要功能是吸收碱性氨基酸，并转出中性氨基酸；而y+l转运系统则位于基底膜部位，其主要功能是在从细胞膜外吸收中性氨基酸的同时，转出碱性氨基酸。重链rBAT结合轻链b0,+AT形成氨基酸转运系统b0,+。重链4F2hc结合多种轻链（y+LAT1， y+LAT2）组成转运系统y+L。b0,+转运系统首次被发现于小鼠的胚胎细胞中[31]。y+L转运系统是在人的红细胞中被分离鉴定出的[32]。Na+存在时，可转运中性氨基酸，当Na+不存在时，负责转运碱性氨基酸，且对转运碱性氨基酸具有较高的亲和力。基于b0,+及y+L转运系统对于肠道中吸收碱性氨基酸起主要作用，一直被深入研究。有研究指出，y+LAT1基因的缺陷会造成赖氨酸尿性蛋白不耐症（Lysinuric Protein Intolerance），即上皮细胞基底侧膜转运受到限制，且摄入高蛋白后会出现生长迟缓、骨质疏松及精神衰退等症状[33]。Dave等[34]在对小鼠不同肠段内转运载体的组织特异性的实验中发现，不同肠段内b0,+AT及y+LAT1转运载体在蛋白和mRNA方面的表达水平是一致的。y+LAT1在小肠及肾脏中高表达，并且随着小肠近端向远端呈现逐渐降低的趋势[35]。谭会泽等[27]研究表明，岭南黄肉鸡肠道中y+lAT2 mRNA的表达丰度在回肠中最高，其次是十二指肠、空肠，结直肠最低。日粮中乳酸菌的添加，能显著提高十二指肠内y+LAT1 mRNA的表达丰度。职爱民等[36]在用不同浓度的赖氨酸刺激体外培养的猪肠黏膜上皮细胞实验中得出，不同浓度的赖氨酸对y+LAT1的 mRNA表达差异不显著，同时几乎检测不到b0,+AT和rBAT的表达，且当赖氨酸的浓度达到8 mmol/L时，增强了4F2hc的mRNA表达量，这些结果的产生，可能是由于体外环境的变化所致。关于转运载体b0,+AT在人类的组织分布早已有研究，且肾脏和肠道的mRNA表达量远高于心脏、肝脏、胎盘和肺[37]。Wang等[38]在比较藏猪7～21日龄肠道中转运载体b0,+AT mRNA表达量的研究中发现，7日龄时空肠后段b0,+AT的mRNA表达量最高，21日龄时，小肠从近端到远端的b0,+AT mRNA的表达量逐渐增强，回肠为b0,+AT mRNA的高表达部位。由此可推断，随着日龄的增加，b0,+AT转运载体逐渐从小肠近端向远端发挥作用。

4 结语与展望

肠道中氨基酸的吸收、转运对于组织中氨基酸的供给及血浆中氨基酸水平的内稳态是至关重要的，而氨基酸不能跨越细胞膜，需要借助可以跨越膜的转运载体蛋白将氨基酸穿越膜屏障。在过去的十几年里，肠道中氨基酸转运载体的分子克隆及生理学的鉴定取得较大进步。然而，对于氨基酸转运载体的研究还是有限的，影响氨基酸转运载体在肠道中的表达及功能上的分子机制也有待进一步深入，且对该研究多局限在动物体上，无法描述氨基酸转运载体是通过何种途径调节细胞生长和代谢。因此，应从分子生物学和功能组织学角度切入，从细胞和分子水平研究其内在调控机制，这对生产上研究氨基酸转运载体的转运代谢，促进氨基酸的有效吸收，提高机体氮营养素的利用率具有重要意义。

[1] Poncet N, Taylor P M. The role of amino acid transporters in nutrition[J]. Curr Opin Clin Nutr Metab Care, 2013, 16(1): 57-65.

[2] Morales A, García H, Arce N, et al. Effect of L-lysine on expression of selected genes, serum concentration of amino acids, muscle growth and performance of growing pigs[J]. J Anim Physiol Anim Nutr, 2015, 99(4): 701-709.

[3] Bröer S, Palacín M. The role of amino acid transporters in inherited and acquired diseases[J]. Biochem J, 2011, 436(2): 193-211.

[4] Seow H F, Bröer S, Bröer A, et al. Hartnup disorder is caused by mutations in the gene encoding the neutral amino acid transporter SLC6A19[J]. Nat Genet, 2004, 36(9): 1003-1007.

[5] Kanai Y, Endou H. Functional properties of multispecifc amino acid transporters and their implications to transporter-mediated toxicity[J]. J Toxicol Sci, 2003, 28(1): 1-17.

[6] Christensen H N, Antonioli J A. Cationic amino acid transport in the rabbit reticulocyte. Na+-dependent inhibition of Na+-independent transport[J]. J Biol Chem, 1969, 244(6): 1497-1504.

[7] Jain-Vakkalagadda B, Pal D, Gunda S, et al. Ⅰdentifcation of a Na+-dependent cationic and neutral amino acid transporter, B0,+, in human and rabbit cornea[J]. Mol Pharm, 2004, 1(5): 338-346.

[8] Sloan J L, Mager S. Cloning and functional expression of a human Na(+)- and Cl (-)-dependent neutral and cationic amino acid transporter B(0+)[J]. J Biol Chem, 1999, 274(34): 23740-23745.

[9] Hatanaka T, Huang W, Nakanishi T, et al. Transport of D-serine via the amino acid transporter ATB0,+expressed in the colon[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2002, 291(2): 291-295.

[10] Hatanaka T, Haramura M, Fei Y J, et al. Transport of amino acid-based prodrugs by the Na+- and Cl-coupled amino acid transporter ATB0,+and expression of the transporter in tissues amenable for drug delivery[J]. J Pharmacol Exp Ther, 2004, 308(3): 1138-1147.

[11] 闫磊. 日粮营养水平对前胃上皮几种氨基酸转运载体及Na～+/H～+交换蛋白 mRNA 表达的影响[D]. 南京: 南京农业大学, 2010: 38-55.

[12] Van Winkle L J, Tesch J K, Shah A, et al. System B0,+amino acid transport regulates the penetration stage of blastocyst implantation with possible long-term developmental consequences through adulthood[J]. Hum Reprod Update, 2006, 12(2): 145-157.

[13] Sarac T P, Seydel A S, Ryan C K, et al. Sequential alterations in gut mucosal amino acid and glucose transport after 70% small bowel resection[J]. Surgery, 1996, 120(3): 503-508.

[14] Wasa M, Wang H S, Shimizu Y, et al. Amino acid transport is down-regulated in ischemic human intestinal epithelial cells[J]. Biochim Biophys Acta, 2004, 1670(1): 49-55.

[15] 孙玉丽. L-亮氨酸对新生哺乳仔猪肠道发育及氨基酸转运影响的研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2015: 32-40.

[16] Wu L, He L Q, Cui Z J, et al. Effects of reducing dietary protein on the expression of nutrition sensing genes (amino acid transporters) in weaned piglets[J]. J Zhejiang Univ Sci B, 2015, 16(6): 496-502.

[17] Bröer S. Amino acid transport across mammalian intestinal and renal epithelia[J]. Physiol Rev, 2008, 88(1): 249-286.

[18] Ⅰto K, Groudine M. A new member of the cationic amino acid transporter family is preferentially expressed in adult mouse brain[J]. J Biol Chem,1997, 272(42): 26780-26786.

[19] Verrey F, Closs E Ⅰ, Wagner C A, et al. CATs and HATs: the SLC7 family of amino acid transporters [J]. Pfugers Arch, 2004, 447(5): 532-542.

[20] 冯定远. 猪肌肉碱性氨基酸和葡萄糖转运载体cDNA克隆及mRNA表达调控的研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2009: 79-91.

[21] Perkins C P, Mar V, Shutter J R, et al. Anemia and perinatal death result from loss of the murine ecotropic retrovirus receptor mCAT-1[J]. Genes Dev, 1997, 11(7): 914-925.

[22] Gräf P, Förstermann U, Closs E Ⅰ. The transport activity of the human cationic amino acid transporter hCAT-1 is downregulated by activation of protein kinase C[J]. Br J Pharmacol, 2001, 132(6): 1193-1200.

[23] 石常友, 王文策, 耿梅梅, 等. 不同蛋白质水平日粮对肥育猪肠道氨基酸转运载体CAT1 mRNA表达量的影响[J]. 动物营养学报, 2008, 20(6): 692-698.

[24] Gilbert E R,Wong E A,Vaughan M, et al. Distribution andabundance of nutrient transporter mRNA in the intestinal tract of the black bear, Ursus americanus[J]. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol, 2007, 146(1): 35-41.

[25] 周响艳, 左建军, 职爱民, 等. 猪肠道碱性氨基酸转运载体(CAT1) mRNA表达的组织特异性和发育性变化[J].畜牧兽医学报, 2008, 39(2): 170-175.

[26] 石常友, 宾石玉, 褚武英, 等. 藏猪肠道不同部位CAT1, EAAC1和PepT1 mRNA的特异性分布[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2009, 27(3): 71-75.

[27] 谭会泽, 王修启, 苏海林, 等. 鸡不同肠段碱性氨基酸转运载体mRNA表达的差异性研究[J]. 畜牧兽医学报, 2007, 38(3): 247-252.

[28] Stein E D, Chang S D, Diamond J M. Comparison of different dietary amino acids as inducers of intestinal amino acid transport[J]. Am J Physiol, 1987, 252(5): G626-G635.

[29] 职爱民. 猪碱性氨基酸转运载体cDNA克隆及其mRNA表达与调控[D]. 广州: 华南农业大学, 2008:82-96.

[30] Kanai Y, Segawa H, Miyamoto K, et al. Expression cloning and characterization of a transporter for large neutral amino acids activated by the heavy chain of 4F2 antigen (CD98)[J]. J Biol Chem, 1998, 273(37): 23629-23632.

[31] Van Winkle L J, Campione A L, Gorman J M. Na+-independent transport of basic and zwitterionic amino acids in mouse blastocysts by a shared system and by processes which distinguish between these substrates[J]. J Biol Chem, 1988, 263(7): 3150-3163.

[32] Devés R, Chavez P, Boyd C A. Ⅰdentification of a new transport system (y+L) in human erythrocytes that recognizes lysine and leucine with high affinity[J]. J Physiol, 1992, 454- 491.

[33] Ritchie J W, Peter G J, Shi Y B, et al. Thyroid hormone transport by 4F2hc-ⅠU12 heterodimers expressed in Xenopus oocytes[J]. J Endocrinol, 1999, 163(2): R5-R9.

[34] Dave M H, Schulz N, Zecevic M, et al. Expression of heteromeric amino acid transporters along the murine intestine[J]. J Physiol, 2004, 558(2): 597-610.

[35] Wagner C A,Lang F, Bröer S. Function and structure of heterodimeric amino acid transporters[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2001, 281(4): C1077-C1093.

[36] 职爱民, 左建军, 周响艳, 等. 不同浓度赖氨酸对猪肠黏膜上皮细胞碱性氨基酸转运载体 mRNA 表达的影响[J]. 中国农学通报, 2010, 26(21): 6-11.

[37] Rajan D P, Kekuda R, Huang W, et al. Cloning and Expression of a b0,+-like Amino Acid Transporter Functioning as a Heterodimer with 4F2hc Ⅰnstead of rBAT A new candidate gene for cystinuria[J]. J Biol Chem, 1999, 274(41): 29005-29010.

[38] Wang W, Gu W, Tang X, et al. Molecular cloning, tissue distribution and ontogenetic expression of the amino acid transporter b0,+cDNA in the small intestine of Tibetan suckling piglets[J]. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol, 2009, 154(1): 157-164.

Research Advance in Lysine Transporters in Intestine

JⅠANG Ting-bo, WANG Ying, ZHAO Yan-fei, SUN Ze-wei, ZHONG Qing-zhen*
(College of Animal Science and Technology, Jilin Agricultural University, Jilin Changchun 130118, China)

Lysine as the frst limiting amino acid in corn-soybean meal diet, has signifcant infuence on the growth and development of animal.lysine cannot freely access to intestinal mucosa, resulting its absorption needed lysine transporters on intestinal cell membrane, consequently the activity of lysine transporters has directly efect on the its absorption of animal. Therefore, this article briefy reviewed from the classifcation, function, the expression of lysine transporters and other parts.

Ⅰntestinal; Lysine; Transporters

S814.5

A

10.19556/j.0258-7033.2017-01-007

2016-07-04；

2016-07-26

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB127306）

姜廷波（1991-），女，吉林德惠人，硕士研究生，主要从事细胞分子生物学的研究，E-mail:tingbojiang1991@163.com

*通讯作者：仲庆振，副教授，硕士导师，E-mail:Qingzhenzh ong@163.com