生物素的生理功能及其分子作用机制

 生物素(biotin)是动物机体内维持正常生理机能所必需的维生素之一。由于生物素在饲料中广泛分布，而且动物肠道能够合成生物素，人们曾认为畜禽可以不添加生物素。但是，在生产实践中，经常出现生物素缺乏症，尤其在集约化生产条件下，更容易出现生物素缺乏症状，畜禽缺乏生物素会导致生长缓慢、摄食减少、母畜繁殖性能降低、肉质及胴体品质下降、皮炎，严重时甚至导致死亡，补充生物素可以使以上症状消失(黄兴国，2003)。于是，人们重新重视和研究生物素的营养作用及其机理。近年来，生物素已成为受广泛关注的水溶性维生素之一。

1  生物素的理化特性

生物素广泛存在于动植物中，天然存在的生物素主要以与其他分子结合的形式存在。其化学结构中包括一个含有5个碳原子的羧基侧链和两个五元杂环(王镜岩，2002)，在体内由侧链的羧基与酶蛋白的ε一赖氨酸残基结合，发挥辅酶作用。生物素可能有8种不同的异构体，其中只有D-生物素具有生物活性。在动物体内细胞中常以游离状态或与蛋白质相结合的状态存在。

2生物素的营养机制

生物素有结合态和游离态两种形式。结合态的生物素不能被动物直接利用，必须经过肠道生物素降解酶分解释放出游离生物素才能被动物利用。生物素在小肠可较好地吸收，在小肠上1／3～1／2段以完整分子形式被吸收。猪胃不能吸收生物素，小肠是吸收的主要部位，结肠也能吸收生物素，而鸡对生物素的吸收部位主要在小肠。肝脏和肾脏中生物素含量较多，几乎所有的细胞均有生物素，其含量与细胞的生化作用有关。同位素标记表明，肾脏的近端上皮细胞、肝细胞、小肠绒毛上皮细胞、脂肪细胞中的生物素含量较高，而一些快速增生细胞，如肾脏皮质细胞、骨髓细胞及淋巴细胞含量低。当给猪喂添加生物素的日粮时，肝脏、肾脏、心脏中生物素浓度提高，当生物素较多时，超出需要的部分从尿中排出。饲料中未被吸收的生物素，由粪中排出。

3生物素的生理功能

生物素是乙酰-CoA羧化酶、丙酮酸羧化酶、丙酰-CoA羧化酶和3一甲基巴豆酰-CoA羧化酶4种羧化酶辅酶成分。在动物体内的葡萄糖、氨基酸和脂肪酸代谢中起着重要作用。

3．1  生物素与碳水化合物的代谢  在糖异生过程中，以生物素为辅酶的丙酮酸羧化酶是丙酮酸生成丁酮二酸反应中的关键酶。因此，当饲料中生物素供应不足，又因各种应激而采食不足时，会导致糖原迅速耗尽或减少，出现低血糖，尤其是仔鸡体内糖原储存较少，常会导致死亡。

3．2生物素与脂肪代谢在脂肪代谢过程中，生物素作为乙酰-CoA羧化酶的辅酶，催化乙酰一 CoA生成丙二酸-CoA。生物素缺乏时，脂类代谢异常，引起机体的脂肪酸组成发生变化，饱和脂肪酸合成减少，三酰甘油合成增多，使肝脏和肾脏中含脂量明显提高。

3．3  生物素与蛋白质、核酸的代谢生物素在蛋白质合成、氨基酸脱羧、嘌呤合成、氨基甲酰转移及亮氨酸和色氨酸分解代谢中起着重要作用，也是多种氨基酸转移脱羧所必需。

生物素不仅参与羧化酶代谢途径，而且影响基因表达，动物缺乏生物素将导致细胞增殖减缓、免疫功能受损和胚胎发育畸形(Manthey等，2002)。

4生物素对基因表达的影响

4．1  生物素对基因转录的影响

4．1．1葡萄糖代谢。Dakshinamuri和Cheah—Tan(1968)发现生物素对葡萄糖激酶基因表达可能有影响，大鼠缺乏生物素致使肝脏内葡萄糖激酶活性降低40％～50％，而通过日粮中添加正常量的生物素又可使该酶活性恢复，而且可以提高大鼠体内蛋白质、rRNA和mRNA 的合成率(Dakshi． namurti和Litvak，1 970)。Chauhan和Dakshina． murfi(1991)也证实生物素可以提高大鼠肝脏中葡萄糖激酶mRNA丰度。生物素缺乏使患有糖尿病的大鼠肝脏内磷酸烯醇丙酮酸羧化酶mRNA水平比对照组减少15％(王镜岩，2002)。

4．1．2生物素依赖性羧化酶和羧化全酶合成酶。很多研究表明，编码羧化酶和羧化全酶合成酶的基因表达依赖生物素，生物素缺乏导致大鼠肝脏、肾脏、肌肉和大脑中羧化全酶合成酶mRNA合成量大大减少，而当添加正常量的生物素可使该酶 mRNA在24 h内恢复正常水平，羧化酶合成酶基因的表达量减少和生物素、丙酮酸羧化酶、丙酰羧化酶酰化减少有关(Rodriguez等，2001)。在人体肝细胞也有相同的发现。基于以上发现，并提出了一条羧化全酶合成酶生物素依赖性信号途径。

4．1．3  生物素转运蛋白。生物素吸收进入哺乳动物细胞靠钠依赖性多维生素转运蛋白和其他一些尚未鉴定的转运蛋白。生物素在缺乏时，其转运率提高，生物素转运蛋白基因表达水平也相应提高。人绒膜癌细胞生物素浓度与钠依赖性多维生素转运蛋白表达量呈负相关；相反，缺乏生物素T细胞生物素转运率提高，而钠依赖性多维生素转运蛋白的表达量没有提高，这表明免疫细胞可能不是依赖钠依赖性多维生素转运蛋白来调节生物素的转运。

4．1．4细胞因子。很多研究表明，生物素对免疫功能有很重要的作用。在外周血液单核细胞(PBMC)中添加生物素，发现该细胞白介素一2 (IL一2)和白介素一1p(IL-1p)分泌量减少(Zempleni，2001)；同样，人体T细胞白血病细胞系IL-2的分泌量与培养基中生物素含量呈负相关(Manthey等，2002)，而在生物素缺乏的细胞中IL-2基因表达量增多(Rodriguez等，2003)

在人体外周血液单核细胞中，除了IL-2外，其他细胞因子的表达也依赖于生物素(Wiedmann等，2003)。健康的体细胞每天添加 8．8μm01生物素培养21 d后，IL-4基因表达量减少而IL-18和干扰素γ基因表达量增加。这些细胞因子发挥以下免疫作用：IL-4调节B细胞的活化与B淋巴细胞的转换；IL -1p参与T淋巴细胞和自然杀伤细胞的激活。

4．1．5其他基因。生物素缺乏导致大鼠肝脏鸟氨酸转甲氨酰酶活性及其mRNA丰度降低(Maeda等，1996)。鸟氨酸转甲氨酰酶在精氨酸代谢和尿素循环中起着很重要的作用。DNA芯片研究表明，生物素对外周血液单核细胞的200多个基因表达有影响。

4．2  在翻译后修饰加工水平影响基因表达  生物素可能在翻译后修饰加工水平影响基因表达。如果肝脏HepG2细胞在生物素缺乏的介质中培养，唾液酸糖蛋白受体的表达量就减少，而添加生物素则可以恢复其表达量(Collins等，1988)。Ro． driguez等(1999)发现生物素影响大鼠肝脏丙酰一 CoA羧化酶的表达。

4．3  生物素影响基因表达的作用机理  目前，已经发现生物素影响基因表达的机理主要有3条途径：1)生物素酰腺苷酸(biotinyl-AMP)对可溶性鸟苷酸环化酶的活化；2)细胞核因子 (NF-kB)移位(在生物素缺乏情况下)；3)生物素与组蛋白结合对染色体的重组。据推测它们并不是单独起作用，而可能是在动物细胞中共同存在。

4．3．1  生物素酰腺苷酸。Solorzano-Vargas等(2002)提出生物素酰腺苷酸在基因表达调节方面起着重要作用。生物素酰腺苷酸是羧化全酶合成过程中的中间产物；生物素酰腺苷酸的合成是由羧化全酶合成酶催化的。他们认为生物素酰腺苷酸是通过一种尚不清楚的机理对可溶性鸟苷酸环化酶进行活化。鸟苷酸环化酶的活化使环鸟苷酸量增加，从而刺激蛋白激酶G，产生信号传导，蛋白磷酸化得到活化，使编码羧化全酶合成酶、乙酰一CoA羧化酶1、丙酰-CoA羧化酶基因转录活性增强。如果生物素缺乏或羧化全酶合成酶的活性降低(一种天生的多羧化酶缺乏症)，这些基因的转录活性将受损(Sweetman等， 1981)。生物素酰腺苷酸在其他羧化全酶合成酶的基因表达中是否起作用尚有待进一步研究。

在大肠杆菌和其他肠道细菌中，有一族基因参与生物素的合成，生物素酰腺苷酸与生物素蛋白连接酶(BirA)形成复合物，复合物结合在生物素操纵子的启动子区域，通过反馈调节抑制这些基因表达(Cronan，1989)。

4．3．2细胞核因子与其他转录因子。细胞核因子在参与调节、防止细胞死亡和胚胎发育等过程起着重要的作用(Li和Stark， 2002)。哺乳动物NF—kB／Rel家族已经有五个转录因子被克隆和测序：c-Rel、NF-kBl(p 50／p 105)、NF-kB2(p 52／p100)、RelA(p 65)和RelB(Baldwin等，1996)。其作用机理：细胞未受刺激时，NF-kB家族蛋白以二聚体的形式存在，单体IkBoL或IkBβ使该二聚体活性受到抑制，NF-kB与IkB结合后滞留在细胞质中，IkB激酶受到细菌、细胞因子、有丝分裂原、生长因子和激素等刺激后引发IkBs磷酸化，之后在蛋白酶体依赖性途径中降解；被释放的NF—kB二聚体移位到细胞核中，结合在基因调控区域的反应元件从而引发基因表达。

    Rodriguez等(2003)研究发现生物素影响NF—kB依赖性信号传导，他们把Jurkat细胞分别在25 pM和10000 pM生物素浓度的培养液中培养5周，细胞受到植物血球凝集素、佛波醇、12-~_蔻酸一13醋酸盐的诱导，并观察测定了NF-kB依赖性信号传导的差异，发现生物素影响信号传导：通过核移位的NF-kB结合在特定的基因序列上(AGTTGAGGGGACTITCCCAGGC)，生物素添加

量较多的试验组更易发生移位；通过Western杂交和酶联免疫法发现p 50和p 65在生物素缺乏的细胞中量较高。

4．3．3组蛋白的生物素酰化(biotinylation)。染色质包括DNA、组蛋白和非组蛋白。DNA的折叠进入染色质主要由组蛋白起作用。

    组蛋白尾巴可以通过乙酰化、甲基化、磷酸化、泛蛋白化等共价修饰，最近研究发现组蛋白的又一种翻译后修饰加工：即通过赖氨酸残基的生物素酰化。Hymes 等(1995)认为生物素是通过酶 biotinidase共价结合到组蛋白上：biotinidase把生物素￡一赖氨酸残基分解形成一个硫酯中间产物(半胱氨酸生物素复合物)，随后生物素残基被转移到组蛋白上的ε-氨基上。biotinidase在哺乳动物细胞中是普遍存在的(Pispa，1965)。

    研究发现人体细胞含有生物素酰化的组蛋白。Stanley等(2001)通过酸提取的方法在人体外周血液单核细胞细胞核中分离出了组蛋白。以链霉抗生物素一过氧化物酶为探针，通过Western杂交分析发现组蛋白H1、H3、H4含有链霉素抗生物素结合物质，进一步研究发现链霉素抗生物素是特异性地与生物素结合在一起的。在人体T细胞白血病细胞系、细小细胞肺癌细胞、人绒膜癌细胞和鸡红血球细胞等也发现有生物素酰化组蛋白。

组蛋白的生物素酰化对细胞增殖起着很重要的作用，组蛋白的生物素酰化可以促进人体外周血液单核细胞的增殖(Stanley等， 2001)。但与生物素酰化组蛋白相关的基因是否被激活或沉默以及生物素酰化组蛋白是否参与DNA修复尚不清楚。最近研究发现，在紫外诱导的DNA损伤的细胞中生物素酰化蛋白量较高，鸡红血球(erythro— cytes)细胞无转录活性的染色质中也有同样的发现(Peters等，2002)。

4．4  生物素代谢物对基因表达的影响  Mc- Cormick等通过对哺乳动物和微生物的一系列研究发现生物素有两条代谢途径。生物素颉草酸(valeric acid)侧链通过β-氧化形成bisnorbiotin和tetranorbiotin；生物素杂环硫元素氧化得到生物素一l一亚砜(biotin-1 -sulfoxide)和生物素-d-亚砜(biotin-d-sulfoxide)(Kazarinoff等，1972)。传统的营养学研究认为，大多数生物素代谢物只是没有生理作用的代谢废物，最近研究发现生物素代谢物可能与生物素有类似功能。研究发现，Jurkat细胞在没有生物素的介质中培养，编码IL-2和 IL-2受体γ基因转录活性降低，而添加生物素类似物(diaminobiotin，desthiobiotin)则可使它们的转录活性明显增加。