1、哺乳动物的精氨酸营养与繁殖性能 合作研究与创新思维,Guoyao Wu, Ph.D.Texas A&M University, College Station, TX, USA 中国农业大学, 北京, 中国,0,40,80,120,160,谷氨酰胺+谷氨酸,亮氨酸,精氨酸,脯氨酸,赖氨酸,泌乳天数,氨基酸浓度 (mmol/L),1,3,8,15,22,a-c: P 0.01,猪乳中氨基酸浓度,Wu G and Knabe DA (1994) J Nutr 124:415-424,a,b,c,c,c,本课题源于1991年的一项非相关研究,0,100,200,300,400,500,600,0.5
2、,1,2,5,鸟氨酸,瓜氨酸,精氨酸,培养基中谷氨酰胺浓度 (mM),nmol/mg DNA/30 min,两日龄母乳喂养仔猪小肠细胞中以谷氨酰胺为底物的精氨酸合成,Wu G and Knabe DA (1995) Am J Physiol 269:R621-629,c,c,c,d,d,d,b,b,b,a,a,a,a-d: P 0.01,谷氨酰胺鸟氨酸瓜氨酸精氨酸,新生仔猪小肠,1993年的一个周六上午, Tuo博士问我一个重要问题： “胎儿究竟能否合成精氨酸？”,Wenbin Tuo博士(Dr. Fuller Bazer的博士后),Dr. Fuller Bazer (繁殖生物学杰出教授),我
3、的中国农业大学同学,精氨酸和鸟氨酸源氮丰度 (40 50%),40天孕龄母猪精氨酸和鸟氨酸浓度 (4 - 6 mM),Wu, Bazer, Tuo, and Flynn (1996) Bio Reprod 54:1261-1265,妊娠天数,% Total a-amino acid N,mM,0,1,2,3,4,5,30,35,40,45,60,0,10,20,30,40,50,30,35,40,45,60,精氨酸,鸟氨酸,a,b,c,a-d: P 0.01,a-d: P 0.01,a,b,b,b,a,c,d,d,c,ab,妊娠天数,母猪尿囊液中高丰度精氨酸的发现,母体血浆中精氨酸浓度 = 0
4、.1 mM,精氨酸,鸟氨酸,尿囊液中所含高浓度精氨酸是否仅特异性存在于猪中，抑或具有普适性从而反应哺乳动物的重要生理学意义？,Dr. Thomas Spencer (繁殖生物学青年卓越之星),Dr. Fuller Bazer (繁殖生物学杰出教授),瓜氨酸,谷氨酰胺,氨基酸浓度 (mM),d,d,e,b,a,c,d,e,b,a,c,c,e,e,0,0.5,1.5,2.5,氨基酸浓度 (mM),妊娠天数,30,40,60,80,100,120,140,羊尿囊液中氨基酸浓度,a-e: P 0.01,a-e: P 0.01,Kwon, Spencer, Bazer and Wu (2004) Bio
5、l. Reprod. 68: 1813-1820,在妊娠早期，为何母羊 尿囊液中富含瓜氨酸？,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,尿囊液中氨基酸浓度 (mM),瓜氨酸,瓜氨酸,精氨酸,精氨酸,猪 (40天孕龄),羊 （60天孕龄）,鸟氨酸,精氨酸酶,水,尿素,多胺,孕体发育,瓜氨酸,精氨酸,一氧化氮,肌酸,蛋白质,哺乳动物孕体中精氨酸家族异常高丰度富集的生理学意义是什么？,BH4, 四氢生物蝶呤 NO, 一氧化氮 NOS, 一氧化氮合成酶 (Ca2+, Calmodulin, FAD, FMN),Palmer et al. (1988) Nature 333: 664-666,一氧化
6、氮的作用血管生成 胚胎发育 血管扩张剂 免疫应答媒介 神经递质 信号分子 激素分泌调节子 （例如：胰岛素，生长激素，催乳素，胎盘泌乳素）,Flynn, Meininger, Haynes, Shi and Wu (2005) Diet and Cell Signaling,猪胎盘中一氧化氮的合成,妊娠天数,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,一氧化氮合成 (nmol/g tissue/h),Wu et al. (2005) Biol. Reprod. 72: 842-850.,a,b,c,c,c,d,e,e,
7、f,a-f: P 0.05,0,1,2,3,4,5,妊娠天数,30,40,60,80,100,120,140,nmol/g tissue/h,妊娠天数,0,20,40,60,80,pmol/g tissue/24 h,一氧化氮合成,30,40,60,80,100,120,140,羊胎盘子叶中一氧化氮合成酶的活性及一氧化氮的合成,a-d: P 0.05,Kwon et al. (2004) Biol Reprod 70:679-686,精氨酸,GTP-环化水解酶 I,GTP,三磷酸二氢新蝶呤,6-丙酮酰四氢蝶呤,6-丙酮酰四氢蝶呤合成酶,墨蝶呤还原酶,四氢生物蝶呤(BH4),L-精氨酸,瓜氨酸,
8、NO,(+),胎盘中精氨酸通过增加可利用四氢生物蝶呤（BH4）含量从而促进一氧化氮合成,NOS,(精氨酸的 Km = 3 to 10 M),(0.5 to 2 mM),Wu et al. J Anim Sci 2010,a-d: P 0.01,羊组织中GTP环化水解酶 I 的活性,nmol/g tissue/h,0,3,6,9,12,15,18,30,40,60,80,100,120,140,d,c,a,c,b,b,b,子叶间区胎盘,胎盘子叶,母体子宫阜内膜,羊组织中含四氢生物蝶呤的水平,nmol/g tissue,30,40,60,80,100,120,140,0,1.5,3,4.5,Kwo
9、n et al. (2004) Biol Reprod 70:679-686,妊娠天数,妊娠天数,子叶间区胎盘,胎盘子叶,母体子宫阜内膜,精氨酸 鸟氨酸 多胺,在营养学和生理学中，精氨酸还发挥着其他哪些作用？精氨酸是合成多胺的前体 生物化学课本,I,2,1 = 精氨酸酶 2 = 鸟氨酸脱羧酶, 亚精胺合成酶 , 精胺合成酶,L- 鸟氨酸,CO2,腐胺,脱羧化 S-腺苷基蛋氨酸,甲基硫代腺苷,亚精胺,甲基硫代腺苷,精胺,L-蛋氨酸,S-腺苷基蛋氨酸,CO2,CO2,S-腺苷基蛋氨酸脱羧酶,Mg-ATP,Mg-PPi+Pi,精胺合成酶,亚精胺合成酶,鸟氨酸脱羧酶,L- 精氨酸,水,尿素,S-腺苷基
10、 蛋氨酸合成酶,精氨酸酶,Wu et al. (2005) Biol Reprod. 72: 842-850,猪胎盘中无精氨酸酶,猪,脱羧化 S-腺苷基蛋氨酸,吡咯啉-5-羧酸,脯氨酸氧化酶,脯氨酸,鸟氨酸,腐胺,亚精胺,精胺, O2,水,猪胎盘中脯氨酸作为多胺合成底物,谷氨酸,a-酮戊二酸,OAT,ODC,OAT = 鸟氨酸氨基转移酶; ODC = 鸟氨酸脱羧酶,胎盘,精氨酸,母体组织,Wu et al. (2005) Biol Reprod 72:842-850,PO,OAT,ODC,ODC活性 (nmol/g tissue/min),妊娠天数,猪胎盘中脯氨酸氧化酶 (PO)、 鸟氨酸氨基
11、转移酶(OAT)及鸟氨酸脱羧酶(ODC)的活性,PO 和 OAT 活性 (mmol/g tissue/min),0,1,2,20,30,35,40,45,50,60,90,110,0,0.1,0.2,0.3,20,30,35,40,45,50,60,90,110,e,d,b,a,b,c,d,e,e,a-e: P 0.01,a-e: P 0.01,妊娠天数,Wu et al. (2005) Biol Reprod 72: 842-850.,0,300,600,900,1200,1500,1800,20,30,35,40,45,50,60,90,110,腐胺,亚精胺,精胺,妊娠期 (天),pmol
12、/g tissue/3 h,猪胎盘中以脯氨酸(2 mM)为底物的多胺合成,a-e: P 0.05,Wu et al. (2005) Biol Reprod 72: 842-850.,e,d,c,b,c,d,d,e,e,f,e,c,b,c,d,e,f,f,a-f: P 0.05,a,猪孕体（胎儿+胎盘）中多胺浓度,Wu et al. (2005) Biol Reprod 72: 842-850.,L- 鸟氨酸,CO2,腐胺,DCAM,MTA,亚精胺,DCAM,MTA,精胺,L-蛋氨酸,S-腺苷基蛋氨酸,CO2,CO2,SAMD,Mg-ATP,Mg-PPi+Pi,精胺合成酶,亚精胺合成酶,鸟氨酸脱
13、羧酶,SAMS,SAMS, S-腺苷基蛋氨酸合成酶 SAMD, S-腺苷基蛋氨酸脱羧酶 DCAM, 脱羧化S-腺苷基蛋氨酸 MTA,甲基硫代腺苷,Wu et al. (2000) Am. J. Physiol. 279: E395-402,脯氨酸,L-精氨酸,猪胎盘,母体组织,精氨酸对猪体内多胺合成具有重要作用,L- 鸟氨酸,CO2,腐胺,DCAM,MTA,亚精胺,DCAM,MTA,精胺,S-腺苷基蛋氨酸,CO2,CO2,SAMD,Mg-ATP,Mg-PPi+Pi,精胺合成酶,亚精胺合成酶,鸟氨酸脱羧酶,SAMS,Kwon et al. (2003) Biol Reprod 69: 1626-
14、1634,脯氨酸,L-精氨酸,精氨酸酶,母体组织,精氨酸对怀孕母羊的多胺合成具有重要作用,羊 胎盘子叶,L-蛋氨酸,SAMS, S-腺苷基蛋氨酸合成酶 SAMD, S-腺苷基蛋氨酸脱羧酶 DCAM, 脱羧化S-腺苷基蛋氨酸 MTA,甲基硫代腺苷,羊组织中以鸟氨酸为底物的 多胺合成总量,nmol/g tissue/3 h,0,1,2,3,30,40,60,80,100,120,140,b,a,c,bc,d,d,d,a-d: P 0.05,妊娠天数,母体子宫阜内膜,羊组织中鸟氨酸脱羧酶活性,nmol/g tissue/h,0,1,2,3,4,30,40,60,80,100,120,140,妊娠天数
15、,b,a,bc,bc,d,d,d,母体子宫阜内膜,Kwon et al. (2003) Biol Reprod 69: 1626-1634,nmol/g tissue,羊组织多胺总浓度,妊娠天数,子叶间区胎盘,胎盘子叶,母体子宫阜内膜,0,1000,2000,3000,30,40,60,80,100,120,140,b,a,d,c,d,d,e,a-e: P 0.01,0,4000,8000,12000,30,40,60,80,100,120,140,nmol/L,羊子宫内液体多胺总浓度,妊娠天数,b,a,c,c,c,d,d,Kwon et al. (2003) Biol Reprod 69:
16、1626-1634,多胺的作用基因表达 DNA和蛋白质合成 离子通道作用 细胞凋亡 信号传导 细胞增殖与分化 血管生成 胚胎发育,Wu et al. (2009) Amino Acids 37: 1-17,精氨酸,NO PA,胎盘血管发育,胎盘血流量,营养物质母体至胎儿的转运,Wu et al. J Nutr 134: 2169-2172, 2004.,NO = 一氧化氮 PA = 多胺,胎盘血管生成,Dr. Fuller Bazer,Dr. Robert Burghardt,Dr. Greg Johnson,精氨酸添加促进猪胎盘血管生成,Li XL, Bazer FW, Johnson GE
17、 et al (2010) J Nutr,是否可通过研究精氨酸代谢途径从而提高哺乳动物的繁殖性能？以猪和羊的宫内发育迟缓 (IUGR)为研究模型探讨上述问题。,在哺乳动物中，猪的宫内发育迟缓症最为常见。此外，母猪怀孕期间胎儿死亡率高达50%。,宫内发育迟缓与胎儿的存活率,Wu et al. J Anim Sci 84: 2316-2337, 2006.,仔猪出生体重分布窝数 (n) 116 仔猪总数(n) 1,302出生体重, kg0.50 0.69 3.4%0.70 0.89 8.0%0.90 1.09 13.5%1.10 1.29 30.9%1.30 1.49 27.3%1.50 1.69
18、 14.1%1.70 1.80 2.8%,Wu et al. (2010) J Anim Sci,超过75%的仔猪死亡率归咎于IUGR。,精氨酸,丙氨酸,日粮中添加L-精氨酸促进猪胎儿发育,Mateo R, Wu G, Bazer FW et al. (2007) J. Nutr. 137: 652-656.,*,*,*,* P=0.10 * P0.03,妊娠期30至114天，初产母猪饲喂添加1%L-精氨酸或等氮含量的玉米-大豆型日粮。,Dr. S.W. Kim Texas Tech,添加精氨酸可提高产子数 （2头活仔猪/母猪）,生物学和经济学意义:活仔猪数的遗传力非常低（0.06-0.09）
19、。1980至2000年间，美国母猪的产子数每年仅提高0.052头，即：1头仔猪/20年。我们的研究表明通过营养调控可以明显提高母猪产子数。经济收益：每头仔猪的净收益为$ 45（NPPC 2005）。这些研究结果已用于指导其它哺乳动物（包括鼠，牛，羊和人类）的研究。,USDA/NRI January 15, 2008,Viagra提高自由采食或限饲母羊的胎儿生长,在妊娠期28至112天，每日对母羊进行3次Viagra肌肉注射（0，25或50 mg）。 在妊娠第112天，称量胎儿体重。 Satterfield C, FW Bazer, TE Spencer & G Wu (2010) J Nutr
20、 140:251-258,a,ab,b,a,ab,b,a-b: P 0.05,Viagra 一氧化氮cGMP子宫-胎盘血流量,精氨酸,a,a,b,a,a,b,静脉注射精氨酸可提高限饲母羊的胎儿生长,妊娠期60至147天，每日对限饲母羊进行3次颈静脉注射0或L-精氨酸（27 mg/kg 体重)。在妊娠第147天，称量胎儿出生体重。,Lassala A, FW Bazer & TE Spencer, MC Satterfield & G Wu (2010),a-b: P 0.05,a-b: P 0.05,Booroola Rambouillet（多胎性母羊）,宫内发育迟缓模型：产子多胎性,对照组和
21、精氨酸处理组中双胞胎、三胞胎和四胞胎 羔羊的出生体重,Lassala A, FW Bazer & TE Spencer & G Wu (2011),a-c: P 0.05.,多胺,一氧化氮,四氢生物蝶呤,胎盘中精氨酸与鸟氨酸传输,胚胎发育,母源性营养,鸟氨酸脱羧酶,一氧化氮合成酶,S-腺苷基蛋氨酸,mTOR 信号通路,胎盘与胎儿中的精氨酸,胎盘与胎儿中的鸟氨酸,胎盘血管生成和发育,胎盘-胎儿间血流量,营养物质母体至胎儿的转运,胎儿生长发育,Wu et al. (2010) J Anim Sci,母源性营养对胎儿程序化的影响,胎儿程序化: 在胎儿出生前发育关键时期，营养和其他环境因素能够影响其生
22、长发育途径，从而改变其出生后个体生长代谢以及更为深远地影响其成年后对慢性疾病的易感性。,影响: 出生后生长发育、营养转换效率、肉品质、繁殖性能，免疫功能和对传染性疾病的易感性,母源性营养不良,表观遗传学 (DNA 甲基化 组胺修饰,和 microRNAs),母源性营养过剩,有损于胎儿的生长发育、免疫功能和健康（有些影响决定于性别，例如胰腺细胞功能）,胎儿程序化,荷尔蒙失调,代谢紊乱,器官功能失调,细胞信号缺失,父源性营养不良,父源性营养过剩,基因组构建和基因表达,蛋白合成与其生理功能,Wang et al. (2011) Antioxid Redox Signal,一个看似漠不相关的研究，揭示
23、出一个重要的发现，即：精氨酸-一氧化氮以及精氨酸-多胺代谢通路在增加哺乳动物产仔数和促进胎儿生长方面发挥着关键作用2) 术业专攻的团队协作在探索性研究和研究生教育中发挥至关重要的作用3) 动物营养学家应运用创造性思维为孕期动物研发新型日粮,上述研究引发的启示,AcknowledgmentsTexas A&M University China Dr. Fuller Bazer Prof. Chen Lixiang, Dr. Hou Yongqing Dr. Robert Burghardt Dr. Jiang Zongyong, Dr. Kong Xiangfeng Dr. Katie Dunl
24、ap Dr. Li Defa, Dr. Ma Xi, Dr. Qiao Shiyan Dr. Gregory Johnson Dr. Tan Bie, Dr. Wang Fenglai, Dr. Darrell Knabe Dr. Wang Junjun, Dr. Wu Zhenlong Dr. Cindy Meininger Dr. Yin Yulong, Dr. Zhu Weiyun Dr. Carey Satterfield Graduate Students Graduate Students Postdoctoral Fellows Postdoctoral Fellows Research Assistants Grant support: USDA/NRI, NIH, Texas A&M University, Pfizer, and AHA.,NSFC,
