缺氧对奶牛乳腺上皮细胞乳汁合成的影响：机制解析与研究新发现

为探究缺氧对奶牛乳腺上皮细胞（BMECs）乳汁合成的影响，研究人员开展相关研究，发现缺氧改变乳汁合成，为缓解奶牛乳腺缺氧应激提供靶点。

　　在生命的奇妙进程中，乳汁合成堪称一场能量密集的 “盛宴”，而氧气则是这场 “盛宴” 中至关重要的 “宾客”。氧气作为高级生物体中 ATP 产生（ATP 是能量合成的主要方式）过程中氧化磷酸化的最终电子受体，其在乳汁合成中的作用不容小觑。有研究发现，泌乳持续性与氧气供应高度相关，因为乳汁合成需要消耗大量能量，所以高效的氧气利用和能量产生对于维持正常泌乳至关重要。在大多数组织和器官中，氧气的分压处于一定范围，当组织或器官中的氧气水平不足以支持身体的正常代谢活动时，就会进入缺氧状态。缺氧可引发多种生理变化，对生物体的功能产生深远影响。然而，在以往的研究中，虽然发现缺氧与乳腺的形态发生、分泌分化、泌乳起始和泌乳持续性存在关联，但对于缺氧如何具体影响乳汁合成，仍存在诸多未知。

为了揭开这一神秘面纱，浙江大学生命科学学院的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Journal of Animal Science and Biotechnology》杂志上，为我们深入理解缺氧对乳汁合成的影响提供了重要线索。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，进行细胞培养，从 3 头中泌乳期的荷斯坦奶牛获取乳腺组织，在特定条件下培养奶牛乳腺上皮细胞（BMECs） 。其次，运用 RNA 测序技术，分析不同缺氧时间处理后细胞的转录组变化，以探究基因表达的改变。此外，利用免疫印迹技术检测相关蛋白的表达水平，还有脂质染色、葡萄糖摄取检测、甘油三酯含量测定等方法，从多个角度对细胞的生理变化进行研究。

下面来看具体的研究结果：

1. BMECs 对缺氧应激的时间依赖性反应：研究人员将 BMECs 暴露在缺氧环境（1% O2? 、5% CO2? 和 94% N2? ）中不同时长，发现缺氧会使 HIF-1α 的蛋白质丰度在 2 至 24 小时显著增加，在 6 小时达到峰值。而 HIF-1β 的丰度在三组中保持恒定，PHD2 蛋白质丰度在 6 小时和 24 小时显著下降，FIH 和 VHL 则不受缺氧影响。基于这些变化，研究人员选取 0 小时、6 小时和 24 小时作为后续实验的时间点。
2. 缺氧对 BMECs 乳汁合成和关键泌乳通路蛋白的影响：缺氧会使 BMECs 中 β - 酪蛋白和 κ - 酪蛋白的蛋白质丰度显著降低，同时甘油三酯含量显著增加，且呈时间依赖性。缺氧对葡萄糖摄取的影响则不呈时间依赖性，仅在 24 小时缺氧组中，BMECs 的葡萄糖摄取显著增强。通过脂质染色发现，6 小时和 24 小时缺氧组的脂质滴比正常氧组更多。此外，研究还发现缺氧会显著降低 mTOR/P70S6K/4EBP1 的磷酸化比例，同时 FASN 和 PPAR-γ 蛋白质的丰度显著升高，FABP3 的丰度降低。
3. 缺氧对 BMECs 中 ATP 水平和线粒体功能的影响：由于泌乳对细胞的能量需求很大，研究人员检测了不同缺氧时长下 BMECs 中的 ATP 水平，发现缺氧处理均显著降低了 ATP 水平。线粒体作为细胞的能量生产中心，其结构和功能在缺氧条件下受到了进一步分析。研究发现，缺氧导致 BMECs 中线粒体功能障碍的指标（ROS 水平和线粒体总质量）升高，线粒体形态也发生了变化，如伸长、肿胀和结构清晰度丧失等，这表明缺氧通过损害线粒体结构和功能来破坏能量代谢。
4. 转录组学研究结果与 GO 富集分析：为了解缺氧对泌乳影响的转录组学机制，研究人员对不同缺氧时间处理的 BMECs 进行了转录组测序。结果显示，与正常氧组相比，6 小时和 24 小时缺氧组分别有 371 个和 939 个差异表达基因（DEGs）。GO 功能富集分析表明，两个缺氧组在氧水平响应过程（包括氧载体活性、氧运输、血红素结合、缺氧响应过程和氧化还原过程）以及乳汁合成和代谢（包括葡萄糖代谢和脂质代谢）相关的 GO 术语中均显著富集。此外，24 小时缺氧组还在与蛋白质合成相关的核糖体大亚基生物合成方面富集。
5. 缺氧下 BMECs 中与泌乳相关关键基因的转录组学特征：在与乳脂合成相关的基因中，SLC27A1、PLIN2 等基因在 HP6 vs. HP0 和 HP24 vs. HP0 比较中均上调，而 XDH、ELOVL4 等基因则下调。在乳蛋白合成相关基因中，SLC7A5、SLC3A2 等基因在两个比较中均下调，只有 SLC1A1 上调。在与葡萄糖摄取、乳糖合成酶活性以及乳糖前体的产生和运输相关的基因中，也观察到了不同的变化趋势。在与泌乳信号转导相关的基因中，MAPK14 在两个比较中均下调，AKT3 则上调。
6. 缺氧下 BMECs 中与能量代谢相关关键基因的转录组学特征：在与糖酵解相关的基因中，多数编码糖酵解酶的基因在两个比较中均上调，如 TPI1、PKM 等。而大多数参与三羧酸循环（TCA 循环）酶编码的基因在两个比较中均下调，如 SUCLA2、OGDH 等。与细胞质 - 线粒体运输相关的所有假设基因在两个比较中均下调。在与电子传递链（ETC）相关的核编码基因中，大多数相关基因下调，且 24 小时缺氧导致受影响的基因数量更多。同时，研究还发现与线粒体自噬、自噬和 ROS 产生相关的基因也发生了变化。
7. HIF-1α 在 BMECs 中对 TAG 合成和葡萄糖摄取的作用：研究人员通过转录因子富集分析发现 HIF-1α 与乳汁合成可能相关，于是利用 HIF-1α siRNA 敲低 HIF-1α。结果发现，HIF-1α 敲低对 β - 酪蛋白和 κ - 酪蛋白的蛋白质丰度以及 mTOR/P70S6K/4EBP1 蛋白质的磷酸化比例没有影响，但显著降低了甘油三酯含量和葡萄糖摄取，同时影响了 PPAR-γ、FABP3 和 FASN 的表达。

综合上述研究结果，缺氧对 BMECs 的乳汁合成产生了多方面的影响。在蛋白质合成方面，缺氧通过降低 mTOR/P70S6K/4EBP1 的磷酸化水平，下调与氨基酸摄取、翻译和核糖体功能相关的基因，从而破坏了乳蛋白的合成。在脂质代谢方面，缺氧增强了脂肪酸的摄取，上调了 FASN 和 PPAR-γ 等关键调节蛋白的表达，促进了甘油三酯的合成。在葡萄糖代谢方面，虽然缺氧增加了葡萄糖的摄取，但由于乳糖合成酶的转录组下调，葡萄糖更多地被重定向到糖酵解途径，而非用于乳糖的生产。在能量代谢方面，缺氧降低了参与 TCA 循环、细胞质 - 线粒体运输和 ETC 活性的基因的转录组丰度，损害了能量产生，同时还诱导了 ROS 的升高，导致线粒体结构和功能受损。值得注意的是，葡萄糖摄取和甘油三酯合成依赖于 HIF-1α，而乳蛋白合成的减少则与 HIF-1α 无关。

这项研究为我们揭示了缺氧影响乳汁合成的分子机制，为缓解奶牛乳腺缺氧应激提供了潜在的靶点，对提高奶牛的泌乳效率具有重要的理论和实践意义。同时，研究也指出了未来研究的方向，如进一步探究缺氧诱导的泌乳表型改变与线粒体自噬或自噬的关系，以及利用泌乳细胞或动物模型更全面地研究乳汁成分合成的各个方面。