CCKBR调控山羊小肠淀粉消化的胰腺外分泌功能机制研究取得突破进展

　　

2024年我国牛存栏量为10204万头，全国羊存栏量为32074万只。反刍动物消化系统在结构上与单胃动物不同，对营养物质的消化存在差异。营养物质在瘤胃内被微生物降解，产生的挥发性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白与未降解的饲料流入小肠，由肠道内消化酶消化成小分子物质被小肠上皮直接吸收利用。反刍动物小肠过瘤胃营养物质可为机体提供17%-30%能量，这一过程主要依赖于胰腺消化酶的分泌。不同于单胃动物小肠淀粉降解率高达98%以上，反刍动物小肠淀粉消化率相对较低，约有40%~60%的过瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊粪便淀粉残留高。理论上反刍动物小肠内淀粉类营养物质化学性消化利用效率远高于瘤胃，但淀粉小肠内的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反刍动物胰腺外分泌功能分子调控机制，挖掘小肠淀粉降解受限的调控靶点有助于反刍动物日粮精准设计，为提高饲料利用效率、减少饲料资源浪费、降低环境污染提供理论依据。

中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心谭支良研究员团队在反刍动物小肠淀粉消化受限的胰腺外分泌调控机制研究研究领域取得重要进展。相关成果以Low expression of CCKBR in the acinar cells is associated with insufficient starch hydrolysis in ruminants为题发表于Communications Biology（中国科学院1区top）。该研究首先明确反刍动物存在小肠淀粉降解率低的现象；之后以山羊为试验动物，成功构建首个山羊胰腺单细胞图谱；并利用细胞试验证明山羊胆囊收缩素受体（CCKBR）低表达限制胰腺消化酶胞吐过程，为深入理解反刍动物胰腺外分泌功能不足以及提高反刍动物肠道饲料利用提供了新靶点。

主要研究结果包括：1）作者首先通过比较反刍动物全消化道淀粉残留情况，明确十二指肠是过瘤胃淀粉的主要消化部位（图1A-B）；通过比较生长和育肥阶段反刍动物（羊和牛）与单胃动物（猪）的粪便淀粉残留情况，明确反刍动物存在淀粉消化受限的现象（图1C-D）。2）作者以山羊为试验动物，首次绘制生成了新生山羊（非反刍模式）和断奶山羊（反刍模式）胰腺单细胞图谱，共鉴定到了包括胰腺外分泌腺泡细胞、导管细胞和内分泌胰岛细胞β，δ，ELC等在内的11种细胞类型（图2），并鉴定到了两种腺泡细胞亚型，即高胰酶分泌特征的成熟型腺泡细胞亚型AC-s和低胰酶分泌特征的未成熟腺泡细胞亚型AC-i。胰酶（胰淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）、胞吐关键基因（IRF2，RAB27A，VAMP2，VAMP8，COPZ2，STX2，STX3）在成年山羊AC-s亚型表达增强。单细胞转录组和蛋白质组联合分析进一步表明反刍模式下的成年山羊的胰腺外分泌功能增强。值得注意的是，淀粉酶的活性在两种消化模式下并未检测到差异，说明胰腺α-淀粉酶活性较低可能是反刍动物淀粉水解的限制因素之一。3）胰腺单细胞细胞互作的结果显示，与新生山羊相比，成年山羊预测到的腺泡与内分泌细胞之间相互作用的数量减少；在成年山羊AC-ELC互作中发现了特有的配受体对JAG1-NOTCH1，此外，研究人员还发现JAG1和NOTCH1在AC-s中表达增强，与此同时胰岛激素INS、PPY、GCG和SST表达降低，与之一致的是，成年山羊血清INS的含量显著低于新生山羊。这些结果表明成年山羊AC-s中活化的NOTCH通路可能通过阻止腺泡细胞向内分泌细胞β细胞转化来维持“较强的胰腺外分泌功能”（图3）。转录噪声的结果显示成年山羊内分泌细胞转录噪声表达增加伴随着非典型激素表达增强；且成年山羊腺泡细胞转录噪声表达降低伴随着胰酶表达增强。结果暗示反刍动物消化模式转变，可能通过转录噪声调节“典型”酶和“非典型”激素的表达，产生增强外分泌功能、抑制内分泌功能的生理基础。4）单细胞转录组结果显示反刍模式下成年山羊的腺泡细胞膜上关键调控受体CCKBR表达显著降低。推测成年山羊腺泡细胞膜上CCKBR的低表达，加上十二指肠中Ⅰ型细胞的低分布，可能共同导致肠胰反射反应缓慢，并诱导食物进入小肠和消化酶释放的异步过程，最终限制淀粉消化（图4）。5）之后作者开展胰腺细胞实验，通过CCK（10 pmol/L）处理高CCKBR丰度新生山羊和低CCKBR丰度断奶山羊腺泡细胞，测定腺泡细胞转录组特征、钙离子振荡反应和胞吐反应。结果显示钙离子信号通路和胞吐信号通路在低CCKBR丰度成年山羊均要弱于高CCKBR丰度新生山羊（图5），证明了成年山羊腺泡细胞CCKBR低表达抑制淀粉酶分泌。

此研究得到了中国科学院战略先导项目、湖南省自然科学基金和湖南省创新型省份项目等项目的支持，亚热带生态所博士生程艳为本论文第一作者，贺志雄研究员和谭支良研究员及耶路撒冷希伯来大学(The Hebrew University of Jerusalem) 的Oren Parnas教授为论文共同通讯作者。

论文链接

图 1 反刍动物淀粉消化不足

图 2 新生和成年山羊胰腺单细胞图谱

图 3 新生和成年山羊胰腺细胞互作网络

图 4 CCKBR是成年山羊小肠淀粉消化受限的潜在靶点

图 5 成年山羊腺泡细胞CCKBR低表达抑制淀粉酶分泌机制