GPR109A调控奶牛乳腺乳蛋白合成的机理研究

Milk protein is the main substance determining the nutritional quality of cow's milk. Low nutritional quality of cow's milk has increasingly become a several challenge faced by the healthy development of dairy industry in china. Recent evidences have demonstrated that G protein-coupled receptors play an important role in the synthesis of milk protein. In previous study, we found that GPR109A is expressed in mammary epithelial cells from cow, and may regulate the synthesis of milk protein. To identify the role of GPR109A in the regulation of milk protein synthesis, we will firstly explore the relationship between the expression level of GPR109A and the contents of protein in cow. Then, the effect of GPR109A on the synthesis of milk protein, the relative signaling pathway and integrity of tight junctions will be investigated on mammary epithelial cells and cultured mammary tissues of cow. Moreover, the GPR109A knockout mice and GPR109A conditional knockout mice (selective deletion of GPR109A in mammary epithelial cells) will also be applied to study the effect and mechanism of GPR109A on milk protein synthesis. Finally, the effect of GPR109A on the synthesis of milk protein will be also investigated by the in vivo experiments in cow. The main purpose of this project is to reveal the potential mechanisms involved in the synthesis of milk protein. These results will also provide the fundamental data for the development new strategies to improve the nutritional quality of cow's milk.

乳蛋白是构成牛奶营养品质的主要物质基础，乳蛋白含量是奶业核心竞争力的重要标志。乳蛋白含量偏低已成为我国奶业发展路上不可忽视的重大问题。近年来，研究表明G蛋白偶联受体对乳蛋白合成具有重要的调控作用。本课题组前期研究发现GPR109A在奶牛乳腺上皮细胞中有表达，并可能具有调控乳蛋白合成的作用。本项目拟通过分析乳腺组织GPR109A水平与奶牛乳蛋白含量的关系，首先明确两者的相关性，进而分别以奶牛乳腺上皮细胞、乳腺组织块泌乳模型、GPR109A敲除鼠以及乳腺上皮细胞GPR109A条件性敲除鼠为对象，研究GPR109A对乳蛋白合成的调控作用及机制；最后在奶牛体内进行验证。预期研究结果不仅能够阐明GPR109A参与乳蛋白合成调控的机制，而且将为通过人工干预手段提高乳蛋白含量提供实验依据，因而具有重要的学术价值和实践意义。

GPR109A是Gi蛋白偶联的G蛋白偶联受体，具有多种重要的生理功能。近年来本课题组研究发现其在乳腺中具有抗乳腺炎症反应和氧化应激的作用，但是其对乳脂乳蛋白合成的影响及机制目前还没有定论，因此为了推进GPR109A作为靶点治疗乳腺炎和抗乳腺氧化应激的临床应用，阐明GPR109A对乳脂乳蛋白合成的影响及机制具有重要意义。本课题以奶牛乳腺上皮细胞（BMECs）和GPR109A-/-小鼠为研究对象，采用转录组、活体成像和分子生物学技术，研究了GPR109A对乳腺发育、乳脂乳蛋白合成的影响，并深入解析了影响的机制。研究发现GPR109A可通过激活AMPK/ACC信号通路并抑制mTOR/S6K信号通路，从而减少BMECs中乳脂的合成；发现GPR109A可通过抑制STAT5a信号通路的激活抑制乳腺发育和乳蛋白的合成。此外，乳腺纤维化是乳腺炎奶牛泌乳量难以恢复的重要原因，我们首先以乳腺炎和健康奶牛的乳腺组织为研究对象，研究了GPR109A、EMT、线粒体损伤和乳腺纤维化之间的关系；然后以TGF-β1诱导的小鼠乳腺纤维化模型和TGF-β1诱导的小鼠乳腺上皮细胞EMT模型为研究对象，系统研究了GPR109A对乳腺纤维化的影响及其机制。研究发现乳腺炎奶牛乳腺中发生了明显的纤维化且伴随GPR109A的表达量显著增加。进一步，研究发现GPR109A缺失可加剧TGF-β1诱导的乳腺纤维化，回补GPR109A后能抑制TGF-β1诱导的乳腺纤维化。转录组研究发现PPARγ是GPR109A起作用的关键下游信号，通过对其抑制和过表达，验证了PPARγ的功能。进一步的机制研究发现GPR109A通过PPARγ信号清除细胞中的ROS以减轻线粒体损伤，进而缓解乳腺纤维化。综上，GPR109A对乳脂乳蛋白合成和乳腺发育起到抑制作用，对乳腺纤维化起到改善作用，为人工通过干预手段调控牛奶营养品质奠定了理论基础，也为GPR109A作为靶点治疗乳腺炎、抗乳腺氧化应激和阻止乳腺纤维化提供了数据参考。