氨酰-tRNA合成酶介导蛋氨酸调控奶牛乳腺乳蛋白合成的机制研究

Dairy milk protein is a main source of protein for human beings, and its content is also an important index of milk quality. Thus, it is very important for dairy researchers and farmers to improve the milk protein content and yield. As a major limiting amino acid in dairy cows, methionine (Met) plays a vital role in milk protein synthesis. There have been many studies focusing mainly on the effects of supplementing different types and amounts of Met on milk production performances in dairy cows, but the underlying mechanism and key regulatory factors are not known. The previous research of our group and others has indicated that amino acids can regulate milk protein synthesis by the mechanisms other than their nutritional roles, and some aminoacyl-tRNA synthetases (aaRS) may play a crucial role in the regulation of milk protein synthesis by amino acids. Therefore, the objective of this project is to investigate the role and molecular and cellular mechanisms that aaRS play in enhancing milk protein synthesis by Met. The knowledge generated from this novel study will provide new insights into milk protein synthesis in the mammary gland and potentially identify aaRS a molecular target to enhance milk protein synthesis. Ultimately tour study will contribute to increase milk protein production in dairy cows.

乳蛋白作为人类食品蛋白的重要来源及生鲜乳品质评定的关键指标，一直备受关注。通过营养调控特别是氨基酸供应提高奶牛乳蛋白产量和含量意义重大。作为奶牛最重要的限制性氨基酸之一，蛋氨酸（Met）在乳蛋白合成中发挥重要作用。但以往研究多聚焦于Met添加剂量或形式对奶牛生产性能的影响。是否存在某些关键调控因子参与Met对乳蛋白合成的调控，它们又如何发挥作用，这些问题亟待解明。我们前期研究提示，氨酰-tRNA合成酶（aaRS）可能在氨基酸调控乳蛋白合成过程中扮演重要角色。所以，本项目以此为切入点，利用奶牛乳腺上皮细胞体外培养模型，结合体内试验，在细胞、组织和个体多水平研究aaRS介导Met调控奶牛乳腺乳蛋白合成的详细机制，揭示其在乳蛋白合成中的作用规律。研究结果有利于创新奶牛乳腺氨基酸营养理论，为定向调控乳成分提供理论依据，最终实现提高乳蛋白含量和产量、改善乳品质的目标。

乳蛋白作为人类食品蛋白的重要来源及生鲜乳品质评定的关键指标，一直备受关注。通过营养调控特别是氨基酸供应提高奶牛乳蛋白产量和含量意义重大。蛋氨酸（Met，奶牛最重要的限制性氨基酸之一）在乳蛋白合成中发挥重要作用，但以往研究多聚焦于Met添加剂量或形式对奶牛生产性能的影响及其对乳蛋白合成相关通路的调节。是否存在某些关键调控因子参与了Met对乳蛋白合成的调控，它们又如何发挥作用，这些问题亟待解明。本项目系统研究了丝氨酰-tRNA合成酶（SARS）介导Met在奶牛乳腺上皮细胞酪蛋白合成中的功能及其作用机制。首先，通过转录组学和蛋白组学联合分析，检测不同质量粗饲料饲喂奶牛后乳腺差异表达基因和蛋白，并对其进行功能解析，重点关注氨酰基-tRNA合成酶（AARS）的差异表达谱，并筛选出差异表达最显著的AARS（即SARS）。继而，利用原代奶牛乳腺上皮细胞体外培养模型，研究了SARS对Met的响应规律；进一步从Met转运/摄取和Met利用两个视角，阐明了SARS与Met供应及酪蛋白合成之间的相互作用关系，解析了SARS介导Met通过相关信号通路调节酪蛋白合成的分子机制。结果发现，SARS作为重要信号分子，可接收Met信号，促进奶牛乳腺上皮细胞酪蛋白合成。其可能通过1）提高细胞活力和加快细胞周期进而促进细胞增殖；2）促进与Met转运载体ASCT2互作而增强乳腺细胞对Met的摄取吸收；3）激活mTOR和JAK2-STAT5信号通路并抑制GCN2信号通路，最终促进乳腺酪蛋白合成。研究结果有利于完善奶牛乳腺氨基酸营养理论，为定向调控乳成分提供理论依据，最终实现提高乳蛋白产量和质量、改善乳品质的目标。