生物素(biotin)是動物機體內維持正常生理機能所必需的維生素之一。由于生物素在飼料中廣泛分布，而且動物腸道能夠合成生物素，人們曾認為畜禽可以不添加生物素。但是，在生產實踐中，經常出現生物素缺乏癥，尤其在集約化生產條件下，更容易出現生物素缺乏癥狀，畜禽缺乏生物素會導致生長緩慢、攝食減少、母畜繁殖性能降低、肉質及胴體品質下降、皮炎，嚴重時甚至導致死亡，補充生物素可以使以上癥狀消失(黃興國，2003)。于是，人們重新重視和研究生物素的營養作用及其機理。近年來，生物素已成為受廣泛關注的水溶性維生素之一。

1  生物素的理化特性

生物素廣泛存在于動植物中，天然存在的生物素主要以與其他分子結合的形式存在。其化學結構中包括一個含有5個碳原子的羧基側鏈和兩個五元雜環(王鏡巖，2002)，在體內由側鏈的羧基與酶蛋白的ε一賴氨酸殘基結合，發揮輔酶作用。生物素可能有8種不同的異構體，其中只有D-生物素具有生物活性。在動物體內細胞中常以游離狀態或與蛋白質相結合的狀態存在。

2生物素的營養機制

生物素有結合態和游離態兩種形式。結合態的生物素不能被動物直接利用，必須經過腸道生物素降解酶分解釋放出游離生物素才能被動物利用。生物素在小腸可較好地吸收，在小腸上1／3～1／2段以完整分子形式被吸收。豬胃不能吸收生物素，小腸是吸收的主要部位，結腸也能吸收生物素，而雞對生物素的吸收部位主要在小腸。肝臟和腎臟中生物素含量較多，幾乎所有的細胞均有生物素，其含量與細胞的生化作用有關。同位素標記表明，腎臟的近端上皮細胞、肝細胞、小腸絨毛上皮細胞、脂肪細胞中的生物素含量較高，而一些快速增生細胞，如腎臟皮質細胞、骨髓細胞及淋巴細胞含量低。當給豬喂添加生物素的日糧時，肝臟、腎臟、心臟中生物素濃度提高，當生物素較多時，超出需要的部分從尿中排出。飼料中未被吸收的生物素，由糞中排出。

3生物素的生理功能

生物素是乙酰-CoA羧化酶、丙酮酸羧化酶、丙酰-CoA羧化酶和3一甲基巴豆酰-CoA羧化酶4種羧化酶輔酶成分。在動物體內的葡萄糖、氨基酸和脂肪酸代謝中起著重要作用。

3．1  生物素與碳水化合物的代謝  在糖異生過程中，以生物素為輔酶的丙酮酸羧化酶是丙酮酸生成丁酮二酸反應中的關鍵酶。因此，當飼料中生物素供應不足，又因各種應激而采食不足時，會導致糖原迅速耗盡或減少，出現低血糖，尤其是仔雞體內糖原儲存較少，常會導致死亡。

3．2生物素與脂肪代謝在脂肪代謝過程中，生物素作為乙酰-CoA羧化酶的輔酶，催化乙酰一 CoA生成丙二酸-CoA。生物素缺乏時，脂類代謝異常，引起機體的脂肪酸組成發生變化，飽和脂肪酸合成減少，三酰甘油合成增多，使肝臟和腎臟中含脂量明顯提高。

3．3  生物素與蛋白質、核酸的代謝生物素在蛋白質合成、氨基酸脫羧、嘌呤合成、氨基甲酰轉移及亮氨酸和色氨酸分解代謝中起著重要作用，也是多種氨基酸轉移脫羧所必需。

生物素不僅參與羧化酶代謝途徑，而且影響基因表達，動物缺乏生物素將導致細胞增殖減緩、免疫功能受損和胚胎發育畸形(Manthey等，2002)。

4生物素對基因表達的影響

4．1  生物素對基因轉錄的影響

4．1．1葡萄糖代謝。Dakshinamuri和Cheah—Tan(1968)發現生物素對葡萄糖激酶基因表達可能有影響，大鼠缺乏生物素致使肝臟內葡萄糖激酶活性降低40％～50％，而通過日糧中添加正常量的生物素又可使該酶活性恢復，而且可以提高大鼠體內蛋白質、rRNA和mRNA 的合成率(Dakshi． namurti和Litvak，1 970)。Chauhan和Dakshina． murfi(1991)也證實生物素可以提高大鼠肝臟中葡萄糖激酶mRNA豐度。生物素缺乏使患有糖尿病的大鼠肝臟內磷酸烯醇丙酮酸羧化酶mRNA水平比對照組減少15％(王鏡巖，2002)。

4．1．2生物素依賴性羧化酶和羧化全酶合成酶。很多研究表明，編碼羧化酶和羧化全酶合成酶的基因表達依賴生物素，生物素缺乏導致大鼠肝臟、腎臟、肌肉和大腦中羧化全酶合成酶mRNA合成量大大減少，而當添加正常量的生物素可使該酶 mRNA在24 h內恢復正常水平，羧化酶合成酶基因的表達量減少和生物素、丙酮酸羧化酶、丙酰羧化酶?；瘻p少有關(Rodriguez等，2001)。在人體肝細胞也有相同的發現?；谝陨习l現，并提出了一條羧化全酶合成酶生物素依賴性信號途徑。

4．1．3  生物素轉運蛋白。生物素吸收進入哺乳動物細胞靠鈉依賴性多維生素轉運蛋白和其他一些尚未鑒定的轉運蛋白。生物素在缺乏時，其轉運率提高，生物素轉運蛋白基因表達水平也相應提高。人絨膜癌細胞生物素濃度與鈉依賴性多維生素轉運蛋白表達量呈負相關；相反，缺乏生物素T細胞生物素轉運率提高，而鈉依賴性多維生素轉運蛋白的表達量沒有提高，這表明免疫細胞可能不是依賴鈉依賴性多維生素轉運蛋白來調節生物素的轉運。

4．1．4細胞因子。很多研究表明，生物素對免疫功能有很重要的作用。在外周血液單核細胞(PBMC)中添加生物素，發現該細胞白介素一2 (IL一2)和白介素一1p(IL-1p)分泌量減少(Zempleni，2001)；同樣，人體T細胞白血病細胞系IL-2的分泌量與培養基中生物素含量呈負相關(Manthey等，2002)，而在生物素缺乏的細胞中IL-2基因表達量增多(Rodriguez等，2003)

在人體外周血液單核細胞中，除了IL-2外，其他細胞因子的表達也依賴于生物素(Wiedmann等，2003)。健康的體細胞每天添加 8．8μm01生物素培養21 d后，IL-4基因表達量減少而IL-18和干擾素γ基因表達量增加。這些細胞因子發揮以下免疫作用：IL-4調節B細胞的活化與B淋巴細胞的轉換；IL -1p參與T淋巴細胞和自然殺傷細胞的激活。

4．1．5其他基因。生物素缺乏導致大鼠肝臟鳥氨酸轉甲氨酰酶活性及其mRNA豐度降低(Maeda等，1996)。鳥氨酸轉甲氨酰酶在精氨酸代謝和尿素循環中起著很重要的作用。DNA芯片研究表明，生物素對外周血液單核細胞的200多個基因表達有影響。

4．2  在翻譯后修飾加工水平影響基因表達  生物素可能在翻譯后修飾加工水平影響基因表達。如果肝臟HepG2細胞在生物素缺乏的介質中培養，唾液酸糖蛋白受體的表達量就減少，而添加生物素則可以恢復其表達量(Collins等，1988)。Ro． driguez等(1999)發現生物素影響大鼠肝臟丙酰一 CoA羧化酶的表達。

4．3  生物素影響基因表達的作用機理  目前，已經發現生物素影響基因表達的機理主要有3條途徑：1)生物素酰腺苷酸(biotinyl-AMP)對可溶性鳥苷酸環化酶的活化；2)細胞核因子 (NF-kB)移位(在生物素缺乏情況下)；3)生物素與組蛋白結合對染色體的重組。據推測它們并不是單獨起作用，而可能是在動物細胞中共同存在。

4．3．1  生物素酰腺苷酸。Solorzano-Vargas等(2002)提出生物素酰腺苷酸在基因表達調節方面起著重要作用。生物素酰腺苷酸是羧化全酶合成過程中的中間產物；生物素酰腺苷酸的合成是由羧化全酶合成酶催化的。他們認為生物素酰腺苷酸是通過一種尚不清楚的機理對可溶性鳥苷酸環化酶進行活化。鳥苷酸環化酶的活化使環鳥苷酸量增加，從而刺激蛋白激酶G，產生信號傳導，蛋白磷酸化得到活化，使編碼羧化全酶合成酶、乙酰一CoA羧化酶1、丙酰-CoA羧化酶基因轉錄活性增強。如果生物素缺乏或羧化全酶合成酶的活性降低(一種天生的多羧化酶缺乏癥)，這些基因的轉錄活性將受損(Sweetman等， 1981)。生物素酰腺苷酸在其他羧化全酶合成酶的基因表達中是否起作用尚有待進一步研究。

在大腸桿菌和其他腸道細菌中，有一族基因參與生物素的合成，生物素酰腺苷酸與生物素蛋白連接酶(BirA)形成復合物，復合物結合在生物素操縱子的啟動子區域，通過反饋調節抑制這些基因表達(Cronan，1989)。

4．3．2細胞核因子與其他轉錄因子。細胞核因子在參與調節、防止細胞死亡和胚胎發育等過程起著重要的作用(Li和Stark， 2002)。哺乳動物NF—kB／Rel家族已經有五個轉錄因子被克隆和測序：c-Rel、NF-kBl(p 50／p 105)、NF-kB2(p 52／p100)、RelA(p 65)和RelB(Baldwin等，1996)。其作用機理：細胞未受刺激時，NF-kB家族蛋白以二聚體的形式存在，單體IkBoL或IkBβ使該二聚體活性受到抑制，NF-kB與IkB結合后滯留在細胞質中，IkB激酶受到細菌、細胞因子、有絲分裂原、生長因子和激素等刺激后引發IkBs磷酸化，之后在蛋白酶體依賴性途徑中降解；被釋放的NF—kB二聚體移位到細胞核中，結合在基因調控區域的反應元件從而引發基因表達。

    Rodriguez等(2003)研究發現生物素影響NF—kB依賴性信號傳導，他們把Jurkat細胞分別在25 pM和10000 pM生物素濃度的培養液中培養5周，細胞受到植物血球凝集素、佛波醇、12-~_蔻酸一13醋酸鹽的誘導，并觀察測定了NF-kB依賴性信號傳導的差異，發現生物素影響信號傳導：通過核移位的NF-kB結合在特定的基因序列上(AGTTGAGGGGACTITCCCAGGC)，生物素添加

量較多的試驗組更易發生移位；通過Western雜交和酶聯免疫法發現p 50和p 65在生物素缺乏的細胞中量較高。

4．3．3組蛋白的生物素?；?biotinylation)。染色質包括DNA、組蛋白和非組蛋白。DNA的折疊進入染色質主要由組蛋白起作用。

    組蛋白尾巴可以通過乙?；?、甲基化、磷酸化、泛蛋白化等共價修飾，最近研究發現組蛋白的又一種翻譯后修飾加工：即通過賴氨酸殘基的生物素酰化。Hymes 等(1995)認為生物素是通過酶 biotinidase共價結合到組蛋白上：biotinidase把生物素￡一賴氨酸殘基分解形成一個硫酯中間產物(半胱氨酸生物素復合物)，隨后生物素殘基被轉移到組蛋白上的ε-氨基上。biotinidase在哺乳動物細胞中是普遍存在的(Pispa，1965)。

    研究發現人體細胞含有生物素酰化的組蛋白。Stanley等(2001)通過酸提取的方法在人體外周血液單核細胞細胞核中分離出了組蛋白。以鏈霉抗生物素一過氧化物酶為探針，通過Western雜交分析發現組蛋白H1、H3、H4含有鏈霉素抗生物素結合物質，進一步研究發現鏈霉素抗生物素是特異性地與生物素結合在一起的。在人體T細胞白血病細胞系、細小細胞肺癌細胞、人絨膜癌細胞和雞紅血球細胞等也發現有生物素?；M蛋白。

組蛋白的生物素?；瘜毎鲋称鹬苤匾淖饔?，組蛋白的生物素?；梢源龠M人體外周血液單核細胞的增殖(Stanley等， 2001)。但與生物素?；M蛋白相關的基因是否被激活或沉默以及生物素?；M蛋白是否參與DNA修復尚不清楚。最近研究發現，在紫外誘導的DNA損傷的細胞中生物素酰化蛋白量較高，雞紅血球(erythro— cytes)細胞無轉錄活性的染色質中也有同樣的發現(Peters等，2002)。

4．4  生物素代謝物對基因表達的影響  Mc- Cormick等通過對哺乳動物和微生物的一系列研究發現生物素有兩條代謝途徑。生物素頡草酸(valeric acid)側鏈通過β-氧化形成bisnorbiotin和tetranorbiotin；生物素雜環硫元素氧化得到生物素一l一亞砜(biotin-1 -sulfoxide)和生物素-d-亞砜(biotin-d-sulfoxide)(Kazarinoff等，1972)。傳統的營養學研究認為，大多數生物素代謝物只是沒有生理作用的代謝廢物，最近研究發現生物素代謝物可能與生物素有類似功能。研究發現，Jurkat細胞在沒有生物素的介質中培養，編碼IL-2和 IL-2受體γ基因轉錄活性降低，而添加生物素類似物(diaminobiotin，desthiobiotin)則可使它們的轉錄活性明顯增加。