В этой статье мы рассмотрим процесс эпигенетической модификации у молочных коров и влияние питательных веществ на эпигенетическое изменение молочной железы.
В молочном животноводстве под эпигенетическими модификациями понимаются изменения в экспрессии генов, вызванные модификациями ДНК или белков. Эпигенетические изменения, включая метилирование ДНК, модификацию гистонов и малых некодирующих РНК, зависят от питания как у молочных коров, так и у их потомства. Поэтому оптимизация рациона молочных коров может способствовать благоприятным эпигенетическим изменениям, таким как улучшение продуктивности и качества молока.
Процесс эпигенетической модификации у молочного скота
Метилирование ДНК
Метилирование ДНК - это процесс эпигенетической модификации, который участвует в развитии, дифференцировании и стабильности генома. В ходе этого процесса метильные группы добавляются к молекуле ДНК с помощью следующих трех консервативных семейств ферментов:
- ДНК-метилтрансфераза 1,
- ДНК-метилтрансфераза 3a и
- ДНК-метилтрансфераза 3b.
ДНК-метилтрансфераза 1 поддерживает паттерны метилирования ДНК во время репликации ДНК и обеспечивает достоверную передачу паттернов метилирования дочерним клеткам. ДНК-метилтрансферазы 3a и 3b создают новые паттерны метилирования ДНК во время развития и клеточной дифференцировки. Для нормальной работы этих ферментов необходим донор метила, такой как холин, бетаин, метил-фолат или метионин, получаемый из рациона.
Исследования показали, что недостаток доноров метила в рационе молочных коров приводит к гипометилированию у потомства, что сказывается на весе при рождении, иммунной функции и показателях кровяного давления.
Модификации гистонов
Модификации гистонов определяются как химические изменения, происходящие в белках гистонах, которые являются основными компонентами хроматина. Модификации гистонов, включая ацетилирование, фосфорилирование и метилирование, регулируют экспрессию генов, структуру хроматина, а также репликацию, репарацию и транскрипцию ДНК. Ацетилирование гистонов регулируется путем изменения лизиновых остатков гистона с помощью ферментов гистоновых ацетилтрансфераз и гистоновых деацетилаз. Фосфорилирование гистонов происходит на серине, треонине и тирозине с помощью киназ и фосфатаз. Кроме того, происходит метилирование гистонов по лизиновым и аргининовым боковым цепям, которое регулируется метилазами и деметилазами.
Малые некодирующие РНК
Малые некодирующие РНК, или микро-РНК, транскрибируются с клеточной ДНК в клеточном ядре. Микро РНК длиной около 20-24 нуклеотидов не являются кодами для белков, а участвуют в развитии, клеточной пролиферации, дифференцировке и апоптозе. Микро РНК связываются с молекулами мРНК, что приводит к деградации мРНК или ингибированию трансляции в белки, регулируя таким образом экспрессию генов. Первичные микроРНК, синтезируемые в ядре клетки, подвергаются процессингу ферментом Drosha с образованием микроРНК-предшественников, которые экспортируются в цитоплазму. Затем предшественники микроРНК подвергаются процессингу ферментом Dicer и образуют зрелые микроРНК. К другим некодирующим РНК с эпигенетическими регуляторными свойствами относятся Piwi-взаимодействующие РНК (piRNA), малые интерферирующие РНК (siRNA), малые ядрышковые РНК (snoRNA), циркулярные РНК (circRNAs) и длинные некодирующие РНК (lncRNAs). Хотя точная связь между питанием и регуляцией этих некодирующих РНК остается неизвестной.
Нутриенты, влияющие на метилирование ДНК
Метилирование ДНК - ключевой эпигенетический механизм, участвующий в производстве молока, который связан с уровнем белка и жира в молоке. Исследования показали, что рацион молочных коров влияет на эпигенетическую регуляцию в молочной железе, тем самым изменяя качество и количество молока. Ограничение белка в рационе молочных коров во время стельности и лактации изменяет экспрессию генов, участвующих в производстве молока, и паттерн метилирования ДНК в молочной железе потомства.
Кроме того, присутствие холина, бетаина и фолиевой кислоты изменяет паттерны метилирования ДНК и экспрессию генов в молочной железе. Добавка метионина в рацион в предотельный период повышает фосфорилирование регулятора транскрипции антиоксидантов, снижает содержание его отрицательного регулятора в тканях молочной железы и повышает экспрессию генов, связанных с синтезом молочного белка и жира.
Добавка метионина повышает экспрессию фосфатидилэтаноламинметилтрансферазы и цистатионин β-синтазы, что приводит к увеличению синтеза антиоксидантов. Более того, обеспечивая поструминальное поступление холина в период сухостоя, можно улучшить метаболизм жирных кислот в печени, что, в свою очередь, влияет на состав молока.
Нутриенты, влияющие на модификацию гистонов
На модификации гистонов, которые играют роль в производстве молока, также может влиять питание. Прием полифенолов и омега-3 жирных кислот изменяет паттерны ацетилирования гистонов в молочной железе, что приводит к изменению экспрессии генов и состава молока.
Добавление углеводов в рацион молочных коров повышает доступность глюкозы, используемой молочной железой для производства молока и синтеза молочного белка. Однако чрезмерное потребление углеводов и энергии приводит к дисбалансу метаболизма и накоплению жирных кислот в печени, что, в свою очередь, изменяет характер модификации гистонов генов, связанных с биосинтезом жирных кислот, и снижает содержание молочного жира и удой.
Нутриенты, влияющие на малые некодирующие РНК
Малые некодирующие РНК, которые изменяют экспрессию генов во время стельности и лактации, могут быть подвержены влиянию рациона молочных коров. Малые некодирующие РНК подавляют трансляцию целевых генов, связываясь с комплементарными последовательностями в нетранслируемых областях мРНК, которые разрушают или ингибируют трансляцию. Исследования показали, что содержание лактальбумина и состав жира в рационе влияют на экспрессию малых некодирующих РНК в молочной железе дойных коров.