奶牛泌乳周期转换期脂肪组织代谢组的动态重塑及其代谢稳态调控机制研究

为阐明奶牛从干奶期到泌乳启动期脂肪组织(AT)代谢适应机制，研究人员采用靶向代谢组学技术对荷斯坦奶牛皮下AT样本进行纵向分析，发现临近分娩时AT发生显著代谢重编程，氨基酸代谢转向甘油异生途径，磷脂酰胆碱(PC)动态重塑维持膜稳定性，证实AT作为动态内分泌器官通过协调脂质动员与能量稳态支持泌乳性能。

　　

在奶牛养殖业中，泌乳周期的转换期（包括干奶期和围产期）是奶牛代谢压力最大的阶段。随着胎儿生长、乳腺组织发育和泌乳启动，奶牛经历深刻的代谢、内分泌和免疫功能的改变。高产奶牛在妊娠后期和泌乳早期的营养需求急剧增加，主要通过体脂、蛋白质和糖原的动员来满足。然而，个体适应能力的差异可能导致代谢紊乱，影响奶牛健康和生产性能。因此，深入研究这一关键时期奶牛脂肪组织（Adipose Tissue, AT）的代谢适应机制，对于优化奶牛饲养管理、提高泌乳效率和保障动物健康具有重要意义。

以往的研究多集中于肝脏和肌肉等代谢活跃器官，而对脂肪组织在泌乳周期转换过程中的代谢动态了解有限。脂肪组织不仅是机体的主要能量储存库，还是一个活跃的内分泌器官，通过分泌信号分子调节炎症、脂质稳态、胰岛素敏感性和葡萄糖代谢等生理过程。近年来，基于质谱的代谢组学研究揭示了人类脂肪组织中存在复杂的代谢物网络，包括支链氨基酸（Branched-Chain Amino Acids, BCAA）、三羧酸循环（Tricarboxylic Acid Cycle, TCA）中间体、糖酵解化合物和多种脂质，这些代谢物可作为代谢改变的有效标志物。然而，在奶牛脂肪组织代谢组学方面的研究仍然较少，尤其是在从泌乳停止到泌乳恢复的过渡期间。因此，本研究旨在全面表征荷斯坦奶牛在此过渡期间脂肪组织代谢组的变化，以揭示其代谢适应机制。

本研究发表在《Journal of Dairy Science》上，由H. Sadri、M.H. Ghaffari、H. Sauerwein、S. Schuchardt、J. Martín-Tereso、John Doelman和J.B. Daniel合作完成。研究团队对12头荷斯坦奶牛（体重745 ± 71 kg，体况评分3.43 ± 0.66）在分娩前7周、5周、1周和分娩后1周采集皮下脂肪组织样本，利用Biocrates MxP Quant 500试剂盒进行靶向代谢组学分析，结合液相色谱-质谱联用（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS/MS）和流动注射-质谱联用（Flow Injection Analysis-Mass Spectrometry, FIA-MS/MS）技术，对氨基酸、酰基肉碱、甘油酯、磷脂酰胆碱（Phosphatidylcholines, PC）、鞘磷脂（Sphingomyelins, SM）等代谢物进行定量分析。数据采用MetaboAnalyst 6.0进行多变量统计分析，包括主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）、偏最小二乘判别分析（Partial Least Squares-Discriminant Analysis, PLS-DA）和层次聚类等。

主要研究结果

氨基酸（AA）代谢动态

研究发现，奶牛脂肪组织氨基酸谱在妊娠后期保持稳定，但在分娩前后（-1周至1周）发生显著变化。丙氨酸（Ala）、天冬氨酸（Asp）和谷氨酰胺（Gln）浓度显著下降。这种下降可能与脂肪组织内支链氨基酸（BCAA）分解代谢增强有关，其碳骨架可能被导向甘油异生（glyceroneogenesis）和脂肪酸（Fatty Acids, FA）再酯化为甘油三酯（Triglycerides, TG）的过程。此外，丙氨酸可能通过葡萄糖-丙氨酸循环（glucose-Ala cycle）被输出到肝脏，为泌乳早期肝糖异生提供底物。谷氨酰胺的减少则可能反映了其参与免疫应答和抗氧化防御的消耗。

氨基酸相关代谢物和生物胺

在干奶初期（-7周至-5周），胆碱、甜菜碱和苯乙酰甘氨酸（Phenylacetylglycine, PAG）浓度显著上升，表明甲基供体和磷脂合成增强，为后续代谢挑战做准备。而在分娩前后（-1周至1周），牛磺酸、PAG、甜菜碱、肌肽和对甲酚硫酸盐（p-cresol sulfate, p-cresol-SO₄）等代谢物下降，提示这些物质在泌乳启动时被加速利用，可能用于抗氧化、免疫调节和肠道微生物-脂肪组织轴的能量供应。

酰基肉碱谱稳定

与预期相反，脂肪组织酰基肉碱水平在整个过渡期保持稳定，表明脂肪组织主要作为长期脂质储存库，而非脂肪酸氧化的主要场所。脂肪酸β-氧化可能主要在肝脏和肌肉等代谢活跃组织中进行。

甘油酯的动态变化

甘油二酯（Diglycerides, DG）在过渡期呈现双相变化。DG（16:1_16:1）在干奶期逐渐下降，但在泌乳启动后显著上升，可能与脂解作用增强有关。DG（18:1_18:1）在干奶期也显著下降，提示其可能被用于膜重塑或再酯化为甘油三酯。

磷脂酰胆碱（PC）的重塑

磷脂酰胆碱在干奶期（-5周至-1周）特定物种（如PC aa C38:1、PC ae C34:3等）增加，可能有助于稳定脂肪细胞膜和脂滴磷脂单层结构。而在泌乳启动后（-1周至1周），多数PC物种显著下降，表明其被重新分配用于能量生产、细胞信号转导或磷脂酶介导的分解代谢，以适应泌乳的代谢需求。

鞘磷脂（SM）稳定性

鞘磷脂在整个过渡期保持稳定，这可能有助于维持膜完整性和脂筏组织，确保细胞信号传导和脂质动员的效率，同时避免神经酰胺（ceramide）积累对胰岛素信号通路的不利影响。

结论与意义

本研究首次系统揭示了奶牛在泌乳周期转换期脂肪组织代谢组的动态变化。结果表明，脂肪组织在临近分娩时发生显著的代谢重编程，特别是氨基酸代谢转向甘油异生和脂肪酸再酯化，磷脂酰胆碱物种的动态重塑以及鞘磷脂的稳定维持，共同协调了能量稳态和泌乳性能的优化。这些发现强调了脂肪组织不仅是被动的能量储存库，更是积极参与代谢调节的动态内分泌器官。研究结果为深入理解奶牛泌乳生理、优化围产期营养策略和预防代谢疾病提供了重要的理论依据。未来研究可进一步探讨不同脂肪沉积（如皮下与内脏脂肪）的代谢差异，以及关键酶和信号通路在代谢适应中的具体作用机制。