《Journal of Dairy Science》：Integrated proteomics and metabolomics profiling reveal mechanisms for the improvement of hoof health, liver function, and oxidative stress in lactating dairy cows fed rumen-protected biotin
编辑推荐：
本研究针对高产奶牛泌乳期代谢应激导致的蹄病高发、肝功能损伤及氧化应激等问题，通过多组学整合分析揭示了过瘤胃生物素（RPB）的干预机制。研究发现RPB通过上调GSR、GCLC、GPX3等抗氧化蛋白及TGM1、TGM3等角质化关键蛋白，促进谷胱甘肽代谢和角质包膜形成，同时调控TCA循环和脂肪酸降解通路，显著提升蹄硬度、降低跛行评分，并改善血清ALT、AST、TBIL等肝功能指标及T-AOC、GSH、SOD等抗氧化能力。该研究为RPB在奶牛精准营养中的应用提供了分子依据，对改善奶牛福利和牧场经济效益具有重要意义。
随着奶牛单产水平的不断提高，泌乳期代谢应激已成为制约奶牛健康与生产性能的关键瓶颈。高产奶牛在泌乳高峰期常面临巨大的代谢压力，肝脏作为营养物质代谢和能量调节的核心器官，承担着脂蛋白代谢、脂肪酸利用、解毒和糖异生等重要功能。然而，高代谢负荷易导致肝细胞线粒体功能障碍和脂质过氧化，进而引发活性氧（ROS）过度积累、系统性氧化应激、促炎介质增加，最终破坏组织修复和免疫调节功能。更值得关注的是，氧化应激与蹄病发生密切相关——研究显示，奶牛血清中丙二醛（MDA）水平升高与谷胱甘肽（GSH）浓度降低，与蹄叶炎和趾皮炎等引发的跛行问题显著相关。跛行不仅影响奶牛运动能力和采食行为，还会导致产奶量下降和淘汰率上升，对牧场经济效益和动物福利构成双重挑战。
在此背景下，营养调控策略成为改善奶牛代谢健康的重要突破口。生物素作为一种水溶性B族维生素，是丙酮酸羧化酶、丙酰辅酶A羧化酶等多种羧化酶的辅酶，在脂肪酸合成、糖异生和支链氨基酸代谢中发挥关键作用。它还能促进上皮细胞增殖和角蛋白合成，从而改善蹄角质的结构完整性和功能。尽管反刍动物瘤胃微生物能够合成生物素，但高精料日粮会显著抑制其合成效率，导致现代高产奶牛容易出现生物素缺乏。因此，外源补充过瘤胃生物素（RPB）成为解决这一问题的有效途径。
为了系统揭示RPB对奶牛健康的改善机制，黑龙江八一农垦大学的研究团队在《Journal of Dairy Science》上发表了一项整合多组学的研究。该研究通过蛋白质组学和代谢组学技术，深入探讨了RPB对泌乳奶牛肝功能、抗氧化能力和蹄健康的影响及其分子机制。
研究人员首先设计了为期75天的饲养试验，将80头泌乳荷斯坦奶牛随机分为4组，分别饲喂基础日粮（对照组）以及添加0.5、1.0和2.0克/天RPB的试验日粮。通过定期采集血液和乳汁样本，系统分析了血清生化指标、抗氧化参数、蹄健康相关标志物以及乳汁成分变化。基于表型结果，研究团队进一步选取中剂量组（1.0克/天RPB）和对照组进行深入的蛋白质组和代谢组分析。
关键技术方法包括：采用数据非依赖采集（DIA）策略进行血清蛋白质组学分析，通过高pH反相色谱分级和液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）技术鉴定差异表达蛋白；利用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）进行非靶向代谢组学检测；结合正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和通路富集分析等生物信息学方法整合多组学数据；同时通过酶联免疫吸附测定（ELISA）对关键蛋白表达进行验证。
效果一：RPB改善肝功能与葡萄糖代谢
随着RPB添加水平的提高，血清葡萄糖和白蛋白含量呈现线性和二次曲线升高，而总胆固醇（TC）、丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）和总胆红素（TBIL）则显著下降。中剂量组表现尤为突出，与对照组相比，葡萄糖和白蛋白分别提升14.33%和6.45%，TC、ALT、AST和TBIL则降低34.78%、28.47%、19.78%和40%。这表明RPB有效改善了肝脏的代谢功能和解毒能力。
效果二：RPB增强机体抗氧化能力
在抗氧化指标方面，RPB supplementation使血清总抗氧化能力（T-AOC）、谷胱甘肽（GSH）和超氧化物歧化酶（SOD）水平呈剂量依赖性上升，而脂质过氧化产物MDA则显著降低。中剂量组的T-AOC、GSH和SOD分别提高53.06%、45.79%和23.24%，MDA下降13.47%。这些结果明确显示RPB能够增强奶牛的抗氧化防御系统。
效果三：RPB促进蹄健康与软骨代谢平衡
对蹄健康相关标志物的分析发现，RPB supplementation显著降低了II型胶原C端肽（CTX-II）和软骨寡聚基质蛋白（COMP）的血清浓度，同时提高了IIA型前胶原N端前肽（PIIANP）水平。中剂量组的蹄硬度增加3.85%，跛行评分降低13.67%。这表明RPB不仅促进胶原合成，还抑制软骨基质降解，从而改善蹄部结构完整性。
效果四：蛋白质组学揭示RPB调控抗氧化与角质化通路
蛋白质组学分析鉴定出41个差异表达蛋白（DEP），其中26个上调、15个下调。基因本体（GO）富集分析显示这些蛋白主要参与细胞氧化剂解毒、胶原-containing extracellular matrix和过渡金属离子结合等过程。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析表明，谷胱甘肽代谢和角质包膜形成通路被显著激活，而脂肪酸降解和脂肪酸代谢通路则受到抑制。关键上调蛋白包括谷胱甘肽还原酶（GSR）、谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基（GCLC）、谷胱甘肽过氧化物酶3（GPX3）、转谷氨酰胺酶1（TGM1）和转谷氨酰胺酶3（TGM3），这些蛋白在抗氧化反应和角质化过程中发挥核心作用。
效果五：代谢组学显示RPB重塑代谢网络
代谢组学分析共鉴定出898种代谢物，其中77种存在显著差异。通路富集分析发现，谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、三羧酸循环（TCA循环）、脂肪酸降解和铁死亡等通路发生显著改变。值得注意的是，L-半胱氨酸、甘氨酸、丙酮酸和柠檬酸等关键代谢物水平上升，而γ-谷氨酰半胱氨酸和棕榈酸等则下降。这些变化表明RPB促进了谷胱甘肽合成和能量代谢。
效果六：多组学整合揭示RPB作用网络
通过整合分析，研究发现GSR、GCLC、GPX3、TGM1和TGM3等关键蛋白与L-半胱氨酸、甘氨酸等代谢物呈正相关，与γ-谷氨酰半胱氨酸和棕榈酸呈负相关。相关性网络分析进一步证实，这些分子与肝功能指标、氧化应激标志物和蹄健康参数之间存在密切关联，勾勒出RPB通过多通路协同作用改善奶牛健康的分子网络。
本研究通过多组学整合策略，系统阐明了RPB改善泌乳奶牛健康的分子机制。研究发现，RPB不仅通过增强谷胱甘肽代谢和抗氧化蛋白表达来缓解氧化应激，还通过调控TCA循环和脂肪酸代谢改善能量稳态。在蹄健康方面，RPB通过上调角质包膜相关蛋白（如TGM1、TGM3）和促进软骨基质合成，有效提高蹄硬度和减少跛行发生。这些结果从分子水平揭示了RPB的多重益处，为其在奶牛营养中的精准应用提供了理论依据。该研究不仅深化了对生物素生理功能的认识，也为开发改善奶牛代谢健康和蹄部问题的营养策略提供了重要参考，对提升奶牛福利和牧场经济效益具有积极意义。
