益生菌與動物腸道自由基的關(guān)系

王進(jìn)波 初佳麗， 齊莉莉 楊在賓

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，寧波 315100;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安 271018)

腸道是物質(zhì)與能量代謝十分旺盛的器官，氧化還原反應(yīng)劇烈，細(xì)胞代謝產(chǎn)生大量自由基。一定水平的自由基對腸道免疫功能具有積極作用，但過量自由基會引起腸道損傷、脂質(zhì)過氧化、加速細(xì)胞衰老等一系列危害。腸道益生菌對動物營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、腸道組織發(fā)育、免疫調(diào)節(jié)及抑制致病菌的侵染等有著重要生理作用。益生菌調(diào)節(jié)動物腸道生理功能的機(jī)制十分復(fù)雜，最近的研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可通過調(diào)控腸道自由基水平發(fā)揮重要生理作用。本文對益生菌在通過調(diào)控腸道自由基水平，既可發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用，又防止對腸道氧化損傷的功能及其相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了綜述。

1 細(xì)菌誘導(dǎo)腸道組織產(chǎn)生自由基的機(jī)制

腸黏膜上皮組織及細(xì)胞受到某些細(xì)菌刺激后，會產(chǎn)生活性氧自由基(ROS)，這些 ROS參與腸道生理功能的調(diào)控。細(xì)菌誘導(dǎo)的腸道細(xì)胞ROS主要是由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶家族(NADPH oxidase，NOX)催化合成的，NOX家族中NOX1和雙氧化酶(dual oxidase，DUOX)在腸道組織中表達(dá)豐度很高［1］。病原菌能夠刺激機(jī)體腸道組織產(chǎn)生并釋放大量ROS，這些ROS可以協(xié)助機(jī)體對抗病原菌侵染，同時(shí)，也會引起嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)，造成腸黏膜損傷［2-3］。病原菌釋放游離的尿嘧啶堿基作為信號分子，通過G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)，激活腸黏膜上皮細(xì)胞中的DUOX，誘導(dǎo)合成大量 ROS(圖 1)［3-5］。與病原菌不同，部分益生菌也能刺激腸道產(chǎn)生少量的ROS，這些ROS不僅不會損傷腸道，還對腸道維持正常的生理功能有益。Alam等［6］研究發(fā)現(xiàn)，益生菌能夠通過刺激腸道吞噬細(xì)胞膜上的甲酰肽受體(formyl peptide receptors，F(xiàn)PRs)，激活 NOX2，誘導(dǎo)機(jī)體腸道吞噬細(xì)胞產(chǎn)生 ROS。Leoni等［7］的研究指出，乳酸菌誘導(dǎo)的細(xì)胞ROS產(chǎn)生及細(xì)胞增殖依賴于腸上皮細(xì)胞的NOX1。Jones等［8］利用從果蠅腸道中分離的乳酸桿菌進(jìn)行的研究表明，該菌能夠通過激活NOX1誘導(dǎo)腸道組織產(chǎn)生釋放ROS，這些ROS可以刺激小鼠、果蠅等模型動物腸道干細(xì)胞的分化，促進(jìn)腸組織更新。Yan等［9］的研究則發(fā)現(xiàn)，益生菌能夠通過產(chǎn)生可溶性蛋白成分，誘導(dǎo)宿主腸道合成一定量的ROS，有助于腸道細(xì)胞的存活及其生長增殖。益生菌的誘導(dǎo)腸道細(xì)胞產(chǎn)生ROS的機(jī)制與致病菌完全不同，其通過細(xì)胞壁上肽聚糖分子中的N-甲酰肽作用于腸黏膜細(xì)胞膜上的FPRs，激活細(xì)胞中的 NOX1，合成一定量的ROS(主要是超氧陰離子)，這些ROS可以激活相關(guān)信號通路，刺激腸黏膜組織的更新(圖1)［3］。

圖1 細(xì)菌誘導(dǎo)腸黏膜上皮細(xì)胞產(chǎn)生ROS的機(jī)制Fig.1 The mechanism of ROS released from intestinal epithelial cells induced by the bacteria［3］

2 益生菌對腸道自由基的清除作用

過量的自由基會引起腸道組織受損，腸黏膜通透性增加，進(jìn)而誘發(fā)腸黏膜潰瘍和炎癥反應(yīng);對腸道尚未發(fā)育完全的動物而言，自由基造成的腸黏膜損傷會導(dǎo)致其死亡［10-12］。腸道益生菌參與清除機(jī)體腸道代謝產(chǎn)生的自由基，從而保護(hù)腸道組織免于自由基的氧化損傷。益生菌產(chǎn)生的過氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、含錳假性過氧化氫酶以及硫氧還蛋白還原酶、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶等還原酶具有清除ROS的作用［13-16］。腸道中的ROS主要包括超氧陰離子、過氧化氫(H2O2)和羥基自由基等，其中羥自由基的活性最強(qiáng)，對細(xì)胞核酸、蛋白質(zhì)和脂類等均有很強(qiáng)的氧化性，其能夠顯著誘導(dǎo)益生菌抗氧化相關(guān)酶的表達(dá)，激發(fā)益生菌的抗氧化能力［17］。

Kullisaar等［17］從1名健康兒童的腸道菌群中分離得到2株抗氧化菌株，這2株菌對過氧化氫、超氧陰離子、羥自由基等活性氧具有明顯的抗性。韓偉等［18］從腌制蔬菜中分離的5株菌均表現(xiàn)較強(qiáng)的自由基清除能力，這些菌株對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、羥自由基等的清除率和脂質(zhì)過氧化的抑制率相對較高。白明等［19］研究了乳桿菌、雙歧桿菌、嗜熱鏈球菌和乳酸乳球菌等40株益生菌的抗氧化能力，結(jié)果證明，多數(shù)益生菌具有清除自由基的能力，但種屬和菌株間差別較大，其中乳酸乳球菌清除自由基能力最強(qiáng)，嗜熱鏈球菌次之，乳桿菌、雙歧桿菌則比較弱。這些體外試驗(yàn)結(jié)果表明，益生菌能夠清除自由基，其主要機(jī)制可能是自由基刺激了菌體相關(guān)還原酶系的活性，從而激發(fā)了益生菌的還原能力，進(jìn)而清除自由基。

體內(nèi)試驗(yàn)也表明，益生菌可提高動物機(jī)體的抗氧化能力，清除體內(nèi)代謝產(chǎn)生的自由基，發(fā)揮抗衰老作用。不同研究者以小鼠為模型，研究凝結(jié)芽孢桿菌、雙歧桿菌、德氏乳桿菌、富硒沼澤紅假單胞菌等益生菌的抗氧化作用，結(jié)果表明，其血清、肝臟、腦等組織中SOD、GSH-Px等相關(guān)還原酶的活性提高，丙二醛(MDA)含量下降，抗衰老相關(guān)基因的表達(dá)水平上調(diào)［20-26］。聞平等［27］的研究發(fā)現(xiàn)，明串珠菌可提高家兔血清GSH-Px、SOD等還原酶的活性，降低血清MDA含量，并維持較長時(shí)間，這提示明串珠菌及其發(fā)酵產(chǎn)物有提高家兔抗氧化能力的作用。這些體內(nèi)研究結(jié)果提示，益生菌能夠刺激機(jī)體還原酶的表達(dá)或提高其活性，從而協(xié)助機(jī)體清除代謝產(chǎn)生的ROS，從而發(fā)揮抗氧化作用。

3 自由基在益生菌發(fā)揮生理功能過程中的作用

ROS的產(chǎn)生是吞噬細(xì)胞對細(xì)菌(包括致病菌和共生菌)免疫應(yīng)答的重要特征，這提示ROS在益生菌與宿主互作過程中發(fā)揮重要作用。腸道益生菌能夠誘導(dǎo)果蠅腸道組織氧化酶系統(tǒng)的表達(dá)，刺激腸道細(xì)胞產(chǎn)生過氧化氫，進(jìn)而抑制病原菌在腸道中的增殖及其侵染作用，從而維持腸上皮的完整性［28-29］;植物體受到細(xì)菌刺激時(shí)也會產(chǎn)生ROS，從而抑制病原菌對自身的侵染，保護(hù)自身組織、細(xì)胞免受病原破壞［2］。Kumar等［1］的研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳酸桿菌(Lactobacillus rhamnosus GG，LGG)能夠顯著刺激Caco-2細(xì)胞釋放ROS，這些ROS能夠誘導(dǎo)細(xì)胞泛素-蛋白酶體信號途徑中泛素連接酶 12(ubiquitin conjugating enzyme 12，Ubc12)半胱氨酸殘基的氧化失活，進(jìn)而抑制核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)炎癥信號通路的活性，從而發(fā)揮其免疫調(diào)節(jié)作用。Lin等［30］利用小鼠進(jìn)行的體內(nèi)試驗(yàn)也得出相似的結(jié)論，LGG誘導(dǎo)的ROS能夠?qū)е录?xì)胞內(nèi)Ubc12失活，抑制泛素-蛋白酶體信號途徑活性，進(jìn)而阻止NF-κB炎癥信號通路激活，阻止細(xì)胞炎癥反應(yīng)，并保護(hù)幼齡動物腸道黏膜組織的完整性，防止腹瀉等疾病的發(fā)生。

此外，ROS還作為炎癥因子及生長因子刺激的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的第二信使。在這一過程中，益生菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS會導(dǎo)致細(xì)胞信號通路相關(guān)蛋白的巰基迅速氧化失活，從而發(fā)揮第二信使功能。細(xì)胞內(nèi)的酪氨酸磷酸酶就是這樣一類受ROS調(diào)節(jié)的巰基蛋白酶，而酪氨酸磷酸酶是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、黏附斑激酶(focal adhesion kinase，F(xiàn)AK)和NF-κB信號通路的重要調(diào)節(jié)因子，這些信號通路在機(jī)體腸道免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞增殖和運(yùn)動等過程中發(fā)揮著重要作用(圖2)［31-32］。因此，腸道益生菌可通過刺激機(jī)體產(chǎn)生ROS，調(diào)節(jié)上述細(xì)胞信號通路，從而發(fā)揮相關(guān)生理調(diào)節(jié)作用。

圖2 益生菌誘導(dǎo)的ROS在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用Fig.2 The roles of ROS induced by probiotics in cell signaling transduction ［33］

4 小結(jié)

受到細(xì)菌等刺激后，產(chǎn)生釋放自由基是一種十分保守的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制，從植物到高等動物均存在類似的機(jī)制。動物腸道中生存著大量微生物，這些微生物通過調(diào)節(jié)腸道細(xì)胞自由基的水平，影響相關(guān)細(xì)胞信號通路的活性，從而調(diào)節(jié)機(jī)體腸道生理功能，這是腸道益生菌發(fā)揮生理作用的重要機(jī)制。解析益生菌誘導(dǎo)及清除腸道自由基的機(jī)制，揭示自由基作為第二信使在益生菌刺激的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用，對全面了解腸道益生菌的免疫調(diào)節(jié)作用機(jī)理、探究腸道菌群與宿主健康的關(guān)系以及新型益生菌制劑的開發(fā)具有重要意義。但益生菌通過何種菌體成分、以何種互作方式激活腸道細(xì)胞信號通路誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生?益生菌參與調(diào)節(jié)維持腸道ROS的穩(wěn)態(tài)的機(jī)制如何?這一系列問題仍需要進(jìn)一步研究。

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