2種胡蘿卜素加氧酶相關(guān)特性及調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

肖 寒 靳 青，2 劉桂芬，2 萬發(fā)春，2 劉曉牧，2*

(1.山東省畜禽疫病防治與繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100;2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，濟(jì)南 250100)

維生素A能夠促進(jìn)視覺發(fā)育、提高免疫力，對于細(xì)胞的自動(dòng)調(diào)節(jié)和胚胎發(fā)育也有很重要的作用。維生素A缺乏能夠?qū)е率?，增加?dòng)物在幼年時(shí)的發(fā)病率。由于β-胡蘿卜素具有維生素A原的活性，所以在很多國家，β-胡蘿卜素被當(dāng)成動(dòng)物和人獲取維生素A的主要食物來源。β-胡蘿卜素在各種酶的作用下被轉(zhuǎn)化成多種代謝產(chǎn)物，其中最常見的有2種酶，它們分別是β-胡蘿卜素-15，15'-加氧酶(β-carotene-15，15'-momoxygenase 1，BCMO1)和 β-胡蘿卜素-9'，10'-雙加氧脫氫酶(β-carotene-9'，10'-dioxygenase，BCDO2)。目前，國內(nèi)外的研究主要集中在BCMO1上，而對于BCDO2的研究涉及較少。這2種酶的研究對象主要為人、小鼠、斑馬魚等，在牛、羊、雞等畜禽中的研究相對較少，只局限于由基因突變引起的單核苷酸多態(tài)性的研究。本文對這2種酶的一系列相關(guān)特性進(jìn)行了綜述，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期對營養(yǎng)調(diào)控、各類疾病診斷與預(yù)防提供一定的參考。

1 在合成β－胡蘿卜素中的作用

以往的研究認(rèn)為，BCMO1是維生素A代謝過程中的一種最關(guān)鍵的酶，它能夠通過對稱性裂解將β-胡蘿卜素在15'，15'鍵位置斷開，生成2分子的全反式視黃醛，最后生成視黃酸或維生素A。BCMO1的活性中心存在4個(gè)保守的組氨酸殘基(His172、His237、His308、His514)，此酶必須通過亞鐵離子與4個(gè)殘基、水、氧分子連接，組成一個(gè)特殊的八面體結(jié)構(gòu)才具有活性［1-2］。人體所吸收β-胡蘿卜素的35%～88%都是在BCMO1的作用下形成相應(yīng)的代謝產(chǎn)物［3］。Hessel等［4］在敲除小鼠BCMO1的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，BCMO1功能的缺失能夠?qū)е戮S生素A缺乏，當(dāng)進(jìn)一步喂食富含β-胡蘿卜素的飼糧后，在小鼠的肝臟、肺臟和脂肪組織均有大量的 β-胡蘿卜素積累［5-6］。由此可見BCMO1是β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成維生素A過程中最關(guān)鍵的酶。

而另一種酶BCDO2則通過非對稱性裂解在β胡蘿卜素的9'，10'雙鍵位置斷開，生成β-阿樸-10'-胡蘿卜醛和β-紫羅酮，其中β-阿樸-10'-胡蘿卜醛又經(jīng)歷了一系列類似β-氧化的途徑生成視黃酸［7-9］。小鼠的敲除試驗(yàn)表明，在敲除BCMO1而BCDO2表達(dá)良好的情況下，仍能夠?qū)е戮S生素A的缺乏，說明BCDO2對于β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成維生素A沒有直接的影響。但在補(bǔ)充適量的BCMO1后，BCDO2也會(huì)對維生素A的生成起到非常重要的作用。這是由于BCMO1功能的缺失能夠?qū)е翨CDO2的表達(dá)量急劇上升［10］，其代謝產(chǎn)物阿樸胡蘿卜醛也大量積累［11］，在補(bǔ)充適量的BCMO1后，此酶能夠以 β-胡蘿卜素、β-阿樸-10’-胡蘿卜醛為底物生成維生素 A［12］。此外，其代謝產(chǎn)物β-阿樸-14'-胡蘿卜醛還能抑制維甲酸X受體α(RXRα)、過氧化物酶體激活受體α(PPAR-α)、過氧化物酶體激活受體 γ(PPAR-γ)的轉(zhuǎn)錄活性和生物學(xué)反應(yīng)［13］。最近的研究表明，BCDO2在類胡蘿卜素可能誘發(fā)的線粒體功能紊亂中起保護(hù)作用［14］。Lobo 等［15］在對斑馬魚和人類細(xì)胞系的試驗(yàn)中證明，BCDO2對于類胡蘿卜素積累引發(fā)的氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡能夠起到緩解作用。Yu等［16］對斑馬魚和小鼠進(jìn)行了 BCDO2的敲除試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了此酶與貧血密切相關(guān)，對類胡蘿卜素分解代謝和維持體內(nèi)平衡也有很重要的影響。

2 底物特異性

BCMO1是一種細(xì)胞溶質(zhì)蛋白質(zhì)并存在于細(xì)胞質(zhì)，BCDO2是一種存在于線粒體的蛋白質(zhì)。亞細(xì)胞定位的不同決定了它們的底物特異性和不同的生物學(xué)功能。BCMO1具有比較專一的底物特異性，作為BCMO1的反應(yīng)底物含有至少1個(gè)不被代替的β-紫羅酮環(huán)，甲基團(tuán)在多烯鏈上的位置也很重要［17-18］，這就決定了 BCMO1的底物只局限于α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、β-阿樸胡蘿卜醛、β隱黃素等［18］。Kim 等［19］發(fā)現(xiàn)雞中 BCMO1 對不同底物的特異性結(jié)合能力有很大差別，由強(qiáng)到弱分別是:β-胡蘿卜素、β-玉米黃素、β-阿樸-8'-胡蘿卜醛、β-阿樸-4'-胡蘿卜醛、α-胡蘿卜素、γ-胡蘿卜素。與BCMO1相比，BCDO2則具有更廣泛的底物。BCDO2是作為β-胡蘿卜素和番茄紅素的催化酶首次被發(fā)現(xiàn)的［20］。隨著研究的不斷深入，Mein等［21］發(fā)現(xiàn)，凡是 3'端帶有羥基紫羅酮環(huán)的類胡蘿卜素都可以作為BCDO2的底物，如β-玉米黃素、葉黃素等。

3 組織特異性

目前已在人類和許多物種中檢測到了這2種酶的活性［3］。早期研究只是在多種哺乳動(dòng)物的腸黏膜中檢測到了BCMO1的活性，包括人、大鼠、小鼠、豚鼠、猴 子、兔子等［22-23］。隨后，Lindqvist等［22］證明BCMO1基因不僅存在于消化道中，在胃、小腸、結(jié)腸的黏膜細(xì)胞和腺細(xì)胞中也有表達(dá);在肝臟細(xì)胞、胰島外分泌腺細(xì)胞、視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞及睫狀體色素上皮細(xì)胞中也檢測到了它的活性。在子宮內(nèi)膜和乳腺組織、腎臟組織、皮膚角化細(xì)胞鱗狀組織、前列腺腺體、腎上腺也表達(dá)［24］。BCDO2在BCMO1所表達(dá)的各類細(xì)胞和組織中大多都表達(dá)，但表達(dá)量相對較少［25］。目前已檢測到了BCDO2在小鼠、大鼠和雪貂體內(nèi)的組織特異性表達(dá)［26］。

這2種酶均在肝臟中表達(dá)，但存在于不同類型的肝臟細(xì)胞中。肝臟細(xì)胞有一種類型叫儲(chǔ)脂細(xì)胞，負(fù)責(zé)維甲酸的存儲(chǔ)，BCMO1在此類細(xì)胞中高度表達(dá)［10］。Kim 等［27］發(fā)現(xiàn)，BCMO1 通過影響視黃醇酰基轉(zhuǎn)移酶來調(diào)節(jié)胚胎中維甲酸的新陳代謝，進(jìn)而在胚胎形成中起到至關(guān)重要的作用。小鼠的BCMO1敲除不僅能造成維生素A缺乏，還會(huì)導(dǎo)致脂肪肝的形成［4］，這是由于BCMO1能夠阻止PPAR-γ引起的脂肪沉積［28］，能夠起到調(diào)節(jié)脂類代謝的作用。Amengual等［12］的試驗(yàn)證明在補(bǔ)充了β-胡蘿卜素和有活性的BCMO1后，小鼠體內(nèi)的脂肪明顯減少，進(jìn)一步鞏固了上述觀點(diǎn)。另一種類型肝臟細(xì)胞叫薄壁實(shí)質(zhì)細(xì)胞，它的作用是集中吸收和處理視黃醇，在這種細(xì)胞中檢測到了BCDO2的活性［10］。Mantena 等［29］在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，BCDO2的敲除也能夠?qū)е轮靖蔚男纬?，并且BCDO2和它的代謝產(chǎn)物對PPAR-γ的活性均無影響。這是因?yàn)锽CDO2是一種存在于線粒體的蛋白質(zhì)，它的缺失能引起線粒體功能紊亂和氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致脂肪肝的形成。

4 主要調(diào)控因素

4.1 過氧化物酶體激活受體(PPAR)基因與2種加氧酶的相互作用

Lakshman 等［30］和 Hosotani等［31］發(fā)現(xiàn)，在飼糧中增加脂肪的含量和脂肪的成分能夠提高動(dòng)物對β-胡蘿卜素的吸收，進(jìn)一步提高BCMO1的活性。后來有學(xué)者在鼠類和人類的BCMO1中發(fā)現(xiàn)了一種PPAR應(yīng)答元件(PPAR-responsive element，PPRE)，此元件能夠激活PPAR的活性來調(diào)控脂肪代謝的過程，進(jìn)一步證實(shí)了脂肪代謝與BCMO1的表達(dá)活性有著緊密的聯(lián)系［32］。此外，BCMO1啟動(dòng)子區(qū)域還編碼一種功能性肌細(xì)胞增強(qiáng)子2(MEF2)，它能夠與 PPAR-γ協(xié)同互作來激活BCMO1的活性［33］。BCDO2則通過其代謝產(chǎn)物阿樸-胡蘿卜醛來影響PPAR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，證據(jù)表明BCDO2的代謝產(chǎn)物能夠抑制PPAR-α和PPAR-γ的表達(dá)活性［28］。在喂食大量的番茄紅素后，發(fā)現(xiàn)大鼠體內(nèi)有大量的阿樸胡蘿卜醛，并在大鼠的腎臟和腎上腺檢測到PPAR-γ的mRNA水平明顯降低［34］。同樣在大量喂食玉米黃質(zhì)后，小鼠肝臟中BCDO2的mRNA水平要比對照組多出7倍［14］。

4.2 小腸特定同源框轉(zhuǎn)錄因子(ISX)對BCMO1的調(diào)控

ISX是一種能夠調(diào)控BCMO1表達(dá)的調(diào)控因子，首次是在小鼠的小腸中被檢測出來的［35］。Zaripheh 等［34］和 Seino 等［35］在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)維生素 A的缺乏不僅能夠?qū)е翨CMO1的表達(dá)量增高，還能夠降低ISX的活性。在ISX啟動(dòng)子區(qū)域存在一種叫RAR的基因，能夠與視黃酸應(yīng)答元件(RA-responsive elements，RARE)相連接，催化視黃酸激活I(lǐng)SX。ISX的激活導(dǎo)致BCMO1表達(dá)量的減少從而控制β-胡蘿卜素的吸收，對維生素A的生成起到負(fù)反饋調(diào)節(jié)的作用［36］。

5 單核苷酸多態(tài)性

關(guān)于BCMO1的單核苷酸多態(tài)性已被國內(nèi)外多次報(bào)道過，其中人類BCMO1中的一種絲氨酸T170非常重要，因?yàn)樗诓溉閯?dòng)物中的類胡蘿卜素切割酶家族中都是高度保守的［37］。除此之外，2種色氨酸Y235和Y326對于小鼠的BCMO1也非常重要［38］，其中Y235在切割酶家族中是完全保守的。

有關(guān)BCDO2的單核苷酸多態(tài)性已在牛、羊、雞等多種動(dòng)物上報(bào)道［39-41］。其中牛BCDO2基因中W80的無義突變能夠使皮下脂肪和牛奶變成黃色，是由于該突變能夠?qū)е聵O少量的β-胡蘿卜素被分解，而較多的β-胡蘿卜素則通過腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)移并大量沉淀在脂肪組織，形成黃脂［39］。Q66的無義突變已在羊的BCDO2基因上報(bào)道，Vage等［40］在85%的黃脂小羊羔中都檢測到了Q66的無義突變，此外，在羊的體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了2種影響脂肪顏色潛在的單核苷酸多態(tài)性，一種是在編碼BCDO2蛋白質(zhì)第315個(gè)氨基酸的位置發(fā)現(xiàn)了純合的苯丙氨酸殘基，另一種是在第422個(gè)氨基酸的位置發(fā)現(xiàn)了雜合的異亮氨酸殘基［40-41］。Eriksson等［41］發(fā)現(xiàn)，雞中1個(gè)或多個(gè)順式反應(yīng)和組織特異性的調(diào)節(jié)突變能抑制BCDO2的表達(dá)，導(dǎo)致黃色皮膚的形成。

6 小結(jié)

小鼠的敲除試驗(yàn)顯示，BCMO1是β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成維生素A過程中最關(guān)鍵的酶，而BCDO2沒有起到明顯的作用。BCMO1除了用于維生素A的生成，還能調(diào)節(jié)胚胎的正常發(fā)育，在脂類代謝過程中也是很重要的調(diào)控因子，但是此酶在調(diào)控2種生物途徑中具體的分子機(jī)制尚不明確，大量相關(guān)的科學(xué)研究還需要進(jìn)行。目前為止，BCDO2的作用和調(diào)控機(jī)制還不是很清楚，但有關(guān)研究表明，此酶的缺失能夠?qū)е聞?dòng)物在幼年時(shí)期貧血的發(fā)生，因此初步推測，BCDO2與血細(xì)胞的生成與凋亡有著直接的關(guān)系。BCDO2功能的缺失還能導(dǎo)致脂肪肝，很可能是由于BCDO2敲除能夠誘發(fā)線粒體功能紊亂和氧化應(yīng)激而擾亂體內(nèi)平衡，但此酶與脂肪肝形成之間具體的聯(lián)系和分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。之前的小鼠敲除試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，BCMO1的敲除能夠?qū)е翨CDO2的表達(dá)量大幅度增加，這2種酶之間存在千絲萬縷的聯(lián)系。因此，需要開展更多的科學(xué)研究來闡明這2種酶的相互作用和它們對于哺乳動(dòng)物的重要作用。

致謝:

感謝山東省農(nóng)科院畜牧獸醫(yī)研究所劉倚帆博士對文稿所提出的寶貴意見。

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