單端孢霉烯族毒素抑制動物生長作用的研究進(jìn)展

郭　璞，黃德玉，劉相蓮，程古月，戴夢紅，袁宗輝，王　旭

(國家獸藥殘留基準(zhǔn)實驗室(華中農(nóng)業(yè)大學(xué))/農(nóng)業(yè)部獸藥殘留檢測重點實驗室/農(nóng)業(yè)部畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,湖北武漢 430070 )

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單端孢霉烯族毒素抑制動物生長作用的研究進(jìn)展

郭璞，黃德玉，劉相蓮，程古月，戴夢紅，袁宗輝，王旭*

(國家獸藥殘留基準(zhǔn)實驗室(華中農(nóng)業(yè)大學(xué))/農(nóng)業(yè)部獸藥殘留檢測重點實驗室/農(nóng)業(yè)部畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,湖北武漢 430070 )

單端孢霉烯族毒素是主要的飼料污染物，包括T-2毒素、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)等，具有較強的毒性作用，能引起動物體多種病理變化。其毒性作用能改變真核翻譯起始因子2α (EIF2α)、絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)、熱休克蛋白90(Hsp90)、胰島素樣生長因子1 (IGF-1)等細(xì)胞因子的活性，調(diào)節(jié)多種胺酰tRNA合成酶的活性，進(jìn)而抑制蛋白質(zhì)合成，阻滯動物生長。論文從單端孢霉烯族毒素對生長激素影響的角度，綜述了該類毒素對動物生長的抑制作用，以期為闡明單端孢霉烯族毒素抑制動物生長的毒性作用機制奠定基礎(chǔ)。

T-2毒素；脫氧雪腐鐮刀菌烯醇；生長激素；毒理機制；生長阻滯

單端孢霉烯族毒素是由多種鐮刀菌屬真菌，如禾谷鐮刀菌、雪腐鐮刀菌、梨孢鐮刀菌及擬枝孢鐮刀菌產(chǎn)生的一類具有倍半萜結(jié)構(gòu)的次級代謝物。該類化合物基本結(jié)構(gòu)相同，都有一個12，13環(huán)氧基團(tuán)。根據(jù)其側(cè)鏈結(jié)構(gòu)不同，被分為4類。A類單端孢霉烯族毒素如T-2毒素，HT-2毒素，在C-8位上不含羰基結(jié)構(gòu)；B類如脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)，雪腐鐮刀烯醇(nivalenol,NIV)，在C-8位上含有羰基結(jié)構(gòu)；C類如扁蟲菌素，在C-7和C-8或者C-8和C-9位上含有另外1個環(huán)氧基團(tuán)；D類如黑葡萄穗霉毒素，在C-4和C-15位上含有1個大環(huán)結(jié)構(gòu)[1]。

目前，單端孢霉烯族毒素對飼料的污染多有報道。2008年對我國11個省份1 013份樣品(包括玉米、小麥、麥麩、豆粕、菜棉籽粕、魚粉、仔豬和家禽配合料)進(jìn)行檢測，T-2毒素檢出率為96.05%，部分省市(福建、江西、河南、四川)飼料樣品的毒素檢出率達(dá)到了100%[2]。2008年歐洲和北亞的玉米和小麥中DON檢出率分別為68%和77%[3]。同時，此報道還顯示，全球(包括亞洲、美洲、大洋洲)玉米和小麥中DON檢出率逐年上升。DON在390份來自北美和322份來自南美的玉米樣品中檢出率分別為79%和17%[4]。以色列青貯飼料中T-2毒素和DON檢出率分別為87.8%和70.7%[5]。由此可見，該類毒素在我國乃至全世界的污染情況非常嚴(yán)重，對動物的健康危害巨大，而抑制動物生長是其重要毒性作用之一。T-2毒素可以引起豬拒食，體重下降，導(dǎo)致口腔病變，并引起母豬繁殖障礙[6]；也可以引起奶牛拒食，產(chǎn)奶量下降，胃腸道出血，甚至死亡[7]。豬DON慢性中毒主要表現(xiàn)為厭食，體重下降，營養(yǎng)效率降低，肝臟腫大等[6，8]。

單端孢霉烯族毒素對動物生長的抑制作用，給畜牧業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文總結(jié)了該類毒素對動物生長激素的抑制作用和機制，為開發(fā)高效、安全的新型拮抗劑奠定基礎(chǔ)，并為深入揭示單端孢霉烯族毒素毒抑制生長的作用機制提供參考。

1　生長激素簡介

1.1生長激素

生長激素(growth hormone,GH)是一種由腦垂體前葉嗜酸性細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)激素[9]，通過血液運輸至靶組織，對動物組織細(xì)胞的生長和物質(zhì)代謝具有極其廣泛的作用。從20世紀(jì)初期生長激素發(fā)現(xiàn)至今，許多物種的生長激素已被測序。生長激素是一種單鏈蛋白質(zhì)，由186個～191個氨基酸組成，其分子結(jié)構(gòu)中有兩個二硫鍵，一個連接53與165處半胱氨酸殘基，另一個連接182與189處半胱氨酸殘基，這兩個二硫鍵使得分子形成兩個環(huán)。半胱氨酸和二硫鍵是GH維持其生物活性的重要結(jié)構(gòu)[10]。

1.2生長激素發(fā)揮作用的信號通路

生長激素與靶細(xì)胞的生長激素受體(growth hormone receptor,GHR)結(jié)合，激活下游信號通路，從而發(fā)揮生物學(xué)功能。JAK2-STAT5途徑是GH改善代謝功能、機體生長和啟動胰島素樣生長因子1 (insulin like growth factor 1,IGF-1)基因轉(zhuǎn)錄的核心通路。GH與GHR結(jié)合，使GHR發(fā)生二聚化并激活，活化的GHR進(jìn)一步激活與每個GHR偶聯(lián)的“兩面神激酶”2 (janus kinase,JAK2)，并使JAK2上的酪氨酸殘基發(fā)生自磷酸化，JAK2逐漸磷酸化GHR上的酪氨酸殘基。這些酪氨酸殘基為許多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白提供了結(jié)合位點，其中最主要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白是含有Src同源結(jié)構(gòu)域2 (即SH2結(jié)構(gòu)域)的信號傳導(dǎo)子及轉(zhuǎn)錄激活子分子(signal transducer and activator of transcription,STAT)。STATs能夠與DNA結(jié)合，并能偶聯(lián)酪氨酸磷酸化信號通路，是具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的蛋白家族。在已發(fā)現(xiàn)的7種STAT中，STAT5是JAK2活化的調(diào)節(jié)劑。STAT5磷酸化后，會形成同源或異源二聚體，轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核中，并直接與STAT靶基因啟動子上的效應(yīng)元件相結(jié)合。JAK-STAT信號通路缺陷會導(dǎo)致機體生長遲緩[11]。此外，JAK2被激活后，也可通過JAK2-PI3K-PKC-ERK1/2或JAK2-JNK這兩條絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)通路進(jìn)行生長激素信號的傳遞[12]。

2　單端孢霉烯族毒素對生長激素的影響

有報道證明，單端孢霉烯族毒素毒性作用的靶標(biāo)是核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)[13-14]。其中，核糖體60 S亞基是單端孢霉烯族毒素的主要毒性靶標(biāo)。單端孢霉烯族毒素通過抑制生長激素蛋白質(zhì)的合成、折疊及胞內(nèi)轉(zhuǎn)運，降低機體蛋白質(zhì)水平，從而抑制動物的生長。

2.1單端孢霉烯族毒素影響生長激素蛋白質(zhì)的合成

真核翻譯起始因子2α激酶2 (eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase 2,EIF2AK2)，也被稱為雙鏈RNA依賴性蛋白激酶(double-stranded RNA dependent protein kinase,PKR)，通過參與細(xì)胞信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄過程，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和分化，參與蛋白質(zhì)的翻譯調(diào)控[15]。造血細(xì)胞激酶(hematopoietic cell kinase,HCK)是Src激酶家族中的一員，參與細(xì)胞骨架重排、基因表達(dá)、細(xì)胞增殖和凋亡過程[16]。10 nmol/L或40 nmol/L的T-2毒素處理GH3細(xì)胞12 h后，EIF2AK2和Hck的mRNA水平上調(diào)[17]；4 μmol/L的DON處理GH3細(xì)胞2 h時，可檢測到Hck的mRNA水平增加，4 h可檢測到EIF2AK2的mRNA水平上調(diào)[18]。EIF2AK2磷酸化激活真核翻譯起始因子2α (eukaryotic translation initiation factor 2α, EIF2α)[19]。磷酸化的EIF2α失去活性，在GTP的作用下，不能生成甲硫氨酸-tRNA-EIF2α-GTP[18]，無法完成蛋白質(zhì)合成的起始。此外，EIF2AK2和Hck可能是調(diào)節(jié)MAPK活性的兩個上游激酶[20-21]。由單端孢霉烯族毒素活化的EIF2AK2和Hck可以激活MAPKs，如ERK1/2、JNK和p38。p38可以與核糖體40 S亞基結(jié)合[22]，并隨之引起核糖體應(yīng)激反應(yīng)，抑制生長激素蛋白質(zhì)的合成。早期研究表明，單端孢霉烯族毒素可以降低肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；也有研究表明，T-2毒素可以抑制核糖體80 S亞基合成[1]。近期有研究顯示，T-2毒素作用于大鼠垂體瘤細(xì)胞(GH3細(xì)胞)后，天冬胺酰tRNA合成酶、半光胺酰tRNA合成酶、丙胺酰tRNA合成酶和甲硫胺酰tRNA合成酶呈劑量依賴性下降[17]。而DON則與肽?；偁幮越Y(jié)合核糖體的結(jié)合位點，抑制肽鏈的延長[18]。綜上所述，盡管不同單端孢霉烯族毒素的作用機制可能略有差異，但該類毒素均阻礙生長激素蛋白質(zhì)合成的起始、延伸過程中關(guān)鍵因子和酶的活性，抑制了肽鏈的延長。

2.2單端孢霉烯族毒素影響與生長激素蛋白質(zhì)的加工

單端孢霉烯族毒素可以抑制生長激素蛋白質(zhì)的折疊和胞內(nèi)轉(zhuǎn)運過程。10 nmol/L或40 nmol/L的T-2毒素作用于GH3細(xì)胞12 h后，Q6巰基氧化酶類1和2 (Q6 sulfhydryl oxidases,QSOX1 and QSOX2)的mRNA水平下降，蛋白二硫化物異構(gòu)酶Pdia3和P4hb的蛋白水平下降[10]。這些分子對蛋白質(zhì)二硫鍵的形成和蛋白質(zhì)的折疊具有重要作用[23-24]。熱休克蛋白90(heat shock protein 90-beta,Hsp90)可將新生肽鏈或非天然態(tài)的蛋白質(zhì)折疊成具有天然態(tài)的功能蛋白外，并參與蛋白質(zhì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運[25]。T-2毒素作用于GH3細(xì)胞12 h和24 h后，Hsp90 mRNA和蛋白質(zhì)水平均下調(diào)[17]。也有研究顯示，0.05 g/mL T-2毒素作用后，檢測到豬肝臟細(xì)胞中Hsp90 mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平均上調(diào)[26]。在DON毒性試驗中，用0.05 nmol/L DON處理小鼠單核巨噬細(xì)胞(RAW 264.7細(xì)胞)后發(fā)現(xiàn)，Hsp90 mRNA水平在5 min～15 min內(nèi)表達(dá)上調(diào)，而在30 min后下調(diào)[27]。據(jù)此推測，單端孢霉烯族毒素作用于細(xì)胞后，蛋白質(zhì)的折疊程度先補償性上升，之后由于毒素的作用，其折疊程度最終下降。

單端孢霉烯族毒素抑制蛋白質(zhì)合成的機制不僅可以影響生長激素的合成，使其合成量下降，無法發(fā)揮功能，從而抑制生長和代謝。同時，它還抑制機體生長所需要的其他蛋白質(zhì)的合成，使得蛋白質(zhì)缺乏，無法滿足生長的需求，導(dǎo)致生長減緩或生長抑制。

2.3單端孢霉烯族毒素影響生長激素受體的功能

除了上述對蛋白質(zhì)合成和分泌的影響作用外，該類毒素還可以通過影響GHR，抑制動物生長。GHR受到細(xì)胞因子信號抑制物(suppressor of cytokine signaling,SOCS)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)[28]，胰島素樣生長因子酸不穩(wěn)定物質(zhì)(insulin-like growth factor acid-labile substance,IGFALS)可以增加IGF-1和胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白3 (insulin-like growth factor binding protein 3,IGFBP3)的半衰期，并與二者形成三元復(fù)合物，增加生長信號[29]。按0.5 mg/kg～12.5 mg/kg體重給小鼠口服飼喂DON，1 h后檢測到肌肉、肝臟和脾臟中SOCS mRNA水平增加，而肝臟IGFALS mRNA水平下降[30]。隨后有研究表明，長期(2周～8周)給4周齡小鼠飼喂含有20 mg/L DON飼料，肝臟IGFALS mRNA水平下降，同時血漿中IGFALS和IGF-1含量均降低[13]。研究還顯示，小鼠在2 h內(nèi)大量(12.5 mg/kg體重)攝入DON，4 h后處死小鼠，檢測肝臟組織中SOCS3、IGFALS、IGF-1和IGFBP3的mRNA水平，結(jié)果顯示，SOCS3表達(dá)水平顯著上調(diào)，IGFALS表達(dá)水平顯著下調(diào)，而IGF-1和IGFBP3表達(dá)水平無顯著變化。然而，即使增加機體GH水平，上述SOCS3和IGFALS變化也無法恢復(fù)[28]。因此，毒素誘導(dǎo)SOCS表達(dá)水平升高，使SOCS競爭性與GHR的結(jié)合增多，阻礙了GH和GHR的結(jié)合，無法將生長激素的信號向下游傳遞，最終抑制生長。此外，由于單端孢霉烯族毒素的作用，IGF-1、IGFALS和IGFBP3表達(dá)水平下調(diào)，使它們的相互作用減弱，從而抑制動物生長。

3　展望

單端孢霉烯族毒素對動物生長的抑制作用日益受到關(guān)注。動物生長是個復(fù)雜的過程，該類毒素所引起的生長阻滯是多個方面累積的效果，除了本文中涉及到的對生長激素的作用外，該類毒素還可以通過腸道毒性、神經(jīng)毒性、免疫毒性、影響細(xì)胞周期等多方面的毒性作用，影響動物機體生長。盡管目前的研究發(fā)現(xiàn)了單端孢霉烯族毒素發(fā)揮毒性作用的多條信號通路，但尚不清楚這些信號通路的激活是核糖體應(yīng)激的繼發(fā)效應(yīng)，還是直接效應(yīng)。單端孢霉烯族毒素對動物生長的抑制是其主要毒性之一，也是研究關(guān)注的重點，但從代謝角度來揭示毒素生長阻滯機制的研究剛剛開始。此外，已發(fā)現(xiàn)毒素所致的氧化應(yīng)激，降低生長激素的合成，引起生長阻滯，且毒素的線粒體毒性也被證實，但其引起的氧化應(yīng)激與線粒體和生長阻滯的關(guān)系尚待深入開展。隨著這些問題的深入揭示，不僅有助于闡明單端孢霉烯族毒素對動物生長抑制的毒作用機制，同時為開發(fā)出新型高效的拮抗劑奠定基礎(chǔ)。

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Progress on Growth Inhibition of Trichothecenes in Animals

GUO Pu,HUANG De-yu,LIU Xiang-lian,CHENG Gu-yue,DAI Meng-hong,YUAN Zong-hui,WANG Xu

(NationalReferenceLaboratoryofVeterinaryDrugResidues(HuazhongAgriculturalUniversity)/KeyLaboratoryoftheDetectionforVeterinaryDrugResidues,MinistryofAgriculture,/LaboratoryofQuality&SafetyRiskAssessmentforLivestockandPoultryProducts,MinistryofAgriculture/CollegeofVeterinaryMedicine,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei,430070,China)

Trichothecenes, mainly feed contaminants,include T-2 toxin,deoxynivalenol (DON) and so on.With a strong toxicity,they can cause a varieties of pathological lesionses in animals.Trichothecenes can inhibit the synthesis of protein via changing the activation of some substances,such as eukaryotic translation initiation factor 2α (EIF2α), mitogen-activated protein kinase (MAPK),heat shock protein HSP 90-beta (Hsp90) and insulin like growth factor 1 (IGF-1) and regulating activation of several aminoacyl-tRNA synthetase, and eventually cause growth retardation in animals.In terms of the toxicity effect on growth hormone,this review summarized the inhibition induced by trichothecenes,with the purpose of laying the foundation for illuminating the mechanism of growth inhibition.

T-2 toxin; deoxynivalenol; growth hormone; toxicology; growth retardation

2016-04-07

國家自然科學(xué)基金項目(31572575)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(2662016PY115)

郭璞(1992-)，女，河南安陽人，碩士研究生，主要從事獸醫(yī)藥理學(xué)與毒理學(xué)研究。*通訊作者

S859.82

A

1007-5038(2016)10-0094-04