染料木素的作用機制及在畜牧生產中的應用研究

甘麥鄰，楊 瓊，李 強，曾仰雙，楊大洪，張順華★，朱 礪★

（1.四川農業(yè)大學動物科技學院，四川 成都 611130；2.成都農業(yè)科技職業(yè)學院，四川 成都 611130；3.四川省畜牧總站，四川 成都 610041；4.四川省雅安市名山區(qū)農業(yè)局，四川 雅安 625100）

植物雌激素是存在于植物中的具有雌激素作用的一類天然化合物，具有與雌激素類似的分子結構，能與雌激素受體（ER）競爭性結合（圖1-Ⅰ）。雌激素在各種動物中的生理作用具有高度同源性，不同種動物體內的雌激素結構也高度類似，在動物機體中，植物雌激素因動物體內雌激素濃度高低、受體數目、結合程度以及用藥的劑量，表現(xiàn)出對內源雌激素活性的促進或拮抗作用[1]。染料木素是一種主要的植物雌激素，又稱為染料木黃酮、5,7,4′-三羥基異黃酮，是異黃酮類化合物中生物活性最高的一種，廣泛存在于大豆、苜蓿、三葉草等豆科植物的莖葉和籽實中。

研究發(fā)現(xiàn)染料木素具有抗癌、防治骨質疏松癥、保護心血管系統(tǒng)健康、提高機體免疫力和抗抑郁等作用[2-4]。由于其豐富的生物學效應和廣泛存在引起了藥物學家和營養(yǎng)學家的關注，目前廣泛應用于制藥、保健等領域[5-6]。已經有大量文獻報道了關于植物雌激素的使用，但其中絕大多數研究中使用的是粗提物或者混合物，針對單一性有效成分的研究只占少數[7]。長期以來由于染料木素的提純工藝存在耗時長、純化難度大、價格昂貴等問題未能被大量應用，近年來隨著提純方法和提純工藝的改進，獲得高純度的原料越來越容易，為其在畜牧生產中廣泛應用打下了基礎[8]。畜牧生產過程中生長性能、繁殖性能和抗病性能是生產者們關注的重點，直接影響著畜牧生產的收益。因此本文對近年來染料木素的作用機制及其在畜牧生產中的應用進行綜述，以期為染料木素在畜牧生產中的應用提供較為準確的參考，為更好地利用我國的植物資源提供借鑒。

1 染料木素的作用機制

1.1與雌激素受體結合發(fā)揮雌激素樣或抗雌激素作用染料木素與雌激素的結構相似，因此可與雌激素受體結合進而發(fā)揮作用。20世紀50年代首次報道了染料木素的雌激素樣作用[9]。動物體內的雌激素受體，分為α型（ERα）和β型（ERβ），研究發(fā)現(xiàn)染料木素與ERβ的親和性高于ERα，與雌激素相比染料木素與雌激素受體的親和力更低，但可以雙向調節(jié)，通常在低濃度時發(fā)揮雌激素樣作用，而高濃度時發(fā)揮抗雌激素作用[10]。同時染料木素還可以增加受試動物體內雌激素受體不同亞型的表達，進而影響機體代謝[11]。

1.2抗氧化作用由于染料木素具有多羥基酚的結構（見圖1-Ⅰ），因此具有一定的抗氧化活性。研究發(fā)現(xiàn)一定劑量的染料木素可以增加乳腺細胞內總超氧化物歧化酶（T-SOD）的含量[12]，活體試驗也證實了飼喂染料木素可以增加動物機體抗氧化能力[13]。同時染料木素可以減弱卵巢切除小鼠的氧化應激、脂質過氧化作用，對雌激素缺乏導致的神經退行性病變起到保護作用[14]。染料木素還可以抑制腦缺血再灌注損傷引起的氧化應激，從而起到腦保護作用[15]。

圖1 染料木素（genistein）和雌二醇（Estradiol）分子結構（Ⅰ）及染料木素與EGFR-TK結合位點的微環(huán)境（Ⅱ，引自[17]）Fig.1 The molecular structure of genistein and estradiol(Ⅰ),the binding site of genistein to EGFR-TK(Ⅱ,[17])

1.3天然的酪氨酸激酶抑制劑染料木素是酪氨酸激酶的高度特異的非競爭性抑制劑，可有效地抑制表皮生長因子受體（EGFR）等信號傳導途徑[16]。模擬對接試驗發(fā)現(xiàn)染料木素可結合在EGFR-TK的活性腔中，通過干擾TK催化活性結構中Lys 721/Glu 738位點對非競爭性結合發(fā)揮抑制作用（見圖1-Ⅱ）[17]。由于PTK活性與表皮生長因子（EGF）、胰島素和胰島素樣生長因子Ⅰ（IGF-1）等受體相關聯(lián)，因此染料木素的抑制作用可能會引起細胞中一些關鍵PTK的激活抑制，從而影響機體代謝[18-19]。

1.4拓撲異構酶抑制劑染料木素還可以通過抑制拓撲異構酶的活性發(fā)揮作用。拓撲異構酶通過催化DNA鏈的斷裂和結合，從而調控DNA的拓撲狀態(tài)，在基因復制、轉錄、重組、修復和染色體重塑過程中發(fā)揮著重要作用[20]。研究發(fā)現(xiàn)染料木素通過抑制拓撲異構酶Ⅱ的表達促進Hela細胞凋亡[21]，還可以通過抑制DNA拓撲異構酶Ⅱ的活性來減少破骨細胞形成[22]。

表1 染料木素在畜牧生產應用中發(fā)揮的生物學功能Table 1 The biological function of genistein in livestock production and application

除了上述被廣泛研究的作用途徑，染料木素還可以非競爭性結合11β-羥基類固醇脫氫酶1（11β-HSD1）、己糖-6-磷酸脫氫酶（H6PD）或通過抑制細胞周期，誘發(fā)細胞凋亡等途徑發(fā)揮生物學功能[23]。在畜牧生產中可依據畜禽的生理狀態(tài)，通過控制染料木素的劑量激發(fā)染料木素的不同作用途徑來達成促生長、調控繁殖、預防和治療疾病等目的（見表1）。

2 染料木素對動物生長發(fā)育的影響

動物生長發(fā)育過程中伴隨著骨骼、肌肉、神經和脂肪等組織質和量的變化。動物體內雌激素水平不僅影響機體卵巢、子宮、乳腺等生殖系統(tǒng)器官的發(fā)育和功能，還可以通過與雌激素受體結合對下丘腦-垂體-性腺軸所涉及的器官和組織產生影響[41]。由于雌激素受體廣泛存在于動物機體的各種組織和器官中，因此存在雌激素受體的部位都可能是染料木素的潛在靶點，并可能發(fā)揮相應的生物學作用。

C.Farmer等[24]對妊娠90 d的母豬每日2次注射220 mg染料木素，待其分娩后進行采血和選取1日齡小公豬進行屠宰測定，發(fā)現(xiàn)處理組母豬血液IGF-1水平及初生仔豬脂肪含量顯著提高，同時發(fā)現(xiàn)處理組的斷奶前死亡率降低為對照組的一半。張詩堯等[25]利用仔豬上皮細胞進行β-伴大豆球蛋白（β-Conglycinin）及其酶解產物吸收規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)添加一定濃度的染料木素有利于仔豬腸道對大豆抗原蛋白的吸收。針對禽類的研究，耿志榮[26]發(fā)現(xiàn)給9日齡雛雞飼料中添加6 mg/kg染料木素，飼喂2周后與對照組相比可以提高日增重8.21%，生長速率增加3.50%（第1周）和3.97%（第2周），同時料重比下降6.50%。2周后染料木素組肝臟重量顯著增加，腿重增加11.24%。孟婷等[27]在1日齡雛鴨日糧中添加染料木素飼喂7周，發(fā)現(xiàn)3 mg/kg和6 mg/kg對雌性櫻桃谷肉鴨均無顯著影響，均能顯著降低雄性肉鴨腹脂率和血清低密度脂蛋白和總膽固醇，6 mg/kg時還可顯著提高雄性肉鴨瘦肉率和血清瘦素水平。陳棟[28]給羅非魚（10.47 g）飼料中添加0、30、300、3 000 μg/g的染料木素，發(fā)現(xiàn)在300 μg/g濃度以下時對羅非魚生長沒有影響，而高濃度染料木素會抑制生長。同時高濃度染料木素會降低羅非魚主要消化酶的活性并能干擾羅非魚的蛋白和糖代謝，降低羅非魚對營養(yǎng)物質的吸收和轉化。另一方面高濃度染料木素抑制了GH/IGF-1生長軸線上游腦ghrelin、NPY R1的表達，進而降低GH合成與分泌；通過抑制肝臟GHR2、IGF-1R表達和促進IGFBP3表達，造成IGF-1合成的降低和游離IGF-1的減少，從而抑制了IGF-1介導的GH促生長作用。

在模式動物上研究，M.Velders等[11]發(fā)現(xiàn)，為去卵巢大鼠補充染料木素增加了大鼠骨骼肌中ERβ和Myh在mRNA水平和蛋白水平的表達量，并證明異黃酮可通過ERβ調節(jié)Myh的表達進而增強骨骼肌的收縮力。此前的研究結果也發(fā)現(xiàn)小鼠哺乳期飼喂含染料木素25 mg/kg的飼料可以促進后代仔鼠體重的增加，飼喂?jié)舛冗_到50 mg/kg時則會影響仔鼠器官的發(fā)育，但當濃度提高到100 mg/kg以上時仔鼠生長就表現(xiàn)出抑制作用，同時嚴重影響仔鼠肝臟和性腺等敏感組織的生長發(fā)育[42]。

以上研究表明染料木素確實能夠對動物生長產生影響，但同時這種影響表現(xiàn)出性別差異和劑量差異，在實際應用過程中仍需根據畜種及特定的生理狀態(tài)進行前期投喂的摸索。

3 對動物繁殖生理的影響

3.1對種畜繁殖能力的影響本世紀初R.Ingham等[43]就報道了造紙廠排放廢水中的染料木素及其他植物雌激素可能通過影響魚類類固醇激素的水平，造成了工廠附近魚類的生殖能力的下降。陳潔[29]將成年雄性斑馬魚暴露在不同濃度的染料木素中，發(fā)現(xiàn)染料木素可以誘導雄性斑馬魚卵黃原蛋白（VTG）表達，同時一部分劑量組睪酮含量顯著下降，雌激素含量顯著上升，ERβ mRNA的表達量也顯著升高，并呈現(xiàn)出劑量依賴性，其結果揭示染料木素誘導雄性斑馬魚VTG的表達可能方式是通過雌激素β受體（ERβ）途徑和直接提高雄魚性腺內雌二醇的水平發(fā)揮作用。M.Dimaggio等[30]的研究發(fā)現(xiàn)日糧中的染料木素可以影響比目魚的性別、生長發(fā)育和存活率，添加0、100、1 000 mg/kg染料木素時，發(fā)現(xiàn)高劑量組雌魚更多，同時高劑量染料木素會導致比目魚生長和存活下降。C.Bennetau等[44]以用作對照的魚粉為基礎的飲食制備500 ppm和1 000 ppm的富含染料木素的飼料，發(fā)現(xiàn)在500 ppm濃度時飼養(yǎng)魚類的生殖能力就可能受損。A Jourdehi等[31]利用鱘魚作為試驗動物，在其日糧中分別添加0.2、0.4、0.8、1.6 g/kg染料木素，發(fā)現(xiàn)染料木素的添加可以增加雌魚卵母細胞的直徑，并提高體內睪酮和雌二醇（E2）的水平，同時還可增加體內鈣、磷和膽固醇含量。

Li等[45]研究發(fā)現(xiàn)500 ppm染料木素處理可以增加小鼠的乳腺組織質量和提前雌鼠的陰道開口時間。此前對小鼠和哈薩克羊的試驗中也發(fā)現(xiàn)染料木素能影響動物的發(fā)情及生殖器官變化。在雌性未性成熟的小鼠日糧中添加一定量的染料木素可以增加雌性小鼠性器官的濕重，對于性器官重量的增加可能主要是起雌激素樣作用的結果[32]。在乏情期飼喂一定劑量的染料木素可以誘導哈薩克羊在乏情期發(fā)情，其作用機制可能通過雌激素樣作用以及改善乏情期綿羊的體況誘導發(fā)情[46]。利用體外培養(yǎng)的顆粒細胞研究染料木素的雌激素效應作用，研究者發(fā)現(xiàn)5 μM濃度的染料木素可以顯著提高ERβ的mRNA水平[33]。

3.2對繁殖相關經濟性狀的影響產奶和產蛋是分別是哺乳動物和禽類重要的繁殖性狀，同時也是乳畜和蛋禽最主要的經濟性狀。早在1992年Fan等發(fā)現(xiàn)染料木素可以以劑量依賴的方式抑制催乳素（Prolactin,PRL）誘導的乳腺上皮細胞中酪蛋白、脂質和乳糖的合成[34]。

臧長江等[13]對泌乳期的伊犁母馬補飼0.7 g染料木素，發(fā)現(xiàn)其血液尿素氮含量顯著升高，并提示泌乳期母馬飼喂染料木素對馬匹免疫力提高和機體抗氧化能力有一定促進作用。郭云等[35]選用泌乳期為第3個月的伊犁母馬每日添加0.7 g染料木素，飼喂42 d時乳蛋白產量提高29.61%，乳脂產量提高50.25%，飼喂56 d時乳糖產量提高20.29%，飼喂70 d時產奶量提高20.00%，以上結果提示泌乳期補飼染料木素可以提高伊犁母馬的產奶量和奶品質。劉春龍等[36]給與泌乳中期奶牛每天200 mg染料木素，發(fā)現(xiàn)染料木素添加組血液中總膽固醇、甘油三酯含量顯著下降，高密度脂蛋白含量顯著上升而低密度脂蛋白顯著下降，血清鈣含量顯著上升，并在一定程度上降低了奶牛血液的黏稠度。通過體外培養(yǎng)試驗，研究人員發(fā)現(xiàn)添加10、100 ng/mL染料木素可以顯著促進牛乳腺上皮細胞增殖，可顯著增加總超氧化物歧化酶（T-SOD）、丙二醛（MDA）和一氧化氮（NO）的活性和含量[12]。

對蛋禽的研究也發(fā)現(xiàn)添加一定劑量的染料木素可以提高蛋禽的生產性能。陳常秀等[37]發(fā)現(xiàn)在蛋雞產蛋后期飼料中添加染料木素可提高蛋雞產蛋性能和雞蛋品質及抗氧化能力，研究人員在蛋雞490～587日齡時以500 mg/kg和1 000 mg/kg的染料木素添加量進行飼喂，發(fā)現(xiàn)1 000 mg/kg組的采食量和產蛋率顯著提高而料蛋比顯著降低，蛋殼相對質量、蛋殼厚度、蛋殼強度和哈夫單位也顯著提高，同時蛋中染料木素的含量也顯著增加，蛋重和蛋比重則無明顯變化。徐國銀[38]在40周齡的蛋雞飼料中添加6 mg/kg的染料木素，持續(xù)飼喂到46周，發(fā)現(xiàn)染料木素可以提高蛋雞在產蛋高峰的產蛋率和降低料蛋比，對蛋重則無明顯影響，進一步研究發(fā)現(xiàn)染料木素還可以顯著降低血清總膽固醇和甘油三酯。針對鵪鶉產蛋的研究中發(fā)現(xiàn)在日糧中添加染料木素有利于鵪鶉產蛋性能的提升，添加800mg/kg染料木素時可以顯著提高鵪鶉采食量、蛋重和飼料轉化率等指標，而不影響蛋黃黃豆苷原，維生素A和維生素E水平[39]。

姜晶晶[47]對青春期雌性大鼠進行6 mg/100 g體重的劑量灌胃，發(fā)現(xiàn)灌胃染料木素后大鼠乳腺相對體重百分比較對照組提高35.41%，乳腺組織RNA和DNA含量分別提高27.24%和4.27%，而RNA/DNA升高22.07%，提示染料木素可以促進大鼠乳腺的發(fā)育。血清17β雌二醇含量升高26.68%，孕酮水平提高130.54%。同時在日糧中進行添加染料木素，發(fā)現(xiàn)灌胃和日糧添加效果基本一致。

4 對動物抗病及免疫功能的影響

S.Chakraborty等[40]給成年羅非魚（39.55 g）飼料中添加1 g/kg的染料木素飼喂35 d，發(fā)現(xiàn)飼喂染料木素之后可以提高羅非魚的生長和非特異性免疫力。Wan等[48]研究發(fā)現(xiàn)染料木黃酮能降低日本血吸蟲卵誘導的肝肉芽腫和纖維化，至少部分是由于NF-κB信號傳導下降，隨后降低了MCP1、TNFα和IL10的表達。這意味著染料木素可能是抗血吸蟲病的潛在天然藥物。陸揚[49]發(fā)現(xiàn)與VOA致敏小鼠相比口服染料木素可以減小VOA致敏小鼠的血清IgG1水平和mMCP-7肥大細胞的數量，同時口服染料木素后致敏小鼠的腸道微生物菌群的豐富性和優(yōu)勢菌群沒有發(fā)生顯著變化，提示染料木素可以緩解食物過敏的進程。王海濤等[50]發(fā)現(xiàn)染料木素可以通過破壞細茵細胞壁及細胞膜的完整性、抑制細茵的呼吸代謝和抑制蛋白質的合成等抑制金黃色葡萄球菌的生長。

5 總結與展望

已有的文獻表明染料木素在畜牧生產應用中可發(fā)揮雙向調節(jié)作用，通常低濃度表現(xiàn)為對動物產奶、產蛋、生長及發(fā)育的促進和對細胞增殖及抗氧化能力的提升，高濃度則表現(xiàn)出對動物生長及繁殖性能的損傷和對細胞增值的抑制及促進凋亡。除此之外染料木素的靶向位點雌激素受體類型、受體酪氨酸激酶的分布和動物生理狀態(tài)的差異也會影響染料木素的作用效果。由于其廣泛的生理學作用，染料木素可應用在畜牧生產領域的多個方面，同時染料木素對動物機體的調控網絡極其復雜，其實際生產應用中的作用機理和可能產生的不良影響仍需進一步探索。

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