維生素A增強動物抗病毒能力的作用及其機制研究進展

冉智明 陳代文 余 冰 趙 葉,3*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，成都611130；2.教育部動物抗病營養(yǎng)重點實驗室，成都611130；3.四川農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，成都611130)

病毒是專性細胞內寄生微生物，只能利用宿主細胞的生化裝置來進行自我復制，其侵襲擾亂細胞正常生命活動，導致疾病發(fā)生，嚴重威脅人及動物健康和動物安全生產(chǎn)。營養(yǎng)物質是一切生命活動的物質基礎，既影響動物的生產(chǎn)潛力和效率，也決定了動物的健康狀況[1]。近年來，大量研究表明人和動物的抗病毒能力與其營養(yǎng)狀況密切相關[2-7]。因此，通過營養(yǎng)技術增強動物病毒抵抗力具有重大的理論和實踐意義。維生素A也稱視黃醇(retinol，ROH)，是所有脊椎動物所必需的營養(yǎng)素之一，它不僅具有維持動物正常生長發(fā)育的功能[8]，同時還有抗感染的能力，被稱為“抗感染維生素”[9]。研究發(fā)現(xiàn)，維生素A能增強動物抗病毒感染的能力，增強接種病毒疫苗后的保護效應，減輕病毒性傳染病的嚴重程度，降低死亡率[6-7,10-13]。本文簡要總結了維生素A增強動物抗病毒的能力及其機制，以期為進一步深入研究其調節(jié)動物抗病毒能力的作用機理提供參考。

1 維生素A增強動物抗病毒能力的活性形式

維生素A主要通過其活性代謝產(chǎn)物全反式視黃酸(all-transretinoic acid，ATRA)發(fā)揮增強動物抗病毒的能力。動物攝入的維生素A主要以視黃酯(retinyl esters，REs)的形式儲于肝臟星狀細胞中[14]。肝臟儲存的REs不斷地水解產(chǎn)生ROH，并釋放進循環(huán)系統(tǒng)以供組織細胞吸收利用，維持機體正常需要[15]。組織細胞吸收的ROH首先在視黃醇脫氫酶作用下氧化為視黃醛，然后在視黃醛脫氫酶催化下不可逆地轉化為視黃酸(retinoic acid，RA)[16]。RA存在多種異構體，包括ATRA、13-順式RA(13-cis-RA，13cRA)和9-順式RA(9-cis-RA，9cRA)等，其中ATRA被認為是維生素A在機體發(fā)揮大多數(shù)生理功能的活性形式[17-18]。視黃酸受體(retinoic acid receptors，RARs)屬于核受體超家族的一類子受體，通常與類視黃醇X受體(retinoid X receptors，RXRs)形成異源二聚體作用于靶基因啟動子區(qū)的視黃酸反應元件(retinoic acid responsive elements，RARE)來調節(jié)基因的轉錄活性[19]。ATRA作為RARs的天然配體，它發(fā)揮作用的經(jīng)典方式是與RARs的配體結構域結合，增強相關功能基因的誘導表達，進而發(fā)揮功能效應[16]。Cho等[20]研究發(fā)現(xiàn)維生素A增強動物抗病毒能力的作用與其能否代謝為ATRA密切相關。ATRA增強動物抗病毒能力的作用在多項研究中得到證實[20-25]，這與ATRA能調節(jié)抗病毒相關分子的表達相關。研究表明，ATRA以RARs依賴的方式發(fā)揮增強抗病毒能力的作用[22-23]?？梢姡S生素A主要通過轉化為ATRA以RARs依賴的方式發(fā)揮其增強動物抗病毒能力的作用。

2 維生素A對動物抗病毒能力的影響

維生素A在機體抵抗單鏈(ss)RNA病毒、雙鏈(ds)RNA病毒及DNA病毒感染的過程中發(fā)揮著重要作用(表1)。ssRNA病毒包括不分節(jié)段(副黏病毒科、絲狀病毒科、彈狀病毒科和博爾納病毒科)和分節(jié)段(正黏病毒科、布尼亞病毒病毒科和沙粒病毒科)兩大類[26]。目前維生素A抗(-)ssRNA病毒的研究集中于副黏病毒科，該病毒科主要包括麻疹病毒、腮腺炎病毒、犬瘟熱病毒和新城疫病毒等。麻疹病毒和腮腺炎病毒的宿主主要是人類，二者感染分別引起麻疹和腮腺炎。臨床研究顯示補充維生素A能減少麻疹病毒感染引起的發(fā)病率和死亡率[27-28]，表明維生素A在抗麻疹病毒的過程中起著重要作用。因此，世界衛(wèi)生組織推薦維生素A用于治療兒童急性麻疹[29]。Trottier等[22]研究發(fā)現(xiàn)，生理濃度的ROH能顯著抑制外周血單核細胞以及多種細胞系中麻疹病毒的復制增殖，證實了維生素A的抗麻疹病毒作用。Soye等[23]研究發(fā)現(xiàn)，ROH劑量依賴性地抑制腮腺炎病毒復制增殖，表明維生素A具有抗腮腺炎病毒作用。新城疫病毒主要感染禽類，對雞等常見家禽具有高度的傳染性和致死性。Okpe等[6]在仔雞的商業(yè)飼料中按照每千克飼糧額外補充600 IU維生素A，發(fā)現(xiàn)在仔雞飼糧中額外補充600 IU維生素A延遲了新城疫病毒攻毒后臨床標志出現(xiàn)的時間和顯著減輕了感染后組織器官損傷和疾病癥狀，攻毒后的死亡率相對于未補充組降低了36%，表明補充維生素A能在一定程度上增強仔雞抗新城疫病毒的能力。犬瘟熱病毒是一種嚴重威脅犬科和貓科等動物健康的病毒。Rodeheffer等[7]報道，給維生素A充足的雪貂鼻內接種犬瘟熱病毒，發(fā)現(xiàn)在接種當天和接種后第1天肌肉注射30 mg維生素A的雪貂沒有明顯的感染癥狀，而未注射維生素A的雪貂出現(xiàn)明顯的感染癥狀，表明維生素A具有增強雪貂抗犬瘟熱病毒能力的作用。由于已有的研究對象集中于(-)ssRNA病毒的副黏病毒科成員，維生素A是否能增強動物抗其他(-)ssRNA病毒的能力有待進一步研究。

表1 維生素A對不同病毒感染的作用

(+)ssRNA病毒主要包括諾如病毒、腸道病毒71型和丙型肝炎病毒等。諾如病毒是一種無囊膜病毒，感染人和動物后可引起急性病毒性胃腸炎。Lee等[24]研究發(fā)現(xiàn)，ROH能以劑量依賴的方式抑制鼠科諾如病毒在鼠巨噬細胞系RAW 264.7和小鼠體內的復制，說明維生素A具有抑制諾如病毒的作用。腸道病毒71型是小RNA病毒科腸道病毒屬成員，是手足口病的主要病原體之一。Chen等[25]發(fā)現(xiàn)ATRA處理可顯著減少腸道病毒71型感染細胞數(shù)量和抑制病毒感染引起的細胞凋亡，說明維生素A可能通過代謝產(chǎn)生ATRA發(fā)揮抗腸道病毒71型的作用。丙型肝炎病毒是一種具有包膜的黃病毒科病毒，是引起輸血后肝炎的主要病原體。Bitetto等[5]報道，大部分丙型肝炎病毒感染的病人存在血清維生素A缺乏現(xiàn)象，且這種缺乏與抗病毒治療無效有關。Cho等[20]和Murakami等[31]研究均發(fā)現(xiàn)ATRA能抑制丙型肝炎病毒復制，表明維生素A可通過代謝產(chǎn)物ATRA發(fā)揮抗丙型肝炎病毒的作用。

目前關于維生素A對dsRNA和DNA病毒影響的研究報道很有限。輪狀病毒是一種屬于呼腸孤病毒科的dsRNA病毒，是引起兒童和仔豬病毒性腹瀉的主要病原體之一。Chattha等[12]報道，維生素A缺乏組和充足組的仔豬分別經(jīng)輪狀病毒攻毒后，缺乏組的腹瀉嚴重程度和持續(xù)時間以及糞便中病毒滴度都顯著高于充足組，表明維生素A具有增強動物抗輪狀病毒能力的作用。Kandasamy等[13]報道，通過使用輪狀病毒攻毒已接種輪狀病毒疫苗后的無菌仔豬來評價疫苗的保護效率，發(fā)現(xiàn)接種疫苗對產(chǎn)前和產(chǎn)后2個階段維生素A都缺乏組和充足組無菌仔豬的腹瀉保護效率分別為25%和100%，缺乏組糞便中的病毒滴度是充足組的350倍，表明在仔豬產(chǎn)前和產(chǎn)后2個階段維生素A缺乏損害了接種輪狀病毒疫苗的保護效應。腺病毒屬于dsDNA病毒，是引起人畜共患的急性傳染病的病原體之一。血清谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶活性及肝臟炎性浸潤可反映肝臟炎癥和損傷。Jie等[30]報道，復制缺陷型重組腺病毒誘導的肝炎模型小鼠腹腔注射ATRA顯著降低了血清谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶活性及肝臟炎性浸潤，表明ATRA能減輕腺病毒感染導致的肝臟炎癥和損傷?？梢姡S生素A可通過代謝產(chǎn)物ATRA發(fā)揮抗腺病毒的作用。

3 維生素A增強抗病毒能力的機制

3.1 提高視黃酸誘導基因-Ⅰ(retinoic acid-induced gene Ⅰ，RIG-Ⅰ)受體介導的干擾素-Ⅰ(interferon-Ⅰ，IFN-Ⅰ)表達以增強天然抗病毒免疫反應

天然抗病毒免疫反應對于限制病毒的早期擴散是必不可少的，維生素A能以視黃酸受體α(retinoic acid receptors α，RARα)依賴的方式上調RIG-Ⅰ的表達，增強RIG-Ⅰ介導的信號級聯(lián)反應，促進IFN-Ⅰ的誘生來增強天然抗病毒免疫反應。細胞對病毒入侵的感知能力依賴于一類能特異性地識別病毒表達的病原相關分子模式的模式識別受體，這類受體主要包括Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)和RIG-Ⅰ樣受體(RIG-Ⅰ like receptors，RLRs)[32-33]。RIG-Ⅰ是RLRs的一個核心成員，研究表明ATRA在抗(-)ssRNA病毒(麻疹病毒和腮腺炎病毒)和(+)ssRNA病毒(腸道病毒71型)反應過程中能以RARα依賴的方式上調RIG-Ⅰ的表達[23,25,34]。ATRA發(fā)揮的抗麻疹病毒和腮腺炎病毒的反應也被證實需要RIG-Ⅰ參與[23,34]。干擾素調節(jié)因子-1(interferon regulatory factor-1，IRF-1)是一種轉錄因子，能結合于RIG-Ⅰ基因啟動子，且這種結合作用對RIG-Ⅰ的誘導表達是至關重要的[34]。研究表明，ATRA能以RAR依賴的方式上調IRF-1的表達和增加IRF-1核定位數(shù)量以及招募IRF-1至RIG-Ⅰ啟動子[23,34]。因此，ATRA能通過IRF-1信號途徑上調RIG-Ⅰ的誘導表達，增強細胞對病毒的識別能力。RIG-Ⅰ識別病毒RNA后觸發(fā)下游的信號級聯(lián)反應，導致干擾素調節(jié)因子-3(interferon regulatory factor-3,IRF-3)、干擾素調節(jié)因子-7(interferon regulatory factor-7，IRF-7)和核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)等轉錄調節(jié)因子的激活，進而誘導IFN-Ⅰ等抗病毒基因的表達。IFN-Ⅰ包括干擾素-β(interferon-β，IFN-β)和多種干擾素-α(interferon-α，IFN-α)的亞型，是早期中斷病毒復制阻止病毒擴散的關鍵免疫分子[28]。研究表明，ATRA能通過RIG-Ⅰ信號途徑上調IFN-Ⅰ的表達而抑制麻疹病毒、腮腺炎病毒和腸道病毒71型感染[23,34-35]。綜上，ATRA可能通過IRF-1信號途徑上調RIG-Ⅰ的表達，提高機體對病毒的識別能力，以促進RIG-Ⅰ介導的IFN-Ⅰ表達，增強IFN-Ⅰ介導的抗病毒天然免疫反應，發(fā)揮抗病毒作用(圖1)。

Vitamin A：維生素A；Cytoplasm：細胞質；Nucleus：細胞核；Viral RNA：病毒RNA；Antiviral：抗病毒；ATAR：全反式視黃酸 all-trans retinoic acid；RARα：視黃酸受體α retinoic acid receptors α；RXRs：類視黃醇X受體 retinoid X receptors；IRF-1：干擾素調節(jié)因子-1 interferon regulatory factor-1；RIG-Ⅰ：視黃酸誘導基因-Ⅰ retinoic acid-induced gene Ⅰ；IRF-3：干擾素調節(jié)因子-3 interferon regulatory factor-3；IRF-7：干擾素調節(jié)因子-7 interferon regulatory factor-7；NF-κB：核因子-κB nuclear factor-κB；IFN-α/β：干擾素-α/β interferon-α/β。

圖1維生素A調節(jié)RIG-Ⅰ介導的IFN-Ⅰ抗病毒途徑的可能機制

Fig.1 Potential mechanism of vitamin A modulates RIG-Ⅰ-mediated IFN-Ⅰ antiviral pathway

3.2 提高黏膜的病毒特異性免疫球蛋白A(immunoglobulin A，IgA)分泌以增強適應性抗病毒免疫反應

病毒是一種良好的抗原，能引起適應性免疫應答，B淋巴細胞接受抗原刺激后增殖分化成為漿細胞產(chǎn)生免疫球蛋白，介導體液免疫抑制病毒感染。IgA是黏膜分泌液中的主要免疫球蛋白，主要分布于唾液、呼吸道、消化道等黏膜表面，是機體抵抗病毒等微生物感染的第1道防線。研究表明維生素A在調節(jié)呼吸道等部位IgA對病毒及疫苗的黏膜免疫反應中發(fā)揮重要作用。小鼠分別飼喂2種不同水平維生素A的飼糧，鼻內接種甲型流感病毒H3N2后，高維生素A水平組唾液中的病毒特異性抗體滴度顯著高于低水平組[36]。維生素A缺乏顯著降低小鼠接種仙臺病毒后鼻相關淋巴組織中的病毒特異性IgA抗體滴度，但在接種病毒的同時通過鼻腔途徑給維生素A缺乏小鼠補充視黃醇棕櫚酸酯(0.6、6.0、60.0和600.0 IU)后，其病毒特異性抗體滴度呈劑量依賴性提高，在補充60.0 IU時差異顯著[37]。小鼠維生素A缺乏降低了流感病毒疫苗(FluMist)接種后誘導的鼻相關淋巴組織病毒特異性IgA抗體滴度；但在維生素A缺乏小鼠接種疫苗的當天和接種后的第3、7天通過強飼補充300 μg RA或600 IU維生素A棕櫚酸酯均提高了鼻淋巴組織的病毒特異性IgA抗體滴度[38]。增加IgA抗體形成細胞數(shù)量可提高IgA抗體產(chǎn)生。小鼠維生素A缺乏顯著減少了仙臺病毒接種后在鼻相關淋巴組織誘導的病毒特異性IgA抗體形成細胞數(shù)量，但是在接種病毒的同時通過鼻腔給維生素A缺乏小鼠補充視黃醇棕櫚酸酯(0.6、6.0、60.0和600.0 IU)后，其病毒特異性IgA抗體形成細胞數(shù)量呈劑量依賴性提高，在補充6.0 IU時差異顯著[37]。維生素A缺乏顯著減少了小鼠接種FluMist疫苗后鼻相關淋巴組織誘導的病毒特異性IgA抗體形成細胞數(shù)量，但維生素A缺乏小鼠接種疫苗的當天和接種后的第3、7天通過強飼補充300 μg RA或600.0 IU維生素A棕櫚酸酯均顯著增加鼻淋巴組織的病毒特異性IgA抗體形成細胞數(shù)量[38]。以上這些結果表明適宜水平的維生素A和RA能增加病毒及其疫苗誘導的特異性IgA抗體形成細胞數(shù)量，提高病毒特異性IgA抗體分泌水平，增強黏膜IgA介導的適應性抗病毒能力。

3.3 增加腸道具有抗病毒活性乳桿菌的數(shù)量發(fā)揮抗病毒作用

動物腸道微生物通過與黏膜免疫系統(tǒng)的交互作用在病原體感染和黏膜免疫反應過程中發(fā)揮著至關重要的作用[39-40]。乳桿菌屬作為腸道菌群的重要組成部分，其部分成員具有抗病毒活性[24,41]。研究發(fā)現(xiàn)，4種不同的乳桿菌菌株(L.ruminisSPM 1308、L.fermentumKCTC 3112、L.rhamnosusKCTC 18427P和L.reuteriKCTC 18428P)能顯著抑制RAW264.7細胞中諾如病毒復制，且顯著上調RAW264.7細胞IFN-βmRNA的豐度，表明這4種乳桿菌能通過上調IFN-β基因的表達抑制諾如病毒復制[24]。飼糧組成是影響腸道菌群結構的重要因素之一。給小鼠分別飼喂維生素A缺乏飼糧和維生素A充足飼糧(含維生素A 3 000 IU/kg)，結果發(fā)現(xiàn)，缺乏組小鼠的空腸、回腸和盲腸部位的細菌總量與充足組相比均顯著增加，但3個乳桿菌屬相對數(shù)量比充足組分別減少62%、82%和86%，表明適宜水平的維生素A具有增加腸道乳桿菌屬細菌數(shù)量的作用[42]。因此，維生素A可能通過調節(jié)腸道菌群結構，提高腸道菌群組成中具有抗病毒活性的乳桿菌屬細菌數(shù)量，間接增強機體抵抗病毒感染的能力，但維生素A影響腸道菌群結構的具體機制有待進一步研究。

4 小 結

綜上所述，維生素A具有增強動物抗病毒能力的作用，其發(fā)揮作用的機制與上調RIG-Ⅰ介導的IFN-Ⅰ表達增強天然抗病毒反應，提高病毒特異性IgA分泌增強適應性抗病毒免疫反應，以及調節(jié)腸道菌群增加具有抗病毒活性乳桿菌的數(shù)量等途徑有關。在畜禽生產(chǎn)中，飼糧中充足的維生素A既能增強畜禽病毒抵抗力，也能增強疫苗的保護效應。但維生素A增強抗病毒能力的具體機制仍待進一步研究。