β-胡蘿卜素相關(guān)降解酶在動物黃脂形成過程中的調(diào)控作用研究進展

任曉瑩，王樹林，曹得霞

（青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海西寧 810016）

β-胡蘿卜素（β-carotene）作為維生素A 的前體，廣泛存在于諸多作物中[1]，目前已知有β-胡蘿卜素-15，15'-加氧酶（β-carotene-15，15' -momoxygenase，BCMO1）和β-胡蘿卜素-9'，10'-雙加氧脫氫酶（β-carotene-9'，10'-dioxygenase，BCO2）2 個與β- 胡蘿卜素代謝相關(guān)的酶，在不同物種和組織細(xì)胞中發(fā)揮不同的重要作用，BCMO1裂解產(chǎn)生 2 分子視黃醇（Retinol，ROH），BCO2裂解產(chǎn)生1 分子ROH[2]，其共同裂解產(chǎn)物視黃酸（Retinoic Acid，RA）影響脂肪沉積[3]，在脂質(zhì)代謝過程中有多種調(diào)控因子參與，包括視黃酸受體（Retionic Acid Receptor，RAR）、維甲酸類X 受體α（Retinoid X Receptorα，RXRα）、過氧化物酶體增殖物激活受體γ（Peroxisome Proliferator-ac-tivatereceptorγ，PPARγ）、腸道特異同源框（Intestine Specific Homeobox，ISX）和B 類Ⅰ型清道夫受體（Scavenger Receptor Class B type Ⅰ，SR-B Ⅰ）；當(dāng)動物攝入過量維生素A 源物質(zhì)時，由于負(fù)反饋調(diào)節(jié)機制，大量的類胡蘿卜素?zé)o法進行正常代謝，部分沉積在動物組織中[4]，若沉積在脂肪中，表現(xiàn)為脂肪黃色組織[5]。大量的證據(jù)表明，β-胡蘿卜素衍生的類胡蘿卜素信號分子可以影響脂肪細(xì)胞生理學(xué)[6-8]。然而，控制膳食β-胡蘿卜素對類視黃醇裂解效率的物種特異性差異的機制仍不清楚。本文主要綜述了β-胡蘿卜素的2 種降解酶的特性及動物黃脂研究進展，為β-胡蘿卜素在動物營養(yǎng)調(diào)控方面的研究和應(yīng)用提供一定參考。

1 β-胡蘿卜素與動物體內(nèi)維生素A 的代謝關(guān)系

維生素A 為脂溶性維生素，對脊椎動物的生命至關(guān)重要，并具有視覺作用[9]、上皮正常形成和維持[10]、免疫功能[11]、胚胎生長和發(fā)育[12]、保護神經(jīng)[13]等重要功能。β- 胡蘿卜素作為維生素A 的前體，廣泛存在于胡蘿卜、木瓜、菠菜、哈密瓜等作物中[14]。β- 胡蘿卜素產(chǎn)生維生素A 的量主要取決于攝入類胡蘿卜素的吸收和代謝情況，動物體內(nèi)不能從頭合成維生素A，只能靠食源性物質(zhì)的供給[15]。然而，有研究在節(jié)肢動物的基因組中發(fā)現(xiàn)了編碼類胡蘿卜素生物合成的基因[16]。動物體內(nèi)不能從頭合成維生素A 的觀點存在爭議。

已知在動物體內(nèi)維生素A 的合成主要有對稱切割和不對稱切割2 個途徑可將β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A 的衍生物。對稱切割是將BCMO1切割為2 分子視黃醛（Retinaldehyde，RAL）[17]，其次在視黃醛還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為維生素A，RAL 也可在視黃醛脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)化成為RA[18]；不對稱切割是將BCO2切割成β-apo-10'-胡蘿卜素和β-紫羅酮[19]，β-apo-10'-胡蘿卜素經(jīng)過類似β氧化的過程轉(zhuǎn)化為RA[20]。盡管BCMO1是維生素A 生成中的主要酶，但BCO2被認(rèn)為是形成維生素A 的替代途徑[21]。小鼠的敲除研究強烈表明，BCMO1是β- 胡蘿卜素轉(zhuǎn)化維生素A 的關(guān)鍵酶[6]。在小鼠中的類似研究也表明，BCMO1在β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為類維生素A 中起主要作用，但作者并未排除其他酶的可能貢獻[22]。與BCMO1不同，BCO2具有更廣泛的底物特異性，還可以代謝非維生素A 類胡蘿卜素。在心臟、子宮內(nèi)膜結(jié)締組織、前列腺和和骨骼肌細(xì)胞以及內(nèi)分泌胰腺中檢測到BCO2，發(fā)現(xiàn)BCO2酶在一些對維生素A 缺乏不敏感且未檢測到BCO1的組織和細(xì)胞類型中表達，這也表明BCO2可能參與除維生素A 合成之外的其他生物過程[23-24]。雞中分離的BCO2分解出多種類胡蘿卜素[25]，包括葉黃素（Xanthophylls）。這意味著該酶除了提供維生素A 合成的前體之外可能具有其他生理作用。Li 等[26]研究表明，靈長類動物BCO2由于失去可變剪接位點而失活有助于靈長類動物視網(wǎng)膜中葉黃素和玉米黃質(zhì)素（zeaksantyna）的選擇性積累。相比之下，Babino 等[27]提出人BCO2的酶功能是保守的，BCO2表達受氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)。

2 β-胡蘿卜素相關(guān)代謝酶對動物類胡蘿卜素代謝的調(diào)控作用

2.1β-胡蘿卜素在動物體內(nèi)分布及轉(zhuǎn)運 不同動物體不同組織器官中類胡蘿卜素分布部位及含量不同。Yang等[28]報道，綿羊和山羊的血清和脂肪中葉黃素為主要的類胡蘿卜素，而牛的血清和脂肪中則是β-胡蘿卜素，脂肪中有較高含量的葉黃素，雞的肝臟中則是β-胡蘿卜素，而牛肝臟中僅有少量β-胡蘿卜素。在動物的不同生長階段，類胡蘿卜素存在的組織部位不同。在動物生長的初級階段，類胡蘿卜素主要分布在血液、脂肪、皮膚、肝臟以及禽類動物的羽毛中；在動物性成熟以后則開始轉(zhuǎn)至生殖器官中，幼鮭魚體內(nèi)的類胡蘿卜素主要分布在肌肉和皮膚中，性成熟以后卵巢中的含量占主導(dǎo)[29]。

β- 胡蘿卜素的存在形式為非單體的蛋白復(fù)合物，類胡蘿卜素經(jīng)動物體中胃腸消化酶的作用分離成單體，再與脂類一同被膽汁乳化后進入十二指腸，形成乳糜微粒，這可被膽固醇轉(zhuǎn)運載體進行轉(zhuǎn)運，也可經(jīng)被動運輸在小腸黏膜處被吸收[30]。被吸收的乳糜微粒能夠直接轉(zhuǎn)化為維生素A 后被機體利用，也能夠經(jīng)門靜脈或淋巴管進入血液循環(huán)，進而儲存在肝臟或轉(zhuǎn)化為維生素A，而一部分未被轉(zhuǎn)化的乳糜微粒與新陳代謝的黏膜上皮細(xì)胞一起經(jīng)過腸道后被排出體外[31]。一些觀察表明，類胡蘿卜素的吸收不一定是被動過程[32]，其吸收存在非常明顯的個體差異，很難用被動擴散過程來解釋。之前有研究表明，在類胡蘿卜素小腸吸收過程中，SR-BI和 CD36（Cluster of Differentiation 36，CD36） 可 能參與了脂類的攝取[33]，在果蠅中發(fā)現(xiàn)了與哺乳動物B類清道夫受體SR-BI 和CD36 具有明顯的序列同一性的清道夫受體，其介導(dǎo)細(xì)胞對類胡蘿卜素的攝取[34]。然而，在某些物種中，大量的類胡蘿卜素不會在腸道中裂解并進入循環(huán)[35]。據(jù)推測，血清中的類胡蘿卜素通過高密度脂蛋白（High Density Lipoprotein，HDL）受體傳遞給靶細(xì)胞[36]，類胡蘿卜素被摻入乳糜微粒中以進入循環(huán)。大多數(shù)親脂性類胡蘿卜素在極低密度脂蛋白（Very Low Density Lipoprotein，VLDL）和低密度脂蛋白（Low-Density Lip-oproteins，LDL）顆粒的核心中運輸[37]并最終通過LDL 受體遞送至外周組織[38]。有研究表明，血清中β-胡蘿卜素水平由維生素A 前體的中心裂解產(chǎn)生的RAL 通過視黃醛還原酶有效地轉(zhuǎn)化為ROH，并通過視黃醇?；D(zhuǎn)移酶在腸細(xì)胞內(nèi)酯化，視黃酯（Retinyl Ester，RE）由新生的乳糜微粒通過淋巴系統(tǒng)運輸，并被肝細(xì)胞吸收，再被水解成ROH，然后由肝細(xì)胞分泌到循環(huán)中或儲存在肝星狀細(xì)胞中，其比例旨在維持穩(wěn)定的ROH 血漿水平[8]。本團隊研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加不同水平β-胡蘿卜素的牦牛血漿ROH 水平差異不顯著（數(shù)據(jù)未發(fā)表），因此，推測血漿ROH 水平不受外界類胡蘿卜素攝入的影響，只有當(dāng)維生素A肝臟儲備嚴(yán)重耗盡時才會發(fā)生變化。

2.2BCMO1和BCO2對β- 胡蘿卜素代謝的調(diào)控作用類胡蘿卜素主要通過對稱裂解途徑轉(zhuǎn)化為維生素A，其中BCMO1起催化作用使β- 胡蘿卜素在 15，15' 雙鍵位置斷裂，通過15，15' 雙鍵的環(huán)氧化作用、雙鍵的水化開環(huán)和二醇形式的氧化斷裂，最后生成2 分子RAL[39]。早期研究表明，在大鼠肝臟和腸道中發(fā)現(xiàn)了BCO1 能分解ROH[40-41]。動物的大部分組織器官中均可檢測到BCMO1的表達，其中在腸黏膜細(xì)胞中的活性達到最大值[34]。Duszka 等[42]在小鼠的肝臟、腎臟、小腸、子宮以及睪丸中均檢測到BCMO1基因mRNA 的表達。而Wyss 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在雞體內(nèi)BCMO1基因mRNA 主要在十二指腸黏膜、肝臟、肺臟及腎臟管狀結(jié)構(gòu)等組織表達。有研究表明，在肝臟細(xì)胞的儲脂細(xì)胞中BCMO1具有較高的表達量[44]。在敲除BCMO1基因后，小鼠出現(xiàn)維生素A 缺乏，且形成脂肪肝[6]。

BCO2是位于線粒體內(nèi)膜中的類胡蘿卜素裂解酶，最初被發(fā)現(xiàn)是一種催化類胡蘿卜素不對稱裂解的酶。BCO2敲除損害線粒體功能，導(dǎo)致氧化應(yīng)激。BCO2在肝細(xì)胞中高度表達，對于ROH 的攝取和加工很重要[45]。含有羥基化β- 紫羅蘭酮環(huán)的類胡蘿卜素（包括隱黃素和葉黃素）是BCO2的底物，位于線粒體中[3]。這些發(fā)現(xiàn)表明BCO2突變具有組織特異性。Jaume 等[46]研究證明，BCO2具有防止類胡蘿卜素過度積累的作用，特別是在線粒體中。BCO2敲除小鼠也顯示肝臟中的脂質(zhì)積累[47]。然而，BCO2表達升高減弱了肝臟脂肪變性。敲除BCO2可能導(dǎo)致肝臟線粒體功能障礙，導(dǎo)致脂肪酸氧化受損，肝細(xì)胞對氧化應(yīng)激的易感性增加[48]。有研究顯示，BCO2的全身敲除導(dǎo)致食物攝入增加而體重不增，這表明敲除小鼠中的能量穩(wěn)態(tài)可能受到干擾[49]。

BCMO1和BCO2催化β- 胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的產(chǎn)物，一部分生成ROH 用于機體正常的ROH 代謝，一部分生成RA。推測在正常情況下，若攝入大量β-胡蘿卜素會導(dǎo)致RA 的累積，而RA 能夠影響脂肪細(xì)胞的分化[50]和脂肪沉積[3]。已有研究表明，BCMO1在脂肪細(xì)胞中RA 產(chǎn)生和RAR 信號傳導(dǎo)中具有重要作用[50]。Prauda 等[51]發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素通過激活RA 途徑對雞成肌細(xì)胞發(fā)揮其生物效應(yīng)，在雞成肌細(xì)胞中，會降低與天然突變或siRNA 處理連續(xù)的BCO1表達，對β-胡蘿卜素的反應(yīng)受到抑制，BCO1siRNA 轉(zhuǎn)染增加了BCO2的表達，其抑制對照組和β- 胡蘿卜素處理組的細(xì)胞增殖?？傊?，RA 作為類胡蘿卜素代謝途徑中的裂解產(chǎn)物，其在動物脂質(zhì)代謝途徑中尤其脂肪細(xì)胞分化和脂肪沉積中發(fā)揮重要作用。

3 BCMO1 和BCO2 在動物黃脂形成過程中的調(diào)控作用

類胡蘿卜素在動物體內(nèi)的代謝沉積可能影響動物脂肪顏色。只有當(dāng)反芻動物在含高水平類胡蘿卜素的綠色飼料上放牧?xí)r，脂肪才會在脂肪組織中積累β-胡蘿卜素[28]，牛肉中的黃色脂肪顏色是由脂肪組織中類胡蘿卜素的沉積引起的[52]。將牧草喂養(yǎng)的牛轉(zhuǎn)移到飼養(yǎng)場并在屠宰前（4～10 周）短時間內(nèi)提供低類胡蘿卜素飲食可降低脂肪黃度[53]。Vage 等[54]對黃色脂肪個體中BCMO1和BCO2基因的編碼區(qū)域進行了測序，發(fā)現(xiàn)在黃色脂肪個體中，BCO2核苷酸位置196（c.196C＞T）出現(xiàn)無義突變，導(dǎo)致類胡蘿卜素的沉積，更多的β- 胡蘿卜素可以通過腸細(xì)胞轉(zhuǎn)移并沉積在脂肪組織中，從而增加脂肪黃色。許多食用魚（鮭魚，鱒魚）、軟體動物（貽貝）和甲殼類動物（蝦、龍蝦）的獨特顏色也是由于類胡蘿卜素的累積[55]。在家雞中，黃色皮膚是由一種或多種順式作用和組織特異性調(diào)節(jié)突變引起的，這些突變抑制皮膚中BCO2的表達，使得黃色類胡蘿卜素沉積[56]。在奶牛中，BCO2突變與脂肪組織有關(guān)，主要是由類胡蘿卜素沉積引起的，基因關(guān)聯(lián)分析表明，具有AA 基因型的動物比具有GG 或GA 基因型的動物含有更多的黃色脂肪[57]。然而，有證據(jù)表明，黃色脂肪顏色是遺傳性狀，綿羊的黃色脂肪是一種簡單的隱性遺傳[58]。Li 等[59]研究發(fā)現(xiàn)，扇貝肌中的類胡蘿卜素著色符合孟德爾性狀定律，扇貝肌中類胡蘿卜素代謝相關(guān)基因的下調(diào)導(dǎo)致類胡蘿卜素沉積和肌肉著色。在日糧添加方面，Strychalski等[60]研究表明，相比于白色脂肪兔，黃色脂肪兔腎周脂肪中維生素A、維生素E、β-胡蘿卜素和葉黃素含量較高。日糧中添加β-胡蘿卜素對野生型小鼠和BCMO1敲除小鼠的體脂影響研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素能夠顯著降低小鼠體脂，并表現(xiàn)出基因敲除小鼠中脂肪庫的顏色為橙色[35]。

此外，研究發(fā)現(xiàn)BCMO1敲除小鼠對高脂肪飲食誘導(dǎo)的肥胖非常敏感，并且在脂肪庫中表現(xiàn)出PPARγ調(diào)節(jié)基因的表達增加[26]。PPARγ控制脂質(zhì)基因的表達[6]，是成熟脂肪細(xì)胞中脂肪細(xì)胞分化和脂肪生成的關(guān)鍵[61]。BCMO1基因表達受 PPARγ控制[62]，并在脂肪細(xì)胞分化過程中被誘導(dǎo)[63]。另外，有研究證明β- 胡蘿卜素裂解產(chǎn)物RAL 可抑制脂肪細(xì)胞培養(yǎng)和小鼠模型中的 PPARγ活性[64]，BCMO1在脂肪細(xì)胞中起 RA 產(chǎn)生和RAR 信號傳導(dǎo)的重要作用[65]。ISX 在類胡蘿卜素代謝中發(fā)揮重要作用，通過基因敲除ISX 小鼠，發(fā)現(xiàn)BCMO1在十二指腸和空腸中高度表達，證明ISX 通過調(diào)節(jié)腸中BCMO1的表達參與維持維生素A 代謝[61]。大量的β-胡蘿卜素被分解，生成的RA 累積可激活RAR的信號傳導(dǎo)，RAR 激活腸道特異同源框ISX，ISX 會抑制BCMO1的表達或通過抑制SR-BI 間接影響B(tài)CMO1基因的表達，此過程由負(fù)反饋機制調(diào)控[66]。有研究數(shù)據(jù)表明，低維生素或低β- 胡蘿卜素攝入能刺激沙鼠腸中的BCMO1和SR-BI 表達，可能是由于RA 缺乏，沒有對這2 種蛋白質(zhì)起負(fù)反饋作用[4]。然而，這個概念在動物模型中缺乏實驗測試，有關(guān)類胡蘿卜素相關(guān)代謝酶的代謝機制目前尚不明確，動物黃色脂肪形成機理也處于研究狀態(tài)。

4 小 結(jié)

在類胡蘿卜素代謝過程中，BCMO1和BCO2發(fā)揮關(guān)鍵作用，其共同裂解產(chǎn)物RA 影響脂肪沉積。BCMO1能調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞中 PPARγ的活性，SR-BI 的腸脂質(zhì)吸收受類維生素A 信號傳導(dǎo)的控制。通過RAR誘導(dǎo)腸轉(zhuǎn)錄因子ISX 的表達，而ISX 抑制SR-BI 和BCMO1的表達，從而減少類胡蘿卜素的分解，β-胡蘿卜素通過類胡蘿卜素加氧酶的組織特異性轉(zhuǎn)化能影響控制脂肪細(xì)胞生理學(xué)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的活性。因此，β-胡蘿卜素代謝產(chǎn)物及其衍生的類胡蘿卜素信號分子影響脂肪細(xì)胞生理學(xué)，改變了動物體脂顏色，導(dǎo)致脂肪組織變黃。關(guān)于動物黃脂形成機理尚無定論，類胡蘿卜素的調(diào)控機制、RA 在調(diào)控中的作用、動物組織中類胡蘿卜素積累機制以及影響體脂顏色等方面類胡蘿卜素的代謝機制仍有待研究。為了深入探究類胡蘿卜素代謝機制，還需建立動物模型，進一步在分子水平上進行科學(xué)研究。