哺乳動(dòng)物低氧應(yīng)激代謝成因的研究進(jìn)展

彭文超 劉建新 王迪銘

（浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

動(dòng)物生理上所探討的低氧，是指機(jī)體或組織器官處于環(huán)境的氧氣分壓低于正常值的狀態(tài)。低氧應(yīng)激，是指機(jī)體或組織器官在處于上述狀態(tài)時(shí)，機(jī)體為維持機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)而啟動(dòng)的一系列調(diào)節(jié)機(jī)制。研究認(rèn)為，低氧應(yīng)激啟動(dòng)的核心是缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1（Hypoxia-inducible factor），HIF-1在氧氣敏感器官（如心臟、肺臟、骨骼等）和代謝活動(dòng)旺盛組織（如乳腺）的生理變化中具有重要調(diào)節(jié)功能。HIF-1由HIF-1α和HIF-1β兩個(gè)亞基組成，HIF-1α表達(dá)變化依賴(lài)于氧氣濃度改變，而HIF-1β的變化不直接受氧氣濃度影響。目前，生物低氧調(diào)控的研究主要針對(duì)HIF-1α及其下游信號(hào)通路。低氧應(yīng)激研究主要集中于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如癌癥發(fā)生和細(xì)胞血紅蛋白運(yùn)輸氧能力變化等；在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域，低氧應(yīng)激研究主要集中于高原家畜低氧適應(yīng)性機(jī)制研究。本文從哺乳動(dòng)物低氧應(yīng)激的部位和成因差異性，以及組織對(duì)低氧應(yīng)激的響應(yīng)及其結(jié)果對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行了綜述，旨在為哺乳動(dòng)物低氧應(yīng)激的生物學(xué)基礎(chǔ)及其調(diào)控研究提供理論依據(jù)。

1 哺乳動(dòng)物低氧應(yīng)激成因

哺乳動(dòng)物的低氧應(yīng)激具有眾多成因，主要分為3類(lèi)：（1）環(huán)境低氧；（2）病理性低氧；（3）攜氧細(xì)胞功能障礙；同時(shí)，低氧應(yīng)激對(duì)不同組織的代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)又具有特異性。因此，解析不同種類(lèi)的低氧誘因造成的應(yīng)激，并比較低氧應(yīng)激在不同組織中的調(diào)節(jié)效果，對(duì)維持哺乳動(dòng)物代謝穩(wěn)態(tài)具有重要價(jià)值。

1.1 環(huán)境低氧

由于高原特殊的低氧環(huán)境，長(zhǎng)期生活在平原地區(qū)的人若在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入高原地區(qū)，會(huì)因氧氣供應(yīng)不足發(fā)生頭昏、惡心嘔吐等現(xiàn)象，我們稱(chēng)之為高原反應(yīng)，高原反應(yīng)是環(huán)境低氧導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂的典型特征。為適應(yīng)高原地區(qū)環(huán)境低氧的特征，高原生物通常具有典型的低氧適應(yīng)性特征，如高原家畜肌肉中線粒體豐度大幅度降低及其代謝水平下降［1］，這些代謝適應(yīng)性的產(chǎn)生可能與生物體中一種緩激肽的應(yīng)激蛋白的分泌有關(guān)，緩激肽與體內(nèi)HIF相關(guān)信號(hào)通路共同維持著動(dòng)物體在低氧條件下的代謝穩(wěn)態(tài)［2］。

當(dāng)機(jī)體無(wú)法及時(shí)適應(yīng)環(huán)境低氧時(shí)，機(jī)體呼吸、神經(jīng)、消化和血液循環(huán)等系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)代謝紊亂。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境低氧可造成肺血管收縮幅度較弱區(qū)域的毛細(xì)血管壓力和通透性增加，導(dǎo)致血液組分（如大分子蛋白質(zhì)、紅細(xì)胞等）進(jìn)入肺部［3］，最終損傷呼吸系統(tǒng)的功能［4］。內(nèi)臟、心血管和腺體中廣泛分布著自主神經(jīng)，對(duì)哺乳動(dòng)物血液循環(huán)、消化道功能等穩(wěn)態(tài)維持方面起重要作用，處于低氧狀況的哺乳動(dòng)物，其可通過(guò)增加血液循環(huán)速度和低氧響應(yīng)信號(hào)啟動(dòng)等方式來(lái)應(yīng)對(duì)這一情況。腦組織是哺乳動(dòng)物最大的神經(jīng)調(diào)節(jié)中樞，其耗氧量占機(jī)體總耗氧量20%以上。為維持腦組織等重要器官的氧供給，處于低氧狀態(tài)的機(jī)體通過(guò)擴(kuò)張血管以增加血流量，并減少皮膚和其他內(nèi)臟組織周邊的血管收縮幅度，這可使腦組織中血管壓力劇增并增加腦出血和腦梗死發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)［5-7］。血紅蛋白與氧結(jié)合和釋放的能力顯著降低是循環(huán)系統(tǒng)在機(jī)體氧供給不足情況下表現(xiàn)出的標(biāo)志性代謝特征［8］。因此，作為主要的耗氧器官，心、腦、肺等部位在機(jī)體缺氧情況下會(huì)迅速做出響應(yīng)，通過(guò)HIF等信號(hào)通路的啟動(dòng)和代謝模式的改變，來(lái)維持代謝穩(wěn)態(tài)。與處于平原的荷斯坦奶牛相比，處于海拔3600 m奶牛瘤胃中的總揮發(fā)脂肪酸濃度、微生物蛋白合成效率和體外干物質(zhì)降解率均較低［9］，提示環(huán)境低氧可降低奶牛瘤胃發(fā)酵水平；同時(shí)，奶牛的基礎(chǔ)代謝率隨海拔高度的增加而增加［9］，Kong等［10］將娟珊牛從沈陽(yáng)（低海拔區(qū)域）轉(zhuǎn)移至西藏林芝地區(qū)（平均海拔3000 m），通過(guò)蛋白組學(xué)和microRNA測(cè)序手段對(duì)比轉(zhuǎn)移前后奶牛機(jī)體代謝的變化，發(fā)現(xiàn)與平原地區(qū)的娟珊牛相比，高原奶牛的體溫降低、精子凍死率上升，且血清中的K+、Na+、Ca2+和Cl-含量顯著降低，上述結(jié)果提示，處于低氧條件下的奶牛需要額外能量來(lái)維持組織/器官的基礎(chǔ)代謝率，而被轉(zhuǎn)移至高原后，奶牛機(jī)體可能通過(guò)抑制急性反應(yīng)、凝血系統(tǒng)、補(bǔ)體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)錄因子因子活化和炎癥穩(wěn)態(tài)變化對(duì)低氧做出響應(yīng)。然而，上述由低氧引起的代謝穩(wěn)態(tài)變化是否可以導(dǎo)致奶產(chǎn)量變化，則需要進(jìn)一步研究。

1.2 代謝性低氧

除了由于海拔等環(huán)境誘導(dǎo)的機(jī)體低氧應(yīng)激，過(guò)高的動(dòng)物代謝水平可導(dǎo)致哺乳動(dòng)物血氧供給無(wú)法滿足組織代謝需求，從而誘發(fā)低氧應(yīng)激，這種類(lèi)型的低氧稱(chēng)為代謝性低氧。近年來(lái)研究顯示，代謝性低氧被認(rèn)為是多種組織/器官代謝疾病發(fā)生的誘因。

1.2.1 肺臟 肺臟在呼吸系統(tǒng)的末端行使氣體進(jìn)出調(diào)節(jié)和呼吸道保護(hù)的功能，肺泡細(xì)胞氧氣供給充足對(duì)肺臟功能穩(wěn)態(tài)和機(jī)體氧供給具有重大意義。作為紅細(xì)胞機(jī)體高效運(yùn)輸氧氣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，血紅蛋白活力的維持是肺泡細(xì)胞功能維持的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。Neves等［11］發(fā)現(xiàn)，肺泡細(xì)胞內(nèi)鐵水平不足可導(dǎo)致其胞內(nèi)血紅蛋白等含鐵蛋白活性下降，從而導(dǎo)致肺泡細(xì)胞的代謝性缺氧。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肺泡細(xì)胞發(fā)生缺氧時(shí)，肺泡細(xì)胞氧敏感基因（HIF-1α、HIF-2α、GLUTs）表達(dá)量上調(diào)是導(dǎo)致其線粒體功能紊亂和肺功能障礙的直接原因［12］。因此，維持肺臟鐵素水平和血紅蛋白活力是使肺臟保持代謝穩(wěn)態(tài)的重要因素。

1.2.2 心臟 心臟是全身血液循環(huán)的動(dòng)力泵。Zhu等［13］研究發(fā)現(xiàn)，冠狀動(dòng)脈微栓塞誘發(fā)的微血管閉塞可誘導(dǎo)心肌局部缺氧并導(dǎo)致胞內(nèi)活性氧（Reactive oxygen species，ROS）水平升高，并最終造成心臟微血管和心實(shí)質(zhì)細(xì)胞損傷。Eirin等［14］認(rèn)為，若心肌細(xì)胞中ROS積累過(guò)多，可導(dǎo)致其線粒體功能紊亂并發(fā)生細(xì)胞自噬，最終使心肌組織的氧化應(yīng)激水平上升。Oka等［15］研究發(fā)現(xiàn)，心臟橫向主動(dòng)脈收縮可導(dǎo)致其快速應(yīng)力負(fù)荷增加，在增加氧氣消耗的同時(shí)造成心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激，在此代謝性缺氧的情況下，心臟通過(guò)自適應(yīng)毛細(xì)血管密度增加和HIF-1α表達(dá)上調(diào)來(lái)維持代謝穩(wěn)態(tài)。因此，對(duì)維持心肌細(xì)胞在低氧條件下線粒體穩(wěn)態(tài)和數(shù)量，可能是低氧狀況下心肌代謝維持的關(guān)鍵。

1.2.3 肝臟 哺乳動(dòng)物低氧應(yīng)激在肝臟中的表現(xiàn)雖沒(méi)有在肺臟、心臟等器官中那樣敏感，作為機(jī)體最大的解毒器官和能量供應(yīng)中心，肝臟在維持機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)肝臟氧氣供給不足時(shí)，也會(huì)發(fā)生代謝紊亂［16］，并通過(guò)降低營(yíng)養(yǎng)素合成的方式，影響其他器官的代謝水平。例如，處于低氧微環(huán)境的肝癌細(xì)胞，其HIF-1α表達(dá)量上調(diào)，并進(jìn)一步促使上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）［17］。同時(shí)，心衰和呼吸衰竭可直接降低肝臟輸氧量，進(jìn)而提高肝臟谷丙轉(zhuǎn)氨活力并導(dǎo)致其器質(zhì)性病變［18］。除了由于癌細(xì)胞擴(kuò)增導(dǎo)致的低氧微環(huán)境，還有許多情況會(huì)引起細(xì)胞處于相對(duì)低氧的環(huán)境當(dāng)中，研究表明，暴露于亞砷酸鹽的肝臟細(xì)胞中，HIF-1α和一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4表達(dá)量顯著提高，從而提高肝臟細(xì)胞的糖酵解水平和乳酸水平，最終導(dǎo)致炎癥發(fā)生［19］，本研究結(jié)果提示，HIF-1α超表達(dá)造成的糖酵解水平提高，是導(dǎo)致肝臟代謝紊亂和肝功能受損的重要原因。由此我們可以推測(cè)，低氧影響肝臟的功能主要是通過(guò)HIF-1α信號(hào)通路的變化，但HIF-1α信號(hào)影響肝臟代謝的作用機(jī)制，仍有待研究。

1.2.4 乳腺 目前，代謝性低氧在乳腺領(lǐng)域的研究主要集中于乳腺癌。研究發(fā)現(xiàn)，隨乳腺中脂肪細(xì)胞體積不斷增大，乳腺耗氧量不斷增加并使其處于代謝缺氧狀態(tài)，為保證ATP的供給，乳腺的主要供能方式從有氧呼吸逐漸轉(zhuǎn)換為無(wú)氧呼吸，從而為乳腺癌細(xì)胞的分化和增殖提供良好環(huán)境［20］，提示乳腺癌細(xì)胞分化與乳腺組織中脂肪細(xì)胞代謝紊亂具有較高相關(guān)性。乳腺癌細(xì)胞可通過(guò)提高膠原蛋白I分泌來(lái)加速其增殖，從而加劇局部氧消耗，最終導(dǎo)致HIF-1α信號(hào)上調(diào)并提高下游細(xì)胞中NF-κB轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，進(jìn)一步為其快速增殖提供缺氧條件［21］。Chu等［22］研究發(fā)現(xiàn)，碳酸酐酶IX（CA-IX）是乳腺惡性腫瘤發(fā)生的重要誘導(dǎo)因子，CA-IX表達(dá)量上調(diào)可加速乳腺癌細(xì)胞所在組織內(nèi)氧氣消耗速率，提高癌細(xì)胞HIF-1α的表達(dá)量，并通過(guò)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化介導(dǎo)的機(jī)制加速乳腺癌細(xì)胞遷移和侵襲其他組織的進(jìn)程。這些數(shù)據(jù)提示，代謝性低氧和HIF-1α是乳腺癌細(xì)胞增殖和遷移加速的重要原因。

泌乳家畜（奶牛、奶山羊和奶水牛等）的泌乳效率和性能決定了奶產(chǎn)量和質(zhì)量。作為哺乳動(dòng)物代謝最為旺盛的組織器官之一，乳腺健康與否直接影響了泌乳家畜的泌乳性能和乳品品質(zhì)。從懷孕到哺乳期，奶牛乳腺的代謝速率不斷增加，以滿足其較高的泌乳需求。通過(guò)觀察低氧標(biāo)記物吡莫硝唑在小鼠乳腺中的結(jié)合情況發(fā)現(xiàn)，隨小鼠泌乳量上升，其乳腺的耗氧量顯著提高，并導(dǎo)致其局部慢性缺氧［23］。同時(shí)，葡萄糖是乳腺乳合成和細(xì)胞增殖的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，胞內(nèi)葡萄糖供給不足可誘發(fā)乳腺氧化應(yīng)激。研究表明，處于泌乳早期的奶牛，其采食量無(wú)法滿足其快速上升的奶產(chǎn)量需求。因此，此時(shí)奶牛通過(guò)提高乳腺葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1表達(dá)量，加速?gòu)难褐形蘸屠闷咸烟呛铣扇樘?，以滿足奶產(chǎn)量快速提升的需要，同時(shí)發(fā)現(xiàn)HIF-1α表達(dá)均顯著增加，提示泌乳早期奶牛乳腺氧氣供給存在不足［24］。本項(xiàng)目組前期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)奶山羊乳腺中的葡萄糖供給過(guò)量時(shí)，乳腺組織發(fā)生大量自由基積累和乳腺細(xì)胞凋亡等現(xiàn)象，上述過(guò)程與低氧應(yīng)激的重要信號(hào)因子-NFκB2的激活有關(guān)［25］，這與前人報(bào)道中發(fā)現(xiàn)的葡萄糖代謝模式改變參與哺乳動(dòng)物高原低氧適應(yīng)機(jī)制調(diào)控的結(jié)果一致［26］。另外一些研究發(fā)現(xiàn)，小鼠乳腺中GLUT8 也可以響應(yīng)乳腺低氧狀況，但其響應(yīng)方式并非通過(guò)HIF-1α 途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)［27］。另外，Paatero等［28］發(fā)現(xiàn)HIF-1α和ErbB4是參與乳腺早期分化和發(fā)育調(diào)節(jié)的重要因子，在維持乳腺泌乳過(guò)程中發(fā)揮重要作用。這些基于小鼠乳腺的研究?jī)?nèi)容對(duì)解讀低氧對(duì)奶牛乳腺代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制具有重要意義。

1.2.5 腸道 當(dāng)處于低氧條件時(shí)，人可能出現(xiàn)惡心、腹脹、腹瀉等病理特征。若無(wú)法及時(shí)控制，可進(jìn)一步引起腸黏膜出血和潰爛，上述現(xiàn)象的發(fā)生可能有幾個(gè)原因：（1）從消化道微生物角度來(lái)看，低氧誘導(dǎo)消化道道免疫功能降低，消化道微生物及其合成內(nèi)毒素通過(guò)消化道上皮進(jìn)入血液，最終導(dǎo)致機(jī)體腸源性感染［29］；（2）從消化道黏膜的角度來(lái)看，在環(huán)境低氧條件下，動(dòng)物腸道黏膜通透性提高，導(dǎo)致纖維蛋白大量分泌并破壞腸黏膜屏障功能，最終減低腸黏膜IgG分泌量并弱化其免疫屏障功能［30］；（3）從消化道氧化平衡角度來(lái)看，處于低氧條件下的消化道黏膜中產(chǎn)生大量氧自由基并無(wú)法得到迅速清除，從而導(dǎo)致動(dòng)物消化道黏膜損傷［31］。腸道作為哺乳動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)素消化吸收的部位，是機(jī)體最大的微生態(tài)環(huán)境，Lin等［32］研究發(fā)現(xiàn)，腸道缺血再灌注可導(dǎo)致腸黏膜屏障功能障礙，而通過(guò)miR-31介導(dǎo)途徑激活腸道HIF-1α的表達(dá)量，可維持腸道上皮的代謝穩(wěn)態(tài)。即在一定程度上，HIF-1α的存在緩解了某些應(yīng)激導(dǎo)致的功能障礙，而Mahon等［33］研究也可以證明，處于熱應(yīng)激環(huán)境可誘導(dǎo)母豬腸道HIF-1α信號(hào)被激活，并通過(guò)激活下游級(jí)聯(lián)信號(hào)通路，維持腸道上皮黏膜的完整性，HIF-1α不僅可以緩解某些功能障礙，還與其他應(yīng)激如熱應(yīng)激之間有相互影響的可能。

1.2.6 骨骼肌 骨骼肌是哺乳動(dòng)物對(duì)環(huán)境氧濃度變化最敏感的組織之一。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，骨骼肌代謝速率加快，細(xì)胞氧氣快速消耗導(dǎo)致局部缺氧，并造成HIF-1α表達(dá)上調(diào)和乳酸積累，最終導(dǎo)致肌肉酸痛［34］。Ameln［35］發(fā)現(xiàn)體育鍛煉可以使骨骼肌中HIF-1α及其下游信號(hào)通路保持在一定水平，因此增加鍛煉頻率可提高骨骼肌的低氧適應(yīng)性，從而降低肌肉乳酸積累。阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥是一種人群常見(jiàn)疾病，這種病癥可導(dǎo)致短暫呼吸停止和慢性間歇性缺氧（cIH）。研究發(fā)現(xiàn)，cIH（慢性間歇性缺氧）的發(fā)生與嚙齒動(dòng)物和人類(lèi)的胰島素抵抗和代謝穩(wěn)態(tài)受損有關(guān)［36］，這是因?yàn)閏IH在改善胰島素抵抗的同時(shí)提高了機(jī)體葡萄糖耐量，并上調(diào)骨骼肌HIF-α和AMPK通路，提示調(diào)節(jié)骨骼肌HIF-1α信號(hào)通路是治療cIH的有效方法。因此，對(duì)于肌肉等組織而言，維持HIF-1α及其下游信號(hào)通路的水平，可有效降低其發(fā)生代謝紊亂的可能性。

1.2.7 其他 在不同程度的缺氧條件下，被激活的HIFs家族成員有所不同，以協(xié)助各組織細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境［37］。Teague等［38］研究了低氧應(yīng)激與熱應(yīng)激之間的關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞氧利用與奶牛耐熱特性具有顯著相關(guān)。同時(shí)，熱應(yīng)激誘導(dǎo)的乳腺蛋白圖譜發(fā)生變化，一些熱休克同源蛋白的表達(dá)量與HIF-1表達(dá)量呈正相關(guān)，提示高溫條件下的奶牛乳腺中發(fā)生的氧化應(yīng)激部分來(lái)自低氧應(yīng)激［39］。高產(chǎn)奶牛的乳腺上皮細(xì)胞代謝速率較快且耗氧量較高，較易發(fā)生氧化應(yīng)激，可能與奶牛乳腺代謝缺氧有關(guān)［40］。相似的研究還有，妊娠后期奶牛熱應(yīng)激會(huì)影響胎盤(pán)發(fā)育，導(dǎo)致胎兒缺氧、營(yíng)養(yǎng)不良和發(fā)育遲緩。母代熱應(yīng)激也可能對(duì)后代的出生后生長(zhǎng)產(chǎn)生延續(xù)影響，但仍缺乏直接證據(jù)［41］。綜上所述，低氧應(yīng)激可能在奶牛機(jī)體代謝中起重要作用，而且可能是引起其他應(yīng)激的重要響應(yīng)因子，但其機(jī)制仍有待進(jìn)一步探索。

1.3 攜氧細(xì)胞功能障礙

除了環(huán)境低氧和代謝性低氧之外，血液中攜氧細(xì)胞功能障礙甚至缺失，也是造成細(xì)胞低氧應(yīng)激的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，成人腎臟在紅細(xì)胞生成中起著核心作用，是紅細(xì)胞生成素（EPO）的主要來(lái)源，EPO是一種氧敏感性糖蛋白，對(duì)紅細(xì)胞生物合成至關(guān)重要。Farsijani等［42］研究發(fā)現(xiàn)，抑制腎EPO的生物合成可造成血液流變學(xué)性質(zhì)的變化，進(jìn)而造成胞內(nèi)缺氧、糖酵解水平提高、線粒體質(zhì)量降低，從而造成腎小葉周?chē)g質(zhì)成纖維細(xì)胞的低氧應(yīng)激。作為重要的攜氧蛋白，Cabrales等［43］發(fā)現(xiàn)通過(guò)血紅蛋白攜氧能力的修復(fù)，是恢復(fù)血液流變學(xué)性質(zhì)的基本前提。Strumia等［44］研究發(fā)現(xiàn)，血紅蛋白氧轉(zhuǎn)運(yùn)功能與紅細(xì)胞內(nèi)ATP和2，3-二磷酸甘油酸水平有關(guān)，血液儲(chǔ)存過(guò)程中，血紅蛋白濃度會(huì)隨著血液成分稀釋而降低，而通過(guò)在存儲(chǔ)血液添加肌苷，可提高紅細(xì)胞內(nèi)ATP和2，3-二磷酸甘油酸與血紅蛋白的結(jié)合能力，從而維持血液中ATP和2，3-二磷酸甘油酸濃度并保證血紅蛋白的氧運(yùn)輸能力。因此，血紅蛋白等攜氧分子功能的維持，對(duì)于保證機(jī)體氧代謝穩(wěn)態(tài)，具有重要意義。

綜上所述，由于環(huán)境中氧氣濃度不足、組織代謝紊亂誘發(fā)低氧、以及血液攜氧能力降低等因素是導(dǎo)致哺乳動(dòng)物機(jī)體缺氧和代謝穩(wěn)態(tài)失衡的原因。

2 低氧應(yīng)激響應(yīng)及其機(jī)制

氧的利用及其調(diào)節(jié)是哺乳動(dòng)物生存的基本條件，若哺乳動(dòng)物在長(zhǎng)期的馴化和習(xí)服過(guò)程中適應(yīng)了低氧狀態(tài)，則可維持其生理代謝穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，低氧現(xiàn)象在許多重大疾病發(fā)生和發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，若無(wú)法緩和哺乳動(dòng)物在高強(qiáng)度代謝過(guò)程需氧增加和機(jī)體氧供給不足的矛盾，則極易使機(jī)體發(fā)生代謝穩(wěn)態(tài)失衡。

2.1 低氧適應(yīng)性響應(yīng)

生活在高原和深海的哺乳動(dòng)物是低氧適應(yīng)和馴化的典型代表，也是常用的低氧研究對(duì)象。近年來(lái)，隨著對(duì)高原哺乳動(dòng)物低氧適應(yīng)性研究的不斷深入，低氧響應(yīng)機(jī)制不斷地從組織學(xué)和分子學(xué)等方面被揭示。在器官水平上，肺臟和心血管系統(tǒng)被認(rèn)為是對(duì)氧濃度感應(yīng)最敏感的器官與系統(tǒng)，解剖學(xué)研究表明，牦牛和藏羚羊等高原哺乳動(dòng)物，隨著海拔升高，其肺泡數(shù)目、毛細(xì)血管豐度均有顯著增加，這可能是高原哺乳動(dòng)物在機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育和健康穩(wěn)態(tài)維持的適應(yīng)性機(jī)制。從血液分子學(xué)層面研究發(fā)現(xiàn)，牦牛血液中反應(yīng)呼吸、細(xì)胞氧運(yùn)輸代謝的指標(biāo)（紅細(xì)胞、血紅蛋白、谷草轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶）等隨著海拔的升高均顯著提高，而反應(yīng)機(jī)體抗氧化能力的指標(biāo)（超氧化物歧化酶活性和血管內(nèi)皮舒張因子）則顯著降低，上述代謝生理參數(shù)的變化與性別無(wú)關(guān)，但與動(dòng)物日齡具有相關(guān)性［45-46］，這可能是由于在低氧環(huán)境中，隨著低氧誘導(dǎo)因子HIF信號(hào)通路表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致其下游的促紅細(xì)胞生成素基因、基質(zhì)金屬蛋白酶基因和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子-a基因顯著表達(dá)并使血紅細(xì)胞產(chǎn)生和血管生成加速，最終使得機(jī)體在低氧條件下獲得維持代謝穩(wěn)態(tài)［47］。另一些研究比較了高低海拔條件下動(dòng)物代謝的差異，Mizuno等［48］研究表明，高原牦牛組織中內(nèi)源性一氧化氮合酶（eNOS）的表達(dá)遠(yuǎn)高于平原地區(qū)反芻動(dòng)物，高表達(dá)eNOS可幫助其維持較低的肺血管張力并緩解肺動(dòng)脈高壓狀態(tài)。同時(shí)，牦牛血管中高表達(dá)內(nèi)皮縮血管肽（ET-1）和HIF-1α，提示HIF-1α通過(guò)提高其eNOS和肺血管張力降低，維持低氧血的情況下牦牛的正常心肺功能。進(jìn)一步地，Lan等［49］利用RNA-Seq技術(shù)對(duì)牦牛和平原地區(qū)肉牛的肺臟組織進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和功能分析發(fā)現(xiàn)，牦牛肺臟中與核糖體相關(guān)功能占比最高，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析揭示RPS6和HIF-1α是上述核糖體相關(guān)功能發(fā)生改變的重要調(diào)控信號(hào)。因此，HIF-1α蛋白介導(dǎo)的肺臟核糖體功能調(diào)控，可能是牦牛在環(huán)境低氧狀態(tài)中得以維持代謝穩(wěn)態(tài)的原因。內(nèi)皮細(xì)胞PAS結(jié)構(gòu)域蛋白1基因（EPAS1）是HIF-2α重要的轉(zhuǎn)錄因子，其在激活氧代謝通路過(guò)程中也發(fā)揮了重要作用，缺氧條件下EPAS1和HIF-2α結(jié)合產(chǎn)生的HIF二聚體可與位于缺氧介導(dǎo)基因上的缺氧反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，從而對(duì)機(jī)體紅細(xì)胞生物合成和鐵穩(wěn)態(tài)等生命過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)［50］。高原牦牛腎中HIF-1α和HIF-2α的5'端調(diào)控區(qū)的甲基化水平顯著低于處于平原地區(qū)的肉牛，提示HIF-1α和-2α的DNA甲基化在牦牛適應(yīng)低氧環(huán)境的調(diào)控中發(fā)揮重要作用［51］。這說(shuō)明我們?cè)谔骄拷M織低氧原因時(shí)甲基化的作用不可忽視。另一些研究表明，高原生活的藏豬和高原鼠兔血液中紅細(xì)胞形態(tài)和功能隨著海拔的升高而產(chǎn)生異于低海拔同物種的變化，主要表現(xiàn)在血紅細(xì)胞數(shù)目的增多和紅細(xì)胞表面積的增大，這都有利于充分運(yùn)輸氧從而保持機(jī)體正常代謝功能［52-53］。上述基于環(huán)境低氧條件下哺乳動(dòng)物適應(yīng)性生理調(diào)節(jié)的研究，為我們深入研究哺乳動(dòng)物低氧應(yīng)激研究奠定了理論基礎(chǔ)。

哺乳動(dòng)物對(duì)低氧的適應(yīng)屬于一種代謝重建，即當(dāng)胞內(nèi)氧氣供給受到限制時(shí)，細(xì)胞產(chǎn)生ATP的方式會(huì)從有氧呼吸轉(zhuǎn)換到無(wú)氧糖酵解，其目的是為防止線粒體產(chǎn)生過(guò)多的ROS而導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激［54］。Zhuang［55］發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α通過(guò)提高細(xì)胞糖酵解速率，降低大鼠肝臟細(xì)胞線粒體損傷和凋亡速率，從而使移植肝臟免受缺血再灌注誘發(fā)的損傷。Cartee等［56］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肌肉萎縮、氧氣供給不足或者內(nèi)毒素積累時(shí)，骨骼肌代謝所需葡萄糖的量顯著提高，這可能是由于無(wú)氧糖酵解供能效率低于有氧呼吸的原因所致。事實(shí)上，在哺乳動(dòng)物復(fù)雜的代謝系統(tǒng)中，存在著常年相對(duì)“缺氧”的區(qū)域—消化道，在健康的小腸和大腸黏膜上皮細(xì)胞始終處于生理性缺氧狀況（氧分壓在10 mmHg以下），這些組織通過(guò)保持HIF等低氧相關(guān)信號(hào)的穩(wěn)定表達(dá)，維持其代謝穩(wěn)態(tài)，上述生理現(xiàn)象是由于腸道獨(dú)特的氧供給狀況決定的［57］。動(dòng)物細(xì)胞在低氧條件下的適應(yīng)機(jī)制，具有特定的轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)節(jié)機(jī)制。Smith等［58］研究表明，在低氧條件下，電子傳遞鏈產(chǎn)生活性氧信號(hào)增加，從而激活了多種細(xì)胞類(lèi)型的保護(hù)機(jī)制，HIF相關(guān)信號(hào)作為其中重要的調(diào)控機(jī)制，可通過(guò)糖原代謝［54］、血管生成［59］和細(xì)胞增殖活力［60］等方式來(lái)維持細(xì)胞的代謝穩(wěn)態(tài)。

2.2 低氧病理性響應(yīng)

若細(xì)胞無(wú)法有效對(duì)胞內(nèi)低氧狀況作出響應(yīng)，則會(huì)出現(xiàn)代謝穩(wěn)態(tài)失衡和相關(guān)病理狀況，其最典型的就是發(fā)生炎癥。當(dāng)炎癥發(fā)生時(shí)，具有高代謝活性炎癥細(xì)胞和免疫細(xì)胞對(duì)氧吸收和利用增加，同時(shí)炎性因子導(dǎo)致機(jī)體血管氧供給減少；因此，組織缺氧可通過(guò)激活免疫細(xì)胞和非免疫細(xì)胞的炎癥信號(hào)相關(guān)通路激活，從而導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)展［61］，進(jìn)一步研究證實(shí)，在炎癥發(fā)生過(guò)程中，HIF-1α的下游通路NF-кB是誘導(dǎo)炎癥發(fā)生的主要誘因［62］。除慢性炎癥外，細(xì)胞在低氧條件下若無(wú)法有效抑制ROS積累，可導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生凋亡，為避免細(xì)胞大量凋亡，細(xì)胞會(huì)通過(guò)啟動(dòng)一系列防御機(jī)制來(lái)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，例如肝臟細(xì)胞可通過(guò)自噬等機(jī)制的啟動(dòng)來(lái)維持低氧條件下的代謝穩(wěn)態(tài)［63］。因此，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)IF相關(guān)信號(hào)通路作為調(diào)節(jié)代謝重編程、干細(xì)胞表型、侵襲、血管生成、免疫抑制等生物學(xué)過(guò)程的重要方式，以維持細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)［64］。研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α和-2α是肝臟纖維化和乳腺癌的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，也是治療上述兩種病癥的潛在靶點(diǎn)［65］。

2.3 低氧應(yīng)激調(diào)控

針對(duì)低氧應(yīng)激的調(diào)控目前仍然較少，已知的維生素B12有擴(kuò)張血管、增強(qiáng)血流量的作用，理論上可以增加血氧含量，進(jìn)而從緩解血氧含量低入手恢復(fù)組織功能。Daleprane等［66］發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下，以10 mg/L的紅色蜂膠多酚處理細(xì)胞，可降低HIF-1α蛋白的積累，從而減弱血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)，提示紅色蜂膠多酚在抗血管生成中的有效性。缺氧狀態(tài)下，MARCH5降解多余的線粒體受體FUNDC1以微調(diào)缺氧誘導(dǎo)的線粒體，這是線粒體吞噬過(guò)程，是線粒體受損的清除過(guò)程［67］。Roy等［68］認(rèn)為亞麻酸介導(dǎo)線粒體凋亡，抑制缺氧微環(huán)境，抑制新生脂肪酸合成，具有抗癌作用。Hou等［69］發(fā)現(xiàn)?；撬崦撗跄懰崮軠p輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，保護(hù)肝臟免受慢性間歇性缺氧損傷。另一些研究報(bào)道，抗應(yīng)激制劑具有不同的作用方式，如維生素B12可增強(qiáng)乳動(dòng)脈血紅蛋白攜氧能力［70-71］，茶多酚有利于舒張血管［72］，硝酸甘油能清除乳腺內(nèi)自由基［73］等，提示抗應(yīng)激制劑緩解組織應(yīng)激的機(jī)制可能與低氧應(yīng)激的調(diào)節(jié)相關(guān)。

3 展望

目前，有關(guān)動(dòng)物體低氧應(yīng)激相關(guān)研究主要集中于環(huán)境性低氧（高原生物）和病理性低氧（醫(yī)學(xué)領(lǐng)域），在畜牧領(lǐng)域中的研究主要集中于牦牛等高原動(dòng)物的低氧適應(yīng)性機(jī)制研究，對(duì)代謝性低氧的研究較少。對(duì)于哺乳動(dòng)物，除了滿足自身正常代謝之外，更要注重如何在維持基本體征的同時(shí)滿足代謝旺盛的乳腺功能，大量泌乳合成導(dǎo)致其不僅對(duì)葡萄糖、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需要量較高，同時(shí)也消耗大量氧氣，上述過(guò)程中不但產(chǎn)生大量氧化應(yīng)激，同時(shí)也使哺乳動(dòng)物乳腺處于相對(duì)低氧狀況，從而引發(fā)應(yīng)激，造成乳腺穩(wěn)態(tài)失衡、奶產(chǎn)量下降的現(xiàn)象。因此，以低氧應(yīng)激為切入點(diǎn)，研究哺乳動(dòng)物乳腺泌乳調(diào)節(jié)機(jī)理，可為完善哺乳動(dòng)物抗應(yīng)激管理提供新的知識(shí)。完成從生物學(xué)分析向畜牧學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐。