GPX2 對腸道炎癥通路的作用機制及營養(yǎng)調(diào)控的研究進(jìn)展

楊璐璐，黎力之，關(guān)瑋琨，廖曉鵬，張海波*，郭冬生*

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，江西宜春 336000；2.宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，江西宜春 336000）

谷胱甘肽過氧化物酶2（Glutathione Peroxidase 2，GPX2）屬于GPX 家族中一種多聚體硒蛋白，活性中心為硒代半胱氨酸（SeCys）殘基，其具有保護(hù)腸道細(xì)胞免受氧化損傷、發(fā)揮抗凋亡等作用[1]。核因子-кB（Nuclear Factor-kappa B，NF-кB）與活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）是腸道炎癥通路中關(guān)鍵參與者，GPX2 對兩者均有調(diào)節(jié)作用。一方面，GPX2 介入上游核因子-кB 抑制蛋白激酶（Inhibitor of Kappa B Kinase，IKK）活性調(diào)節(jié)通路，對IKK 復(fù)合物及其磷酸化過程產(chǎn)生抑制作用，影響NF-кB 的激活和釋放，間接抑制其下游炎性基因環(huán)氧合酶（Cyclooxygenase，COX）、脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX）和腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）等表達(dá)，防治腸道炎癥[2]。另一方面，GPX2 可消除雙氧化酶2（Dual Oxidase2，DUOX2）產(chǎn)生過氧化氫（Hydrogen Peroxide，H2O2）對機體的危害作用，還可抑制Wnt 信號、脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）、TNF 等細(xì)胞因子表達(dá)，阻礙NADPH 氧化酶1（NADPH Oxidase 1，NOX1）介導(dǎo)產(chǎn)生ROS，進(jìn)而阻止過量ROS 引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及腸道屏障損傷，維持腸上皮細(xì)胞正常形態(tài)，發(fā)揮腸道正常功能[3-4]。研究表明，缺GPX2 小鼠易發(fā)生回腸結(jié)腸炎，且在結(jié)腸炎小鼠腸道中發(fā)現(xiàn)GPX2 活性及基因水平顯著降低，補充GPX2 可緩解小鼠腸道病癥[5]。因此，本文重點綜述GPX2 參與腸道炎癥相關(guān)通路的調(diào)節(jié)作用，以期為預(yù)防動物腸道炎癥提供理論依據(jù)。

1 GPX2 簡介

1.1 GPX2 結(jié)構(gòu) 哺乳動物體內(nèi)GPX 中的GPX1、GPX2、GPX3、GPX4、GPX6 屬于硒蛋白[6]，催化活性位點皆含SeCys 殘基，是硒在動物體內(nèi)的主要存在形式[7]。GPX 與氫過氧化物接觸過程中，谷氨酰胺的酰胺基及色氨酸的亞氨基可加固SeCys 的硒氫基，形成催化三聯(lián)體結(jié)構(gòu)，增強其對氫過氧化物的攻擊性[8]。GPX2 在腸道上皮隱窩-絨毛軸基底部濃度最高，因此也被命名為GI-GPx 或GPx-GI，其結(jié)構(gòu)層次居GPX 家族第一位，屬于一種較獨立的四聚體[9]。在GPX2 中，寡聚變異體結(jié)構(gòu)將2 個扁平伸長、無規(guī)則的結(jié)構(gòu)包圍起來，其1 條側(cè)鏈伸入另一單體中央空腔中，將2 個單體亞基相連，通過α-螺旋與另外2 個單體結(jié)合形成四聚體結(jié)構(gòu)，同時功能螺旋中2 條鏈間鹽橋強制固定GPX2 的單體形成同源四聚體結(jié)構(gòu)，特異性催化底物與GPX2 活性中心進(jìn)行氧化還原反應(yīng)[8]。GPX2 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 GPX2 結(jié)構(gòu)[8]

1.2 GPX2 生物學(xué)功能 GPX2 可催化H2O2、叔丁基氫過氧化物、亞油酸過氧化氫等，具有強抗氧化能力[8]。Barrera 等[10]用異硫氰酸鹽與硒共同處理小腸上皮吸收性腸細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)GPX2 抗氧化能力增強，抑制了因H2O2誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。研究表明，對UVC 輻照小鼠給予蝦青素治療，其GPX2基因表達(dá)水平及抗氧化能力顯著增強，緩解氧化應(yīng)激[11]。GPX2 還可防止腸上皮細(xì)胞氧化受損，對腸道炎癥造成的動物腸黏膜萎縮、腹瀉和食欲不振等有積極治療作用[12]。GPX1和GPX2雙基因敲除小鼠其結(jié)腸黏膜嚴(yán)重受損，易發(fā)生結(jié)腸炎，補充GPX1 對緩解炎癥無任何效果，而在補充GPX2 后炎癥病程有所緩解，表明GPX2 在治療腸炎中具有重要功能[13]。Shi 等[14]在治療由硫酸葡聚糖硫酸鈉引起的大鼠結(jié)腸炎中發(fā)現(xiàn)，提高結(jié)腸中GPX2 活性可以抑制白介素（IL）-1α、IL-6 等促炎因子分泌，維護(hù)結(jié)腸黏膜正常免疫功能。同時，GPX2 可抵抗因過敏原誘發(fā)的氣道炎癥；牛乳中GPX2 可降低乳腺上皮細(xì)胞受氧化損傷所引起的牛乳腺炎發(fā)病幾率[15-16]。此外，GPX2 還具有維護(hù)動物正常繁殖性能、抵御腫瘤等生物學(xué)功能[17-18]。

2 GPX2 對動物腸道炎癥通路的影響

GPX2 主要借助2 條途徑預(yù)防腸道炎癥發(fā)生：其一，通過降低IKK 復(fù)合物活性及擾亂其磷酸化過程，干預(yù)NF-кB 的合成釋放，進(jìn)而影響其下游炎癥通路；其二，通過減少NOX1 及DUOX2 表達(dá)，阻止ROS 過量產(chǎn)生，避免上皮細(xì)胞凋亡[19-20]。

2.1 GPX2 介導(dǎo)NF-кB 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)動物腸道炎癥 NF-кB 作為炎癥等疾病發(fā)生的重要標(biāo)志物，參與炎癥反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)和腫瘤調(diào)控等生理進(jìn)程，其活化與釋放均與IKK 復(fù)合物密切相關(guān)[19]。IKK 復(fù)合物是由IKK1 與IKK2 的催化亞基及NF-κB 必需調(diào)節(jié)蛋白/IKK調(diào)節(jié)蛋白共同組成[19]。研究發(fā)現(xiàn)，在NF-кB 的上游通路中，GPX2基因表達(dá)后可抑制IKK 復(fù)合物激活，間接阻止NF-кB 抑制蛋白磷酸化，使NF-кB 活性降低[21]；而在NF-кB 的下游通路中，GPX2 也可通過抑制炎癥脂質(zhì)介質(zhì)COX、LOX和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）等基因表達(dá)，緩解腸道炎癥[21]。促炎介質(zhì)COX、LOX和iNOS等作為NF-кB信號通路中的炎性基因，可導(dǎo)致免疫失調(diào)、組織損傷及炎癥反應(yīng)等發(fā)生[19]。COX2 過表達(dá)可刺激具有促炎效應(yīng)的下游生物活性物前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）產(chǎn)生，引發(fā)機體炎癥、疼痛和發(fā)熱等[22]。同樣，LOX 可催化膜脂過氧化作用，加快細(xì)胞膜流動性，破壞腸上皮屏障；iNOS 則誘導(dǎo)一氧化氮（Nitric Oxide，NO）產(chǎn)生，造成組織損傷引發(fā)炎癥[23-25]。綜上所述，在NF-кB 誘導(dǎo)的炎癥通路中，一方面，GPX2 可通過降低IKK 復(fù)合物活性，阻斷NF-кB 的上游通路；另一方面，在下游通路中，GPX2 抑制炎性介質(zhì)基因COX、LOX和iNOS等表達(dá)，防止促炎因子PGE2、過氧化物和NO對腸道的破壞（圖2）。由此可見，GPX2 在保護(hù)腸道免受炎性有害物質(zhì)入侵、維護(hù)腸上皮完整性、保障動物機體正常生理功能中具有重要作用。

2.2 GPX2 介導(dǎo)ROS 相關(guān)通路調(diào)節(jié)動物腸道炎癥 腸上皮細(xì)胞屬于腸道屏障重要組成結(jié)構(gòu)，ROS 是細(xì)胞中較活躍的一類含氧活性物質(zhì)，可維持細(xì)胞正常生長，而過量的ROS 則會誘發(fā)DNA 突變、蛋白質(zhì)變性和組織損傷等氧化應(yīng)激反應(yīng)[25]。ROS 一是通過核黃素激酶（Riboflavin Kinase，RFK）介導(dǎo)的腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體受體和NOX1 相結(jié)合途徑生成；另外，通過DUOX2 誘導(dǎo)也可以生成ROS。NOX1 復(fù)合物主要產(chǎn)生超氧化物，而DUOX2 主要產(chǎn)生H2O2[20,26]。

圖2 GPX2 介導(dǎo)NF-кB 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)動物腸道炎癥

NOX1 途徑在結(jié)腸上皮高度表達(dá)，是動物體內(nèi)ROS 重要來源之一[20]。研究發(fā)現(xiàn)，TNF 促使NOX1基因表達(dá)，一方面，TNF 激活TNF 受體1（Tumor Necrosis Factor Receptors1，TNFR1）后，在RFK 的共同作用下，將TNFR1 死亡域結(jié)構(gòu)與NOX1 中p22 phox 亞基連接，進(jìn)而促使NOX1基因表達(dá)；另一方面，TNF 可結(jié)合Ras 相關(guān)的C3 肉毒素底物1（Ras-related C3 Botulinum Toxin Substrate 1，Rac1）構(gòu)成復(fù)合物，提高NOX1 活性[20]。小鼠腸道缺乏GPX2，NOX1表達(dá)量顯著升高，造成早發(fā)性回腸結(jié)腸炎[20]。軒青霞等[27]在慢性結(jié)腸炎動物模型中發(fā)現(xiàn)，腸道病變組織中NOX1基因表達(dá)顯著高于對照組。由此推測，GPX2 可能通過TNF 的2 種途徑（TNFR1 和TNF-Rac1 復(fù)合物）抑制NOX1基因表達(dá)，但具體途徑還需要更多試驗證實。另外，在TNF、γ干擾素（IFN-γ）和LPS 等刺激下，NOX1高表達(dá)，激活下游PI3K/AKT、Wnt/β-catenin 和Notch1 信號[28]。在此過程中，一是可以調(diào)控連環(huán)蛋白靶點（如細(xì)胞周期D1），加速細(xì)胞增殖活化及增加前體隱窩細(xì)胞數(shù)量；二是可以激活Notch1 通路的下游轉(zhuǎn)錄靶點，加速腸黏膜前體細(xì)胞向腸上皮成熟細(xì)胞分化進(jìn)程，使隱窩細(xì)胞持續(xù)增殖，破壞腸上皮穩(wěn)態(tài)，引發(fā)腸道炎癥[28]。Li 等[29]研究發(fā)現(xiàn)GPX2 沉默時，β-catenin及Wnt2 水平下降，上皮間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程被抑制，延緩腸上皮損傷。ROS 另一重要來源是DUOX2 途徑，DUOX2 主要定植于結(jié)腸上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，由二元氧化酶成熟因子2 激活，直接產(chǎn)生H2O2[30]。H2O2過量會進(jìn)一步誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，激活其下游肌醇需求酶1（Inositol-requiring Enzyme-1，Ire1）、蛋白激酶R 樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（Protein Kinase R-like ER Kinase，Perk）和活化轉(zhuǎn)錄因子6（Activating Transcription Factor 6，Atf6）3 條蛋白信號通路與正確結(jié)合蛋白葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78 解離，而與錯誤折疊蛋白結(jié)合，造成腸上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂，炎性因子IL-8 水平升高，引發(fā)早期結(jié)腸炎[30]。研究發(fā)現(xiàn)，使DUOX2 活性降低可減輕因GPX2基因缺失引起的腸道炎癥[26]。

綜上所述，GPX2 可通過抑制NOX1 刺激因子TNF、IFN-γ和LPS 等表達(dá)，降低NOX1 活性，阻止ROS 產(chǎn)生；同時，GPX2 可直接抑制H2O2過量產(chǎn)生，阻止內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激出現(xiàn)，也可影響Wnt/β-catenin 通路，阻斷細(xì)胞持續(xù)增殖進(jìn)程，維護(hù)腸上皮穩(wěn)態(tài)（圖3）。因此，在預(yù)防因ROS 誘發(fā)的動物腸道炎癥過程中，其一，可以從其關(guān)鍵來源NOX1 入手，提高GPX2 含量使NOX1失活，使ROS 生成量下降；其二，可以利用GPX2 消除過多H2O2，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)免受氧化應(yīng)激，保證其下游蛋白Ire1、Perk 和Atf6 正常功能；其三，干擾ROS 下游傳導(dǎo)Wnt/β-catenin 信號，可以防止前體細(xì)胞成熟化，抑制腸上皮細(xì)胞無限增殖，以達(dá)到維護(hù)動物腸道健康，保證營養(yǎng)物質(zhì)攝入，促進(jìn)動物正常生長發(fā)育。

3 通過營養(yǎng)手段調(diào)控GPX2 改善動物生長

圖3 GPX2 介導(dǎo)ROS 相關(guān)通路調(diào)節(jié)動物腸道炎癥

目前可借助添加硒、益生菌、中草藥（如仙鶴草）等多種營養(yǎng)調(diào)控手段提高GPX2 表達(dá)，促進(jìn)動物生長發(fā)育。Lee 等[31]對斷奶仔豬補充納米硒后，發(fā)現(xiàn)其肝臟中GPX2 等硒蛋白表達(dá)增加，仔豬肝臟內(nèi)抗氧化譜及免疫能力提高，日增重及日采食量顯著上升。硒缺乏的雛雞飼喂富硒酵母飼料后，十二指腸腸黏膜中硒含量增加，GPX2 含量及抗氧化能力提高，IL-4 和IL-6 水平顯著降低，減少自由基對腸道的氧化損傷，降低腸炎發(fā)生率[32]。Zhang 等[33]給斷奶仔豬飼喂添加羅伊氏乳桿菌飼糧，發(fā)現(xiàn)仔豬體內(nèi)GPX2 含量升高，抗氧化能力增強，機體氧化應(yīng)激反應(yīng)減弱，腸道活動和采食量恢復(fù)正常。在仔豬日糧中添加中草藥仙鶴草可使其日采食量和日增重增加，抗菌抗氧化能力增強，機體中GPX2 濃度增加，NF-кB 通路被抑制，炎性因子表達(dá)減少[34]。對綿羊飼喂不同硒源日糧后發(fā)現(xiàn)，腸道血液和組織中硒含量增加，GPX 活性升高，吞噬細(xì)胞活性隨之增強，提升腸道抗氧化能力[35]。由此可見，通過營養(yǎng)調(diào)控可促進(jìn)GPX2在動物肝臟、腸道等多種器官中發(fā)揮抗氧化功能，改善動物生長。此外，在研究由球蟲病引起的乳犢牛腸道炎癥時發(fā)現(xiàn)，對照組乳牛出現(xiàn)嚴(yán)重腹瀉，腸絨毛高度降低，隱窩細(xì)胞凋亡，GPX2 含量呈代償性上升，表明GPX2具有緩解腸道炎癥的潛力[36]。因此推測，GPX2 通過參與防治組織氧化損傷、降低炎性因子分泌、改善腸道形態(tài)等過程，在防控動物慢性腸道炎癥、維持腸道健康中起主導(dǎo)作用。綜上所述，GPX2 增加對提高動物生產(chǎn)性能（如日增重、采食量）、增強免疫應(yīng)答、降低腸道疾病發(fā)生率等均具有重要意義。

4 小結(jié)與展望

GPX2 具有提高機體抗氧化能力、降低炎性細(xì)胞因子分泌和防治腸組織受損等作用。在以NF-кB 和ROS 為誘因的腸道炎癥中，GPX 參與上游合成通路抑制NF-кB 和ROS 產(chǎn)生：①降低IKK 復(fù)合物活性，抑制其對IкB 蛋白磷酸化過程，切斷NF-кB 釋放進(jìn)程；②阻止TNF、LPS 和IFN-γ等因子激活NOX1，抑制DUOX2 生成，阻斷過量ROS 產(chǎn)生。這2 條通路間接抑制外來炎性因子基因表達(dá)，制止ROS 對上皮細(xì)胞發(fā)出凋亡信號，阻止下游PI3K/AKT、Wnt/β-catenin、Notch1 信號和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)異常蛋白表達(dá)過程，保障腸上皮屏障正常生長，防止腸上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應(yīng)激出現(xiàn)，阻止腸道炎癥發(fā)生。目前，GPX2 在維護(hù)動物腸道健康方面的研究逐漸增多，其在動物炎癥治療方面的潛力越發(fā)明顯。但GPX2 在腸道炎癥中具體作用機制研究尚淺，如何提高動物體內(nèi)GPX2 濃度、GPX2 在不同腸段中是否具有不同作用、GPX2 是否參與更多的炎癥因子通路等問題尚未明確，還需進(jìn)一步深入探究。雖然目前GPX2 在動物腸道健康及生長中的應(yīng)用很少，隨著GPX2 的深入研究及作用機制更加明晰，其將成為動物腸病治療的有效路徑之一。