硒和硒蛋白調(diào)節(jié)動(dòng)物抗氧化功能及硒在畜牧生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

熊傳帥，張海波，張進(jìn)明，關(guān)瑋琨，廖曉鵬，黎力之*，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，江西宜春 336000；2.江西省養(yǎng)蜂研究所，江西南昌 330000）

硒通過谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GPX）、硫氧還蛋白（Thioredoxin，Trx）和硫氧還蛋白還原酶（Thioredoxin Reductase，TrxR）等硒蛋白發(fā)揮抗氧化功能，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[1-2]。GPX 由GPX1、GPX2、GPX3 和GPX4 組成，其中GPX1 可抑制脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，降低核因子кB 抑制蛋白激酶（Inhibitor of Nuclear Factor Kappa B Protein Kinase，IкK）、кB 抑制蛋白α（Inhibitor of Kappa B Proteinα，IкBα）和核轉(zhuǎn)錄因子p65（Nuclear Factor Kappa B p65，NF-кB p65）的磷酸化水平，抑制核因子кB（Nuclear Factor Kappa B，NFкB）信號(hào)和絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen Activated Protein Kinase，MAPK）蛋白活性，減少一氧化氮（Nitric Oxide，NO）生成，緩解炎癥，提高動(dòng)物抗氧化力[3-4]。機(jī)體受到氧化應(yīng)激時(shí)，激活核因子E2 相關(guān)因子2（Nuclear Factor Erythroid 2 Related Factor 2，Nrf2）與抗氧化反應(yīng)元件（Antioxidant Reaction Element，ARE）構(gòu)成的Nrf2/ARE 通路，提高Trx 和TrxR 蛋白活性，推進(jìn)Trx/TrxR 系統(tǒng)抗氧化功能，減少促炎因子產(chǎn)生及釋放，降低細(xì)胞炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)氧化還原信號(hào)，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化功能[5-7]。因此，本文主要闡述硒蛋白（GPX1、Trx 與TrxR）調(diào)節(jié)動(dòng)物抗氧化功能的機(jī)理，旨在為硒的進(jìn)一步利用提供理論參考。

1 硒和硒蛋白

1.1 硒蛋白概述 動(dòng)物中具有重要功能的硒蛋白主要有25種，如GPX1、GPX4、Trx、TrxR 和硒蛋白P 等[2]。GPX是一類具有過氧化物酶活性的酶類總稱，分為GPX1、GPX2、GPX3 和GPX4 4 種類型，能將機(jī)體內(nèi)過量活性氧（Reactive Oxygen，ROS）、過氧化氫（Hydrogen Peroxide，H2O2）等過氧化物還原為羥基化合物，并催化還原型谷胱甘肽轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽，緩解組織氧化損傷，維持機(jī)體正常功能[8-9]。硫氧還蛋白還原酶家族生物學(xué)功能主要集中在提高機(jī)體抗氧化活性、輔酶結(jié)合和增強(qiáng)免疫功能等方面[10]。Trx、TrxR 和還原型輔酶Ⅱ（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADPH）組成Trx/TrxR 系統(tǒng)，其和谷胱甘肽抗氧化系統(tǒng)相互作用，發(fā)揮抗氧化功能，維持體內(nèi)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[5,11]。Trx 屬多功能酸性蛋白，在動(dòng)物體內(nèi)主要有2 種亞型，分別為細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核中調(diào)節(jié)ROS 信號(hào)傳導(dǎo)的Trx1，以及線粒體中調(diào)節(jié)ROS 活性的Trx2，二者均可清除自由基，具有抗氧化脅迫作用，調(diào)節(jié)機(jī)體氧化還原平衡[12-14]。TrxR 屬吡啶核苷酸/ 二硫氧化還原酶，通過氧化還原反應(yīng)，傳遞電子，消除過量過氧化物，是機(jī)體抵抗氧化應(yīng)激效應(yīng)的主要途徑之一，主要包括2 種同工酶TrxR1和TrxR2[15]。TrxR1 在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)，TrxR2 在線粒體中可降低促炎因子轉(zhuǎn)錄，緩解氧化應(yīng)激，減少線粒體凋亡。二者均可降低炎癥反應(yīng)，提高動(dòng)物抗氧化能力[16-18]。

1.2 硒和硒蛋白對(duì)動(dòng)物抗氧化的影響 機(jī)體攝入硒后合成硒蛋白，可增強(qiáng)動(dòng)物抗氧化功能，抑制炎癥，穩(wěn)定機(jī)體內(nèi)環(huán)境[19]。機(jī)體硒含量影響抗氧化系統(tǒng)中GPX1、GPX4、Trx和TrxR等基因表達(dá)，硒和硒蛋白含量在一定程度上決定細(xì)胞氧化還原狀態(tài)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)炎癥和凋亡信號(hào)級(jí)聯(lián)[20-21]。研究發(fā)現(xiàn)，隨硒水平的升高，可上調(diào)機(jī)體中硒蛋白（如GPX1、Trx 和TrxR 等）和免疫因子等表達(dá)水平[22]。硒還可提高機(jī)體中吞噬細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞活性，加快病原微生物清除，平衡氧化還原反應(yīng)，調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。同時(shí)，硒和硒蛋白對(duì)鉛、砷、鎘和汞等有毒元素引起的氧化應(yīng)激有保護(hù)作用。在鎘誘導(dǎo)雞肝細(xì)胞非正常應(yīng)激和凋亡中，硒代蛋氨酸調(diào)節(jié)磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B 途徑，降低鎘引起的雞肝細(xì)胞非正常生理反應(yīng)，緩解細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)[23]。在兔飼糧中添加0.1、0.5、2.5 mg/kg 有機(jī)硒Sel-Plex，與對(duì)照組相比，兔體內(nèi)砷、鎘和汞含量與硒添加量呈負(fù)相關(guān)，表明硒能有效降低有毒元素在細(xì)胞中積累，提高細(xì)胞耐受性[24]。500 μg/（kg·d）硒可以提高小清蛋白在大鼠體內(nèi)含量，增強(qiáng)動(dòng)物抗氧化能力，降低一氧化碳中毒引起的腦組織損傷[25]。1 日齡海蘭公雞飼喂含0.008 mg/kg硒（正常硒含量為0.15 mg/kg）飼料后，機(jī)體硒蛋白合成顯著下降，激活雙重特異性蛋白激酶1/NF-кB 途徑，抑制樹突狀細(xì)胞分化，引起胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，脾細(xì)胞核結(jié)構(gòu)受損，致使動(dòng)物脾臟免疫防御障礙[26]。硒缺乏還導(dǎo)致輔助性T 細(xì)胞1/ 輔助性T 細(xì)胞2（T Helper Cells 1/T Helper Cells 2，Th1/Th2）失衡，影響機(jī)體細(xì)胞免疫和體液免疫[27]。在疫苗稀釋劑中加入1.0 μg/mL 硒，間隔14 d 連續(xù)免疫小鼠2 次后發(fā)現(xiàn)，Th1/Th2 免疫應(yīng)答反應(yīng)速率提高[28]?？傊侠硌a(bǔ)硒可有效提高動(dòng)物抗氧化能力，維持細(xì)胞免疫功能并穩(wěn)定機(jī)體內(nèi)環(huán)境，對(duì)動(dòng)物重金屬中毒有一定防御恢復(fù)作用。

2 硒蛋白調(diào)節(jié)動(dòng)物抗氧化功能的機(jī)理

2.1 GPX1 在動(dòng)物抗氧化過程中的作用機(jī)理 GPX1 作為機(jī)體內(nèi)重要抗氧化酶之一，可降低機(jī)體促炎因子積累，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力，其表達(dá)受Nrf2/ARE 通路影響[29-31]。Nrf2 是一種參與維持細(xì)胞氧化還原平衡和信號(hào)傳遞的關(guān)鍵蛋白，在未受氧化應(yīng)激時(shí)，其與Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（Kelch-like ECH2 Associated Protein 1，Keap1）偶聯(lián)，保護(hù)機(jī)體免受外源性應(yīng)激；當(dāng)機(jī)體受到氧化應(yīng)激時(shí)，Nrf2 與Keap1 蛋白解偶聯(lián)，進(jìn)入細(xì)胞核后與ARE 結(jié)合，激活Nrf2/ARE 通路，增強(qiáng)下游GPX1基因表達(dá)，緩解機(jī)體氧化應(yīng)激[32-33]。在乳腺上皮細(xì)胞（Bovine Mammary Epithelial Cells，BMEC）培養(yǎng)中加入50 nmol/L 硒，體系中Nrf2 蛋白含量提高45%，Keap1基因表達(dá)降低，Nrf2/ARE 通路被激活，培養(yǎng)體系中GPX1 含量增加48%，BMEC 細(xì)胞活性提高53.8%[4]。GPX1 水平升高后抑制NF-кB 通路，降低炎癥因子白細(xì)胞介素（Interleukin，IL）-1β及過氧化物對(duì)機(jī)體的損傷，提高動(dòng)物抗氧化力。采用0.1 μg/mL LPS 對(duì)奶牛BMEC 處 理6 h 后，NF-кB 通路中p65基因表達(dá)顯著提高，NF-кB 信號(hào)通路被激活并觸發(fā)NF-кB向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移，激活MAPK 蛋白，促進(jìn)腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）-α、IL-1 和IL-6 等促炎因子釋放，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng)；采用1 μg/mL維生素A 與0.1 μg/mL LPS 共同處理BMEC 6 h 后，Nrf2/ARE 通路被激活，GPX1 較正常細(xì)胞含量提高6.6%，降低IкK、IкBα和NF-кB p65的磷酸化，抑制NF-кB 和MAPK 蛋白活性，減少促炎因子IL-1β分泌，下調(diào)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）基因表達(dá)，降低NO 產(chǎn)生量，緩解氧化應(yīng)激，機(jī)體抗氧化能力增強(qiáng)[3]。GPX1 還可抵御機(jī)體急性氧化應(yīng)激，降低NADPH 氧化酶（NADPH Oxidase，NOX）介導(dǎo)產(chǎn)生的過量ROS，減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。將大鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞與100 μmol/L H2O2共同處理24 h 后，ROS 含量急劇增加，加入NOX 抑制劑夾竹桃麻素后，ROS 含量回歸正常水平[34]。表明機(jī)體中ROS 大部分源于NOX 介導(dǎo)產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，敲除GPX1基因后，動(dòng)物抗氧化能力受損，機(jī)體中ROS 大量堆積，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應(yīng)激，影響細(xì)胞正常功能；黑素細(xì)胞在100 μmol/L 的雙溴二胺和1 mmol/L 的H2O2共同處理24 h 后，與對(duì)照組相比，細(xì)胞中GPX1 含量提高173%，因H2O2誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS 含量急劇下降，避免了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應(yīng)激，減少細(xì)胞非正常凋亡[35-36]。此外，GPX1 可以介導(dǎo)DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNA Methyltransferase 1，DNMT1）表達(dá)，在緩解DNA 損傷中具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，4.0 μg/mL赭曲霉毒素A 會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用和DNA 損傷，添加2.0 μg/mL 硒后，GPX1 含量較正常細(xì)胞提高121.4%，抗氧化能力增強(qiáng)，上調(diào)DNMT1 表達(dá)，阻斷DNA 氧化損傷，緩解細(xì)胞的毒害作用[37]。

綜上所述，Nrf2/ARE 通路的激活，增強(qiáng)了GPX1活性。GPX1 可抵抗LPS 誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，緩解IкK、IкBα和NF-кB p65 磷酸化水平，抑制NF-кB通路并降低MAPK 蛋白活性，減少促炎因子和NO 產(chǎn)生，緩解氧化應(yīng)激對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的促炎反應(yīng)；GPX1 還可清除NOX 介導(dǎo)生成的過量ROS，緩解H2O2對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的不利影響；此外，GPX1 介導(dǎo)DNMT1 表達(dá)，降低氧化應(yīng)激對(duì)機(jī)體DNA 的損傷作用（圖1）。

圖1 GPX1 調(diào)控動(dòng)物抗氧化功能機(jī)理

2.2 Trx/TrxR 在動(dòng)物抗氧化過程中的作用機(jī)理 Nrf2與ARE 結(jié)合，構(gòu)成Nrf2/ARE 通路，受硒蛋白、ATP與ROS 等多種因素影響，其是機(jī)體抗氧化和免疫中重要的信號(hào)通路[29]。激活Nrf2/ARE 通路可增強(qiáng)下游Trx和TrxR基因表達(dá)，提高機(jī)體抗氧化能力[38]。Trx、TrxR 作為Trx/TrxR 系統(tǒng)主要組成成分，通過傳遞電子還原底物狀態(tài)，影響抗氧化系統(tǒng)中抗氧化酶活性，調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)通路，清除機(jī)體過量過氧化物，抑制炎癥因子產(chǎn)生及釋放，在維持氧化還原平衡和穩(wěn)定免疫穩(wěn)態(tài)中具有重要作用[39]。過量ROS 通過與硫氧還蛋白互作蛋白（Thioredoxin Interacting Protein，TXNIP）反應(yīng)，從Trx 中釋放核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（Nucleotide Binding Oligomerization Domain-like Receptor Protein 3，NLRP3）炎性小體，異常激活I(lǐng)L-1，促使機(jī)體產(chǎn)生氧化損傷，引發(fā)炎癥反應(yīng)[40-41]。Trx 參與清除細(xì)胞內(nèi)ROS，與硫氧還蛋白結(jié)合蛋白-2/ 維生素D3上調(diào)蛋白1/TXNIP 等分子相互作用，實(shí)現(xiàn)緩解機(jī)體氧化應(yīng)激和抗炎等生物學(xué)功能[40]。TrxR 作為氧化還原依賴性細(xì)胞通路關(guān)鍵調(diào)控因子，可減少炎癥小體產(chǎn)生，降低促炎反應(yīng)[42-43]。Trx 是TrxR 反應(yīng)的底物之一，TrxR 傳遞電子還原Trx，減少氧化性Trx，增強(qiáng)抗氧化能力，抑制Trx/TXNIP 復(fù)合體產(chǎn)生，降低炎癥誘因NLRP3 釋放，避免機(jī)體炎癥產(chǎn)生[6]。研究發(fā)現(xiàn)，將細(xì)胞暴露在百草枯中，ROS、TXNIP/Trx 復(fù)合體和NLRP3 炎性小體含量顯著上升，在加入0.2 μg/mL 水飛薊素處理3 h后，Trx 和超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）等抗氧化酶表達(dá)增強(qiáng)，Trx 和SOD 較對(duì)照組分別提高53.2 % 和175 %，ROS、TXNIP/Trx 復(fù)合體及NLRP3 炎性小體含量顯著降低，緩解炎癥反應(yīng)[44]。此外，Trx/TrxR 系統(tǒng)不僅可調(diào)節(jié)IL-1基因表達(dá)，降低NO 生成，還能與NO 結(jié)合，減少機(jī)體NO 含量，降低氧自由基產(chǎn)生，提高機(jī)體抗氧化能力。研究發(fā)現(xiàn)，IL-1 可促進(jìn)iNOS基因表達(dá)，增加機(jī)體內(nèi)NO 含量，利用10 μg/mL LPS 與40 μmol/L 長(zhǎng)春胺處理機(jī)體角膜上皮細(xì)胞24 h 后，與對(duì)照組相比，機(jī)體中TrxR基因表達(dá)增強(qiáng)，IL-1 顯著降低[45-46]。Trx 的S-亞硝基可與NO 結(jié)合，降低機(jī)體中ROS 含量，抑制細(xì)胞非正常凋亡[47]。

綜上所述，激活Nrf2/ARE 通路可增強(qiáng)Trx/TrxR系統(tǒng)抗氧化功能，清除機(jī)體內(nèi)過量ROS，保持機(jī)體氧化還原平衡，抑制Trx/TXNIP 復(fù)合體產(chǎn)生，降低炎性小體NLRP3 含量，減少IL-1 異常激活，在提高機(jī)體抗氧化功能和維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)等過程中發(fā)揮重要作用。此外，Trx/TrxR 還可降低NO 產(chǎn)生，緩解機(jī)體促炎反應(yīng)。

3 硒在動(dòng)物生產(chǎn)中的作用

硒可促進(jìn)動(dòng)物消化吸收，提高動(dòng)物平均日增重（Ave-rage Daily Gain，ADG）、飼料轉(zhuǎn)化率（Feed Conversion Ratio，F(xiàn)CR）與平均日采食量（Average Daily Feed Intake，ADFI），改善動(dòng)物生長(zhǎng)性能。于1 歲梅花鹿基礎(chǔ)日糧中添加0.3 mg/kg 亞硒酸鈉和100 IU/kg 維生素E，飼養(yǎng)70 d 后，與對(duì)照組相比，ADG 與FCR 分別提高22.4%、54.7%，可促進(jìn)梅花鹿生長(zhǎng)[48]。研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬基礎(chǔ)日糧中添加0.30 mg/kg 有機(jī)硒Sel-Plex 600，飼喂36 d 后，ADG 和ADFI 顯著提高[49]。研究表明，硒可通過提高GPXs、Trx、TrxR 等硒蛋白活性發(fā)揮抗氧化作用，防止脂質(zhì)過氧化，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性，減少肌肉滴水損失，改善畜禽肉品質(zhì)[50]。在飼糧中添加0.5 mg/kg 亞硒酸鈉，相比于對(duì)照組，育肥豬GPX1、TrxR 和SOD 蛋白含量增加，總抗氧化指數(shù)（Total Antioxidant Capacity Index，T-AOC）提高，多不飽和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acids，PUFA）氧化減少，豬肉氧化穩(wěn)定性提高[51]。在22～42 d 肉仔雞日糧中添加0.50 mg/kg 亞硒酸鈉，可降低肉仔雞腿肌剪力和胸肌肉色L*值，肉仔雞胸肌和腿肌酸度也呈降低趨勢(shì)，從而改善肉雞肌肉品質(zhì)[52]。在飼糧中添加0.5 mg/kg 有機(jī)硒Sel-Plex，可提高處于生長(zhǎng)期兔的抗氧化功能，減少肌肉丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量，降低氧自由基吸收能力，調(diào)節(jié)肌肉中PUFA 組成，提高肌肉品質(zhì)[53]?？傊赏ㄟ^硒蛋白發(fā)揮抗氧化作用，改善畜禽肉品質(zhì)。

此外，硒通過提高抗氧化酶活性，保護(hù)精細(xì)胞原生質(zhì)維持還原態(tài)，防止精細(xì)胞原生質(zhì)膜氧化，還可緩解氧化應(yīng)激對(duì)母豬排卵產(chǎn)生的不利影響，提高精子和卵子的活性，增強(qiáng)動(dòng)物繁殖能力。與對(duì)照組相比，小鼠注射0.5 mg/kg硒納米顆粒其體內(nèi)GPX活性增強(qiáng)，含量增加39.7%，T-AOC提高100%，緩解了精子膜因MDA 過高而受到的氧化損傷，改善了成熟雄性小鼠生殖能力[54]。與對(duì)照組相比，在母豬日糧中添加1 mg/kg 酵母硒與10 g/kg 酵母培養(yǎng)物其T-AOC 提高7.3%，SOD 和GSH 含量及活性均有提高，緩解了氧化應(yīng)激對(duì)母豬卵巢的影響，提高了卵泡穩(wěn)定性，可改善母豬生產(chǎn)性能[55]。綜上所述，在動(dòng)物飼料中添加適量硒制劑，可改善動(dòng)物生長(zhǎng)和繁殖性能及肉品質(zhì)。

4 總結(jié)

硒攝入后增加了機(jī)體中硒蛋白GPX1、TrxR 和Trx等含量，可促進(jìn)機(jī)體抗氧化功能。GPX1 可降低LPS對(duì)機(jī)體的刺激作用，抑制NF-кB 通路和MAPK 蛋白活性，降低IL-1β、IL-6 和TNF-α等促炎因子產(chǎn)生，并下調(diào)iNOS基因表達(dá)，減少NO 產(chǎn)生，清除過量H2O2，減輕細(xì)胞損傷，增強(qiáng)動(dòng)物抗氧化功能；GPX1 還可減輕過量ROS 對(duì)細(xì)胞的毒害作用，介導(dǎo)DNMT1 表達(dá)，減少DNA 損傷，保護(hù)細(xì)胞。Nrf2/ARE 通路激活Trx/TrxR系統(tǒng)，還原Trx，可抑制TXNIP/Trx 復(fù)合體產(chǎn)生，降低促炎小體NLRP3 產(chǎn)生，減少IL-1 異常激活誘因，清除機(jī)體中過量ROS，并減少NO 產(chǎn)生及釋放，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力。硒蛋白在緩解動(dòng)物氧化應(yīng)激效應(yīng)、降低炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、提高動(dòng)物抗氧化功能和增強(qiáng)動(dòng)物生產(chǎn)性能方面具有重要作用。但硒蛋白如何參與其他通路調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、提高動(dòng)物抗氧化能力與免疫力等問題尚未明確，還需進(jìn)一步探究。