褪黑素調(diào)控動(dòng)物消化道上皮養(yǎng)分吸收代謝機(jī)制的研究進(jìn)展

裴江蘭,習(xí)瓚娜,歐陽(yáng)佳良,王夢(mèng)芝

(揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,中國(guó)江蘇 揚(yáng)州 225009)

褪黑素(melatonin,MLT)是一種由L-色氨酸酶促形成的吲哚類(lèi)激素,不僅在松果體內(nèi),而且在無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物的胃腸道中產(chǎn)生,且普遍存在。作為強(qiáng)有力的抗氧化劑,褪黑素可通過(guò)調(diào)節(jié)前列腺素刺激十二指腸和胰腺分泌碳酸氫根[1～2],最終抑制胃蛋白酶和胃酸的分泌,增加胃黏膜血流。Morais等[3]在一項(xiàng)小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),低濃度褪黑素可以顯著縮短實(shí)驗(yàn)組小鼠回腸排除玻璃珠的時(shí)間,增強(qiáng)腸道蠕動(dòng)。此外,褪黑素可促進(jìn)消化道潰瘍愈合,對(duì)胃有保護(hù)作用,其不足會(huì)影響細(xì)胞增殖并損傷腸道黏膜[4～5]。因此,研究褪黑素對(duì)胃腸道消化和吸收,以及胃腸道健康都有著重要意義。本文主要綜述了消化道褪黑素的來(lái)源與分布、受體表達(dá)及其對(duì)腸道上皮細(xì)胞吸收的調(diào)控,以期為褪黑素在調(diào)控營(yíng)養(yǎng)吸收和腸道健康中的應(yīng)用提供參考。

1 消化道組織中褪黑素的來(lái)源與分布

褪黑素最早于1958年在牛的松果體中被發(fā)現(xiàn),1974年其首次在人的闌尾中被發(fā)現(xiàn)[6]。除松果體外,胃腸道也是產(chǎn)生褪黑素的重要組織器官。褪黑素在人胃腸道組織中的含量大概是松果體中的400倍,主要由位于腸上皮的腸嗜鉻細(xì)胞合成,且其含量和細(xì)胞密度呈正相關(guān),這些褪黑素涉及胃腸道炎癥、動(dòng)力等過(guò)程[7]。相關(guān)研究在鵪鶉[8]和小鼠[9]的腸道組織中發(fā)現(xiàn)了參與合成褪黑素關(guān)鍵酶的基因表達(dá),說(shuō)明胃腸道組織可能通過(guò)自身合成并分泌褪黑素,從而維持胃腸道組織內(nèi)褪黑素的濃度。

放射性標(biāo)記2-[125I]褪黑素可以在鴨的腸道中使用,用來(lái)表征和定位褪黑素的結(jié)合位點(diǎn)。基于該項(xiàng)技術(shù)有研究發(fā)現(xiàn),在鴨腸的不同區(qū)域,2-[125I]褪黑素結(jié)合位點(diǎn)的密度由低到高依次為:盲腸與食道、結(jié)腸、空腸與十二指腸、回腸,這表明褪黑素在鴨腸不同部位分布不均;同時(shí),2-[125I]褪黑素在鴨腸中的位點(diǎn)分布沒(méi)有日節(jié)律性[10]。在哺乳動(dòng)物的腸道中,褪黑素的分布也存在區(qū)域差異性。褪黑素在空腸和回腸中的含量最低,而在直腸和結(jié)腸中的含量則相反,這些差異已在人類(lèi)、兔和小鼠中得到證實(shí)[11]。另外,Bubenik等[12]測(cè)定了不同物種(牛和豬)消化道組織中褪黑素的含量,結(jié)果表明:與牛相比,豬的胃和回腸組織中的褪黑素含量要低得多,而豬的盲腸和結(jié)腸組織中的褪黑素含量要高得多;牛的黏膜肌層與黏膜層中的褪黑素含量相差不大。

有研究報(bào)道,切除大鼠的松果體后,消化系統(tǒng)不同區(qū)域的褪黑素水平?jīng)]有發(fā)生變化,而在門(mén)靜脈部分結(jié)扎后,褪黑素水平有減少[13],表明褪黑素可獨(dú)立于松果體在消化系統(tǒng)中存在。另有研究顯示,與老年小鼠相比,幼年小鼠結(jié)腸遠(yuǎn)端黏膜和回腸的褪黑素含量低126%[14];大鼠胃腸道組織中的褪黑素含量在出生時(shí)達(dá)到峰值,在21 d時(shí)下降至穩(wěn)定水平[15],其中空腸、回腸和結(jié)腸組織中的褪黑素含量下降更為明顯[16],但在后期胃腸道褪黑素含量增加。這表明,年齡對(duì)腸道褪黑素含量有一定的影響。此外,褪黑素的分泌與進(jìn)食也有一定的關(guān)系。Bubenik等[17]將豬作為研究對(duì)象,讓其禁食 30 h 后進(jìn)食,并在進(jìn)食 0 h、l h、2 h、5 h、10 h、20 h時(shí)測(cè)定胃腸道組織和血清的褪黑素水平,結(jié)果顯示,進(jìn)食后,除直腸褪黑素水平無(wú)明顯變化以外,各消化道組織和血清中的褪黑素水平均顯著升高。

2 消化道組織中褪黑素受體的分布與表達(dá)規(guī)律

褪黑素的受體在胃腸道組織中也廣泛存在[18],胃腸系統(tǒng)中的褪黑素受體與位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的受體顯示出非常相似的特征,具有相似的藥理學(xué)特異性,因此它們被認(rèn)為具有相同的性質(zhì)。褪黑素受體1(melatonin receptor 1,MT1)、MT2和MT3都可在胃腸道表達(dá),其中,作為G蛋白偶聯(lián)受體家族成員的MT1和MT2,具有7次跨膜結(jié)構(gòu),在納摩爾范圍內(nèi)具有高親和力[19～20]。有研究發(fā)現(xiàn),褪黑素還可與細(xì)胞核中類(lèi)視黃醇X受體(retinoid X receptor,RXR)或類(lèi)視黃醇孤兒核受體a(retinoid orphan receptor a,RORa)結(jié)合[21～22],外周血單個(gè)核細(xì)胞中ROR/RZR基因表達(dá)減少伴隨著MT1受體mRNA表達(dá)的減少,這體現(xiàn)出褪黑素的膜受體和核受體之間存在相互作用。

褪黑素受體的表達(dá)在組織和細(xì)胞中呈現(xiàn)差異性。劉文舉等[23]采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR和免疫組織化學(xué)技術(shù),研究了鴨不同組織中MT1b(melatonin receptor 1b)mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)分布,發(fā)現(xiàn)MT1b mRNA在心臟、腎臟、大腦、卵巢、胸肌、脾臟、肺、肝臟、胰臟中均有表達(dá),且MT1b蛋白也存在于大腦、肺、肝臟、胸肌、腎臟、心臟、胰臟。此外,盡管人的胃腸道血管、黏膜下層、肌間神經(jīng)叢和腸上皮都有MT1和MT2的表達(dá),但是它們?cè)诖竽c上皮中的表達(dá)量最高,腸嗜鉻細(xì)胞也存在MT2高表達(dá)。褪黑素還可以直接與鈣調(diào)蛋白、鈣網(wǎng)蛋白或微管蛋白等細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)相互作用,這擴(kuò)展了褪黑素結(jié)合和作用的潛在位點(diǎn)[24]。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)受體也可能是褪黑素的作用位點(diǎn)。Kasimay等[25]研究表明,先注射5-HT3受體(ramosetrone,50 g/kg)或膽囊收縮素(CCK2,1 mg/kg)阻斷劑15 min,再添加褪黑素,可消除褪黑素引起的胃排空延遲。這一效應(yīng)中,褪黑素可能通過(guò)阻斷煙堿乙酰膽堿受體,或調(diào)節(jié)細(xì)胞膜的Ca2+通道發(fā)揮作用。

3 胃腸道組織中褪黑素的代謝規(guī)律

內(nèi)源性褪黑素(血漿中游離褪黑素)在血清中的半衰期是30～60 min,外源性褪黑素(靜脈注射)的半衰期更短,只有12～48 min[26]。研究顯示,褪黑素靜脈注射小鼠后會(huì)快速分布到機(jī)體的各個(gè)器官,其中肝臟和腎臟的含量最高,脂肪和皮膚的含量最低;30 min后,褪黑素在血漿和肝臟的分布量為原來(lái)的10%～20%,而在腦腎上腺中的含量為原來(lái)的66.7%[27～28]。

在腸道組織中,褪黑素的前體物質(zhì)L-色氨酸,經(jīng)色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase,TPH)催化生成5-羥基色氨酸,后者經(jīng)芳香族L-氨基酸脫羧酶(aromatic L-aminoacid decarboxylase,AADC)、5-羥色胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(serotonin N-acetyltransferase,SNAT)催化依次生成5-羥色胺(5-HT)和乙酰5-羥色胺,最后乙酰5-羥色胺在乙酰血清素甲基轉(zhuǎn)移酶(acetyl-serotonin-O-methyltransferase,ASMT)催化下合成褪黑素[29]。此外,褪黑素經(jīng)羥基化代謝生成6-羥基褪黑素(6-hydroxymelation,6-HMT),后者的血液濃度比褪黑素高37倍,這一代謝途徑由細(xì)胞色素P450 1A1、1A2、1B1及2C9 介導(dǎo)[30～31]。

4 褪黑素對(duì)消化道養(yǎng)分吸收代謝的調(diào)控

褪黑素作為生理激素,和其他激素相比,具有更高的親脂性,其發(fā)揮作用的方式是多渠道的,既可以通過(guò)結(jié)合細(xì)胞膜表面的膜受體向細(xì)胞內(nèi)釋放第二信號(hào)分子,也可直接進(jìn)入細(xì)胞膜,與細(xì)胞核內(nèi)的受體結(jié)合,還可經(jīng)黏膜層與黏膜下層進(jìn)入到更深層,然后在肌間神經(jīng)叢和肌層黏膜發(fā)揮作用[32]。大鼠結(jié)腸、胃、十二指腸肌肉層和肌肉黏膜均有褪黑素參與調(diào)節(jié)胃腸道運(yùn)動(dòng)[33],但具體的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。褪黑素對(duì)胃腸道分泌的調(diào)節(jié)主要在于影響十二指腸的分泌反應(yīng),首先苯腎上腺素刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng),引起腸黏膜釋放褪黑素,隨后褪黑素通過(guò)旁分泌作用于十二指腸細(xì)胞,進(jìn)而活化促分泌神經(jīng)元,使得碳酸氫鹽分泌量升高;褪黑素也可以通過(guò)增加十二指腸細(xì)胞內(nèi)鈣離子的濃度,激發(fā)碳酸氫離子與氯離子的交換[34]。鳥(niǎo)類(lèi)中的研究也發(fā)現(xiàn),褪黑素能夠直接調(diào)控鳥(niǎo)類(lèi)胃腸的功能:腸道褪黑素釋放進(jìn)入全身循環(huán)后,可使胃腺黏膜和上皮鈉的吸收減少,從而抑制空腸上皮的增殖[35]。

4.1 褪黑素對(duì)脂肪代謝的調(diào)控

在營(yíng)養(yǎng)分配和代謝方面,褪黑素可以降低動(dòng)物采食量,影響能量代謝和動(dòng)物生長(zhǎng)。研究證明,褪黑素既可以通過(guò)受體介導(dǎo)機(jī)制降低細(xì)胞內(nèi)甘油三酯的合成和沉積,又可以降低機(jī)體膽固醇的合成,從而減少血脂的含量[36]。閆靈敏等[37～38]研究了褪黑素對(duì)大鼠脂肪代謝相關(guān)酶表達(dá)量的影響,結(jié)果表明,褪黑素處理后,脂肪分解有關(guān)的酶肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT1)以及轉(zhuǎn)錄因子ALDH3A2(aldehyde dehydrogenase 3 family member A2)的表達(dá)量升高,而脂肪合成相關(guān)的酶長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A合成酶3(longchain acyl-CoA synthetase 3,ACSL3)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)的mRNA表達(dá)量降低。不僅如此,近年來(lái),越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn),褪黑素能夠調(diào)控腸道微生物的脂質(zhì)代謝過(guò)程。Yin等[39]報(bào)道,褪黑素可通過(guò)影響飼喂高脂食物小鼠的腸道微生物區(qū)系,促進(jìn)短鏈脂肪酸的代謝。Xu等[40]也發(fā)現(xiàn),小鼠體內(nèi)的褪黑素可以通過(guò)改變腸胃微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)抑制肥胖。

相關(guān)研究報(bào)道,褪黑素注射液可顯著增加蟹肝胰腺中脂肪酶的活性,加速脂質(zhì)代謝,促進(jìn)腸道消化[41]。此外,有研究證明,褪黑素通過(guò)抑制Notch信號(hào)通路,在調(diào)節(jié)雞腸黏膜結(jié)構(gòu)的完整性以及消化吸收功能中起著關(guān)鍵作用[42]。綜上可知,褪黑素對(duì)脂肪代謝有重要意義。

4.2 褪黑素對(duì)糖吸收代謝的調(diào)控

褪黑素被認(rèn)為是葡萄糖代謝的重要調(diào)節(jié)劑。正常情況下,下丘腦下部前端的視交叉上核調(diào)節(jié)褪黑素的分泌模式,使其呈現(xiàn)晝伏夜出的節(jié)律性變化,而胰島素呈現(xiàn)出和褪黑素相反的晝高夜低的脈沖式分泌模式[43]。胰島素通過(guò)調(diào)節(jié)血糖水平,在機(jī)體的糖代謝中起著決定性的作用。視網(wǎng)膜上的光傳感器受到光線刺激,控制位于下丘腦前部的視交叉上核的晝夜節(jié)律。白天,去甲腎上腺素發(fā)揮效應(yīng),降低頸上神經(jīng)節(jié)到松果體的傳入沖動(dòng),阻礙腎上腺素受體與興奮性G蛋白偶聯(lián),降低腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase,AC)和環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)的水平,抑制cAMP依賴(lài)蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)激活,最終激活泛素蛋白酶體系統(tǒng),加速5-羥色胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(SNAT)的降解,使得褪黑素的合成減少,同時(shí)胰腺β細(xì)胞分泌胰島素增加[44],激素水平的變化刺激組織細(xì)胞對(duì)血液中葡萄糖的吸收,并使機(jī)體將吸收的葡萄糖合成肌糖原或轉(zhuǎn)化為脂肪,從而降低血糖水平。有研究顯示,褪黑素可以顯著促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白5(glucose transporter,GLUT5)的mRNA在十二指腸的表達(dá)[45]。胰腺β細(xì)胞中表達(dá)的G蛋白偶聯(lián)受體為褪黑素受體MT1及MT2,它們與抑制性G蛋白(Gi)相偶聯(lián)來(lái)介導(dǎo)對(duì)胰腺β細(xì)胞功能和胰島素分泌發(fā)揮作用的3個(gè)平行信號(hào)通路[46]。MT1與G蛋白(Gq)偶聯(lián)即可活化磷酯酶C(phospholipase C,PLC),使得位于細(xì)胞膜上的4,5-二磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate,PIP2)分解成三磷酸肌醇(inositol trisphosphate,IP3)與二酰甘油(diacylglycerol,DAG)[47],IP3進(jìn)一步促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放出Ca2+作用于致密核心大囊泡(large dense core vesicle,LDCV),引起胰島素分泌水平升高[48]。MT2與Gq偶聯(lián)的最終效果與MT1相反,其通過(guò)降低環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)水平導(dǎo)致胰島素分泌減少。此外,MT1和MT2可與Gi分別偶聯(lián),偶聯(lián)的結(jié)果是胞內(nèi)cAMP水平降低,PKA活性被抑制,同時(shí)胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)和胃抑制肽(gastric inhibitory peptide,GIP)[49]的分泌水平降低,引起胰島素分泌減少[50～51]。

關(guān)于褪黑素對(duì)小雞腸道影響的研究表明,褪黑素處理不僅增加了十二指腸的麥芽糖酶和蔗糖酶活性,而且還提高了空腸的蔗糖酶和乳糖酶活性[52],提示褪黑素可以增強(qiáng)小雞腸道消化吸收功能。需要指出的是,目前有關(guān)褪黑素對(duì)反芻動(dòng)物消化和吸收功能的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,值得進(jìn)一步關(guān)注。

4.3 褪黑素對(duì)蛋白質(zhì)和氨基酸吸收代謝的調(diào)控

褪黑素影響蛋白質(zhì)消化以及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。有研究使用qRT-PCR方法檢測(cè)褪黑素處理后雞腸道中營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá),結(jié)果顯示,褪黑素不僅可顯著促進(jìn)GLUT5 mRNA在十二指腸的表達(dá),而且還促進(jìn)了中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體LAT(L-type amino acid transporter)mRNA在十二指腸的表達(dá),另外LAT和陰離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白EAAT3(excitatory amino acid transporter 3)的mRNA在雛雞空腸中的表達(dá)也顯著增加[53]。這表明,褪黑素能夠促進(jìn)十二指腸中性氨基酸的吸收。但唐春祥等[54]通過(guò)研究褪黑素對(duì)生長(zhǎng)豬粗蛋白質(zhì)消化率的影響發(fā)現(xiàn),高褪黑素組的粗蛋白質(zhì)表觀消化率差異顯著并呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),低褪黑素組粗蛋白質(zhì)表觀消化率提高。Konturek等[55]的研究結(jié)果提示,褪黑素對(duì)蛋白質(zhì)的消化調(diào)控主要是通過(guò)減少胃酸分泌量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

褪黑素促進(jìn)氨基酸的吸收。在一定程度上,動(dòng)物吸收氨基酸的量可以由血漿游離氨基酸直接體現(xiàn),且兩者呈現(xiàn)正相關(guān),即飼糧中的氨基酸在動(dòng)物小腸被吸收后,血漿游離氨基酸含量會(huì)上升[56～57]。Ma等[58]按4 g/d的劑量在遼寧絨山羊飼糧中添加過(guò)瘤胃色氨酸(L-色氨酸含量33%),結(jié)果顯示血漿色氨酸含量呈現(xiàn)顯著升高的趨勢(shì)。Kollmann等[59]按500 g/d的劑量在奶牛飼糧中添加過(guò)瘤胃色氨酸(L-色氨酸含量25%),結(jié)果顯示白天與夜晚的血漿色氨酸含量都呈現(xiàn)顯著升高的趨勢(shì),但夜間增加更為顯著,具有明顯的晝夜節(jié)律性。另外,楊春合等[60～61]通過(guò)給母羔羊埋植褪黑素(2 mg/kg)發(fā)現(xiàn),母羊血清中褪黑素含量顯著增加,而催乳素含量則顯著降低,母羊的產(chǎn)奶量也顯著降低。

綜上所述,褪黑素可能通過(guò)影響胃酸分泌降低蛋白質(zhì)的消化,通過(guò)包被或其他保護(hù)技術(shù)可在一定程度上利用褪黑素調(diào)控產(chǎn)奶量。

5 結(jié)語(yǔ)

褪黑素作為重要的生理激素,可調(diào)控消化道上皮的糖脂代謝。雖然褪黑素可通過(guò)影響胰脂肪酶、腸道菌群來(lái)調(diào)控脂肪的吸收與代謝,但褪黑素對(duì)脂肪組織本身是否產(chǎn)生影響及其調(diào)節(jié)脂肪代謝的具體通路還不清楚;同樣,雖然有研究表明褪黑素可通過(guò)調(diào)節(jié)胰島素分泌以及麥芽糖酶、蔗糖酶和乳糖酶的活性來(lái)調(diào)節(jié)糖的吸收和代謝,但需要指出的是,目前有關(guān)褪黑素對(duì)反芻動(dòng)物糖代謝的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,值得進(jìn)一步關(guān)注。當(dāng)前,針對(duì)褪黑素的研究主要集中在基于大鼠模型的抗氧化等生理功能探究;對(duì)于消化道上皮的吸收作用只停留在生物鐘這一層面,利用褪黑素研究消化道上皮吸收的報(bào)道比較少?？偟膩?lái)講,褪黑素調(diào)控腸上皮細(xì)胞和組織受體的信號(hào)通路,促進(jìn)糖類(lèi)、脂肪、氨基酸的吸收代謝機(jī)制有待進(jìn)一步闡明,在消化道內(nèi)如何靶向調(diào)控褪黑素受體發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)將是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。