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N-氨甲酰谷氨酸緩解豬腸道氧化應(yīng)激的研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間:2023-09-12 關(guān)注:2738
腸道是機(jī)體內(nèi)外環(huán)境的交匯點(diǎn),易受外界環(huán)境變化誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧自由基,嚴(yán)重時(shí)造成機(jī)體氧化還原系統(tǒng)失衡,從而誘發(fā)腸道氧化應(yīng)激。N-氨甲酰谷氨酸(NCG)是N-乙酰谷氨酸的結(jié)構(gòu)類似物,可以促進(jìn)腸道內(nèi)源精氨酸的合成。近些年研究發(fā)現(xiàn),NCG在緩解豬腸道氧化應(yīng)激和維持腸道健康方面發(fā)揮重要作用。本文綜述了NCG緩解豬腸道氧化應(yīng)激的作用機(jī)制,也為NCG在緩解生豬氧化應(yīng)激上的應(yīng)用提供參考。
N-氨甲酰谷氨酸緩解豬腸道氧化應(yīng)激的研究進(jìn)展
Research Progress of N?Carbamoyl Glutamate in Alleviating Intestinal Oxidative Stress in Pigs
氧化應(yīng)激是機(jī)體氧化還原系統(tǒng)被破壞的一種生理狀態(tài),引起活性氧自由基在體內(nèi)累積,進(jìn)而氧化DNA?脂質(zhì)?蛋白質(zhì)等分子的不飽和結(jié)構(gòu),導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂。腸道是機(jī)體與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)?信息交換的主要場(chǎng)所,易受環(huán)境中有害菌?病毒等因子刺激,使細(xì)胞線粒體內(nèi)活性氧含量急劇增加,造成腸道氧化還原系統(tǒng)失衡,對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能?生理機(jī)能造成不利影響,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致壞死性腸炎?潰瘍等多種腸道疾病發(fā)生,制約豬的正常生長(zhǎng)。N-氨甲酰谷氨酸與N-乙酰谷氨酸可激活線粒體中氨基甲酰磷酸合成酶-Ⅰ和吡咯啉-5-羧酸合成酶,促進(jìn)谷氨酰胺和脯氨酸合成瓜氨酸,而瓜氨酸是合成精氨酸的主要前體,進(jìn)而促進(jìn)精氨酸的內(nèi)源合成。近些年,以仔豬?大鼠?羔羊?yàn)樵囼?yàn)動(dòng)物時(shí),發(fā)現(xiàn)NCG在提高機(jī)體抗氧化能力?緩解腸道氧化應(yīng)激方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此,本文總結(jié)了NCG緩解腸道氧化應(yīng)激的可能機(jī)理及在生豬生產(chǎn)中的一些應(yīng)用進(jìn)展。
在規(guī)?;B(yǎng)殖環(huán)境下,氧化應(yīng)激是引起豬生產(chǎn)性能降低的主要因素之一。核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)和谷胱甘肽是細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡的主要調(diào)節(jié)因子,同時(shí)也是介導(dǎo)腸道氧化應(yīng)激反應(yīng)的主要代謝途徑。Zhang等在羔羊的研究發(fā)現(xiàn),NCG可以提高腸道Nrf2和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase,GSH?Px)的表達(dá),同時(shí)其與精氨酸代謝關(guān)系密切。因此,一般認(rèn)為NCG是通過介導(dǎo)腸道精氨酸的代謝反應(yīng),從而調(diào)節(jié)機(jī)體的氧化還原狀態(tài)。
1.1 NCG促進(jìn)精氨酸合成緩解腸道氧化應(yīng)激
Ahmad等研究發(fā)現(xiàn),ROS和丙二醛(ma?londialdehyde,MDA)積累與精氨酸的攝入量呈顯著負(fù)相關(guān),表明精氨酸可以參與清除ROS的反應(yīng)過程。而對(duì)于幼齡仔豬而言,線粒體內(nèi)NAG濃度較低,造成精氨酸合成限速酶P5CS的表達(dá)受到抑制,相應(yīng)地限 制了腸道精氨酸的合成效率。然而,NCG具備與NAG相似的代謝途徑,可以在腸道內(nèi)激活P5CS,從而促進(jìn)精氨酸的穩(wěn)定合成。精氨酸屬于堿性氨基酸,其孤電子對(duì)位于胍基基團(tuán),與ROS結(jié)合后,可以影響機(jī)體的氧化還原狀態(tài)。
目前,Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(KelchlikeECHassociatedprotein1,Keap1)/Nrf2信號(hào)通路被認(rèn)為是緩解豬腸道細(xì)胞氧化損傷的重要途徑,在正常生理狀態(tài)下,Keap1可以快速分解Nrf2。Liang等研究表明,精氨酸可抑制大鼠腸道Keap1和泛素連接酶3(CULLIN3)基因的表達(dá),從而抑制Keap1識(shí)別和降解Nrf2,提高Nrf2入核數(shù)量;Nrf2也可通過提高谷氨酸半胱氨酸連接酶(glutamatecysteineligase,GCL)和谷氨酸半胱氨酸連接酶(glutamatecysteineligase,GCL)等谷胱甘肽合成酶基因的表達(dá),相應(yīng)地促進(jìn)GSH的合成。此外,Mo等研究發(fā)現(xiàn),精氨酸能夠上調(diào)大鼠脾臟的哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mechanistictargetofrapamycinkinase,mTOR)基因表達(dá),而mTOR是Nrf2的上游信號(hào)分子,可能正向調(diào)控Nrf2的表達(dá)。此外,Um等研究表明,一氧化氮(NO)也可誘導(dǎo)細(xì)胞中Nrf2的表達(dá),可能是通過激活蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC),進(jìn)而促進(jìn)Keap1的S-亞硝化,提高Nrf2的表達(dá)量。同時(shí),NCG可促進(jìn)育肥豬機(jī)體NO的生成,但是否能激活PKC介導(dǎo)Nrf2的表達(dá)還有待進(jìn)一步研究。因此,一般認(rèn)為NCG可以介導(dǎo)精氨酸的合成,進(jìn)而影響Keap1/Nrf2信號(hào)通路關(guān)鍵蛋白的表達(dá),從而相應(yīng)地緩解腸道氧化反應(yīng)(圖1)。
NCG:N-氨甲酰谷氨酸;N?carbamyl glutamate;Arg:精氨酸arginine;mTOR:哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白mammalian target of rapamycin;Nrf2:核因子E2相關(guān)因子2 nuclear factor erythroid 2?related factor 2;SOD:超氧化物歧化酶superoxide dismutase;CAT:過氧化氫catalase;GSH?Px:谷胱甘肽過氧化酶glutathione peroxidase。
圖 1. NCG 介導(dǎo) Nrf2 信號(hào)通路緩解腸道氧化應(yīng)激
1.2 NCG介導(dǎo)谷胱甘肽合成途徑緩解腸道氧化應(yīng)激
谷胱甘肽是谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽,同時(shí)也是動(dòng)物細(xì)胞中含量豐富的一類小分子硫醇,在清除自由基、阻止脂質(zhì)過氧化、降低線粒體DNA損傷等方面發(fā)揮作用。谷胱甘肽抗氧化系統(tǒng)是由谷胱甘肽還原型(GSH)和氧化型(GSSG)組成,通過2種形式之間的相互轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原平衡。GSH在GSH?Px或谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(glutathioneS?transferase,GST)的作用下,與ROS和脂質(zhì)過氧化物發(fā)生反應(yīng)后,被氧化為GSSG;而GSSG在谷胱甘肽還原酶(glutathionere?ductase,GR)的作用下被還原成GSH。腸道受到大量ROS脅迫時(shí),GSH與GSSG的動(dòng)態(tài)平衡被打破,引起機(jī)體的氧化反應(yīng),研究表明,NCG可調(diào)控谷胱甘肽抗氧化系統(tǒng),參與清除腸道中的ROS,保護(hù)腸上皮細(xì)胞免于氧化損傷。
Mo等研究發(fā)現(xiàn),氧化應(yīng)激大鼠飼喂NCG后,能夠提高腸道GR的活性,相應(yīng)地促進(jìn)GSSG還原為GSH。Zhang等也在報(bào)道中指出,NCG可提高空腸GSH?Px的活性,增強(qiáng)機(jī)體清除ROS和MDA的能力。另外,GCL和GS是GSH合成的關(guān)鍵限速酶,GSH合成酶的激活被認(rèn)為在調(diào)控氧化應(yīng)激中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Zhang等研究發(fā)現(xiàn),羔羊哺乳期添加NCG,GSH和GSH/GSSG比值在十二指腸?空腸?回腸中的數(shù)值顯著提高,同時(shí)小腸MDA含量顯著降低,相應(yīng)地介導(dǎo)機(jī)體的氧化狀態(tài)。然而,關(guān)于NCG在調(diào)控豬腸道谷胱甘肽合成的研究相對(duì)較少。
1.3 NCG介導(dǎo)NO代謝途徑緩解腸道氧化應(yīng)激
NO是機(jī)體分布廣泛的信號(hào)分子,在許多生理和病理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用。有研究表明,NO在機(jī)體代謝中可以清除ROS,在腸道內(nèi),NO與超氧陰離子(O-2)反應(yīng)后,生成了過氧亞硝酸鹽(ONOO-),之后轉(zhuǎn)化為NO-2和NO-3,從而排出體外。另外,NO也是重要的血管擴(kuò)張劑。在乙酰膽堿作用下,NO由血管內(nèi)皮細(xì)胞釋放出來(lái),相應(yīng)地降低了血管張力,緩解了氧化應(yīng)激引起的腸道缺氧問題。此外,NO代謝途徑還可激活抗氧化相關(guān)因子,調(diào)控機(jī)體和細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)。在機(jī)體中,精氨酸?還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADPH)和氧氣在一氧化氮合酶(nitricoxidesynthase,NOS)的催化下合成NO,而NOS是NO的唯 一限速酶;在腸道精氨酸缺乏的情況下,NOS可以催化氧氣生成O-2,增加ROS的產(chǎn)生。Cai等研究發(fā)現(xiàn),NCG可通過精氨酸-NO途徑提高豬腸道內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endo?thelianitricoxidesynthase,eNOS)的表達(dá)水平,促進(jìn)機(jī)體NO生成。
2.1 NCG用于緩解母豬氧化應(yīng)激
由于豬缺乏功能性汗腺?體重較大且皮下脂肪較厚,阻礙了自身向外分散熱量,造成體內(nèi)積熱,誘發(fā)熱應(yīng)激。在母豬妊娠后期和哺乳期,由于機(jī)體代謝旺盛而更易出現(xiàn)熱應(yīng)激。熱應(yīng)激導(dǎo)致母豬采食量下降?代謝耗能增加,從而導(dǎo)致能量負(fù)平衡,使得線粒體功能負(fù)荷增加,進(jìn)而導(dǎo)致氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激損傷了母豬機(jī)體健康,從而直接或間接地對(duì)卵子及胚胎發(fā)育產(chǎn)生不良影響,抑制了母豬繁殖性能的發(fā)揮。也有研究發(fā)現(xiàn),NCG可以緩解由于氧化應(yīng)激引起的母豬繁殖性能下降。
Zhu等研究發(fā)現(xiàn),初產(chǎn)母豬妊娠前期補(bǔ)充NCG,增加了子宮血流量,顯著提高妊娠28d胚胎著床數(shù)和胚胎存活數(shù),顯著降低胚胎死亡率,提高胚胎著床和發(fā)育相關(guān)的蛋白表達(dá),也上調(diào)了eNOS?過氧化還蛋白6(peroxiredoxin6,PRDX6)?熱休克蛋白70(heatshockprotein70,Hsp70)等與抗氧化相關(guān)蛋白的表達(dá),表明NCG可以緩解母豬的氧化應(yīng)激反應(yīng)。Feng等報(bào)道指出,在母豬妊娠后期和哺乳期添加0.05%NCG,可提高仔豬初生窩重和平均活仔重,以及降低母體循環(huán)中的MDA和皮質(zhì)醇含量。Liu等在母豬宮內(nèi)生長(zhǎng)受限(IUGR)的研究中發(fā)現(xiàn),在妊娠期母豬飼糧中添加NCG,可提高臍靜脈血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A(vascularendothelialgrowthfactorA,VEGF?A)和eNOS基因的表達(dá),提高臍靜脈運(yùn)輸氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力,緩解母豬氧化應(yīng)激引起的宮內(nèi)生長(zhǎng)受限。
2.2 NCG用于緩解仔豬氧化應(yīng)激
仔豬在出生和斷奶階段由于環(huán)境突然變化易導(dǎo)致氧化應(yīng)激。在出生階段,由從子宮內(nèi)低氧迅速轉(zhuǎn)變到子宮外高氧的環(huán)境中,造成胎兒呼吸系統(tǒng)的線粒體產(chǎn)生大量ROS,然而,新生仔豬體內(nèi)NAG活性較低,體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)無(wú)法完全清除ROS。而在14日齡左右,仔豬機(jī)體的NAG活性恢復(fù)至正常水平;28日齡斷奶階段,仔豬面臨了營(yíng)養(yǎng)?心理?環(huán)境等多種應(yīng)激疊加,機(jī)體抗氧化酶活性顯著下降,腸道發(fā)生了較高的氧化應(yīng)激反應(yīng),而內(nèi)源精氨酸的合成量仍不足以清除斷奶階段產(chǎn)生的大量ROS。研究發(fā)現(xiàn),氧化應(yīng)激會(huì)破壞仔豬腸道形態(tài)和免疫功能,對(duì)腸道的損傷作用可以一直延續(xù)至成年豬階段,而NCG可直接促進(jìn)仔豬內(nèi)源精氨酸的合成,有利于緩解仔豬生理階段的氧化應(yīng)激。
Cai等報(bào)道指出,在妊娠早期母豬飼糧中添加0.05%NCG,可改善羊水和血清中谷胱甘肽代謝,緩解ROS對(duì)胚胎的脅迫,終保護(hù)胚胎免受氧化應(yīng)激。Zhang等探究了在大腸桿菌應(yīng)激條件下,NCG對(duì)新生仔豬腸道黏膜免疫功能的影響,發(fā)現(xiàn)灌服50mg/kg BW NCG提高了血漿精氨酸和黏膜分泌型免疫球蛋白(SIgA)含量,降低了腸道MDA和過氧化氫含量,從而提高了腸道抗氧化能力和免疫功能。由于NCG在新生仔豬上的應(yīng)用較少,而補(bǔ)充NCG或精氨酸均可以提高血漿精氨酸含量,且NCG的半衰期較長(zhǎng),相較于精氨酸,能持續(xù)穩(wěn)定增加內(nèi)源精氨酸的合成。此外,在飼糧中使用NCG,還可以避免精氨酸與其他堿性氨基酸吸收時(shí)的拮抗作用。
Wu等研究表明,在斷奶仔豬飼糧中添加NCG后,腸道HSP70在mRNA和蛋白質(zhì)水平上的表達(dá)都得到了增強(qiáng),相應(yīng)地減少腸道應(yīng)激反應(yīng),從而提高仔豬的生長(zhǎng)性能。Yang等研究發(fā)現(xiàn),在21日齡斷奶的環(huán)江小型豬為研究對(duì)象時(shí),飼糧中添加0.1%NCG,血漿精氨酸含量顯著提高,空腸溶質(zhì)載體家族6成員19(solutecarrierfamily6member19,Slc6a19)?溶質(zhì)載體家族7成員9(solutecarrierfamily7member9,Slc7a9)和溶質(zhì)載體家族1成員1(solutecarrierfamily7mem?ber9,Slc1a1)的mRNA豐度顯著提高,相應(yīng)地影響斷奶仔豬腸道的消化吸收能力。
2.3 NCG用于緩解生長(zhǎng)育肥豬氧化應(yīng)激
在生長(zhǎng)育肥豬階段,豬舍飼養(yǎng)密度和衛(wèi)生?冷熱應(yīng)激?運(yùn)輸應(yīng)激和真菌毒素等均會(huì)引起氧化應(yīng)激反應(yīng),嚴(yán)重時(shí)引起生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能下降?肉品質(zhì)受損和貨架期縮短等問題。目前,圍繞NCG緩解生長(zhǎng)育肥豬氧化應(yīng)激的研究報(bào)道較少,主要集中在調(diào)控生長(zhǎng)育肥豬的肉品質(zhì)方面。Yi等研究表明,在生長(zhǎng)育肥豬飼糧中添加1%精氨酸可緩解熱應(yīng)激導(dǎo)致的腸道損傷,提高空腸上皮細(xì)胞黏蛋白-2?閉鎖小帶蛋白-1(ZO?1)?阻滯素蛋白的表達(dá),改善了生長(zhǎng)育肥豬小腸的屏障功能。Ye等報(bào)道指出,低蛋白質(zhì)飼糧添加NCG后,顯著提高了肥育豬的無(wú)脂瘦肉增重,同時(shí)增加了背長(zhǎng)肌的亮氨酸含量。Xing等研究發(fā)現(xiàn),NCG可以減少寧鄉(xiāng)豬皮下脂肪沉積,提高背長(zhǎng)肌油酸?α-亞麻酸和泡桐酸的含量,降低花生四烯酸含量,提升寧鄉(xiāng)豬肉品質(zhì)。
綜上所述,NCG在維持豬腸道精氨酸穩(wěn)態(tài)?調(diào)控腸道氧化平衡狀態(tài)等方面發(fā)揮重要作用,可以緩解由于氧化應(yīng)激帶來(lái)的不同階段豬生產(chǎn)性能下降等問題。由于精氨酸在胃中降解率高,需要包被,導(dǎo)致其使用成本較高。NCG相較于精氨酸在胃液降解率低,添加量小,生產(chǎn)成本低,且不易與賴氨酸?組氨酸等堿性氨基酸產(chǎn)生拮抗作用。然而,NCG在緩解單胃動(dòng)物氧化應(yīng)激?調(diào)控腸道細(xì)胞增殖的研究較少,此外,大多數(shù)研究局限于NCG對(duì)精氨酸的調(diào)控作用,對(duì)于NCG調(diào)控精氨酸合成以外的機(jī)制幾乎沒有涉及。隨著生物技術(shù)手段的不斷發(fā)展,進(jìn)一步探索NCG調(diào)控單胃動(dòng)物腸道氧化應(yīng)激的分子作用機(jī)制,有助其更好地應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn) 略