一氧化氮(NO)是一种自由基性质的气体分子，参与机体细胞和组织的多种生理功能[1]，如血管调节、内环境稳定、骨形成和吸收、神经传递及免疫功能[2];研究证实，在许多细胞内，一氧化氮合酶(NOS)催化左旋-精氨酸与氧分子的氧化还原反应，不断产生低浓度的内源性NO分子[3]。机体产生的NO具有双向调节功能。一方面，巨噬细胞产生的NO在体内和体外都有抗菌及抗肿瘤的作用[4]。另一方面，过高浓度的NO会损伤细胞的蛋白质、类脂膜和DNA，甚至阻断细胞信号通路，引发全身性不可控炎症，使机体产生氧化应激[5]。因此，机体在正常情况下通过调控体系保证NO浓度处于平衡状态，改善其抗氧化功能是非常重要的。维生素A是动物体内重要的必需营养素之一，一些研究报道，维生素A可有效地调控NO的合成，预防细胞炎症及氧化应激的发生，如维生素A的活性代谢产物视黄酸(retinoic acid，RA)可下调鼠T细胞的白介细胞素(IL)-2的基因表达进而抑制NO的大量产生[6]；Hung等[7]的研究指出，RA可抑制人软骨细胞中IL-1诱导的诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧酶2(COX-2)和细胞因子的合成，进而抑制NO的大量产生。然而，关于其调节机理尚不清楚。本文主要阐述了维生素A对动物机体NO生成的调节作用及其可能机制，为科学补充维生素A、提高机体的抗氧化功能提供依据。
1 NO生成与机体氧化应激NO是近年来新发现的生物体细胞内及细胞间重要的气体信使分子，在生物体内各组织中都有分布[8]，而且参与机体多种生理活动，如在神经信号和血管舒张细胞间作为主要的信使[9]。NO由不同类型的NOS催化L-精氨酸生成，NOS根据其存在的部位不同分为内皮型一氧化氮合酶(eNOS)、神经元型一氧化氮合成酶(nNOS)和iNOS。正常的生理情况下，eNOS和nNOS持续低水平表达并维持正常的生理功能，而iNOS在生物体内处于静默状态并不表达。NO具有双重量效作用。正常生理情况下，少量NO有直接杀菌作用，抑制病毒、细菌、真菌、原生动物、蠕虫、肿瘤细胞[10]，并能加快血液循环。但是，过量的NO会损伤机体健康的细胞，引起组织的氧化应激[11]；当受到炎症细胞因子或内毒素等诱导时，iNOS被激活，导致产生大量NO，致使组织损伤，加速炎症进程[12]。同时，NO本身容易与氧自由基相互发生反应，生成毒性更强的强氧化剂过氧化亚硝基阴离子(ONOO-)进而介导细胞毒性反应。因此，过高浓度的NO对氧自由基的损伤效应起放大作用，可促进炎症反应和组织损伤，加剧机体的氧化应激水平[13]。
2 维生素A对NO生成的调节作用维生素A是动物正常生命活动所必需的一类低分子脂溶性维生素，在抗氧化、免疫功能等方面均起着重要的作用[14]。维生素A有3种活性形式，即视黄醇(retinol)、RA、视黄醛(retinal)，目前，关于维生素A对NO生成的调节作用的研究主要集中在人和小鼠等领域。Hung等[7]的研究指出，IL-1可以诱导人软骨细胞产生iNOS、COX-2和细胞因子，iNOS被激活进而产生大量的NO;但是，RA可以下调iNOS的基因表达，减少NO的过量生成。类似的还有Ertesvag等[6]的研究，该研究发现RA可下调鼠体内T细胞IL-2的基因表达进而抑制NO的大量产生。此外，Hiroyuki[15]的研究发现，脂多糖(LPS)对体外培养的奶牛乳腺上皮细胞中IL-1和IL-6的产生呈现剂量依赖效应。同时有研究表明，LPS可以诱导小鼠小胶质神经细胞，使iNOS和肿瘤坏死因子α(TNF-α)的mRNA表达量升高，暗示LPS诱导产生的IL使iNOS的表达增强，生成了大量的NO，而添加RA可以抑制上述情况，即降低了iNOS的基因表达量，减少NO的浓度[16]。以上研究结果均提示，受LPS的刺激可以增加IL的产生，继而增强iNOS基因表达和iNOS生成，最终增加NO的浓度，但是RA可以通过抑制iNOS的基因表达有效地调控NO的合成，抑制NO的大量产生，预防细胞炎症及氧化应激的发生，但关于其调节机制尚不清楚。
3 维生素A对NO生成的调节机理 3.1 通过硒蛋白硫氧还蛋白还原酶(TrxR)调节Hallemeesch等[17]的研究指出，引起组织氧化损伤的过量NO可能与iNOS的持续活化有关。张浩等[13]也发现，人体内由iNOS产生的NO与炎症关系密不可分，是炎症作用机制中重要的细胞内信使和分子标志物。因此，维生素A对NO生成的调控作用主要是针对iNOS的活性进行调控。目前，关于维生素A对NO生成的调节机理研究甚少，综合国内外的一些研究结果，可以归纳为以下2个方面：一是维生素A通过TrxR调节iNOS活性进而影响NO的生成。TrxR属于硫氧还蛋白(Trx)系统，其通过尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原氧化型的Trx及其类似物，以减少氧化还原反应的过度进行[18, 19]，它是反映机体抗氧化能力的重要硒蛋白之一。柳晨[8]利用转染TRx基因的小鼠神经嵴母瘤(Neuro-2A)细胞，建立了Neuro-2A细胞的NO毒性模型，研究了这种抗氧化基因的表达与NO的关系，研究发现Trx可以保护Neuro-2A细胞免受NO诱导的损伤，其原因可能是Trx的S-亚基能绑定NO，减少NO浓度，清除氧自由基，提高细胞抗氧化水平[14]，说明Trx体系在保护Neuro-2A细胞免受NO对其引起的损伤方面具有重要作用。Ferret等[20]的研究指出，Trx可保护人的2种单核巨噬细胞系THP1和U937免受二乙烯三胺/一氧化氮聚合物(DETA/NO)对其引起的损伤，细胞对NO损伤作用的易感性与TrxR和Trx的基因表达量呈负相关，同样也说明Trx体系在保护人的2种单核巨噬细胞系免受NO对其引起的损伤方面具有重要的作用。在细胞外，Trx可以抑制IL-1和IL-2的产生[21, 22]，降低iNOS被激活的可能，从而间接抑制了NO的生成。Jin等[23]的研究表明，饲喂高剂量(220 IU/kg BW)维生素A的荷斯坦奶牛的血清中TrxR的活性有升高趋势。Bruzelius等[24]探讨了奶牛乳腺上皮细胞系内硒蛋白生物合成的调节因素，结果表明，RA可以上调TrxR1的基因表达。Chu等[25]发现在奶牛乳腺上皮细胞培养基中添加RA可以使TrxR1的基因大量表达。由此推测，维生素A对NO生成的调节作用可能通过对硒蛋白TrxR合成的调节，即促进了TrxR的合成，抑制了iNOS的活性及基因的表达，进而减少了NO的大量产生。然而，迄今为止，关于维生素A从TrxR-NO途径对抗氧化功能的影响研究报道极少，其机理有待进一步深入研究。
3.2 通过IL调节IL是一类具有生物活性的调节机体免疫应答和炎症反应的细胞因子[26]，一些研究表明，IL-1、IL-2和iNOS的表达呈正相关关系[27, 28]。顾蓓蓓[29]的研究结果得出，大鼠乳腺上皮细胞用LPS刺激后引起TNF-α、IL-1β、NO等炎症相关因子的浓度显著升高，iNOS mRNA表达显著增强。Hong等[30]发现，RA可以抑制体外培养的受LPS诱导的RAW264.7细胞中TNF-α的产生。Dheen等[16]研究表明，在小鼠的小胶质神经细胞中，RA(0.1~10.0 μmol/L)对由LPS诱导的iNOS和TNF-α mRNA的升高显示的抑制作用存在剂量依赖效应。Balato等[31]的研究还发现，促炎性因子TNF-α会增强体外人活体皮肤组织中IL-1的基因表达，而RA可以抑制IL-1基因的大量表达。一些研究还发现，RA可下调鼠体内T细胞IL-2的基因表达，从而可以抑制NO的大量产生[6]。Hung等[7]的研究指出，RA可抑制人软骨细胞中受IL-1诱导的iNOS和细胞因子的合成，进而减少NO的生成。这些研究结果提示，维生素A可能是通过对TNF-α和细胞因子IL的抑制作用下调iNOS的活性和iNOS基因表达，进而抑制NO的生成。但目前关于该领域的研究报道仍较少，其具体的影响机理需要进一步探讨。
3.3 通过若干信号通路调节 3.3.1 核转录因子κB(NF-κB)信号通路研究报道，许多刺激源都会上调iNOS基因在巨噬细胞的表达，如二氧化硅、紫外光、细胞因子和LPS[32]，而iNOS基因表达的上调与NF-κB的活性有关，受NF-κB信号通路的调控，在iNOS的基因启动子后面结合着κB增强子元件。正常细胞中NF-κB主要以二聚体形式与NF-κB抑制蛋白(IκB)结合，以无活性状态存在于胞浆中。当细胞受到刺激，可诱导IκB磷酸化并与其二聚体解离活化，转位于细胞核内促进胞内iNOS的基因转录与表达[33, 34]。顾蓓蓓[29]的研究也有类似的发现，大鼠乳腺上皮细胞用LPS处理后引起TNF-α、IL-1β、NO等与炎症相关因子浓度显著升高，iNOS mRNA表达显著增强，并且显著上调了大鼠乳腺上皮细胞Toll样受体(TLR-4)水平及NF-κB与DNA的结合活性；添加视黄醇后则显著降低了由LPS引起的升高的TLR-4水平和极显著降低了NF-κB与DNA的结合活性；即LPS通过TLR-4/NF-κB信号途径促进原代大鼠乳腺上皮细胞炎性相关因子的表达，而添加视黄醇能抑制相关炎性因子的过度表达，进而抑制NF-κB与DNA的结合活性，并反馈性地下调TLR-4的表达，可见，NF-κB可能是视黄醇增强乳腺抗氧化功能和保护乳腺抗感染的信号通路之一，但相关的研究报道很少。
3.3.2 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路MAPK信号通路主要由p38 MAPK、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和胞外信号调节激酶(ERK)1/2构成。研究指出，MAPK信号通路可以对iNOS的合成进行调控[35]。p38 MAPK在调节炎症分子中起着非常重要的作用[36]，Toll样受体和其配体相结合后，通过MAPK信号转导可以促进iNOS产生，或激活胞内激酶结构域及下游信号通路级联反应，活化转录因子，转录到胞核增加iNOS mRNA表达。也有研究表明，兔的RAW 264.7巨噬细胞经LPS诱导后，激活的p38 MAPK可以刺激NF-κB与DNA相结合，随后引起iNOS基因的表达和大量NO的释放[37]。同时，有报道表明，RA通过上调MAPK磷酸酶的表达，抑制磷酸化，从而阻碍MAPK介导的细胞信号通路的活化[38, 39]。Hsieh等[40]和Yoo等[41]的研究发现，TrxR的活性降低时，可以激活MAPK信号通路中的JNK和p38 MAPK，继而促进NF-kB与DNA的结合活性。因此，维生素A对NO生成的调控可能是通过调节TrxR活性从而调控MAPK通路最终抑制iNOS mRNA的表达和NO的释放的。由此可见，维生素A调控NO的释放可能与多种信号通路途径有关，其具体的机理目前尚不清楚，有待于进一步研究考证。
4 小 结维生素A可以有效地调节NO的生成，提高机体抗氧化水平，预防氧化应激的发生，但关于其调节机理尚不清楚。从TrxR-NO和IL-NO途径结合NF-κB和MAPK信号通路，深入探讨维生素A对NO生成的调节作用及其可能存在的机理，对科学使用维生素A、保障动物健康、提高动物生产性能和改善畜产品品质具有重要的意义。
| [1] | MONCADA S,HIGGS E A.The discovery of nitric oxide and its role in vascular biology[J]. British Journal of Pharmacology,2006,147(S1):S193-S201. ( 1)
|
| [2] | UĜAR-ÇANKAL D,OZMERIC N.A multifaceted molecule,nitric oxide in oral and periodontal diseases[J]. Clinica Chimica Acta,2006,366(1/2):90-100. (1)
|
| [3] | SCHMIDT H H H W,WALTER U.NO at work[J]. Cell,1994,78(6):919-925. (1)
|
| [4] | MACMICKING J,XIE Q W,NATHAN C.Nitric oxide and macrophage function[J]. Annual Review of Immunology,1997,15(1):323-350. (1)
|
| [5] | SANG J R,JIANG M Y,LIN F,et al.Nitric oxide reduces hydrogen peroxide accumulation involved in water stress-induced subcellular anti-oxidant defense in maize plants[J]. Journal of Integrative Plant Biology,2008,50(2):231-243. (1)
|
| [6] | ERTESVAG A,AUSTENAA L M,CARLSEN H,et al.Retinoic acid inhibits in vivo interleukin-2 gene expression and T-cell activation in mice[J]. Immunology,2009,126(4):514-522. (3)
|
| [7] | HUNG L F,LAI J H,LIN L C,et al.Retinoid acid inhibits IL-1-induced iNOS,COX-2 and chemokine production in human chondrocytes[J]. Immunological Investigations,2008,37(7):675-693. (3)
|
| [8] | 柳晨.基于TRX转基因细胞抗氧化应激损伤作用中对NO水平的调节作用研究[D]. 硕士学位论文.大连:大连医科大学,2013. (2)
|
| [9] | SHINDE U A,MEHTA A A,GOYAL R K.Nitric oxide:a molecule of the millennium[J]. Indian Journal of Experimental Biology,2000,38(3):201-210. (1)
|
| [10] | BOGDAN C,RÖLLINGHOFF M,DIEFENBACH A.Reactive oxygen and reactive nitrogen intermediates in innate and specific immunity[J]. Current Opinion in Immunology,2000,12(1):64-76. (1)
|
| [11] | BANAN A,FIELDS J Z,DECKER H,et al.Nitric oxide and its metabolites mediate ethanol-induced microtubule disruption and intestinal barrier dysfunction[J]. The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics,2000,294(3):997-1008. (1)
|
| [12] | 潘会君,唐宁,华晓东,等.中药调控一氧化氮合酶-一氧化氮系统的研究[J]. 中国实验方剂学杂志,2010,16(12):201-205. (1)
|
| [13] | 张浩,昝金行,刘培勋.诱导型一氧化氮合酶抑制剂的研究进展[J]. 中国新药杂志,2013,22(6):665-669. (2)
|
| [14] | MURATA M,AKAO M,O'ROURKE B,et al.Mitochondrial ATP-sensitive potassium channels attenuate matrix Ca2+ overload during simulated ischemia and reperfusion:possible mechanism of cardioprotection[J]. Circulation Research,2001,89(10):891-898. (2)
|
| [15] | HIROYUKI O,HIROMICHI O,SATORU K,et al.Effects of lipopolysaccharide on production of interleukin-1 and interleukin-6 by bovine mammary epithelial cells in vitro[J]. The Journal of Veterinary Medical Science,1999,61(1):33-35. (1)
|
| [16] | DHEEN S T,JUN Y,YAN Z,et al.Retinoic acid inhibits expression of TNF-α and iNOS in activated rat microglia[J]. Glia,2005,50(1):21-31. (2)
|
| [17] | HALLEMEESCH M M,JANSSEN B J A,DE JONGE W J,et al.NO production by cNOS and iNOS reflects blood pressure changes in LPS-challenged mice [J]. American Journal Physiology,2003,285(4):E871-E875. (1)
|
| [18] | HAWKES W C,ALKAN Z.Regulation of redox signaling by selenoproteins [J]. Biological Trace Element Research,2010,134(3):235-251. (1)
|
| [19] | HAWKES H J K,KARLENIUS T C,TONISSEN K F.Regulation of the human thioredoxin gene promoter and its key substrates:a study of functional and putative regulatory elements[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA):General Subjects,2014,1840(1):303-314. (1)
|
| [20] | FERRET P J,SOUM E,NEGRE O,et al.Protective effect of thioredoxin upon NO-mediated cell injury in THP1 monocytic human cells[J]. The Biochemical Journal,2000,346(Pt 3):759-765. (1)
|
| [21] | BERTINI R,HOWARD O M Z,DONG H F,et al.Thioredoxin,a redox enzyme released in infection and inflammation,is a unique chemoattractant for neutrophils,monocytes,and T cells[J]. The Journal of Experimental Medicine,1999,189(11):1783-1789. (1)
|
| [22] | MILLER L A,USACHENKO J,MCDONALD R J,et al.Trafficking of neutrophils across airway epithelium is dependent upon both thioredoxin-and pertussis toxin-sensitive signaling mechanisms[J]. Journal of Leukocyte Biology,2000,68(2):201-208. (1)
|
| [23] | JIN L,YAN S M,SHI B L,et al.Effects of vitamin A on the milk performance,antioxidant functions and immune functions of dairy cows[J]. Animal Feed Science and Technology,2014,192:15-23. (1)
|
| [24] | BRUZELIUS K,SUNDLER R,PAGMANTIDIS V,et al.Regulation of selenoprotein mRNA expression by hormones and retinoic acid in bovine mammary cells[J]. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology,2010,24(4):251-256. (1)
|
| [25] | CHU F F,ESWORTHY R S,LEE L,et al.Retinoic acid induces Gpx2 gene expression in MCF-7 human breast cancer cells[J]. The Journal of Nutrition,1999,129(10):1846-1854. (1)
|
| [26] | 景志忠,窦永喜,罗启慧,等.猪白介素家族重要基因的克隆、表达及其结构与功能预测分析[J]. 中国农业科学,2006,39(3):612-619. (1)
|
| [27] | 田学忠,刘越,陈华,等.白细胞介素1和诱导型一氧化氮合酶在兔肢体缺血再灌注后关节软骨中的表达[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2007,11(45):9021-9025. (1)
|
| [28] | CHENG A W M,STABLER T V,BOLOGNESI M,et al.Selenomethionine inhibits IL-1β inducible nitric oxide synthase (INOS) and cyclooxygenase 2 (COX2) expression in primary human chondrocytes[J]. Osteoarthritis and Cartilage,2011,19(1):118-125. (1)
|
| [29] | 顾蓓蓓.视黄醇对脂多糖诱导的大鼠乳腺炎症反应的调节及机制研究[D]. 博士学位论文.南京:南京农业大学,2010. (2)
|
| [30] | HONG K,ZHANG Y,GUO Y,et al.All-trans retinoic acid attenuates experimental colitis through inhibition of NF-κB signaling[J]. Immunology Letters,2014,162(1):34-40. (1)
|
| [31] | BALATO A,SCHIATTARELLA M,LEMBO S,et al.Interleukin-1 family members are enhanced in psoriasis and suppressed by vitamin D and retinoic acid[J]. Archives of Dermatological Research,2013,305(3):255-262. (1)
|
| [32] | KANG J L,LEE K,CASTRANOVA V.Nitric oxide up-regulates DNA-binding activity of nuclear factor-κB in macrophages stimulated with silica and inflammatory stimulants[J]. Molecular and Cellular Biochemistry,2000,215(1/2):1-9. (1)
|
| [33] | BAEK S H,KWON T K,LIM J H,et al.Secretory phospholipase A2-potentiated inducible nitric oxide synthase expression by macrophages requires NF-κB activation[J]. The Journal of Immunology,2000,164(12):6359-6365. (1)
|
| [34] | KIM I Y,STADTMAN T C.Inhibition of NF-κB DNA binding and nitric oxide induction in human T cells and lung adenocarcinoma cells by selenite treatment[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1997,94(24):12904-12907. (1)
|
| [35] | TSI C J,CHAO Y,CHEN C W,et al.Aurintricarboxylic acid protects against cell death caused by lipopolysaccharide in macrophages by decreasing inducible nitric-oxide synthase induction via IκB kinase,extracellular signal-regulated kinase,and p38 mitogen-activated protein kinase inhibition[J]. Molecular Pharmacology,2002,62(1):90-101. (1)
|
| [36] | BEYAERT R,CUENDA A,BERGHE W V,et al.The p38/RK mitogen-activated protein kinase pathway regulates interleukin-6 synthesis response to tumor necrosis factor[J]. The EMBO Journal,1996,15(8):1914-1923. (1)
|
| [37] | CHEN C C,WANG J K.p38 but not p44/42 mitogen-activated protein kinase is required for nitric oxide synthase induction mediated by lipopolysaccharide in RAW 264.7 macrophages[J]. Molecular Pharmacology,1999,55(3):481-488. (1)
|
| [38] | 沈亚伟.全反式维甲酸对肺气肿大鼠氧化应激的影响研究[D]. 硕士学位论文.合肥:安徽医科大学,2011. (1)
|
| [39] | PALM-LEIS A,SINGH U S,HERBELIN B S,et al.Mitogen-activated protein kinases and mitogen-activated protein kinase phosphatases mediate the inhibitory effects of all-trans retinoic acid on the hypertrophic growth of cardiomyocytes[J]. The Journal of Biological Chemistry,2004,279(52):54905-54917. (1)
|
| [40] | HSIEH C C,PAPACONSTANTINOU J.Thioredoxin-ASK1 complex levels regulate ROS-mediated p38 MAPK pathway activity in livers of aged and long-lived Snell dwarf mice[J]. The FASEB Journal,2006,20(2):259-268. (1)
|
| [41] | YOO M H,CARLSON B A,GLADYSHEV V N,et al.Abrogated thioredoxin system causes increased sensitivity to TNF-α-induced apoptosis via enrichment of p-ERK 1/2 in the nucleus[J]. PLoS ONE,2013,8(9):e71427. (1)
|