氧化应激是机体氧化还原系统被破坏的一种生理状态,引起活性氧自由基在体内累积,进而氧化DNA、脂质、蛋白质等分子的不饱和结构,导致机体代谢紊乱[1]。肠道是机体与外界环境进行物质、信息交换的主要场所,易受环境中有害菌、病毒等因子刺激,使细胞线粒体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)含量急剧增加,造成肠道氧化还原系统失衡,对动物生产性能、生理机能造成不利影响,严重时可导致坏死性肠炎、溃疡等多种肠道疾病发生,制约猪的正常生长[2]。
N-氨甲酰谷氨酸(N-carbamyl glutamate,NCG)与N-乙酰谷氨酸(N-acetylglutamate,NAG)可激活线粒体中氨基甲酰磷酸合成酶-Ⅰ(carbamoyl phosphate synthetase-Ⅰ,CPS-Ⅰ)和吡咯啉-5-羧酸合成酶(pyrroline-5-carboxylate synthase,P5CS)[3],促进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体,进而促进精氨酸的内源合成[4]。近些年,以仔猪[5]、大鼠[6]、羔羊[7]为试验动物时,发现NCG在提高机体抗氧化能力、缓解肠道氧化应激方面发挥关键作用。因此,本文总结了NCG缓解肠道氧化应激的可能机理及在生猪生产中的一些应用进展。
1 NCG缓解肠道氧化应激的机制
1.1 NCG促进精氨酸合成缓解肠道氧化应激
目前,Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Kelch like ECH associated protein 1,Keap1)/Nrf2信号通路被认为是缓解猪肠道细胞氧化损伤的重要途径,在正常生理状态下,Keap1可以快速分解Nrf2。Liang等[15]研究表明,精氨酸可抑制大鼠肠道Keap1和泛素连接酶3(CULLIN3)基因的表达,从而抑制Keap1识别和降解Nrf2,提高Nrf2入核数量;Nrf2也可通过提高谷氨酸半胱氨酸连接酶(glutamate cysteine ligase,GCL)和谷氨酸半胱氨酸连接酶(glutamate cysteine ligase,GCL)等谷胱甘肽合成酶基因的表达,相应地促进GSH的合成。此外,Mo等[16]研究发现,精氨酸能够上调大鼠脾脏的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin kinase,mTOR)基因表达,而mTOR是Nrf2的上游信号分子,可能正向调控Nrf2的表达。此外,Um等[17]研究表明,一氧化氮(NO)也可诱导细胞中Nrf2的表达,可能是通过激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),进而促进Keap1的S-亚硝化,提高Nrf2的表达量。同时,NCG可促进育肥猪机体NO的生成[18],但是否能激活PKC介导Nrf2的表达还有待进一步研究。因此,一般认为NCG可以介导精氨酸的合成,进而影响Keap1/Nrf2信号通路关键蛋白的表达,从而相应地缓解肠道氧化反应(图1 )。
图1 NCG介导Nrf2信号通路缓解肠道氧化应激NCG:N-氨甲酰谷氨酸 N-carbamyl glutamate;Arg:精氨酸 arginine;mTOR:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin;Nrf2:核因子E2相关因子2 nuclear factor erythroid 2-related factor 2;SOD:超氧化物歧化酶 superoxide dismutase;CAT:过氧化氢酶 catalase;GSH-Px:谷胱甘肽过氧化酶 glutathione peroxidase。 Fig.1 NCG-mediated Nrf2 signaling pathway relieves intestinal oxidative stress[13,15⇓⇓-18] |
1.2 NCG介导谷胱甘肽合成途径缓解肠道氧化应激
谷胱甘肽是谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽,同时也是动物细胞中含量丰富的一类小分子硫醇,在清除自由基、阻止脂质过氧化、降低线粒体DNA损伤等方面发挥作用[19]。谷胱甘肽抗氧化系统是由谷胱甘肽还原型(GSH)和氧化型(GSSG)组成,通过2种形式之间的相互转换调节细胞氧化还原平衡[20]。GSH在GSH-Px或谷胱甘肽转移酶(glutathione S-transferase,GST)的作用下,与ROS和脂质过氧化物发生反应后,被氧化为GSSG;而GSSG在谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)的作用下被还原成GSH[21]。肠道受到大量ROS胁迫时,GSH与GSSG的动态平衡被打破,引起机体的氧化反应,研究表明,NCG可调控谷胱甘肽抗氧化系统,参与清除肠道中的ROS,保护肠上皮细胞免于氧化损伤[16]。
1.3 NCG介导NO代谢途径缓解肠道氧化应激
NO是机体分布最广泛的信号分子,在许多生理和病理过程中发挥着关键的调控作用[23]。有研究表明,NO在机体代谢中可以清除ROS,在肠道内,NO与超氧阴离子( )反应后,生成了过氧亚硝酸盐(ONOO-),之后转化为 和 ,从而排出体外。另外,NO也是重要的血管扩张剂。在乙酰胆碱作用下,NO由血管内皮细胞释放出来,相应地降低了血管张力,缓解了氧化应激引起的肠道缺氧问题[24]。此外,NO代谢途径还可激活抗氧化相关因子,调控机体和细胞的氧化应激反应[25]。在机体中,精氨酸、 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)和氧气在一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)的催化下合成NO,而NOS是NO的唯一限速酶;在肠道精氨酸缺乏的情况下,NOS可以催化氧气生成 ,增加ROS的产生[26]。Cai等[27]研究发现,NCG可通过精氨酸-NO途径提高猪肠道内皮型一氧化氮合酶(endothelia nitric oxide synthase,eNOS)的表达水平,促进机体NO生成。
2 NCG在缓解生猪氧化应激上的应用
2.1 NCG用于缓解母猪氧化应激
Zhu等[31]研究发现,初产母猪妊娠前期补充NCG,增加了子宫血流量,显著提高妊娠28 d胚胎着床数和胚胎存活数,显著降低胚胎死亡率,提高胚胎着床和发育相关的蛋白表达,也上调了eNOS、过氧化还蛋白6(peroxiredoxin 6,PRDX6)、热休克蛋白70(heat shock protein 70,Hsp70)等与抗氧化相关蛋白的表达,表明NCG可以缓解母猪的氧化应激反应。Feng等[32]报道指出,在母猪妊娠后期和哺乳期添加0.05% NCG,可提高仔猪初生窝重和平均活仔重,以及降低母体循环中的MDA和皮质醇含量。Liu等[33]在母猪宫内生长受限(IUGR)的研究中发现,在妊娠期母猪饲粮中添加0.1% NCG,可提高脐静脉血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGF-A)和eNOS基因的表达,提高脐静脉运输氧气和营养物质的能力,缓解母猪氧化应激引起的宫内生长受限。
2.2 NCG用于缓解仔猪氧化应激
仔猪在出生和断奶阶段由于环境突然变化易导致氧化应激。在出生阶段,由从子宫内低氧迅速转变到子宫外高氧的环境中,造成胎儿呼吸系统的线粒体产生大量ROS,然而,新生仔猪体内NAG活性较低,体内抗氧化系统无法完全清除ROS[34]。而在14日龄左右,仔猪机体的NAG活性恢复至正常水平;28日龄断奶阶段,仔猪面临了营养、心理、环境等多种应激叠加,机体抗氧化酶活性显著下降,肠道发生了较高的氧化应激反应,而内源精氨酸的合成量仍不足以清除断奶阶段产生的大量ROS[35-36]。研究发现,氧化应激会破坏仔猪肠道形态和免疫功能,对肠道的损伤作用可以一直延续至成年猪阶段[35,37],而NCG可直接促进仔猪内源精氨酸的合成,有利于缓解仔猪生理阶段的氧化应激[5]。
Cai等[27]报道指出,在妊娠早期母猪饲粮中添加0.05% NCG,可改善羊水和血清中谷胱甘肽代谢,缓解ROS对胚胎的胁迫,最终保护胚胎免受氧化应激。Zhang等[38]探究了在大肠杆菌应激条件下,NCG对新生仔猪肠道黏膜免疫功能的影响,发现灌服50 mg/kg BW NCG提高了血浆精氨酸和黏膜分泌型免疫球蛋白(SIgA)含量,降低了肠道MDA和过氧化氢含量,从而提高了肠道抗氧化能力和免疫功能。由于NCG在新生仔猪上的应用较少,而补充NCG或精氨酸均可以提高血浆精氨酸含量,且NCG的半衰期较长,相较于精氨酸,能持续稳定增加内源精氨酸的合成[39-40]。此外,在饲粮中使用NCG,还可以避免精氨酸与其他碱性氨基酸吸收时的拮抗作用。
Wu等[39]研究表明,在断奶仔猪饲粮中添加0.08% NCG后,肠道HSP70在mRNA和蛋白质水平上的表达都得到了增强,相应地减少肠道应激反应,从而提高仔猪的生长性能。Yang等[40]研究发现,在21日龄断奶的环江小型猪为研究对象时,饲粮中添加0.1% NCG,血浆精氨酸含量显著提高,空肠溶质载体家族6成员19(solute carrier family 6 member 19,Slc6a19)、溶质载体家族7成员9(solute carrier family 7 member 9,Slc7a9)和溶质载体家族1成员1(solute carrier family 7 member 9,Slc1a1)的mRNA丰度显著提高,相应地影响断奶仔猪肠道的消化吸收能力。
2.3 NCG用于缓解生长育肥猪氧化应激
在生长育肥猪阶段,猪舍饲养密度和卫生、冷热应激、运输应激和真菌毒素等均会引起氧化应激反应,严重时引起生长育肥猪生长性能下降、肉品质受损和货架期缩短等问题[8]。目前,围绕NCG缓解生长育肥猪氧化应激的研究报道较少,主要集中在调控生长育肥猪的肉品质方面。
3 小结与展望
综上所述,NCG在维持猪肠道精氨酸稳态、调控肠道氧化平衡状态等方面发挥重要作用,可以缓解由于氧化应激带来的不同阶段猪生产性能下降等问题。由于精氨酸在胃中降解率高,需要包被,导致其使用成本较高。NCG相较于精氨酸在胃液降解率低,添加量小,生产成本低,且不易与赖氨酸、组氨酸等碱性氨基酸产生拮抗作用。然而,NCG在缓解单胃动物氧化应激、调控肠道细胞增殖的研究较少,此外,大多数研究局限于NCG对精氨酸的调控作用,对于NCG调控精氨酸合成以外的机制几乎没有涉及。随着生物技术手段的不断发展,进一步探索NCG调控单胃动物肠道氧化应激的分子作用机制,有助其更好地应用于畜禽生产。